CN109693725B - 一种软体爬杆机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软体爬杆机器人，属于软体爬行机器人领域，目的在于解决目前缺乏能够实现对杆体爬行的软体机器人，具有一定局限性的问题。该软体爬杆机器人包括固定单元、伸缩单元，固定单元为至少两个且通过固定单元能实现对物体的缠绕以保证软体爬杆机器人相对物体的固定，所述伸缩单元的两端分别与固定单元相连且伸缩单元能实现伸展和收缩以改变伸缩单元两端固定单元的位置并实现软体爬杆机器人的爬行。本申请的软体爬杆机器人能够实现对杆状物体的爬行，结构简单，易于控制，且质量轻，能够应用于特定的环境下。本申请构思巧妙，设计合理，工作稳定可靠，成本低廉，是一种全新的缠绕执行机构，具有较高的应用价值，值得大规模推广和应用。

Description

一种软体爬杆机器人

技术领域

本发明涉及软体机器人领域，尤其是软体爬行机器人领域，具体为一种软体爬杆机器人。本申请的爬杆机器人通过对结构的改进，能够实现对管状结构的攀爬，具有较好的爬行能力。

背景技术

近年来，机器人已广泛应用于工业、民用、军事等领域。传统的机器人通常采用刚性结构，且体积庞大，具有一定的局限性。例如，现有的刚性机器人受结构限制，无法用于鸡蛋、气球等的抓取。而软体机器人通常采用柔韧性材料制成，可在大范围内任意改变自身形状和尺寸，具有较好的自身柔软性和可变形性，且能产生无限自由度的运动，这是传统机器人所无法达到的。为此，软体机器人受到了研究者的极大青睐。

中国专利CN201510906434公开了一种软体四足爬行机器人，其包括机器人本体和控制系统，机器人本体包括本体支架、安装在本体支架上的四条腿，每条腿由并列设置的四根伸长型气动肌肉组成；控制系统包括DSP控制模块、驱动放大模块，驱动放大模块的输入端与DSP控制模块连接，输出端通过十六个气动阀与伸长型气动肌肉连接，气源连接到气动阀。该软体四足爬行机器人通过控制不同的伸长型气动肌肉伸长或者回复原位置，则可以实现四足机器人的前进和后退。同时，其采用DSP作为处理器，伸长型气动肌肉作为执行机构实现了软体四足机器人的运动。

中国专利CN201810447814公开了一种软体爬行机器人，其包括本体和和固接在本体上的多个楔形硬质摩擦片，本体采用柔性材料制成；本体的整体外形呈类弓字形，其内部设置有类弓字形的封闭气腔以及与外部驱动气源连通的通气口；充气时，本体膨胀，在楔形摩擦片的限制下，本体的右端相对于本体的左端发生相对右移运动；放气时，本体收缩，在楔形摩擦片的限制下，本体的左端相对于本体的右端发生相对右移运动；本发明的类弓字形的整体设置和类弓字形的气腔设置可以保证充气时更加快速地发生膨胀变形，放气时更加快速地完成收拢变形，从而便于软体机器人更加快速地前行。

中国专利CN201810237299公开了一种气动仿生软体爬行机器人，其由拉伸致动器和中段连接器粘结固定而成，拉伸致动器下部对称分布有楔形足，楔形足上粘结有仿生脚垫。拉伸致动器本体内部包括相互独立封闭的三路气道，分为靠近上部的上气道，以及下部的左气道与右气道，每一气道都包含若干相互间隔的主气室与次气室，互相连通。该结构通过对内部气室结构的改进，利用气压调节，实现各种运动。

然而，发明人研究发现，目前尚未有能实现对杆体进行爬行的软体机器人。为此，发明人提供一种软体爬行机器人，其是一种软体爬杆机器人，能实现对杆状结构物体的爬行，具有较好的应用前景。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对目前缺乏能实现对杆体爬行的软体机器人，具有一定局限性的问题，提供一种软体爬杆机器人。本申请的软体爬杆机器人能够实现对杆状物体的爬行，且结构简单，易于控制，且质量轻，能够应用于特定的环境下。本申请构思巧妙，设计合理，工作稳定可靠，成本低廉，是一种全新的缠绕执行机构，具有较高的应用价值和较好的应用前景，值得大规模推广和应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种软体爬杆机器人，包括固定单元、伸缩单元，所述固定单元为至少两个且通过固定单元能实现对物体的缠绕以保证软体爬杆机器人相对物体的固定，所述伸缩单元的两端分别与固定单元相连且伸缩单元能实现伸展和收缩以改变伸缩单元两端固定单元的位置并实现软体爬杆机器人的爬行；

所述固定单元包括支撑件、固定抓手，所述固定抓手为至少两个，所述固定抓手与支撑件相连且支撑件能为固定抓手提供支撑；

所述固定抓手包括弹性波纹管、应变限制层、弹性伸缩层、固定连接件、用于与气源相连的气路管，所述弹性波纹管的一端封闭，所述弹性波纹管的另一端与气路管相连且气源通过气路管能向弹性波纹管内充气，所述应变限制层与弹性波纹管相连且应变限制层能为弹性波纹管提供变形限制力，所述弹性伸缩层通过固定连接件与弹性波纹管相连且弹性伸缩层能为弹性波纹管提供回复力；

所述伸缩单元包括复位组件、连接管、用于与气源相连的气路管，所述复位组件设置在连接管上且连接管能在复位组件的带动下进行复位，所述连接管与气路管相连且气源通过气路管能向连接管内充气，所述连接管的两端分别与支撑件相连且伸缩单元通过连接管能带动固定单元相对移动。

所述复位组件包括弹性伸缩层、固定连接件，所述弹性伸缩层通过固定连接件与连接管相连且弹性伸缩层能为连接管提供回复力。

所述连接管为弹性波纹管。

所述弹性波纹管采用塑料或橡胶制成。

所述弹性波纹管上具有若干个折叠单元。

所述固定连接件为弹性O型圈，所述弹性伸缩层依次通过O型圈固定在弹性波纹管上，相邻两个O型圈之间的折叠单元为2~10个。

相邻两个O型圈之间的折叠单元为4~6个。

所述固定单元中的应变限制层与弹性伸缩层相对于弹性波纹管的中轴线平行对称设置，所述弹性伸缩层沿弹性波纹管的轴向平行设置，或所述弹性伸缩层相对于弹性波纹管的中轴线螺旋设置。

所述伸缩单元中的弹性伸缩层沿弹性波纹管的轴向平行设置。

所述固定抓手弯曲时呈C型。

针对前述问题，本申请提供一种软体爬杆机器人。在特殊环境能执行特殊任务的机器人一直是特种机器人领域研究广泛关注的重点。已有爬行软体机器人成功的应用在管道里，对于管道内探测、清除和搬运都具有重要的意义。我们观察到蛇类动物盘旋爬树的特点，引发了对于爬杆机器人的猜想。为此，发明人利用缠绕执行器能紧紧缠住细长杆件原理，制作了爬杆机器人。

该机构包括固定单元、伸缩单元两个部分。其中，固定单元为至少两个，伸缩单元的两端分别与固定单元相连，即固定单元、伸缩单元依次交替相连，且软体爬杆机器人的前后两端分别为固定单元。采用该结构，其能根据需要设置固定单元、伸缩单元的数量，进而形成不同长度的爬杆机器人（换言之，在单个软体爬杆机器人中，固定单元的数量为N+1个，伸缩单元的数量为N个，N为自然数且N≥1）。本申请中，通过固定单元实现对物体的缠绕或固定，以保证软体爬杆机器人相对物体的固定，即为软体爬杆机器人运动提供支撑；伸缩单元则用于实现软体爬杆机器人的伸展和收缩，以改变伸缩单元两端固定单元的位置，从而实现软体爬杆机器人的前景和后退。

本申请中，固定单元包括支撑件、固定抓手，固定抓手为至少两个，固定抓手与支撑件相连。该结构中，支撑件用于为固定抓手提供支撑，而固定抓手则用于实现对杆状物体的锁定与解锁。

进一步，固定抓手包括弹性波纹管、应变限制层、弹性伸缩层、固定连接件、用于与气源相连的气路管，弹性波纹管的一端封闭，弹性波纹管的另一端与气路管相连，应变限制层与弹性波纹管相连，弹性伸缩层通过固定连接件与弹性波纹管相连。该结构中，气路管用于向弹性波纹管内充气，应变限制层用于为弹性波纹管提供变形限制力，弹性伸缩层则用于为弹性波纹管提供回复力。固定抓手工作时，气源通过气路管向弹性波纹管充气，基于应变限制层、弹性伸缩层弹性形变的不同，固定抓手发生弯曲，进而实现对杆状物体结构的抓取和固定；反之，当弹性波纹管放气时，弹性波纹管在弹性伸缩层的作用下恢复到初始状态，进行实现对杆状物体结构的解绑。

进一步，伸缩单元包括复位组件、连接管、用于与气源相连的气路管。连接管与气路管相连，气源通过气路管向其中充气和放气；连接管的两端分别与支撑件相连，这使得连接管能带动固定单元相对移动；而复位组件设置在连接管上，复位组件能够提供相应的回复力，以用于连接管的回复和复位。当向伸缩单元的连接管充气时，连接管伸长，进而带动固定单元发生移动；反之，当连接管放气时，复位组件带动连接管收缩；反复进而，从而实现软体爬杆机器人相对杆状物体的爬行和运功。

本申请中，复位组件包括弹性伸缩层、固定连接件，弹性伸缩层通过固定连接件与连接管相连。进一步，连接管可以采用弹性波纹管。

本申请中，弹性波纹管上具有若干个折叠单元；固定连接件为弹性O型圈，弹性伸缩层依次通过O型圈固定在弹性波纹管上，相邻两个O型圈之间的折叠单元为2~10个；进一步，相邻两个O型圈之间的折叠单元为4~6个。

该结构中，波纹软管自身通过折叠波纹单元来创建运动，在原始气动驱动过程中能进行伸长，发生的应变和体积改变更小，使材料的疲劳程度最小化，从而可提高执行器的耐用性和寿命，并可在较低的压力下达到变形效果。从实验中发现设定波纹软管的连续可折叠单元为4个单元为最佳运动效果。

本申请的具备应变限制层的缠绕软体执行器由波纹软管、弹性伸缩层、应变限制层、弹性O形圈和气路管制作而成。本申请中，缠绕软体执行器的缠绕性能随着波纹软管可连续折叠单元数、弹性伸缩层和应变限制层的不同走向，以及波纹软管总共关节数的不同，而带来丰富的缠绕性能变化，从而实现了一类不同功能的软体缠绕执行器，其具有缠绕功能多样、响应速度快、性能优越、成本低廉等显著特点。该执行器原始状态为近直线状态，充气时会发生紧密稳定的缠绕状态，且随着气压的增大缠绕越发紧密。泄气时依然恢复成直线状态。实际测试中，本执行器连续可折叠单元数为4，4个单元为一节，且总共52个关节。输入50~400kpa的气压，执行器会发生缠绕变形。

固定单元中的应变限制层与弹性伸缩层相对于弹性波纹管的中轴线平行对称设置，弹性伸缩层沿弹性波纹管的轴向平行设置，或弹性伸缩层相对于弹性波纹管的中轴线螺旋设置。进一步，伸缩单元中的弹性伸缩层沿弹性波纹管的轴向平行设置，且固定抓手弯曲时呈C型。

在一个具体实例中，软体爬杆机器人由2个固定单元（即4个固定抓手）和1个伸缩单元组成，单个固定抓手共7个关节，每个关节为4个执行单元，伸缩单元部分共5个关节，每个关节3个执行单元。将6个两通的快速接头分别安装固定在两个完全一样对称布置的3D打印的支撑件里。该爬杆机器人的头部、躯干和尾部分别有连接两个快速接头，每个部位的两个快速接头实际上通入一根气管。总共为3根气管来控制软体爬杆机器人身体各个部位的充气和泄气，运动过程主要分为6步。

本申请中，通过设置应变限制层在弹性波纹管上的位置能限制弹性波纹管在充气时向内弯曲的方向，而弹性伸缩层则能用于实现弹性波纹管的复位，通过两者的配合，进而实现不同的执行动作。

综上所述，本申请的软体爬行机器人能够实现对杆状物体的爬行，该软体执行器具有如下优点：1）缠绕更紧密，功能多样，具备在多尺度上应用的条件；2）响应速度快，性能优越；3）制造迅速，成本低。进一步，基于本申请的发明构思，本申请可制作为爬杆机器人、夹缠两用夹手和三指抓手。本申请的软体爬行机器人在军事侦查、管道检测、特殊危险环境作业都有着潜在的应用价值，甚至能在深海探索中应用软体夹手螺旋缠绕类似于珊瑚的生物。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为实施例1的软体爬杆机器人及其周期运动状态图。

图2为实施例1中软体爬杆机器人的测试示意图。

图中标记：1、伸缩单元，2、支撑件，3、固定抓手，4、弹性波纹管，5、应变限制层，6、弹性伸缩层，7、固定连接件，8、气路管。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

本实施例的软体爬杆机器人包括固定单元、伸缩单元。其中，本实施例的固定单元为两个，伸缩单元为一个，伸缩单元的两端分别与固定单元相连。该结构中，通过固定单元实现对物体的缠绕，以保证软体爬杆机器人相对物体的固定；而伸缩单元通过伸展和收缩，以改变伸缩单元两端固定单元的位置，并实现软体爬杆机器人的爬行。

本实施例中，固定单元包括支撑件、固定抓手，固定抓手采用两个，固定抓手与支撑件相连，支撑件用于为固定抓手提供支撑。其中，固定抓手包括弹性波纹管、应变限制层、弹性伸缩层、固定连接件、用于与气源相连的气路管，弹性波纹管的一端封闭，弹性波纹管的另一端与气路管相连，应变限制层与弹性波纹管相连，弹性伸缩层通过固定连接件与弹性波纹管相连。本实施例中，伸缩单元中的弹性伸缩层沿弹性波纹管的轴向平行设置，固定单元中的应变限制层与弹性伸缩层相对于弹性波纹管的中轴线平行对称设置。如图所述，固定抓手弯曲时呈C型。本实施例中，气源通过气路管能向弹性波纹管内充气，应变限制层用于为弹性波纹管提供变形限制力，弹性伸缩层用于为弹性波纹管提供回复力。

同时，伸缩单元包括复位组件、连接管、用于与气源相连的气路管，复位组件设置在连接管上，连接管与气路管相连，连接管的两端分别与支撑件相连。该结构中，连接管能在复位组件的带动下进行复位，气源通过气路管能向连接管内充气。伸缩单元则能带动固定单元相对移动，弹性伸缩层能为连接管提供回复力。进一步，本实施例的复位组件包括弹性伸缩层、固定连接件，弹性伸缩层通过固定连接件与连接管相连。本实施例中，连接管采用弹性波纹管，固定连接件采用弹性O型圈。其中，弹性伸缩层依次通过O型圈固定在弹性波纹管上，相邻两个O型圈之间的折叠单元优选为4个。

如图所示，本实施例的爬行机器人能紧紧缠住细长杆件元件（如图1A、图1B所示）。软体爬杆机器人由2个固定单元（即4个固定抓手）和1个伸缩单元组成，单个固定抓手共7个关节，每个关节为4个执行单元，伸缩单元部分共5个关节，每个关节3个执行单元。将6个两通的快速接头分别安装固定在两个完全一样对称布置的3D打印的支撑件里。该爬杆机器人的头部、躯干和尾部分别有连接两个快速接头，每个部位的两个快速接头实际上通入一根气管。总共为3根气管来控制软体爬杆机器人身体各个部位的充气和泄气，运动过程主要分为6步，如图1C到图1H所示。

图1给出了爬杆机器人及其周期运动状态，黑色填充表示充气状态，白色表示泄气状态。其中，图1A为机器人俯视图，图1B为机器人侧视图。图1C的状态如下：头部泄气，尾部充气，躯干呈自然状态图。图1D的状态如下：在前一个状态下，躯干充气，身体部位拉伸，机器人头部发生移动。图1E的状态如下：头部充气，紧紧抓住杆件。图1F的状态如下：尾部泄气，使尾部呈自然放松状态。图1G的状态如下：躯干泄气，身体开始缩回，带动尾部向头部方向移动。图1H的状态如下：尾部充气，紧紧抓住杆件，完成一个周期运动。

进一步，发明人对本实施例的机器人在水平方向和垂直地面方向上行和下行的爬杆性能进行了测试，如图2所示。图2给出了机器人的测试结果；其中，图2A-图2C展示了机器人往上爬行结果，图2D-图2F展示了机器人往下爬行结果，图2G-图2I展示了机器人横向爬行结果。

实验结果表明，本实施的软体爬行机器人具有较好的爬行效果，其具有缠绕功能多样、响应速度快、性能优越、成本低廉等显著特点，对于丰富软体机器人的种类具有重要意义。

作为一种变形，固定单元的数量为N个，伸缩单元的数量为N+1个，N为自然数且N≥1，可根据实际需要，选择相应的固定单元数量，从而构成不同长度和固定单元的软体爬行机器人。

进一步，对申请爬杆机器人的作用原理说明如下。

本实施例中，爬杆机器人（即本实施例的软体爬行机器人）身体的伸缩部分同样来源于对弹性波纹管的丰富性变化。对弹性波纹管若不施加任何约束，对其输入不低100Kpa的气压，弹性波纹管会伸长。泄气后弹性波纹管依然保持伸长状态，运动过程不可逆。因此，用两个弹性伸缩层在弹性波纹管两侧对称布置，再用弹性O型圈将弹性层固定在弹性波纹管上。当弹性波纹管充气时，弹性伸缩层会随着弹性波纹管的伸长而被动拉伸，储存弹性势能。泄气时，弹性波纹管就会随着弹性伸缩层弹性势能的释放而缩回。有时，弹性势能释放完之后，而弹性波纹管并未完全缩回；因此，有必要在固定弹性伸缩层的时候将其预拉伸，以达到完全伸缩效果。我们定义n为结构改变的百分比，一节的单元数越多，伸长率也越高。弹性O形圈会占据弹性波纹管伸缩的位置，因此O形圈越多，则伸长率越小。但对称布置的弹性伸缩层只限制住了弹性波纹管对侧的应变，在缩回时每节的单元在另外的方向上仍会发生不定向的弯曲，因此用弹性伸缩层对弹性波纹管进一步的约束，采用3个弹性层对弹性波纹管三相120°布置，以确保伸缩时能呈直线缩回。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种软体爬杆机器人，其特征在于，包括固定单元、伸缩单元，所述固定单元为至少两个且通过固定单元能实现对物体的缠绕以保证软体爬杆机器人相对物体的固定，所述伸缩单元的两端分别与固定单元相连且伸缩单元能实现伸展和收缩以改变伸缩单元两端固定单元的位置并实现软体爬杆机器人的爬行；

所述固定单元包括支撑件、固定抓手，所述固定抓手为至少两个，所述固定抓手与支撑件相连且支撑件能为固定抓手提供支撑；

所述固定抓手包括弹性波纹管、应变限制层、第一弹性伸缩层、第一固定连接件、用于与气源相连的气路管，所述弹性波纹管的一端封闭，所述弹性波纹管的另一端与气路管相连且气源通过气路管能向弹性波纹管内充气，所述应变限制层与弹性波纹管相连且应变限制层能为弹性波纹管提供变形限制力，所述第一弹性伸缩层通过第一固定连接件与弹性波纹管相连且第一弹性伸缩层能为弹性波纹管提供回复力；

所述伸缩单元包括复位组件、连接管、用于与气源相连的气路管，所述复位组件设置在连接管上且连接管能在复位组件的带动下进行复位，所述连接管与气路管相连且气源通过气路管能向连接管内充气，所述连接管的两端分别与支撑件相连且伸缩单元通过连接管能带动固定单元相对移动。

2.根据权利要求1所述软体爬杆机器人，其特征在于，所述复位组件包括第二弹性伸缩层、第二固定连接件，所述第二弹性伸缩层通过第二固定连接件与连接管相连且第二弹性伸缩层能为连接管提供回复力。

3.根据权利要求2所述软体爬杆机器人，其特征在于，所述连接管为弹性波纹管。

4.根据权利要求3所述软体爬杆机器人，其特征在于，所述弹性波纹管采用塑料或橡胶制成。

5.根据权利要求1所述软体爬杆机器人，其特征在于，所述弹性波纹管上具有若干个折叠单元。

6.根据权利要求5所述软体爬杆机器人，其特征在于，所述第一固定连接件为弹性O型圈，所述第一弹性伸缩层依次通过O型圈固定在弹性波纹管上，相邻两个O型圈之间的折叠单元为2~10个。

7.根据权利要求6所述软体爬杆机器人，其特征在于，相邻两个O型圈之间的折叠单元为4~6个。

8.根据权利要求1所述软体爬杆机器人，其特征在于，所述固定单元中的应变限制层与第一弹性伸缩层相对于弹性波纹管的中轴线平行对称设置，所述第一弹性伸缩层沿弹性波纹管的轴向平行设置，或所述第一弹性伸缩层相对于弹性波纹管的中轴线螺旋设置。

9.根据权利要求3所述软体爬杆机器人，其特征在于，所述伸缩单元中的第二弹性伸缩层沿弹性波纹管的轴向平行设置。

10.根据权利要求1~9任一项所述软体爬杆机器人，其特征在于，所述固定抓手弯曲时呈C型。

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