CN113119075A - 一种软体机器人及其声波驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人，特别是一种软体机器人，包括筒形状的柔软躯干以及细长形状的弹性部件；每个弹性部件径向贯穿柔软躯干，且始终保持预张紧状；每个弹性部件的两个端部位于柔软躯干的对称两侧，通过折弯成悬臂梁状的足部分后，两者保持的夹角≤90°；所有弹性部件沿柔软躯干的轴向分布，且在柔软躯干的同一侧的所有足部分位于同一空间基准平面上；所有足部分的长度保持相同；其中，根据足部分的振动固有频率计算出振动波长，后取半波长的整数倍作为柔软躯干的共鸣腔的直径；以及，用于驱动机器人机身的声波发生装置。同时，本发明中还涉及一种软体机器人的声波驱动方法。其解决了“软体机器人的无拴驱动”的技术问题，具备结构简单等优点。

Description

一种软体机器人及其声波驱动方法

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是一种软体机器人，以及一种软体机器人的声波驱动方法。

背景技术

软体机器人是一种多用柔软的材料制成的新型机器人。不同于传统的刚性材料制成的机器人，软体机器人可以更好的适应非结构环境，也可以给我们提供一种更为安全的人机交互体验。目前的柔性机器人主要与仿生领域相关，典型代表有虫型、蛇型、章鱼型、水母型等软体机器人。

柔性机器人的驱动目前主要依靠以下几种技术：气压驱动和液压驱动、压电材料、介电弹性体驱动（DE）、离子聚合物金属复合材料驱动（IPMC）、形状记忆合金驱动（SMA）、形状记忆聚合物驱动（SMP）等等。但是目前依靠的这几种驱动方式必须依靠外接电源线供电，或者是输气输液管为其提供动力，在一定程度上限制了软体机器人的活动能力及其应用领域。人们更希望找到一种方法能够实现电源内置或者无拴驱动，如此方能让软体机器人更好地投入实际应用之中。

波在我们的生活中随处可见。无论是机械波还是电磁波，在现代科技中都已经得到了非常广泛的应用，如：利用机械波能量的超声碎石技术，或是利用电磁波能量的微波炉加热技术以及核磁共振成像技术。这些都说明了波是具备可观的能量的，且应用案例通常与共振原理密不可分。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种利用声波的共振现象产生的能量驱动的软体机器人。

为了实现上述目的，本发明所设计的一种软体机器人，作为一种陆路声波驱动软体机器人，其包括：

机器人机身，包括一个筒形状的柔软躯干以及至少两个且细长形状的弹性部件；所述柔软躯干内形成一个共鸣腔；

其中，每个弹性部件径向贯穿柔软躯干，其与柔软躯干相固定，且始终保持预张紧状；每个弹性部件的两个端部位于柔软躯干的对称两侧，通过折弯成悬臂梁状的足部分后，两者保持的夹角≤90°；所有弹性部件沿柔软躯干的轴向分布，且在柔软躯干的同一侧的所有足部分位于同一空间基准平面上；所有足部分的长度保持相同；

其中，根据足部分的振动固有频率计算出振动波长，后取半波长的整数倍作为共鸣腔的直径；

以及，用于驱动机器人机身的声波发生装置，其输出频率与机器人机身的足部分的固有频率相同的声波。

本发明所设计的另一种软件机器人，作为一种水中声波驱动软体机器人，其包括：

机器人机身，包括一个筒形状的柔软躯干以及至少两个且细长形状的弹性部件；所述柔软躯干内形成一个共鸣腔；

其中，每个弹性部件径向贯穿柔软躯干，其与柔软躯干相固定，且始终保持预张紧状；每个弹性部件的两个端部位于柔软躯干的对称两侧，通过折弯成悬臂梁状的足部分后，两者保持的夹角≤90°；在每个足部分上套接有一个轻质桨叶；所有弹性部件沿柔软躯干的轴向分布，且在柔软躯干的同一侧的所有足部分位于同一空间基准平面上；所有足部分的长度保持相同；

其中，根据足部分的振动固有频率计算出振动波长，后取半波长的整数倍作为共鸣腔的直径；

以及，用于驱动机器人机身的声波发生装置，其输出频率与机器人机身的足部分的固有频率相同的声波。

优选的，上述机器人机身上弹性部件与柔软躯干两者的固定结构为：弹性部件通过紧固件与柔软躯干相固定。

一种前述软体机器人的声波驱动方法，其包括以下的步骤：

步骤a，在隔音环境中拨响软体机器人共鸣腔内的弹性部件，并采用收音装置录入；

步骤b，采用软件识别步骤a中收音装置录入音源的频率，即为软体机器人的足部分的固有频率；

步骤c，将频率发生器的输出频率设置成步骤b中由软件识别的频率；

步骤d，步骤c中的频率发生器的输出信号经放大后电连接至扬声器输出声波，由于输出的声波与软体机器人的固有频率相同，软体机器人将会产生剧烈的共振效应，进而驱动软体机器人。

与现有技术相比，本发明得到的一种软体机器人，其具备以下的技术效果：

1、设计了一种新型的软体机器人驱动方式，实现了软体机器人的无拴陆路驱动和水中驱动。

2、使软体机器人的供能过程不但摆脱了电线与输气输液管的束缚，也不再需要将硬性的电池背在身上，使软体机器人更有可能达到全软。

3、利用物体共振的原理，可将微小的声波振动的能量自动进行能量收集及放大，是一个极为简便和自动化程度高的能量收集和调配方法。

附图说明

图1是一种陆路声波驱动软体机器人的结构示意图；

图2是图1中A处的局部放大图；

图3是一种机器人机身的结构示意图；

图4是一种陆路软体机器人在平面上的声波驱动过程示意图；

图5是另一种机器人机身的结构示意图；

图6是水路软体机器人在水面上的声波驱动过程示意图。

图中：机器人机身1、柔软躯干1-1、弹性部件1-2、足部分1-2-1、共鸣腔1-3、轻质桨叶1-4、声波发生装置2、金属片夹圈3；

超声波发生器10、平台20、纸张30、水槽40。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应该属于本发明保护的范围。

作为本发明的一种实施方式，如图1-3所示，本实施例中提供的一种陆路声波驱动软体机器人，其包括：

机器人机身1，包括一个圆筒形状的柔软躯干1-1，

以及至少两个且细长形状的弹性部件1-2；所述柔软躯干1-1内形成一个共鸣腔1-3；

其中，每个弹性部件1-2径向贯穿柔软躯干1-1，其与柔软躯干1-1相固定，且始终保持预张紧状；每个弹性部件1-2的两个端部位于柔软躯干1-1的对称两侧，通过折弯成悬臂梁状的足部分1-2-1后，两者保持的夹角≤90°；所有弹性部件1-2沿柔软躯干1-1的轴向分布，且在柔软躯干1-1的同一侧的所有足部分1-2-1位于同一空间基准平面上；所有足部分1-2-1的长度保持相同；

其中，根据足部分1-2-1的振动固有频率计算出振动波长，后取半波长的整数倍作为共鸣腔1-3的直径；

以及，用于驱动机器人机身1的声波发生装置2，其输出频率与机器人机身1的足部分1-2-1的固有频率相同的声波。

另外，本实施例中还提供了一种陆路软体机器人的声波驱动方法，其包括以下的步骤：

步骤a，在隔音环境中拨响软体机器人共鸣腔内的弹性部件，并采用收音装置录入；

步骤b，采用软件识别步骤a中收音装置录入音源的频率；

步骤c，将频率发生器的输出频率设置成步骤b中由软件识别的频率；

步骤d，步骤c中的频率发生器的输出信号经放大后电连接至扬声器输出声波，进而驱动软体机器人。

如上述一种陆路声波驱动软体机器人及其驱动方法的超声波平面驱动实验：

本实验中用于驱动机器人机身1的声波发生装置2由圆柱形的声波干涉阵列及其控制主板组成。其中，声波干涉阵列由两侧共72个超声波发生器10（BOISOI, MA40S4R）及其3D打印框架组成。超声波发生器10发射声波的中心频率为40kHz，发射声压为at10V,≥108dB（0dB=0.02Mpa）。控制主板主要包含型号为ATmega328P（Aduino nano）的MCU（微控制单元），L298N驱动模块，电容，电阻，散热器，以及用来调节超声波的发射相位的四个按钮等。通过按钮可以调节两组超声波发生器10的发射波的相位，是以改变超声波干涉所产生的驻点位置，驻点位置改变时即可将之前驻点上的轻小物体“搬运”到相位改变以后新的驻点上，实现了超声驱动的过程。同样的，将一组圆柱形声波干涉阵列驱动方向设置为x方向，可在其垂直方向上放置另一组圆柱形声波干涉阵列以驱动y方向，实现被操纵机器人二维平面上如平移，转向的完全控制。同样的，如果机器人的密度和重量较轻，在垂直方向上再加一组圆柱形声波干涉阵列控制z方向，即可实现机器人在三维平面上的完全控制。

本实验中在圆柱形的声波干涉阵列中添加了一个亚克力板搭建的平台20，利用平台20支撑软体机器人。此外，已知声波频率f为40kHz，声波在空气中的传播速度v=340m/s，根据波长公式λ=v/f，可得此装置的声波波长为8.5mm。根据驻波形成条件（在半波长的整数倍的位置），可知各个驻点之间的间隔为4.25mm，即每隔4.25mm的距离必存在一个驻点。由于驻点之间相隔较近，为机器人的平滑驱动奠定了基础。

本实验中机器人机身1包含一定长度的PVC圆管（管壁厚约0.15mm）制成的柔软躯干1-1以及由0.015mm厚的柔性钢片（手撕钢材料）剪制而成的弹性部件1-2。共鸣腔1-3的直径为4-5mm，直径长度与超声波半波长接近。

其中，上述机器人机身1上柔性钢片与PVC圆管两者的固定结构为：柔性钢片通过金属片夹圈3与PVC圆管相固定。所述金属片夹圈3的材料可采用铝/铅等具有优秀延展性能的金属，将金属片弯制成方桶形，即得金属片夹圈3。将金属片夹圈3穿入柔性钢片，再将金属片夹圈3的近心端嵌入在PVC圆管的侧面开出的尺寸匹配的预留方形洞中，其远心端用钳子夹变形（原理与钓鱼铅坠原理相似）。如此，金属片夹圈3一端与PVC圆管侧面的孔的配合限制了柔性钢片作为机器人足时的径向转动，保证了机器人足与地面具有固定角度；中间的柔性钢片则被金属片夹圈3夹变形以后，确保了柔性钢片作为机器人足时不会再发生径向移动。

图4中图示了软体机器人在平面上的声波驱动过程。为了更加直观以及更好描述，本实验中在亚克力板下方放置了标注划分区域的纸张30。在实验开始前（t=0s），我们将机器人放置在图中“5”号区域，随后通过调整超声波的相位，驻波位置渐渐向“8”号区域移动，在t=8s时，实现了机器人的从“5”号区域到“8”号区域的平面驱动。由于在y方向上的驱动原理与x方向相同，在此不再附图赘述。

作为本发明的另外一种实施方式，本实施例中所提供的一种水路声波驱动软体机器人，其大体结构以及驱动方法均与前述实施方式一致。但是，如图5所示，本实施例中一种水路声波驱动软体机器人，其结构中在每个足部分1-2-1上套接有一个轻质桨叶1-4。所述轻质桨叶同样可以采用PVC材料。

如上述一种水路声波驱动软体机器人及其驱动方法的超声波平面驱动实验：

本实验中机器人机身1以及用于驱动机器人机身1的声波发生装置2与前述实验所采用的相一致，但是本实验中在圆柱形的声波干涉阵列中是添加了一个亚克力板搭建的水槽40，并在水槽40中注水，直至软体机器人漂浮在水槽40内的水面上。

图6展现了机器人在水面上的声波驱动过程。t=0s时，圆柱形超声波阵列未启动，机器人停留在“2”号区域；t=4s时，圆柱形超声波阵列启动，水面被超声波激起涟漪；t=12s时，机器人到达“5”号区域；t=16s时，机器人到达“8”号区域，实现了直线驱动。

结合上述实例，本发明已经清楚的说明采用了如本发明所提供的一种新型的软体机器人及驱动方式，是完全可以实现软体机器人的无拴陆路驱动和水中驱动的。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均应该落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种软体机器人，其特征是包括：

机器人机身，包括一个筒形状的柔软躯干以及至少两个且细长形状的弹性部件；所述柔软躯干内形成一个共鸣腔；

其中，每个弹性部件径向贯穿柔软躯干，其与柔软躯干相固定，且始终保持预张紧状；每个弹性部件的两个端部位于柔软躯干的对称两侧，通过折弯成悬臂梁状的足部分后，两者保持的夹角≤90°；所有弹性部件沿柔软躯干的轴向分布，且在柔软躯干的同一侧的所有足部分位于同一空间基准平面上；所有足部分的长度保持相同；

其中，根据足部分的振动固有频率计算出振动波长，后取半波长的整数倍作为共鸣腔的直径；

以及，用于驱动机器人机身的声波发生装置，其输出频率与机器人机身的足部分的固有频率相同的声波。

2.根据权利要求1所述的一种软件机器人，其特征是包括：

机器人机身，包括一个筒形状的柔软躯干以及至少两个且细长形状的弹性部件；所述柔软躯干内形成一个共鸣腔；

其中，每个弹性部件径向贯穿柔软躯干，其与柔软躯干相固定，且始终保持预张紧状；每个弹性部件的两个端部位于柔软躯干的对称两侧，通过折弯成悬臂梁状的足部分后，两者保持的夹角≤90°；在每个足部分上套接有一个轻质桨叶；所有弹性部件沿柔软躯干的轴向分布，且在柔软躯干的同一侧的所有足部分位于同一空间基准平面上；所有足部分的长度保持相同；

其中，根据足部分的振动固有频率计算出振动波长，后取半波长的整数倍作为共鸣腔的直径；

以及，用于驱动机器人机身的声波发生装置，其输出频率与机器人机身的足部分的固有频率相同的声波。

3.根据权利要求1或2所述的一种软体机器人，其特征是上述机器人机身上弹性部件与柔软躯干两者的固定结构为：

弹性部件通过紧固件与柔软躯干相固定。

4.一种如根据权利1或2所述软体机器人的声波驱动方法，其特征是包括以下的步骤：

步骤a，在隔音环境中拨响软体机器人共鸣腔内的弹性部件，并采用收音装置录入；

步骤b，采用软件识别步骤a中收音装置录入音源的频率；

步骤c，将频率发生器的输出频率设置成步骤b中由软件识别的频率；

步骤d，步骤c中的频率发生器的输出信号经放大后电连接至扬声器输出声波，进而驱动软体机器人。

Images