CN107380290B - 一种电磁驱动的软体爬行机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及软体机器人，具体涉及一种电磁驱动的软体爬行机器人。该机器人由组成躯干的软体单胞、头部和六对摩擦腹足组成，所述软体单胞主要包括液体空腔、柔性电磁铁、表皮结构和嵌入表皮的导电超弹性材料。单胞两两之间通过橡胶材料胶接，头部中装有无线收发模块。所述在软体单胞1中上下对称布置有柔性电磁铁，单胞中的柔性电磁铁通过嵌入表皮结构的导电超弹性材料与无线收发模块相连接，其中表皮结构是由具有伸缩变形能力的聚合物弹性体材料制成，在软体单胞中偏置一个液体空腔。本发明利用柔性电磁铁通电时的相互吸引力使软体单胞发生变形，断电时吸引力消失由表皮弹性材料收缩原理和摩擦腹足的摩擦力，来实现软体爬行机器人的爬行运动。
Description
技术领域
本发明涉及软体机器人的驱动领域，具体涉及一种电磁驱动的软体爬行机器人。
背景技术
近年来,随着新材料与快速加工制造技术的发展,软体机器人技术已成为机器人技术领域的研究热点。与传统的刚性机器人相比,具有多方面优势，在理论上具有无限多个自由度,不需要复杂的机构,易实现多功能性能够通过变形更好地适应未知或复杂非结构化作业环境，与作业对象之间为柔性接触,能够操作形状复杂各异的物体,对自身与操作对象的损伤很小等,在物理辅助医疗康复,微创手术,复杂环境搜索与探测等方面具有广阔的应用前景。
目前,软体机器人研究主要借助于智能材料(如超弹性硅橡胶材料、形状记忆合金、电活性聚合物DEA等)和新型驱动技术如气动、液压、磁流变、电致伸缩等,开发具有充分柔顺性、适应性、超冗余性的软体机器人。上海交通大学机器人所设计了一种仿尺蠖蠕动球型模块化软体机器人，通过球型模块的依次膨胀和收缩，以及软件摩擦腹足的交替及附和撤离，实现在粗糙面上的蠕动前进，但此结构采用气体驱动需要外置空气压缩泵和复杂的管路，而且它只能在一定的范围内运动。申请号为201210433877.0的中国专利申请公开了一种应用于非结构作业环境中的软体机器人，在躯干部内周向上设置四条通道,在通道内沿轴向嵌入数个相间隔的微分磁性刚性单元,通过控制该刚性单元实现整体的弯曲和蠕动，该形式的软体机器人含有刚性零部件,并不是真正意义上的软体,适应性差，而且其结构复杂、制造困难。
发明内容
为了解决现有软体机器人中存在刚性单元这一问题，本发明提供了一种柔性电磁铁驱动的软体爬行机器人，该机器人应用一些软体单元代替了传统机器人中的刚性零部件，基本实现了全软体机器人这一概念。
一种电磁驱动的软体爬行机器人，其特征在于：所述软体爬行机器人包括组成躯干的软体单胞、头部、六对摩擦腹足和软体单胞之间的橡胶材料组成，其中六个可重组的软体单胞每三个为一排组成一个具有左右两排软体单胞的软体爬行机器人，每个软体单胞下面设有一对摩擦腹足，软体单胞两两之间由橡胶材料胶接，所述软体单胞主要包括液体空腔、柔性电磁铁、表皮结构和导电超弹性材料；在位于躯干前端的头部结构中装有无线收发模块。所述在软体单胞的表皮结构内部上下对称布置有柔性电磁铁，柔性电磁铁和无限收发模块之间的电路通过嵌入表皮的导电超弹性材料相连接，表皮结构是由具有伸缩变形能力的聚合物弹性体材料制成，在每个软体单胞中偏置一个液体空腔，利用柔性电磁铁通电时具有磁性，断电时磁性消失，同时结合聚合物材料的弹性，通过无线收发模块控制不同单胞的通断电来实现软体爬行机器人的前进和转弯。按照无线收发模块收到的序列分别控制每个电磁铁通电的电流或电压就可实现软体爬行机器人的相应控制。
本发明进一步限定的技术方案如下：
前述软体单胞中的两个柔性电磁铁实现对称分布，所述柔性电磁铁跟普通电磁铁组成一样，它包括漆包线和铁芯，铁芯为具有压阻特性和线弹性的导电高分子材料，通过沿两个不同的方向分别给两个铁芯绕线得到，在通电时两个柔性电磁铁互相之间能产生吸引力。
前述液体空腔偏置于软体单胞中，使得软体单胞在工作时，下半部分的变形量大于上半部分的变形量，实现更大的位移。
前述摩擦腹足的安装角度θ是腹足与地面的夹角，可依据腹足在爬行过程中所受到的支持力的水平分量和摩擦力之间的关系进行计算，具体公式为一定的角度，其中μ是腹足与地面的摩擦系数，mg是该腹足所支撑的重力，FN是腹足所受到的支持力，安装后可使它在工作时限制软体单胞只能沿一个方向收缩，实现前进运动。
前述两两单胞之间的橡胶材料在动作过程中也发生一定量的变形。
前述软体单胞以靠近头部的第一对单胞开始，依次通电，发生变形，实现前进运动。
前述的导电超弹性材料为碳纳米管超弹性材料，其具有可压缩性、回弹性和抗疲劳性、高的导电性和可逆弹性应变能力，且在一定范围内压缩变形其电学性能不会发生明显改变。
前述的基体聚合物材料为聚氨酯(TPU)、热塑性弹性体(TPE)、热塑性硫化胶(TPV)、橡胶(RB)或乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)等高弹性高分子材料,这些材料具有良好的弹性和成型加工性,利用这些特点,易于加工发明所需的形状,同时还可以配合柔性电磁铁完成驱动动作,在大部分的应用环境中性能保持稳定,在控制电路的驱动下灵活运动。
本发明的有益效果是：
1.本发明一种电磁驱动软体爬行机器人可以通过调节外部电源提供电流的调节电流的大小来控制磁性的强弱,进而调节软体机器人运动的快慢；同时通过给不同软体单胞的电磁铁通电来实现结构的弯曲，实现在非结构环境作业下驱动方式稳定,动作灵敏、连续。
2.本发明软体爬行机器人多采用了柔性单元，可以承受极大的挤压力。
3.本发明电磁驱动软体机器人采用导电超弹性材料，可以在一定的情况下弯曲和伸展。实现了整体结构运动的灵活性和可靠性。
4本发明通过安装无线收发模块实现远程控制。
5.本发明结构简单，易于制造
附图说明
图1是本发明所述软体爬行机器人的主视图的局部剖视图；
图2是本发明所述软体爬行机器人的俯视图；
图3是本发明所述软体爬行机器人的横向剖面图；
图4是本发明所述软体爬行机器人软体单胞通电后结构图。
图中：
1-软体单胞；2-液体空腔；；3-柔性电磁铁；4-表皮结构；5-橡胶材料；6-无线收发模块；7-头部；8-摩擦腹足；9-导电超弹性材料。
具体实施方式
为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明。
如图1、图2和图3所示，本发明一种电磁驱动软体爬行机器人，主要包括组成躯干的软体单胞1、头部7、六对摩擦腹足8组成。软体单胞1主要包括液体空腔2、柔性电磁铁3、表皮结构4和嵌入表皮的导电超弹性材料9，液体空腔2偏置于软体单胞1中，里面充满液体。在软体单胞1上下对称布置有柔性电磁铁3，导电超弹性材料9将与单胞中的柔性电磁铁3和无线收发模块6相连接，且导电超弹性材料9嵌入表皮结构4中。软体单胞1两两之间通过橡胶材料5胶接，头部7中装有无线收发模块6，摩擦腹足8的安装具有一定的角度。表皮结构4是由具有伸缩变形能力的聚合物弹性体材料制成的，具有良好的弹性，给磁芯不同的绕线方式，当无线收发模块接受到信号以后，给靠近头部的第一对软体单胞1的两对柔性电磁铁3第一对线圈通电，柔性电磁铁3产生不同的磁极，每个软体单胞1中的两个柔性电磁铁以N-S或S-N形式相对，异性相吸，从而产生吸引力，产生的吸引力来驱动软体单胞1产生横向伸长纵向缩短的变形，同时液体空腔5也发生变形，机器人的步长增加，如图4为一个单胞的通电后的结构图；当断电时，柔性电磁铁3磁性消失，两个电磁铁之间的作用力消失，表皮结构的收缩力和摩擦腹足的作用力使单胞恢复原来的状态并沿前进方向产生一段位移。从最靠近头部的第一对软体单胞1开始，按照一定的序列分别依次控制每对软体单胞1中柔性电磁铁3通入的电流或电压就可实现软体爬行机器人的控制，从而带动整个软体爬行机器人运动。还可以通过控制给不同侧的软体单胞1通断电，来实现转弯。
Claims (8)
1.一种电磁驱动的软体爬行机器人，其特征在于：所述软体爬行机器人包括组成躯干的软体单胞、头部、六对摩擦腹足和软体单胞之间的橡胶材料，其中六个可重组的软体单胞每三个为一排组成一个具有左右两排软体单胞的软体爬行机器人，每个软体单胞下面设有一对摩擦腹足，软体单胞两两之间由橡胶材料胶接，所述软体单胞主要包括液体空腔、柔性电磁铁、表皮结构和导电超弹性材料；在位于躯干前端的头部结构中装有无线收发模块；在软体单胞的表皮结构内部上下对称布置柔性电磁铁，柔性电磁铁和无线 收发模块之间的电路通过嵌入表皮的导电超弹性材料相连接，表皮结构是由具有伸缩变形能力的聚合物弹性体材料制成，在每个软体单胞中偏置一个液体空腔，利用柔性电磁铁通电时具有磁性，断电时磁性消失，同时结合聚合物材料的弹性，通过无线收发模块控制不同单胞的通断电来实现软体爬行机器人的前进和转弯。
2.根据权利要求1所述一种电磁驱动的软体爬行机器人，其特征在于：所述软体单胞中的两个柔性电磁铁实现对称分布，所述柔性电磁铁包括漆包线和铁芯，铁芯为具有压阻特性和线弹性的导电高分子材料，通过沿两个不同的方向分别给两个铁芯绕线得到，在通电时两个柔性电磁铁互相之间能产生吸引力。
3.根据权利要求1所述一种电磁驱动的软体爬行机器人,其特征在于：所述液体空腔偏置于软体单胞中，使得软体单胞在工作时，下半部分的变形量大于上半部分的变形量，实现更大的位移。
4.根据权利要求1所述一种电磁驱动的软体爬行机器人，其特征在于：所述 摩擦腹足的安装角度为θ，θ指腹足与地面的夹角，可依据腹足在爬行过程中所受到的支持力的水平分量和摩擦力之间的关系进行计算，具体公式为其中μ是腹足与地面的摩擦系数，mg是该腹足所支撑的重力，FN是腹足所受到的支持力，安装后可使软体爬行机器人在工作时限制软体单胞只能沿一个方向收缩，实现前进运动。
5.根据权利要求1所述一种电磁驱动的软体爬行机器人，其特征在于：所述两两单胞之间的橡胶材料在动作过程中也发生一定量的变形；所述软体单胞以靠近头部的第一对单胞开始，依次通电，发生变形，实现前进运动。
6.根据权利要求1所述一种电磁驱动的软体爬行机器人，其特征在于：所述的导电超弹性材料为碳纳米管超弹性材料，其具有可压缩性、回弹性和抗疲劳性、高的导电性和可逆弹性应变能力，且在一定范围内压缩变形其电学性能不会发生明显改变。
7.根据权利要求1所述一种电磁驱动的软体爬行机器人，其特征在于：所述的聚合物弹性体材料为聚氨酯(TPU)、热塑性弹性体(TPE)、热塑性硫化胶(TPV)、橡胶(RB)或乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)高弹性高分子材料。
8.根据权利要求1所述一种电磁驱动的软体爬行机器人，其特征在于：当无线收发模块接受到信号以后，给靠近头部的第一对软体单胞的两对柔性电磁铁第一对线圈通电，柔性电磁铁产生不同的磁极，每个软体单胞中的两个柔性电磁铁以N-S或S-N形式相对，异性相吸，从而产生吸引力，产生的吸引力来驱动软体单胞( 1) 产生横向伸长纵向缩短的变形，同时液体空腔也发生变形，机器人的步长增加；当断电时，柔性电磁铁磁性消失，两个电磁铁之间的作用力消失，表皮结构的收缩力和摩擦腹足的作用力使单胞恢复原来的状态并沿前进方向产生一段位移；从最靠近头部的第一对软体单胞开始，按照一定的序列分别依次控制每对软体单胞中柔性电磁铁通入的电流或电压就可实现软体爬行机器人的控制，从而带动整个软体爬行机器人运动，还通过控制给不同侧的软体单胞通断电，来实现转弯。
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