CN114619435A - 一种软体机器人及驱动其运动和翻越障碍物的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软体机器人及驱动其运动和翻越障碍物的控制方法。软体机器人包括：圆筒状的软体运动模块，软体运动模块具有空腔，通过控制驱动气囊的充放气改变软体运动模块的形状实现运动；端部铰接在软体运动模块内壁的若干个驱动气囊，驱动气囊的数量至少为3，任意相邻的两个驱动气囊所成的锐角相等，通过控制驱动气囊的充气顺序实现定向驱动，通过控制驱动气囊的充气气体流速实现跳跃。本发明提供的的软体机器人可以在多种复杂路面及有一定倾角的斜坡上快速运动，并且可以通过跳跃实现跨越障碍物，从而实现在各种复杂路况下的通过性。

Description

一种软体机器人及驱动其运动和翻越障碍物的控制方法

技术领域

本发明涉及软体机器人技术领域，尤其涉及一种软体机器人及驱动其运动和翻越障碍物的控制方法。

背景技术

相对于传统机器人，软体机器人整体结构柔软，具有更好的人机交互和抗破坏能力。如何在各种复杂情况下平稳运动，同时克服障碍物的阻挡这一问题，对于传统硬质机器人和软体机器人都是一个难题。已经提出的一些以滚动形式运动的软体机器人，能够在复杂的路况下运动，但难以在斜坡上保持平稳运动。因此，有必要提出一种具有多运动模式的软体机器人。

发明内容

针对上述技术中存在的现有的软体机器人的运动模式难以实现在多种复杂路况上平稳运动，难以克服障碍物的阻挡的技术问题，本发明提出了一种软体机器人及驱动其运动和翻越障碍物的控制方法。本发明提供的软体机器人可以在多种复杂路面及有一定倾角的斜坡上快速运动，并且可以通过跳跃实现跨越障碍物，从而实现在各种复杂路况下的通过性。

一方面，本发明提出了一种软体机器人，包括：

圆筒状的软体运动模块，所述软体运动模块具有空腔，通过控制驱动气囊的充放气改变所述软体运动模块的形状实现运动；

端部铰接在所述软体运动模块内壁的若干个所述驱动气囊，所述驱动气囊的数量至少为3，任意相邻的两个所述驱动气囊所成的锐角相等，通过控制所述驱动气囊的充气顺序实现定向驱动，通过控制所述驱动气囊的充气气体流速实现跳跃。

在一些实施例中，L＝πR，其中，L为所述驱动气囊的长度，R为所述软体运动模块的内半径。

在一些实施例中，所述软体机器人具有在一定坡角的路面上运动的能力，所述软体机器人在具有一定坡角的路面运动时，所述坡角满足：

其中，A为所述坡角，N为所述驱动气囊的数量。

在一些实施例中，所述软体运动模块由软材料制备而成。

在一些实施例中，所述驱动气囊由薄膜材料制备而成。

在一些实施例中，还包括用于控制所述软体机器人的控制系统，所述控制系统包括：

正压气源，所述正压气源通过正压气管连接所述驱动气囊；

负压气源，所述负压气源通过负压气管连接所述驱动气囊；

若干个并联的两位三通电磁阀，所述两位三通电磁阀分别通过所述正压气管和所述负压气管连接所述正压气源和所述负压气源，所述两位三通电磁阀的恒通路通过驱动气管连接所述驱动气囊；

单片机，所述单片机与所述两位三通电磁阀电连接。

在一些实施例中，当所述驱动气囊处于负压状态时，整体结构柔软；当所述驱动气囊处于正压状态时，整体结构刚硬。

另一方面，本发明提出了一种驱动软体机器人运动的控制方法，包括以下步骤：

(1)所述驱动气囊依次记为第一驱动气囊、第二驱动气囊直至第N驱动气囊，记T为驱动周期，则

为每个所述驱动气囊的持续时间；

(2)同一个所述驱动周期内，在

时间段内依次对应驱动所述第一驱动气囊、所述第二驱动气囊直至所述第N驱动气囊，其中，n依次为1、2……N，在同一时间只有一个所述驱动气囊处于所述正压状态，其余所述驱动气囊处于所述负压状态；

(3)重复步骤(2)实现所述软体机器人的运动。

在一些实施例中，所述软体机器人的运动速度为

通过调整所述驱动周期控制所述软体机器人的运动速度。

另一方面，本发明提出了一种驱动软体机器人翻越障碍物的控制方法，当处于运动状态的所述软体机器人遇到障碍物时，通过增大下一所述驱动气囊的充气气体流速实现跳跃以翻越障碍物。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供的软体机器人结构简单、控制方式简单、能够在多种复杂地形中运动。

本发明提供的软体机器人通过改变自身形状实现多种运动，可以通过控制驱动气囊的充气的顺序实现定向驱动，通过控制驱动气囊充气气体流速实现跳跃。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为驱动气囊处于扁平状态和近似圆柱状态的示意图；

图2为驱动气囊在软体运动模块内腔的设置方式示意图；

图3为驱动气囊驱动软体运动模块运动的示意图；

图4为控制系统与软体运动模块连接结构示意图；

图5为驱动软体机器人运动的控制方式示意图；

图6为驱动软体机器人翻越障碍物的过程示意图。

附图标记说明：

软体运动模块1、驱动气囊2、第一驱动气囊21、第二驱动气囊22、第三驱动气囊23、正压气管31、负压气管32、驱动气管33、第一两位三通电磁阀41、第二两位三通电磁阀42、第三两位三通电磁阀43、正压气源51、负压气源52、单片机6。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的软体机器人及驱动其运动和翻越障碍物的控制方法。

如图1-6所示，本发明的软体机器人，包括：软体运动模块1、驱动气囊2和控制系统。

软体运动模块1由软材料制备而成，其中，软材料为乳胶、橡胶或硅胶。可以理解的是，软材料还可以为其他合适的材料。

软体运动模块1为软材料，因此，软体运动模块1的整体结构柔软，形状容易发生改变。在软体机器人运动过程中，通过改变软体运动模块1的形状实现软体机器人的运动。

软体运动模块1呈圆筒状，中心具有空腔，该空腔用于容置驱动气囊2。本实施例中以薄壁圆筒状的软体运动模块1为例，定义软体运动模块1的内半径为R，R为30mm；软体运动模块1的高度为20mm，厚度为3mm。

驱动气囊2设置在软体运动模块1的空腔内，具体为，驱动气囊2的两端铰接在软体运动模块1的内壁，驱动气囊2和软体运动模块1之间可以相对转动，不能相对移动。驱动气囊2沿软体运动模块1的横截面所在圆环的直径方向设置，且多个驱动气囊2的端部铰接在软体运动模块1的同一高度位置，驱动气囊2中间重叠区域利用其变形相互错开。

任意相邻的两个驱动气囊2所成的锐角相等，即，驱动气囊2在软体运动模块1的空腔内均匀分布，驱动气囊2的端部在软体运动模块1的内壁沿内部圆周均匀分布。

为了实现对软体运动模块1的驱动，驱动气囊2的数量N，满足：N≥3。以三个驱动气囊2为例，其设置方式如图2(a)所示，此时，相邻的两个驱动气囊2所成的锐角均为60°。图2(a)为驱动气囊在软体运动模块内腔中设置的俯视图，其中，驱动气囊2均处于负压状态，处于负压状态的驱动气囊2比较柔软。可以理解的是，图2(a)中仅示意驱动气囊2的相对位置，驱动气囊2的长度并非实际长度，具体的驱动气囊2的长度与软体运动模块1的内半径的关系见下文描述。另外需要说明的是，处于负压状态下的驱动气囊2用虚线标示，处于正压状态下的驱动气囊2用实线标示。

驱动气囊2由薄膜材料制备而成，其中，薄膜材料为PE、PP或PVC材质。可以理解的是，薄膜材料还可以为其他合适材质。

驱动气囊2侧面设置驱动气管33，驱动气管33用于控制驱动气囊2的气压。当驱动气囊2连接负压气源52时，如图1(a)所示，驱动气囊2内部无空气，整体呈扁平状。另外，由于驱动气囊2由薄膜材料制备而成，弯曲刚度极小，整体非常柔软。当施加一定的气压后，即当驱动气囊2连接正压气源51时，如图1(b)所示，驱动气囊2被吹成近似圆柱状，且具有较大的抗弯刚度。L＝πR，其中，L为驱动气囊2的长度，R为软体运动模块1的内半径。如图2(b)所示，当对其中一个驱动气囊2充气后，软体运动模块1在充气后的驱动气囊2作用下发生形变，整体结构呈扁平状。可以理解的是，驱动气囊2的长度为软体运动模块1的内圆环的周长的一半才能使得软体运动模块1整体结构呈扁平状。

控制系统包括正压气源51、负压气源52、单片机6和两位三通电磁阀。

正压气源51和负压气源52的气压可调，可以理解的是，正压气源51和负压气源52可以为功率可调的气泵。正压气源51和负压气源52分别通过正压气管31和负压气管32提供驱动气压。如图4所示，正压气源51通过正压气管31连接驱动气囊2，负压气源52通过负压气管32连接驱动气囊2。具体为，正压气源51通过正压气管31与两位三通电磁阀连接，再经两位三通电磁阀连接至驱动气囊2；同样的，负压气源52通过负压气管32与两位三通电磁阀连接，再经两位三通电磁阀连接至驱动气囊2。

若干个两位三通电磁阀并联设置，其中一个两位三通电磁阀对应一个驱动气囊2。两位三通电磁阀的恒通路通过驱动气管33连接驱动气囊2。两位三通电磁阀分别通过正压气管31和负压气管32连接正压气源51和负压气源52。

单片机6与两位三通电磁阀电连接，通过单片机6控制两位三通电磁阀的通断，即可控制驱动气囊2的充放气，进而改变软体运动模块1的状态实现滚动。

两位三通电磁阀通过单片机6控制，当两位三通电磁阀无电信号时，驱动气囊2通过负压气管32与负压气源52连通，此时，驱动气囊2处于负压状态，整体结构柔软。当通过单片机6给两位三通电磁阀一个正的电信号时，驱动气囊2通过正压气管31与正压气源51连通，此时，驱动气囊2处于正压状态，即驱动气囊2内部气压变大，结构被吹直，变得刚硬，从而可以改变软体运动模块1的几何形状。

以设置三个驱动气囊2为例来说明本发明软体机器人的运动过程，其中，三个驱动气囊2分别为第一驱动气囊21、第二驱动气囊22和第三驱动气囊23。如图3(a)所示，对第一驱动气囊21充气，第一驱动气囊21处于正压状态，整体结构刚硬，从而使得软体运动模块1被动地改变形状，此时的状态为状态1。然后，对第二驱动气囊22充气的同时，对第一驱动气囊21放气，此时，第一驱动气囊21因放气恢复柔软状态，第二驱动气囊22为正压状态，整体结构刚硬，此时，软体运动模块1的结构由第二驱动气囊22主导。由于快速地充气及放气，使得软体运动模块1的形状迅速改变，即从状态1快速变化到状态2。处于状态2的软体运动模块1因重力作用，整体结构发生如图3(b)所示的绕第二驱动气囊22左端的顺时针转动，即从状态2转动到稳定的状态3.此时，经历了一次的充放气，软体运动模块1从状态1变化到了状态3，相对于状态1下的软体运动模块1，状态3下的软体运动模块1前进了

个周长，即

可以理解的是，若驱动气囊2的数量为N，从状态1变化到状态3，软体运动模块1前进了

个周长。这种类似履带的前进方式，使得该软体机器人在各种粗糙程度的地形上均可顺利驱动。

驱动软体机器人运动的控制方法，包括以下步骤：

(1)驱动气囊依次记为第一驱动气囊、第二驱动气囊直至第N驱动气囊，记T为驱动周期，则

为每个驱动气囊的持续时间；

(2)同一个驱动周期内，在

时间段内依次对应驱动第一驱动气囊、第二驱动气囊直至第N驱动气囊，其中，n依次为1、2……N，在同一时间只有一个驱动气囊处于正压状态，其余驱动气囊处于负压状态，可以理解的是，n从1、2……N依次分别对应第一驱动气囊、第二驱动气囊直至第N驱动气囊；

(3)重复步骤(2)实现软体机器人的运动。

以设置三个驱动气囊2为例，软体运动模块1的内半径为30mm，高度为20mm，厚度为3mm。驱动软体机器人运动的控制方法具体为:

调整正压气源51的气压，为了实现稳定的滚动运动，设置正压气源51在0.1MPa左右。

通过单片机6给两位三通电磁阀一个电压信号，持续时间为

T为驱动周期。可以理解的是，N个驱动气囊2时，持续时间为

如图5所示，电信号为0对应两位三通电磁阀与负压气源52导通，电信号为1对应两位三通电磁阀与正压气源51导通。第一驱动气囊21、第二驱动气囊22和第三驱动气囊23分别对应第一两位三通电磁阀41、第二两位三通电磁阀42和第三两位三通电磁阀43。

初始阶段，第一两位三通电磁阀41将第一驱动气囊21与正压气源51导通，第二驱动气囊22和第三驱动气囊23均与负压气源52导通，软体运动模块1因第一驱动气囊21发生变形。

在时间为

时，断开第一两位三通电磁阀41，并导通第二两位三通电磁阀42，持续时间为

在时间为

时，断开第二两位三通电磁阀42，并导通第三两位三通电磁阀43，持续时间为

在时间为T时，断开第三两位三通电磁阀43，并导通第一两位三通电磁阀41，持续时间为

依次重复交替导通断开第一两位三通电磁阀41、第二两位三通电磁阀42和第三两位三通电磁阀43，实现软体机器人的滚动前进。

在一个驱动周期内T内，交替地给两位三通电磁阀电信号，且同一时间仅有一个两位三通电磁阀与正压气源51导通，对应仅有一个驱动气囊2处于刚硬状态，其余驱动气囊2处于柔软状态，且处于柔软状态的驱动气囊2不影响处于刚硬状态的驱动气囊2的运动。可以理解的是，若需要软体机器人反向运动，只需要逆转驱动顺序即可。

结合前文可知，在一个持续时间段

内，软体机器人前进了

个周长，因此，软体机器人的运动速度为

可以通过调整驱动周期控制软体机器人的运动速度。另外，考虑到结构变形及转动地时间，驱动周期应大于1s。

由于软体运动模块1在运动时，在充气状态的驱动气囊2的作用下，整体呈扁平状，重心始终较低，因此，相对于其他驱动器具有较好的驱动性能和爬坡能力。理论上拥有数量越多的驱动气囊2，软体机器人的爬坡能力越强。有三个驱动气囊2时，该软体机器人理论上可以在小于30°的斜坡上前进。对于N个驱动模块，软体机器人在具有一定坡角的路面运动时，坡角满足：

其中，A为坡角；N为驱动气囊2的数量，N≥3。可以理解的是，坡角即为路面的倾斜角度。

驱动软体机器人翻越障碍物的控制方法，当处于运动状态的软体机器人遇到障碍物时，通过增大下一驱动气囊的充气气体流速实现跳跃以翻越障碍物。下一驱动气囊指的是在运动过程中即将对其进行充气的驱动气囊。具体为，当处于正常运动中的软体机器人遇到障碍物时，通过增大正压气源51，从而增大驱动气囊2的充气气体流速以实现跳跃。可以理解的是，在进行跳跃以翻越障碍物时，通过调节正压气源51的气压可以调节驱动气囊2的充气速度，从而调节软体机器人的跳跃高度，从而根据不同的障碍物施加不同的气压。

如图6所示，在正常运动过程中，给与第一两位三通电磁阀41一个电压信号，第一驱动气囊21处于正压状态；当驱动气囊需要进行跳跃动作时，增大正压气源51的气压，断开第一两位三通电磁阀41，给与第二两位三通电磁阀42一个电压信号，给第二驱动气囊22充气实现跳跃。

增大正压气源51后，对第二驱动气囊22充气时气体流速增大，第二驱动气囊22更加快速地展直。从状态1到状态2的过程非常迅速，当到达状态2时，软体运动模块1的左下部分与地面接触，并且因摩擦力的存在无滑动，而右上部分由于第二驱动气囊22的快速响应，而具有向右上方向的速度，从而整体的速度朝向右上方向，其中，右上部分如图6中虚线方框圈出的部分。在第二驱动气囊22快速响应时，地面给软体机器人的作用力大于其自身重力，由冲量定理或从受力的角度可知，在第二驱动气囊22快速响应后，软体运动模块1整体结构的动量方向朝向右上方向，从而进行斜抛运动，到达状态3，实现跨越障碍物。理论上正压气源51的气压越大，充气速度越快，跳跃能力越强，即软体运动模块1整体结构的跳跃能力越强。可以理解的是，翻越障碍物后，可调节正压气源51的气压，使得软体机器人继续正常运动状态。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述可以针对不同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种软体机器人，其特征在于，包括：

圆筒状的软体运动模块，所述软体运动模块具有空腔，通过控制驱动气囊的充放气改变所述软体运动模块的形状实现运动；

端部铰接在所述软体运动模块内壁的若干个所述驱动气囊，所述驱动气囊的数量至少为3，任意相邻的两个所述驱动气囊所成的锐角相等，通过控制所述驱动气囊的充气顺序实现定向驱动，通过控制所述驱动气囊的充气气体流速实现跳跃。

2.如权利要求1所述的软体机器人，其特征在于，L＝πR，其中，L为所述驱动气囊的长度，R为所述软体运动模块的内半径。

3.如权利要求1所述的软体机器人，其特征在于，所述软体机器人具有在一定坡角的路面上运动的能力，所述软体机器人在具有一定坡角的路面运动时，所述坡角满足：

其中，A为所述坡角，N为所述驱动气囊的数量。

4.如权利要求1所述的软体机器人，其特征在于，所述软体运动模块由软材料制备而成。

5.如权利要求1所述的软体机器人，其特征在于，所述驱动气囊由薄膜材料制备而成。

6.如权利要求1所述的软体机器人，其特征在于，还包括用于控制所述软体机器人的控制系统，所述控制系统包括：

正压气源，所述正压气源通过正压气管连接所述驱动气囊；

负压气源，所述负压气源通过负压气管连接所述驱动气囊；

若干个并联的两位三通电磁阀，所述两位三通电磁阀分别通过所述正压气管和所述负压气管连接所述正压气源和所述负压气源，所述两位三通电磁阀的恒通路通过驱动气管连接所述驱动气囊；

单片机，所述单片机与所述两位三通电磁阀电连接。

7.如权利要求1所述的软体机器人，其特征在于，当所述驱动气囊处于负压状态时，整体结构柔软；当所述驱动气囊处于正压状态时，整体结构刚硬。

8.一种驱动软体机器人运动的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1-7任一所述的软体机器人，包括以下步骤：

(1)所述驱动气囊依次记为第一驱动气囊、第二驱动气囊直至第N驱动气囊，记T为驱动周期，则

为每个所述驱动气囊的持续时间；

(2)同一个所述驱动周期内，在

时间段内依次对应驱动所述第一驱动气囊、所述第二驱动气囊直至所述第N驱动气囊，其中，n依次为1、2……N，在同一时间只有一个所述驱动气囊处于所述正压状态，其余所述驱动气囊处于所述负压状态；

(3)重复步骤(2)实现所述软体机器人的运动。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述软体机器人的运动速度为

通过调整所述驱动周期控制所述软体机器人的运动速度。

10.一种驱动软体机器人翻越障碍物的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1-7任一所述的软体机器人，当处于运动状态的所述软体机器人遇到障碍物时，通过增大下一所述驱动气囊的充气气体流速实现跳跃以翻越障碍物。

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