CN112158271A - 一种超螺旋聚合物致动器驱动的软体爬行机器人 - Google Patents

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    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
    • B62D57/02—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members

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Abstract

本发明公开一种超螺旋聚合物致动器驱动的软体爬行机器人。包括表皮结构、超螺旋聚合物致动器、回复弹簧和足部结构。所述超螺旋聚合物致动器驱动的软体爬行机器人在组成软体机器人表皮结构内以机器人前进方向为轴线平行放置超螺旋聚合物致动器和回复弹簧，表皮结构由具有伸缩变形能力的聚合物弹性材料制成。通电时，利用超螺旋聚合物致动器通电时发热产生收缩动作，在足部摩擦片的限制下，软体爬行机器人的左端相对于右端发生相对右移运动；断电时，超螺旋聚合物致动器冷却恢复到伸长，在回复弹簧的帮助下，软体爬行机器人的右端相对于左端发生相对右移运动，快速恢复到初始形状。

Description

一种超螺旋聚合物致动器驱动的软体爬行机器人
技术领域
本发明涉及软体机器人的驱动领域，具体涉及一种超螺旋聚合物作为致动器驱动软体机器人爬行运动。
背景技术
近年来，随着材料学、仿生学和控制理论等的迅猛发展，软体机器人作为刚性机器人的重要补充，已经引起了学术界和产业界的广泛关注。软体机器人由各种柔性材料制成。柔性材料的运用使软体机器人在理论上能够拥有无穷多个自由度，能够实现更多的运动模式。因此，相较于传统的刚性机器人，软体机器人具有质量轻、结构简单、噪音小和非结构化环境适应性强等特点。在军事侦察、灾难救援以及科学探测等众多领域将具有广阔的应用前景。
目前，软体机器人主要由柔性材料、柔性执行机构和传感器组成，能在电、热、湿度和磁场等的刺激下产生运动。其中柔性材料起着至关重要的作用。目前常用的柔性材料有形状记忆合金（SMA）、电活性聚合物（EAPs）、气动肌肉（PAMs）和超螺旋聚合物（SCP）等。申请号为201711153544.1的中国专利申请公开了一种形状记忆合金驱动的软体爬行机器人。通过形状记忆合金丝的通电加热所带来的收缩变化压缩单胞腔体，从而有腔体变形，垂直于前进方向的腔体截面积减小，腔体伸长，单胞下面的腹足间距离增大使软体爬行机器人向前运动。然而形状记忆合金不仅价格昂贵，同时其动作的连续性差且有明显的迟滞效应，控制性能差。申请号为201810447814.8的中国专利申请公开了一种软体爬行机器人。通过弓字形的封闭气腔的膨胀和收缩，以及楔形摩擦片的单向移动限制，实现单向快速前行，但此软体爬行机器人采用气体驱动需要外置空气压缩泵。同时该结构对气密性也有很高的要求，必须避免粗糙路面对表面结构的划破。
发明内容
为了解决现有软体机器人中存在的控制性能差、加工成本高和环境适应性差等问题，本发明利用其回复弹簧、足部结构和表皮结构等主体结构，提供了一种超螺旋聚合物致动器驱动的软体爬行机器人，用超螺旋聚合物致动器替代了形状记忆合金丝，电磁铁和气泵作为致动器，提高了爬行机器人运动的连续性和可控性，采用回复弹簧保证断电时更加快速地恢复到初始形状，从而使得软体爬行机器人更加快速地前行。
一种超螺旋聚合物致动器驱动的软体爬行机器人。包括超螺旋聚合物致动器、回复弹簧、足部结构和表皮结构。所述足部结构包括连接结构和摩擦片。其特征在于：所述超螺旋聚合物致动器驱动的软体爬行机器人在组成软体机器人表皮结构内以机器人前进方向为轴线平行放置超螺旋聚合物致动器和回复弹簧，表皮结构由具有伸缩变形能力的聚合物弹性材料制成。通电时，利用超螺旋聚合物致动器通电时发热产生收缩动作，在足部摩擦片的限制下，软体爬行机器人的左端相对于右端发生相对右移运动；断电时，超螺旋聚合物致动器冷却恢复到伸长，在回复弹簧的帮助下，软体爬行机器人的右端相对于左端发生相对右移运动，快速恢复到初始形状。本发明的回复弹簧设置可以保证断电时更加快速地恢复到初始形状，从而使得软体爬行机器人更加快速地前行。同时，通过控制不同超螺旋聚合物致动器的通断电可以方便地实现软体爬行机器人的前进和转弯。
同申请号为201711153544.1的中国专利相比，本发明所用的超螺旋聚合物致动器通电时产生的收缩力能够满足腔体变形的要求且加工成本更低，控制性能更好。上述专利所用的形状记忆合金丝具有明显的迟滞效应，控制性能差。
同申请号为201810447814.8的中国专利相比，本发明所用的可以任意变形的超螺旋聚合物致动器，无需外接气泵或其它刚性原件，较易实现完全软体化。同时，不受到气密性的影响，环境适应性好。
本发明的技术方案是：
前述表皮结构由3D打印技术打印出模具，用Ecoflex00-50A、Ecoflex00-50B以1:1比例配合的硅胶浇筑制成。
前述超螺旋聚合物致动器以机器人前进方向为轴线放置在表皮结构的内侧，以使得表皮结构变形均匀。
前述足部结构上的摩擦片的形状和安装角度，应使它在工作时限制软体爬行机器人只能沿一个方向收缩，实现前进运动。
前述超螺旋聚合物致动器的表面镀银，通电时，加热超螺旋聚合物致动器，产生收缩；断电时，超螺旋聚合物致动器在表皮结构内自然冷却恢复到伸长。
前述回复弹簧为普通弹簧，保证断电时更加快速地恢复到初始形状，从而使得软体爬行机器人更加快速地前行。
前述连接结构是制作材料为PLA的3D打印件。
前述每次超螺旋聚合物致动器通电收缩后断电，利用空气自然冷却，恢复原状，继而再次通电。
本发明的优点在于：
1.本发明软体爬行机器人采用硅胶作为表皮结构材料，可以任意变形，且超螺旋聚合物致动器可以承受一定的形变，易于实现全软体，环境适应性强。
2. 本发明超螺旋聚合物致动器驱动的软体爬行机器人可以连续变形，通过控制驱动电流来调节软体机器人运动模式与运动速度，灵活性好。
3.本发明回复弹簧的设置，保证断电时更加快速地恢复到初始形状，从而使得软体爬行机器人更加快速地前行。
4.本发明超螺旋聚合物致动器的加工十分简单，同时价格低廉，输出功率密度大，可控性强，性价比高。
附图说明
图1为本发明的软体爬行机器人的立体图
图2为本发明的软体爬行机器人的结构示意图（一）。
图3为本发明的软体爬行机器人的结构示意图（二）。
图中标号说明：
1、超螺旋聚合物致动器；2、回复弹簧；3、足部结构；4、表皮结构；30、摩擦片；31、连接结构。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1至图3，本发明提供了一种超螺旋聚合物致动器驱动的软体爬行机器人。主要包括超螺旋聚合物致动器1、回复弹簧2、足部结构3和表皮结构4。足部结构3主要包括摩擦片30和连接结构31。在表皮结构4腔体中间以机器人前进方向为轴线平行放置超螺旋聚合物致动器1和回复弹簧2，表皮结构4由具有伸缩变形能力的聚合物弹性材料制成。摩擦片30的安装具有一定的角度使它在工作时限制软体爬行机器人只能沿一个方向收缩，实现前进运动。
通电时，利用超螺旋聚合物致动器1通电时发热产生收缩动作，在摩擦片30的限制下，软体爬行机器人的左端相对于右端发生相对右移运动；断电时，超螺旋聚合物致动器1冷却恢复到伸长，在回复弹簧2的帮助下，软体爬行机器人的右端相对于左端发生相对右移运动，快速恢复到初始形状。本发明的回复弹簧2设置可以保证断电时更加快速地恢复到初始形状，从而使得软体爬行机器人更加快速地前行。同时，通过控制不同超螺旋聚合物致动器1的通断电可以方便地实现软体爬行机器人的前进和转弯。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该提出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超螺旋聚合物致动器驱动的软体爬行机器人，包括超螺旋聚合物致动器、回复弹簧、足部结构和表皮结构，所述足部结构包括连接结构和摩擦片，其特征在于：所述超螺旋聚合物致动器驱动的软体爬行机器人在组成软体机器人表皮结构内以机器人前进方向为轴线平行放置超螺旋聚合物致动器和回复弹簧，表皮结构由具有伸缩变形能力的聚合物弹性材料制成，通电时，利用超螺旋聚合物致动器通电时发热产生收缩动作，在足部摩擦片的限制下，软体爬行机器人的左端相对于右端发生相对右移运动；断电时，超螺旋聚合物致动器冷却恢复到伸长，在回复弹簧的帮助下，软体爬行机器人的右端相对于左端发生相对右移运动，快速恢复到初始形状。
2.根据权利要求1所述的一种超螺旋聚合物致动器驱动的软体爬行机器人，其特征在于：所述表皮结构由3D打印技术打印出模具，用Ecoflex00-50A、Ecoflex00-50B以1:1比例配合的硅胶浇筑制成。
3.根据权利要求1所述的一种超螺旋聚合物致动器驱动的软体爬行机器人，其特征在于：所述超螺旋聚合物致动器以机器人前进方向为轴线放置在表皮结构的内侧，以使得表皮结构变形均匀。
4.根据权利要求1所述的一种超螺旋聚合物致动器驱动的软体爬行机器人，其特征在于：所述足部结构上的摩擦片的形状和安装角度，应使它在工作时限制软体爬行机器人只能沿一个方向收缩，实现前进运动。
5.根据权利要求1所述的一种超螺旋聚合物致动器驱动的软体爬行机器人，其特征在于：所述超螺旋聚合物致动器由缠绕的尼龙长丝构成，尼龙长丝由柔性聚合物链组成，在加捻之前，这些聚合物链高度定向于长丝方向，在不断加捻过程中，当聚合物长丝被扭曲时，聚合物链被迫成螺旋状，若此时受热，则聚合物链的长度收缩和螺纹的直径膨胀都会导致螺纹解旋，解旋产生的扭矩引起超螺旋聚合物致动器的收缩。
6.根据权利要求1所述的一种超螺旋聚合物致动器驱动的软体爬行机器人，其特征在于：所述超螺旋聚合物致动器的表面镀银，通电时，加热超螺旋聚合物致动器，产生收缩；断电时，超螺旋聚合物致动器在表皮结构内自然冷却恢复到伸长。
7.根据权利要求1所述的一种超螺旋聚合物致动器驱动的软体爬行机器人，其特征在于：所述回复弹簧为普通弹簧。
8.根据权利要求1所述的一种超螺旋聚合物致动器驱动的软体爬行机器人，其特征在于：所述连接结构是制作材料为PLA的3D打印件。
9.根据权利要求1所述的一种超螺旋聚合物致动器驱动的软体爬行机器人，其特征在于：给两侧超螺旋聚合物致动器同时通电，实现软体爬行机器人向前爬行运动；给单侧超螺旋聚合物致动器通电，实现软体爬行机器人的转弯。
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