CN108189019B - 仿生轮足式气动软体行走机器人 - Google Patents

Abstract

一种仿生轮足式气动软体行走机器人，其主要包括：软体基体、行走机构、驱动机构以及末端执行器。软体基体为采用柔性硅橡胶在模具中分步浇筑而成的一个整体结构，软体基体每个腔的一端各与一根气管相连，该气管的另一端与一个气泵相连，气管与气泵组成驱动机构。在软体基体的两端及每两段气腔之间均设一个与其同轴中空的圆柱形连接件，通过该连接件将软体基体安装在行走机构上。所述的行走机构主要包括：轮胎安装架、轮胎、单向轴承以及锁紧螺母。所述的末端执行器通过末端安装架安装在软体基体非与气管相连一端的轮胎安装架上。本发明软体基体形状、尺寸和柔度可变，能够在恶劣环境中长期稳定的工作；可以实现多种模式的运动。

Description

仿生轮足式气动软体行走机器人

技术领域

本发明涉及一种软体机器人。

背景技术

随着技术的进步，机器人在各行各业的应用更加成熟，但现在的机器人大多为机械结构的刚性机器人，能够快速、精确、地执行任务，已在制造、装配、物流等领域发挥重要作用，但此类机器人通常是在结构化环境中工作，难以适应动态、未知、非结构化的复杂环境。软体机器人作为新一代机器人的发展方向，具有柔顺性好、人机安全性高的的特点。软体机器人具有高度可变形的结构，利用结构的可变形性来适应未知环境，具有环境适应性强的特点。在软体机器人中，软体爬行机器人有着自身的优点，国内外研制出的比较有代表性的软体爬行机器人有美国塔夫兹大学研制的GoQBot软体机器人，能够像毛毛虫一样具有滚动弹射能力；首尔国立大学的WANG等在尺蠖运动模式的启发下设计了一个仿尺蠖软体爬行机器人，该机器人在前后左右都镶嵌记忆合金，可以实现爬行和转弯。但是，软体爬行机器人在一个周期内的运动序列复杂，爬行速度受到限制。

发明内容

本发明目的是提供一种结构简单、柔顺性好、耗能少且能够在复杂非结构环境下快速运动的仿生轮足式气动软体行走机器人。

本发明主要包括：软体基体、行走机构、驱动机构以及末端执行器等。其中，软体基体为采用柔性硅橡胶在模具中分步浇筑而成的一个整体结构，由N段内部空腔组成(根据工作需求及工作环境的不同而异)，其中，每段内部空腔是由若干个气腔相连组成的褶皱形结构(其数量根据工作需求及工作环境的不同而异)，其单个褶皱形结构有等高的直径大小不等的两个同轴线圆环，它们由与其等高的3个辐条式隔板相连并将大小圆环所夹空间分割成3个截面为120°扇形空间，在扇形空间的两个端面上各设一个环状端板，其外周边直径等于大圆环外径，内周边直径大于小圆环外径，基本组成有3个独立气腔的圆柱形中空封闭壳体，这3个气腔分别为A腔、B腔和C腔。相邻两褶皱形结构由套管相连，其内套管与气腔小圆环同径并连为一体，组成贯穿软体基体的圆管，该圆管用以安放连接气泵的气管；外套管直径等于环状端板内径且两者相连，组成该段软体基体。内外套管之间设有辐条式小隔板，其与褶皱形结构大小圆环之间的隔板位置相对并连为一体，套管夹层被小隔板分为3个区间，每个区间与褶皱形结构的一个扇形气腔对应，所述若干套管可使该段软体基体所有的A腔相连通，所有的B腔相连通，所有的C腔相连通。该段软体基体每个腔的一端各与一根气管相连，该气管的另一端穿过软体基体的中心圆管直至与一个气泵相连，气管与气泵组成驱动机构。在软体基体的两端及每两段气腔之间均设一个与其同轴中空的圆柱形连接件，最好中心通孔直径与内套管内径相同，该连接结构外周面上设有均布的3个截面呈矩形的凹槽，它们分别与轮胎安装架上的凸台对应，以便将行走机构段安装在软体基体上。

所述的行走机构主要包括：轮胎安装架、轮胎、单向轴承以及锁紧螺母。所述轮胎安装架有一个内径与软体基体圆柱形连接件外径对应的圆环，该圆环是由活动连接的三段组成，最好每段的两端呈阶梯形，每段两端设有对应的螺孔并通过设在螺孔内的螺钉将相邻两段相连。每段圆环内侧中部各设一个长方体凸台，最好凸台设倒角；每段圆环外侧中部各固定一根轮轴的一端，最好三根轮轴的轴线交于一点，每根轮轴另一端呈阶梯形，其上设有内部带棘轮的单向轴承，并用锁紧螺母固定。在单向轴承外面套有非金属材质的轮胎，所述的轮胎为圆台型，其靠近轮胎安装架的直径大于远离轮胎安装架的直径，最好圆台母线与其轴线夹角为60°.

所述的末端执行器如摄像机、抓取手爪、传感器等，通过末端安装架安装在软体基体非与气管相连一端的轮胎安装架上。

本发明除特殊注明外，余下材料均为金属材料。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.软体基体形状、尺寸和柔度可根据使用要求而改变，并由于采用的硅胶材料耐酸碱，故其可用于各类酸碱、潮湿等特殊环境，能够在恶劣环境中长期稳定的工作。

2.通过布置软体机器人的三叉轮胎支架上的单向轴承的不同旋转方向，通过单向轴承运动方向的限制，可以实现多种模式的运动：前进、后退、停止。

3.该软体机器人可通过对不同气动空腔通入压力气体使其产生相应运动，提高了软体机器人的灵活性，其结构简单，本体质量较轻，通过细软管和压力控制阀与气源相连，气源方便，耗能较少，机器人运动控制系统简单。

附图说明

图1为本发明的立体示意简图。

图2为本发明整体拱起立体示意简图。

图3为本发明前段抬升立体示意简图。

图4为本发明两侧抬升立体示意简图。

图5为本发明两侧侧向抬升立体示意简图。

图6为本发明的软体基体一侧末端局部立体示意简图。

图7为本发明的软体基体一侧末端局剖示意简图。

图8为本发明的软体基体主视剖面示意简图。

图9为本发明一侧末端立体示意简图。

图10为本发明行走机构立体示意简图。

图中：1-末端执行器、2-软体基体、3-气管、4-气泵、5-末端安装架、6-轮胎安装架、7-轮胎、8-单向轴承、9-锁紧螺母、10-气泵安装架。

具体实施方式

在图1所示的仿生轮足式气动软体行走机器人立体示意简图中，本发明主要包括：软体基体2、行走机构、驱动机构以及末端执行器1。其中，软体基体是采用柔性硅橡胶在模具中分步浇筑而成的由若干个气腔相连组成的褶皱形结构，如图7和图8所示，其单个褶皱形结构有等高的直径大小不等的两个同轴线圆环，它们由与其等高的3个辐条式隔板相连并将大小圆环所夹空间分割成3个截面为120°扇形空间，在扇形空间的两个端面上各设一个环状端板，其外周边直径等于大圆环外径，内周边直径大于小圆环外径，基本组成有3个独立气腔的圆柱形中空封闭壳体，这3个气腔分别为A腔、B腔和C腔。相邻两褶皱形结构由套管相连，其内套管与气腔小圆环同径并连为一体，组成贯穿整段软体基体的圆管；外套管直径等于环状端板内径且两者相连，组成整段软体基体。内外套管之间设有辐条式小隔板，其与褶皱形结构大小圆环之间的隔板位置相对并连为一体，套管夹层被小隔板分为3个区间，每个区间与褶皱形结构的一个扇形气腔对应，所述若干套管可使软体基体所有的A腔相连通，所有的B腔相连通，所有的C腔相连通。每个腔的一端各与一根气管3相连，该气管的另一端与设在气泵安装架10上的一个气泵4相连，气管与气泵组成驱动机构。所述的软体基体有3段，其两端的褶皱形结构非连接端面上各设一个与其同轴中空的圆柱形连接结构，该连接件外周面上设有均布的3个截面呈矩形的凹槽，它们分别与轮胎安装架上的凸台对应。在整个软体基体的两端分别设有一个与其同轴中空的圆柱形连接结构，如图6所示，这个圆柱形结构也是硅胶浇筑出来的，跟基体是一体化结构。

在图9和图10所示的本发明行走机构的示意简图中，轮胎安装架6有一个内径与软体基体圆柱形连接件外径对应的圆环，该圆环是由活动连接的三段组成，每段的两端呈阶梯形，其上设有对应的螺孔并通过设在螺孔内的螺钉将相邻两段相连。每段圆环内侧中部各设一个长方体凸台，凸台设倒角；每段圆环外侧中部各固定一根轮轴的一端，三根轮轴的轴线交于一点，每根轮轴另一端呈阶梯形，其上设有内部带棘轮的单向轴承8，并用锁紧螺母9固定。在单向轴承外面套有非金属材质的轮胎7，所述的轮胎为圆台型，其靠近轮胎安装架的直径大于远离轮胎安装架的直径，圆台母线与其轴线夹角为60°.圆台轮胎外侧设有多个环形均布褶皱型凸台，中间加工有与单向轴承配合使用的圆形孔和与单向轴承外圈键槽配合使用的矩形凸台。安装完各个单向轴承8后，轮胎a的旋转方向为面向软体基体2呈顺时针方向，轮胎b的旋转方向为面向软体基体2呈逆时针方向，轮胎c的旋转方向为面向软体基体2呈顺时针方向。轮胎a与轮胎b之间为气腔A，轮胎b与轮胎c之间为气腔B，轮胎a与轮胎c之间为气腔C。当气腔A接近地面时，由于单向轴承8的作用，轮胎安装架6只能前进不能后退，同理，当气腔B接近地面时，由于单向轴承的轮胎安装架6只能后退不能前进，当气腔C接近地面时，轮胎安装架6无法移动。

所述的末端执行器摄像机通过末端安装架5安装在软体基体非与气管相连一端的轮胎安装架上。本发明除特殊注明外，余下材料均为金属材料。

在图2-图5所示的仿生轮足式气动软体行走机器人工作过程示意简图中，软体基体2的内部空腔分为N段(本例以前中后3段进行分析)，每段环形均布3个形状相同的气动空腔，三段空腔工作原理基本相同。前进时，气泵4通过压力控制阀对软体基体2远离地面的气动空腔通入一定压力气体，该段软体基体2顶部膨胀变形而呈拱形，因为单向轮8只能向前滚动，所以后部支架会向前移动，前部支架不会向后移动；当通过压力控制阀释放压力气体时，软体机器人会因弹性恢复力和重力作用推动前部支架向前移动，这样该软体机器人就完成了一次向前蠕动运动。转弯时，气泵4通过压力控制阀对某段软体基体2的上部一侧气动空腔通入一定压力气体，该气腔膨胀变形而向斜上角呈拱形，而该段软体基体2的另两个气腔，由于无压力，在充气的气动空腔挤压下发生挤压弯曲，进而软体机器人向受挤压一侧弯曲，完成该段部分的转向运动，软体机器人的各段软体基体2独立驱动时可以实现“S”形曲线运动。越过障碍时，气泵通过压力控制阀对软体基体2靠近地面的前段气动空腔通入一定压力气体，该段软体基体2底部膨胀变形而呈拱形，使得该段软体基体2的前部支架抬起，远离地面，后部软体基体2继续蠕动前行靠近障碍。前段软体基体2越过障障后，前段气腔放气，中段远离地面的气腔充气，中段软体基体2成拱形越过障碍，后段软体基体2以相同原理、相似操作越过障碍。改变行进方向时，气泵4通过压力控制阀对软体基体2前后两段靠近地面以及远离地面的一侧气动空腔通入一定压力气体，该段软体基体2两侧末端向斜上方拱起，使得软体机器人发生旋转，在单向轴承的作用下，软体机器人的行进方向发生改变，通过翻转可以实现前进、后退、驻停三个运动形式。

Claims (5)

1.一种仿生轮足式气动软体行走机器人，其特征在于：软体基体为采用柔性硅橡胶在模具中分步浇筑而成的一个整体结构，由N段内部空腔组成，其中，每段内部空腔是由若干个气腔相连组成的褶皱形结构，其单个褶皱形结构有等高的直径大小不等的两个同轴线圆环，它们由与其等高的3个辐条式隔板相连并将大小圆环所夹空间分割成3个截面为120°扇形空间，在扇形空间的两个端面上各设一个环状端板，其外周边直径等于大圆环外径，内周边直径大于小圆环外径，基本组成有3个独立气腔的圆柱形中空封闭壳体，这3个气腔分别为A腔、B腔和C腔，相邻两褶皱形结构由套管相连，其内套管与气腔小圆环同径并连为一体，组成贯穿软体基体的圆管，该圆管用以安放连接气泵的气管；外套管直径等于环状端板内径且两者相连，组成该段软体基体，内外套管之间设有辐条式小隔板，其与褶皱形结构大小圆环之间的隔板位置相对并连为一体，套管夹层被小隔板分为3个区间，每个区间与褶皱形结构的一个扇形气腔对应，所述若干套管可使该段软体基体所有的A腔相连通，所有的B腔相连通，所有的C腔相连通，该段软体基体每个腔的一端各与一根气管相连，该气管的另一端穿过软体基体的中心圆管直至与一个气泵相连，气管与气泵组成驱动机构，在软体基体的两端及每两段气腔之间均设一个与其同轴中空的圆柱形连接件，该连接结构外周面上设有均布的3个截面呈矩形的凹槽，它们分别与轮胎安装架上的凸台对应；行走机构的轮胎安装架有一个内径与软体基体圆柱形连接件外径对应的圆环，该圆环是由活动连接的三段组成，每段两端设有对应的螺孔并通过设在螺孔内的螺钉将相邻两段相连，每段圆环内侧中部各设一个长方体凸台，每段圆环外侧中部各固定一根轮轴的一端，每根轮轴另一端呈阶梯形，其上设有内部带棘轮的单向轴承，并用锁紧螺母固定，在单向轴承外面套有非金属材质的轮胎，所述的轮胎为圆台型，其靠近轮胎安装架的直径大于远离轮胎安装架的直径，末端执行器通过末端安装架安装在软体基体非与气管相连一端的轮胎安装架上。

2.根据权利要求1所述的仿生轮足式气动软体行走机器人，其特征在于：两段气腔之间的圆柱形连接件中心通孔直径与内套管内径相同。

3.根据权利要求1所述的仿生轮足式气动软体行走机器人，其特征在于：轮胎安装架每段的两端呈阶梯形。

4.根据权利要求1所述的仿生轮足式气动软体行走机器人，其特征在于：每段圆环外侧的三根轮轴的轴线交于一点。

5.根据权利要求1所述的仿生轮足式气动软体行走机器人，其特征在于：轮胎圆台母线与其轴线夹角为60°。