CN114670214B - 一种具有自感知功能的气动软体机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有自感知功能的气动软体机器人，外层机构包括三个运动足与两个轴向执行器，内层机构包括主体、橡胶片、硅胶片及若干金属环，内外层机构固连。运动足作为机器人的支撑，轴向执行器实现机器人前进、转向等动作。轴向执行器内部植入应变片及金属片，应变片的阻值反映机器人的弯曲度。将柔性薄膜压力传感器及硬质薄片植入中间运动足，轴向执行器拉伸时压缩气体向薄膜压力传感器施加压力使其阻值变化，实现机器人长度的测量。本发明通过向轴向执行器植入微型应变片与金属薄片，向运动足植入柔性薄膜压力传感器与硬质薄片，实现软体机器人长度与弯曲度的检测，具有结构简单、灵敏度高、稳定性好的特点，实现了一定的自感知功能。

Description

一种具有自感知功能的气动软体机器人
技术领域
本发明属于软体机器人领域，特别是一种具有自感知功能的气动软体机器人。
背景技术
机器人的应用正朝着与机器人近距离交互领域不断发展，如何使机器人与使用者安全交互成为当前急需解决的问题。提高机器人的灵活性，实现变刚度，减轻质量是目前有效的解决方案。软体机器人具有高度柔顺性、灵活性以及自适应性，使得机器人的交互更加安全高效，在救援、医疗、工业、军事以及生活服务等领域有着广阔的应用前景。
软体机器人在探索非结构化环境时必须感知自身形状；软体机器人的高度柔顺性使其难以实现精准控制，需要实现机器人实施姿态的检测；此外，当软体机器人与操作者交互时需要获取触觉信息，因此自感知是软体机器人必不可少的属性。现有的软体机器人普遍缺少精确稳定的内嵌式传感系统，导致无法获取自身运动信息以及无法精准控制等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有自感知功能的气动软体机器人，无需外部传感器，通过植入式的传感系统获取自身结构信息。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种具有自感知功能的气动软体机器人，包括外层弹性体与内层弹性体机构，所述外层弹性体机构包括三个结构相同的运动足；内层弹性体机构包括内层弹性主体、等间隔布置在内层弹性主体上的刚性体、设置在内层弹性主体两端的通气端；
三个运动足将内层弹性主体等分成两段轴向执行器；
所述内层弹性体机构内设置有四个气腔，对应每个轴向执行器内设置有两个气腔；每个轴向执行器内的两个气腔左右对称；通气端上设有分别与气腔连通的通气口，用于向单侧轴向执行器的两个气腔同时或单独通气，实现气动软体机器人的爬行或转向；
位于中间的运动足内设有柔性薄膜压力传感器，用于检测轴向执行器的拉伸变形；
每个轴向执行器的左右两侧对称的设有应变片，用于检测轴向执行器的弯曲变形。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明将柔性薄膜压力传感器植入机器人内部，机器人体节长度的变化能引起传感器阻值变化，实现机器人体节长度的检测，同时传感器两侧增加硬质薄片以使传感器稳定工作。解决了现有机器人通过外部传感器获取体节信息，机器人运动受限的问题。
(2)本发明将微型应变片植入机器人体内，机器人体节弯曲度的变化能引起应变片阻值的变化，实现机器人体节弯曲度的检测，同时应变片与机器人结构之间增加铜质薄片以增大应变片的变形效果。解决了现有机器人通过外部传感器间接检测执行器弯曲度，误差较大的问题。
附图说明
图1是本发明具有自感知功能的软体机器人总体结构图；
图2是本发明机器人内层结构主视图；
图3是本发明外层机构和植入式传感系统中长度与弯曲度检测结构的局部剖视图；
图4是图3的局部放大图；
图5是图3的A-A剖视图；
图6是图3的B-B剖视图
图7是图3的C-C剖视图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1-图7，本实施例的一种具有自感知功能的气动软体机器人，由外层弹性体与内层弹性体机构组成，外层弹性体与内层弹性体机构固连。外层弹性体机构包括三个结构相同的橡胶运动足4，内层弹性体机构由橡胶片1、硅胶片3、金属环15以及硅胶主体17组成，沿硅胶主体17轴向均匀布置，三个运动足4将硅胶主体17等分成两段轴向执行器5。内层硅胶主体17为圆柱形，结构内部对称设置四个气腔16，其中一个轴向执行器5内设置两个气腔16，另一个轴向执行器5内设置两个。每个轴向执行器5内的两个气腔16左右对称。内层硅胶主体17两端分别设有一个硅胶片3，每个轴向执行器5的两个驱动气腔16的通气端与同一个硅胶片3相连，硅胶片3外侧连接一个橡胶片1，硅胶片3与橡胶片1上均设置有两个通气口2，每个气腔16分别与一个通气口2相连，通入压缩气体后，通过充放气实现轴向执行器5的变形。金属环15等间隔均匀分布在内层机构硅胶主体17上，气腔16通入压缩气体后，金属环15能限制内层硅胶主体17的径向变形，外层弹性体与内层弹性体机构通过硅胶实现固连。
位于中间的运动足4的内部植入了柔性薄膜压力传感器，柔性薄膜压力传感器由金属层7与压敏层8组成，金属层7与压敏层8均由圆形柔性薄膜10覆盖，金属层7引出两个引脚9，用于传感器信号处理，柔性薄膜压力传感器保持与软体机器人内层硅胶主体17竖直截面平行(与内层硅胶主体17轴向垂直)，且圆形部分圆心与竖直截面圆心重合，两个引脚的方向与水平面垂直，从中间的运动足4顶部引出。柔性薄膜压力传感器两侧嵌入硬质圆片(6、11)，圆片由3D打印制成，材料为光敏树脂，圆片圆心与薄膜压力传感器圆形部分圆心重合，两者直接接触，薄膜压力传感器与硬质圆片直径均要大于软体机器人内层硅胶主体17竖直截面直径，薄膜压力传感器在内层硅胶主体17的左右对称处(即中间位置)，硬质圆片(6、11)分别处于传感器两侧。当轴向执行器5拉伸时，内部气腔16的压缩气体对硬质圆片(6、11)产生力作用，传递给柔性薄膜压力传感器，不同的拉伸程度引起不同的阻值变化。对于单个轴向执行器来说，气腔压力与伸长率的关系如下：
式中p为执行器气腔体压力，S为执行器截面实体部分面积，S1为单个气腔面积，λ为执行器伸长率，C10、C20、C30为Yeoh模型的系数，通过拟合得到。
包括内侧硅胶主体17的轴向执行器5为圆柱形，每个轴向执行器5的左右两侧表面中心线位置向内植入有矩形铜质薄片12，长度方向与轴向执行器5轴向相同，宽度为竖直方向。矩形铜质薄片12一侧紧贴外侧硅胶主体，另一侧与微型箔式应变片紧贴，应变片基底材料13为酚醛树脂，金属栅14为康铜，形状为矩形，应变片与矩形铜质薄片12对称中心重合，前后两个轴向执行器都布置有相同的结构。当轴向执行器5左右弯曲时，带动应变片弯曲变形，产生电阻应变效应，不同弯曲度会引起不同的阻值变化。对于单个轴向执行器来说，气腔压力与弯曲角度的关系如下：
式中p为执行器气腔体压力，S为轴向执行器截面实体部分面积，S1为单个气腔面积，ρ为轴向执行器弯曲时的曲率半径，X为轴向执行器任意竖直截面的质心位置到该截面中心的距离，X1为轴向执行器单个气腔任意竖直截面的质心位置到气腔截面直线段中点的距离，C10、C20、C30为Yeoh模型的系数，通过拟合得到，α为执行器弯曲角度，L为轴向执行器长度。
向机器人单侧轴向执行器5的左右对称气腔16同时通气时，金属环15约束了内层硅胶主体17的径向变形，因此可以将该轴向执行器5的变形看作只有轴向拉伸。执行器5内两个气腔16同时通入压缩气体，推动运动足4向前移动，执行器5释放气体的同时，另一个执行器通入压缩气体，带动中间运动足向前移动，接着释放气体，带动后部运动足前移，完成机器人的前进的一个周期。执行器5单个气腔16通入气体推动运动足4前移并朝未通气侧弯曲，气腔16排气的同时另一个执行器同侧气腔通气，推动中间运动足前移，且执行器向未通气侧弯曲，接着气腔排气推动后部运动足前移转向，完成机器人一个周期的转向运动。
气腔16内的压缩气体对前后壁产生压力，这是因为气腔相当于密闭容器，压力经过前后气腔之间的硅胶传递给硬质圆片6，再传递给薄膜压力传感器。前后两个轴向执行器的拉伸会分别将力传递给薄膜压力传感器的金属层7与压敏层8，引起金属层7与压敏层8贴合，压力越大，阻值越小，由此可以实现软体机器人的双向长度检测。
向机器人单侧轴向执行器5的单侧气腔16通气，另一侧气腔不通气时，执行器5会向未通气侧弯曲变形，会带动植入外层主体内部的铜质薄片12向相同方向弯曲，从而带动应变片弯曲变形，根据电阻应变效应，金属丝14变形时阻值会发生变化，因此应变片整体阻值会随弯曲度增大而增大，实现检测弯曲度的目的。

Claims (5)

1.一种具有自感知功能的气动软体机器人，包括外层弹性体机构与内层弹性体机构，其特征在于，
所述外层弹性体机构包括三个结构相同的运动足；内层弹性体机构包括内层弹性主体、等间隔布置在内层弹性主体上的刚性体、设置在内层弹性主体两端的通气端；
三个运动足将内层弹性主体等分成两段轴向执行器；
所述内层弹性体机构内设置有四个气腔，对应每个轴向执行器内设置有两个气腔；每个轴向执行器内的两个气腔左右对称；通气端上设有分别与气腔连通的通气口，用于向单侧轴向执行器的两个气腔同时或单独通气，实现气动软体机器人的爬行或转向；
位于中间的运动足内设有柔性薄膜压力传感器，用于检测轴向执行器的拉伸变形；
每个轴向执行器的左右两侧对称的设有应变片，用于检测轴向执行器的弯曲变形；
气腔压力与伸长率的关系如下：
式中p为执行器气腔体压力，S为执行器截面实体部分面积，S1为单个气腔面积，λ为执行器伸长率，C10、C20、C30为Yeoh模型的系数；
气腔压力与弯曲角度的关系如下：
式中p为执行器气腔体压力，S为执行器截面实体部分面积，S1为单个气腔面积，ρ为执行器弯曲时的曲率半径，X为轴向执行器任意竖直截面的质心位置到该截面中心的距离，X1为轴向执行器单个气腔任意竖直截面的质心位置到气腔截面直线段中点的距离，C10、C20、C30为Yeoh模型的系数，α为执行器弯曲角度，L为轴向执行器长度。
2.根据权利要求1所述的气动软体机器人，其特征在于，所述柔性薄膜压力传感器由金属层与压敏层组成，金属层与压敏层均由圆形柔性薄膜覆盖，金属层引出两个引脚，用于传感器信号处理；柔性薄膜压力传感器与内层弹性主体竖直截面平行，且中心与内层弹性主体竖直截面圆心重合；柔性薄膜压力传感器两侧嵌入圆片，柔性薄膜压力传感器、圆片直径均要大于内层弹性主体竖直截面直径。
3.根据权利要求2所述的气动软体机器人，其特征在于，所述圆片采用光敏树脂。
4.根据权利要求1所述的气动软体机器人，其特征在于，所述应变片采用微型箔式应变片。
5.根据权利要求1所述的气动软体机器人，其特征在于，所述应变片与轴向执行器之间设有铜片。
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