CN110465932B - 一种气动软体蠕动式机器人结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气动软体蠕动式机器人结构，其特征在于：包括第一气动弯曲模块、转向舵、气动伸缩模块、第二气动弯曲模块及折纸式连接机构，所述第一气动弯曲模块作为机器人的头部，所述第二气动弯曲模块作为机器人的尾部，所述第一气动弯曲模块、转向舵、气动伸缩模块、第二气动弯曲模块依次通过折纸式连接机构连接，所述折纸式连接机构包括折纸式弯曲层及两个转换卡板，两个转换卡板分别连接于所述折纸式弯曲层的两端。本发明设计科学合理，操作简单、实现容易、不受客观条件制约等优势，可更简洁可靠的实现转向、前进变后退、曲线行径等运动，且具有结构简单、耗能少、驱动力大等优势，并适应在柔软、弯曲环境下的运动。
Description
技术领域
本发明属于仿生机械技术领域，涉及仿生机器人，特别涉及一种气动软体蠕动式机器人结构。
背景技术
软体机器人目前已成为机器人研究的热点，其具有质量轻、易于控制、柔顺性好、安全性和适应性良好等特点。软件机器人采用软材料或柔性材料以及合理的机械结构，可实现连续变形，具有广阔的应用前景。软体机器人主要依靠气动驱动，“气动”是指通过在结构中充气，利用气压使结构产生变形或者运动，从而实现驱动。
软体蠕动式机器人是软体机器人领域的一大研究方向。随着技术的不断进步，软体蠕动式机器人在医疗、微型管道检测、曲线孔加工、特种作业等领域将会得到更广阔的应用和更好的发展。软体蠕动式机器人在各种复杂、恶劣的环境中能够实现自动定位和自主识别的功能，并使其能据此开展各种活动；在发生故障时能启动备用系统，实现自救。除此之外，未来的软体蠕动式机器人还将广泛应用于地震、爆炸、火灾等现场的搜救活动，及对未知环境的探险、军事侦察、考古探测、地质勘探等领域。
目前典型的软体机器人有麻省理工学院、哈佛大学所研发的Meshworm机器人，可以使用形状记忆合金(SMA)进行驱动，模拟蠕动并能抵抗强的冲击；意大利LASCHI等人研制的仿生章鱼等；哈佛大学研制的章鱼形柔性机器人Octobot由气动机构驱动，气动机构的运作依赖于内嵌的可充气隔间的扩张，相当于致动器，使机器人的手臂发生运动；哈尔滨工程大学隋立明团队研发的气动软体爬行机器人由三节软体结构组成，使用充气方式的特定组合即可驱动机器人前进。
目前软体机器人驱动技术成熟，反应速度较快，功率密度高，但缺陷是一般驱动设备体积大，受辅助系统的限制，而且无法实现软体机器人的转向和倒逆行驶。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于狭小管道清理和废墟搜寻的气动软体蠕动式机器人。该机器人具有操作简单、实现容易、不受客观条件制约等优势，可更简洁可靠的实现转向、前进变后退、曲线行径等运动，且具有结构简单、耗能少、驱动力大等优势，并适应在柔软、弯曲环境下的运动。
本发明的目的是通过以下技术手段实现的：
一种气动软体蠕动式机器人结构，其特征在于：包括第一气动弯曲模块、转向舵、气动伸缩模块、第二气动弯曲模块及折纸式连接机构，所述第一气动弯曲模块作为机器人的头部，所述第二气动弯曲模块作为机器人的尾部，所述第一气动弯曲模块、转向舵、气动伸缩模块、第二气动弯曲模块依次通过折纸式连接机构连接，所述折纸式连接机构包括折纸式弯曲层及两个转换卡板，两个转换卡板分别连接于所述折纸式弯曲层的两端。
而且，所述折纸式弯曲层包括若干第一折叠板组成的锯齿状的第一折叠单元和若干第二折叠板组成的锯齿状的第二折叠单元，所述第一折叠单元与所述第二折叠单元互相垂直设置，所述第一折叠单元的第一折叠板和所述第二折叠单元的第二折叠板依次交替重叠排列，所述第一折叠板和第二折叠板相同一侧的边粘接在一起作为弯曲旋转轴。
而且，所述折纸式弯曲层采用铝箔或柔性塑料纸片；所述转换卡板采用工程塑料或聚酯纤维。
而且，所述第一气动弯曲模块、第二气动弯曲模块均为长方体结构，且包括通过粘结而成的弯曲上层与弯曲下层，所述弯曲上层的截面为矩形锯齿状，所述弯曲层上层内穿装有硅胶软管。
而且，所述第一气动弯曲模块、第二气动弯曲模块的弯曲角度为0～60°。
而且，所述转向舵为圆柱形结构，其纵截面为梯形或矩形锯齿状，所述转向舵横截面的外壁为圆形，内腔有“米”字型的八条硅胶软挡板，将内腔分为八个圆心角为45度的小扇形空腔，所述转向舵尾部穿装有硅胶软管。
而且，所述转向舵的弯曲角度0～30°。
而且，所述气动伸缩模块为圆柱形结构，其纵截面为梯形锯齿状，内部为完整空腔，所述伸缩层内穿装有硅胶软管。
而且，所述气动伸缩模块的伸缩量为0～20mm。
而且，所述第一气动弯曲模块、转向舵、气动伸缩模块、第二气动弯曲模块均采用Ecoflex系列硅胶材料制成。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明的气动软体蠕动式机器人结构，采用气动弯曲模块结构，实现了快速弯曲和机器人躯体的拱起。
2、本发明的气动软体蠕动式机器人结构，采用气动伸缩模块结构，实现了伸缩层的快速伸长和机器人向前的快速推进。
3、本发明的气动软体蠕动式机器人结构，与国内和国际上已经出现的气动软体蠕动式机器人相比，本发明完全使用气泵充气抽气来控制其运动，省去了自带电机、电控元件和线缆所需的空间。
4、本发明的气动软体蠕动式机器人结构，相比电控驱动，气动驱动也具有操作简单、实现容易、不受客观条件制约等优势。
5、本发明的气动软体蠕动式机器人结构，相比于其他设计方式，可以更简洁可靠的实现转向、前进变后退、曲线行径等运动。向软体躯体的右侧充气即可实现向左转向运动、左侧充气即可实现向右转向运动，反向充气抽气即可实现后退运动。至此，本软体机器人每一时刻在头部所处平面内的所有运动均可以实现。
6、本发明的气动软体蠕动式机器人结构，基于软体机器人能够实现以上各种形态的运动，可以使用多种运动元素的有机组合，模拟蚯蚓类生物的前进蠕动机理实现前进的运动形式。
7、本发明的气动软体蠕动式机器人结构，由于其结构简单、耗能少、驱动力大，特别适应柔软、弯曲环境下的运动。
8、本发明设计科学合理，操作简单、实现容易、不受客观条件制约等优势，可更简洁可靠的实现转向、前进变后退、曲线行径等运动，且具有结构简单、耗能少、驱动力大等优势，并适应在柔软、弯曲环境下的运动。
附图说明
图1为软体机器人的结构示意图；
图2为软体机器人气动弯曲模块的结构示意图：其中(a)为气动弯曲模块的主视图，(b)为气动弯曲模块的左视图，(c)为(b)的A-A向视图；
图3为软体机器人气动伸缩模块的结构示意图：其中(a)为气动伸缩模块的主视图，(b)为气动伸缩模块的左视图，(c)为(b)的A-A向视图；
图4为软体机器人转向舵的结构示意图：其中(a)为转向舵的主视图，(b)为转向舵的左视图；
图5为折纸式连接机构的结构示意图；
图6为折纸式弯曲层的结构示意图；
图7为左转换卡板的结构示意图；
图8为软体机器人具体制造流程图。
附图标记说明
1-第一气动弯曲模块、2-第一转换卡板、3-折纸式弯曲层一、4-第二转换卡板、5-转向舵、6-第三转换卡板、7-折纸式弯曲层二、8-第四转换卡板、9-气动伸缩模块、10-第五转换卡板、11-折纸式弯曲层三、12-第六转换卡板、13-第二气动弯曲模块、14-左转换卡板、15-折纸式弯曲层、16-右转换卡板、17-第一折叠板、18-第二折叠板、19-第一横板、20-连接槽、21-气管孔、22-第二横板。
具体实施方式
下面结合附图详细叙述本发明的实施例；需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种气动软体蠕动式机器人结构，其创新之处在于：包括第一气动弯曲模块1、转向舵5、气动伸缩模块9、第二气动弯曲模块13及折纸式连接机构，所述第一气动弯曲模块作为机器人的头部，所述第二气动弯曲模块作为机器人的尾部，所述第一气动弯曲模块、转向舵、气动伸缩模块、第二气动弯曲模块依次通过折纸式连接机构连接，连接所述第一气动弯曲模块与转向舵的为第一转换卡板2、折纸式弯曲层一3及第二转换卡板4，连接转向舵与气动伸缩模块的为第三转换卡板6、折纸式弯曲层二7及第四转换卡板8，连接气动伸缩模块与第二气动弯曲模块的为第五转换卡板10、折纸式弯曲层三11及第六转换卡板12。
本例使用硅胶作为软体机器人的主要材质，选用基于3D打印制造躯壳模具的间接成型方法，用特定比例配合的硅胶溶剂浇筑模具，待凝固后形成各个零部件，拼装后完成软体机器人的主体制造过程。
以下分别介绍各个软体部件的结构、参数、功能：
1、折纸式连接机构
折纸式连接机构包括折纸式弯曲层15及左、右转换卡板，左转换卡板14、右转换卡板16分别连接于所述折纸式弯曲层的两端，所述折纸式弯曲层包括若干第一折叠板17组成的锯齿状的第一折叠单元和若干第二折叠板18组成的锯齿状的第二折叠单元，所述第一折叠单元与所述第二折叠单元互相垂直设置，所述第一折叠单元的第一折叠板和所述第二折叠单元的第二折叠板依次交替重叠排列，所述第一折叠板和第二折叠板相同一侧的边粘接在一起作为弯曲旋转轴。
左、右转换卡板均包括一体的第一横板19、第二横板22和两侧的左、右连接卡板，所述第一横板和第二横板通过所述连接卡板连接，第一横板上设置有连接槽20，用于帮助和折纸式弯曲层的连接；与第一、二气动弯曲模块连接的转换卡板的第二横板上设置有气管孔21，用于引出硅胶软气管。
折纸式弯曲层采用铝箔或柔性塑料纸片；所述转换卡板采用工程塑料或聚酯纤维。
2、第一、第二气动弯曲模块
第一、第二气动弯曲模块可以实现类似人体手指的单项弯曲拱起，密封后向其中通入压缩空气，软体弯曲层会朝背向方向实现弯曲。
第一气动弯曲模块、第二气动弯曲模块均为长方体结构，且包括通过粘结而成的弯曲上层与弯曲下层，所述弯曲上层的截面为矩形锯齿状，竖直壁面比水平壁面更薄，因此两壁面上施加相等的大气压力时，竖直壁面会产生较大的膨胀，而水平壁面则并无明显的变形。进一步的，所述两个相邻的竖直壁面在外侧看来相向膨胀、相互挤压，而使所述弯曲层由原本的水平状态变为圆弧状弯曲状态。
所述弯曲层上层与下层粘接密封好后，内部的空腔就已经与外界空气完全隔绝，用一根硅胶软管穿过所述弯曲层上层的硅胶壁，通过该软管为内腔提供气压。
弯曲层一、弯曲层二及弯曲层三的弯曲角度为0～60°，不同的气压值可使其弯曲不同的曲率，从而满足实际工况中的不同要求。
3、转向舵
所述转向舵为圆柱形结构，其纵截面与弯曲层的纵截面形状相似，也是梯形或矩形锯齿状结构。
所述转向舵横截面的外壁为圆形，内腔有“米”字型的八条硅胶软挡板，将内腔分为八个圆心角为45度的小扇形空腔。所述转向舵粘接密封好后，内部的八个空腔就已经与外界空气完全隔绝。进一步的，用一根硅胶软管穿过所述转向舵尾部的硅胶壁，通过该软管为所述转向舵内腔提供气压。
所述转向舵要实现的功能是在内腔充气后，转向舵能向指定方向发生弯曲。
所述转向舵的充气端有可旋转和折叠的八片刚体遮盖片，可以恰好遮盖住横截面的1～8块小扇形空腔，被遮盖片遮住的小扇形不会被充气。
转向舵的其余的小扇形空腔被充气后，由于弯曲膨胀的原理，使所述转向舵向被充气小扇形所在角度范围的相反方向发生弯曲，从而实现机器人身躯的转向。
转向舵的弯曲角度0～30°，不同的气压值可使其弯曲不同的曲率，从而满足实际工况中的不同要求。
对于不同的转向需求，调拨转向舵的刚体遮盖片使不同空腔充气即可实现。
4、气动伸缩模块
所述气动伸缩模块为圆柱形结构，其纵截面为梯形锯齿状结构，内部为完整空腔。所述气动伸缩模块粘接密封好后，内部空腔就已经与外界空气完全隔绝。
用一根硅胶软管穿过伸缩层尾部的硅胶壁，通过该软管为所述气动伸缩模块内腔提供大气压力，即可使所述气动伸缩模块像弹簧一样伸长或收缩。
当所述气动伸缩模块给定气压等于外界大气压时，所述气动伸缩模块保持初始状态；当所述气动伸缩模块给定气压大于外界大气压时，所述气动伸缩模块受内部气压作用而膨胀伸长；当所述气动伸缩模块给定气压小于外界大气压时，所述气动伸缩模块受外界气压作用而收缩。
气动伸缩模块主要用于推动弯曲层向前移动，从而实现软体机器人身体的蠕动和前进，是软体机器人的主要动力环节。
所述气动伸缩模块的伸缩原理如下，当所述气动伸缩模块的内部气压作用在内腔梯形硅胶壁的斜边上时，膨胀挤压作用使得梯形被压扁，梯形斜边与水平面的夹角被挤压而变小，梯形向左右两侧伸长，从整体来看，所述伸缩层的轴向尺寸增大。
气动伸缩模块的伸长量为0～20mm，不同的气压值可使其伸长不同的长度，从而满足实际工况中的不同要求，伸长量与给定气压成正比，即气压越大，伸长量越大。
本发明的气动软体蠕动式机器人结构充气驱动原理为：
1.对第一气动弯曲模块充气使其弯曲，此时第一节与地面仅有前后两点接触；
2.对气动伸缩模块充气使其膨胀伸长，伸缩结构向前推出，对其前面的软体机器人头部(第一气动弯曲模块和转向舵)提供推力使第一气动弯曲模块变形更大，第一气动弯曲模块为释放过大的弯曲形变而向前移动；
3.如果此时软体机器人身躯需要转向一定角度，应向转向舵的对应几个小扇形舱充气，使其膨胀弯曲，从而带动转向舵向预定的角度弯曲，同时带动第一气动弯曲模块向预定的方向挪动，使软体机器人头部完成转向；如果不需要转向，则跳过该步骤。
4.停止给第一气动弯曲模块通气，使其恢复到水平状态，底部与地面完整接触，这时软体机器人头部最前端已经向前移动一段距离；
5.向机器人尾部的第二气动弯曲模块结构充气弯曲，该软体弯曲层此时仅有两点与地面接触；
6.停止对中间的气动伸缩层充气，使其自然收缩，同时带动后面的第二气动弯曲模块向前移动一段距离；
7.停止对第二气动弯曲模块充气，使其与地面完整贴合，这时软体机器人尾部最后端已经向前移动一段距离。
8.如果此时软体机器人需要后退，将1-7步骤中的第一、二气动弯曲模块的充气顺序交换(即将机器人的头部当作尾部、尾部当作头部)，在周期重复1-7步骤即可实现后退；如果不需要后退，则跳过该步骤。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
Claims (6)
1.一种气动软体蠕动式机器人结构，其特征在于：包括第一气动弯曲模块、转向舵、气动伸缩模块、第二气动弯曲模块及折纸式连接机构，所述第一气动弯曲模块作为机器人的头部，所述第二气动弯曲模块作为机器人的尾部，所述第一气动弯曲模块、转向舵、气动伸缩模块、第二气动弯曲模块依次通过折纸式连接机构连接，所述折纸式连接机构包括折纸式弯曲层及两个转换卡板，两个转换卡板分别连接于所述折纸式弯曲层的两端；
所述折纸式弯曲层包括若干第一折叠板组成的锯齿状的第一折叠单元和若干第二折叠板组成的锯齿状的第二折叠单元，所述第一折叠单元与所述第二折叠单元互相垂直设置，所述第一折叠单元的第一折叠板和所述第二折叠单元的第二折叠板依次交替重叠排列，所述第一折叠板和第二折叠板相同一侧的边粘接在一起作为弯曲旋转轴；
所述第一气动弯曲模块、第二气动弯曲模块均为长方体结构，且包括通过粘结而成的弯曲上层与弯曲下层，所述弯曲上层的截面为矩形锯齿状，所述弯曲层上层内穿装有硅胶软管；
所述转向舵为圆柱形结构，其纵截面为梯形或矩形锯齿状，所述转向舵横截面的外壁为圆形，内腔有“米”字型的八条硅胶软挡板，将内腔分为八个圆心角为45度的小扇形空腔，所述转向舵尾部穿装有硅胶软管；
所述气动伸缩模块为圆柱形结构，其纵截面为梯形锯齿状，内部为完整空腔，所述气动伸缩模块内穿装有硅胶软管；
气动软体蠕动式机器人结构充气驱动原理为：
1）对第一气动弯曲模块充气使其弯曲，此时第一气动弯曲模块与地面仅有前后两点接触；
2）对气动伸缩模块充气使其膨胀伸长，伸缩结构向前推出，对其前面的软体机器人头部提供推力使第一气动弯曲模块变形更大，第一气动弯曲模块为释放过大的弯曲形变而向前移动；
3）如果此时软体机器人身躯需要转向一定角度，应向转向舵的对应几个小扇形空腔充气，使其膨胀弯曲，从而带动转向舵向预定的角度弯曲，同时带动第一气动弯曲模块向预定的方向挪动，使软体机器人头部完成转向；如果不需要转向，则跳过该步骤；
4）停止给第一气动弯曲模块通气，使其恢复到水平状态，底部与地面完整接触，这时软体机器人头部最前端已经向前移动一段距离；
5）向机器人尾部的第二气动弯曲模块结构充气弯曲，该第二气动弯曲模块此时仅有两点与地面接触；
6）停止对中间的气动伸缩模块充气，使其自然收缩，同时带动后面的第二气动弯曲模块向前移动一段距离；
7）停止对第二气动弯曲模块充气，使其与地面完整贴合，这时软体机器人尾部最后端已经向前移动一段距离；
8）如果此时软体机器人需要后退，将1~7步骤中的第一、二气动弯曲模块的充气顺序交换，在周期重复1~7步骤即可实现后退；如果不需要后退，则跳过该步骤。
2.根据权利要求1所述的气动软体蠕动式机器人结构，其特征在于：所述折纸式弯曲层采用铝箔或柔性塑料纸片；所述转换卡板采用工程塑料或聚酯纤维。
3.根据权利要求1所述的气动软体蠕动式机器人结构，其特征在于：所述第一气动弯曲模块、第二气动弯曲模块的弯曲角度为0~60°。
4.根据权利要求1所述的气动软体蠕动式机器人结构，其特征在于：所述转向舵的弯曲角度0~30°。
5.根据权利要求1所述的气动软体蠕动式机器人结构，其特征在于：所述气动伸缩模块的伸缩量为0~20mm。
6.根据权利要求1所述的气动软体蠕动式机器人结构，其特征在于：所述第一气动弯曲模块、转向舵、气动伸缩模块、第二气动弯曲模块均采用Ecoflex系列硅胶材料制成。
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