CN110587577B - 一种具有吸附能力的气动软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有吸附能力的气动软体机器人，包括纵向驱动机构和环向吸附机构；纵向驱动机构包括内层驱动机构和外层驱动机构，外层驱动机构包裹内层驱动机构，内层驱动机构包括内层硅胶主体、橡胶片和硅胶片以及若干个金属约束环。所述环向吸附机构，包括外层硅胶主体、硬质滑片和硅胶密封圈。外层硅胶主体与外层驱动机构连为一体，环向吸附机构同时作为机器人的行走足。本发明通过纵向驱动机构和环向吸附机构之间的相互配合，使得软体机器人爬行更为稳定，不会产生“后溜”现象，同时大幅增加了机器人爬坡的坡度。

Description

一种具有吸附能力的气动软体机器人

技术领域

本发明涉及气压传动领域，特别是涉及一种具有吸附能力的气动软体机器人。

背景技术

传统机器人多为刚性机器人，其刚性模块通过各类运动副连接，因控制精确、运动平稳等优点而得到广泛运用。但其缺点同样明显，运动形式过于复杂，对于复杂的地面情况以及小于自身尺寸的狭小空间，无法进行自主运动，环境适应能力差。例如在军事侦察中，为了保证侦察的隐蔽性，需要侦察机器人具有钻过墙缝等尺寸小、形状复杂的通道的能力。另外，在矿难、地震等自然灾害的救援过程中，要求机器人能够深入废墟进行探测。随着科技发展，针对这些需求，软体机器人应运而生。

软体机器人驱动形式主要包括基于线缆变长度的欠驱动、基于流体的变压驱动以及基于智能材料变形的驱动。

201810230781.1中公开了《一种具有环纵肌结构的气动软体机器人》，虽然该气动软体机器人具有直线爬行、转弯爬行、跨越障碍等多种运动方式，但缺乏对地面的吸附能力，运动过程中易产生“后溜”现象，爬坡角度较低，影响了软体机器人的环境适应能力。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种具有吸附能力的气动软体机器人，以实现软体机器人的稳定爬行，以及机器人的爬坡运动要求。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有吸附能力的气动软体机器人，包括三个环向吸附机构和两个分别作为机器人首和尾的纵向驱动机构；三个环向吸附机构间隔设置，两个纵向驱动机构对应设置在三个环向吸附机构之间，并固连。

每个纵向驱动机构包括内层驱动机构和外层驱动机构，外层驱动机构包裹内层驱动机构，内层驱动机构包括内层硅胶主体、橡胶片和硅胶片以及若干个金属约束环。内层硅胶主体为圆柱形，其内对称设有两个驱动气腔，驱动气腔沿内层硅胶主体的长度方向设置，贯通内层硅胶主体的两端。所述两个驱动气腔关于包含内层硅胶主体中心轴线的竖直平面对称。两个驱动气腔的通气端共用一个硅胶片，橡胶片固定在硅胶片外侧，橡胶片及硅胶片上开有两个充放气口，每个驱动气腔与一个对应的充放气口相通，连接压缩空气后，通过充放气实现驱动作用。若干个金属约束环等间隔沿内层硅胶主体的轴向分布，并固定于内层硅胶主体的外壁上。外层驱动机构采用圆筒形硅胶体，套在内层硅胶主体和金属约束环的外壁，并与外层驱动结构两端的环向吸附机构连接为一体，共同将内层驱动机构包裹并固连。

所述环向吸附机构，包括外层硅胶主体、硬质滑片和硅胶密封圈。外层硅胶主体与外层驱动机构连为一体，环向吸附机构同时作为机器人的行走足；外层硅胶主体自底面向上开有一个呈渐缩形喇叭状的吸附腔，在吸附腔底面设有一圈硅胶密封圈共同作为吸盘；硬质滑片，设置于外层硅胶主体前侧壁，包裹外层硅胶主体的底部棱边，其位于机器人的前进方向，有效防止外层硅胶主体的底部棱边翻边；外层硅胶主体侧壁上开有一个充放气口，其与吸附腔相通，连接真空发生器后，在吸附腔内产生真空，从而实现吸附作用。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明在原先软体机器人驱动机构的基础上增加了吸附机构，利用真空发生器产生真空，从而使机器人能够吸附在地面及斜坡上，解决了现有的机器人在爬行过程中会存在“后溜”现象导致运动速度低下的问题，提高了机器人的运动效率，同时大幅增加了机器人爬坡的坡度。

(2)本发明采用滑片包裹机器人前进方向的硅胶体底部棱边，可以有效减少机器人在伸长变形时与地面的摩擦，防止硅胶体底部棱边发生内卷，从而提高了机器人的运动效率。

(3)本发明采用了软质硅胶片和硬质橡胶片两种材料来对驱动器两端进行密封，硅胶片与驱动器采用相同的材料，密封性能较好，而硬质橡胶片则可以减小驱动器端部的变形量，增强驱动器的性能。

附图说明

图1是本发明具有吸附能力的气动软体机器人的整体结构示意图。

图2是本发明内层驱动结构的主视图。

图3是图2的左视图。

图4是图2的A-A剖视图。

图5为本发明外层驱动结构与环向吸附机构固连体的局部剖视图。

图6为图5的B-B剖视图。

图7为图6的I-I放大图。

图8为滑片的结构示意图。

具体实施方式

本发明的基本思想是采用真空吸附的方式，对机器人的吸盘8进行有规律的产生和解除真空，再配合机器人原先的驱动机构，实现机器人的多种模式运动。为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的介绍。

结合图1至图8，一种具有吸附能力的气动软体机器人，包括三个环向吸附机构和两个分别作为机器人首和尾的纵向驱动机构；三个环向吸附机构间隔设置，两个纵向驱动机构对应设置在三个环向吸附机构之间，并固连。

每个纵向驱动机构包括内层驱动机构和外层驱动机构，外层驱动机构包裹内层驱动机构，内层驱动机构包括内层硅胶主体10、橡胶片5和硅胶片4以及若干个金属约束环8。内层硅胶主体10为圆柱形，其内对称设有两个驱动气腔9，驱动气腔9沿内层硅胶主体10的长度方向设置，贯通内层硅胶主体10的两端。所述两个驱动气腔9关于包含内层硅胶主体10中心轴线的竖直平面对称。两个驱动气腔9的通气端共用一个硅胶片4，橡胶片5固定在硅胶片4外侧，橡胶片5及硅胶片4上开有两个充放气口3，每个驱动气腔9与一个对应的充放气口3相通，连接压缩空气后，通过充放气实现驱动作用。若干个金属约束环8等间隔沿内层硅胶主体10的轴向分布，并固定于内层硅胶主体10的外壁上。外层驱动机构采用圆筒形硅胶体7，套在内层硅胶主体10和金属约束环8的外壁，并与外层驱动结构两端的环向吸附机构连接为一体，共同将内层驱动机构包裹并固连。

所述三个环向吸附机构，分别设置在机器人首、中、尾三个节点处，包括外层硅胶主体6、硅胶密封圈12和硬质滑片2。外层硅胶主体6与外层驱动机构的圆筒形硅胶体7连为一体，环向吸附机构同时作为机器人的行走足。外层硅胶主体6自底面向上开有一个呈渐缩形喇叭状的吸附腔1，在吸附腔1底面设有一圈硅胶密封圈12共同作为吸盘。外层硅胶主体6底面围绕硅胶密封圈12开有一圈环形的二阶阶梯状凹槽13，当吸盘吸附于地面时，硅胶密封圈12向上翻折入二阶阶梯状凹槽13内。硬质滑片2包括L形挡片2-1、卡齿2-3和卡片2-2，L形挡片2-1内壁面上设有若干卡齿2-3，L形挡片2-1底部向上设有一个格栅状卡片2-2，卡片2-2与卡齿2-3固连在一起，L形挡片2-1设置于外层硅胶主体6前侧壁，包裹外层硅胶主体6的底部棱边，其位于机器人的前进方向，有效防止外层硅胶主体6的底部棱边翻边。外层硅胶主体6侧壁上开有一个充放气口11，其与吸附腔1相通，连接真空发生器后，在吸附腔1内产生真空，从而实现吸附作用。

制作所述软体机器人时，需先将金属约束环8固定在内模具的相应位置处，将AB型硅胶注入内模具，完成内层驱动机构的制作，之后通过3D技术打印将硬质滑片2一体打印出来，待硅胶凝固后，取出内层驱动机构，与硬质滑片2一起置于事先制作的外模具内，然后将AB型硅胶注入，待硅胶凝固后，内层硅胶主体10、金属约束环8、圆筒形硅胶体7、外层硅胶主体6、硅胶密封圈12以及硬质滑片2联结为一体，最后再依次固定硅胶片4与橡胶片5，即可完成软体机器人的整体制作。

进一步地，本发明所述硅胶密封圈12与圆环阶梯状凹槽13皆为非对称结构，与前进方向同侧的为前半周，硅胶密封圈12的前半周1-2与外层硅胶主体6底部齐平，硅胶密封圈12的后半周1-3向下延伸出外层硅胶主体6底部，如此运动过程中，硅胶密封圈12的前半周1-2不会因为与地面摩擦而发生内卷，而后半周延伸出来的硅胶密封圈12足可以保证吸附机构的气密性。

下面说明本发明的具体实施方式：

机器人采用真空发生器对吸盘吸气，产生真空，采用正压源供气对驱动气腔9供气，以及解除吸盘真空。初始时，三个吸盘都处于吸附状态，驱动气腔9处于放气状态。开始运动后，解除头部吸盘真空状态；控制正压源向首部体节左右驱动气腔9供气，若两个驱动气腔9同时充气，则首部体节呈线性伸长变形，机器人为直线运动；若只有一个气腔9充气，则首部体节发生弯曲变形，机器人为转弯运动；头部节点产生位移后，头部吸盘再次产生真空，处于吸附状态；之后，中间吸盘解除真空，对首部体节驱动气腔9进行放气，同时对尾部左右驱动气腔9进行供气，且尾部体节气腔9供气状态与先前头部气腔9供气状态保持一致，此时头部体节复原，尾部体节发生变形，中间节点产生位移；然后恢复中间吸盘的吸附状态，解除尾部吸盘真空；对尾部体节驱动气腔9进行放气，尾部体节复原，尾部节点产生位移；最后，利用真空发生器令尾部吸盘产生真空，重新回到吸附状态。至此机器人完成一次运动周期，向前爬行一段距离或转过一定角度。

Claims (3)

1.一种具有吸附能力的气动软体机器人，其特征在于：包括

两个纵向驱动机构，分别作为机器人首和尾；

三个间隔设置的环向吸附机构，两个纵向驱动机构对应设置在三个环向吸附机构之间，并固连；

每个纵向驱动机构包括内层驱动机构和外层驱动机构，外层驱动机构包裹内层驱动机构；

所述内层驱动机构包括内层硅胶主体（10）、硅胶片（4）、橡胶片（5）和若干个金属约束环（8），

内层硅胶主体（10）为圆柱形，其内对称设有两个驱动气腔（9），

两个驱动气腔（9）的通气端共用一个硅胶片（4），

橡胶片（5）固定在硅胶片（4）外侧，

橡胶片（5）及硅胶片（4）上均开有两个充放气口（3），每个驱动气腔（9）与一个对应的充放气口（3）相通，连接压缩空气后，通过充放气实现驱动作用，

若干个金属约束环（8）等间隔沿内层硅胶主体（10）的轴向分布，并固定于内层硅胶主体（10）的外壁上；

外层驱动机构，采用圆筒形硅胶体（7），套在内层硅胶主体（10）和金属约束环（8）的外壁，并与外层驱动机构两端的环向吸附机构连接为一体，共同将内层驱动机构包裹并固连；

所述驱动气腔（9）沿内层硅胶主体（10）的长度方向设置，贯通内层硅胶主体（10）的两端，两个驱动气腔（9）关于包含内层硅胶主体（10）中心轴线的竖直平面对称；

所述环向吸附机构，包括外层硅胶主体（6）和硬质滑片（2）；

外层硅胶主体（6）与外层驱动机构连为一体，环向吸附机构同时作为机器人的行走足；

外层硅胶主体（6）自底面向上开有一个呈渐缩形喇叭状的吸附腔（1），在吸附腔（1）底面设有一圈硅胶密封圈（12）共同作为吸盘；

硬质滑片（2）包括L形挡片（2-1）、卡齿（2-3）和卡片（2-2），L形挡片（2-1）内壁面上设有若干卡齿（2-3），L形挡片（2-1）底部向上设有一个格栅状卡片（2-2），卡片（2-2）与卡齿（2-3）固连在一起，L形挡片（2-1）设置于外层硅胶主体（6）前侧壁，包裹外层硅胶主体（6）的底部棱边，其位于机器人的前进方向，防止外层硅胶主体（6）的底部棱边翻边；

外层硅胶主体（6）侧壁上开有一个充放气口（11），其与吸附腔（1）相通，连接真空发生器后，在吸附腔（1）内产生真空，从而实现吸附作用。

2.根据权利要求1所述的具有吸附能力的气动软体机器人，其特征在于：外层硅胶主体（6）底面围绕硅胶密封圈（12）开有一圈环形的二阶阶梯状凹槽（13），当吸盘吸附于地面时，硅胶密封圈（12）向上翻折入二阶阶梯状凹槽（13）内。

3.根据权利要求2所述的具有吸附能力的气动软体机器人，其特征在于：所述硅胶密封圈（12）与二阶阶梯状凹槽（13）皆为非对称结构，与前进方向同侧的为前半周，硅胶密封圈（12）的前半周与外层硅胶主体（6）底部齐平，硅胶密封圈（12）的后半周向下延伸出外层硅胶主体（6）底部。

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