CN109733493B

CN109733493B - 一种软体爬行吸附机器人

Info

Publication number: CN109733493B
Application number: CN201910122676.0A
Authority: CN
Inventors: 徐齐平; 刘锦阳
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2021-09-10
Anticipated expiration: 2039-02-19
Also published as: CN109733493A

Abstract

本发明公开了一种软体爬行吸附机器人，涉及软体机器人领域，包括爬行肢和爬行底座；其中，所述爬行肢包括气动网络和底层；所述爬行底座包括头部、基台和爬行肢底层；所述气动网络与所述底层连接；所述头部和所述爬行肢底层分别与所述基台连接；所述爬行肢与所述爬行肢底层连接。本发明的软体机器人由同种材料制成，避免因两种材料的不易相容性而导致的粘接脱落问题；爬行肢单独制作并且各自分别与基台连接，可独立控制，使得爬行更灵活，维护更方便；增设的头部使得机器人在爬行的同时还能够吸附携带物体。

Description

一种软体爬行吸附机器人

技术领域

本发明涉及软体机器人领域，尤其涉及一种软体爬行吸附机器人。

背景技术

软体机器人是一种由柔软性材料制成的、新型的连续体仿生机器人。现有的四足软体爬行机器人能够实现简单爬行、穿越障碍物功能。2011年，美国国家科学院院刊上报道了一种四足软体机器人(multigait soft robot)，以两种不同的弹性体聚合物作为材料制备而成。其中，气动网络(pneu-net，PN)作为顶层，使用可伸展的弹性体聚合物制成；底层使用相对不可伸展的弹性体聚合物制成。气动网络和底层按照对应位置关系粘接起来，形成一体化结构，即四足软体机器人。经由尾部预留的五个进气孔将五根气管插入到该软体机器人尾部，通过外连的气泵向五根气管充气，通过分别控制五根气管充放气的频率，使每只爬行肢按照预设的频率运动，进而使该四足软体机器人完成单一的向前爬行、通过障碍物的任务。

然而，该四足软体机器人的气动网络和底层是由两种不同的材料制成的，两种材料的不易相容性会带来粘接脱落的问题。同时，顶层是一体化形成的结构，不便于调节气压使四肢实现大弯曲变形，因而难以调整姿态、协调运动。而且，由于在尾部集中存在多个进气孔，使得在尾部处容易存在漏气的可能性，不能有效地控制充放气，进而导致该四足软体机器人很难实现向前连续爬行的动作。另外，该四足软体机器人实现的功能单一，无法在爬行的同时实现操作物体的目的。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种软体爬行吸附机器人。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提高机器人运动的可控制性和可协调性，并且在爬行的同时还具有吸附载物的功能。

为实现上述目的，本发明提供了一种软体爬行吸附机器人，其特征在于，包括爬行肢和爬行底座；其中，所述爬行肢包括气动网络和底层；所述爬行底座包括头部、基台和爬行肢底层；所述气动网络与所述底层连接；所述头部和所述爬行肢底层分别与所述基台连接；所述爬行肢与所述爬行肢底层连接。

进一步地，所述爬行肢至少有4只，所述爬行肢各自独立。

进一步地，所述气动网络整体外形呈梳状，由平行排列的梳齿单元组成；所述梳齿单元是中空的，与所述底层连接形成独立的腔室；所述腔室是流体腔室，所述腔室接收来自外部流体源的流体；所述气动网络一端的腔室有孔道，连接所述外部流体源；所述孔道是加压孔。

进一步地，所述腔室是气腔。

进一步地，所述加压孔是进气孔，用于连接外部气管。

进一步地，所述梳齿单元之间部分连接，所述连接处底部有凹槽，与所述底层连接形成通道；所述通道是所述腔室间的流体通道，所述通道将所述腔室连通。

进一步地，所述通道是气道。

进一步地，所述加压孔和所述凹槽的中心的垂直于水平面的投影点在一条直线上。

进一步地，所述头部的正面有开口孔，所述头部的背面有减压孔，所述开口孔和所述减压孔连通。

进一步地，所述减压孔是吸气孔，用于连接外部气管。

进一步地，所述头部是可替换的。

进一步地，所述基台与所述爬行肢连接。

进一步地，所述基台具有载物功能。

本发明还提供了软体爬行吸附机器人的制备装置，其特征在于，包括搅拌装置、真空装置、施压装置和模具。

进一步地，所述模具包括爬行肢模具和爬行底座模具；所述爬行肢模具包括气动网络模具和底层模具；所述气动网络模具包括底部模具和外围模具；所述爬行底座模具包括头部模具、基台模具和爬行肢底层模具。

本发明还提供了软体爬行吸附机器人的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、制作软体爬行吸附机器人各个部件的模具；

步骤二、准备软体爬行吸附机器人的制作材料；

步骤三、将步骤二中准备的材料按所需分量倒入步骤一中制作的各个部件的模具中，脱模之后形成各个部件；

步骤四、将步骤三中制作的部件按位置关系相互连接；

步骤五、晾干固化后，形成软体爬行吸附机器人。

进一步地，所述步骤二中的制作材料是同种材料，所述材料是弹性体聚合物，所述弹性体聚合物可伸展，所述弹性体聚合物包括但不局限于橡胶、硅胶、水凝胶、尼龙。

进一步地，所述步骤四中的连接是固化后的部件与未完全固化的部件之间的连接。

进一步地，所述软体爬行吸附机器人的制备方法包括但不局限于注塑法、3D打印。

技术效果

本发明提供了一种软体爬行吸附机器人及其制备装置和方法。与传统方式相比，其优点在于：

(1)本发明的软体机器人是由同种材料粘接固化而成，避免两种材料的不易相容性而带来的粘接脱落问题；

(2)本发明的软体机器人的每只爬行肢是单独制作的，每只爬行肢上具有各自独立的进气孔，能够方便地调节气压，单独控制其运动，使四肢实现大弯曲变形，调整姿态、协调运动；

(3)本发明的软体机器人的每只爬行肢上具有独立的进气孔，还能够便于对进气孔处进行气密性的检查，抑制进气孔出的漏气；

(4)本发明增设了一个开孔的头部，头部后端通过插入气管，实现吸附物体的功能；

(5)本发明的软体机器人的基台除了连接爬行肢，还有载物的功能。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明较优实施例1中软体爬行吸附机器人的整体示意图；

图2是本发明较优实施例1中软体爬行吸附机器人爬行肢的外形结构图；

图3是本发明较优实施例1中软体爬行吸附机器人爬行肢中的气动网络；

图4是本发明较优实施例1中软体爬行吸附机器人爬行肢中的底层；

图5是本发明较优实施例1中软体爬行吸附机器人爬行肢的组成图；

图6是本发明较优实施例1中软体爬行吸附机器人爬行肢的剖面图；

图7是本发明较优实施例1中软体爬行吸附机器人爬行肢中气动网络的俯视图；

图8是本发明较优实施例1中软体爬行吸附机器人爬行肢中气动网络的正视图；

图9是本发明较优实施例1中软体爬行吸附机器人爬行肢中气动网络A-A处的截面图；

图10是本发明较优实施例1中软体爬行吸附机器人爬行底座的结构图；

图11是本发明较优实施例1中软体爬行吸附机器人爬行底座中头部的侧视图；

图12是本发明较优实施例1中软体爬行吸附机器人爬行底座中头部的后视图；

图13是本发明较优实施例2中气动网络的底部模具；

图14是本发明较优实施例2中气动网络的外围模具；

图15是本发明较优实施例2中气动网络的整体模具；

图16是本发明较优实施例2中底层的模具。

其中，100-爬行肢，110-气动网络，111-气腔，112-气道，113-进气孔，120-底层，200-爬行底座，210-头部，211-开口孔，212-吸气孔，220-基台，230-爬行肢底层。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

实施例1一种软体爬行吸附机器人

本发明的一种软体爬行吸附机器人，包括爬行肢100和爬行底座200(图1)，两者都由硅胶制作而成。爬行肢100(图2)包括气动网络110(图3)和底层120(图4)，通过硅胶材料自身的黏粘性粘接而成(图5)。

如图3所示，气动网络110整体外形呈梳状，由十个平行排列的梳齿单元组成。其中，梳齿单元是中空的，梳齿单元与单元之间部分连接，连接处底部的中间位置有凹槽。图7是气动网络110构造的仰视图，图8是气动网络110构造的正视图，图9是气动网络110在图7和图8中A-A处的截面图。

气动网络110与底层120粘连后形成单独的爬行肢100。如图6所示，其内部有十个由梳齿单元与底层120粘连形成的彼此分隔开的气腔111，气腔111之间的连接处有由气动网络110底部凹槽与底层120粘连形成的气道112，将十个气腔111连通。气动网络110的一端有一个进气孔113，用于连接外部气管。经外部充气，爬行肢100根据不同的气压条件，能够实现不同程度的弯曲变形，以满足不同的需要。

爬行底座200包括头部210、基台220和爬行肢底层230(图10)。头部210的正面有一个开口孔211(图11)，位置朝外；背面有一个吸气孔212(图12)，位置朝内。开口孔211和吸气孔212是连通的。吸气孔212用于连接外部气管，通过吸气以实现吸附物体的功能。爬行肢100通过基台220和爬行肢底层230粘接到爬行底座200上，有进气孔113的一端朝内，形成软体爬行吸附机器人(图1)。在四只爬行肢100的进气孔113和头部的吸气孔212中插入外部气管，通过气泵控制充放气频率，软体爬行吸附机器人能够同时实现爬行和吸附物体的功能。

实施例2软体爬行吸附机器人的制作

(1)准备乳液状硅胶

将乳液状硅胶(Dragon

Silicones 30)的A、B成分按照1:1的比例混合搅拌均匀，配置调制成粘稠状，放入真空机中，将气泡去除，形成透明乳液状，待用。

(2)制作爬行肢的气动网络

根据爬行肢气动网络110的外形、尺寸及结构，设计并制作出爬行肢气动网络110的底部模具(图13)和外围模具(图14)。将上述两部分模具装配在一起，形成气动网络110模具的整体结构(图15)。将准备调制好的乳液状硅胶倒入如图15所示的模具中，静置12～16小时。待乳液状硅胶晾干固化后脱模，形成气动网络110(图3)。

(3)制作爬行肢的底层

根据爬行肢底层120的外形、尺寸及结构，设计并制作出相应的模具。将准备调制好的乳液状硅胶倒入底层模具(图16)中，静置2～3小时，形成半乳液状的底层120。

(4)制作爬行肢

按照对应的位置关系，如图5所示，将完全干透的气动网络110压放在半乳液状的底层120上。由于硅胶材料自身的黏粘性，晾干固化后，气动网络110和底层120会牢牢粘接在一起，形成单个的爬行肢100(图2)。

(5)制作爬行底座

将准备调制好的乳液状硅胶倒入预先制作好的爬行底座200的模具中，形成半乳液状的爬行底座200。

(6)制作软体爬行吸附机器人

按照对应的位置关系，将晾干固化后的爬行肢100压放在半乳液状的爬行底座200上，晾干固化后，形成软体爬行吸附机器人(图1)。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种软体爬行吸附机器人，其特征在于，包括爬行肢和爬行底座；其中，所述爬行肢包括气动网络和底层；所述爬行底座包括头部、基台和爬行肢底层；所述气动网络与所述底层连接；所述头部和所述爬行肢底层分别与所述基台连接；所述爬行肢与所述爬行肢底层连接；所述气动网络整体外形呈梳状，由平行排列的梳齿单元组成；所述梳齿单元是中空的，与所述底层连接形成独立的腔室；所述腔室是流体腔室，接收来自外部流体源的流体；所述气动网络的一端有孔道，连接所述外部流体源；所述孔道是加压孔；所述头部的正面有开口孔，所述头部的背面有减压孔，所述开口孔和所述减压孔连通；所述加压孔是进气孔，用于连接外部气管；所述减压孔是吸气孔，用于连接外部气管；

所述爬行肢和所述爬行底座的材料是同种材料，所述材料是弹性体聚合物，所述弹性体聚合物可伸展。

2.如权利要求1所述的软体爬行吸附机器人，其特征在于，所述爬行肢至少有4只，所述爬行肢各自独立。

3.如权利要求1所述的软体爬行吸附机器人，其特征在于，所述梳齿单元之间部分连接，所述连接处底部有凹槽，与所述底层连接形成通道；所述通道是所述腔室间的流体通道，所述通道将所述腔室连通。