CN109555932B - 一种能量回收型软体机器人及其运动方法 - Google Patents
一种能量回收型软体机器人及其运动方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种能量回收型软体机器人及其运动方法,该机器人包括柔性空腔本体,均布在柔性空腔本体外表面的柔性足部,沿软体机器人运动方向从前向后依次设置在柔性空腔本体内的激振器、控制模块和供电模块;其主要的运动结构为多排与柔性空腔本体表面成一定角度的柔性足部,通过控制模块调控,激振器产生一定频率的振动并传递至柔性触角,使其快速的与接触面来回碰撞,在弹力以及接触面摩擦力的作用下,软体机器人会有一个向前的运动行为;该机器人的运动机构外形简洁,制作方便,在运动过程中可以实现能量的回收利用,只需很小的能量输入便可以实现快速的运动行为。并且由于机器人运动结构使用的是柔性材料,该机器人有着良好的环境适应性和人机交互安全性。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域,具体涉及一种能量回收型软体机器人及其运动方法。
背景技术
传统的机器人大多使用钢铁等金属制做,通常有着特别高的强度和硬度,通过合理的设计,可以实现非常快速的运动速度和极为精细的运动精度。传统机器人在我们日常中的作用非常重要,实现了很多仅仅依靠人类自己难以实现的功能,但是传统机器人也有很多的缺点,目前来说难以克服,例如过高的强度和硬度容易对操作对象造成损伤,机器人本身的制作涉及到了将控制,传感等复杂技术集成为一体的精密加工过程,同时由于要将控制,传感等部分集成到一起,传统机器人大都非常的笨重和庞大,这样大大限制了他们运动方式和运动范围。除此以外,传统机器人主要依靠齿轮,连杆等传动结构的转动或者移动来实现其移动,连续变形等功能,在这种传动方式中,驱动其运动的能量一直处于单向耗散状态,驱动其一次变形能量无法传递至下一次变形,甚至下一次变形还需要额外的能量来抵消之前的变形,这在一定程度上也增加了维持机器人运动所需要的能量。
软体机器人由于材料的固有特性,对于复杂环境有着极其优良的适应性,可以主动适应外界环境的变化,并在极端复杂环境中运动,因此可以用于地形勘测,灾后救援等任务。而且由于机器人本身的柔性特征,软体机器人极大地降低了对于操作对象损伤的可能性,这使得它在医疗,看护等方面有着不可替代的作用。现有的软体机器人大多采用流体驱动,形状记忆聚合物变形以及仿哺乳动物肌腱变形等方式,这些方式大都需要极其严苛的驱动条件和较为庞大的驱动设备并且仅仅只能实现较为缓慢的运动行为,而这些不足大大限制的软体机器人在实际生活中的应用。由于软体机器人的运动通常是基于运动部件的往复变形实现,而这一特点正好符合振动的往复特性,基于此,我们提出了一种能量回收型软体机器人的设计制作方法。由于机器人使用的是柔性材料,所以在快速运动的同时能够实现自身弹性势能与动能的相互转化,只需要很小的能量输入便可以实现结构的高频往复变形,同时也实现了软体机器人的快速运动,同时由于机器人自身的能量回收特性,也大大减小了维持机器人运动所需要的能量。
发明内容
为了对机器人现有的一些缺点和不足进行改进,本发明的目的在于提供一种能量回收型软体机器人及其运动方法,该软体机器人不需庞大驱动设备,可以实现爬管道以及能量回收。该机器人可以在各种形状的管道中运动,而且具有一定的负载能力,可实现无线控制,还具有结构简洁,体积小,重量轻,运动速度快等特点。而且其制作时间短,材料成本低,制作工艺简单。
为了达到以上目的,本发明采用如下技术方案:
一种能量回收型软体机器人,包括柔性空腔本体5,均布在柔性空腔本体5外表面的柔性足部1,沿软体机器人运动方向从前向后依次设置在柔性空腔本体5内的激振器2、控制模块3和供电模块4;
所述柔性足部1为均布在柔性空腔本体5外表面的沿长度方向即沿运动方向的多排柔性触角,柔性触角与柔性空腔本体5外表面间成一定角度;
所述激振器2用于将多种能量转换为振动能,使得柔性足部1产生连续不断的变形,从而得软体机器人产生快速的运动行为;
所述控制模块3为无线控制模块,通过无线的方式来控制软体机器人整个电路的通断以及电流大小;
所述供电模块4主要用于为激振器2和控制模块3进行供电。
所述柔性足部1的材料采用用橡胶、硅胶或PDMS柔性材料,或采用变刚度材料。
组成柔性足部1的柔性触角的尺寸参数以及其与柔性空腔本体5的夹角均会影响软体机器人的运动性能,但无论柔性触角的尺寸参数是多少,在其与基底平面的夹角不为直角时,只要激振器2所产生的驱动力足够大,机器人都能够实现运动,而且夹角为锐角时与夹角为钝角时机器人的运动方向相反。
柔性空腔本体5为圆柱形、三角柱形、正方体、长方体或不规则形状。
软体机器人在管道内能够向上或者斜向上爬行,软体机器人用于在管道内竖直向上或斜向上爬行时,其外形尺寸应大于管道内壁尺寸,这样其关闭状态放置在管道内部时能够保证柔性足部1存在一定的弯曲变形,以产生一定的摩擦力来克服软体机器人自身的重力并保证软体机器人柔性足部会存在一定的弹性势能;而软体机器人在管道内水平爬行时,这个条件不是必须的。
该软体机器人能够爬多种形状的管道且管道的轮廓并不必与软体机器人的外形轮廓一致。
所述的能量回收型软体机器人的运动方法,通过控制模块3调控,激振器2产生一定频率的振动并传递至柔性足部1,当软体机器人柔性足部1的沿宽度方向的第一列柔性触角受到激振器2外法向作用力后,其与接触面发生碰撞产生弯曲变形,由于摩擦力的存在,机器人本身的动能转化为弹性变形能,当第二列柔性触角受到激振器2的外法向作用力时,第一列柔性触角与管道脱离,摩擦力减小,同时由于柔性触角与柔性空腔本体5表面夹角的存在,第一列柔性触角的弹性势能的一部分会转化为软体机器人向前或者向上运动的动能,而另一部分会与激振器2一同作用于第二列柔性触角并转化为第二列柔性触角的弹性变性能,因此在激振器2连续不断的周向振动过程中,一个很小的能量输入,便能够使得柔性足部1产生连续不断的变形,从而使得软体机器人产生快速的运动行为。由于机器人主体运动结构使用柔性材料,所以其不会对接触面产生伤害,而且该柔性结构在多次使用后仍能保持其初始状态,不存在硬机械机构中由于使用时间长而存在的疲劳,损伤,失效等问题。
和现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)该软体机器人可以实现能量的回收利用,由于机器人使用的是柔性材料,所以在快速运动的同时能够实现自身弹性势能与动能的相互转化,只需要很小的能量输入便可以实现结构的高频往复变形,同时也实现了软体机器人的快速运动,同时由于机器人自身的能量回收特性,也大大减小了维持机器人运动所需要的能量。
(2)该软体机器人可以爬多种截面形状的管道,这大大增加了其对管道内壁环境的适应性。
(3)该软体机器人体积小,质量轻,耗能低,运动速度快,制作工艺简单,耗时短,制作成本低。
(4)该软体机器人具有一定的负载能力,可以实现其它软体机器人难以实现的搬运等功能。
(5)该软体机器人振动结构是全软结构,可以承受较大的冲击与碰撞。
(6)该软体机器人可以实现封闭包装,可以在有水的管道中运动,极大的增加了其对管内环境的适应性。
(7)该软体机器人改变柔性触角的长短即可改变其大小,在改变机器人大小后不需要调节激振器的尺寸,只需要调节激振器输出激振力的幅值后仍可实现机器人的运动。
附图说明
图1是本发明能量回收型软体机器人外部结构示意图。
图2是本发明能量回收型软体机器人剖视图。
图3是本发明能量回收型软体机器人在水平面上向前运动的示意图。
图4是本发明能量回收型软体机器人在不同形状管道中水平前进的示意图。
图5是本发明能量回收型软体机器人在不同形状管道中竖直向上运动的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式,对本发明做进一步详细说明。
如图1和图2所示,本发明一种能量回收型软体机器人,包括柔性空腔本体5,均布在柔性空腔本体5外表面的柔性足部1,沿软体机器人运动方向从前向后依次设置在柔性空腔本体5内的激振器2、控制模块3和供电模块4;所述柔性足部1为均布在柔性空腔本体5外表面的沿长度方向即沿运动方向的多排柔性触角,柔性触角与柔性空腔本体5外表面间成锐角;所述激振器2用于将多种能量转换为振动能,使得柔性足部1产生连续不断的变形,从而得软体机器人产生快速的运动行为;所述控制模块3为无线控制模块,通过无线的方式来控制软体机器人整个电路的通断以及电流大小;所述供电模块4主要用于为激振器2和控制模块3进行供电。
作为本发明的优选实施方式,所述柔性足部1的材料采用用橡胶、硅胶或PDMS柔性材料,或采用变刚度材料。
作为本发明的优选实施方式,柔性空腔本体5为圆柱形、三角柱形、正方体、长方体或不规则形状。
软体机器人在管道内能够向上或者斜向上爬行,软体机器人用于在管道内竖直向上或斜向上爬行时,其外形尺寸应大于管道内壁尺寸,这样其关闭状态放置在管道内部时能够保证柔性足部1存在一定的弯曲变形,以产生一定的摩擦力来克服软体机器人自身的重力并保证软体机器人柔性足部会存在一定的弹性势能;而软体机器人在管道内水平爬行时,这个条件不是必须的。
组成柔性足部1的柔性触角的尺寸参数(长,宽,厚或者直径等)以及其与柔性空腔本体5外表面的夹角均会影响机器人的运动性能,但无论柔性触角的尺寸参数是多少,在其与柔性空腔本体5的夹角不为直角时,只要激振器所产生的驱动力足够大,机器人都可以实现运动,而且夹角为锐角时与夹角为钝角时机器人的运动方向相反。
本发明能量回收型软体机器人的运动方法,通过控制模块3调控,激振器2产生一定频率的振动并传递至柔性足部1,当软体机器人柔性足部1的沿宽度方向的第一列柔性触角受到激振器2外法向作用力后,其与接触面发生碰撞产生弯曲变形,由于摩擦力的存在,机器人本身的动能转化为弹性变形能,当第二列柔性触角受到激振器2的外法向作用力时,第一列柔性触角与管道脱离,摩擦力减小,同时由于柔性触角与柔性空腔本体5表面夹角的存在,第一列柔性触角的弹性势能的一部分会转化为软体机器人向前或者向上运动的动能,而另一部分会与激振器2一同作用于第二列柔性触角并转化为第二列柔性触角的弹性变性能,因此在激振器2连续不断的周向振动过程中,一个很小的能量输入,便能够使得柔性足部1产生连续不断的变形,从而使得软体机器人产生快速的运动行为。
实施例一
如图3所示,为本发明能量回收型软体机器人在水平地面上向前运动。
实施例二
如图4所示,为本发明能量回收型软体机器人在不同形状管道中水平向前运动。
实施例三
如图5所示,为本发明能量回收型软体机器人在不同形状的管道中竖直向上运动。
Claims (5)
1.一种能量回收型软体机器人,其特征在于:包括柔性空腔本体(5),均布在柔性空腔本体(5)外表面的柔性足部(1),沿软体机器人运动方向从前向后依次设置在柔性空腔本体(5)内的激振器(2)、控制模块(3)和供电模块(4);
所述柔性足部(1)为均布在柔性空腔本体(5)外表面的沿长度方向即沿运动方向的多排柔性触角,柔性触角与柔性空腔本体(5)外表面间成一定角度;
所述激振器(2)用于将多种能量转换为振动能,使得柔性足部(1)产生连续不断的变形,从而得软体机器人产生快速的运动行为;
所述控制模块(3)为无线控制模块,通过无线的方式来控制软体机器人整个电路的通断以及电流大小;
所述供电模块(4)用于为激振器(2)和控制模块(3)供电;
所述柔性足部(1)的材料采用采用变刚度材料;
组成柔性足部(1)的柔性触角的尺寸参数以及其与柔性空腔本体(5)的夹角均会影响软体机器人的运动性能,但无论柔性触角的尺寸参数是多少,在其与基底平面的夹角不为直角时,只要激振器(2)所产生的驱动力足够大,机器人都能够实现运动,而且夹角为锐角时与夹角为钝角时机器人的运动方向相反。
2.根据权利要求1所述的一种能量回收型软体机器人,其特征在于:所述柔性空腔本体(5)为圆柱形、三角柱形、正方体、长方体或不规则形状。
3.根据权利要求1所述的一种能量回收型软体机器人,其特征在于:软体机器人在管道内能够向上或者斜向上爬行,软体机器人用于在管道内竖直向上或斜向上爬行时,其外形尺寸应大于管道内壁尺寸,这样其关闭状态放置在管道内部时能够保证柔性足部1存在一定的弯曲变形,以产生一定的摩擦力来克服软体机器人自身的重力并保证软体机器人柔性足部会存在一定的弹性势能;而软体机器人在管道内水平爬行时,这个条件不是必须的。
4.根据权利要求1所述的一种能量回收型软体机器人,其特征在于:该软体机器人能够爬多种形状的管道且管道的轮廓并不必与软体机器人的外形轮廓一致。
5.权利要求1至4任一项所述的一种能量回收型软体机器人的运动方法,其特征在于:通过控制模块(3)调控,激振器(2)产生一定频率的振动并传递至柔性足部(1),当软体机器人柔性足部(1)的沿宽度方向的第一列柔性触角受到激振器(2)外法向作用力后,其与接触面发生碰撞产生弯曲变形,由于摩擦力的存在,机器人本身的动能转化为弹性变形能,当第二列柔性触角受到激振器(2)的外法向作用力时,第一列柔性触角与管道脱离,摩擦力减小,同时由于柔性触角与柔性空腔本体(5)表面夹角的存在,第一列柔性触角的弹性势能的一部分会转化为软体机器人向前或者向上运动的动能,而另一部分会与激振器(2)一同作用于第二列柔性触角并转化为第二列柔性触角的弹性变性能,因此在激振器(2)连续不断的周向振动过程中,一个很小的能量输入,便能够使得柔性足部(1)产生连续不断的变形,从而使得软体机器人产生快速的运动行为。
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