CN110645443A - 一种模块化管道爬行软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化管道爬行软体机器人，包括：第二气动伸缩单元，所述第二气动伸缩单元被设置为在充气时仅能沿自身轴向延伸；第二连接件，分别连接设置在所述第二气动伸缩单元两端；四个第一气动伸缩单元，位于同一平面，且两两对称地分别连接设置在两所述第二连接件上，被设置为在充气时仅能沿自身轴向单向延伸，对称连接于同一个第二连接件的两第一气动伸缩单元的延伸方向相反且同时正交于第二气动伸缩单元的轴向。本发明具有更换方便、组装灵活、功能强大、结构简单、易操作等优点，通过对模块化组件较为简单的选择和串并联组装，就能够组合出多种多样的机器人构型，从而使机器人能够较好地适应多种多样的工作环境和任务。

Description

一种模块化管道爬行软体机器人

技术领域

本发明属于机器人领域，具体涉及一种模块化管道爬行软体机器人。

背景技术

随着科学技术的发展，机器人技术发展迅猛，并被广泛地应用于工业生产、太空探索、货物运输、医疗手术、救灾救援和国防军工等领域，实现了较高程度的自动化水平，在一定程度上节约了劳动力成本。但传统的机器人大都由刚性机构通过装配组成，其具有结构复杂、灵活度有限，安全性和人工交互性较差，环境适应能力低等缺点。

在一些特殊的应用场景下，例如对于一些易碎品或者较为柔软的对象进行抓取和搬运的动作，或者是需要在一些崎岖的不规则路面或者是狭窄的管道中进行检测工作的，传统的刚性机器人很难实现类似的任务，而软体机器人在这样的工况下就具有独特的优势。相比于刚性机器人，软体机器人具有柔度大，质量轻，结构简单，操作方便，制造成本低和控制方便等优势。

为了使机器人具有更丰富的功能，适应更多的应用场景，模块化机器人应运而生。模块化的概念最早在上世纪80年代就被提出，模块化机器人最重要的组成部分就是结构简单、 功能各具特色的可更换单元，可以根据不同的任务需求或工作场合来搭配不同的模块，从而赋予机器人不同的功能特点。

模块化软体机器人既具有模块化的特点又兼备软体机器人的优势， 能够对操作对象进行较好的保护并具有较好的互换性和环境适应能力。本申请提出了一种模块化管道爬行软体机器人，能够实现在各种尺寸的方形管道中进行爬行运动。

发明内容

基于上述提到的模块化气动软体机器人的优势，本发明旨在提供一种模块化管道爬行软体机器人，能够在各种尺寸的方形管道中进行爬行运动，且实现了不同模块间的快速组合与拼接。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现：

一种模块化管道爬行软体机器人，包括：

第二气动伸缩单元，所述第二气动伸缩单元被设置为在充气时仅能沿自身轴向延伸；

第二连接件，分别连接设置在所述第二气动伸缩单元两端；

四个第一气动伸缩单元，位于同一平面，且两两对称地分别连接设置在两所述第二连接件的左右两侧，被设置为在充气时仅能沿自身轴向单向延伸，对称连接于同一个第二连接件的两第一气动伸缩单元延伸方向相反且同时正交于所述第二气动伸缩单元的轴向。

进一步地，所述第二气动伸缩单元包括：

第二轴向伸缩主体，整体呈柱状，采用柔性材料且内部沿轴向设有封闭气腔；

若干刚性的限制环，均匀间隔地沿轴向设在所述第二轴向伸缩主体的外周壁上，用于限制所述第二轴向伸缩主体的径向变形；

两连接头，分别设置在所述第二轴向伸缩主体两端，用于连接所述第二连接件。

进一步地，所述连接头通过卡槽、螺纹或者插销方式连接所述第二连接件。

进一步地，所述第二轴向伸缩主体的材料包括硅橡胶材料、气动人工肌肉、形状记忆合金、电介质弹性体和离子聚合物金属复合材料。

进一步地，所述第一气动伸缩单元包括：

导引套，被设置为一端密封，另一端开口的空心圆筒状；

第一轴向伸缩主体，间隙配合地同轴设置在所述导引套内，采用柔性材料且内部沿轴向设有封闭气腔；

若干刚性的限制环，均匀间隔地沿轴向设在所述第一轴向伸缩主体的外周壁上，用于限制所述第一轴向伸缩主体的径向变形；

连接座，连接设置于所述导引套的密封端与第二连接件之间。

进一步地，所述连接座通过卡槽、螺纹或者插销方式连接所述第二连接件。

进一步地，所述第一轴向伸缩主体材料包括硅橡胶材料、气动人工肌肉、形状记忆合金、电介质弹性体和离子聚合物金属复合材料。

进一步地，所述第二连接件通过卡槽、螺纹或者插销方式连接所述第二连接件。

进一步地，所述第二气动伸缩单元为两个以上，相邻第二气动伸缩单元之间通过第一连接件串接，串联的方式可以提高进行直线运动的时候速度。

进一步地，所述第二气动伸缩单元为两个以上且并列分布，所述第二连接件分别设置在每个第二气动伸缩单元两端，位于各第二气动伸缩单元相同端的第二连接件连为一体，所述四个第一气动伸缩单元两两对称地分别连接设置在连为一体的第二连接件左右两侧。并联型结构使机器人在进行管道爬行运动时具有更好的运动精度、运动平稳性和抗干扰能力。

相比现有技术，本发明的突出效果包括：

本发明采用模块化的方式进行设计，具有安装简便，更换性强，对不同工作场景的适应能力强等优点。

本发明采用气动的驱动方式，环保高效，而且操作简单，便于控制。

本发明设计了构成机器人的基本模块化单元，通过模块化单元的合理搭配，可以装配成各式各样的机器人，拆装方便，可重复性强。

对于不同尺寸的管道，可通过充气气压的变化来控制驱动单元的伸长量，使机器人具有更好的适应性。

附图说明

图1为本发明实施例一的立体结构示意图。

图2为第一气动伸缩单元立体结构示意图。

图3为第二气动伸缩单元立体结构示意图。

图4为轴向伸缩主体剖视示意图。

图5为轴向伸缩主体未充气时的尺寸示意图。

图6为轴向伸缩主体充气后的尺寸示意图。

图7为第二连接件立体结构示意图。

图8为本发明实施例二的立体结构示意图。

图9为本发明实施例二的第一连接件立体结构示意图。

图10为本发明实施例三的立体结构示意图。

图11为机器人一个周期运动原理示意图。

图12为本发明的实施例在不同管道内爬行示意图，其中，图12 (a)表示实施例一的软体机器人在管道内径变宽时的方管内进行爬行的场景。图12 (b)表示施例一的软体机器人在具有不规则壁面的方管内进行爬行的场景；图12 (c)表示实施例二的软体机器人在方管内进行爬行的场景，图12 (d)表示实施例三的软体机器人在方管内进行爬行的场景。

图中：1-第一气动伸缩单元；11-导引套；12-第一轴向伸缩主体； 13-连接座；14-第一卡槽；2-第二气动伸缩单元；21-第二轴向伸缩主体；22-连接头；23-第一凸边；3-第一连接件；31-第二卡槽；32-第一U形孔；33-第三卡槽；4-第二连接件；41-第二凸边；42- 第二U形孔；43- 第三U形孔；44-第四卡槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一

如图1所示，一种模块化管道爬行软体机器人，包括：

第二气动伸缩单元2，所述第二气动伸缩单元2被设置为在充气时仅能沿自身轴向延伸；

第二连接件4，分别连接设置在所述第二气动伸缩单元2两端；

四个第一气动伸缩单元1，位于同一平面，且两两对称地分别连接设置在两所述第二连接件4的左右两侧，被设置为在充气时仅能沿自身轴向单向延伸，对称连接于同一个第二连接件4的两第一气动伸缩单元1的延伸方向相反且同时正交于所述第二气动伸缩单元2的轴向。

如图3所示，所述第二气动伸缩单元2包括：

第二轴向伸缩主体21，整体呈柱状，采用柔性材料且内部沿轴向设有封闭气腔；

若干刚性的限制环，均匀间隔地沿轴向设在所述第二轴向伸缩主体21的外周壁上，用于限制所述第二轴向伸缩主体21的径向变形；

两连接头22，分别设置在所述第二轴向伸缩主体21两端，用于连接所述第二连接件4。

所述第二轴向伸缩主体21的材料包括硅橡胶材料、气动人工肌肉、形状记忆合金、电介质弹性体和离子聚合物金属复合材料。本实施例采用硅橡胶材料，该材料密封性好，具有较好的弹性，充气后变形效果显著。

如图2所示，所述第一气动伸缩单元1包括：

导引套11，被设置为一端密封，另一端开口的空心圆筒状；

第一轴向伸缩主体12，间隙配合地同轴设置在所述导引套11内，采用柔性材料且内部沿轴向设有封闭气腔；

若干刚性的限制环，均匀间隔地沿轴向设在所述第一轴向伸缩主体12的外周壁上，用于限制所述第一轴向伸缩主体11的径向变形；

连接座13，连接设置于所述导引套11的密封端与第二连接件4之间。

具体而言，本实施例中，所述连接头22的两相对边设置有第一凸边23，所述连接座13两相对边设置有与所述第一凸边23插接配合的第一卡槽14，连接时，将所述连接头22的第一凸边23插入到所述连接座13的第一卡槽14，即可实现快速连接，方便快捷。

所述第一轴向伸缩主体12材料包括硅橡胶材料、气动人工肌肉、形状记忆合金、电介质弹性体和离子聚合物金属复合材料。本实施例采用硅橡胶材料，该材料密封性好，具有较好的弹性，充气后变形效果显著。

所述第一轴向伸缩主体12和第二轴向伸缩主体21充气后变形的工作原理如附图5和6所示。各轴向伸缩主体的内腔高度为ha，气腔半径为ra，气腔壁厚为ta。由于在轴向伸缩主体的外周壁套有若干刚性的限制环，能够限制单元的径向变形，因此在充气后，轴向伸缩主体径向不发生膨胀，但壁厚变薄，轴向发生伸长变形，其伸长量为Δha。根据驱动单元输入气压和变形尺寸之间的关系，可以对气动单元进行各种复杂的控制，如速度控制，力控制等。

如图7所示，所述第二连接件4包括方管状主体，所述方管状主体的左、右面板的两竖直边缘延伸设置有第二凸边41，所述方管状主体的左、右面板的内侧竖直地设置有两个分别位于所述方管状主体的前面板内、外侧的第四卡槽44；所述方管状主体的前后面板设置有第二U形孔42，所述方管状主体的左、右面板分别设置有第三U形孔43；所述连接头22的两相对边设置有与所述第四卡槽44插接配合的第一凸边23；所述连接座13两相对边设置有与所述第二凸边41插接配合的第一卡槽14。

实施例二

如图8所示，所述第二气动伸缩单元2为两个以上，相邻第二气动伸缩单元2之间通过第一连接件3串接。如图9所示，所述第一连接件3的前后端均设置有第一U形孔32、与所述连接头22的第一凸边23插接配合的第二卡槽31，所述第一连接件3的左右侧设置有第三卡槽33。本实施例通过串联两个第二气动伸缩单元2的方式可以有效提高进行直线运动时的速度。

实施例三

如图10所示，所述第二气动伸缩单元2为两个以上且并列分布，所述第二连接件4分别设置在每个第二气动伸缩单元2两端，位于各第二气动伸缩单元2相同端的第二连接件4连为一体，所述四个第一气动伸缩单元1两两对称地分别连接设置在连为一体的第二连接件4左右两侧。并联型结构使机器人在进行管道爬行运动时具有更好的运动精度、运动平稳性和抗干扰能力。

附图11表示一个周期内机器人在管道中进行直线爬行运动的过程。其中对第一气动伸缩单元1充气可以使气动膨胀单元产生径向的膨胀变形，从而贴紧管道内壁，所述第二气动伸缩单元2可以实现直线伸缩运动，使机器人完成在管道中的爬行运动。下面以图1中所表示的管道爬行软体机器人构型为例来介绍机器人工作原理，攀爬的管道为圆型管道，因为机器人的主要驱动单元都为软体材料，因此可以较好地适应管道的形状进行运动，附图11中机器人运动的6个步骤具体包括。

①首先后部一对第一气动伸缩单元1充气伸长，接触到管道内侧并具有锁紧作用。

②然后中部第二气动伸缩单元2充气伸长至不再变形，伸长量为 Δx。

③前部一对第一气动伸缩单元1充气伸长，接触到管道内侧并具有锁紧作用。

④后部一对第一气动伸缩单元1开始放气收缩，直至后部不再与管道内壁保持接触。

⑤中部的第二气动伸缩单元2放气收缩，拉动后部向前运动。

⑥后部一对第一气动伸缩单元1充气伸长，接触到管道内侧并锁紧，使机器人前后紧贴着管道的内壁，使其维持在一个较为稳定的状态。

经过上述6个步骤，管道爬行软体机器人在管道中完成整个周期的前进运动，运动的位移量为Δx。机器人重复上述的周期性运动，可以实现在管道中较长距离的爬行。

图12为本发明的各实施例在不同管道内爬行示意图，其中，图12 (a)表示实施例一的管道爬行软体机器人在管道内径变宽时的方管内进行爬行的场景，当管道内径变宽时，第一气动伸缩单元1充气变形量相应增加，从而可以较好地贴合内壁，继续向前爬行。图12 (b)表示施例一的软体机器人在具有不规则壁面的方管内进行爬行的场景；图12 (a)和图12 (b)都体现了实施例一的管道爬行软体机器人对于不同的运动环境具有较好的适应性。图12 (c)表示实施例二的管道爬行软体机器人在方管内进行爬行的场景，爬行时，两个串联的第二气动伸缩单元2同时放气收缩，爬行速度快。图12 (d)表示实施例三的管道爬行软体机器人在方管内进行爬行的场景，两个并联的第二气动伸缩单元2同时放气收缩，从而获得更好的运动精度、运动平稳性和抗干扰能力。

可以看出，上述实施例提供的管道爬行软体机器人能在不同形状不同尺寸的管道中顺利地爬行，体现了机器人对于不同的运动环境具有较好的适应性，同时具有结构简单、组装方便，易操作等优点。

本发明的管道爬行软体机器人采用的驱动方式是气动，通过对驱动单元进行充放气，可以使单元产生伸缩运动或者膨胀运动，驱动单元和单元间的连接件是机器人的基本组成元素，具有拆装方便，互换性强等特点，主要应用场合是管道爬行，主要强调的是机器人模块化的特点，可以通过对模块化组件较为简单的选择和串联组装，就能够组合出多种多样的机器人构型，从而使机器人具有不同的功能，能够较好地适应多种多样的工作环境和任务。模块化组件更换方便、组装灵活、功能强大，具有结构简单、组装方便，易操作等优点。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种模块化管道爬行软体机器人，其特征在于，包括：

第二气动伸缩单元(2)，所述第二气动伸缩单元(2)被设置为在充气时仅能沿自身轴向延伸；

第二连接件(4)，分别连接设置在所述第二气动伸缩单元(2)两端；

四个第一气动伸缩单元(1)，位于同一平面，且两两对称地分别连接设置在两所述第二连接件(4)的左右两侧，被设置为在充气时仅能沿自身轴向单向延伸，对称连接于同一个第二连接件(4)的两第一气动伸缩单元(1)的延伸方向相反且同时正交于所述第二气动伸缩单元(2)的轴向。

2.根据权利要求1所述的模块化管道爬行软体机器人，其特征在于，所述第二气动伸缩单元(2)包括：

第二轴向伸缩主体(21)，整体呈柱状，采用柔性材料且内部沿轴向设有封闭气腔；

若干刚性的限制环，均匀间隔地沿轴向设在所述第二轴向伸缩主体(21)的外周壁上，用于限制所述第二轴向伸缩主体(21)的径向变形；

两连接头(22)，分别设置在所述第二轴向伸缩主体(21)两端，用于连接所述第二连接件(4)。

3.根据权利要求2所述的模块化管道爬行软体机器人，其特征在于，所述连接头(22)通过卡槽、螺纹或者插销方式连接所述第二连接件(4)。

4.根据权利要求2所述的模块化管道爬行软体机器人，其特征在于，所述第二轴向伸缩主体(21)的材料包括硅橡胶材料、气动人工肌肉、形状记忆合金、电介质弹性体和离子聚合物金属复合材料。

5.根据权利要求2所述的模块化管道爬行软体机器人，其特征在于，所述第一气动伸缩单元(1)包括：

导引套(11)，被设置为一端密封，另一端开口的空心圆筒状；

第一轴向伸缩主体(12)，间隙配合地同轴设置在所述导引套(11)内，采用柔性材料且内部沿轴向设有封闭气腔；

若干刚性的限制环，均匀间隔地沿轴向设在所述第一轴向伸缩主体(12)的外周壁上，用于限制所述第一轴向伸缩主体(11)的径向变形；

连接座(13)，连接设置于所述导引套(11)的密封端与第二连接件(4)之间。

6.根据权利要求5所述的模块化管道爬行软体机器人，其特征在于，所述连接座(13)通过卡槽、螺纹或者插销方式连接所述第二连接件(4)。

7.根据权利要求5所述的模块化管道爬行软体机器人，其特征在于，所述第一轴向伸缩主体(12)材料包括硅橡胶材料、气动人工肌肉、形状记忆合金、电介质弹性体和离子聚合物金属复合材料。

8.根据权利要求5所述的模块化管道爬行软体机器人，其特征在于，所述第二连接件(4)通过卡槽、螺纹或者插销方式连接所述第二连接件(4)。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的模块化管道爬行软体机器人，其特征在于，所述第二气动伸缩单元(2)为两个以上，相邻第二气动伸缩单元(2)之间通过第一连接件(3)串接。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的模块化管道爬行软体机器人，其特征在于，所述第二气动伸缩单元(2)为两个以上且并列分布，所述第二连接件(4)分别设置在每个第二气动伸缩单元(2)两端，位于各第二气动伸缩单元(2)相同端的第二连接件(4)连为一体，所述四个第一气动伸缩单元(1)两两对称地分别连接设置在连为一体的第二连接件(4)左右两侧。

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