CN114670949B - 一种两相驱动二维软体爬行机器人 - Google Patents

一种两相驱动二维软体爬行机器人 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种两相驱动二维软体爬行机器人。所述机器人呈扁平状结构，所述机器人包括：躯体，其包括躯体加热区；与躯体相连的足部，其包括足部加热区；发热单元，其包括设于躯体加热区的躯体加热导线以及设于足部加热区的足部加热导线，所述发热单元能够分别使得所述躯体加热导线和足部加热导线处于导电回路中并在通电后发出热量；驱动单元，其包括分别设于躯体加热区的第一变形组件以及设于足部发热区的第二变形组件，所述第一变形组件与第二变形组件分别设置在所述机器人中相反的两面，所述第一变形组件与第二变形组件均能够接收所述热量并根据所述热量发生变形。本发明制作简单，成本低廉，不需要使用任何的泵、阀及气管。

Description

一种两相驱动二维软体爬行机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其是指一种两相驱动二维软体爬行机器人。
背景技术
当前，我国机器人市场进入稳定增长期。机器人已经被大量应用于工业生产、家庭服务、灾难搜救甚至军事冲突中，当前实际应用的机器人多为硬质机械结构，由刚性部件构建，在复杂条件下缺乏灵活性。基于上述情形，软体机器人应运而生。软体机器人相对于传统机器人可以更好适应各种环境，体积限制小，在空间狭小、非结构的环境下都可以完成复杂任务。为保障其活动自由度，软体机器人所采取的材料通常是自身较为柔软的天然橡胶、硅胶、水凝胶、织物、PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PVC(聚氯乙烯)、ECOFLEX(苯乙烯聚合物)等。而软体机器人的驱动方式大多为气动、液压驱动，需要通过气管连接大型驱动装置，如液压泵、气压泵等，使软体机器人的活动范围受到很大限制，气管也会影响软体机器人的运动。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于解决上述现有驱动方式的不足而提供一种两相驱动二维软体爬行机器人。
为解决上述技术问题，本发明提供一种两相驱动二维软体爬行机器人，所述机器人呈扁平状结构，所述机器人包括：
躯体，其包括躯体加热区；
与躯体相连的足部，其包括足部加热区；
发热单元，其包括设于躯体加热区的躯体加热导线以及设于足部加热区的足部加热导线，所述发热单元能够分别使得所述躯体加热导线和足部加热导线处于导电回路中并在通电后发出热量；
驱动单元，其包括分别设于躯体加热区的第一变形组件以及设于足部加热区的第二变形组件，所述第一变形组件与第二变形组件分别设置在所述机器人中相反的两面，所述第一变形组件与第二变形组件均能够接收所述热量并根据所述热量发生变形；
所述机器人在避障时，所述躯体能够根据第一变形组件的变形发生弯曲，并使得足部向远离地面方向抬起，所述机器人在行走时，所述足部能够根据第二变形组件的变形向靠近地面方向发生弯曲并通过足部与地面摩擦作用使得机器人爬行。
在本发明的一种实施方式中，所述第一变形组件与第二变形组件均包括变形部以及设于变形部腔体内的液体介质，所述第一变形组件的变形部的一面与躯体加热区所在平面贴合并限制所述所在平面的变形，所述第二变形组件的变形部的一面与足部加热区所在平面贴合并限制所述所在平面的变形，所述液体介质能够在受热后气化产生气体，所述变形部能够根据所述气体发生膨胀变形。
在本发明的一种实施方式中，所述躯体包括两个躯体加热区，所述第一变形组件包括单个变形部，所述足部的数量为四个，四个足部呈十字形分布，每个足部设有单个足部加热区，所述第二变形组件包括沿足部长度方向并排设置的至少三个变形部。
在本发明的一种实施方式中，所述变形部为由塑封加热机塑封的且呈条形的密封袋，所述液体介质为低沸点液体。
在本发明的一种实施方式中，所述发热单元还包括设于躯体的躯体加热焊盘、足部加热焊盘和地焊盘；
所述躯体加热导线通过躯体加热焊盘与外部电源相连，所述足部加热导线通过足部加热焊盘与外部电源相连；
所述躯体加热导线和足部加热导线分别通过地焊盘接地。
在本发明的一种实施方式中，所述躯体加热导线包括分别设于躯体正面的正面躯体加热导线以及设于躯体反面的反面躯体加热导线，所述躯体正面为第一变形组件所在的一面；
所述足部加热导线包括分别设于足部正面的正面足部加热导线以及设于足部反面的反面足部加热导线，所述足部反面为第二变形组件所在的一面；
所述足部包括用于足部加热导线的过线的第一过孔，所述躯体包括用于躯体加热导线过线的第二过孔。
在本发明的一种实施方式中，所述躯体及足部为一体的柔性电路板，所述正面足部加热导线、反面足部加热导线、正面躯体加热导线和反面躯体加热导线均呈由S型曲线首尾相连的结构。
在本发明的一种实施方式中，所述地焊盘设于躯体反面，所述躯体正面设有地铺铜，所述地焊盘设有用于将地焊盘与地铺铜相连的过地孔。
在本发明的一种实施方式中，所述足部为长方形结构，沿其长边分布有凹槽，所述凹槽的外形包括椭圆弧形。
在本发明的一种实施方式中，在所述足部末端与地面相接触的端面涂有防滑硅胶胶水。
在本发明的一种实施方式中，所述足部的末端抓设有防滑结构，其包括连接块以及设于连接块下方的倒钩，所述倒钩由橡胶制成，所述连接块包括与足部的末端插配的倒钩插槽。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的一种两相驱动二维软体爬行机器人，该机器人采用了FPC柔性电路板作为该软体机器人躯体以及足部，该FPC柔性电路板分区设置S形加热电路，每条加热电路都单独分配一个贴片焊盘，方便外部供电；采用普通塑封机及塑封袋将NovecTM 7000这种低沸点液体进行封装，制作简单，成本低廉；对低沸点液体进行分区密封，单独加热，使该软体机器人不需要使用任何的泵、阀及气管。使用耐高温食品级硅胶胶水，将封装袋粘在FPC柔性电路板的各个加热区域上，通电加热可以实现该区域的弯折，从而驱动该软体机器人。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明的软体爬行机器人结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是图1的仰视图。
图4是图1省略第一变形组件后的俯视图。
图5是图1省略第二变形组件后的俯视图。
图6是第二变形组件的结构示意图。
图7为现有的软体机器人足部示意图。
图8是第一变形组件的结构示意图。
图9是第二变形组件加热后弯曲示意图。
图10为现有的软体机器人足部变形示意图。
图11A是密封袋制作流程图（步骤S1）。
图11B是密封袋制作流程图（步骤S2）。
图11C是密封袋制作流程图（步骤S3）。
图11D是密封袋制作流程图（步骤S4）。
图12是软体爬行机器人的第一爬行方向示意图。
图13是软体爬行机器人的第二爬行方向示意图。
图14是防滑结构装配的示意图。
图15是防滑结构的组成示意图。
说明书附图标记说明：100、密封袋；200、防滑结构；1、躯体；11、第二过孔；12、地铺铜；2、足部；21、第一过孔；22、凹槽；3、发热单元；31、躯体加热导线；311、正面躯体加热导线；312、反面躯体加热导线；32、足部加热导线；321、正面足部加热导线；322、反面足部加热导线；4、第一变形组件；5、第二变形组件；6、变形部；7、躯体加热焊盘；8、足部加热焊盘；9、地焊盘；201、连接块；202、倒钩插槽；203、倒钩；a、边界线；b、条形结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
参照图1至图10所示，本发明的一种两相驱动二维软体爬行机器人，所述机器人呈扁平状结构，所述机器人包括：
躯体1，其包括躯体加热区；
与躯体1相连的足部2，其包括足部加热区；
发热单元3，其包括设于躯体加热区的躯体加热导线31以及设于足部加热区的足部加热导线32，所述发热单元3能够分别使得所述躯体加热导线31和足部加热导线32处于导电回路中并在通电后发出热量；
驱动单元，其包括分别设于躯体加热区的第一变形组件4以及设于足部加热区的第二变形组件5，所述第一变形组件4与第二变形组件5分别设置在所述机器人中相反的两面，所述第一变形组件4与第二变形组件5均能够接收所述热量并根据所述热量发生变形；
所述机器人在避障时，所述躯体1能够根据第一变形组件4的变形发生弯曲，并使得足部2向远离地面方向抬起，所述机器人在行走时，所述足部2能够根据第二变形组件5的变形向靠近地面方向发生弯曲并通过足部2与地面摩擦作用使得机器人爬行。
本实施例中，所述躯体1及足部2为一体的FPC柔性电路板。
具体地，所述第一变形组件4与第二变形组件5均包括变形部6以及设于变形部6腔体内的液体介质，所述第一变形组件4的变形部6的一面与躯体加热区所在平面贴合并限制所述所在平面的变形，所述第二变形组件5的变形部6的一面与足部加热区所在平面贴合并限制所述所在平面的变形，所述液体介质能够在受热后气化产生气体，所述变形部6能够根据所述气体发生膨胀变形。
具体地，所述躯体1包括两个躯体加热区，所述第一变形组件4包括单个变形部6，所述足部2的数量为四个，四个足部2呈十字形分布，每个足部2设有单个足部加热区，所述第二变形组件5包括沿足部2长度方向并排设置的至少三个变形部6，本实施例为三个。通过给四个足部2上不同的足部加热区通电可以实现八个方向的移动，每个方向成45度角。
具体地，所述变形部6为由塑封加热机塑封的且呈条形的密封袋100，所述液体介质包括低沸点液体，可为NovecTM 7000或乙醇。本实施例使用NovecTM 7000，通过采用NovecTM 7000这种低沸点液体，该液体无色无味无毒，沸点只有34摄氏度，加热后该液体可以迅速气化使密封袋100变形，同时也能防止温度过高将密封袋100融化；同时采用普通的塑封机及塑封袋密封NovecTM 7000这种低沸点液体，简单易行、成本低廉。密封袋100中密封腔室只需少量低沸点液体，且密封袋100很薄，加热后可快速弯曲，停止加热后能快速变回原型。
本实施例中，通过使用耐高温食品级硅胶胶水（如735硅胶专用胶水）将封装袋粘在FPC柔性电路板的躯体加热区以及足部加热区，该胶水可以耐280摄氏度高温，同时胶干后会形成柔性的类似硅胶的物质，不会影响该软体机器人的柔性。
具体地，所述发热单元3还包括设于躯体1的躯体加热焊盘7、足部加热焊盘8和地焊盘9，所述躯体加热导线31通过躯体加热焊盘7与外部电源相连，所述足部加热导线32通过足部加热焊盘8与外部电源的另一电极相连；所述躯体加热导线31和足部加热导线32分别通过地焊盘9接地。本实施例中，外部电源为现有技术中的电源模块，其通过六根电源分线分别连接至四个足部加热焊盘8和两个躯体加热焊盘7，并由对应的六个开关控制各个回路的通断。
具体地，所述躯体加热导线31包括分别设于躯体1正面的正面躯体加热导线311以及设于躯体1反面的反面躯体加热导线312，所述躯体1正面为第一变形组件4所在的一面；所述足部加热导线32包括分别设于足部2正面的正面足部加热导线321以及设于足部2反面的反面足部加热导线322，所述足部2反面为第二变形组件5所在的一面；所述足部2包括用于足部加热导线32的过线的第一过孔21，所述躯体1包括用于躯体加热导线31过线的第二过孔11。
具体地，所述正面足部加热导线321、反面足部加热导线322、正面躯体加热导线311和反面躯体加热导线312均呈由S型曲线首尾相连的结构。通过在柔性电路板上刻蚀对应的曲线结构以形成加热区，简单且成本低廉，在增加加热面积的同时防止弯曲造成导线断裂，大大提高了加热效率。
具体地，所述地焊盘9设于躯体1反面，所述躯体1正面设有地铺铜12，所述地焊盘9设有用于将地焊盘9与地铺铜12相连的过地孔，本实施例为五个过地孔。
具体地，所述足部2为长方形结构，沿其长边分布有凹槽22，所述凹槽22的外形包括椭圆弧形。通过上述设置，能够减小足部2弯曲时的阻力，同时让密封袋100更易鼓胀，让该机器人更容易弯曲。
具体地，在所述足部2末端与地面相接触的端面涂有防滑硅胶胶水。使得机器人在爬行过程中增加了和地面之间的摩擦力，使得该机器人具有很强的抓地能力，有效的防止了爬行过程中的打滑。
在其余实施例中，如图14和图15所示，所述足部2的末端抓设有防滑结构200，其包括连接块201以及设于连接块201下方的倒钩203，所述倒钩203由橡胶制成，所述连接块201包括与足部2的末端插配的倒钩插槽202。通过上述设置，将胶水涂抹在倒钩插槽202内后将倒钩插槽202插入装配好的机器人四个足部末端，能够增加该机器人足部配重同时增加其抓地力。
本发明将足部2密封袋100中的液体介质加热后，液体变成气体，使密封袋100的三个密封腔膨胀。由于密封袋100一面与FPC柔性电路板紧密贴合，限制了该面的形变，而另一面膨胀起皱后，即可带动整个足部2密封袋100弯曲，在越障时，根据障碍方向加热相应的躯体加热焊盘7，即可抬起对应的足部2，从而跨过障碍。如图12所示，对其中一个足部2的足部2加热区进行加热，该足部2便能弯曲，从而带动软体机器人朝箭头方向移动。如图13所示，同时对两个足部2进行加热，两个足部2便能同时弯曲，从而带动软体机器人朝箭头方向移动。
如图6、7、9、10所示，与传统的以下结构的软体机器人足部2结构相比，本发明的软体机器人用到的低沸点液体远远少于上述结构，弯曲角度相反，且同样的角度需要的压力也远低于上述结构，即可以大量减少加热时间和温度。同时这种扁平结构极易散热，停止加热后的能快速回复至原来状态。
实施例二
如图11A-图11D所示，以第二变形组件5中三个变形部6为例，说明其制作过程：S1、先将密封袋薄膜（PET材质或PE材质）按图示边界线a通过塑封加热机进行加热密封，形成内部设有腔体的条形结构b；S2、沿所述条形结构b的外沿剪切下；S3、使用注射器吸取低沸点液体，而后将注射器插入条形结构b的腔体内，并注入所述低沸点液体；S4、沿所述条形结构b长度方向上按每3cm的间隔通过塑封加热机进行分格塑封，并重复两次，塑封出三个密封袋100，并将多余部分去除。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种两相驱动二维软体爬行机器人，其特征在于，所述机器人呈扁平状结构，所述机器人包括：
躯体（1），其包括躯体加热区；
与躯体（1）相连的足部（2），其包括足部加热区；
发热单元（3），其包括设于躯体加热区的躯体加热导线（31）以及设于足部加热区的足部加热导线（32），所述发热单元（3）能够分别使得所述躯体加热导线（31）和足部加热导线（32）处于导电回路中并在通电后发出热量；
驱动单元，其包括分别设于躯体加热区的第一变形组件（4）以及设于足部加热区的第二变形组件（5），所述第一变形组件（4）与第二变形组件（5）分别设置在所述机器人中相反的两面，所述第一变形组件（4）与第二变形组件（5）均能够接收所述热量并根据所述热量发生变形；
所述机器人在避障时，所述躯体（1）能够根据第一变形组件（4）的变形发生弯曲，并使得足部（2）向远离地面方向抬起，所述机器人在行走时，所述足部（2）能够根据第二变形组件（5）的变形向靠近地面方向发生弯曲并通过足部（2）与地面摩擦作用使得机器人爬行。
2.根据权利要求1所述的一种两相驱动二维软体爬行机器人，其特征在于，所述第一变形组件（4）与第二变形组件（5）均包括变形部（6）以及设于变形部（6）腔体内的液体介质，所述第一变形组件（4）的变形部（6）的一面与躯体加热区所在平面贴合并限制所述所在平面的变形，所述第二变形组件（5）的变形部（6）的一面与足部加热区所在平面贴合并限制所述所在平面的变形，所述液体介质能够在受热后气化产生气体，所述变形部（6）能够根据所述气体发生膨胀变形。
3.根据权利要求1所述的一种两相驱动二维软体爬行机器人，其特征在于，所述躯体（1）包括两个躯体加热区，所述第一变形组件（4）包括单个变形部（6），所述足部（2）的数量为四个，四个足部（2）呈十字形分布，每个足部（2）设有单个足部加热区，所述第二变形组件（5）包括沿足部（2）长度方向并排设置的至少三个变形部（6）。
4.根据权利要求2所述的一种两相驱动二维软体爬行机器人，其特征在于，所述变形部（6）为由塑封加热机塑封的且呈条形的密封袋（100），所述液体介质为低沸点液体。
5.根据权利要求1所述的一种两相驱动二维软体爬行机器人，其特征在于，所述发热单元（3）还包括设于躯体（1）的躯体加热焊盘（7）、足部加热焊盘（8）和地焊盘（9）；
所述躯体加热导线（31）通过躯体加热焊盘（7）与外部电源相连，所述足部加热导线（32）通过足部加热焊盘（8）与外部电源相连；
所述躯体加热导线（31）和足部加热导线（32）分别通过地焊盘（9）接地。
6.根据权利要求5所述的一种两相驱动二维软体爬行机器人，其特征在于，所述躯体加热导线（31）包括分别设于躯体正面的正面躯体加热导线（311）以及设于躯体反面的反面躯体加热导线（312），所述躯体正面为第一变形组件（4）所在的一面；
所述足部加热导线（32）包括分别设于足部正面的正面足部加热导线（321）以及设于足部反面的反面足部加热导线（322），所述足部反面为第二变形组件（5）所在的一面；
所述足部（2）包括用于足部加热导线（32）的过线的第一过孔（21），所述躯体（1）包括用于躯体加热导线（31）过线的第二过孔（11）。
7.根据权利要求6所述的一种两相驱动二维软体爬行机器人，其特征在于，所述躯体（1）及足部（2）为一体的柔性电路板，所述正面足部加热导线（321）、反面足部加热导线（322）、正面躯体加热导线（311）和反面躯体加热导线（312）均呈由S型曲线首尾相连的结构。
8.根据权利要求6所述的一种两相驱动二维软体爬行机器人，其特征在于，所述地焊盘（9）设于躯体反面，所述躯体正面设有地铺铜（12），所述地焊盘（9）设有用于将地焊盘（9）与地铺铜（12）相连的过地孔。
9.根据权利要求1所述的一种两相驱动二维软体爬行机器人，其特征在于，所述足部（2）为长方形结构，沿其长边分布有凹槽（22），所述凹槽（22）的外形包括椭圆弧形。
10.根据权利要求1所述的一种两相驱动二维软体爬行机器人，其特征在于，所述足部（2）的末端抓设有防滑结构（200），其包括连接块（201）以及设于连接块（201）下方的倒钩（203），所述倒钩（203）由橡胶制成，所述连接块（201）包括与足部（2）的末端插配的倒钩插槽（202）。
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