CN114378805B - 一种可检测弯曲状态的四足爬行气动软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可检测弯曲状态的四足爬行气动软体机器人。软体机器人主体的身体上嵌装有机器人驱动控制模块和传感器信号采集模块，软体机器人主体的四肢分别固定安装有对应的柔性拉伸应变传感器，机器人驱动控制模块通过传感器信号采集模块与各个柔性拉伸应变传感器电连接，软体机器人主体的四肢的弯曲状态通过各个柔性拉伸应变传感器采集传感信号，各个柔性拉伸应变传感器将传感信号通过传感器信号采集模块发送给机器人驱动控制模块，实现软体机器人弯曲状态的检测。本发明实现肢体弯曲状态的检测，实时反馈机器人肢体弯曲状态，避免为确保充气完全而增加充气时间，提高机器人爬行速度，监测驱动故障，克服了传统软体机器人开环控制的局限性。

Description

一种可检测弯曲状态的四足爬行气动软体机器人

技术领域

本发明属于软体机器人领域的一种爬行气动软体机器人，具体涉及一种可检测弯曲状态的四足爬行气动软体机器人。

背景技术

传统的刚性机器人速度快、力量大、精度高，但是受到刚性碰撞后极易损坏，而软体机器人使用柔性材料制作，具有更好的灵活性和适应性，在受到撞击后发生变形，撞击消失后又可以很快恢复为原来的形状。传统的软体机器人采用外接线缆提供能量，在柔软灵活的执行系统后面由驱动系统提供电能或高压流体，其体积大、重量大、噪声大的弊端明显；一些软体机器人逐渐在结构上集成执行系统、驱动系统、传感和控制系统，本质上是实现了集成化的设计，使得机器人能独立自主地完成任务，胜任一些复杂特种场景的工作任务，如探索未知复杂环境、搬运货物、医疗康复等。

集成在软体机器人上的传感器主要分为两类，一是传统的外部传感器，例如搭载视觉相机的方式来为机器人提供导航、识别的功能，并通过机器学习优化机器人的运动控制策略，但这种方式主要还是利用传感器检测机器人和周围环境间的交互关系；二是集成新型的柔性传感器去捕捉机器人自身状况，有利于形成闭环控制。目前集成在软体机器人上的柔性传感器主要采取两种方式，一是直接将现有的商用柔性传感器嵌入到软体机器人中，但是会由于传感器的材料和软体机器人的材料不同而导致软体机器人灵活性受到抑制或传感器易剥离、测量范围小等缺点；二是在制造软体机器人时，直接将柔性传感器三维打印到软体机器人的结构中，但也存在传感器替换性差、维护难的问题，所以软体机器人传感系统仍是一大难点。

此外，对于流体驱动的集成式软体机器人还存在能量源体积受限、运动速度缓慢、响应延迟明显等问题，设计空腔运动执行器时也需要考虑到载荷能力、最大弯曲角度等因素。由于柔性材料的特性，在实际使用过程中，空腔在正压或负压状态下的变形程度并不是均匀的，会受到空腔截面形状、壁厚、高度、长度等影响，并且多个空腔连接而成的驱动器还会存在各个空腔之间的变形耦合影响，以及空腔在驱动器上的位置也会影响该段空腔处的弯曲程度。这些影响在宏观上表现为软体机器人运动时四肢弯曲曲率存在差异，产生的拉伸应力也不同，传统的柔性传感器很难在软体机器人的整个运动周期过程中保持正常工作，容易发生不可控的剥离或断裂，且测量范围小、灵敏度较低。针对以上情况，有必要开发一种基于新型柔性拉伸应变传感器可检测弯曲状态的软体机器人。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一个可检测弯曲状态的四足爬行气动软体机器人，采用新型的柔性拉伸应变传感器集合到机器人肢体上实时检测机器人肢体弯曲状态与机器人整体的运动状态。

本发明所采用的技术方案如下：

本发明包括软体机器人主体、柔性拉伸应变传感器、机器人驱动控制模块、传感器信号采集模块；

软体机器人主体的身体上嵌装有机器人驱动控制模块和传感器信号采集模块，软体机器人主体的四肢分别固定安装有对应的柔性拉伸应变传感器，机器人驱动控制模块通过传感器信号采集模块与各个柔性拉伸应变传感器电连接，软体机器人主体的四肢的弯曲状态通过各个柔性拉伸应变传感器采集传感信号，各个柔性拉伸应变传感器将传感信号通过传感器信号采集模块发送给机器人驱动控制模块，实现软体机器人弯曲状态的检测。

所述每个柔性拉伸应变传感器的结构相同，具体包括传感器主体、应变信号读取接口和固定插销；

各个柔性拉伸应变传感器安装在软体机器人主体的四肢的表面，软体机器人主体的四肢的表面均开设有机器人肢体凹槽，靠近机器人肢体凹槽两端的软体机器人主体的四肢的表面中还分别开设有插销安装槽，每个插销安装槽与机器人肢体凹槽之间的壁中开设有矩形通孔，传感器主体的两端均设置有安装接口，传感器主体两端的安装接口分别从机器人肢体凹槽穿过对应的矩形通孔后设置在对应的插销安装槽中，再通过固定插销插入对应的安装接口将传感器主体两端的安装接口固定安装在插销安装槽中，从而使得传感器主体安装在机器人肢体凹槽中；靠近安装接口的传感器主体两端均嵌装有应变信号读取接口，两端的应变信号读取接口与传感器信号采集模块电连接。

当各个柔性拉伸应变传感器安装在软体机器人主体的四肢的上表面时，各个柔性拉伸应变传感器的上表面均设置有凸起结构；

当各个柔性拉伸应变传感器安装在软体机器人主体的四肢的侧面时，各个柔性拉伸应变传感器的两侧面均设置有凸起结构；

所述凸起结构具体为：

柔性拉伸应变传感器的上表面或侧面设置有多个沿柔性拉伸应变传感器的自身长度方向间隔排布的凸起块，多个凸起块之间沿沿柔性拉伸应变传感器的自身长度方向平行布置，沿柔性拉伸应变传感器的自身长度方向远离软体机器人主体身体的相邻两个凸起块之间的间距逐渐增大。

所述软体机器人主体包括机器人身体、四个机器人肢体和应变限制层；

机器人身体的每端分别对称的固定安装有两个机器人肢体，机器人身体每端的两个机器人肢体之间成夹角布置，机器人身体两端的四个机器人肢体关于机器人身体对称布置并构成软体机器人主体的四肢，机器人身体和四个机器人肢体均固定安装在应变限制层上。

所述机器人身体上表面中部开有机器人身体凹槽，机器人身体凹槽嵌装有机器人驱动控制模块和传感器信号采集模块；机器人身体对称设置，机器人身体凹槽两侧的机器人身体分别设置有两个身体伸展结构，两个身体伸展结构对称布置，每个身体伸展结构具体为：

机器人身体一侧的上表面沿机器人身体的自身伸展方向等间隔地开设有多个条形槽，各个条形槽均不贯穿于机器人身体底面，各个条形槽之间沿机器人身体的自身伸展方向平行设置；机器人身体一侧的底面开设有气体槽，机器人身体底面与应变限制层连接后一侧的气体槽构成密封的气体腔体，气体腔体被多个条形槽分隔为多个空腔和底部空气通道，各个空腔之间通过底部空气通道相互连通，机器人身体一侧的气体腔体中设置有3个充气气阀，3个充气气阀均与机器人驱动控制模块连接，其中一个充气气阀与机器人身体的气体腔体连接；另外两个充气气阀分别通过气管与机器人身体同一侧的两端的机器人肢体连接。

所述四个机器人肢体的结构相同，每个机器人肢体中设置有肢体弯曲结构，所述肢体弯曲结构具体为：机器人肢体的上表面沿机器人肢体的自身长度方向等间隔地开设有多个条形槽，各个条形槽均不贯穿于机器人肢体底面，各个条形槽之间沿机器人肢体的自身伸展方向平行设置；机器人肢体的底面开设有气体槽，机器人肢体底面与应变限制层连接后气体槽构成密封的气体腔体，气体腔体被多个条形槽分隔为多个空腔和底部空气通道，各个空腔之间通过底部空气通道相互连通，机器人肢体靠近机器人身体的一端面设置有联通气阀，联通气阀保持常开并通过气管与机器人身体连接，机器人驱动控制模块控制充气气阀的开闭并为机器人肢体的气体腔体充气。

所述应变信号读取接口由铜针、绝缘硅胶和信号传输导线构成；铜针的一端焊接上信号传输导线并且由绝缘硅胶包覆，铜针的另一端插入到传感器主体端部中，通过信号传输导线与传感器信号采集模块相连，由传感器信号采集模块接收传感信号。

本发明的有益效果是：

1)本发明搭载的柔性拉伸应变传感器面对实际运动过程中机器人肢体非均匀弯曲的情况，可以依靠外部封装层表面设置的特殊凸起结构减小传感器主体上该结构对应位置的应力集中现象，克服传统柔性传感器在空腔制动器弯曲过程中可能出现的不可控断裂或剥离的缺点，在软体机器人的整个运动过程中维持正常工作，提高了信号稳定性以及线性度。

2)本发明搭载的柔性拉伸应变传感器所用柔性基底、纳米导电材料具有较高的检测灵敏度，在保持这一优势的同时应用外部封装结构能够增大测量范围、提高稳定性，在运动检测过程中能充分发挥软体机器人本身的灵活性和适应性。

3)本发明集成柔性拉伸应变传感器采用嵌入式的机械结构与安装接口，在保证传感信号有效采集的同时，克服了传统柔性传感器集成到软体机器人上易出现的替换性、维护性差的缺点，可以根据实际使用需求调整传感器的结构与设计。

4)本发明基于柔性拉伸应变传感器的检测弯曲状态功能，由传感器主体电阻值的变化反映机器人肢体的弯曲状态，避免机器人为确保充气完全而增加充气时间，提高机器人爬行速度，完成驱动故障监测，在应对一些特种工作场景方面有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的三维结构爆炸图；

图2(a)和图2(b)分别是机器人身体和四肢的俯视结构示意图和仰视结构示意图；

图3(a)和图3(b)、图3(c)分别是机器人主体俯视图和对应的A-A面、B-B面剖视图；

图4是柔性拉伸应变传感器结构示意图；

图5(a)、图5(b)分别是凸起结构设置于上表面的传感器主体俯视结构示意图和对应的G-G面剖视图，图5(c)、图5(d)分别是凸起结构设置于侧表面的传感器主体俯视结构示意图和正视结构示意图；

图6(a)、图6(b)分别是传感器集成在机器人肢体的上表面和侧面的装配示意图；

图7是应变信号读取接口的结构示意图；

图8(a)、图8(b)分别是机器人肢体处于伸直状态和弯曲状态的立体剖面示意图；

图9是软体机器人主体四种运动状态示意图；

图10是软体机器人波浪式前进运动示意图；

图11是软体机器人行走式前进运动示意图；

图12是软体机器人行走式向左运动示意图；

图13是软体机器人行走式向右运动示意图；

图中：应变限制层1，机器人身体2，机器人肢体3，柔性拉伸应变传感器4，传感器信号采集模块5，机器人驱动控制模块6，机器人主体7，机器人肢体凹槽9，充气气阀11，机器人身体凹槽12，空腔13，底部空气通道14，联通气阀15，分界面16，薄壁17，矩形通孔18，传感器主体19，应变信号读取接口20，凸起结构21，固定插销22，安装接口23，外部封装层24，柔性基底25，导电敏感层26，铜针30，绝缘硅胶31，信号传输导线32，厚壁33，微观丝状导电通路34。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括软体机器人主体7、柔性拉伸应变传感器4、机器人驱动控制模块6、传感器信号采集模块5；

软体机器人主体7的身体上嵌装有机器人驱动控制模块6和传感器信号采集模块5，软体机器人主体7的四肢分别固定安装有对应的柔性拉伸应变传感器4，机器人驱动控制模块6通过传感器信号采集模块5与各个柔性拉伸应变传感器4电连接，软体机器人主体7的四肢的弯曲状态通过各个柔性拉伸应变传感器4采集传感信号，各个柔性拉伸应变传感器4将传感信号通过传感器信号采集模块5发送给机器人驱动控制模块6，实现软体机器人弯曲状态的检测。

软体机器人主体7包括机器人身体2、四个机器人肢体3和应变限制层1；

机器人身体2的每端分别对称的固定安装有两个机器人肢体3，机器人身体2每端的两个机器人肢体3之间成夹角布置，机器人身体2两端的四个机器人肢体3关于机器人身体2对称布置并构成软体机器人主体7的四肢，机器人身体2和四个机器人肢体3均固定安装在应变限制层1上。

如图2a、图2b、图3a、图3b和图3c所示，机器人身体2上表面中部开有机器人身体凹槽12，机器人身体凹槽12嵌装有机器人驱动控制模块6和传感器信号采集模块5；机器人身体2对称设置，机器人身体凹槽12两侧的机器人身体2分别设置有两个身体伸展结构，两个身体伸展结构对称布置，每个身体伸展结构具体为：

机器人身体2一侧的上表面沿机器人身体2的自身伸展方向等间隔地开设有多个条形槽，机器人身体2的自身伸展方向与机器人身体2每端的两个机器人肢体3构成的角平分线平行，各个条形槽均不贯穿于机器人身体2底面，各个条形槽之间沿机器人身体2的自身伸展方向平行设置；机器人身体2一侧的底面开设有气体槽，机器人身体2底面与应变限制层1连接后一侧的气体槽构成密封的气体腔体，气体腔体被多个条形槽分隔为多个空腔13和，各个空腔13之间相互连通，空腔13与相邻条形槽之间的腔壁的厚度小于空腔13与机器人身体凹槽12之间的腔壁的厚度、应变限制层1自身的厚度、空腔13剩余两个腔壁的厚度，将空腔13与相邻条形槽之间的腔壁作为薄壁17，将空腔13与机器人身体凹槽12之间的腔壁、空腔13下方的应变限制层1以及空腔13剩余两个腔壁作为厚壁33。机器人身体2的气体腔体中设置有3个充气气阀11，3个充气气阀11均与机器人驱动控制模块6连接，其中一个充气气阀11与机器人身体2的气体腔体连接；另外两个充气气阀11分别通过气管与机器人身体2同一侧的两端的机器人肢体3的联通气阀15连接，机器人驱动控制模块6控制充气气阀11的开闭并为机器人身体2的气体腔体以及机器人肢体3的气体腔体充气。

四个机器人肢体3的结构相同，每个机器人肢体3中设置有肢体弯曲结构，肢体弯曲结构具体为：机器人肢体的上表面沿机器人肢体3的自身长度方向等间隔地开设有多个条形槽，各个条形槽均不贯穿于机器人肢体3底面，各个条形槽之间沿机器人肢体3的自身伸展方向平行设置；机器人肢体3的底面开设有气体槽，机器人肢体3底面与应变限制层1连接后气体槽构成密封的气体腔体，气体腔体被多个条形槽分隔为多个空腔13和底部空气通道14，各个空腔13之间通过底部空气通道14相互连通，空腔13与相邻条形槽之间的腔壁的厚度小于空腔13与机器人肢体凹槽9之间的腔壁的厚度、应变限制层1自身的厚度、空腔13剩余两个腔壁的厚度，将空腔13与相邻条形槽之间的腔壁作为薄壁17，将空腔13与机器人肢体凹槽9之间的腔壁、空腔13下方的应变限制层1以及空腔13剩余两个腔壁作为厚壁33。机器人肢体3靠近机器人身体2的一端面(即机器人肢体3与机器人身体2之间的分界面16)设置有联通气阀15，联通气阀15保持常开并通过气管与机器人身体2同侧的充气气阀11连接，机器人驱动控制模块6控制充气气阀11的开闭并为机器人肢体3的气体腔体充气。

具体实施中，机器人身体2和机器人肢体3由硅橡胶浇铸模具一体成型构成软体机器人壳体，软体机器人壳体的底面与应变限制层1密封连接后共同构成软体机器人主体7，应变限制层1为比硅橡胶弹性模量更高的材料所制备而成。当充气气阀11打开并向机器人肢体3及机器人身体2的底部空气通道气体腔体充气时，空腔13发生膨胀，空腔之间的薄壁17处膨胀形变量最大，同时应变限制层1变形量小于上表面的机器人身体2及机器人肢体3，且不发生膨胀，导致机器人肢体3沿自身长度方向向下弯曲，之后软体机器人主体7进行爬行运动。

如图4所示，每个柔性拉伸应变传感器4的结构相同，具体包括传感器主体19、应变信号读取接口20和固定插销22；

各个柔性拉伸应变传感器4安装在软体机器人主体7的四肢(即四个机器人肢体3)的表面，软体机器人主体7的四肢的表面均开设有机器人肢体凹槽9，靠近机器人肢体凹槽9两端的软体机器人主体7的四肢的表面中还分别开设有插销安装槽，每个插销安装槽与机器人肢体凹槽9之间的壁中开设有矩形通孔18，传感器主体19的两端均设置有安装接口23，传感器主体19两端的安装接口23分别从机器人肢体凹槽9穿过对应的矩形通孔18后设置在对应的插销安装槽中，再通过固定插销22插入对应的安装接口23将传感器主体19两端的安装接口23固定安装在插销安装槽中，从而使得传感器主体19安装在机器人肢体凹槽9中；靠近安装接口23的传感器主体19两端均嵌装有应变信号读取接口20，两端的应变信号读取接口20与传感器信号采集模块5电连接；机器人肢体3充气弯曲时，传感器主体下表面紧贴在机器人肢体凹槽9表面，由两端的固定插销22与机器人肢体3挤压产生拉应力附加在传感器主体19上，使得传感器主体19随机器人肢体3弯曲产生相应的拉伸变形。

图5a、图5b和图6a所示，当各个柔性拉伸应变传感器4安装在软体机器人主体7的四肢(即四个机器人肢体)的上表面时，仅在各个柔性拉伸应变传感器4的上表面均设置有凸起结构21；

图5c、图5d和图6b所示，当各个柔性拉伸应变传感器4安装在软体机器人主体7的四肢(即四个机器人肢体)的侧面时，具体实施中，每个柔性拉伸应变传感器4安装在机器人肢体的一侧面或者两个侧面，一侧面具体为机器人肢体3的内侧面或者是外侧面，一个软体机器人主体7中柔性拉伸应变传感器4的安装方式相同。仅在各个柔性拉伸应变传感器4的两侧面均设置有凸起结构21；

凸起结构21具体为：

柔性拉伸应变传感器的侧面或上表面设置有多个沿柔性拉伸应变传感器4的自身长度方向间隔排布的凸起块，多个凸起块之间沿沿柔性拉伸应变传感器4的自身长度方向平行布置，沿柔性拉伸应变传感器4的自身长度方向远离软体机器人主体7身体的相邻两个凸起块之间的间距逐渐增大。其中凸起块的形状以及相邻凸起块之间的间距均根据实际需求计算获得，凸起块的形状相同或不同，并且柔性拉伸应变传感器4的自身长度方向与对应机器人肢体3的自身长度方向平行。

本实施例中，凸起结构的形状为半椭圆，与传感器主体19表面通过圆角连接过度；通过凸起结构可以减小传感器主体19上该结构对应区域在拉伸过程中的应力集中现象，抑制柔性基底25以及附着在该基底表面的导电敏感层26的断裂，从而扩大传感器的测量范围、提高传感器性能以及信号稳定性。

传感器主体19上设置凸起结构的表面可根据实际使用情况进行选取，例如：当柔性拉伸应变传感器4嵌入式集成在机器人肢体3的上表面时，传感器主体19与机器人肢体3上的凹槽9接触的下表面是平整的、无特殊结构的，保证传感器贴合在机器人肢体3表面上，提高装配稳定性以及弯曲状态检测的准确性，上表面设置的特殊凸起结构起到性能调控作用；当柔性拉伸应变传感器4集成在机器人肢体3的侧方时，与机器人肢体3贴合的上表面或下表面是无特殊结构的平面，特殊的凸起结构设置在相应的侧表面，配合机器人肢体3的弯曲运动方向起到性能调控作用。

凸起结构的排布方式与尺寸大小可根据实际使用情况进行定制化调节、优化，例如：实际使用过程中机器人身体2需要承载机器人驱动控制模块6、传感器信号采集模块5等重物，机器人肢体3弯曲运动时，机器人身体2可认为是固定端且会给邻近的空腔13一个附加扭矩，在空腔的独立弯曲效果和附加扭矩的影响下，机器人肢体3内部的空腔13即使结构相同也因为与固定端的距离不同使得四肢轴向上不同位置的弯曲形变程度并不均匀，越靠近机器人身体2的位置，形变程度越大，越远离，形变程度越小；因此传感器主体19上表面越靠近机器人身体2区域凸起结构排布更为密集，尺寸应逐渐扩大，靠近机器人肢体3末端区域凸起结构排布更为稀疏，尺寸也应逐渐缩小，从而保证传感器内部导电敏感层26受力均匀，相应的凸起结构也能减少应力抑制断裂，进而从线性程度、拉伸应变程度等方面提高传感性能；此外凸起结构的形状也可改变，如，三角形，可以提高应力集中效应。

机器人驱动控制模块6由微型空气压缩机、继电器、处理器、电路板、高性能电池组和无线通信模块构成，微型空气压缩机、继电器、高性能电池组、处理器和无线通信模块均安装在电路板上，处理器均与微型空气压缩机、继电器和无线通信模块连接，通过处理器控制继电器实现充气气阀11打开与关闭，配合空气压缩机实现身体与四肢的进放气，使得机器人肢体3达到一定的弯曲状态；高性能电池组用于为电路板和空气压缩机供电，具体实施中，还可以用导线外接电源替代电池组，实现为电路板和空气压缩机供电，无线通信模块用于接收远程运动控制指令控制机器人执行各种弯曲动作组合，完成相应的运动目的如向前直线运动或向左向右旋转。

传感器主体19由柔性基底25以及依次附着于柔性基底25外表面的导电敏感层26和外部封装层24构成；

柔性基底25由薄多孔材料(如聚氨酯海绵、三聚氰胺海绵)经激光切割所得，薄多孔材料内部微观多孔结构使其可以作为纳米导电材料的载体；

导电敏感层26由纳米导电材料(如碳纳米材料、纳米金属颗粒)溶于分散剂中并搅拌均匀，获得纳米导电材料混合溶液，将柔性基底25置于纳米导电材料混合溶液中充分浸泡后烘干，直至分散剂完全挥发，使得柔性基底25外表面形成一层导电敏感层26，即纳米导电材料充分覆盖在柔性基底25内部多孔纤维表面，形成微观丝状导电通路34；

外部封装层24由硅橡胶浇注到放置有附着有导电敏感层26的柔性基底25的模具中加温固化成型，其工作表面可设置规则的凸起结构21；未加入外部封装层时，外部拉应力附着在传感器主体上下两端，柔性基底与导电敏感层拉伸产生裂纹，导电通路发生断裂，当柔性基底彻底断裂时发生开路，无法导电，且无法恢复；加入外部封装层24后，传感器主体19受到外界拉应力作用时，柔性基底发生拉伸，由于外部封装材料具有较大的弹性形变范围，导电敏感层26中的微观丝状导电通路34会减少但不会全部断裂，拉应力取消之后能恢复原状，且柔性基底25和外部封装层24的形状和电学性能会恢复至未拉伸状态；外部封装层24可扩大传感器测量范围拉伸性、提高传感器力学性能、延长疲劳寿命、提高传感信号稳定性。

如图7所示，应变信号读取接口20由铜针30、绝缘硅胶31和信号传输导线32构成；铜针30的一端焊接上信号传输导线32并且由绝缘硅胶31包覆，避免外界环境干扰电信号；铜针30的另一端即未被绝缘硅胶31包覆部分完全插入到传感器主体19的柔性基底25端部中，与导电敏感层26形成稳定的接触，构成稳定电路来输出电信号；通过信号传输导线32与传感器信号采集模块5相连，由传感器信号采集模块5接收传感信号。

柔性拉伸应变传感器4的传感原理为：柔性基底25内部多孔纤维表面附着了纳米导电材料后，外部拉应力作用在传感器主体19的上下两端，使传感器主体19产生拉应变，继而改变附着在柔性基底25上的导电敏感层26中微观丝状导电通路34数目，引发传感器主体19的电阻值改变，利用电阻值变化反映外界施加在传感器主体19上的拉伸应力和拉伸应变的大小。

柔性拉伸应变传感器4检测软体机器人弯曲状态过程具体为：

首先对机器人肢体3完全弯曲与伸直状态下的传感器主体19电阻值进行标定，软体机器人运动时由机器人肢体3上集成的四个柔性拉伸应变传感器4分别采集四肢弯曲运动引起的传感器主体19电阻值变化，反映机器人肢体3弯曲程度的大小，传感器信号采集模块5将采集到的数据经过分析处理后传输到机器人驱动控制模块6，由驱动控制模块6分别判断机器人肢体3的弯曲状态以及软体机器人整体的运动状态，然后对比由无线通信模块接收到的远程运动控制指令即一系列运动状态信息，并立即执行预定的下一运动状态所对应的各种弯曲动作，开启或关闭相应的阀门，避免为确保充气完全而增加充气时间，提高软体机器人的爬行速度；此外，机器人驱动控制模块6还能根据传感数据与预先标定的数据对比判断是否出现故障。

图8(a)为机器人肢体伸直状态，当空腔中保持大气压时，不发生膨胀，机器人肢体保持伸直平躺的状态，由传感器信号采集模块记录下此时传感器主体的电阻值R₀；图8(b)为机器人肢体完全弯曲状态，当气阀打开，空腔接正压充气膨胀，薄壁处膨胀形变量最大，同时应变限制层不发生膨胀，且变形量小于上表面的机器人主体，机器人肢体执行K图中的弯曲动作，随着机器人肢体弯曲程度增大，传感器主体的电阻值R也增大，直到充气完全四肢达到K图中最大弯曲状态，由传感器信号采集模块记录下此时传感器主体的电阻值R₁。由于机器人肢体在弯曲运动过程中轴向上不同位置的形变程度并不均匀，取轴向对称中心面为基准，以该中心面的挠度变化表示机器人肢体平均弯曲程度的变化，取R₀与R₁的邻域作为两个极限阈值区域，分别对应机器人肢体伸直状态和完全弯曲状态时的中心面挠度，得到传感器的测量范围。随后在测量范围内分点往复循环多次测试传感器主体的输入与输出值，得到传感器电阻——平均弯曲程度的映射关系。

如图9所示，图9的(a)图是软体机器人伸直平躺状态，图9的(b)是软体机器人两只前脚或后脚充气弯曲，图9的(c)是软体机器人一只前脚或后脚充气弯曲，图9的(d)是软体机器人四只脚全部充气弯曲。

本发明的软体机器人波浪式前进运动工作过程如图10所示：

运动状态0：所有空腔接大气压；

运动状态1：后脚a、b气阀打开，空腔接正压膨胀导致后脚a、b弯曲抬起机器人后部，同时后脚跟部往前移动小段距离；

运动状态2：后脚a、b的空腔保持正压，身体气阀打开充气抬起机器人身体；

运动状态3：机器人肢体及身体的空腔全部接正压，空腔充气弯曲抬起机器人主体；

运动状态4：后脚a、b关闭气阀、空腔接大气压，身体及前脚c、d的空腔保持正压；

运动状态5：前脚c、d的空腔保持正压，身体气阀关闭、空腔接大气压，机器人身体下降且机器人主体重心往前移动；

重复运动状态1-5，软体机器人实现波浪式向前爬行运动；

本发明的软体机器人行走式前进运动工作过程如图11所示：

运动状态0：所有空腔接大气压；

运动状态1：后脚b及身体气阀打开，空腔接正压膨胀导致后脚b弯曲，维持单脚站立姿态；

运动状态2：身体的空腔保持正压，后脚b气阀关闭、空腔接大气压，前脚c气阀打开、空腔接正压，机器人主体重心朝左前方移动小段距离；

运动状态3：所有气阀关闭接大气压；

运动状态4：后脚a及身体气阀打开、空腔接正压，维持单脚站立姿态；

运动状态5：身体的空腔保持正压，后脚a气阀关闭、空腔接大气压，前脚d气阀打开、空腔接正压，机器人主体重心朝右前方移动小段距离；

重复运动状态1-5，软体机器人实现站立式向前爬行运动；

如图12所示，单独重复状态0-1-2，软体机器人实现向左转向运动；

如图13所示，单独重复状态0-4-5，软体机器人实现向右转向运动。

在软体机器人运动过程中，机器人驱动控制模块根据四肢a、b、c、d上嵌入的传感器主体的电阻值判断四肢弯曲状态，组合四肢的弯曲状态信息即得到机器人此时的运动状态，监测接正压四肢的传感器主体电阻值R是否达到R₁邻域，接大气压四肢的传感器主体电阻值R是否达到R₀邻域，待四肢传感器主体电阻值均达到极限阈值区域，根据接收到的远程运动控制指令，立即执行下一运动状态，开启与关闭相应的气阀，减少为确保充气完全而增加充气时间，同时继续监测下一运动状态对应四肢的传感器主体电阻值R是否达到两个极限阈值区域；再根据某一运动状态执行过程中四肢传感器主体对应的输入输出关系判断四肢充气弯曲过程是否正常，如有出现驱动故障，即时反馈给远程控制中心。

Claims (6)

1.一种可检测弯曲状态的四足爬行气动软体机器人，其特征在于：包括软体机器人主体(7)、柔性拉伸应变传感器(4)、机器人驱动控制模块(6)、传感器信号采集模块(5)；

软体机器人主体(7)的身体上嵌装有机器人驱动控制模块(6)和传感器信号采集模块(5)，软体机器人主体(7)的四肢分别固定安装有对应的柔性拉伸应变传感器(4)，机器人驱动控制模块(6)通过传感器信号采集模块(5)与各个柔性拉伸应变传感器(4)电连接，软体机器人主体(7)的四肢的弯曲状态通过各个柔性拉伸应变传感器(4)采集传感信号，各个柔性拉伸应变传感器(4)将传感信号通过传感器信号采集模块(5)发送给机器人驱动控制模块(6)，实现软体机器人弯曲状态的检测；

每个所述柔性拉伸应变传感器(4)的结构相同，具体包括传感器主体(19)、应变信号读取接口(20)和固定插销(22)；

各个柔性拉伸应变传感器(4)安装在软体机器人主体(7)的四肢的表面，软体机器人主体(7)的四肢的表面均开设有机器人肢体凹槽（9），靠近机器人肢体凹槽（9）两端的软体机器人主体(7)的四肢的表面中还分别开设有插销安装槽，每个插销安装槽与机器人肢体凹槽（9）之间的壁中开设有矩形通孔(18)，传感器主体(19)的两端均设置有安装接口(23)，传感器主体(19)两端的安装接口(23)分别从机器人肢体凹槽（9）穿过对应的矩形通孔(18)后设置在对应的插销安装槽中，再通过固定插销(22)插入对应的安装接口(23)将传感器主体(19)两端的安装接口(23)固定安装在插销安装槽中，从而使得传感器主体(19)安装在机器人肢体凹槽（9）中；靠近安装接口(23)的传感器主体(19)两端均嵌装有应变信号读取接口(20)，两端的应变信号读取接口(20)与传感器信号采集模块(5)电连接；

所述软体机器人主体(7)包括机器人身体(2)、四个机器人肢体(3)和应变限制层(1)；

机器人身体(2)的每端分别对称的固定安装有两个机器人肢体(3)，机器人身体(2)每端的两个机器人肢体(3)之间成夹角布置，机器人身体(2)两端的四个机器人肢体(3)关于机器人身体(2)对称布置并构成软体机器人主体(7)的四肢，机器人身体(2)和四个机器人肢体(3)均固定安装在应变限制层(1)上。

2.根据权利要求1所述的一种可检测弯曲状态的四足爬行气动软体机器人，其特征在于：

当各个柔性拉伸应变传感器(4)安装在软体机器人主体(7)的四肢的上表面时，各个柔性拉伸应变传感器(4)的上表面均设置有凸起结构（21）；

当各个柔性拉伸应变传感器(4)安装在软体机器人主体(7)的四肢的侧面时，各个柔性拉伸应变传感器(4)的两侧面均设置有凸起结构（21）。

3.根据权利要求2所述的一种可检测弯曲状态的四足爬行气动软体机器人，其特征在于：所述凸起结构（21）具体为：

柔性拉伸应变传感器的上表面或侧面设置有多个沿柔性拉伸应变传感器(4)的自身长度方向间隔排布的凸起块，多个凸起块之间沿沿柔性拉伸应变传感器(4)的自身长度方向平行布置，沿柔性拉伸应变传感器(4)的自身长度方向远离软体机器人主体(7)身体的相邻两个凸起块之间的间距逐渐增大。

4.根据权利要求1所述的一种可检测弯曲状态的四足爬行气动软体机器人，其特征在于：

所述机器人身体(2)上表面中部开有机器人身体凹槽（12），机器人身体凹槽（12）嵌装有机器人驱动控制模块(6)和传感器信号采集模块(5)；机器人身体(2)对称设置，机器人身体凹槽（12）两侧的机器人身体(2)分别设置有两个身体伸展结构，两个身体伸展结构对称布置，每个身体伸展结构具体为：

机器人身体(2)一侧的上表面沿机器人身体(2)的自身伸展方向等间隔地开设有多个条形槽，各个条形槽均不贯穿于机器人身体(2)底面，各个条形槽之间沿机器人身体(2)的自身伸展方向平行设置；机器人身体(2)一侧的底面开设有气体槽，机器人身体(2)底面与应变限制层(1)连接后一侧的气体槽构成密封的气体腔体，气体腔体被多个条形槽分隔为多个空腔(13)和底部空气通道，各个空腔(13)之间通过底部空气通道相互连通，机器人身体(2)一侧的气体腔体中设置有3个充气气阀(11)，3个充气气阀(11)均与机器人驱动控制模块(6)连接，其中一个充气气阀(11)与机器人身体(2)的气体腔体连接；另外两个充气气阀(11)分别通过气管与机器人身体(2) 同一侧的两端的机器人肢体(3)连接。

5.根据权利要求1所述的一种可检测弯曲状态的四足爬行气动软体机器人，其特征在于：

所述四个机器人肢体(3)的结构相同，每个机器人肢体(3)中设置有肢体弯曲结构，所述肢体弯曲结构具体为：机器人肢体的上表面沿机器人肢体(3)的自身长度方向等间隔地开设有多个条形槽，各个条形槽均不贯穿于机器人肢体(3)底面，各个条形槽之间沿机器人肢体(3)的自身伸展方向平行设置；机器人肢体(3)的底面开设有气体槽，机器人肢体(3)底面与应变限制层(1)连接后气体槽构成密封的气体腔体，气体腔体被多个条形槽分隔为多个空腔(13)和底部空气通道(14)，各个空腔(13)之间通过底部空气通道(14)相互连通，机器人肢体(3)靠近机器人身体(2)的一端面设置有联通气阀(15)，联通气阀(15)保持常开并通过气管与机器人身体(2)连接，机器人驱动控制模块(6)控制充气气阀(11)的开闭并为机器人肢体(3)的 气体腔体充气。

6.根据权利要求1所述的一种可检测弯曲状态的四足爬行气动软体机器人，其特征在于：

所述应变信号读取接口(20)由铜针(30)、绝缘硅胶(31)和信号传输导线(32)构成；铜针(30)的一端焊接上信号传输导线(32)并且由绝缘硅胶(31)包覆，铜针(30)的另一端插入到传感器主体(19)端部中，通过信号传输导线(32)与传感器信号采集模块(5)相连，由传感器信号采集模块(5)接收传感信号。