CN111452880A - 一种仿尺蠖软体机器人 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种仿尺蠖软体机器人，包括：能够弯曲的变形本体；至少两个变摩擦足部，所述变形本体的两端分别连接至少一个所述变摩擦足部，所述变摩擦足部包括壳体以及设置在所述壳体内的软囊，所述壳体的底端面上设置有多个通孔；以及软囊驱动器，所述软囊驱动器使得所述软囊能够在高压状态与低压状态之间切换；所述软囊处于所述高压状态，所述软囊从所述通孔中凸出所述壳体外以增大所述变摩擦足部与地面的摩擦力；所述软囊处于所述低压状态，所述软囊缩回所述壳体内以减小所述变摩擦足部与地面的摩擦力。本申请实施例的一种仿尺蠖软体机器人，具有对地面平整性要求低的优点。

Description

一种仿尺蠖软体机器人

技术领域

本申请实施例涉及软体机器人技术领域，尤其涉及一种仿尺蠖软体机器人。

背景技术

传统的机器人大多是由刚性构件连接而成，具有较高的承载性和运动精度。但刚性机器人的环境适应性较差，特别是在狭小的空间内，很难实现相应的动作，且人机交互并不友好，容易造成伤害事件。在很多特殊的情况和工作环境下不能有效地工作。随着新型材料的研制、仿生技术和3D打印技术的发展，软体机器人应运而生。软体机器人理论上具有无限多的自由度，能在一定范围内任意改变自身的形状和尺寸，具有较好的环境适应性，在医疗，国防等领域有广泛应用。

目前软体机器人大多以仿生为基础，在众多的仿生对象中，由于尺蠖的运动方式较为简单、易于实现，得到了研究人员的青睐。为实现仿尺蠖运动，机器人与地面之间的摩擦力大小的控制尤为重要。机器人向前运动时，需要增大机器人前足与地面的摩擦力，同时减小后足与地面的摩擦力，此时机器人中间部分变形弯曲，由于前足所受摩擦力大于后足所受摩擦力，机器人后足会向前移动，弯曲变形达到最大后，再增大后足与地面的摩擦力，减小前足与地面的摩擦力，此时机器人中间部分恢复变形前的状态，由于后足所受摩擦力大于前足所受摩擦力，机器人前足会向前移动。如此循环，实现机器人的前进运动。机器人的后退运动过程与前进运动过程类似。因此，控制好摩擦力的大小，是保证软体机器人实现预期运动的前提条件。目前摩擦力大小的控制主要有：根据机器人的运动特点，在合适的位置设置摩擦片以控制摩擦力的大小。利用单向轮控制摩擦力的大小。利用真空吸附控制摩擦力的大小。上述方法结构简单，易于实现，但是对于地面的平整性要求较高，在粗糙的地面无法实现削弱了软体机器人的环境适应性。

发明内容

本申请实施例提供一种仿尺蠖软体机器人，以解决对地面平整性要求较高的问题。

本申请实施例是通过以下的技术方案实现的：

一种仿尺蠖软体机器人，包括：能够弯曲的变形本体；至少两个变摩擦足部，所述变形本体的两端分别连接至少一个所述变摩擦足部，所述变摩擦足部包括壳体以及设置在所述壳体内的软囊，所述壳体的底端面上设置有多个通孔；以及软囊驱动器，所述软囊驱动器使得所述软囊能够在高压状态与低压状态之间切换；所述软囊处于所述高压状态，所述软囊从所述通孔中凸出所述壳体外以增大所述变摩擦足部与地面的摩擦力；所述软囊处于所述低压状态，所述软囊缩回所述壳体内以减小所述变摩擦足部与地面的摩擦力。

进一步地，所述软囊驱动器的数量为至少两个，设置在所述变形本体的前端的所述变摩擦足部的所述软囊与设置在所述变形本体的尾端的所述变摩擦足部的所述软囊分别由不同的所述软囊驱动器驱动。

进一步地，当设置在所述变形本体的前端的所述变摩擦足部的所述软囊处于所述高压状态，设置在所述变形本体的尾端的所述变摩擦足部的所述软囊处于所述低压状态；当设置在所述变形本体的前端的所述变摩擦足部的所述软囊处于所述低压状态，设置在所述变形本体的尾端的所述变摩擦足部的所述软囊处于所述高压状态。

进一步地，所述变形本体包括两个过渡段以及能够弯曲地的变形腔体，两个所述过渡段的一端分别连接于所述变形腔体的两端，所述变摩擦足部连接于对应的所述过渡段的另一端。

进一步地，所述变形腔体由弹性材料制成，所述变形腔体内形成有多个气动网格，当所述气动网格的内部压强增大，所述气动网格膨胀以使得所述变形腔体产生弯曲变形。

进一步地，所述变形本体包括底衬层，所述底衬层设置在所述变形腔体的底面上，底衬层的弹性模量大于变形腔体的弹性模量。

进一步地，所述变形本体包括腔体驱动器，所述腔体驱动器向所述变形腔体内充气或吸气以使得所述变形腔体弯曲或伸直。

进一步地，所述壳体包括可拆卸连接的上壳体以及下壳体，所述通孔设置在所述下壳体的底端面上；所述软囊驱动器与所述软囊通过气管连接，所述上壳体设置有供所述气管通过的连接孔。

进一步地，所述上壳体与所述下壳体采用卡扣连接。

有益效果是：

与现有技术相比，本申请实施例的一种仿尺蠖软体机器人，通过设置能够弯曲的变形本体以及变摩擦足部，变摩擦足部包括壳体以及设置在壳体内的软囊，壳体的底端面上设置有多个通孔；当软囊处于高压状态，软囊从通孔中凸出壳体外以增大变摩擦足部与地面的摩擦力；当软囊处于低压状态，软囊缩回壳体内以减小变摩擦足部与地面的摩擦力；由此，通过两个变摩擦足部与地面的接触，有效的减少软体机器人的触地面积，降低对地面的平整性要求，并通过改变两个变摩擦足部的摩擦力，配合变形本体的弯曲状态与伸展状态从而实现软体机器人在多种路况的地面上完成的前移动作。

附图说明

以下结合附图对本申请实施例的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：

图1为本申请实施例的一种仿尺蠖软体机器人结构示意图；

图2为本申请实施例的一种仿尺蠖软体机器人的纵断面剖视图；

图3为图2的A局部放大图；

图4为本申请实施例的下壳体结构示意图；

图5为本申请实施例的上壳体结构示意图；

图6为本申请实施例的一种仿尺蠖软体机器人在前移的一个周期内的变化示意图；其中，由上至下依次为：初始阶段、弯曲动作阶段、中间阶段、伸展动作阶段以及结束阶段。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本申请实施例的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本申请实施例的保护范围有任何的限制作用。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图2所示的方位或位置关系，或者是本申请实施例的产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

一种仿尺蠖软体机器人，如图1至图5所示，包括：

能够弯曲的变形本体1；变形本体1包括伸展状态以及弯曲状态；

至少两个变摩擦足部2，变形本体1的两端分别连接至少一个变摩擦足部2，变摩擦足部2包括壳体21以及设置在壳体21内的软囊22，壳体21的底端面上设置有多个通孔23；

以及软囊驱动器(未标出)，软囊驱动器以使得软囊22能够在高压状态与低压状态之间切换，软囊驱动器可为气泵，通过向软囊22内充气或吸气实现只能怪他切换；

软囊22处于高压状态，软囊22从通孔23中凸出壳体21外以增大变摩擦足部2与地面的摩擦力；

软囊22处于低压状态，软囊22缩回壳体21内以减小变摩擦足部2与地面的摩擦力。

由此，通过软囊22在高压状态与低压状态之间切换实现变摩擦足部2与地面的摩擦力变化，结构简单，可控性高，避免了现有技术中的变摩擦装置的复杂设计。

通孔23的形状可以不同，例如长方形、椭圆形或圆形，但必须保证在通入一定压强的气体后软囊22可以从通孔23凸出，软囊22可由弹性材料制成，例如橡胶，软囊22的凸出程度根据地面材质、摩擦力的大小要求等条件具体选择，凸出一般不宜过大，需注意保证软体机器人的稳定性。

本实施方式软体机器人的变形过程如下：

一、初始阶段：变形本体1处于未变形的伸展状态，向变形本体1的前端的变摩擦足部2的软囊22充气，该处的软囊22处于高压状态并从通孔23中凸出壳体21；向设置在变形本体1的尾端的变摩擦足部2的软囊22吸气，该处的软囊22处于低压状态并缩回缩回壳体21内；进而使得前端的变摩擦足部2的摩擦力大于尾端的变摩擦足部2的摩擦力。

二、弯曲动作阶段：变形本体1执行弯曲动作，变形本体1的中部上拱，两端向中部弯折，由于前端的变摩擦足部2的摩擦力大于尾端的变摩擦足部2的摩擦力，因此前端的变摩擦足部2保持不动，尾端的变摩擦足部2向前移动。

三、中间阶段：保持变形本体1处于弯曲状态，向变形本体1的尾端的变摩擦足部2的软囊22充气，该处的软囊22处于高压状态并从通孔23中凸出壳体21；向设置在变形本体1的前端的变摩擦足部2的软囊22吸气，该处的软囊22处于低压状态并缩回缩回壳体21内；进而使得前端的变摩擦足部2的摩擦力小于尾端的变摩擦足部2的摩擦力。

四、伸展动作阶段：变形本体1执行伸展动作，变形本体1的中部下沉，两端向两侧摆直，由于前端的变摩擦足部2的摩擦力小于尾端的变摩擦足部2的摩擦力，因此尾端的变摩擦足部2保持不动，前端的变摩擦足部2向前移动。

五、结束阶段，变形本体1恢复为笔直的伸展状态，软体机器人完成一个周期的前移动作。

软体机器人通过两个变摩擦足部2与地面的接触，有效的减少触地面积，降低对地面的平整性要求，并通过改变两个变摩擦足部2的摩擦力，配合变形本体1的弯曲状态与伸展状态从而实现软体机器人在多种路况的地面上完成的前移动作。

一种可能的实施方式，软囊驱动器的数量为至少两个，设置在变形本体1的前端的变摩擦足部2的软囊22与设置在变形本体1的尾端的变摩擦足部2的软囊22分别由不同的软囊驱动器驱动，由此实现前端与尾端的变摩擦足部2能拥有不同的摩擦力，以灵活实现软体机器人的前移动作。

通常，当设置在变形本体1的前端的变摩擦足部2的软囊22处于高压状态，设置在变形本体1的尾端的变摩擦足部2的软囊22处于低压状态；配合变形本体1执行弯曲动作，从而实现软体机器人在前移周期中的弯曲动作阶段。

当设置在变形本体1的前端的变摩擦足部2的软囊22处于低压状态，设置在变形本体1的尾端的变摩擦足部2的软囊22处于高压状态；配合变形本体1执行伸展动作，从而实现软体机器人在前移周期中的伸展动作阶段。

一种可能的实施方式，如图1至图3所示，变形本体1包括两个过渡段12以及能够弯曲地的变形腔体11，两个过渡段12的一端分别连接于变形腔体11的两端，变摩擦足部2连接于对应的过渡段12的另一端。

过渡段12可由弹性材料制成，例如硅橡胶，能较好的与变形腔体11以及变摩擦足部2连接。变形腔体11由弹性材料制成，例如硅橡胶材料，变形腔体11内形成有多个气动网格111，当气动网格111的内部压强增大，气动网格111膨胀以使得变形腔体11产生弯曲变形；变形腔体11的弯曲与伸展带动过渡段12，进而实现变形本体1的伸展状态以及弯曲状态。

一种可能的实施方式，如图1至图3所示，变形本体1包括底衬层13，底衬层13设置在变形腔体11的底面上；底衬层13的弹性模量应大于变形腔体11的弹性模量，其中底衬层13通过胶水等方式粘接于变形腔体11的底面，通过底衬层13可以减少变形腔体11底部的形变，防止运动过程中侧翻。

具体地，当气动网格111的内部压强增大，气动网格111产生膨胀，变形腔体11即产生轴向伸长变形，由于底衬层13的弹性模量大于变形腔体11的弹性模量，底衬层13的变形被限制，使得变形腔体11向着底衬层13的方向弯曲，进而使得变形腔体11的中部上拱，两端向中部弯折，变形腔体11再带动过渡段12，最终实现变形本体1的弯曲动作；

当气动网格111的内部压强减小，气动网格111产生回缩，变形腔体11即产生轴向伸长缩短，由于底衬层13的弹性模量大于变形腔体11的弹性模量，底衬层13的变形被限制，使得弯曲的变形腔体11向着底衬层13的反方向回直，进而使得变形腔体11的中部下沉，两端向两侧摆直，变形腔体11再带动过渡段12，最终实现变形本体1的伸展动作。

变形腔体11可采用硅橡胶材料制成，底衬层13可采用PP材料制成。

一种可能的实施方式，变形本体1包括腔体驱动器，腔体驱动器向变形腔体11内充气或吸气以使得变形腔体11弯曲或伸直，再带动过渡段12，进而实现变形本体1的伸展状态以及弯曲状态。

一种可能的实施方式，壳体21包括可拆卸连接的上壳体211以及下壳体212，例如，上壳体211以及下壳体212可为销钉连接、螺栓连接等，方便快速装配维护。软囊22置于上壳体211以及下壳体212合拢形成的腔体内。

上壳体211以及下壳体212也可为卡扣连接，如图1至图4所示，软囊驱动器与软囊22通过气管(未标出)连接，上壳体211设置有供气管通过的连接孔213，上壳体211的两侧有卡槽211a；通孔23设置在下壳体212的底端面上，下壳体212的两侧有各有两个凸台212a以及固定在两个凸台212a之间的圆柱212b，卡扣(未标出)一端连接在圆柱212b上，卡扣另一端设有凸台(未标出)，凸台卡在卡槽211a中，从而实现上壳体211以及下壳体212的固定。卡扣应当有足够的强度以承受软囊22的内部压强，同时要有一定的弹性以方便卡扣和卡槽的卡紧和分离。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本申请实施例精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本申请技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种仿尺蠖软体机器人，其特征在于，包括：

能够弯曲的变形本体(1)；

至少两个变摩擦足部(2)，所述变形本体(1)的两端分别连接至少一个所述变摩擦足部(2)，所述变摩擦足部(2)包括壳体(21)以及设置在所述壳体(21)内的软囊(22)，所述壳体(21)的底端面上设置有多个通孔(23)；

以及软囊驱动器，所述软囊驱动器使得所述软囊(22)能够在高压状态与低压状态之间切换；

所述软囊(22)处于所述高压状态，所述软囊(22)从所述通孔(23)中凸出所述壳体(21)外以增大所述变摩擦足部(2)与地面的摩擦力；

所述软囊(22)处于所述低压状态，所述软囊(22)缩回所述壳体(21)内以减小所述变摩擦足部(2)与地面的摩擦力。

2.根据权利要求1所述的一种仿尺蠖软体机器人，其特征在于：所述软囊驱动器的数量为至少两个，设置在所述变形本体(1)的前端的所述变摩擦足部(2)的所述软囊(22)与设置在所述变形本体(1)的尾端的所述变摩擦足部(2)的所述软囊(22)分别由不同的所述软囊驱动器驱动。

3.根据权利要求1或2所述的一种仿尺蠖软体机器人，其特征在于：当设置在所述变形本体(1)的前端的所述变摩擦足部(2)的所述软囊(22)处于所述高压状态，设置在所述变形本体(1)的尾端的所述变摩擦足部(2)的所述软囊(22)处于所述低压状态；

当设置在所述变形本体(1)的前端的所述变摩擦足部(2)的所述软囊(22)处于所述低压状态，设置在所述变形本体(1)的尾端的所述变摩擦足部(2)的所述软囊(22)处于所述高压状态。

4.根据权利要求1或2所述的一种仿尺蠖软体机器人，其特征在于：所述变形本体(1)包括两个过渡段(12)以及能够弯曲地的变形腔体(11)，两个所述过渡段(12)的一端分别连接于所述变形腔体(11)的两端，所述变摩擦足部(2)连接于对应的所述过渡段(12)的另一端。

5.根据权利要求4所述的一种仿尺蠖软体机器人，其特征在于：所述变形腔体(11)由弹性材料制成，所述变形腔体(11)内形成有多个气动网格(111)，当所述气动网格(111)的内部压强增大，所述气动网格(111)膨胀以使得所述变形腔体(11)产生弯曲变形。

6.根据权利要求4所述的一种仿尺蠖软体机器人，其特征在于：所述变形本体(1)包括底衬层(13)，所述底衬层(13)设置在所述变形腔体(11)的底面上，所述底衬层(13)的弹性模量大于所述变形腔体(11)的弹性模量。

7.根据权利要求4所述的一种仿尺蠖软体机器人，其特征在于：所述变形本体(1)包括腔体驱动器，所述腔体驱动器向所述变形腔体(11)内充气或吸气以使得所述变形腔体(11)弯曲或伸直。

8.根据权利要求1或2所述的一种仿尺蠖软体机器人，其特征在于：所述壳体(21)包括可拆卸连接的上壳体(211)以及下壳体(212)，所述通孔(23)设置在所述下壳体(212)的底端面上；所述软囊驱动器与所述软囊(22)通过气管连接，所述上壳体(211)设置有供所述气管通过的连接孔(213)。

9.根据权利要求8所述的一种仿尺蠖软体机器人，其特征在于：所述上壳体(211)与所述下壳体(212)采用卡扣连接。

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