CN111806585B - 一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明属于软体机器人领域，具体涉及一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人，包括躯体系统、放能反应系统及真空系统，所述躯体系统包括左头部外壳、左柔性躯壳、左反应仓、右反应仓、右柔性躯壳及右头部外壳，柔性躯壳内配合安装弹力传动部件，所述放能反应系统包括化学燃料储存单元、放能反应激励装置，所述真空系统包括真空吸盘、真空抽气管及真空泵。本发明具有较低的制造成本、结构较简单、环境适应性高、驱动简单等优点，且能够进行向前向后的运动，更进一步，柔性躯壳不同部位运用不同刚度的柔性材料能够使得软体机器人发生转弯运动。

Description

一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人
技术领域
本发明属于软体机器人领域，具体涉及一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人。
背景技术
大多数传统的机器人是由硬质材料制作而成、结构往往较复杂、灵活性差、不能适应形状复杂的通道路径。由于传统机器人存在的一些缺点不能满足人类的需求，这促使机器人领域的科研人员开发软体机器人，并取得了巨大的进步。具体来说软体机器人自身的主体材料往往采用变形较大的柔性材料制作而成，能够进行连续的变形，并且随意地改变自身的形状和尺寸。柔性材料这一巨大的特质，使得软体机器人灵活性更强，更具有模仿生物的运动的潜力。软体机器人发展至今，其驱动方式多种多样，不像传统机器人往往只是电机驱动。具体来说，软体机器人的驱动方式有气压驱动、电活性聚合物驱动和形状记忆合金驱动这几种主要的驱动方式。但是这几种驱动方式存在一个较大的缺陷就是不能够产生快速与较大的驱动力。因此，基于这一不足之处，发明人团队提出了使用化学放能反应进行驱动的软体机器人，化学放能反应能在短时间产生剧烈的能量，从而使得软体机器人在极短的时间内产生高于其他软体机器人驱动方式至少10倍的驱动力，根据化学放能反应驱动的这一特点，将该现象定义为瞬变速驱动方法。同时，发明人团队基于这一驱动方式结合柔软的硅胶材料，以自然界的蠕虫为仿生对象，提出了一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人技术方案。
所述的一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人，其特征在于包括
躯体系统，所述躯体系统包括依次相连的左头部外壳、左柔性躯壳、左反应仓、右反应仓、右柔性躯壳及右头部外壳，柔性躯壳内配合安装弹力传动部件，左反应仓的内腔与左柔性躯壳的内腔连通，右反应仓的内腔与右柔性躯壳的内腔连通；
放能反应系统，所述放能反应系统包括用以为反应仓提供化学燃料的化学燃料储存单元、用以激励反应仓内进行放能反应的放能反应激励装置；
真空系统，所述真空系统包括配合安装于所述头部外壳底部的真空吸盘、与真空吸盘连接的真空抽气管及与真空抽气管连接的真空泵。
所述的一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人，其特征在于所述反应仓为与柔性躯壳形状对应的盘状结构。
所述的一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人，其特征在于所述左反应仓和右反应仓为一体结构。
所述的一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人，其特征在于所述柔性躯壳为能够伸缩的柔性波纹管。
所述的一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人，其特征在于所述弹力传动部件为弹簧，一端与柔性躯壳外端内壁相连，另一端与对应反应仓内端内壁相连。
所述的一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人，其特征在于所述头部外壳为刚性结构。
所述的一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人，其特征在于所述化学燃料储存单元安装于对应头部外壳的内腔，其通过管路与设置于对应反应仓上的化学燃料进口连接。
所述的一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人，其特征在于所述真空泵安装于对应头部外壳的上端。
所述的一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人，其特征在于所述真空吸盘具有过滤功能。
所述的一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人，其特征在于所述头部外壳上设置信息采集单位。
本发明提出的化学放能反应驱动的一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人可以将瞬间高能的化学放能反应转化为柔性躯壳的纵向形变，置于两端的真空吸盘，在运动开始之前进行反向出气，清扫掉软体机器人周边的杂质杂物，其中一反应仓发生最大形变后，控制系统启动真空吸盘，固定软体机器人移动方向的前端，弹力传动部件提供回弹力，使得软体机器人模仿蠕虫发生向前的加速运动的目的。在其运动过程中，头部外壳外侧的信息采集单元进行信息采集。该机器人具有较低的制造成本、结构较简单、环境适应性高、驱动简单等优点，且能够进行向前向后的运动，更进一步，柔性躯壳不同部位运用不同刚度的柔性材料能够使得软体机器人发生转弯运动。该设计的发明，有助于解决仿生软体机器人驱动效率低、运动表现速度慢的缺点，与此同时，可实现迅速启动、多方向运动等功能；此外，通过改变柔性躯壳不同部位的刚度设计，以实现其转向、跳跃的运动形态，从而大大提升本设计的实用性。
附图说明
图1为本发明外部结构示意图；
图2为本发明内部结构示意图之一，此时本发明处于未驱动状态；
图3为本发明内部结构示意图之二，此时本发明处于驱动状态；
图4为本发明中左反应仓和右反应仓截面示意图；
图5为本发明中左反应仓和右反应仓结构示意图；
图6为本发明中左头部外壳截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图所示，一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人，包括躯体系统、放能反应系统及真空系统，所述躯体系统包括依次相连的左头部外壳1、左柔性躯壳2、左反应仓3、右反应仓4、右柔性躯壳5及右头部外壳6，其中，所述的左头部外壳1和右头部外壳6统称为头部外壳，左柔性躯壳2和右柔性躯壳5统称为柔性躯壳，左反应仓3和右反应仓4统称为反应仓。柔性躯壳内配合安装弹力传动部件7，左反应仓4的内腔与左柔性躯壳2的内腔连通，右反应仓4的内腔与右柔性躯壳5的内腔连通。
所述放能反应系统包括用以为反应仓提供化学燃料的化学燃料储存单元8、用以激励反应仓内进行放能反应的放能反应激励装置9。
所述真空系统包括配合安装于所述头部外壳底部的真空吸盘10、与真空吸盘10连接的真空抽气管11及与真空抽气管11连接的真空泵12。
作为优化：所述反应仓为与柔性躯壳形状对应的盘状结构，反应仓与对应柔性躯壳可以是一体结构。
作为优化：所述左反应仓3和右反应仓4为一体结构，反应仓的外侧具有用以与对应柔性躯壳内腔连通的通孔。
作为优化：所述柔性躯壳为能够伸缩的柔性波纹管，柔性躯壳形状模仿蠕虫且由不同刚度的硅胶制作而成。
作为优化：所述弹力传动部件7为弹簧，一端与柔性躯壳外端内壁相连，另一端与对应反应仓内端内壁相连。
作为优化：所述头部外壳为刚性结构。
在上述结构中，所述化学燃料储存单元8安装于对应头部外壳的内腔，其通过管路与设置于对应反应仓上的化学燃料进口13连接，化学燃料储存单元8可以为储存气体的气罐。放能反应激励装置9设置于对应反应仓上，放能反应激励装置9可以为电火花发生器。
在上述结构中，所述真空泵12安装于对应头部外壳的上端。
在上述结构中，所述真空吸盘10的吸口为网孔状结构，使真空吸盘10具有过滤功能。
在上述结构中，所述头部外壳外侧设置信息采集单位14，信息采集单位14可以为图像采集传感器、温度传感器、湿度传感器等结构。
以图1-6所示为例解释该仿蠕虫软体机器人驱动过程的工作原理，本发明配备公知的控制系统对机器人的工作进行控制。在驱动开始之前，通过增大摩擦阻力的真空系统对软体机器人周边地面进行杂质清洗去除，清除完毕之后，通过左侧的真空吸盘10吸住地面进行固定，两侧的化学燃料储存单元8通过对应的化学燃料进口13向对应的反应仓注入混合可燃气体（如丙烷和氧气混合气体），气体注入完毕之后，关闭阀口，如想让其向右运动，通过控制系统激发放能反应激励装置9，放能反应激励装置9在瞬间产生电火花激发右反应仓4的化学放能反应，在高能的化学反应条件下，连接右反应仓4的右柔性躯壳5内部短时间内产生极高的内部压强，推动右柔性躯壳5向前运动，在运动变形达到最大值的时候，控制系统迅速分别控制右侧的真空吸盘10抽真空以吸住地面，与此同时释放左侧的真空吸盘10，提供回弹力的弹力传动部件7将使得软体机器人向右侧运动方向收缩，从而实现该软体机器人的向前运动。在运动过程中，启动两侧的信息采集单元14进行信息的收集。同样的，当软体机器人要进行相反方向的运动，工作驱动过程类似，不再赘述。
从说明书附图中可以看到当右反应仓4化学反应高压作用于右柔性躯壳5后，因左侧的真空吸盘10的固定软体机器人向右发生运动，运动到最长处，在控制系统下，右侧的真空吸盘10迅速固定软体机器人，左侧的真空吸盘10迅速释放气压，与此同时右侧的弹力传动部件7提供回弹力，使得软体机器人完成运动。
需要说明的是，上述说明中的“内端”是指靠近机器人中心的一侧，“外端”是指远离机器人中心的一侧。上述说明中的“左”、“右”仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人，其特征在于包括
躯体系统，所述躯体系统包括依次相连的左头部外壳（1）、左柔性躯壳（2）、左反应仓（3）、右反应仓（4）、右柔性躯壳（5）及右头部外壳（6），柔性躯壳内配合安装弹力传动部件（7），左反应仓（4）的内腔与左柔性躯壳（2）的内腔连通，右反应仓（4）的内腔与右柔性躯壳（5）的内腔连通，所述弹力传动部件（7）为弹簧，一端与柔性躯壳外端内壁相连，另一端与对应反应仓内端内壁相连；
放能反应系统，所述放能反应系统包括用以为反应仓提供化学燃料的化学燃料储存单元（8）、用以激励反应仓内进行放能反应的放能反应激励装置（9），所述化学燃料储存单元（8）安装于对应头部外壳的内腔，其通过管路与设置于对应反应仓上的化学燃料进口（13）连接，所述放能反应激励装置（9）设置于对应反应仓上；
真空系统，所述真空系统包括配合安装于所述头部外壳底部的真空吸盘（10）、与真空吸盘（10）连接的真空抽气管（11）及与真空抽气管（11）连接的真空泵（12），所述真空吸盘（10）具有过滤功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人，其特征在于所述反应仓为与柔性躯壳形状对应的盘状结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人，其特征在于所述左反应仓（3）和右反应仓（4）为一体结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人，其特征在于所述柔性躯壳为能够伸缩的柔性波纹管。
5.根据权利要求1所述的一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人，其特征在于所述头部外壳为刚性结构。
6.根据权利要求1-5中任一所述的一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人，其特征在于所述真空泵（12）安装于对应头部外壳的上端。
7.根据权利要求1-5中任一所述的一种基于化学放能反应驱动的仿蠕虫爬行软体机器人，其特征在于所述头部外壳上设置信息采集单位（14）。
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