CN108297955B - 一种仿生轮足式蠕动软体机器人 - Google Patents

一种仿生轮足式蠕动软体机器人 Download PDF

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Abstract

一种仿生轮足式蠕动软体机器人，其主要包括：软体基体、行走机构、驱动机构以及末端执行器。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，整个软体基体分成两个独立的气腔，每个气腔各通过一根气管与一个气泵相连，所述气管与气泵组成驱动机构。所述软体基体设在行走机构上，其包括：轮胎安装架、卡箍、轮胎、单向轴承以及锁紧螺母，末端执行器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、尺寸和柔度可根据使用要求而改变，能够在恶劣复杂环境中长期稳定的工作，具有较高的灵活性，且结构简单，本体质量较轻，柔顺性好，气源方便，耗能较少。

Description

一种仿生轮足式蠕动软体机器人
技术领域
本发明涉及一种软体机器人，具体涉及一种仿生轮足式蠕动软体机器人。
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。刚性机器人虽有较高的控制精度，但在某些方面仍存在不足之处：在复杂非结构化环境中缺乏稳定性、灵活性和环境适应性；狭小空间运动能力有限；重量较大以及控制系统复杂。而软体机器人具有柔顺灵巧性和人机安全性等特点，在保证控制精度的情况下，可以避免以上不足之处，其应用前景广泛，例如：对易损物体进行适应性柔顺抓取；对残障病人的上肢进行康复训练及助力；在地震等自然灾害复杂地形环境下进行探索搜救以及战场上的情报搜集等等。
在软体机器人中，软体爬行机器人有着自身的优点，目前，软体机器人技术仍处于探索研究阶段，整体技术还不够完善。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；中国科学技术大学设计了一个仿海星软体机器人，该机器人每个角都可以由记忆合金驱动实现弯曲，可以爬行、转弯和翻滚。但是，软体爬行机器人的爬行速度受到限制。
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蠕动软体机器人。
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。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(其数量根据工作需求及工作环境的不同而异)，其单个气腔是由两个半圆板的两弧形边与同一个弧形板两弧形边相连，同时两半圆板的两直边又与同一个平板即底板相连组成的半圆形中空封闭壳体。在每个气腔两半圆板下部设有与其同轴线的下半圆通孔。在中空封闭壳体内设有过其轴线的隔板，该隔板不仅将中空封闭壳体分成两个不联通的90°扇形腔，而且又将下半圆通孔分隔成两个90°扇形通孔即气孔，每个扇形腔与两个气孔对应。相邻两个气腔下半圆通孔均通过两端分别与它们相连的半圆管连接，该半圆管弧形部分与下半圆通孔相连，该半圆管平板部分与中空封闭壳体底板连为一体，使单个气腔组成一个整体。每个半圆管内各设一个小隔板，这些小隔板的中心面与中空封闭壳体内隔板同中心面，于是，通过中空封闭壳体内隔板及半圆管内的小隔板将整个软体基体分成两个独立的气腔，即A腔和B腔，每个气腔各通过一根气管与一个气泵相连，所述气管与气泵组成驱动机构。所述软体基体两端面上各设一个长方体连接件，其中部设两个不联通的上下开口凹槽，它们分别与轮胎安装架及卡箍上的凸台对应。
所述软体基体设在行走机构上，该行走机构包括：轮胎安装架、卡箍、轮胎、单向轴承以及锁紧螺母。所述轮胎安装架为两个，两个轮胎安装架各设有一根轮轴，该轮轴两侧呈阶梯形，其上设有单向轴承，并由锁紧螺母定位，所述单向轴承为内部带棘轮的轴承，只能单向转动。轮胎套在单向轴承的外围，最好所述的轮胎为圆形轮胎，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。在每个轮胎安装架向上的一面设有用于插入软体基体的截面呈矩形的下凸台，最好凸台设倒角。在下凸台上方设有卡箍，其为半圆环且两端设径向外伸板，外伸板上加工有通孔，该通孔与轮胎安装架上的螺孔对应，设在卡箍通孔和轮胎安装架上螺孔内的螺钉将两者固连。另在卡箍环内设有与轮胎安装架下凸台相对的截面呈矩形的上凸台，两者外形尺寸均与软体基体槽孔对应，轮胎安装架下凸台插入软体基体的长方体形连接件的下开口凹槽内，轮胎安装架卡箍上的上凸台则插入软体基体的长方体形连接件的上开口凹槽内，再由卡箍上的螺钉将软体基体定位。
所述的末端执行器(如摄像机、抓取手爪、传感器等)，安装在软体基体非与气管相连一端的轮胎安装架上。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明具有较高的灵活性，且结构简单，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。
2、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，并能够在恶劣环境中长期稳定的工作。
附图说明
图1为本发明的立体示意简图。
图2为本发明双腔拱起立体示意简图。
图3为本发明单腔拱起(转弯)立体示意简图。
图4为本发明软体基体水平截面立体示意简图。
图5为本发明软体基体的正视剖面示意简图。
图6为本发明软体基体横截面立体示意简图。
图7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-卡箍、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所示的仿生轮足式蠕动软体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摄像机。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4、图5和图6所示，其单个气腔是由两个半圆板的两弧形边与同一个弧形板两弧形边相连，同时两半圆板的两直边又与同一个平板即底板相连组成的半圆形中空封闭壳体。在每个气腔两半圆板下部设有与其同轴线的下半圆通孔。在中空封闭壳体内设有过其轴线的隔板，该隔板不仅将中空封闭壳体分成两个不联通的90°扇形腔，而且又将下半圆通孔分隔成两个90°扇形通孔即气孔，每个扇形腔与两个气孔对应。相邻两个气腔下半圆通孔均通过两端分别与它们相连的半圆管连接，该半圆管弧形部分与下半圆通孔相连，该半圆管平板部分与中空封闭壳体底板连为一体，使单个气腔组成一个整体。每个半圆管内各设一个小隔板，这些小隔板的中心面与中空封闭壳体内隔板同中心面，于是，通过中空封闭壳体内隔板及半圆管内的小隔板将整个软体基体分成两个独立的气腔，即A腔和B腔，每个气腔各通过一根气管3与设在气泵安装架10上的一个气泵4相连，所述气管与气泵组成驱动机构。所述软体基体两端面上各设一个长方体连接件，其中部设两个不联通的上下开口凹槽，它们分别与轮胎安装架及卡箍上的凸台对应。所述软体基体设在行走机构上，所述轮胎安装架为两个，如图7所示，两个轮胎安装架6各设有一根轮轴，该轮轴两侧呈阶梯形，其上设有单向轴承8，并由锁紧螺母9定位，所述单向轴承为内部带棘轮的轴承。轮胎7套在单向轴承的外围，所述的轮胎为圆形轮胎，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。在每个轮胎安装架向上的一面设有用于插入软体基体的截面呈矩形的下凸台，凸台设倒角。在下凸台上方设有卡箍5，其为半圆环且两端设径向外伸板，外伸板上加工有通孔，该通孔与轮胎安装架上的螺孔对应，设在卡箍通孔和轮胎安装架上螺孔内的螺钉将两者固连。另在卡箍环内设有与轮胎安装架下凸台相对的截面呈矩形的上凸台，两者外形尺寸均与软体基体槽孔对应，轮胎安装架下凸台插入软体基体的长方体形连接件的下开口凹槽内，轮胎安装架卡箍上的上凸台则插入软体基体的长方体形连接件的上开口凹槽内，再由卡箍上的螺钉将软体基体定位。所述的末端执行器即摄像机安装在软体基体非与气管相连一端的轮胎安装架上，如图1所示。
本发明工作过程大致如下：软体基体2内部设有两个对称分布、形状相同的A、B气动空腔。前进时，气泵4通过压力控制阀对软体基体的两个气动空腔同时通入一定压力气体，软体基体膨胀变形而呈拱形，如图2所示，因为轮胎在单向轴承制约下只能向前滚动，所以后部轮胎安装架会向前移动，前部轮胎安装架不会向后移动；当通过压力控制阀释放压力气体时，软体基体会因弹性恢复力和重力作用推动前部轮胎安装架向前移动，这样软体机器人就完成了一次向前蠕动运动。转弯时，气泵通过压力控制阀对软体基体其中一个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，如图3所示，而另一侧气腔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，完成转向运动。

Claims (3)

1.一种仿生轮足式蠕动软体机器人，其特征在于：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，其单个气腔是由两个半圆板的两弧形边与同一个弧形板两弧形边相连，同时两半圆板的两直边又与同一个平板即底板相连组成的半圆形中空封闭壳体，在每个气腔两半圆板下部设有与其同轴线的下半圆通孔，在中空封闭壳体内设有过其轴线的隔板，该隔板不仅将中空封闭壳体分成两个不联通的90°扇形腔，而且又将下半圆通孔分隔成两个90°扇形通孔即气孔，每个扇形腔与两个气孔对应，相邻两个气腔下半圆通孔均通过两端分别与它们相连的半圆管连接，该半圆管弧形部分与下半圆通孔相连，该半圆管平板部分与中空封闭壳体底板连为一体，使单个气腔组成一个整体，每个半圆管内各设一个小隔板，这些小隔板的中心面与中空封闭壳体内隔板同中心面，通过中空封闭壳体内隔板及半圆管内的小隔板将整个软体基体分成两个独立的气腔，即A腔和B腔，每个气腔各通过一根气管与一个气泵相连，所述气管与气泵组成驱动机构，所述软体基体两端面上各设一个长方体连接件，其中部设两个不联通的上下开口凹槽，它们分别与轮胎安装架及卡箍上的凸台对应；所述软体基体设在行走机构上，行走机构的轮胎安装架为两个，两个轮胎安装架各设有一根轮轴，该轮轴两侧呈阶梯形，其上设有单向轴承，并由锁紧螺母定位，所述单向轴承为内部带棘轮的轴承，只能单向转动，轮胎套在单向轴承的外围，在每个轮胎安装架向上的一面设有用于插入软体基体的截面呈矩形的下凸台，在下凸台上方设有卡箍，其为半圆环且两端设径向外伸板，外伸板上加工有通孔，该通孔与轮胎安装架上的螺孔对应，设在卡箍通孔和轮胎安装架上螺孔内的螺钉将两者固连，另在卡箍环内设有与轮胎安装架下凸台相对的截面呈矩形的上凸台，两者外形尺寸均与软体基体槽孔对应，轮胎安装架下凸台插入软体基体的长方体形连接件的下开口凹槽内，轮胎安装架卡箍上的上凸台则插入软体基体的长方体形连接件的上开口凹槽内，再由卡箍上的螺钉将软体基体定位；末端执行器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所述的仿生轮足式蠕动软体机器人，其特征在于：所述的轮胎为圆形轮胎，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。
3.根据权利要求2所述的仿生轮足式蠕动软体机器人，其特征在于：凸台设倒角。
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