CN109533066A - 一种仿生软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生软体机器人，包括躯干、前足、后足和供能模块四部分，所述躯干前后两端分别与前足和后足相连，并保持悬空；所述前足和后足下表面具有取向一致的非对称性结构，该非对称性结构末端与作为行走面的基底接触，使得前足和后足与作为行走面的基底接触时沿躯干前后两个方向产生的摩擦力不等。所述躯干为能够发生可逆伸缩变形的变形体，所述供能模块为躯干的可逆伸缩变形过程提供能量。本发明结构简单，驱动能量来源丰富，运动稳定，可在狭窄封闭空间中运动，具有很强的环境适应性和负载能力，能在光滑或粗糙表面、干燥或潮湿表面、上下坡、高温或低温表面上运动。

Description

一种仿生软体机器人

技术领域

本发明属于机器人领域，涉及一种仿生机器人，具体涉及一种仿生软体机器人。能适应各种复杂的环境。

背景技术

软体机器人技术近年来发展迅速，应用领域不断扩展，涉及医疗、探索、救援、军事等等方面。相对于传统的由刚性模块构成的机器人，软体机器人具有极高的自由度和变形能力，可以在有效简化制备过程、降低结构复杂性的同时实现比传统机器人更多样的运动模式，且对复杂环境具有更好的适应能力。当软体机器人的尺寸进一步下降(纳米到厘米级)，其可以进入更多狭窄甚至封闭的环境中进行作业，使得机器人对于管道、山体或是废墟中的探索搜救，生物体内部检测治疗等成为可能。

虽然拥有着优异的性能，已报道的许多小型软体机器人的复杂地形适应性仍然需要提高。而且在机器人结构设计上，为提高其运动速度，往往会简化足部结构，但简单的足部结构容易进一步导致机器人地形适应性降低。部分软体机器人对自身地形适应性进行了探索：塔尔图大学智能材料和系统实验室的Must等利用离子电活性聚合物制备出了仿尺蠖软体机器人，可在水平、倾斜(11°)或是具有预加载(0.83克，等于自重)的情况下，在粗糙表面上获得了稳定的运动；哈佛大学的Rafsanjani等通过折纸模仿蛇皮鳞片结构，通过气压控制器变形，成功获得了可在外界水泥坡道(15°)上运动的仿蛇软体机器人；华沙大学的Rogóz等通过使用非对称锯齿光信号作为光源，制备出了光控仿尺蠖软体机器人。这种机器人具有较好的形貌适应性，可在11°的斜坡上运动，可穿过狭小窄缝或是推动重物(19.1毫克，超过六倍自重)前进。

综上，虽然已有的小型软体机器人对提高地形适应性做了尝试，但是其复杂自然条件下(光滑或粗糙表面、干燥或潮湿表面、更大的坡度、高温或低温表面)的地形适应性和负载能力仍然急需改善，从而提高机器人实际应用能力。

发明内容

本发明的目的在于提出一种小型高环境适应性仿生软体机器人，通过对生物优异结构和步态的模仿以及合理的结构设计，极大的提高机器人的地形适应性、负重能力和应用潜力。

为实现上述目的，

本发明具体实施方案如下：

一种仿生软体机器人，其特征在于：包括躯干、前足、后足和供能模块四部分，所述躯干前后两端分别与前足和后足相连，并保持悬空；所述前足和后足下表面具有取向一致的非对称性结构，该非对称性结构末端与作为行走面的基底接触，使得前足和后足与作为行走面的基底接触时沿躯干前后两个方向产生的摩擦力不等；所述躯干为能够发生可逆伸缩变形的变形体，所述供能模块为躯干的可逆伸缩变形过程提供能量。

作为改进，所述可逆伸缩变形体由环境响应性可逆形变材料或者环境响应性可逆形变材料加辅助材料制成，所述辅助材料用做躯干的主干材料或者用做躯干、前足和后足各部位内部或之间的连接材料，为软质材料或者硬质材料，软质材料为高分子弹性体，包括橡胶和热塑性弹性体，硬质材料为具有弹性结构的硬质塑料、无机材料或者金属材料。

作为改进，所述可逆伸缩变形体为辅助材料/机械伸缩驱动复合可逆变形机构，所述辅助材料/机械伸缩驱动复合可逆变形机构为由辅助材料与一个或多个机械伸缩驱动机构组合的可逆变形机构，所述辅助材料用做躯干的主干材料或者用做躯干、前足和后足各部位内部或之间的连接材料，为软质材料或者硬质材料，软质材料为高分子弹性体，包括橡胶和热塑性弹性体，硬质材料为具有弹性结构的硬质塑料、无机材料或者金属材料；所述机械伸缩驱动机构为相应电动或磁动运动机构，包括前部连杆、后部连杆和驱动电机三部分，三者处于一条直线上，前部连杆一端与前足或是前一个机械伸缩驱动机构后部连杆一端相连，其另一端与驱动电机一端相连；后部连杆一端与后足或是后一个机械伸缩驱动机构前部连杆一端相连，其另一端与驱动电机一端相连，当机械伸缩驱动机构的驱动电机正向开始运作时，驱动前部连杆直线向前运动和/或后部连杆向后运动，从而带动软体机器人躯干伸长；当机械伸缩驱动机构的驱动电机负向开始运作时，驱动前部连杆直线向后运动和/或后部连杆向前运动，从而带动软体机器人躯干收缩，当机械伸缩驱动机构的驱动电机正负向交替运作，即可使躯干产生可逆的周期性伸缩变形。

作为改进，所述环境响应性可逆形变材料为对电、磁、热、光、化学、压力和湿度刺激信号产生响应的可逆形变材料，相应的供能模块为相应能产生电、磁、热、光、化学、压力和湿度刺激信号的能量供给装置。

作为改进，所述环境响应性可逆形变材料为离子金属复合材料、磁性纳米颗粒掺杂辅助材料制得复合材料、吸湿材料、气动肌肉、凝胶、液晶弹性体其中一种或几种组合；所述液晶弹性体为热致液晶弹性体、光致液晶弹性体、电致液晶弹性体以及化学刺激导致形变的液晶弹性体中的一种或几种组合制成。

作为改进，所述前足和后足下表面为取向相同的倾斜的片状结构，所述片状结构为单片或多片组合阵列，片状结构厚度方向沿运动方向取向，其底端与基底接触，片状结构与基底之间所夹锐角的角度在1～89°之间。

作为改进，所述前足与后足下表面为取向相同的楔形凸起结构，所述楔形凸起结构为单个楔形或多个楔形结构组合阵列，楔形凸起顶部长边方向与运动方向保持垂直，与作为行走面的基底接触，其高度方向与作为行走面的基底所夹锐角的角度在1～89°之间。

作为改进，所述前足和后足的底部为取向相同的柱状阵列结构，柱状阵列结构的取向性为机械结构不对称性和/或化学结构不对称性，该不对称性使得前足和后足的底部与作为行走面的基底接触后前后方向摩擦力不等，所述柱状阵列结构中单根柱的分布方式为纵横对齐整齐排列、纵横交错排列、不规则排列中的一种或多种组合。

作为改进，所述柱状阵列结构中单根柱为三棱柱结构，尺寸为微米级，躯干尺寸为厘米级和毫米级之间，三棱柱的一个角的取向与躯干前行方向相同，该三棱柱结构使得，前足和后足的底部与作为行走面的基底接触发生相对滑动时，躯干前行方向的滑动摩擦力小于相反的方向的摩擦力。

作为改进，所述躯干采用石墨烯-聚二甲基硅氧烷复合材料制成，对应的所述供能模块为发光器，所述发光器周期性照射躯干，驱动躯干进行周期性前后伸缩运动，配合前足和后足底部的非对称性结构，使得机器人前行。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明制备简单，设计灵活，其驱动所需能量源种类丰富，可为人造能源(电、磁、压力等)或是自然能源(光、热、湿度等)，获取简单。

2、本发明前足与后足结构设计参考了壁虎非对称刚毛结构的特点，获得了类似壁虎脚优异的运动能力；本发明运动模仿了尺蠖运动步态，运动变形所需空间很小。以上特点是本发明具有突出的环境适应性，使其在各种自然条件和形貌下应用成为可能。

3、本发明尺寸可控，前足与后足所具有负载能力优秀，通过根据实际需求调整结构和选择驱动能源，使其可以携带更多诸如救援物资和探测装置等的负重，用于狭窄、封闭环境的作业，故而有效的拓展了本发明的应用领域。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种小型高环境适应性仿生软体机器人的整体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种小型高环境适应性仿生软体机器人的实物侧视图；

图3是本发明实施例提供的一种小型高环境适应性仿生软体机器人的前足与后足下表面微米级三棱柱阵列结构；

图4是本发明实施例提供的微米三棱柱阵列各向异性摩擦力示意图及摩擦力曲线。

图5为本发明仿生软体机器人运动示意图。

附图标记：1-躯干，2-前足，3-后足。

具体实施方式

实施例1：

以下通过结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

如图1、2，一种仿生软体机器人，包括长方体的躯干、前足与后足和供能模块四部分，机器人的躯干、前足和后足尺寸介于厘米级与毫米级之间，前足和后足底部的面微观阵列结构为微米级；前足与后足由硅橡胶材料聚二甲基硅氧烷制成，固定连接在躯干两端，下表面具有结构相同的三棱柱阵列结构，沿运动方向取向且取向一致(如图3)，机器人行走时，前足和后足底部的三棱柱阵列末端与作为行走面的基底接触；躯干由石墨烯-聚二甲基硅氧烷复合材料构成，保持悬空，躯干上表面与前足和后足的上表面平齐，下表面不与作为行走面的基底接触；躯干的驱动能源为光能，来源为紫外发光器(光能，更优的可以采用激光)，发光器的光照强度在每平方厘米200-500毫瓦之间，机器人完成单次前进运动的光照循环为：持续光照90秒，移除光照90秒。

所述前足和后足下表面微米级的三棱阵列结构，如图4所示，根据摩擦力测试，沿三棱柱顶端三角形边方向的最大摩擦力F_边和沿三角形角方向的最大摩擦力F_角并不相同，且F_角<F_边。

所述一种小型高环境适应性仿生软体机器人，如图5所示，其运动原理为：给予本发明躯干光照刺激，构成躯干的石墨烯-聚二甲基硅氧烷复合材料可以有效的吸收光能，并将其转化为热能，使躯干温度升高并发生热膨胀，对前足和后足产生方向相反、大小相同的作用力。当躯干膨胀过程中作用力逐渐增大并优先达到前足滑动所需摩擦力F_角时，前足开始向前滑动；此时躯干作用力大小保持不变，后足所受摩擦力始终小于滑动所需驱动力F_边，保持锚定状态，不发生后退运动；当移除光源后，躯干开始冷却收缩，对前足和后足的作用力方向同时发生逆转，随着作用力的增加后足将优先达到滑动所需摩擦力F_角并开始前进，而前足所受作用力始终小于滑动所需驱动力F_边，保持锚定状态。通过一次光照循环，机器人完成一次向前运动，重复光照循环，机器人即可获得连续的前进过程。

本发明的地形适应性及负载能力测试：

上下坡运动实验：通过调整接触作为行走面的基底不同的倾斜角度，测试本发明在非水平表面上的运动能力。实验表明，在光滑的作为行走面的基底上，本发明仍能获得足够的摩擦力，从而上下坡过程均可表现出良好的运动能力，在爬坡过程，本发明可以在30°的斜坡上保持超过50％的光滑水平表面运动能力(100～200微米每分钟)。

粗糙表面运动实验：通过选择不同型号的砂纸作为行走面的基底，模拟具有不同粗糙度的表面，并使用滴管调整基底作为行走面的基底表面水量模拟潮湿表面，测试本发明在干燥或湿润粗糙表面上的运动能力。实验表明，本发明在干燥粗糙表面仍具有良好的运动能力，且随着粗糙度增加(均方根粗糙度Rq 5～8微米之间)，本发明运动速度随之提升；本发明在潮湿有水的粗糙表面(Rq＝5微米)同样保持了超过60％的光滑水平表面运动能力。

高低温表面运动实验：通过使用加热平台和冷台作为实验基底作为行走面的基底，模拟了具有极高(100℃)和极低温度(-20℃)表面，测试本发明在高低温光滑表面上的运动能力。实验表明，本发明在高温表面运动能力稍弱，但仍具有50～100微米每分钟的运动速度，而在低温表面，躯干部具备了更大膨胀量，位移能力相对于室温进一步升高，运动速度可达到室温运动速度的130％。

负载能力测试：通过逐渐增加前后足上表面负载的重量，记录本发明运动情况，测试其负载能力。实验表明，本发明在负载自身重量50倍的重物时，仍然具有稳定的运动能力(保持20％左右的无负重状态下运动能力)，表现出优异的负载能力。

本发明实施例中，机器人制备方法可为整体一步成型(如增材制造等)，也可先分步制备躯干、前足与后足后再组装成型(如模具制备等)。躯干、前足与后足的制备方法同样可分为一步成型及分步制备。

实施例2:

基于实施例1的一种仿生软体机器人，其余结构不变，躯干部分材料可换为磺化聚苯乙烯作为基底的离子金属复合材料(IPMCs)，其前后两端通过导线与外部电源相连，使用直流电压为3～5伏，机器人完成单次前进运动的电压循环为：加载时间为60秒，卸载时间为60秒。

实例3：

基于实施例1的一种仿生软体机器人，其余结构不变，躯干部分材料可换为含有偶氮二苯乙炔长共轭基团的光致形变液晶弹性体(LCE)，躯干的驱动能源为光能，供能模块为365纳米波长的紫外发光器，发光器的光照强度在每平方厘米250～400毫瓦之间，机器人完成单次前进运动的光照循环为：持续光照15秒，移除光照15秒。

实施例4：

基于实施例1的一种仿生软体机器人，其余结构不变，躯干部分为聚二甲基硅氧烷和钕铁硼粉末，粉末尺寸在0.1～5微米。躯干通过外部磁场驱动，磁场强度在1～20毫特斯拉之间，机器人完成单次前进运动的磁场变化周期为50～200毫秒。

实施例5：

基于实施例1的一种仿生软体机器人，其余结构不变，躯干部分为由聚二甲基硅氧烷制备获得的圆柱状空腔，外径在10～13毫米，内径在9～12毫米，空腔通过导气管与外接气泵或水泵相连，压力设定为1～1.5兆帕，机器人完成单次前进运动的压力循环为：加压时间为3秒，减压时间为3秒。

需要指出的是本发明实施例中，躯干不限于上述材料，以下类别材料均可使用：

1、电响应性材料：这一类材料可以使单纯的某种材料如介电弹性体(dielectricelastomers)、铁电聚合物(dielectric elastomers)和离子凝胶(ionic gel)等，也可以是复合材料如电致伸缩液晶弹性体(electrostrictive LCE)，甚至可以是液体类材料如电流变流体(electrorheologicalfluid)，将流体灌注在弹性材料制作的腔体中，通过电刺激使其变形，从而带动腔体变形，此类材料的供能模块为外接发电设备。

2、热响应性：这类材料可以是热响应性形状记忆高分子和热响应凝胶，如聚(N-异丙基丙烯酰胺)凝胶(NIPAM)，甚至可以直接利用高分子材料的受热膨胀、遇冷收缩的性质。能量来源可以是通过外界加热装置加热机器人躯干，也可以是向以上物质中加入吸光物质制备成复合材料，通过吸收外界光能，转化为热能来驱动材料变形，此类材料的供能模块为产生热能的设备，比如激光器、加热器、温控器等等。

3、化学能刺激：这一类可以是具有PH响应性的材料，比如具有羧基和吡啶基团的物质或是复合材料，包括pH相应的凝胶，液晶弹性体和形状记忆高分子等等，此类材料的供能模块为对环境氛围中化学组分调控仪器。

4、湿气相应材料：这里特别指出一下这类材料，有两种驱动方式，第一种是制备复合材料或是结构，通过材料吸湿性不同形成变形；第二种是通过利用液体毛细作用力控制材料的变形，此类材料的供能模块为对环境氛围中湿度调控装置，如空气湿度调节装置或是自然条件下的湿度条件等。

5、压力驱动：这里的压力驱动指的是躯体中具有充有气体或是液体的密闭腔体结构，通过管道连接外接压力泵，通过气压或是液压控制弹性体材料伸缩变形，比如液压肌肉或者气压肌肉，此类材料的供能模块为外接的液压泵或者气压泵等。

6、磁响应性材料：这类材料主要是通过向高分子材料中加入磁性颗粒(Fe₃O₄，FeCrCo等)制备获得的复合材料，通过外界磁场精确控制复合材料的变形。也可以制作腔体结构向其中灌注磁流变流体，用外界磁场控制，带动躯干变形，此类材料驱动磁场来源于外接的电磁设备。

需要指出的是，本发明实施例中躯干不仅可以采用环境响应性可逆形变材料制成，还可以利用环境响应性可逆形变材料与辅助材料复合制成，以橡胶作为辅助材料为例：橡胶材料作为主干，可逆形变材料连接在主干上作为伸缩变形部分，或者还可以为橡胶材料与机械结构组合成橡胶/机械伸缩驱动复合可逆变形机构，所述橡胶/机械伸缩驱动复合可逆变形机构为由橡胶材料与一个或多个机械伸缩驱动机构组合而成的可逆变形机构；所述机械伸缩驱动机构为相应电动或磁动运动机构。所述机械伸缩驱动机构包括前部连杆、后部连杆和驱动电机三部分，三者处于一条直线上，前部连杆一端与前足或是前一个机械伸缩驱动机构后部连杆一端相连，其另一端与驱动电机一端相连；后部连杆一端与后足或是后一个机械伸缩驱动机构前部连杆一端相连，其另一端与驱动电机一端相连，当机械伸缩驱动机构的驱动电机正向开始运作时，驱动前部连杆直线向前运动和/或后部连杆向后运动，从而带动软体机器人躯干伸长；当机械伸缩驱动机构的驱动电机负向开始运作时，驱动前部连杆直线向后运动和/或后部连杆向前运动，从而带动软体机器人躯干收缩，当机械伸缩驱动机构的驱动电机正负向交替运作，即可使躯干产生可逆的周期性伸缩变形。

所述辅助材料为软质材料或者硬质材料，软质材料为高分子弹性体，包括橡胶和热塑性弹性体，具体可为硅橡胶、乙丙橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、热塑性聚氨酯、苯乙烯类热塑性弹性体中的一种或几种，硬质材料为具有弹性结构的硬质塑料、无机材料或者金属材料。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种仿生软体机器人，其特征在于：包括躯干、前足、后足和供能模块四部分，所述躯干前后两端分别与前足和后足相连，并保持悬空；所述前足和后足下表面具有取向一致的非对称性结构，该非对称性结构末端与作为行走面的基底接触，使得前足和后足与作为行走面的基底接触时沿躯干前后两个方向产生的摩擦力不等；所述躯干为能够发生可逆伸缩变形的变形体，所述供能模块为躯干的可逆伸缩变形过程提供能量。

2.如权利要求1所述的一种仿生软体机器人，其特征在于：所述可逆伸缩变形体由环境响应性可逆形变材料或者环境响应性可逆形变材料加辅助材料制成，所述辅助材料用做躯干的主干材料或者用做躯干、前足和后足各部位内部或之间的连接材料，为软质材料或者硬质材料，软质材料为高分子弹性体，包括橡胶和热塑性弹性体，硬质材料为具有弹性结构的硬质塑料、无机材料或者金属材料。

3.如权利要求1所述的一种仿生软体机器人，其特征在于：所述可逆伸缩变形体为辅助材料/机械伸缩驱动复合可逆变形机构，所述辅助材料/机械伸缩驱动复合可逆变形机构为由辅助材料与一个或多个机械伸缩驱动机构组合的可逆变形机构，所述辅助材料用做躯干的主干材料或者用做躯干、前足和后足各部位内部或之间的连接材料，为软质材料或者硬质材料，软质材料为高分子弹性体，包括橡胶和热塑性弹性体，硬质材料为具有弹性结构的硬质塑料、无机材料或者金属材料；所述机械伸缩驱动机构为相应电动或磁动运动机构，包括前部连杆、后部连杆和驱动电机三部分，三者处于一条直线上，前部连杆一端与前足或是前一个机械伸缩驱动机构后部连杆一端相连，其另一端与驱动电机一端相连；后部连杆一端与后足或是后一个机械伸缩驱动机构前部连杆一端相连，其另一端与驱动电机一端相连，当机械伸缩驱动机构的驱动电机正向开始运作时，驱动前部连杆直线向前运动和/或后部连杆向后运动，从而带动软体机器人躯干伸长；当机械伸缩驱动机构的驱动电机负向开始运作时，驱动前部连杆直线向后运动和/或后部连杆向前运动，从而带动软体机器人躯干收缩，当机械伸缩驱动机构的驱动电机正负向交替运作，即可使躯干产生可逆的周期性伸缩变形。

4.如权利要求2所述的一种仿生软体机器人，其特征在于：所述环境响应性可逆形变材料为对电、磁、热、光、化学、压力和湿度刺激信号产生响应的可逆形变材料，相应的供能模块为相应能产生电、磁、热、光、化学、压力和湿度刺激信号的能量供给装置。

5.如权利要求4所述的一种仿生软体机器人，其特征在于：所述环境响应性可逆形变材料为离子金属复合材料、磁性纳米颗粒掺杂辅助材料制得复合材料、吸湿材料、气动肌肉、凝胶、液晶弹性体其中一种或几种组合；所述液晶弹性体为热致液晶弹性体、光致液晶弹性体、电致液晶弹性体以及化学刺激导致形变的液晶弹性体中的一种或几种组合制成。

6.如权利要求1至5任意一项所述的一种仿生软体机器人，其特征在于：所述前足和后足下表面为取向相同的倾斜的片状结构，所述片状结构为单片或多片组合阵列，片状结构厚度方向沿运动方向取向，其底端与基底接触，片状结构与基底之间所夹锐角的角度在1～89°之间。

7.如权利要求1至5任意一项所述的一种仿生软体机器人，其特征在于：所述前足与后足下表面为取向相同的楔形凸起结构，所述楔形凸起结构为单个楔形或多个楔形结构组合阵列，楔形凸起顶部长边方向与运动方向保持垂直，与作为行走面的基底接触，其高度方向与作为行走面的基底所夹锐角的角度在1～89°之间。

8.如权利要求1至5任意一项所述的一种仿生软体机器人，其特征在于：所述前足和后足的底部为取向相同的柱状阵列结构，柱状阵列结构的取向性为机械结构不对称性和/或化学结构不对称性，该不对称性使得前足和后足的底部与作为行走面的基底接触后前后方向摩擦力不等，所述柱状阵列结构中单根柱的分布方式为纵横对齐整齐排列、纵横交错排列、不规则排列中的一种或多种组合。

9.如权利要求8所述的一种仿生软体机器人，其特征在于：所述柱状阵列结构中单根柱为三棱柱结构，尺寸为微米级，躯干尺寸为厘米级和毫米级之间，三棱柱的一个角的取向与躯干前行方向相同，该三棱柱结构使得，前足和后足的底部与作为行走面的基底接触发生相对滑动时，躯干前行方向的滑动摩擦力小于相反的方向的摩擦力。

10.如权利要求2所述的一种仿生软体机器人，其特征在于：所述躯干采用石墨烯-聚二甲基硅氧烷复合材料制成，对应的所述供能模块为发光器，所述发光器周期性照射躯干，驱动躯干进行周期性前后伸缩运动，配合前足和后足底部的非对称性结构，使得机器人前行。