CN108891496B - 一种气动仿蚯蚓软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气动仿蚯蚓软体机器人，包括至少三节单节结构，每节单节结构之间用粘合剂连接，所述单节结构包括轴向驱动器、套在轴向驱动器上的弹性外腔和气管；所述轴向驱动器为圆柱多腔体结构，圆柱体外部为波纹结构，每个波纹内部设置有空腔且各空腔之间通过气路相连，在轴向驱动器一端设置通气口，第一气管通过通气孔与轴向驱动器相连；所述弹性外腔为椭球形腔体结构，第二气管设置在轴向驱动器和弹性外腔之间。该软体机器人通过气体驱动，不仅可实现平面爬行也可以实现管道等狭小空间内爬行；在平面爬行时，使得软体机器人的爬行方式相较于屈曲式爬行更加平稳，运动效率较高；在管道及狭小空间爬行时，可实现各种坡度环境的爬行。

Description

一种气动仿蚯蚓软体机器人

技术领域

本发明涉及一种软体机器人，尤其涉及一种气动仿蚯蚓软体机器人。

背景技术

近年来，随着仿生机器人和3D打印技术的发展，软体机器人得到广泛关注。软体机器人是以自然界的软体生物为原型发展的一种机器人，其躯体主要由可以承受大变形的弹性材料构成。软体机器人与传统机器人相比，一方面可以产生无限自由度的形变，使得机器人的某一端点可达到三维空间内的任意位置。另一方面软体机器人表面对压力的抵抗性比较低，与障碍物有很好的融合性。同时软体机器人的驱动方式较为多样化，因此软体机器人可被广泛用于工业、医疗等领域。

对于软体爬行机器如国家发明专利授权公告号CN 102922528A公开了北京化工大学设计的一种以微分磁性高分子材料为驱动方式的软体机器人。该软体机器人模仿毛毛虫的屈曲式爬行方式，通过控制在躯干内部的高分子复合材料的伸缩量来实现机器人整体的弯曲，从而实现软体机器人的爬行。该种机器人运动灵活、动作迅速。但屈曲式得爬行方式在软体机器人弯曲时重心上移，容易使机器人的稳定性降低，且无法很好的适应具有较大倾斜角度的管道爬行。由于软体机器人内部嵌入多条高分子材料，因此机器人的制作成本也较高。

对于软体爬行机器人如国家发明专利授权号CN 105500380 A公开了浙江工业大学设计的串并融合伪足软体机器人。该软体机器人依靠气体驱动，其两端结构可以单独驱动产生径向膨胀，来模仿毛虫的伪足。机器人中间部分由多个气腔组成，通过改变各气腔的通气组合，可实现多角度弯曲或伸长。在运动过程中，通过机器人首尾伪足结构的交替驱动产生前后的不对称摩擦，再通过中间结构产生有效位移。该机器人可进行多角度运动，但在平面爬行过程中，仅通过首尾的径向膨胀不易使机器人前后产生足够的不对称摩擦，且中间部分长度较大且为柔性材料，有可能产生偏心。

对于软体爬行机器人如文章A SMA Actuated Artificial Earthworm(IEEE，International Conference on Robotics and Automation，May 01,2004)为意大利微电子研究中心设计了一种基于SMA(形状记忆合金)的仿蚯蚓软体机器人。该机器人为多节结构，每节结构通过SMA驱动，使得该节轴向收缩径向伸长。通过模仿蚯蚓的运动模式，使各节之间交替驱动，从而实现爬行。该软体机器人结构简单，爬行效率高，但该软体机器人并不适用于具有斜坡的管道等复杂环境中的爬行

发明内容

本发明的目的是为了机器人具有平面、管道、狭小空间等环境内爬行的能力，且爬行稳定、效率较高而提供一种气动仿蚯蚓软体机器人。

本发明的目的是这样实现的：

一种气动仿蚯蚓软体机器人，包括至少三节单节结构，每节单节结构之间用粘合剂连接，

所述单节结构包括轴向驱动器、套在轴向驱动器上的弹性外腔和气管；

所述轴向驱动器为圆柱多腔体结构，圆柱体外部为波纹结构，每个波纹内部设置有空腔且各空腔之间通过气路相连，在轴向驱动器一端设置通气口，第一气管通过通气孔与轴向驱动器相连；

所述弹性外腔为椭球形腔体结构，弹性外腔上采用折叠结构，第二气管设置在轴向驱动器和弹性外腔之间。

本发明还包括这样一些特征：

1.所述折叠结构的夹角为70°，折叠结构距弹性外腔轴线的距离＞22mm；

2.所述气管在折叠结构内。

一种仿蚯蚓爬行软体机器人，为一种多节结构，各单节结构相同，通过使用硅胶粘合剂相连。通过气体驱动可分别驱动各单节结构，实现轴向主动径向被动变形或径向主动轴向被动变形，从而模仿蚯蚓的身体结构。通过模仿蚯蚓运动机理，实现软体机器人的爬行。

上述各单节结构包括轴向驱动器和弹性外腔。弹性外腔套在轴向驱动器上，使用硅胶粘合剂来密封弹性外腔与轴向驱动器，并在密封时插入气管。

上述弹性外腔为一种椭球形腔体结构，且弹性外腔上采用局部折叠结构，其中折叠结构的数量与尺寸大小与上述各单节结构的变形量有关。

上述轴向驱动器为一种圆柱多腔体结构，圆柱体外部为波纹结构，各波纹之间距离较小。每波纹内部都镶嵌有空腔，且各空腔之间通过气路相连。在轴向驱动器一端设计有总的通气口，该气口插入气管后保持外部气管呈近似水平状态，并通过硅胶粘合剂密封气管与气口。

进一步轴向驱动器与弹性外腔采用硅胶材料制作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明根据蚯蚓的身体结构，设计一种模块化的多节软体机器人。该软体机器人通过气体驱动，不仅可实现平面爬行也可以实现管道等狭小空间内爬行；

(2)本发明模仿蚯蚓的运动方式。在平面爬行时，使得软体机器人的爬行方式相较于屈曲式爬行(如尺蠖蛾幼虫)更加平稳，运动效率较高。在管道及狭小空间爬行时，可实现各种坡度环境的爬行；

(3)本发明软体机器人各单节结构中的轴向驱动器与弹性外腔，分别模仿蚯蚓各体节内的纵肌和环肌。通过气体驱动轴向驱动器时，可实现单节结构轴向主动伸长，径向被动收缩。通过气体驱动弹性外腔时，可实现径向膨胀，同时轴向在一定压力范围内被动收缩，从而实现了模仿蚯蚓单节轴向与径向的拮抗关系。

附图说明

图1是本发明软体机器人的整体外形图；

图2是本发明软体机器人单节整体结构图；

图3是本发明软体机器人单节结构中的轴向驱动器结构图；

图4是是图3的剖面图；

图5是本发明软体机器人单节结构中的弹性外腔结构图；

图6是本发明软体机器人的平面爬行的步态周期图；

图7是本发明软体机器人的管道内爬行的步态周期图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，为本发明一种仿蚯蚓软体机器人，由于蚯蚓为一种多节的无脊椎动物，所以该机器人主要使用五个相同的节单元1串联而成，每节单元之间通过硅胶粘合剂相连。各节单元由两个气管驱动，使其分别产生轴向与径向变形。各节单元的气管可以通过相邻节单元中弹性外腔2上的折叠结构汇聚于软体机器人的一端。

所述节单元如图2所示，由轴向驱动器3和弹性外腔2组成。通过对蚯蚓的肌肉结构分析，从而设计出的轴向驱动3和弹性外腔2分别用于模仿蚯蚓单节内的纵肌与环肌。弹性外腔2外套在轴向驱动器3上，且在弹性外腔2与轴向驱动器3之间插入气管4，最终使用硅胶粘合剂进行密封。在轴向驱动器3通气时，轴向驱动器3伸长，拉伸弹性外腔2使得弹性外腔的折叠结构6产生折叠效果，从而实现节单元2的径向被动收缩。当气管4通气时，弹性外腔的折叠结构6展开，实现径向膨胀，同时轴向产生少量收缩。待折叠结构6全部展开后，再加大气压将使弹性外腔径向与轴向同时膨胀。

所述轴向驱动器3如图3所示，轴向驱动器3为多腔体结构，驱动器外部设计为波纹结构。如图3所示，每个波纹内部嵌有空腔，且每个空腔通过气路相通。为了使轴向驱动器端口的气管5在气口处保持水平，在驱动器端部设计凸起的进气结构，并设计如图4所示的气路。为了提高轴向驱动器伸长率，波纹结构之间的间距不宜过大。当气管5通入气体时，各内置腔体发生弹性变形，产生轴向伸长。当泄气时，在弹性力的驱动下，驱动器产生轴向收缩。

所述弹性外腔2如图5所示，该弹性外腔壁厚为1mm，外腔上设计有六个折叠结构6，该折叠结构的夹角为70°，折叠结构距弹性外腔轴线的最短距离为22mm。该折叠结构的设计为了解决以下问题：

(1)对于没有该结构的外腔，由于形状较为规则，且外腔的硅胶材料具有不可压缩性，所以在轴向拉伸时径向变形较小，

(2)对于没有该结构的外腔，轴向驱动时很容易产生不规则的局部折叠现象，从而破坏轴向伸长的稳定性。

该折叠结构的优势还在于可以稳定软体机器人，防止软体机器人滚动，并且可以充当各节单元气管的导向槽。

实施例1

如图6为软体机器人平面爬行步态周期图，爬行方向为向左爬行，通过高速循环爬行周期实现快速平面爬行。其中具体驱动方式如下：

(1)在第一阶段时，对各节单元的弹性外腔进行通气，使其具有一定刚度但又不产生较大变形。

(2)在第一阶段到第二阶段过程中，对节单元10和9的轴向驱动器进行通气，同时对其弹性外腔泄气，使其推动节单元11向左伸长，且保持机器人左端不动。

(3)在第二阶段到第三阶段过程中，对节单元8的轴向驱动器通气，弹性外腔泄气，同时对节单元10轴向驱动器泄气，弹性外腔通气，使得节单元8的伸长弥补节单元10的收缩量。

(4)在第三阶段到第四阶段过程中，对节单元8和9的弹性外腔通气，同时轴向驱动器泄气，使得节单元8和9向右拉动节单元7，从而使机器人产生爬行量。

实施例2

如图7为软体机器人在管道爬行步态周期图，爬行方向向左爬行，通过高速循环爬行周期实现快速管道爬行。其中具体爬行方式如下：

(1)在第一阶段到第二阶段过程中，对节单元12的弹性外腔通气，使其得到较大的径向膨胀，从而增大节单与管壁的摩擦力。

(2)在第二阶段到第三阶段过程中，对节单元13、14、15的轴向驱动器通气，使其轴向伸长径向收缩。由于机器人左边的摩擦力大于右端的摩擦力，所以机器人向右伸长。

(3)在第三阶段到第四极端过程中，对节单元13的弹性外腔通气，使其产生较大径向膨胀，从而增大节单元与管壁的摩擦力。

(4)在第四阶段到第五阶段过程中，对节单元12的弹性外腔泄气，使其径向收缩。

(5)在第五阶段到第六阶段过程中，对节单元13、14、15的轴向驱动器泄气，使其在弹性力的作用下轴向收缩。由于机器人左端的摩擦力大于右端，所以拉动节单元12向右移动，从而产生有效位移。

(6)在第六阶段到第七阶段过程中，对节单元16弹性外腔泄气，软体机器人恢复原状。

本发明的上述具体驱动方式仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明驱动方式的限定。在上述说明的基础上还可以容易的做出其它形式上的变化或者替代,而这些改变或者替代也将包含在本发明确定的保护范围之内。

综上所述：本发明涉及一种软体机器人，通过模仿蚯蚓的结构特性，设计以硅胶为制作材料的一种多节单元结构的软体机器人。各节单元之间通过硅胶粘合剂相连，且每节单元结构相同，由轴向驱动器与弹性外腔组成，用于模仿蚯蚓的纵肌与环肌。每节单元由两个气管驱动，分别为轴向驱动器与弹性外腔通气，可实现轴向主动伸长径向被动收缩或径向主动膨胀轴向被动变形。所述伸长驱动器为一种多腔体波纹管结构。所述弹性外腔为之中具有多个均匀分布的折叠结构的弹性外腔。本发明具有两种运动形式，一种为模仿蚯蚓的蠕动机理的平面快速爬行，另一种为适合各种角度管道的爬行。具有对外界环境适应能力强、爬行动作连续稳定、模块化设计结构简单等特点。

Claims (3)

1.一种气动仿蚯蚓软体机器人，其特征是，包括至少三节单节结构，每节单节结构之间用粘合剂连接，所述单节结构包括轴向驱动器、套在轴向驱动器上的弹性外腔和气管，所述气管包括第一气管和第二气管；

所述轴向驱动器为圆柱多腔体结构，圆柱体外部为波纹结构，每个波纹内部设置有空腔且各空腔之间通过气路相连，在轴向驱动器一端设置通气口，第一气管通过通气孔与轴向驱动器相连；

所述弹性外腔为椭球形腔体结构，弹性外腔上采用折叠结构，第二气管设置在轴向驱动器和弹性外腔之间。

2.根据权利要求1所述的气动仿蚯蚓软体机器人，其特征是，所述折叠结构的两个折叠面的夹角为70°，折叠结构距弹性外腔轴线的距离＞22mm。

3.根据权利要求1或2所述的气动仿蚯蚓软体机器人，其特征是，所述气管在折叠结构内。

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