CN112720510A - 可负载气动爬行柔性机器人 - Google Patents

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张征
沈宏丞
孙敏
李吉泉
吴化平
丁浩
彭翔
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Abstract

可负载气动爬行柔性机器人，包括方向性刚毛足部、气动网格软体驱动器、可负载平台、双稳态层合板。双稳态层合板呈拱桥形态，气动网格软体驱动器的上端的表面和双稳态层合板的下表面固连，可负载平台的下端和双稳态层合板固连于双稳态层合板的拱点区域，两个方向性刚毛足部的上端分别和双稳态层合板的左右两端固连。气动网格软体驱动器下端的主体包括网格状气室、气动网格内腔、供气管路设置槽、供气管路。气源通过供气管路将气输入设置在供气管路设置槽上的供气管内而充满气动网格内腔，使网格状气室膨胀挤压而产生弯曲变形，随着气压的变动，双稳态层合板的左右两端的距离也会随之出现变动，进而实现致动效果。本发明结构简单，制造容易。

Description

可负载气动爬行柔性机器人
技术领域
本发明涉及一种气动爬行柔性机器人。
背景技术
目前，以刚性结构为主的爬行或移动机器人已经在工业、军事、救援等领域得到了广泛的应用与发展，但仍存在结构复杂、应用场景受限、控制繁琐等问题。而随着近年来智能材料和气动驱动技术的不断发展，气动软体爬行机器人因其制备简单、控制方便且有较好的环境适应性受到了各国研究者的关注和研究。申请号 200810061113.7、授权公告号CN 101239631 B、名称为“气动柔性爬壁机器人”的中国发明专利文献公开了一种气动机器人：“包括气动柔性驱动器、气动柔性球关节、真空吸盘以及吸盘连接架，气动柔性驱动器包括前端盖、中间端盖和粗橡胶管，粗橡胶管两端分别与前端盖、中间端盖密封联结，前端盖上设有一个与大气相连接的通孔，粗橡胶管管壁中嵌套有螺旋钢丝；气动柔性关节包括后端盖和三根细橡胶管，中间端盖一侧与粗橡胶管密封联结，中间端盖的另一侧间隔 120 度设有三个台阶分别与三根细橡胶管的一侧密封联结，三根细橡胶管的另一侧与后端盖密封连接，细橡胶管管壁中嵌套有螺旋钢丝；前端盖、中间端盖和后端盖的两侧分别与吸盘连接架固定连接，吸盘连接架与真空吸盘固定连接。”存在的问题是只适用于爬壁场合使用，依旧没有能很好地解决应用场景受限的问题，且承载能力不够。
发明内容
本发明的主要发明目的，是提供一种爬行阻力小、具有一定的承载能力的、适用场合广的气动爬行柔性机器人。
本发明所用的技术方案是：一种可负载气动爬行柔性机器人，包括方向性刚毛足部、气动网格软体驱动器、可负载平台、双稳态层合板；
方向性刚毛足部包括刚毛足部上端和若干底部刚毛。若干底部刚毛的上端和刚毛足部上端的下端固连；
双稳态层合板呈拱桥形态，气动网格软体驱动器的上端的表面和双稳态层合板的下表面固连，可负载平台的下端和双稳态层合板固连于双稳态层合板的拱点区域，两个方向性刚毛足部的上端分别和双稳态层合板的左右两端固连；其中：
气动网格软体驱动器为AB组分硅胶制品，气动网格软体驱动器下端的主体包括网格状气室、气动网格内腔、供气管路设置槽、供气管路。气源通过供气管路将气输入设置在供气管路设置槽上的供气管内而充满气动网格内腔，使网格状气室膨胀挤压而产生弯曲变形，随着气压的变动，双稳态层合板的左右两端的距离也会随之出现变动，进而实现致动效果。
作为优选，气动网格软体驱动器的上端和双稳态层合板的下表面粘接相连。双稳态层合板的宽度大于气动网格软体驱动器的宽度，小于可负载平台的宽度；可负载平台的前后端的下端各设有一个连接卡脚，可负载平台通过所述连接卡脚和双稳态层合板可拆固连。刚毛足部上端设有前后走向的连接插槽，双稳态层合板的左右两端分别插固在所述连接插槽内。
作为优选，方向性刚毛足部采用3D打印技术制备，且底部刚毛具有一定倾角。这样可使向前向后运动所受摩擦力不同，有利于实现定向运动。
作为优选，可负载平台由树脂材料3D打印制作。可负载平台的上表面为一平面，可为所搭载设备提供平稳的工作条件。通过树脂材料3D打印制作可负载平台，可以提高生产率，降低生产成本。
作为优选，双稳态层合板由两层T700碳纤维环氧树脂复合材料组成的复合结构，采用热压固化工艺制备而成，压力为0.6MPa，固化温度为180℃。进一步地优选，两层T700碳纤维环氧树脂复合材料中的纤维铺设设置为0°、90°交叉铺设。
本发明的有益效果是：
1.结构简单，使用软体硅胶材料制备气动驱动器，容易制作，装配简单；
2.控制方便，只需控制一个气阀开闭即可实现爬行运动，爬行速度可通过调节单个阀门的进出气压大小和输出频率进行调节；
3.具有一定负载能力，双稳态层合板具有较好的强度和刚度，上表面为一平面的可负载平台与双稳态层合板的连接结构，有利于保证有一定的负载能力，工作可靠性高；
4.节约能源，变形过程需能源输入，回复过程无需能源输入，且方向性刚毛足部可有效减少爬行时的阻力；
5.安全卫生，爬行机器人制作所需的材料包括硅胶材料、树脂材料、碳纤维环氧树脂、硅橡胶粘接剂，均对人体无毒无害。
附图说明
图1：本发明的结构示意图；
图2：未充气状态方向性刚毛足部、气动网格软体驱动器、双稳态层合板三者相对状态图；
图3：一种充气状态方向性刚毛足部、气动网格软体驱动器、双稳态层合板三者相对状态图；
图4：方向性刚毛足部结构示意图；
图5：气动网格软体驱动器拉直后以左右走向为轴180°翻转后的结构示意图；
图6：可负载平台结构示意图；
图中：方向性刚毛足部1、刚毛足部上端1.1、底部刚毛1.2、连接插槽1.3、气动网格软体驱动器2、网格状气室2.1、气动网格内腔2.2、供气管路设置槽2.3、通气管道2.4、可负载平台3、连接卡脚3.1、双稳态层合板4。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
如图1-6所示，本发明包括方向性刚毛足部1、气动网格软体驱动器2、可负载平台3、双稳态层合板4。
方向性刚毛足部1包括刚毛足部上端1.1和若干底部刚毛1.2。若干底部刚毛1.2的上端和刚毛足部上端1.1的下端固连。所述底部刚毛1.2呈均布形态，刚毛足部上端1.1设有前后走向的连接插槽1.3，双稳态层合板4的左右两端分别插固在所述连接插槽1.3内而和刚毛足部上端1.1可拆固连。方向性刚毛足部1采用3D打印技术制备，且底部刚毛1.2具有一定倾角，以使向前向后运动所受摩擦力不同，以便实现定向运动。可负载平台3亦由树脂材料3D打印制作，其上表面平整，以利为所搭载设备提供平稳的工作条件。气动网格软体驱动器2为AB组分硅胶制品【按1：1等量混合制备而成】，即采用软体硅胶材料浇注成型方法，先用3D打印技术打印设计的模具，再按1:1的比例将A、B组分硅胶等量混合倒入模具中，使之固化成型。双稳态层合板4由两层T700碳纤维环氧树脂复合材料组成的复合结构，采用热压固化工艺制备而成。制备压力为0.6MPa，固化温度为180℃，且两层T700碳纤维环氧树脂复合材料中的纤维铺设设置为0°、90°交叉铺设，两层预浸料的纤维方向互相垂直，在热压罐中加压高温固化2小时后取出室温下冷却成型。制备获得的双稳态层合板4在本发明者呈拱桥形态。
双稳态层合板4的宽度大于气动网格软体驱动器2的宽度，小于可负载平台3的宽度。气动网格软体驱动器2的上端和双稳态层合板4的下表面粘接相连。可负载平台3的前后端的下端各设有一个连接卡脚3.1，前后两个连接卡脚3.1相应表面的最小距离大于等于气动网格软体驱动器2的宽度，可负载平台3通过所述连接卡脚3.1和双稳态层合板4可拆固连于双稳态层合板4的拱点区域，所述连接卡脚3.1的结构细节因系简单公知技术，在此不做赘述。
气动网格软体驱动器2下端的主体包括网格状气室2.1、气动网格内腔2.2、供气管路设置槽2.3、通气管道2.4。气源通过通气管道2.4将气输入设置在供气管路设置槽2.4上的供气管内【优选为聚酯型PU管，但未在图中示出，另外网格状气室2.1除与供气管相通外，整体处于密闭状态，具体结构细节因系简单公知技术，在此不做赘述】而充满气动网格内腔2.2，使网格状气室2.1膨胀挤压而产生弯曲变形，随着气压的变动，双稳态层合板4的左右两端的距离也会随之出现变动，进而实现致动效果。
以上所述之具体实施例仅为本发明较佳的实施方式，而并非以此限定本发明的具体实施结构和实施范围。事实上，依据本发明所述之形状、结构和设计目的也可以作出一些等效的变化。因此，凡依照本发明所述之形状、结构和设计目的所作出的一些等效变化理应均包含在本发明的保护范围内，也即这些等效变化都应该受到本发明的保护。

Claims (7)

1.一种可负载气动爬行柔性机器人，其特征是：包括方向性刚毛足部（1）、气动网格软体驱动器（2）、可负载平台（3）、双稳态层合板（4）；
方向性刚毛足部（1）包括刚毛足部上端（1.1）和若干底部刚毛（1.2）；若干底部刚毛（1.2）的上端和刚毛足部上端（1.1）的下端固连；
双稳态层合板（4）呈拱桥形态，气动网格软体驱动器（2）的上端的表面和双稳态层合板（4）的下表面固连，可负载平台（3）的下端和双稳态层合板（4）固连于双稳态层合板（4）的拱点区域，两个方向性刚毛足部（1）的上端分别和双稳态层合板（4）的左右两端固连；其中：
气动网格软体驱动器（2）为AB组分硅胶制品，气动网格软体驱动器（2）下端的主体包括网格状气室（2.1）、气动网格内腔（2.2）、供气管路设置槽（2.3）、供气管路（2.4）；气源通过供气管路（2.4）将气输入设置在供气管路设置槽（2.3）上的供气管内而充满气动网格内腔（2.2），使网格状气室（2.1）膨胀挤压而产生弯曲变形，随着气压的变动，双稳态层合板（4）的左右两端的距离也会随之出现变动，进而实现致动效果。
2.根据权利要求1所述的可负载气动爬行柔性机器人，其特征是：气动网格软体驱动器（2）的上端和双稳态层合板（4）的下表面粘接相连。
3.根据权利要求1所述的可负载气动爬行柔性机器人，其特征是：双稳态层合板（4）的宽度大于气动网格软体驱动器（2）的宽度，小于可负载平台（3）的宽度；可负载平台（3）的前后端的下端各设有一个连接卡脚（3.1），可负载平台（3）通过所述连接卡脚（3.1）和双稳态层合板（4）可拆固连。
4.根据权利要求1所述的可负载气动爬行柔性机器人，其特征是：刚毛足部上端（1.1）设有前后走向的连接插槽（1.3），双稳态层合板（4）的左右两端分别插固在所述连接插槽（1.3）内。
5.根据权利要求1所述的可负载气动爬行柔性机器人，其特征是：方向性刚毛足部（1）采用3D打印技术制备，且底部刚毛（1.2）具有一定倾角。
6.根据权利要求1所述的可负载气动爬行柔性机器人，其特征是：可负载平台（3）由树脂材料3D打印制作。
7.根据权利要求7所述的可负载气动爬行柔性机器人，其特征是：双稳态层合板（4）由两层T700碳纤维环氧树脂复合材料组成的复合结构，采用热压固化工艺制备而成，压力为0.6MPa，固化温度为180℃。
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