CN110216712A - 一种气动吸附式仿尺蠖软体攀爬机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气动吸附式仿尺蠖软体攀爬机器人，包括三维充气弯曲块、外多腔弯曲块和吸盘，在向其中一个吸盘抽气后，吸盘吸附在被攀爬物上，在外部气体驱动装置向位于三角形状顶角的通孔通入气体后，三维充气弯曲块膨胀而产生向上拱起，三维充气弯曲块驱动另一个吸盘直线运动；在向位于三角形状底角的其中一个通孔通入气体后，三维充气弯曲块膨胀而产生向相应一侧拱起，三维充气弯曲块驱动另一个吸盘向相应一侧运动；在向位于三角形状底角的两个通孔通入相同气压的气体后，三维充气弯曲块膨胀而产生向下拱起，三维充气弯曲块驱动两个吸盘分别处于两个相互交叉的被攀爬物上；本发明具有结构简单、适应性好、控制方便的有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人，尤其是指一种气动吸附式仿尺蠖软体攀爬机器人。
背景技术
在高空作业和建筑业以及军事侦察上，机器人需要应对各种不规则且复杂的地理环境以及高空作业应用场景中，例如高楼玻璃清洁、路灯维修更换、电线架设检查、军事地形探测等工作。机器人需要具备较强的环境适应性才能应付各种不同复杂环境以进行作业工作。
传统刚体机器人在复杂以及未知动态环境中进行工作时，由于传统刚体机器人本身结构复杂、体积笨重、动作灵活性差和以及噪声大等缺点，造成传统刚体机器人适应能力不强，难以在非结构化环境下工作。
随着材料学等交叉学科的发展，软体机器人为解决传统刚体机器人面对的技术问题提供了广阔的空间以及发展思路。其中，因为软体机器人由柔性材料构成，理论上具有多个自由度，能够呈现出任意的连续变形。
与传统的刚体攀爬机器人不同，软体攀爬机器人对不同的环境中均拥有出色的攀爬能力。由于其具有多个自由度，使其能够在复杂的非结构性环境下运动。但是，现有的软体攀爬机器人只能进直线运动，而无法实现左右转向，特别是无法实现在两个不同角度壁面的过渡攀爬，导致适应性差，无法在复杂的环境中工作。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供一种结构简单、适应性好、控制方便和投入成本低的气动吸附式仿尺蠖软体攀爬机器人。
本发明的目的可采用以下技术方案来达到：
一种气动吸附式仿尺蠖软体攀爬机器人，包括三维充气弯曲块、外多腔弯曲块和吸盘，所述三维充气弯曲块和外多腔弯曲块为柔性体；所述三维充气弯曲块的两端均通过所述外多腔弯曲块与所述吸盘连接；所述三维充气弯曲块内设有贯穿轴向方向的通孔，所述三维充气弯曲块的截面呈三角形状，所述通孔设为多个且沿着中心轴线均匀分布；所述外多腔弯曲块的底端的轴向方向开有多个槽口，外多腔弯曲块内设有空腔，且外多腔弯曲块上设有通气孔，所述通孔和通气孔外接外部气体驱动装置；在外部气体驱动装置向其中一个吸盘抽气后，吸盘吸附在被攀爬物上，在外部气体驱动装置向位于三角形状顶角的通孔通入气体后，所述三维充气弯曲块块膨胀而产生向上拱起，三维充气弯曲块驱动另一个吸盘直线运动；在外部气体驱动装置向位于三角形状底角的其中一个通孔通入气体后，所述三维充气弯曲块膨胀而产生向相应一侧拱起，三维充气弯曲块驱动另一个吸盘向相应一侧运动；在外部气体驱动装置向位于三角形状底角的两个通孔通入相同气压的气体后，所述三维充气弯曲块膨胀而产生向下拱起，三维充气弯曲块驱动两个吸盘分别处于两个相互交叉的被攀爬物上；所述外部气体驱动装置通过通气孔向空腔内通入气体，外多腔弯曲块膨胀弯曲而驱动吸盘顶压向被攀爬物的表面。
作为一种优选的方案，在外部气体驱动装置向其中一个吸盘抽气后，吸盘吸附在被攀爬物上，在外部气体驱动装置向位于三个通孔通入相同气压的气体后，所述三维充气弯曲块膨胀而产生轴向伸长，三维充气弯曲块驱动另一个吸盘直线运动。
作为一种优选的方案，所述外多腔弯曲块包括膨胀体和密封盖合在所述空腔上的限制体，所述槽口设于膨胀体的底端，且所述限制体的弹性模量大于膨胀体的弹性模量。
作为一种优选的方案，所述限制体内部包覆有玻璃纤维块，所述玻璃纤维块的弹性模量大于膨胀体的弹性模量。
作为一种优选的方案，所述限制体通过胶水密封粘贴于所述空腔上。
作为一种优选的方案，所述吸盘上设有与所述外部气体驱动装置连接的气流孔，在外部气体驱动装置向气流孔抽气时，所述吸盘吸附在被攀爬物上；在外部气体驱动装置向气流孔输入气体时，所述吸盘不吸附在被攀爬物上。
作为一种优选的方案，所述三维充气弯曲块和外多腔弯曲块为硅胶。
作为一种优选的方案，所述被攀爬物为玻璃。
实施本发明，具有如下有益效果：
1、本发明在工作时，首先通过外部气体驱动装置对机器人前端的吸盘进行抽气，使该吸盘对攀爬壁面产生吸附力而固定在攀爬壁上。然后向三维充气弯曲块的通孔内通入气体，这样使得三维充气弯曲块产生弹性膨胀变形。因为通孔与三维充气弯曲块的横截面的重心有偏心距，故在通孔到重心方向产生弯矩，使得通孔向重心方向产生弯曲，所以随着三维充气弯曲块的弯曲变形而将两端的吸盘向相向方向拉动。此时，由于机器人前端的吸盘为固定状态，所述机器人后端的吸盘向前拉动一定距离。当后端的吸盘被三维弯曲模块拖动向前直线运动后，外部气体驱动装置对后端的吸盘进行抽气，使吸盘吸紧攀爬壁面，进而将该吸盘固定在攀爬壁面上。随后前端吸盘放气，使得该吸盘松开攀爬壁面，同时对三维充气弯曲块和外多腔弯曲块进行放气，使三维充气弯曲块和外多腔弯曲块恢复回弹，而在回弹过程中由于后端吸盘是固定状态，前端吸盘是自由状态，故回弹过程中前端吸盘直线向前运动一定距离，这样即完成本发明机器人的一次正向直线移动过程，具有结构简单、控制方便和投入成本低的优点。
2、本发明除了弯曲直线运动方式外，还可以实现左转和右转向功能，只需要让其中一个吸盘抽气成为固定状态，另外一个吸盘成为自由状态，然后分别给左通孔或右通孔通入气压，则机器人就可以实现右转和左转运动。此外，在两个相交壁面的过渡攀爬情况下，机器人可以让吸盘抽气成为固定端，然后通过给三维弯曲块左通孔和右通孔同时通入相同气压的气体，三维充气弯曲块则会产生向上弯曲运动，再通过外部气体驱动装置给外多腔弯曲块通气压使两个吸盘与两个需要攀爬过渡的相交壁面分别正对，从而实现机器人在两个不同角度壁面的过渡攀爬。可见，本发明的整个机器人在采用了简单的零件和结构的情况下，通过外部气体驱动装置的控制即可实现机器人的直线运动、转向运动和过渡攀爬运动，具有结构简单、功能多样化、适应性好和控制方便的优点。
3、本发明当三维充气弯曲块弯曲后，控制外部气体驱动装置通过通气孔向外多腔弯曲块内的空腔通入气体，使外多腔弯曲块产生向槽口方向的弯曲拱起，确保吸盘与所攀爬壁面的相对位姿，保证吸盘与所攀爬壁面正对，为吸盘有效地吸附攀爬壁面提供稳定可靠的条件。
4、在工作时，首先机器人后端吸盘抽气而吸附固定在攀爬壁面上，然后给三维充气弯曲块的三个通孔均通入相同气压的气体，使得三维充气弯曲块整体发生膨胀。由于三个通孔的气压的相互作用，使得三维充气弯曲块径向作用相互抵消，所以三维充气弯曲块的变形主要为轴向伸长，从而伸长变形的三维充气弯曲块推动前端处于自由状态的吸盘向前直线运动。在三维充气弯曲块达到最大伸长量后，通过给前端吸盘抽气而将吸盘固定到攀爬壁面上，然后再给后端的吸盘放气变而使吸盘松开攀爬壁面，最后三维充气弯曲块的三个通孔进行放气，三维充气弯曲块恢复回弹而缩短，缩短的三维充气弯曲块带动后端的吸盘向前移动一定距离，从而实现整个机器人的直线攀爬运动，具有结构简单、控制方便和适应性好的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明气动吸附式仿尺蠖软体攀爬机器人的结构示意图；
图2是本发明气动吸附式仿尺蠖软体攀爬机器人的三维充气弯曲块的结构示意图；
图3是本发明气动吸附式仿尺蠖软体攀爬机器人的外多腔弯曲块的结构示意图；
图4是本发明气动吸附式仿尺蠖软体攀爬机器人的膨胀体的结构示意图；
图5是本发明气动吸附式仿尺蠖软体攀爬机器人处于侧向攀爬状态的结构示意图；
图6是本发明气动吸附式仿尺蠖软体攀爬机器人处于过渡攀爬状态的结构示意图；
图7是本发明气动吸附式仿尺蠖软体攀爬机器人采用弯曲直线攀爬的运作过程图；
图8是本发明气动吸附式仿尺蠖软体攀爬机器人采用伸长直线攀爬的运作过程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参照图1至图7，本实施例涉及气动吸附式仿尺蠖软体攀爬机器人，包括三维充气弯曲块1、外多腔弯曲块2和吸盘3，所述三维充气弯曲块1和外多腔弯曲块2为柔性体；所述三维充气弯曲块1的两端均通过所述外多腔弯曲块2与所述吸盘3连接；所述三维充气弯曲块1内设有贯穿轴向方向的通孔，所述三维充气弯曲块1的截面呈三角形状，所述通孔设为多个且沿着中心轴线均匀分布；所述外多腔弯曲块2的底端的轴向方向开有多个槽口21，外多腔弯曲块2内设有空腔22，且外多腔弯曲块2上设有通气孔23，所述通孔和通气孔23外接外部气体驱动装置；在外部气体驱动装置向其中一个吸盘3抽气后，吸盘3吸附在被攀爬物上，在外部气体驱动装置向位于三角形状顶角的通孔10通入气体后，所述三维充气弯曲块1膨胀而产生向上拱起，三维充气弯曲块1驱动另一个吸盘3直线运动；在外部气体驱动装置向位于三角形状底角的其中一个通孔通入气体后，所述三维充气弯曲块1膨胀而产生向相应一侧拱起，三维充气弯曲块1驱动另一个吸盘3向相应一侧运动；在外部气体驱动装置向位于三角形状底角的两个通孔(11、12)通入相同气压的气体后，所述三维充气弯曲块1膨胀而产生向下拱起，三维充气弯曲块1驱动两个吸盘3分别处于两个相互交叉的被攀爬物上；所述外部气体驱动装置通过通气孔23向空腔22内通入气体，外多腔弯曲块2膨胀弯曲而驱动吸盘3顶压向被攀爬物的表面。所述吸盘3上设有与所述外部气体驱动装置连接的气流孔31，在外部气体驱动装置向气流孔31抽气时，所述吸盘3吸附在被攀爬物上；在外部气体驱动装置向气流孔31输入气体时，所述吸盘3不吸附在被攀爬物上。
本发明在工作时，首先通过外部气体驱动装置对机器人前端的吸盘3进行抽气，使该吸盘3对攀爬壁面产生吸附力而固定在攀爬壁上。然后向三维充气弯曲块1的通孔10内通入气体，这样使得三维充气弯曲块1产生弹性膨胀变形。因为通孔10与三维充气弯曲块1的横截面的重心有偏心距，故在通孔10到重心方向产生弯矩，使得通孔向重心方向产生弯曲，所以随着三维充气弯曲块1的弯曲变形而将两端的吸盘3向相向方向拉动。此时，由于机器人前端的吸盘3为固定状态，所述机器人后端的吸盘3向前拉动一定距离。
同时，当三维充气弯曲块1弯曲后，控制外部气体驱动装置通过通气孔23向外多腔弯曲块2内的空腔22通入气体，使外多腔弯曲块2产生向槽口21方向的弯曲拱起，确保吸盘3与所攀爬壁面的相对位姿，保证吸盘3与所攀爬壁面正对，为吸盘3有效地吸附攀爬壁面提供稳定可靠的条件。
当后端的吸盘3被三维充气弯曲块1拖动向前直线运动后，外部气体驱动装置对后端的吸盘3进行抽气，使吸盘3吸紧攀爬壁面，进而将该吸盘3固定在攀爬壁面上。随后前端吸盘3放气，使得该吸盘3松开攀爬壁面，同时对三维充气弯曲块1和外多腔弯曲块2进行放气，使三维充气弯曲块1和外多腔弯曲块2恢复回弹，而在回弹过程中由于后端吸盘3是固定状态，前端吸盘3是自由状态，故回弹过程中前端吸盘3直线向前运动一定距离，这样即完成本发明机器人的一次正向直线移动过程。
并且本发明除了弯曲直线运动方式外，还可以实现左转和右转向功能，只需要让其中一个吸盘3抽气成为固定状态，另外一个吸盘3成为自由状态，然后分别给通孔11或通孔12通入气压，则机器人就可以实现右转和左转运动。此外，在两个相交壁面的过渡攀爬情况下，机器人可以让吸盘3抽气成为固定端，然后通过给通孔11和通孔12同时通入相同气压的气体，三维充气弯曲块1则会产生向上弯曲运动，再通过外部气体驱动装置给外多腔弯曲块2通气压使两个吸盘3与两个需要攀爬过渡的相交壁面分别正对，从而实现机器人在两个不同角度壁面的过渡攀爬。可见，本发明的整个机器人在采用了简单的零件和结构的情况下，通过外部气体驱动装置的控制即可实现机器人的直线运动、转向运动和过渡攀爬运动，具有结构简单、功能多样化、适应性好和控制方便的优点。
所述外多腔弯曲块2包括膨胀体201和密封盖合在所述空腔22上的限制体202，所述槽口21设于膨胀体201的底端，且所述限制体202的弹性模量大于膨胀体201的弹性模量。
在外部气体驱动装置向外多腔弯曲块2内的空腔22通入气体后，膨胀层会产生整体膨胀。因为与膨胀体201底面相连的限制体202的弹性模量大于膨胀层的弹性模量，因此限制体202会随着膨胀体201不断进行膨胀而对膨胀体201两端拉紧，从而使得膨胀体201的两端向限制体202中心靠拢，并且由于槽口21的设置，使得膨胀体201能更加顺利地向限制体202中心靠拢，使膨胀体201整体呈近似弧形结构，确保吸盘3与所攀爬壁面的相对位姿，保证吸盘3与所攀爬壁面正对，为吸盘3有效地吸附攀爬壁面提供稳定可靠的条件。
所述限制体202内部包覆有玻璃纤维块203，所述玻璃纤维块203的弹性模量大于膨胀体201的弹性模量。该结构通过在限制体202内包覆玻璃纤维块203，使得限制体202的弹性模量大于膨胀体201的弹性模量，从而在膨胀体201膨胀的过程中限制体202会随着膨胀体201不断进行膨胀而对膨胀体201两端拉紧，进而使得膨胀体201的两端向限制体202中心靠拢。
所述限制体202通过胶水密封粘贴于所述空腔22上。限制体202和膨胀体201可以采用硅胶材料。在装配时，限制体202通过胶水可以密封盖合在空腔22上，以保证在外部气体驱动装置向空腔22内通入气体后，气体不会产生泄漏的情况。
所述三维充气弯曲块1和外多腔弯曲块2为硅胶。
实施例2
本实施例是在实施例1的基础上，作为对直线运动控制的改进，如图1至图6，以及图8所示，在外部气体驱动装置向其中一个吸盘3抽气后，吸盘3吸附在被攀爬物上，在外部气体驱动装置向位于三个通孔(10、11、12)通入相同气压的气体后，所述三维充气弯曲块1膨胀而产生轴向伸长，三维充气弯曲块1驱动另一个吸盘3直线运动。
本实施例的机器人采用伸长前进的运动方式。在工作时，首先机器人后端吸盘3抽气而吸附固定在攀爬壁面上，然后给三维充气弯曲块1的三个通孔(10、11、12)均通入相同气压的气体，使得三维充气弯曲块1整体发生膨胀。由于三个通孔的气压的相互作用，使得三维充气弯曲块1径向作用相互抵消，所以三维充气弯曲块1的变形主要为轴向伸长，从而伸长变形的三维充气弯曲块1推动前端处于自由状态的吸盘3向前直线运动。在三维充气弯曲块1达到最大伸长量后，通过给前端吸盘3抽气而将吸盘3固定到攀爬壁面上，然后再给后端的吸盘3放气变而使吸盘3松开攀爬壁面，最后三维充气弯曲块1的三个通孔(10、11、12)进行放气，三维充气弯曲块1恢复回弹而缩短，缩短的三维充气弯曲块1带动后端的吸盘3向前移动一定距离，从而实现整个机器人的直线攀爬运动，具有结构简单、控制方便和适应性好的优点。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (8)
1.一种气动吸附式仿尺蠖软体攀爬机器人，其特征在于，包括三维充气弯曲块、外多腔弯曲块和吸盘，所述三维充气弯曲块和外多腔弯曲块为柔性体；所述三维充气弯曲块的两端均通过所述外多腔弯曲块与所述吸盘连接；所述三维充气弯曲块内设有贯穿轴向方向的通孔，所述三维充气弯曲块的截面呈三角形状，所述通孔设为多个且沿着中心轴线均匀分布；所述外多腔弯曲块的底端的轴向方向开有多个槽口，外多腔弯曲块内设有空腔，且外多腔弯曲块上设有通气孔，所述通气孔和通气孔外接外部气体驱动装置；在外部气体驱动装置向其中一个吸盘抽气后，吸盘吸附在被攀爬物上，在外部气体驱动装置向位于三角形状顶角的通孔通入气体后，所述三维充气弯曲块膨胀而产生向上拱起，三维充气弯曲块驱动另一个吸盘直线运动；在外部气体驱动装置向位于三角形状底角的其中一个通孔通入气体后，所述三维充气弯曲块膨胀而产生向相应一侧拱起，三维充气弯曲块驱动另一个吸盘向相应一侧运动；在外部气体驱动装置向位于三角形状底角的两个通孔通入相同气压的气体后，所述三维充气弯曲块膨胀而产生向下拱起，三维充气弯曲块驱动两个吸盘分别处于两个相互交叉的被攀爬物上；所述外部气体驱动装置通过通气孔向空腔内通入气体，外多腔弯曲块膨胀弯曲而驱动吸盘顶压向被攀爬物的表面。
2.根据权利要求1所述的一种气动吸附式仿尺蠖软体攀爬机器人，其特征在于，在外部气体驱动装置向其中一个吸盘抽气后，吸盘吸附在被攀爬物上，在外部气体驱动装置向位于三个通孔通入相同气压的气体后，所述三维充气弯曲块膨胀而产生轴向伸长，三维充气弯曲块驱动另一个吸盘直线运动。
3.根据权利要求1所述的一种气动吸附式仿尺蠖软体攀爬机器人，其特征在于，所述外多腔弯曲块包括膨胀体和密封盖合在所述空腔上的限制体，所述槽口设于膨胀体的底端，且所述限制体的弹性模量大于膨胀体的弹性模量。
4.根据权利要求3所述的一种气动吸附式仿尺蠖软体攀爬机器人，其特征在于，所述限制体内部包覆有玻璃纤维块，所述玻璃纤维块的弹性模量大于膨胀体的弹性模量。
5.根据权利要求3或4所述的一种气动吸附式仿尺蠖软体攀爬机器人，其特征在于，所述限制体通过胶水密封粘贴于所述空腔上。
6.根据权利要求2所述的一种气动吸附式仿尺蠖软体攀爬机器人，其特征在于，所述吸盘上设有与所述外部气体驱动装置连接的气流孔，在外部气体驱动装置向气流孔抽气时，所述吸盘吸附在被攀爬物上；在外部气体驱动装置向气流孔输入气体时，所述吸盘不吸附在被攀爬物上。
7.根据权利要求1至4任一所述的一种气动吸附式仿尺蠖软体攀爬机器人，其特征在于，所述三维充气弯曲块和外多腔弯曲块为硅胶。
8.根据权利要求6所述的一种气动吸附式仿尺蠖软体攀爬机器人，其特征在于，所述被攀爬物为光滑壁面。
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