CN112623161A - 仿生机器人及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机器人技术领域，本发明公开了一种仿生机器人及应用。仿生机器人，包括：躯干和位于所述的躯干两端的头部；所述的躯干与头部通过具有转向功能的第一关节连接；所述的躯干外壁上设有可伸曲的胸足，通过所述的胸足的伸曲为仿生机器人提供前进动力；所述的胸足与躯干转动连接，通过所述胸足的转动改变仿生机器人的运动方向。本发明的仿生机器人结构简单，成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种仿生机器人及应用。
背景技术
本发明对于背景技术的描述属于与本发明相关的相关技术，仅仅是用于说明和便于理解本发明的发明内容，不应理解为申请人明确认为或推定申请人认为是本发明在首次提出申请的申请日的现有技术。
传统的水下机器人一般采用螺旋桨产生推力,通过舵进行机动运动,这种运动方式推进效率低、机动性能差、对环境扰动大。
随着技术的发展，已有许多水下仿生机器人，但是目前的水下仿生机器人通常为刚性机器人，结构复杂、成本高。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种仿生机器人及应用，本发明的仿生机器人结构简单，轻质廉价。
本发明实施例的目的是通过如下方案实现的：
本发明提供了一种仿生机器人，包括：
躯干和位于所述的躯干两端的头部；所述的躯干与头部通过具有转向功能的第一关节连接；
所述的躯干外壁上设有可伸曲的胸足，通过所述的胸足的伸曲为仿生机器人提供前进动力；所述的胸足与躯干转动连接，通过所述胸足的转动改变仿生机器人的运动方向。
进一步的，所述的躯干包括多个躯干本体，多个所述的躯干本体通过具有转向功能的第二关节连接；所述的胸足设置在所述的躯干本体上，所述的躯干本体内部设有动力装置，所述的动力装置用于带动所述的胸足转动。
进一步的，所述的胸足成对设置在所述的躯干本体上，每对所述的胸足对称设置在所述的躯干本体的两侧。
进一步的，每对所述的胸足通过设置在躯干本体内的连杆连接，所述的动力装置通过带动连杆转动来带动胸足转动。
进一步的，所述的第一关节和第二关节结构相同，包括环形柔性框架和均布在所述的柔性框架上的介电弹性体薄膜，所述的介电弹性体薄膜表面涂覆有导电电极材料，所述的仿生机器人包括供电装置，所述的第一关节和第二关节分别与所述的供电装置电性连接。
进一步的，所述的胸足包括胸足关节和脚结构，所述的胸足关节包括介电弹性体薄膜，所述的介电弹性体薄膜的外表面设有柔性框架，所述的柔性框架包括容纳框，所述的介电弹性体薄膜外表面设有第一电极，所述的第一电极轮廓与所述的容纳框适配；所述的介电弹性体薄膜内表面设有第二电极，所述的第二电极与所述的第一电极关于介电弹性体薄膜对称；所述的介电弹性体薄膜可以绕第一电极和第二电极的中部弯折；所述的仿生机器人包括供电装置，所述的第一电极、第二电极分别与所述的供电装置电性连接。
进一步的，所述的脚结构固定在胸足关节远离躯干的一端上，所述的脚结构包括两个胸足尾部，两个胸足尾部通过PET薄膜连接，两个所述的胸足尾部外侧分别设有刚性结构；两个胸足尾部位于同一水平面上时，两个胸足尾部的刚性结构抵接。
进一步的，所述的躯干本体外表面设有凹槽，所述的胸足固定在所述的凹槽内。
进一步的，所述的头部为锥体，所述的锥体的尖端位于远躯干端。
本发明还提供了一种仿生机器人的应用，将上述的仿生机器人应用到水下作业、海底勘察和军事侦查中。
本发明实施例具有如下有益效果：
本发明机器人通过仿桡足类动物结构，通过关节实现换向，通过胸足伸曲实现仿生机器人的前进，结构简单，陈本低廉。
另外，该机器人仿生桡足类生物结构利用介电弹性体薄膜材料制作柔性驱动器关节，同时与刚性结构结合，使胸足可以旋转到任意角度，实现六自由度的运动。
相较于现有的水下机器人，结构简单，介电弹性体薄膜具有驱动应变大、响应速度快、良好生物亲和性、轻质廉价等特点，适合用于柔性驱动器的研究，对水下软体机器人的研究发展具有十分重要的指导意义，同时该设计将柔性与刚性相结合，兼具两者优点，效果更为突出。
附图说明
图1为本发明实施例中仿生机器人结构示意图；
图2为本发明实施例中仿生机器人另一结构示意图；
图3为本发明实施例中第一关节和第二关节结构示意图；
图4为本发明实施例中第一关节和第二关节结构示意图；
图5为本发明实施例中第一关节和第二关节的换向过程示意图；
图6为本发明实施例中胸足关节结构爆炸图；
图7为本发明实施例中胸足关节整体结构示意图；
图8为本发明实施例中仿生机器人在水中运动过程示意图；
图9为本发明实施例中仿生机器人的脚结构示意图；
图10为本发明实施例中躯干本体内部结构示意图；
图11为本发明实施例中躯干本体内部结构示意图；
图12为本发明实施例中仿生机器人胸足转动后结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本申请进行进一步的介绍。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。不同实施例之间可以替换或者合并组合，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些实施例获得其他的实施方式。
结合附图1-12，一种仿生机器人，包括：
躯干和位于所述的躯干两端的头部1；所述的躯干与头部1通过具有转向功能的第一关节2连接；
所述的躯干外壁上设有可伸曲的胸足4，通过所述的胸足4的伸曲为仿生机器人提供前进动力；所述的胸足4与躯干转动连接，通过所述胸足的转动改变仿生机器人的运动方向。
在本发明的一些实施例中，所述的躯干包括多个躯干本体3，多个所述的躯干本体3通过具有转向功能的第二关节连接；所述的胸足4设置在所述的躯干本体3上，所述的躯干本体3内部设有动力装置，所述的动力装置用于带动所述的胸足转动。
这里要说明的是：躯干本体3的数量不作限定，可以是2个，4个或5个等，具体数量根据需要选择；数量不宜过多，这样容易造成机器人自身笨重；躯干本体3一般为筒状刚性材质，筒体内部设有动力装置，如图10和11所示，动力装置可以是电机15；当然，动力装置的具体种类不作限定，只要可以实现带动胸足4转动即可。
图10是躯干本体的内部结构图，锥齿轮16包括连接在电机15上的第一锥齿轮和固定在连杆17上的第二锥齿轮。电机15旋转带动第一锥齿轮旋转，第一锥齿轮旋转带动第二锥齿轮和连杆17一起旋转，胸足4则也转动一定角度，如图11，所以通过控制电机15旋转可以使胸足转到任意角度，三对胸足4的旋转互不妨碍，当三对胸足4同时转到180度时就可以使机器人反向运动。当旋转其他角度时可实现上行和下潜。图12为某一对胸足旋转90度的示意图。
在本发明的一些实施例中，所述的胸4足成对设置在所述的躯干本体3上，每对所述的胸足4对称设置在所述的躯干本体3的两侧。应当理解的是，仿生机器人整体结构对称可以防止机器人重心偏离几何中心；胸足4对称还可以防止前进时动力不均衡造成机器人前进偏移。
在本发明的一些实施例中，每对所述的胸足4通过设置在躯干本体3内的连杆17(如图10和11所示)连接，所述的动力装置(电机15)通过带动连杆17转动来带动胸足4转动。
应当理解，电机15带动连杆17转动的方式不作限定，图10和11所示为一种优选方案，采用直齿锥齿轮16来带动连杆17转动。
在本发明的一些实施例中，所述的第一关节2和第二关节结构相同，如图3和图4所示，包括环形柔性框架5(柔性框架采用的是PET薄膜)和均布在所述的柔性框架5上的介电弹性体薄膜6，所述的介电弹性体薄膜6表面涂覆有导电电极材料7，所述的仿生机器人包括供电装置(通中未示出)，所述的第一关节2和第二关节分别与所述的供电装置电性连接。关节(第一关节和第二关节)采用的是介电弹性体薄膜，可通过通高压电使其实现换向的功能，躯干起支撑作用，其内部具有可以使胸足旋转的机构，胸足采用的也是介电弹性体薄膜，通高压电后胸足摆动，可实现游泳功能。介电弹性体是一种超弹性薄膜材料，在薄膜上下表面涂覆导电电极材料，给上下表面的电极施加电压后，在Maxwell应力的作用下，介电弹性体薄膜在平面内发生扩张变形，在厚度上发生压缩变形，当撤去电压后，介电弹性体薄膜又恢复原状。
图5为关节(第一关节和第二关节)的换向示意图，图5(a)所示为断电状态，同时对轴向上的一对介电弹性体薄膜通高压电，则会呈现5(b)图所示状态，关节被压缩，断电后又恢复到原始状态，如图5(c)所示，但其质心发生了偏移，实现了换向，通过对不同轴线的介电弹性体薄膜通电可实现多方位换向。
在本发明的一些实施例中，所述的胸足4包括胸足关节和脚结构，所述的胸足关节包括介电弹性体薄膜10，所述的介电弹性体薄膜10的外表面设有柔性框架8，所述的柔性框架8包括容纳框，所述的介电弹性体薄膜10外表面设有第一电极9，所述的第一电极9轮廓与所述的容纳框适配；所述的介电弹性体薄膜10内表面设有第二电极9(第一电极与第二电极属于大小形状相同的电极，只是位置不同，在此用同一附图标记)，所述的第二电极9与所述的第一电极9关于介电弹性体薄膜10对称；所述的介电弹性体薄膜10可以绕第一电极9和第二电极9的中部弯折；所述的仿生机器人包括供电装置，所述的第一电极9、第二电极9分别与所述的供电装置电性连接。
胸足关节中11为加强筋，柔性框架8和加强筋11都是PET薄膜，加强筋11(0.25mm)比柔性框架8(0.188mm)稍厚，因介电弹性体薄膜本身具有粘性，所以这几部分通过通过介电弹性体薄膜粘结在一起，图7为胸足关节整体示意图，在介电弹性体薄膜的作用下呈现弯曲状态，当给电极区域通电后，关节展开；断电后，关节再次恢复到弯曲状态，通过输入方波，可使胸足关节不断弯曲、展开，就可实现游泳的功能。
在本发明的一些实施例中，所述的脚结构固定在胸足关节远离躯干的一端上，所述的脚结构包括两个胸足尾部14，两个胸足尾部14通过PET薄膜12连接，两个所述的胸足尾部14外侧分别设有刚性结构13；两个胸足尾部14位于同一水平面上时，两个胸足尾部的刚性结构13抵接。
为不妨碍尾部的摆动，PET薄膜12选取厚度为0.05mm的PET薄膜，胸足尾部14摆动产生向前的力，主要考虑其刚性，选取0.25mm的PET薄膜，如图9所示，刚性结构13由亚克力板加工成的“L”型结构，两块亚克力板之间没有机械连接，只是几何上面对面接触安装。当胸足尾部14左边的PET薄片固定时，如果脚结构受到逆时针方向的力矩，由于两块亚克力板面对面接触安装，右侧亚克力板的转动会受到左侧亚克力板的阻碍，且他们都是刚性亚克力板，所以整个脚结构的抗弯刚度很大，几乎不发生弯曲变形。反之，如果脚结构受到顺时针方向的力矩，右侧亚克力板的转动方向是远离左侧亚克力板的，所以不会受到阻碍，且PET薄膜12较薄，刚度几乎为零，所以此时脚结构的抗弯刚度很小，接近零，在很小的外力作用下就会发生弯曲变形。自适应变刚度脚结构的存在，可以根据水压力的方向改变迎水面积，即增大有用行程的迎水面积，减小无用行程的迎水面积，进而使整个周期的净推力增大，游动速度更快。
在本发明的一些实施例中，所述的躯干本体外表面设有凹槽，所述的胸足4固定在所述的凹槽内。
在本发明的一些实施例中，所述的头部1为锥体，所述的锥体的尖端位于远躯干端。头部1结构前小后大，可减小水的阻力，两端都为头部，通过调整胸足4方向可使机器人背向运动。
本发明还提供了一种仿生机器人的应用，将上述的仿生机器人应用到水下作业、海底勘察和军事侦查中。
图8为机器人游泳原理示意图，我们选取某一躯干本体的一侧胸足进行分析，A、B分别表示一块水域，i为初始状态，此时柔性关节处于断电状态；通电后，柔性关节会迅速展开，同时向躯干本体靠拢，如状态ii，此时关节与躯干本体间形成半封闭空间，即状态ii中的水域B，水域B的水压随着关节与躯干本体间的靠拢程度和靠拢速度会越来越大，B侧水域对柔性关节有反作用力，该反作用力在躯干本体轴线方向上有一个分力，推动机器人前进，在关节通电展开过程中，脚结构抗弯刚度大不发生弯曲，脚结构与关节共面，增大了迎水面积，最终导致机器人向前游动的推力增大，有利于机器人的游进。断电后机器人柔性关节恢复原状，状态iv是断电后某一时刻，此时水域A的水压增大，会对关节产生反作用力，阻碍机器人向前游动，但由于水域A是开放的，形成的水压力要小于通电时水域B对关节的水压力，所以机器人向前游动的推力大于向后的阻力，综合结果是机器人可以向前游动。值得注意的是，此时脚结构的抗弯刚度很小，在水压力的作用下很容易发生弯曲变形，与关节之间形成夹角。由于脚结构的弯曲，减小了迎水面积，进而降低了水压力，减小了机器人游进的阻力。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上介绍仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种仿生机器人，其特征在于，包括：
躯干和位于所述的躯干两端的头部；所述的躯干与头部通过具有转向功能的第一关节连接；
所述的躯干外壁上设有可伸曲的胸足，通过所述的胸足的伸曲为仿生机器人提供前进动力；所述的胸足与躯干转动连接，通过所述胸足的转动改变仿生机器人的运动方向。
2.根据权利要求1所述的仿生机器人，其特征在于，所述的躯干包括多个躯干本体，多个所述的躯干本体通过具有转向功能的第二关节连接；所述的胸足设置在所述的躯干本体上，所述的躯干本体内部设有动力装置，所述的动力装置用于带动所述的胸足转动。
3.根据权利要求2所述的仿生机器人，其特征在于，所述的胸足成对设置在所述的躯干本体上，每对所述的胸足对称设置在所述的躯干本体的两侧。
4.根据权利要求3所述的仿生机器人，其特征在于，每对所述的胸足通过设置在躯干本体内的连杆连接，所述的动力装置通过带动连杆转动来带动胸足转动。
5.根据权利要求2所述的仿生机器人，其特征在于，所述的第一关节和第二关节结构相同，包括环形柔性框架和均布在所述的柔性框架上的介电弹性体薄膜，所述的介电弹性体薄膜表面涂覆有导电电极材料，所述的仿生机器人包括供电装置，所述的第一关节和第二关节分别与所述的供电装置电性连接。
6.根据权利要求2所述的仿生机器人，其特征在于，所述的胸足包括胸足关节和脚结构，所述的胸足关节包括介电弹性体薄膜，所述的介电弹性体薄膜的外表面设有柔性框架，所述的柔性框架包括容纳框，所述的介电弹性体薄膜外表面设有第一电极，所述的第一电极轮廓与所述的容纳框适配；所述的介电弹性体薄膜内表面设有第二电极，所述的第二电极与所述的第一电极关于介电弹性体薄膜对称；所述的介电弹性体薄膜可以绕第一电极和第二电极的中部弯折；所述的仿生机器人包括供电装置，所述的第一电极、第二电极分别与所述的供电装置电性连接。
7.根据权利要求6所述的仿生机器人，其特征在于，所述的脚结构固定在胸足关节远离躯干的一端上，所述的脚结构包括两个胸足尾部，两个胸足尾部通过PET薄膜连接，两个所述的胸足尾部外侧分别设有刚性结构；两个胸足尾部位于同一水平面上时，两个胸足尾部的刚性结构抵接。
8.根据权利要求2所述的仿生机器人，其特征在于，所述的躯干本体外表面设有凹槽，所述的胸足固定在所述的凹槽内。
9.根据权利要求1所述的仿生机器人，其特征在于，所述的头部为锥体，所述的锥体的尖端位于远躯干端。
10.一种仿生机器人的应用，其特征在于，将权利要求1-9任一项所述的仿生机器人应用到水下作业、海底勘察和军事侦查中。
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