CN109515544A - 一种多模块差动软体机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多模块差动软体机器人，包括：多个差动运动模块，分别为依次连接的头模块及尾模块；每个差动运动模块包括：两个充气气囊驱动器及底板，两个充气气囊驱动器设置于底板上，并联排布于模块的左右两侧；头模块还包括：至少两个前脚，前脚并排设置在头模块的前端；尾模块还包括：至少两个后脚，后脚并排设置在尾模块的后端；充气气囊驱动器用于通过充气或放气来实现弯曲变形，进而带动底板实现弯曲变形，进而带动尾模块及头模块依次发生弯曲变形产生运动量进行动作传递来实现机器人的前移；动作传递为后一模块充气、前一模块充气、后一模块放气的动作顺序。本发明的多模块差动软体机器人，结构简单，速度快。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种多模块差动软体机器人。
背景技术
近年来，软体机器人逐渐进入大家的视野，相对于传统的刚性机器人，软体机器人对环境有更好的适应性，可以根据环境的不同改变自身的结构，具有抗震救灾的地形勘测以及一些特殊地形探索的应用前景。
软体爬行机器人可以根据主动变形实现爬行、转弯、滚动等功能。大部分软体爬行机器人来自于对大自然生物的研究，自然界的生物体的大部分由肌肉、皮肤等软体物质组成，这些柔性物质能够储存大量的弹性势能，能用于适应自然界动态的环境。
查找相关文献可知，近年来也有很多关于软体爬行机器人的研究，例如：
Tufts大学的Takuya等人通过研究毛毛虫的运动设计了一个基于3D打印外壳、内嵌SMA驱动的软体爬行机器人；
首尔国立大学的Wei Wang等人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；
哈佛大学Robert Wood等人设计了一个仿生章鱼软体机器人，该机器人全部结构都是由软体材料构成，利用机器人体内化学反应产生气体供能，驱动机器人的各个触手运动；
哈佛大学R.F.Shepherd等人设计了一个气动四脚爬行机器人。
上述现有的软体机器人存在如下缺点：
使用形状记忆合金制成的软体机器人变形时需要进行通电加热，因为运动速度会受到加热的时间限制，而依赖化学反应进行运动机器人对其内部结构要求高，且需要频繁更换驱动材料。且上述三种软体机器人均不具有模块化的特点。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种多模块差动软体机器人，解决了软体机器人模块化和差动运动，其具有模块化和差动运动的优点，能进行直行和转弯运动，能适用于多种环境；差动运动模块结构简单，机器人的运动速度更快。
为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种多模块差动软体机器人，其包括：多个差动运动模块，分别为依次连接的头模块以及尾模块；其中，
每个所述差动运动模块包括：两个充气气囊驱动器以及底板，两个所述充气气囊驱动器设置于所述底板上，两个所述充气气囊驱动器并联排布于所述差动运动模块的左右两侧；
所述头模块还包括：至少两个前脚，所述前脚并排设置在所述头模块的前端；
所述尾模块还包括：至少两个后脚，所述后脚并排设置在所述尾模块的后端；
所述充气气囊驱动器用于通过充气或放气来实现弯曲变形，进而带动所述底板实现弯曲变形，进而带动所述尾模块以及所述头模块依次发生弯曲变形产生运动量进行动作传递来实现机器人的前移；
所述动作传递为后一差动运动模块充气、前一差动运动模块充气、后一差动运动模块放气的动作顺序；
所述充气气囊驱动器用于通过不同的充气量来实现所述差动运动模块的不同运动量；
同一差动运动模块的两个充气气囊驱动器用于通过不同的充气量来实现所述差动运动模块的左右侧运动量不同，进而实现所述机器人的转弯。
较佳地，所述尾模块的所述后脚在所述气囊驱动器的充气阶段、所述气囊驱动器的放气阶段与地面的摩擦力不同：
在充气阶段，所述后脚的摩擦力小于与所述尾模块连接的所述头模块提供的摩擦力，用于使所述后脚随所述底板的弯曲前移，产生运动量；
在放气阶段，所述后脚的摩擦力大于与所述尾模块连接的所述头模块弯曲提供的拉力，用于使所述后脚不随着所述头模块的弯曲和所述尾模块的伸展发生移动，实现所述运动量的传递；
所述头模块的所述前脚在所述气囊驱动器的充气阶段、所述气囊驱动器的放气阶段与地面的摩擦力不同：
在充气阶段，所述前脚的摩擦力大于与所述头模块连接的所述尾模块提供的摩擦力，用于使所述前脚不随着所述尾模块的伸展和所述头模块的弯曲发生移动；
在放气阶段，所述后脚的摩擦力大于与所述头模块连接的所述尾模块提供的摩擦力，用于使所述前脚随着底板的伸展发生前移，传递运动量。
较佳地，所述差动运动模块还包括：中间模块，所述中间模块设置于所述头模块与所述尾模块之间；对应地，
所述充气气囊驱动器用于驱动所述尾模块、所述中间模块以及所述头模块依次发生弯曲变形产生运动量进行动作传递来实现机器人的前移；
所述中间模块包括一个或多个；当所述中间模块包括多个时，多个所述中间模块之间依次连接。
较佳地，所述尾模块的所述后脚在所述气囊驱动器的充气阶段、所述气囊驱动器的放气阶段与地面的摩擦力不同：
在充气阶段，所述后脚的摩擦力小于与所述尾模块连接的所述中间模块提供的摩擦力，用于使所述后脚随所述底板的弯曲前移，产生运动量；
在放气阶段，所述后脚的摩擦力大于与所述尾模块连接的所述中间模块弯曲提供的拉力，用于使所述后脚不随着所述中间模块的弯曲和所述尾模块的伸展发生移动，实现所述运动量的传递；
所述中间模块的前端，后端在所述气囊驱动器的充气阶段、所述气囊驱动器的放气阶段与地面的摩擦力不同实现所述运动量的传递：
在充气阶段，所述中间模块的后端的摩擦力小于所述中间模块的前端的摩擦力，用于使所述中间模块拉伸所述中间模块的后一模块，当所述后一模块放气时，所述中间模块再次拉伸后端，获得所述后一模块的运动量；
在放气阶段，所述中间模块的后端的摩擦力大于所述中间模块的前一模块的拉伸力，用于使所述中间模块的前端前移，将所述中间模块的运动量传递到所述前一模块；
所述头模块的所述前脚在所述气囊驱动器的充气阶段、所述气囊驱动器的放气阶段与地面的摩擦力不同：
在充气阶段，所述前脚的摩擦力大于与所述头模块连接的所述中间模块提供的摩擦力，用于使所述前脚不随着所述中间模块的伸展和所述头模块的弯曲发生移动；
在放气阶段，所述后脚的摩擦力大于与所述头模块连接的所述中间模块提供的摩擦力，用于使所述前脚随着底板的伸展发生前移，传递运动量。
较佳地，所述底板包括依次设置的：顶层、中间层以及底层；其中，
所述顶层以及所述底层均由橡胶材料制作而成；橡胶材料允许制作成具有孔隙气腔等复杂结构的软体机器人，且橡胶材料与地面之间摩擦系数大，更宜用来制作吸附性能优异的爬行机器人；
所述中间层为不可拉伸中间层，使底板能够弯曲但不能拉伸。
较佳地，所述充气气囊驱动器包括：多个相互连通的气囊，多个所述气囊通过各自底部的通气槽连为一体。
较佳地，相邻两个所述差动运动模块之间为可拆卸连接。
较佳地，相邻两个差动模块之间通过永磁体进行可拆卸连接，与夹紧式和胶粘式方式相比，永磁体连接更加节省结构空间，更易于实现可拆卸和重构组装的功能。
较佳地，相邻两个差动模块之间的永磁体至少包括三对。
较佳地，所述前脚和/或所述后脚为摩擦片。
相较于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)本发明的多模块差动软体机器人，解决了软体机器人模块化和差动运动，其具有模块化和差动运动的优点，能进行直行和转弯运动，能适用于多种环境；差动运动模块结构简单，其可以将转动运动序列和直线运动序列结合起来并交替进行，实现连续运动过程中的转向，进而提高机器人的运动速度；
(2)本发明的多模块差动软体机器人，还设置有中间模块，中间模块的数量可以进行不同的组合，形成不同长度的模块化差动软体机器人，在运动能力和灵活性上有很大提高；
(3)本发明的多模块差动软体机器人，底板包括三层，中间层为不可拉伸中间层，使底板可以弯曲但不能拉伸，以避免底板可以拉伸，充气过程中底板会同气囊一起产生垂直于底板的膨胀，不能达到很好的弯曲效果的问题。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
图1为本发明的优选实施例的多模块差动软体机器人的结构示意图。
标号说明：1-气囊驱动器，2-底板的顶层，3-底板的中间层，4-底板的底层，5-前脚，6-后脚，7-永磁体。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
结合图1，本实施例对本发明的多模块差动软体机器人进行详细描述，如图1所示，其包括：多个差动运动模块，分别为依次连接的头模块、中间模块以及尾模块。其中，每个中间模块分别包括：两个气囊驱动器1、一块底板(2，3，4)以及六个永磁体7(前端三个，后端三个)；头模块包括：两个气囊驱动器1、一块底板(2，3，4)、三个永磁体7以及两个前脚5；尾模块包括：两个气囊驱动器1、一块底板(2，3，4)、三个永磁体7以及两个后脚6。本实施例中，模块通过永磁体7可以进行拼接和组成，形成具有不同数量模块的模块化差动软体机器人。
本实施例中，底板都包括依次连接的三层，分别为：顶层2、中间层3以及底层4。在部分优选实施例中，顶层2和底层4均由橡胶材料(较佳地，采用硅橡胶)制作而成，中间层3为不可拉伸中间层(如：可以采用纸张)，顶层2和底层4利用橡胶材料允许制作成具有孔隙气腔等复杂结构的软体机器人，且橡胶材料与地面之间摩擦系数大，更宜用来制作吸附性能优异的爬行机器人；中间层3利用纸张的不可拉伸性，使底板可以弯曲但不能拉伸。而如果不加入纸张层2时，底板可以拉伸，充气过程中底板会同气囊一起产生垂直于底板的膨胀，不能达到很好的弯曲效果。
本实施例中，两个气囊驱动器1分别通过硅橡胶粘接剂粘接在底板的顶层2上，分别位于差动运动模块的两侧，气囊驱动器1可以通过气管分别充气或放气，通过充气或放气实现弯曲变形，气囊驱动器1的充气量的不同实现运动模块的不对称变形量，从而实现机器人的差速运动即转弯和/或前移。
头模块中的前脚5和尾模块中的后脚6直接和底板(2，3，4)粘结；头模块位于机器人的前端，尾模块位于机器人的后端，用于提供机器人运动的摩擦力；左侧的前脚5和左侧的后脚6对应于机器人的左侧，右侧的前脚5和右侧的后脚6对应于机器人的右侧；当头模块和尾模块进行运动传递时，气囊驱动器1弯曲变形，底板(2，3，4)随着气囊驱动器1的弯曲而弯曲，左右侧的前脚5和后脚6分别随着底板(2，3，4)的弯曲而改变与地面的接触面积，从而改变摩擦力，进而实现机器人的运动。
永磁体7通过硅橡胶粘接在底板(2，4)上，其中：中间模块的永磁体7粘结在底板(2，4)的前后端，头模块的永磁体粘结在底板(2，4)的后端，尾模块的永磁体粘结在底板(2，4)的前端。在其他实施例中，永磁体7的数量和具体设置位置可以根据需要进行调整。
本实施例中，气囊驱动器1为并联排布的驱动器，每个气囊驱动器4均由11个相互连通的气囊组成，11个气囊通过底部的通气槽连为一体。在其他实施例里，气囊驱动器4的气囊个数可以是其他数量，根据实际需要设置即可。
上述实施例的机器人的工作原理为：当模块上的气囊驱动器1采用同等充气量充气时，左右两个气囊驱动器1产生相同的弯曲量；
在充气过程中，前脚5的摩擦力大于后脚1的摩擦力，后脚1随着底板3的弯曲前移；
在放气过程中，后脚1摩擦力大于前脚5的摩擦力，前脚5随着底板3的伸展前移；一次收缩和一次伸展完成所述机器人前行的一个周期；
当左、右两个气囊驱动器4的充气量不同时，左、右后脚1的摩擦力不同，从而实现机器人的转弯运动。
本实施例的多模块差动软体机器人可以将转动运动序列和直线运动序列结合起来并交替进行，实现连续运动过程中的转向，进而提高机器人的运动速度。
尾模块的后脚6在气囊驱动器1充气阶段、气囊驱动器1放气阶段与地面的摩擦力不同：在充气阶段，后脚6的摩擦力小于与尾模块连接的中间模块提供的摩擦力，后脚6随底板(2，3，4)的弯曲前移，产生运动量；在放气阶段，后脚6的摩擦力大于与尾模块连接的中间模块弯曲提供的拉力，后脚6不随着中间模块的弯曲和尾模块的伸展发生移动，实现运动量的传递。
中间模块前端，后端在气囊驱动器1充放气阶段与地面的摩擦力不同实现运动量的传递：在充气阶段，模块的后端的摩擦力小于模块的前端的摩擦力，模块拉伸模块的后一模块，当后一模块放气时，模块再次拉伸后端，获得后一模块的运动量；在放气阶段，模块的后端的摩擦力大于模块前一模块的拉伸力，模块的前端前移，将模块的运动量传递到前一模块。
头模块的前脚5在气囊驱动器1充放气阶段与地面的摩擦力不同：在充气阶段，前脚5的摩擦力大于与头模块连接的中间模块提供的摩擦力，前脚5不随着中间模块的伸展和头模块的弯曲发生移动；在放气阶段，前脚5的摩擦力大于与头模块连接的中间模块提供的摩擦力，前脚5随着底板(2，3，4)的伸展发生前移，传递运动量。
本实施例中，中间模块包括四个，不同实施例中中间模块也可以为一个、两个、三个或四个以上；或者，也可以不包括中间模块，直接将头模块和尾模块连接在一起。
较佳实施例中，前脚5和后脚6均为摩擦力较大的橡胶片3M-VHB，并直接与底板(2，4)粘接。采用橡胶片3M-VHB能产生较大的摩擦力，通过该结构，在充放气阶段前脚5和后脚6提供不同大小的摩擦力。
不同实施例中，前脚和/或后脚也可以包括两个以上，均匀分布于头模块和/或尾模块的两侧。
上述实施例的多模块差动团体机器人，具有模块化和差速运动的优点，实现了软体机器人的模块化，能进行直行和转弯运动，能适用于多种环境，尤其是可以用于抗震救灾以及狭小空间的地形检测。
此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。
Claims (10)
1.一种多模块差动软体机器人，其特征在于，包括：多个差动运动模块，分别为依次连接的头模块以及尾模块；其中，
每个所述差动运动模块包括：两个充气气囊驱动器以及底板，两个所述充气气囊驱动器设置于所述底板上，两个所述充气气囊驱动器并联排布于所述差动运动模块的左右两侧；
所述头模块还包括：至少两个前脚，所述前脚并排设置在所述头模块的前端；
所述尾模块还包括：至少两个后脚，所述后脚并排设置在所述尾模块的后端；
所述充气气囊驱动器用于通过充气或放气来实现弯曲变形，进而带动所述底板实现弯曲变形，进而带动所述尾模块以及所述头模块依次发生弯曲变形产生运动量进行动作传递来实现机器人的前移；
所述动作传递为后一差动运动模块充气、前一差动运动模块充气、后一差动运动模块放气的动作顺序；
所述充气气囊驱动器用于通过不同的充气量来实现所述差动运动模块的不同运动量；
同一差动运动模块的两个充气气囊驱动器用于通过不同的充气量来实现所述差动运动模块的左右侧运动量不同，进而实现所述机器人的转弯。
2.根据权利要求1所述的多模块差动软体机器人，其特征在于，所述尾模块的所述后脚在所述气囊驱动器的充气阶段、所述气囊驱动器的放气阶段与地面的摩擦力不同：
在充气阶段，所述后脚的摩擦力小于与所述尾模块连接的所述头模块提供的摩擦力，用于使所述后脚随所述底板的弯曲前移，产生运动量；
在放气阶段，所述后脚的摩擦力大于与所述尾模块连接的所述头模块弯曲提供的拉力，用于使所述后脚不随着所述头模块的弯曲和所述尾模块的伸展发生移动，实现所述运动量的传递；
所述头模块的所述前脚在所述气囊驱动器的充气阶段、所述气囊驱动器的放气阶段与地面的摩擦力不同：
在充气阶段，所述前脚的摩擦力大于与所述头模块连接的所述尾模块提供的摩擦力，用于使所述前脚不随着所述尾模块的伸展和所述头模块的弯曲发生移动；
在放气阶段，所述后脚的摩擦力大于与所述头模块连接的所述尾模块提供的摩擦力，用于使所述前脚随着底板的伸展发生前移，传递运动量。
3.根据权利要求1或2所述的多模块差动软体机器人，其特征在于，所述差动运动模块还包括：中间模块，所述中间模块设置于所述头模块与所述尾模块之间；对应地，
所述充气气囊驱动器用于驱动所述尾模块、所述中间模块以及所述头模块依次发生弯曲变形产生运动量进行动作传递来实现机器人的前移；
所述中间模块包括一个或多个；当所述中间模块包括多个时，多个所述中间模块之间依次连接。
4.根据权利要求3所述的多模块差动软体机器人，其特征在于，所述尾模块的所述后脚在所述气囊驱动器的充气阶段、所述气囊驱动器的放气阶段与地面的摩擦力不同：
在充气阶段，所述后脚的摩擦力小于与所述尾模块连接的所述中间模块提供的摩擦力，用于使所述后脚随所述底板的弯曲前移，产生运动量；
在放气阶段，所述后脚的摩擦力大于与所述尾模块连接的所述中间模块弯曲提供的拉力，用于使所述后脚不随着所述中间模块的弯曲和所述尾模块的伸展发生移动，实现所述运动量的传递；
所述中间模块的前端，后端在所述气囊驱动器的充气阶段、所述气囊驱动器的放气阶段与地面的摩擦力不同实现所述运动量的传递：
在充气阶段，所述中间模块的后端的摩擦力小于所述中间模块的前端的摩擦力，用于使所述中间模块拉伸所述中间模块的后一模块，当所述后一模块放气时，所述中间模块再次拉伸后端，获得所述后一模块的运动量；
在放气阶段，所述中间模块的后端的摩擦力大于所述中间模块的前一模块的拉伸力，用于使所述中间模块的前端前移，将所述中间模块的运动量传递到所述前一模块；
所述头模块的所述前脚在所述气囊驱动器的充气阶段、所述气囊驱动器的放气阶段与地面的摩擦力不同：
在充气阶段，所述前脚的摩擦力大于与所述头模块连接的所述中间模块提供的摩擦力，用于使所述前脚不随着所述中间模块的伸展和所述头模块的弯曲发生移动；
在放气阶段，所述后脚的摩擦力大于与所述头模块连接的所述中间模块提供的摩擦力，用于使所述前脚随着底板的伸展发生前移，传递运动量。
5.根据权利要求1所述的多模块差动软体机器人，其特征在于，所述底板包括依次设置的：顶层、中间层以及底层；其中，
所述顶层以及所述底层均由橡胶材料制作而成；
所述中间层为不可拉伸中间层。
6.根据权利要求1所述的多模块差动软体机器人，其特征在于，所述充气气囊驱动器包括：多个相互连通的气囊，多个所述气囊通过各自底部的通气槽连为一体。
7.根据权利要求1所述的多模块差动软体机器人，其特征在于，相邻两个所述差动运动模块之间为可拆卸连接。
8.根据权利要求7所述的多模块差动软体机器人，其特征在于，相邻两个差动模块之间通过永磁体进行可拆卸连接。
9.根据权利要求8所述的多模块差动软体机器人，其特征在于，相邻两个差动模块之间的永磁体至少包括三对。
10.根据权利要求1所述的多模块差动软体机器人，其特征在于，所述前脚和/或所述后脚为摩擦片。
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