CN109050698A - 一种模块化柔性爬行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化柔性爬行机器人。本发明包括支撑模块、伸缩模块、连接模块和硅胶管，三个连接模块的下底面分别和三个支撑模块的旋转单元上底面固定形成三组基本单元，相邻两个基本单元的连接模块之间连接有一个伸缩模块，每个旋转单元包括上底面、下底面和侧边曲面，侧边曲面密封包围连接在上底面、下底面之间，硅胶管插装连接于上底面设有的孔，连接气源后，气源对气室抽真空后，使得旋转单元边旋转边降低高度，气源对气室充气变成大气压后，使得旋转单元边旋转边增加高度，旋转单元恢复为原来的常态形状。本发明全部采用柔性材料制作爬行机器人，运动灵活，能实现前进、后退、转向等功能，应用前景广泛。

Description

一种模块化柔性爬行机器人

技术领域

本发明涉及柔性机器人领域，具体涉及了一种模块化柔性爬行机器人。

背景技术

传统的爬行机器人采用硬材料制作，从高处掉落或者被重物压过之后，机器人的某些零件会损坏，不能继续工作。硬材料制作的机器人与人碰撞后会对人造成伤害，而软体机器人由于自身固有的柔顺性，与人接触后发生变形，不会对人造成伤害。

针对以上情况，有必要研究一种新型的软体机器人来解决这些问题。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种模块化的柔性爬行机器人，采用旋转单元制作模块化的柔性爬行机器人，并为其设计新的运动方式，用于复杂的环境中作业。

本发明所采用的技术方案如下：

本发明包括三个支撑模块、两个伸缩模块、三个连接模块和七根硅胶管，支撑模块为一个顺时针旋转单元或逆时针旋转单元，伸缩模块由一个顺时针旋转单元和一个逆时针旋转单元以下底面相对接组成；三个连接模块的下底面分别和三个支撑模块的旋转单元上底面固定形成三组基本单元，三组基本单元依次沿直线排布，相邻两个基本单元的连接模块之间连接有一个伸缩模块，伸缩模块两端的两个旋转单元的上底面分别固定连接到连接模块侧面。

每个旋转单元包括上底面、下底面和侧边曲面，上底面尺寸小于下底面尺寸，侧边曲面密封包围连接在上底面、下底面周围之间，使得整个旋转单元形成密封气室，且使得旋转单元形成近似上小下大的台体，上底面中间设有一个孔，硅胶管插装连接于孔，硅胶管经连接模块穿出连接到外部气源，顺时针旋转单元的侧边曲面沿顺时针方向扭转，逆时针旋转单元的侧边曲面沿逆时针方向扭转；硅胶管连接气源，气源对气室抽真空后，侧边曲面正向扭转同时带动上底面和下底面之间的距离变近，即使得旋转单元边旋转边降低高度，气源对气室充气变成大气压后，侧边曲面反向扭转同时带动上底面和下底面之间的距离变远，即使得旋转单元边旋转边增加高度，旋转单元恢复为原来的常态形状。

本发明的整个爬行机器人全部采用柔性材料制作，运动灵活，能实现前进、后退、转向等功能。

所述伸缩模块中，顺时针旋转单元和逆时针旋转单元的下底面用硅胶粘接剂粘在一起，上底面分别与两个连接模块带孔的侧面连接。顺时针旋转单元和逆时针旋转单元经硅胶管连接气源，通过气源对顺时针旋转单元和逆时针旋转单元同时进行相同控制，控制顺时针旋转单元和逆时针旋转单元的密封气室同时进行充气或者抽气，使得顺时针旋转单元和逆时针旋转单元的下底面运动同步，两个侧边曲面旋向相反，抵消了旋转单元的旋转，使得两个上底面之间没有相对转动，整个伸缩模块不旋转仅伸缩运动。

所述的三个支撑模块可以均为顺时针旋转单元或者均为逆时针旋转单元，或者是顺时针旋转单元和逆时针旋转单元的混合。

所述的上底面、下底面和侧边曲面均用硅胶材料浇铸。

位于两侧的所述支撑模块的旋转单元的下底面为光滑面，位于中间的支撑模块的旋转单元的下底面为不光滑面。

每个所述的旋转单元的硅胶管均经各自所连接的连接模块穿出连接到外部气源，硅胶管均从连接模块顶面穿出。

位于两侧的所述的连接模块的顶面有两根硅胶管，连接模块侧面所连接的伸缩模块中的旋转单元的硅胶管从连接模块侧面穿入后从连接模块上底面穿出，连接模块下底面所连接的支撑模块的旋转单元的硅胶管从连接模块下底面穿入后从连接模块上底面穿出。位于中间的连接模块的顶面有三根硅胶管，连接模块两侧面所连接的两个伸缩模块中的旋转单元的硅胶管从连接模块两侧面分别穿入后均从连接模块上底面穿出，连接模块下底面所连接的支撑模块的旋转单元的硅胶管从连接模块下底面穿入后从连接模块上底面穿出。

本发明的有益效果是：

本发明弥补了现有刚体爬行机器人的不足，提供的柔性爬行机器人运动灵活，不易损坏，寿命长；本发明相对传统的硬材料制作的机器人，能实现前进、后退、转向等功能，在柔顺性、灵活性、环境适应性方面有了较大进步，应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明的三维结构示意图；

图2是逆时针旋转单元接负压后的变形示意图；

图3是伸缩模块接负压后的变形示意图；

图4是爬行机器人向前运动示意图；

图5是爬行机器人向后运动示意图；

图6是爬行机器人转向示意图。

图中：A支撑模块1、B支撑模块2、C支撑模块3、A连接模块4、B连接模块5、C连接模块6、A伸缩模块7、B伸缩模块8、A硅胶管9、B硅胶管10、C硅胶管11、D硅胶管12、E硅胶管13、F硅胶管14、G硅胶管15、旋转单元上底面16、旋转单元侧边曲面17、旋转单元下底面18、顺时针旋转单元19、逆时针旋转单元20。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明机器人具体实施包括三个支撑模块、两个伸缩模块、三个连接模块和七根硅胶管，支撑模块为一个顺时针旋转单元19或逆时针旋转单元20，伸缩模块由一个顺时针旋转单元19和一个逆时针旋转单元20以下底面相对接组成；三个连接模块的下底面分别和三个支撑模块的旋转单元上底面固定形成三组基本单元，三组基本单元依次沿直线排布，相邻两个基本单元的连接模块之间连接有一个伸缩模块，伸缩模块两端的两个旋转单元的上底面分别固定连接到连接模块侧面。

如图2所示，每个旋转单元包括上底面16、下底面18和侧边曲面17，上底面16尺寸小于下底面18尺寸，侧边曲面17密封包围连接在上底面16、下底面18周围之间，使得整个旋转单元形成密封气室，且使得旋转单元形成近似上小下大的柱形结构，上底面16中间设有一个孔，硅胶管插装连接于孔，硅胶管经连接模块穿出连接到外部气源，顺时针旋转单元19的侧边曲面沿顺时针方向扭转，逆时针旋转单元20的侧边曲面沿逆时针方向扭转；硅胶管连接气源，气源对气室抽真空后，侧边曲面正向扭转同时带动上底面16和下底面18之间的距离变近，即使得旋转单元边旋转边降低高度，气源对气室充气变成大气压后，侧边曲面反向扭转同时带动上底面16和下底面18之间的距离变远，即使得旋转单元边旋转边增加高度，旋转单元恢复为原来的常态形状。

本发明的整个爬行机器人全部采用柔性材料制作，运动灵活，能实现前进、后退、转向等功能。

如图3所示，伸缩模块中，顺时针旋转单元19和逆时针旋转单元20的下底面用硅胶粘接剂粘在一起，上底面分别与两个连接模块带孔的侧面连接。顺时针旋转单元19和逆时针旋转单元20经硅胶管连接气源，通过气源对顺时针旋转单元19和逆时针旋转单元20同时进行相同控制，控制顺时针旋转单元19和逆时针旋转单元20的密封气室同时进行充气或者抽气，使得顺时针旋转单元19和逆时针旋转单元20的下底面18运动同步，两个侧边曲面17旋向相反，抵消了旋转单元的旋转，使得两个上底面16之间没有相对转动，整个伸缩模块不旋转仅伸缩运动。

位于两侧的支撑模块的旋转单元的下底面18为光滑面，位于中间的支撑模块的旋转单元的下底面18为不光滑面。

具体实施中，位于两侧的支撑模块分别为A支撑模块1和C支撑模块3，位于中间的支撑模块为B支撑模块2；A支撑模块1的上底面固定连接到A连接模块4下底面，A伸缩模块7一侧旋转单元的上底面固定连接到A连接模块4一侧面，A支撑模块1的和A伸缩模块7一侧旋转单元各自对应的A硅胶管9、B硅胶管10分别经A连接模块4从A连接模块4上底面穿出。

B支撑模块2的上底面固定连接到B连接模块5下底面，A伸缩模块7另一侧旋转单元的上底面固定连接到B连接模块5一侧面，B伸缩模块8一侧旋转单元的上底面固定连接到B连接模块5另一侧面，A伸缩模块7另一侧旋转单元、B支撑模块2的旋转单元、B伸缩模块8一侧旋转单元各自对应的C硅胶管11、D硅胶管12、E硅胶管13分别经B连接模块5从B连接模块5上底面穿出。

C支撑模块3的上底面固定连接到C连接模块6下底面，B伸缩模块8另一侧旋转单元的上底面固定连接到C连接模块6一侧面，B伸缩模块8另一侧旋转单元和C支撑模块3的旋转单元各自对应的F硅胶管14、G硅胶管15分别经C连接模块6从C连接模块6上底面穿出。

具体实施中，A支撑模块1和C支撑模块3的旋转单元的下底面18为光滑面，B支撑模块2的旋转单元的下底面18为不光滑面。

本发明的模块化柔性爬行机器人置于地面上，按照以下方式进行向前运动：

机器人向前运动可分解成9个动作依次循环进行，如图4所示。

动作S1：A硅胶管9连接负压，A硅胶管9连通的A支撑模块1收缩从而脱离地面；

动作S2：B硅胶管10和C硅胶管11连接负压，B硅胶管10和C硅胶管11所连接的A伸缩模块7的两个旋转单元共同收缩，带动A连接模块4和A支撑模块1向前运动，即向B连接模块5和B支撑模块2运动；

动作S3：A硅胶管9连接大气压，A硅胶管9连通的A支撑模块1恢复原形从而与地面接触；

动作S4：D硅胶管12连接负压，D硅胶管12连通的B支撑模块2收缩从而脱离地面；

动作S5：B硅胶管10和C硅胶管11连接大气压，E硅胶管13和F硅胶管14连接负压，B硅胶管10和C硅胶管11所连接的A伸缩模块7恢复原形，E硅胶管13和F硅胶管14所连接的B伸缩模块8收缩，带动B连接模块5和B支撑模块2向前运动，即靠近C连接模块6和C支撑模块3运动；

动作S6：D硅胶管12连接大气压，D硅胶管12连通的B支撑模块2恢复原形从而与地面接触；

动作S7：G硅胶管15连接负压，G硅胶管15连通的C支撑模块3收缩从而脱离地面；

动作S8：E硅胶管13和F硅胶管14连接大气压，E硅胶管13和F硅胶管14所连接的B伸缩模块8恢复原形，从而带动C连接模块6和C支撑模块3向前运动，即远离B连接模块5和B支撑模块2运动；

动作S9：G硅胶管15连接大气压，与G硅胶管15连通的C支撑模块3恢复原形从而与地面接触。

机器人的向后运动与向前运动类似，如图5所示。

本发明的模块化柔性爬行机器人置于地面上，按照以下方式进行转向运动：

机器人转向运动分为4个动作，如图6所示。

动作S1：A硅胶管9、D硅胶管12和G硅胶管15连接负压，这三个硅胶管所连接的A支撑模块1、B支撑模块2、C支撑模块3同时收缩，使得机器人高度整体降低；

动作S2：缓慢减小D硅胶管12中的负压，D硅胶管12所连接的B支撑模块2逐渐恢复原形，在恢复原形的过程中B支撑模块2边升高边旋转，带动A支撑模块1、C支撑模块3与地面脱离接触且机器人整体随着B支撑模块2旋转；

动作S3：机器人旋转到所需角度后保持D硅胶管12的压力不变，A硅胶管9、G硅胶管15连接大气压，这两个硅胶管所连接的A支撑模块1、C支撑模块3恢复原形并与地面接触，B支撑模块2脱离地面；

动作S4：D硅胶管12连接大气压，D硅胶管12所连接的B支撑模块2恢复变形并与地面接触，转向运动完成。

Claims (6)

1.一种模块化柔性爬行机器人，其特征在于：包括三个支撑模块、两个伸缩模块、三个连接模块和七根硅胶管，支撑模块为一个顺时针旋转单元(19)或逆时针旋转单元(20)，伸缩模块由一个顺时针旋转单元(19)和一个逆时针旋转单元(20)以下底面相对接组成；三个连接模块的下底面分别和三个支撑模块的旋转单元上底面固定形成三组基本单元，三组基本单元依次沿直线排布，相邻两个基本单元的连接模块之间连接有一个伸缩模块，伸缩模块两端的两个旋转单元的上底面分别固定连接到连接模块侧面；每个旋转单元包括上底面(16)、下底面(18)和侧边曲面(17)，上底面(16)尺寸小于下底面(18)尺寸，侧边曲面(17)密封包围连接在上底面(16)、下底面(18)之间，使得整个旋转单元形成密封气室，上底面(16)中间设有一个孔，硅胶管插装连接于孔，硅胶管经连接模块穿出连接到外部气源，顺时针旋转单元(19)的侧边曲面沿顺时针方向扭转，逆时针旋转单元(20)的侧边曲面沿逆时针方向扭转；硅胶管连接气源，气源对气室抽真空后，侧边曲面正向扭转同时带动上底面(16)和下底面(18)之间的距离变近，即使得旋转单元边旋转边降低高度，气源对气室充气后，侧边曲面反向扭转同时带动上底面(16)和下底面(18)之间的距离变远，即使得旋转单元边旋转边增加高度。

2.根据权利要求1所述的一种模块化柔性爬行机器人，其特征在于，

所述伸缩模块中，顺时针旋转单元19和逆时针旋转单元20的下底面用硅胶粘接剂粘在一起，顺时针旋转单元19和逆时针旋转单元20经硅胶管连接气源，通过气源对顺时针旋转单元19和逆时针旋转单元20同时进行相同控制，控制顺时针旋转单元19和逆时针旋转单元20的密封气室同时进行充气或者抽气。

3.根据权利要求1所述的一种模块化柔性爬行机器人，其特征在于，

所述的三个支撑模块可以均为顺时针旋转单元(19)或者均为逆时针旋转单元(20)，或者是顺时针旋转单元(19)和逆时针旋转单元(20)的混合。

4.根据权利要求1所述的一种模块化柔性爬行机器人，其特征在于，

所述的上底面(16)、下底面(18)和侧边曲面(17)均用硅胶材料浇铸。

5.根据权利要求1所述的一种模块化柔性爬行机器人，其特征在于，

位于两侧的支撑模块的旋转单元的下底面(18)为光滑面，位于中间的支撑模块的旋转单元的下底面(18)为不光滑面。

6.根据权利要求1所述的一种模块化柔性爬行机器人，其特征在于，

每个旋转单元的硅胶管均经各自所连接的连接模块穿出连接到外部气源，硅胶管均从连接模块顶面穿出。