CN113334427B - 一种柔性机器人及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性机器人，包括柔性基体，所述柔性基体内设有若干交错气腔，所述交错气腔在所述柔性基体内沿中轴线的四周均匀分布，所述交错气腔中部弯曲形成弯曲部I，所述交错气腔的弯曲部I互相不重叠，所述弯曲部I的表面包覆有纤维层；驱动机构，所述驱动机构位于前端并与所述柔性基体密封连接，所述驱动机构为液压驱动机构或气压驱动机构，用于驱动柔性基体的运动；端盖，所述端盖设于所述驱动机构与所述柔性基体之间并分别与所述驱动机构和所述柔性基体密封连接，用于连通所述驱动机构和所述柔性基体；检测机构，所述检测机构设于所述驱动机构上，所述检测机构包括传感器和摄像头，用于检测路况并将信息传输至所述驱动机构。本发明具有结构和控制简单、成本低、易于制造、环境适应性强的有益效果。

Description

一种柔性机器人及其制备方法

技术领域

本发明涉及软体机器人领域，具体涉及一种柔性机器人及其制备方法。

背景技术

传统的蛇形机器人多采用刚性结构，在结构上大多采用模块化设计，各个关节之间的连接方式主要有平行连接、正交连接和万向连接等。采用平行连接方式的蛇形机器人各个关节模块之间转动副的轴线相互平行，机器人可以实现平面二维运动。采用正交连接的蛇形机器人相邻两个关节之间的转动副轴线相互垂直，可以实现三维运动。采用万向连接方式可以使蛇形机器人关节实现任意方向的转动，机器人的运动也更加灵活，但是这几种连接方式的机械结构都相对复杂。

如中国专利CN104002888B公开的一种基于四边形机构的蛇形机器人，由若干个相同的模块首尾依次相连组成，每个模块均由四边形机构、偏转关节舵机、偏转关节舵机舵臂、第三外壳、翻滚关节舵机及翻滚关节舵机舵臂组成；四边形机构由第一外壳、第二外壳、伸缩杆及上、下横杆组成。再如中国专利CN103341855A公开的一种可伸缩蛇形机器人，由8-15个结构完全相同的连接板及连接它们的串联分支组成，相邻两个连接板通过呈三角形分布的结构相同的3个串联分支连接构成并联机构单元模块；每个串联分支中的舵机及舵机架固连，舵机输出轴与驱动杆的一端固连，该驱动杆的另一端通过转动副与从动杆的一端连接，其中第一分支和第二分支的舵机架与连接板固连、第三分支的从动杆的另一端通过万向铰与上述连接板连接，上述第一分支和第二分支的从动杆的另一端通过万向铰与另一个连接板连接、第三分支的舵机架与上述另一个连接板固连；相邻两个模块中第三分支中的舵机输出轴布置方向相反。上述现有技术分别采用平行连接和万向连接的方式，整体存在结构复杂、笨重、人机交互性差和环境适应差等问题，其根本原因就在于仿生性低、结构运动连续性较差，难以准确的模拟生物的运动姿态。

经研究文献发现，目前大量的工作用于研制弯曲致动器的结构和控制，形状记忆合金和电活性聚合物可以直接制作成弯曲结构，同时有关弯曲模块的特性测定实验也大量开展。如哈佛大学，伍斯特理工学院，MIT，新加坡国立大学等研制的基于气体驱动的硅橡胶软体弯曲模块等。而有关扭转软体模块的研究很少，仍然处在原型阶段。但是软体扭转模块相对于弯曲模块具有很多特殊的优势，同样有广泛的应用前景。从软体仿生角度，仔细观察动物的运动方式，如人和动物的肢体、关节等，不仅有弯曲作用，也有扭转的作用；很多软体爬行动物如蛇，蚯蚓等身体也可实现扭曲。从通过狭窄空间角度，扭转运动更容易克服阻力，使软体变形，从而顺利通过狭小的空洞。从运动形式角度，弯曲模块虽然可以通过串联形成超冗余机械臂，但是仍然缺少扭转的自由度，导致运动形式单一，有些空间位置和姿态不易到达。从控制角度，虽然三腔弯曲模块就可以实现全向的运动，但是需要每个腔复杂的配合，给控制增加了很大的难度。

综上，现有技术存在如下问题：

1）传统刚性蛇形机器人，结构复杂、笨重、人机交互性差和环境适应差；

2）现有软体机器人运动形式单一；

3）现有运动形式多样的软体机器人控制复杂。

发明内容

本发明意在提供一种柔性机器人及其制备方法，以解决现有技术中存在的不足，本发明要解决的技术问题通过以下技术方案来实现。

一种柔性机器人，包括柔性基体，所述柔性基体内设有若干交错气腔，所述交错气腔在所述柔性基体内沿中轴线的四周均匀分布，所述交错气腔中部弯曲形成弯曲部I，所述交错气腔的弯曲部I互相不重叠，所述弯曲部I的表面包覆有纤维层；驱动机构，所述驱动机构位于前端并与所述柔性基体密封连接，所述驱动机构为液压驱动机构或气压驱动机构，用于驱动柔性基体的运动；端盖，所述端盖设于所述驱动机构与所述柔性基体之间并分别与所述驱动机构和所述柔性基体密封连接，用于连通所述驱动机构和所述柔性基体；检测机构，所述检测机构设于所述驱动机构上，所述检测机构包括传感器和摄像头，用于检测路况并将信息传输至所述驱动机构。

优选的，所述交错气腔与所述端盖相连接的端部安装有快速接头。

优选的，所述端盖的下端设有凹槽，所述端盖的上端设有中心孔，所述中心孔与所述凹槽相连通，所述中心孔与所述凹槽围合成的空间尺寸与所述快速接头的尺寸相匹配，所述快速接头穿过所述凹槽和所述中心孔与所述驱动机构相连接。

优选的，所述柔性基体的内部设有若干侧气腔，所述侧气腔分别与所述交错气腔间隔排列并沿所述柔性基体的中轴线的四周均匀分布。

优选的，所述端盖上设有与所述侧气腔位置相对应的通孔。

优选的，所述侧气腔内设有柔性导管，所述柔性导管与所述侧气腔的端部密封连接。

优选的，所述柔性基体的中轴线位置设有中心通道。

一种柔性机器人的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：制作柔性基体的模具；分别制作底座、交错弹性气腔、铸模外壳、侧气腔模具和中心棒，并在所述交错弹性气腔的内层涂抹低硬度二氧化硅凝胶；

步骤二：采用纤维包括交错弹性气腔的弯曲部II；

步骤三：组装模具并进行铸造；将弯曲部II被包裹后的交错弹性气腔、铸模外壳和中心棒插入底座相应的定位孔中，采用低硬度硅树脂浇灌，固化后将铸模外壳、中心棒和底座拆离；

步骤四：将若干柔性基体进行组装；

步骤五：安装端盖。

优选的，步骤四中，组装柔性基体的方法为：将相邻两个柔性基体的交错气腔相互对齐并进行粘接固定；

步骤五中，安装端盖的方法为：将接头I、接头II和快速接头依次粘接在柔性基体的端部，将快速接头从端盖上的中心孔中穿出，然后用硅胶粘合剂将端盖固定在柔性基体的端部。

优选的，步骤四中，组装柔性基体的方法为：

S1：在柔性导管的两端安装导管接头；

S2：将导管接头和柔性导管的组装体安装在侧气腔内，其中，导管接头分别安装于侧气腔的两端，柔性导管置于侧气腔内；

S3：将柔性基体的交错气腔与相邻柔性基体的侧气腔对齐并进行粘接固定；

步骤五中，安装端盖的方法为，将接头I、接头II和快速接头依次粘接在柔性基体的端部，将快速接头从端盖上的中心孔中穿出，将柔性导管从端盖上的通孔中穿出，然后用硅胶粘合剂将端盖固定在柔性基体的端部。

综上，本发明提供的一种柔性机器人及其制备方法，具有如下有益效果：

1）由于柔性基体固有的柔顺性和弹性，可以经受扭曲、拉伸、压缩等变形，可以根据工作任务的需求改变自身的形状、角度和尺寸，具有更高的安全性和环境相容性；

2）可以实现陆地和水下的不同环境作业，可以实现机器人的两栖运动与远程控制；

3）结构简单，高能量重量比；

4）通过简单的控制可以实现弯曲的运动姿态；

5）设计灵活，易于制造，可以根据需要进行无限长度的结构重复，成本低廉。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中柔性基体的结构示意图；

图3为本发明中柔性导管的安装示意图；

图4为本发明的另一实施例的结构示意图；

图5为本发明的柔性基体的制作方法示意图；

图6为本发明的制作方法示意图；

图7为本发明的端盖的一种实施例的示意图；

图8为本发明的柔性基体产生弯曲形变的示意图；

附图中的附图标记依次为：1、柔性基体，11、交错气腔，12、侧气腔，13、中心通道，14、弯曲部I，2、端盖，21、凹槽，22、中心孔，23、通孔，3、快速接头，4、柔性导管，5、导管接头，6、接头I，7、接头II，81、底座，82、交错弹性气腔，821、弯曲部II，83、铸模外壳，84、侧气腔模具，85、中心棒。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1：

参照图1和图2所示，一种柔性机器人，其改进之处在于：包括柔性基体1，所述柔性基体1内设有若干交错气腔11，所述交错气腔11在所述柔性基体1内沿中轴线的四周均匀分布，所述交错气腔11中部弯曲形成弯曲部I14，所述交错气腔11的弯曲部I14互相不重叠，所述弯曲部I14的表面包覆有纤维层；驱动机构，所述驱动机构位于前端并与所述柔性基体1密封连接，所述驱动机构为液压驱动机构或气压驱动机构，用于驱动柔性基体1的运动；端盖2，所述端盖2设于所述驱动机构与所述柔性基体1之间并分别与所述驱动机构和所述柔性基体密封连接，用于连通所述驱动机构和所述柔性基体1；检测机构，所述检测机构设于所述驱动机构上，所述检测机构包括传感器和摄像头，用于检测路况并将信息传输至所述驱动机构。

进一步的，每个柔性基体1内交错气腔11的数量为二。

本实施例中，柔性基体1采用低硬度树脂制成，其本身具有柔顺性和弹性，可以经受扭曲、拉伸、压缩等变形，可以根据工作任务的需求改变自身的形状、角度和尺寸，具有更高的安全性和环境相容性；驱动机构包括电池、电机、泵和电磁阀，驱动机构中电池给微型电机和微型电磁阀供电，电机带动微型泵向交错气腔中泵入流体，微型电磁阀控制流体进入交错气腔11的顺序以及速度，采用气动驱动机构进行驱动时，空气可以作为其能源，采用液压驱动机构进行驱动时，河流湖泊中的水可以作为其能源，可以实现陆地和水下的不同环境作业，有效利用自然环境，更加节能环保，实现机器人的两栖运动，环境适应性更强，驱动系统使得柔性机器人摆脱外部能源的束缚，可以在野外进行长时间的自主运动；检测机构的设置，可以及时的检测路况并反馈给驱动机构，以便及时进行姿态或速度调整；柔性基体1内的交错气腔11在所述柔性基体1内沿中轴线的四周均匀分布，交错气腔11的弯曲部I14互相不重叠，如图8所示，向交错气腔11中分别循环通入不同压强的气体或不同流速的液体，利用两个腔体相同时刻在不同流体压力下的弯曲膨胀不同，柔性基体1向低压侧产生弯曲形变，借助弯曲部I14的交错式排布，实现柔性基体的S形弯曲，弯曲部I14的表面包覆有纤维层，抑制弯曲部I14的径向膨胀，避免该段腔体在流体驱动过程中由于交错气腔11的形变而产生的不可控的扭转变形；当同一时刻两个交错气腔11中流体的压力相同时，柔性基体1可以实现轴向的伸长。

进一步的，所述柔性基体1的中轴线位置设有中心通道13，中心通道13具有减重、减刚度的作用。

实施例2：

在实施例1的基础上，所述交错气腔11与所述端盖2相连接的端部安装有快速接头3。

进一步的，所述端盖2的下端设有凹槽21，所述端盖2的上端设有中心孔22，所述中心孔22与所述凹槽21相连通，所述中心孔22与所述凹槽21围合成的空间尺寸与所述快速接头3的尺寸相匹配，所述快速接头3穿过所述凹槽21和所述中心孔22与所述驱动机构相连接。

本实施例中，驱动机构通过快速接头3分别向交错气腔11内供入不同压力的流体，将若干柔性基体1串联连接，可模拟蛇的蜿蜒运动，实现仿生蛇形机器人的运动形式。

实施例3：

在实施例2的基础上，所述柔性基体1的内部设有若干侧气腔12，所述侧气腔12分别与所述交错气腔11间隔排列并沿所述柔性基体1的中轴线的四周均匀分布。

进一步的，每个所述柔性基体1内的侧气腔12的数量为二。

进一步的，所述端盖2上设有与所述侧气腔12位置相对应的通孔23。

进一步的，参照图3所示，所述侧气腔12内设有柔性导管4，所述柔性导管4与所述侧气腔12的端部密封连接。

本实施例中，将柔性基体1交错式连接，通过驱动机构分别向交错气腔11和侧气腔12中通入不同压力的流体，使得相邻的两个柔性基体1分别产生左右和高低的S形弯曲形变，以适应不同的环境和地形，此处柔性导管4置于侧气腔12中，不引起侧气腔12的形变，用于向相邻的交错气腔11内充入流体。

实施例4：

参照图1至图6所示，一种柔性机器人的制备方法，其改进之处在于：包括如下步骤：

步骤一：制作柔性基体1的模具；分别制作底座81、交错弹性气腔82、铸模外壳83、侧气腔模具84和中心棒85，并在所述交错弹性气腔82的内层涂抹低硬度二氧化硅凝胶；

步骤二：采用纤维包括交错弹性气腔82的弯曲部II821；

步骤三：组装模具并进行铸造；将弯曲部II821被包裹后的交错弹性气腔82、铸模外壳83和中心棒85插入底座相应的定位孔中，采用低硬度硅树脂浇灌，固化后将铸模外壳83、中心棒85和底座81拆离；

步骤四：将若干柔性基体1进行组装；

步骤五：安装端盖2。

进一步的，步骤一中，底座81、交错弹性气腔82、铸模外壳83、侧气腔模具84和中心棒85由ABS材料3D打印而成。

进一步的，步骤一中，所述低硬度二氧化硅凝胶的厚度为1.5mm，低硬度二氧化硅凝胶的软度大于低硬度硅树脂，更便于后续的脱模。

进一步的，步骤二中，纤维用于抑制由交错弹性气腔82开模形成的腔体内充入流体时的径向膨胀。

实施例5：

在实施例4的基础上，参照图4和图7所示，

步骤四中，组装柔性基体1的方法为：将相邻两个柔性基体1的交错气腔11相互对齐并进行粘接固定；

步骤五中，安装端盖2的方法为：将接头I6、接头II7和快速接头3依次粘接在柔性基体1的端部，将快速接头3从端盖2上的中心孔22中穿出，然后用硅胶粘合剂将端盖2固定在柔性基体1的端部。

本实施例中，将若干柔性基体1串联连接，可模拟蛇的蜿蜒运动，实现仿生蛇形机器人的运动形式。

实施例6：

在实施例4的基础上，参照图1和图6所示，步骤四中，组装柔性基体1的方法为：

S1：在柔性导管4的两端安装导管接头5；

S2：将导管接头5和柔性导管4的组装体安装在侧气腔12内，其中，导管接头5分别安装于侧气腔12的两端，柔性导管4置于侧气腔12内；

S3：将柔性基体1的交错气腔11与相邻柔性基体1的侧气腔12对齐并进行粘接固定；

步骤五中，安装端盖2的方法为，将接头I6、接头II7和快速接头3依次粘接在柔性基体1的端部，将快速接头3从端盖2上的中心孔22中穿出，将柔性导管4从端盖2上的通孔23中穿出，然后用硅胶粘合剂将端盖2固定在柔性基体1的端部。

本实施例中，将柔性基体1交错式连接，通过驱动机构分别向交错气腔11和侧气腔12中通入不同压力的流体，使得相邻的两个柔性基体1分别产生左右和高低的S形弯曲形变，以适应不同的环境和地形，此处柔性导管4置于侧气腔12中，不引起侧气腔12的形变，用于向相邻的交错气腔11内充入流体。

应该指出，上述详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语均具有与本申请所属技术领域的普通技术人员的通常理解所相同的含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请所述的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位，如旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

在上面详细的说明中，参考了附图，附图形成本文的一部分。在附图中，类似的符号典型地确定类似的部件，除非上下文以其他方式指明。在详细的说明书、附图及权利要求书中所描述的图示说明的实施方案不意味是限制性的。在不脱离本文所呈现的主题的精神或范围下，其他实施方案可以被使用，并且可以作其他改变。

以上所述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 (7)

1.一种柔性机器人，其特征在于：包括柔性基体（1），所述柔性基体（1）内设有若干交错气腔（11），所述交错气腔（11）在所述柔性基体（1）内沿中轴线的四周均匀分布，所述交错气腔（11）中部弯曲形成弯曲部I（14），所述交错气腔（11）的弯曲部I（14）互相不重叠，所述弯曲部I（14）的表面包覆有纤维层，所述柔性基体（1）的内部设有若干侧气腔（12），所述侧气腔（12）分别与所述交错气腔（11）间隔排列并沿所述柔性基体（1）的中轴线的四周均匀分布, 所述侧气腔（12）内设有柔性导管（4），所述柔性导管（4）与所述侧气腔（12）的端部密封连接；驱动机构，所述驱动机构位于前端并与所述柔性基体（1）密封连接，所述驱动机构为液压驱动机构或气压驱动机构，用于驱动柔性基体（1）的运动；端盖（2），所述端盖（2）设于所述驱动机构与所述柔性基体（1）之间并分别与所述驱动机构和所述柔性基体密封连接，用于连通所述驱动机构和所述柔性基体（1）, 所述端盖（2）上设有与所述侧气腔（12）位置相对应的通孔（23）；检测机构，所述检测机构设于所述驱动机构上，所述检测机构包括传感器和摄像头，用于检测路况并将信息传输至所述驱动机构。

2.根据权利要求1所述的一种柔性机器人，其特征在于：所述交错气腔（11）与所述端盖（2）相连接的端部安装有快速接头（3）。

3.根据权利要求2所述的一种柔性机器人，其特征在于：所述端盖（2）的下端设有凹槽（21），所述端盖（2）的上端设有中心孔（22），所述中心孔（22）与所述凹槽（21）相连通，所述中心孔（22）与所述凹槽（21）围合成的空间尺寸与所述快速接头（3）的尺寸相匹配，所述快速接头（3）穿过所述凹槽（21）和所述中心孔（22）与所述驱动机构相连接。

4.根据权利要求1所述的一种柔性机器人，其特征在于：所述柔性基体（1）的中轴线位置设有中心通道（13）。

5.一种如权利要求1-4任一所述的柔性机器人的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：制作柔性基体（1）的模具；分别制作底座（81）、交错弹性气腔（82）、铸模外壳（83）、侧气腔模具（84）和中心棒（85），并在所述交错弹性气腔（82）的内层涂抹低硬度二氧化硅凝胶；

步骤二：采用纤维包裹交错弹性气腔（82）的弯曲部II（821）；

步骤三：组装模具并进行铸造；将弯曲部II（821）被包裹后的交错弹性气腔（82）、铸模外壳（83）和中心棒（85）插入底座相应的定位孔中，采用低硬度硅树脂浇灌，固化后将铸模外壳（83）、中心棒（85）和底座（81）拆离；

步骤四：将若干柔性基体（1）进行组装；

步骤五：安装端盖（2）。

6.根据权利要求5所述的一种柔性机器人的制备方法，其特征在于：

步骤四中，组装柔性基体（1）的方法为：将相邻两个柔性基体（1）的交错气腔（11）相互对齐并进行粘接固定；

步骤五中，安装端盖（2）的方法为：将接头I（6）、接头II（7）和快速接头（3）依次粘接在柔性基体（1）的端部，将快速接头（3）从端盖（2）上的中心孔（22）中穿出，然后用硅胶粘合剂将端盖（2）固定在柔性基体（1）的端部。

7.根据权利要求5所述的一种柔性机器人的制备方法，其特征在于：

步骤四中，组装柔性基体（1）的方法为：

S1：在柔性导管（4）的两端安装导管接头（5）；

S2：将导管接头（5）和柔性导管（4）的组装体安装在侧气腔（12）内，其中，导管接头（5）分别安装于侧气腔（12）的两端，柔性导管（4）置于侧气腔（12）内；

S3：将柔性基体（1）的交错气腔（11）与相邻柔性基体（1）的侧气腔（12）对齐并进行粘接固定；

步骤五中，安装端盖（2）的方法为，将接头I（6）、接头II（7）和快速接头（3）依次粘接在柔性基体（1）的端部，将快速接头（3）从端盖（2）上的中心孔（22）中穿出，将柔性导管（4）从端盖（2）上的通孔（23）中穿出，然后用硅胶粘合剂将端盖（2）固定在柔性基体（1）的端部。

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