CN111558931A - 一种磁流体驱动仿尺蠖软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁流体驱动仿尺蠖软体机器人，包括头部部件、躯干部件及尾部部件。头部部件和尾部部件位于躯干部件两端，头部部件和尾部部件关于躯干部件呈中心对称，头部部件和尾部部件底面均设置同方向三角状立足，同时头部部件、尾部部件中开有空腔用于存放磁流体。躯干部件分为两部分，实心管状躯干以及位于正中的弧型躯干，两根横截面呈圆形的实心管状躯干的一端分别与弧型躯干两端密封连接，总体呈弧型；两根横截面呈圆形的实心管状躯干的另一端分别与头部部件和尾部部件相连并密封。在弧形躯干部分设有空腔用于存放磁流体。通过外部对头部或尾部施加横向电场实现扭转转向，通过外部对躯干施加纵向电场实现模仿尺蠖伸缩前进。

Description

一种磁流体驱动仿尺蠖软体机器人

技术领域

本发明涉及无束缚驱动及软体机器人领域，特别涉及一种磁流体驱动仿尺蠖软体机器人。

背景技术

机器人学(Robotics)是一门建造具有所需的运动、感知和认知能力的机器的科学，机器人是用来为人类服务的机器。随着时代的不断发展，人们对于机器人的需求是日益提高，要求也不断提高。现在机器人已经广泛运用于军事、工业、航空等诸多领域。传统机器人一般由刚性模块通过运动副连接构成，每个自由度提供一个(或多个)平动或转动自由度。所有运动副的运动组合形成机器人末端执行器的工作空间，那么该类机器人便具有了运动精确的优点，但是缺点也随之暴露，结构的刚性使其环境适应性极其低下，只能通过一些平坦开阔的地带，而在狭小空间内运动受限无法运转，无法通过形状复杂的通道，这些缺点大大制约了刚性机器人在一些特殊复杂环境下的应用，如军事侦察时出于隐蔽性考虑希望侦查机器人能通过墙缝或门缝等细小地带；矿难、震灾救援中需要救援机器人能够进入废墟中探测里面的情况，确保救援工作的顺利进行；医学工作中需要机器人能进入人体，在各种人体环境中能行动自如进行相关探测或进行治疗等。

为了提高机器人的柔性，研究者们为其增加更多的自由度，形成超冗余度机器人，使其具有一定的连续变形能力，例如蛇形机器人、仿象鼻机械臂等。超冗余度机器人的环境适应能力大幅提高，但其零部件仍是刚体，对于改变自身形态及尺寸大小是无法做到的。随着柔性及弹性材料的不断的开发与应用，软体机器人逐渐进入人们的研究视野。通过模仿自然界的软体动物，研究学者们将柔性材料与弹性材料制造成软体机器人，理论上其具有无限多自由度和连续变形能力，可在大范围之内任意改变自身形状和尺寸，具有无限种构型使其末端执行器到达工作空间中的任意一点，具有广泛应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一款能够实现爬行、前进、扭转的无束缚磁性驱动仿生尺蠖软体机器人。

为实现上述目的，本发明采取具体技术方案如下：

一种磁流体驱动仿生尺蠖软体机器人，其特征为，包括头部部件、躯干部件及尾部部件。头部部件和尾部部件位于躯干部件两端，头部部件和尾部部件关于躯干部件呈中心对称，头部部件和尾部部件为四棱柱几何体，头部部件和尾部部件底面均设置同方向三角状立足，同时头部部件、尾部部件中开有空腔用于存放磁流体。躯干部件分为两部分，横截面呈圆形的实心管状躯干以及横截面呈正方形的位于正中的弧型躯干，两根横截面呈圆形的实心管状躯干的一端分别与弧型躯干两端密封连接，总体呈弧型；两根横截面呈圆形的实心管状躯干的另一端分别与头部部件和尾部部件相连并密封。在弧形躯干部分设有空腔用于存放磁流体。所有空腔表面都设有导流孔用于灌输磁流体。

本发明的进一步改进，头部部件、躯干部件和尾部部件选材均采用3D打印的光固化弹性材料，全部软体机器人构型采用光固化3D打印进行完成。

本发明的进一步改进，在头部部件，躯干部件和尾部部件中通过导流孔添加新型磁流体介质用于驱动。

本发明的进一步改进，将管状躯干部分横截面积采用圆形，直径尺寸小于头部部件截面、位于正中弧型躯干部分截面以及尾部部件截面的内接圆直径，保证磁效应对于软体材料有较明显作用。

本发明的进一步改进，头部部件和尾部部件的立足每一个截面均为三角形，呈同方向排列。

本发明的有益效果：

(1)本发明中采用磁动与磁流体构成冗余驱动，实现软体机器人的弯曲形变，进而实现无束缚驱动；

(2)本发明中通过外加横向磁场吸引软体机器人头部部件和尾部部件空腔中的磁流体，实现机器人扭转功能；

(3)本发明中通过外加纵向磁场吸引软体机器人弧型躯干顶部空腔中的磁流体，可实现通过伸缩躯干进行爬行功能；

(4)本发明中头部部件和尾部部件底面的三角状立足设置成同方向，实现软体机器人爬行前进功能；

(5)本发明一改往常普通制造技术，通过使用光敏树脂及立体光固化3D打印机，打印出用于制作软体机器人的一体化弹性体，在国内甚至是国外都是一种软体机器人制作的前沿方法，达成更新颖、更简便效果。

附图说明

图1为本发明所述的磁流体驱动仿尺蠖软体机器人的完整结构构型。

图2为本发明所述的磁流体驱动仿尺蠖软体机器人的头部及尾部底部立足的排列图及形状。

图3为本发明所述的磁流体驱动仿尺蠖软体机器人的头部(尾部)的结构图。

图4为本发明所述的位于磁流体驱动仿尺蠖软体机器人正中的弧型躯干部分的结构图。

图中：

软体机器人外表面：1-1,1-2,1-3：外部导流孔；1-4：头部立足；1-5：尾部立足

软体机器人内部结构：2-1：头部空腔；2-2：躯干弧型空腔；2-3：尾部空腔

具体实施方式：

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

首先采用三维设计软件设计出一个结构一体化的三维模型，该模型包括头部部件、躯干部件及尾部部件。头部部件及尾部部件均为四棱柱体结构，头部部件及尾部部件底面分别设置有横截面为三角形的立足群组，三角朝向全部相同，用于抓地爬行。在头部部件和尾部部件分别开有结构一致的空腔，同时头部部件和尾部部件上设有导流孔，与空腔内部相连通。躯干分为两部分：两根横截面呈圆形的实心管状躯干以及位于两根实心管中间并且横截面呈正方形的弧型躯干，两根横截面呈圆形的实心管状躯干分别与弧型躯干两端密封连接，两根横截面呈圆形的实心管状躯干带有一定弯曲角度。弧形躯干内部设有空腔，目的是注入磁流体，使磁效应表现更为显著。然后采用立体光固化3D打印机将光敏树脂打印出上述三维模型的弹性体结构，待打印完成取出弹性体后经过清洗、擦拭、固化、晾干等工序，从而得到相应模型。在相应的导流孔1-1，1-2，1-3处注入适量磁流体，磁流体慢慢填充至空腔容积的75％，之后对导流孔1-1，1-2，1-3进行密封。通过对弧形躯干顶部空腔2-2施加纵向磁场，弧形躯干会在磁场作用下产生向上运动，进而拖动头部部件和尾部部件进行反方向收缩，由于三角状立足1-4，1-5设置成同方向，故头部不会移动，而尾部部件会向头部部件靠拢；同理，当撤去纵向磁场时，尾部部件不会移动，而头部部件会向前移动，通过上述过程的循环便可实现软体机器人的爬行前进。此外，当对头部空腔2-1或尾部空腔2-3任意一侧施加横向磁场，管状躯干会由于头部空腔2-1或尾部单侧空腔2-3内磁流体受到吸引而产生横向运动，从而实现软体机器人的转向功能。

实施例一：

所述的软体机器人三维模型设计过程为：采用Solidworks软件设计出磁流体驱动仿尺蠖机器人三维模型，该模型包括头部部件、躯干部件和尾部部件，如图1所示。头部部件及尾部部件尺寸为20mmX20mmX30mm，两根实心管状躯干横截面直径为10mm，弧长均为40mm，位于软体机器人正中的弧形躯干截面尺寸为20mmX20mm，顶端弧长为50mm，模型总长为120mm。如图1、图2、图3、图4所示，在头部部件及尾部部件底面分别设置有横截面为三角形的立足群1-4与1-5，其中2个三棱柱(4mmX2mmX4mm)为一组，头部部件和尾部部件底面分别设置4组，三角朝向全部相同，用于抓地爬行。在头部部件和尾部部件分别开有头部空腔2-1，尾部2-3，两个空腔结构相同，并均呈U型，头部部件和尾部部件上表面均开有导流孔，孔深2mm，与空腔内部相连通。躯干设计分为两部分，横截面呈圆形，直径为10mm的实心管状躯干以及横截面呈正方形的位于正中的弧型躯干，它们相互密封连接，带有一定弯曲角度(弧型角度值为135°)，弧形躯干的顶部设有躯干弧型空腔2-2，孔深2mm的导流孔用于注入磁流体，使磁效应表现更为显著。头部部件、躯干部件和尾部部件所有空腔部分贴近软体表面的壁厚均为2mm。

实施例二：

所述的仿尺蠖软体机器人3D打印制造过程为：以聚氨酯丙烯酸酯(PUA)和2,4,6(三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦(TOP)分别作为光敏树脂的预聚物和光引发剂，将两者以质量分数95％和5％调配成光敏树脂；设置3D打印机打印模型的切片厚度为0.1mm，同时将设计好的三维模型导入3D打印设备(预热至30℃开始打印，自动加热至35℃维持恒温，激光特性：EN 60825-1:2007认证的1级激光产品405nm紫激光、250mW激光；激光光斑尺寸：140μm；剥离机理：刮水器滑动剥离工艺)，完成软体机器人整体结构的成型(打印时间取决于模型的大小及其结构复杂度)。待打印完成取出弹性体后经过清洗、擦拭、固化、晾干等工序，从而得到相应模型。在相应的导流孔1-1，1-2，1-3处注入适量磁流体，磁流体会慢慢填充空腔部分，当流入75％体积的磁流体时停止增加，随后用热熔胶对导流孔1-1，1-2，1-3进行密封。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种磁流体驱动仿生尺蠖软体机器人，其特征为，所述磁流体驱动仿生尺蠖软体机器人包括头部部件、躯干部件及尾部部件；头部部件和尾部部件位于躯干部件两端，头部部件和尾部部件关于躯干部件呈中心对称，头部部件和尾部部件底面均设置同方向横截面为三角形的立足，同时头部部件、尾部部件中开有空腔用于存放磁流体；躯干部件分为两部分，实心管状躯干以及位于正中的弧型躯干，两根实心管状躯干的一端分别与弧型躯干两端密封连接，总体呈弧型；两根实心管状躯干的另一端分别与头部部件和尾部部件相连并密封，在弧形躯干部分设有空腔用于存放磁流体，所有空腔表面都设有导流孔用于灌输磁流体。

2.如权利要求1所述的一种磁流体驱动仿生尺蠖软体机器人，其特征为，头部部件和尾部部件为四棱柱几何体；实心管状躯干的横截面呈圆形，位于正中的弧型躯干横截面呈正方形。

3.如权利要求1所述的一种磁流体驱动仿生尺蠖软体机器人，其特征为，头部部件、躯干部件和尾部部件选材均采用3D打印的光固化弹性材料。

4.如权利要求3所述的一种磁流体驱动仿生尺蠖软体机器人，其特征为，3D打印制造过程为：以聚氨酯丙烯酸酯(PUA)和2,4,6(三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦(TOP)分别作为光敏树脂的预聚物和光引发剂，将两者以质量分数95％和5％调配成光敏树脂；设置3D打印机打印模型的切片厚度为0.1mm，同时将设计好的三维模型导入3D打印设备，预热至30℃开始打印，自动加热至35℃维持恒温，激光特性：EN 60825-1:2007认证的1级激光产品405nm紫激光、250mW激光；激光光斑尺寸：140μm；剥离机理：刮水器滑动剥离工艺，完成软体机器人整体结构的成型，待打印完成取出弹性体后经过清洗、擦拭、固化、晾干工序，从而得到相应模型。

5.如权利要求1所述的一种磁流体驱动仿生尺蠖软体机器人，其特征为，头部部件和尾部部件中的空腔呈U型；弧形躯干的顶部设有躯干弧型空腔。

6.如权利要求1所述的一种磁流体驱动仿生尺蠖软体机器人，其特征为，灌输的磁流体为空腔容积的75％。

7.如权利要求1所述的一种磁流体驱动仿生尺蠖软体机器人，其特征为，头部部件及尾部部件尺寸为20mmX20mmX30mm，两根实心管状躯干横截面直径为10mm，弧长均为40mm，位于软体机器人正中的弧形躯干截面尺寸为20mmX20mm，顶端弧长为50mm，模型总长为120mm；在头部部件及尾部部件底面分别设置有横截面为三角形的立足群，其中2个三棱柱为一组，三棱柱尺寸为4mmX2mmX4mm，头部部件和尾部部件底面分别设置4组，三角朝向全部相同，用于抓地爬行；导流孔孔深均为2mm，头部部件、躯干部件和尾部部件所有空腔部分贴近软体表面的壁厚均为2mm。

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