CN114932960A - 一种软体爬行机器人、成型模具及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种软体爬行机器人，包括结构相同的前端驱动器和后端驱动器，前端驱动器和后端驱动器包括壳体，壳体的外缘包括首尾连接的第一弧线部、第二弧线部和直线部，且第一弧线部的第一端和第二弧线部第一端之间呈圆弧过渡连接，直线部的两端分别连接第一弧线部的第二端和第二弧线部的第二端；前端驱动器和后端驱动器均开设至少一个六边形的空气腔室；当空气腔室进行充气时，空气腔室在前端驱动器的底部和后端驱动器的底部形成凸起；中端驱动器，连接前端驱动器和后端驱动器；其包括可轴向拉伸的主体，且主体设置第一锯齿部，主体安装限位元件，限位元件用于限制中端驱动器径向膨胀。本发明可以适应各种狭窄、潮湿、光滑环境，爬行速度可控制。
Description
技术领域
本发明涉及软体爬行机器人技术领域，尤其是指一种软体爬行机器人、成型模具及其制作方法。
背景技术
传统的刚性机器人运动灵活性有限，环境适应能力很低，且智能性较差，只能完成编制好的规定动作。为解决这些缺点，能够适应较为复杂环境、可完成更多动作的软体爬行机器人应运而生。
目前，软体爬行机器人的设计以仿生设计为主，软体动物广泛分布于世界各地，其组织结构有较多骨骼动物难以实现的优势，比如自由变形、适应狭窄环境等等。
近年来，世界各地的研究者们通过对不同结构软体动物进行仿生设计，提出了许多种类的软体爬行机器人，可以通过不同构型使末端到达三维空间中的任意一点，可以大幅提高对环境的适应能力和灵活性。现有软体爬行机器人按功能特性可以分为运动型机器人和操作型机器人两类。
目前针对软体爬行机器人国内外己经有了较多的研究成果。其中，美国塔夫茨大学通过对毛虫进行研究和分析，对其步态和运动控制进行建模和分析，并成功进行仿生设计，研制出了同样具有滚动和蠕动能力的软体机器；麻省理工学院、哈佛大学和韩国汉城国立大学的研究人员以记忆合金为基底，联合研发出了一款可以模拟蚯蚓蠕动的机器人，该机器人通过在聚合管周围环绕网格状形状记忆合金以实现对蠕动动作的仿真，并且可以抵抗较大的外部冲击。
但是，上述提到的软体结构有一定的局限性，其没有刚性骨骼来承载自身重量，通常质量较小。自然界中几乎所有大型无脊椎软体动物均生存在水或地下环境中，依靠环境媒介支撑身体结构。此外，软体结构的大形变、能量吸收特性降低了惯性力的作用效果，也限制了软体动物的移动速度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种软体爬行机器人、成型模具及其制作方法。
本发明所采用的技术方案如下：
一种软体爬行机器人，包括结构相同的前端驱动器和后端驱动器，所述前端驱动器和所述后端驱动器包括壳体，所述壳体的外缘包括首尾连接的第一弧线部、第二弧线部和直线部，且所述第一弧线部的第一端和所述第二弧线部第一端之间呈圆弧过渡连接，所述直线部的两端分别连接所述第一弧线部的第二端和所述第二弧线部的第二端；所述前端驱动器和所述后端驱动器均开设至少一个六边形的空气腔室；当所述空气腔室进行充气时，所述空气腔室在所述前端驱动器的底部和所述后端驱动器的底部形成凸起；
中端驱动器，连接所述前端驱动器和所述后端驱动器；其包括可轴向拉伸的主体，且所述主体设置第一锯齿部，所述主体安装限位元件，所述限位元件用于限制所述中端驱动器径向膨胀；
通过对所述前端驱动器、所述中端驱动器、所述后端驱动器采用预设序列进行充气和放气，使得所述软体爬行机器人进行前后移动。
其进一步的技术特征在于：还包括控制系统，所述控制系统包括气泵、控制器、继电器、电磁阀，所述气泵用于给所述软体爬行机器人提供气源，所述继电器分别与所述气泵、所述电磁阀相连，所述控制器通过所述继电器控制气泵，所述软体爬行机器人的进气端通过所述电磁阀与所述气泵的供气端相连，所述继电器由所述控制器控制并通过所述继电器控制所述电磁阀的通断。
其进一步的技术特征在于：所述前端驱动器和所述后端驱动器关于所述中端驱动器通过一组长边中点的直线轴对称设置。
其进一步的技术特征在于：所述前端驱动器、所述中端驱动器和所述后端驱动器相互粘接。
其进一步的技术特征在于：所述空气腔室的数量为两个，两个所述空气腔室相对所述前端驱动器或所述后端驱动器的中轴线对称设置。
其进一步的技术特征在于：所述限位元件为塑胶橡圈，所述塑胶橡圈沿所述主体的长度方向设置，且所述塑胶橡圈和所述第一锯齿部卡接。
一种软体爬行机器人的成型模具，用于制作上述所述的软体爬行机器人，包括
结构相同的前端驱动器的模具和后端驱动器的模具，均包括可相互压合的上模和下模，所述下模包括下模座，所述下模座内设置至少一个镶块，所述镶块用于形成所述前端驱动器或所述后端驱动器的空气腔室；
中端驱动器的模具，包括可相互压合的第一模具、第二模具和第三模具，所述第二模具包括第二模板，所述第二模板设置在所述第一模具和所述第三模具之间，且所述第二模板设置第二锯齿部。
其进一步的技术特征在于：所述上模包括凸模固定板和上模座，所述凸模固定板和所述上模座之间开设卡槽，所述卡槽沿所述凸模固定板的周长设置。
其进一步的技术特征在于：所述第一模具包括第一模板，所述第一模板内对称设置第二镶块；所述第三模具包括第三模板，所述第三模板内对称设置第三镶块；所述第二镶块和所述第三镶块均为锯齿状。
一种软体爬行机器人的制作方法，利用上述所述的软体爬行机器人的成型模具制作软体爬行机器人，包括以下步骤：
步骤S1：制作前端驱动器的模具、中端驱动器的模具和后端驱动器的模具；
步骤S2：对制作前端驱动器、中端驱动器和后端驱动器的硅橡胶材料进行处理；
步骤S3：将步骤S2中的硅胶橡胶材料分别向前端驱动器的模具、中端驱动器的模具和后端驱动器的模具内浇筑；
步骤S4：固化硅胶橡胶材料，得到前端驱动器、中端驱动器和后端驱动器；
步骤S5：粘接前端驱动器、中端驱动器和后端驱动器。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明利用前端驱动器、后端驱动器与水平接触面的摩擦力差值和软体材料自身的优良特性使得软体爬行机器人本体实现在各种不同材质不同环境实现前后移动。
本发明在满足稳定性的同时减少阻力，可以适应于各种狭窄、潮湿、光滑环境，且爬行速度可控制。
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。
图1是软体爬行机器人的结构示意图。
图2是软体爬行机器人的侧视图。
图3是图2中A-A处的剖面图。
图4是前端驱动器或后端驱动器的上模的结构示意图。
图5是前端驱动器或后端驱动器的下模的结构示意图。
图6是中端驱动器的第一模具的结构示意图。
图7是中端驱动器的第二模具的结构示意图。
图8是中端驱动器的第三模具的结构示意图。
图9是软体爬行机器人的控制原理框图。
图10是软体爬行机器人在水平玻璃板上运行的示意图。
图11是软体爬行机器人在水平木板上运行的示意图。
说明书附图标记说明：1、前端驱动器；2、中端驱动器；3、后端驱动器；4、空气腔室；5、上模；51、凸模固定板；52、上模座；53、卡槽；6、下模；61、下模座；62、第一镶块；63、底板；7、第一模具；71、第一模板；72、第二镶块；73、凹槽；8、第二模具；81、第二模板；82、定位柱；83、第二锯齿部；9、第三模具；91、第三模板；92、第三镶块；93、定位孔。
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。
关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明，此外，在全部实施例中，相同的附图标号表示相同的元件。
实施例1：
结合图1-图3，一种软体爬行机器人，包括结构相同的前端驱动器1和后端驱动器3，前端驱动器1和后端驱动器3包括壳体，壳体的外缘包括首尾连接的第一弧线部、第二弧线部和直线部，且第一弧线部的第一端和第二弧线部第一端之间呈圆弧过渡连接，直线部的两端分别连接第一弧线部的第二端和第二弧线部的第二端。前端驱动器1和后端驱动器3均开设至少一个六边形的空气腔室4。当空气腔室4进行充气时，空气腔室4在前端驱动器1的底部和后端驱动器3的底部形成凸起。
中端驱动器2，连接前端驱动器1和后端驱动器2。其包括可轴向拉伸的主体，且主体设置第一锯齿部，主体安装限位元件，限位元件用于限制中端驱动器2径向膨胀。
通过对前端驱动器1、中端驱动器2、后端驱动器3采用预设序列进行充气和放气，使得软体爬行机器人进行前后移动。
上述提供了一种软体爬行机器人，利用前、后驱动器与接触面的摩擦力差值和软体材料自身的优良特性使得软体爬行机器人本体实现在各种不同材质不同环境实现前后移动。
如图9所示，在本实施例中，软体爬行机器人还包括控制系统，控制系统包括气泵、控制器、继电器、电磁阀，气泵用于给软体爬行机器人提供气源，继电器分别与气泵、电磁阀相连，控制器通过继电器控制气泵，软体爬行机器人的进气端通过电磁阀与气泵的供气端相连，继电器由控制器控制并通过继电器控制电磁阀的通断。其中，控制器为由上位机控制的单片机。
在本实施例中，前端驱动器1和后端驱动器3关于中端驱动器2通过一组长边中点的直线轴对称设置。
在本实施例中，前端驱动器1和后端驱动器3的形状设置为最优选择，前端驱动器1和后端驱动器3减少前进或后退过程中减小前进驱动器1和后端驱动器3的阻力。在满足稳定性的同时减少阻力，并利用自身的柔软性和锐角结构顺利通过部分弯道，以适应更多的复杂环境。
在本实施例中，前端驱动器1、中端驱动器2和后端驱动器3相互粘接。
在本实施例中，经多次试验选定，前端驱动器1和后端驱动器3的长度为35.7mm，宽度为29.5mm，高度为11mm。中端驱动器2的长度为63mm，宽度为26mm，高度为8.5mm。前端驱动器1、中端驱动器2和后端驱动器3的壁厚均为2mm。中端驱动器2与前端驱动器1和后端驱动器3有2.5mm的高度差异，也是为了防止中端驱动器2充气膨胀时由于径向的拉伸造成的影响。
在本实施例中，空气腔室4的数量为两个，两个空气腔室4相对前端驱动器1或后端驱动器3的中轴线对称设置。
在本实施例中，空气腔室4的形状为等边但不等角的六边形，相较于其他形状，空气腔室4发生膨胀后易发生形变、扭曲，不易恢复初始状态，因此设置为等边但不等角的六边形可以保持前端驱动器1和后端驱动器3膨胀过程中的形状，保证前端驱动器1和后端驱动器3膨胀过程中的平稳性。
在本实施例中，限位元件为塑胶橡圈，塑胶橡圈沿主体的长度方向设置，且塑胶橡圈和第一锯齿部卡接。优选地，塑胶橡圈的直径为19mm。
实施例2：
结合图4-图8，一种软体爬行机器人的成型模具，用于制作实施例1的软体爬行机器人，包括
结构相同的前端驱动器的模具和后端驱动器的模具，包括可相互压合的上模5和下模6，下模6包括下模座61，下模座61内设置至少一个镶块62，镶块62用于形成前端驱动器1或后端驱动器3的空气腔室4。
中端驱动器的模具，包括可相互压合的第一模具7、第二模具8和第三模具9，第二模具8包括第二模板81，第二模板81设置在第一模具7和第三模具9之间，且第二模板81设置第二锯齿部83。
上述提供了一种软体爬行机器人的成型模具，用于制作软体爬行机器人。
在本实施例中，镶块62的数量和空气腔室4的数量相同，镶块62的形状和空气腔室4的形状相同，镶块62的形状为等边但不等角的六边形。
在本实施例中，上模5包括凸模固定板51和上模座52，凸模固定板51和上模座52之间开设卡槽53，卡槽53沿凸模固定板51的周长设置。卡槽53便于浇筑后将上模5和下模6扣合在一起。
在本实施例中，第一模具7包括第一模板71，第一模板71内对称设置第二镶块72。第三模具9包括第三模板91，第三模板91内对称设置第三镶块92。第二镶块72和第三镶块92均为锯齿状。
在本实施例中，第二模板81设置定位柱82，且定位柱82垂直设置于第二模板81的中心。同时，第三模板91开设定位孔93，且定位孔93的位置位于第三模板91的中心。在中端驱动器2的成型过程中，定位柱82垂直插入定位孔93内，有利于第一模具7、第二模具8和第三模具相互扣合，进一步有利于中端驱动器2成型。
实施例3：
一种软体爬行机器人的制作方法，利用实施例2的软体爬行机器人的成型模具制作实施例1的软体爬行机器人，包括以下步骤：
步骤S1：制作前端驱动器的模具、中端驱动器的模具和后端驱动器的模具。
步骤S2：对制作前端驱动器、中端驱动器和后端驱动器的硅橡胶材料进行处理。
步骤S3：将步骤S2中的硅胶橡胶材料分别向前端驱动器的模具、中端驱动器的模具和后端驱动器的模具内浇筑。
步骤S4：固化硅胶橡胶材料，得到前端驱动器1、中端驱动器2和后端驱动器3。
步骤S5：粘接前端驱动器1、中端驱动器2和后端驱动器3。
上述提供了一种软体爬行机器人的制作方法，制作的软体爬行机器人能够在不同材质的平面上运行。
在本实施例中，在步骤S1中，前端驱动器的模具、中端驱动器的模具和后端驱动器的模具可以利用SolidWorks建模软件绘制，导入3D打印机的分析软件中，设置好打印机参数后开始打印，打印结束后将前端驱动器的模具、中端驱动器的模具和后端驱动器的模具取出，依次使用目数为400目、1000目和1500目的砂纸打磨处理至光滑。
对前端驱动器1或后端驱动器3的具体制作步骤如下：在步骤S2中的硅橡胶材料的处理方法如下：称取适量Ecoflex 00-30高性能硅橡胶的两个组分按1:1的比例混合搅拌3min；将搅拌均匀的硅橡胶放置在真空罐中，调至负压真空处理10min。
在本实施例中，在步骤S3中，向模具内浇筑硅胶橡胶材料之前，取适量白凡士林均匀涂抹前端驱动器的模具和后端驱动器的模具的内部，以便后续脱模。
在本实施例中，在步骤S4中固化硅橡胶材料的方法如下：将灌注好硅橡胶的前端驱动器的模具或后端驱动器的模具水平放置在电热板上加热，温度设置在60℃，加热30min，加热完成后将模具取下，冷却至室温后将固化好的硅橡胶进行脱模。
对中端驱动器2的具体制作步骤如下：在步骤S2中固化硅橡胶材料的方法如下：称取Dragon Skin 10高性能硅橡胶高性能硅橡胶的两个组分按1:1的比例混合搅拌3min；将搅拌均匀的硅橡胶放置在真空罐中，调至负压真空处理10min。
在本实施例中，在步骤S3中，向模具内浇筑硅胶橡胶材料之前，取适量白凡士林均匀涂抹中端驱动器的模具的内部，以便后续脱模。
在本实施例中，在步骤S4中固化硅橡胶材料的方法如下：将灌注好硅橡胶的中端驱动器的模具水平放置在电热板上加热，温度设置在60℃，加热30min，加热完成后将模具取下，冷却至室温后将固化好的硅橡胶进行脱模。
软体爬行机器人的工作原理如下：
通过微控制器编程控制软体机器人各驱动器的充放气序列，利用前、后驱动器与接触面的摩擦力差值驱动机器人运行。
其中，软体爬行机器人各驱动器的充放气序列如表1所示，表中1代表充气，0代表放气。
(1)后端驱动器3充气，后端驱动器3的空气腔室4膨胀、向下凸起，后端驱动器3底部摩擦力大于前端驱动器1的底部摩擦力。
(2)后端驱动器3保持，中端驱动器充气、膨胀，软体爬行机器人向前伸长。
(3)后端驱动器3放气，中端驱动器2保持，前端驱动器1充气，前端驱动器1的空气腔室4膨胀向下凸起，前端驱动器1的底部摩擦力大于后端驱动器3的底部。
(4)中端驱动器2放气、收缩，前端驱动器1保持，软体爬行机器人整体向前移动。
(5)前端驱动器1放气，进入下一次循环。
表1软体爬行机器人各驱动器的充放气序列
| 时序k | 后端驱动器 | 中端驱动器 | 前端驱动器 |
| 1 | 1 | 0 | 0 |
| 2 | 1 | 1 | 0 |
| 3 | 0 | 1 | 1 |
| 4 | 0 | 0 | 1 |
| 5 | 0 | 0 | 0 |
如图10所示，为软体爬行机器人在水平玻璃板上运行速度为3.4mm/s。如图11所示，为软体爬行机器人在水平木板运行，速度为2.8mm/s。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种软体爬行机器人，其特征在于：包括结构相同的前端驱动器(1)和后端驱动器(3)，所述前端驱动器(1)和所述后端驱动器(3)包括壳体，所述壳体的外缘包括首尾连接的第一弧线部、第二弧线部和直线部，且所述第一弧线部的第一端和所述第二弧线部第一端之间呈圆弧过渡连接，所述直线部的两端分别连接所述第一弧线部的第二端和所述第二弧线部的第二端；所述前端驱动器(1)和所述后端驱动器(3)均开设至少一个六边形的空气腔室(4)；当所述空气腔室(4)进行充气时，所述空气腔室(4)在所述前端驱动器(1)的底部和所述后端驱动器(3)的底部形成凸起；
中端驱动器(2)，连接所述前端驱动器(1)和所述后端驱动器(2)；其包括可轴向拉伸的主体，且所述主体设置第一锯齿部，所述主体安装限位元件，所述限位元件用于限制所述中端驱动器(2)径向膨胀；
通过对所述前端驱动器(1)、所述中端驱动器(2)、所述后端驱动器(3)采用预设序列进行充气和放气，使得所述软体爬行机器人进行前后移动。
2.根据权利要求1所述的软体爬行机器人，其特征在于：还包括控制系统，所述控制系统包括气泵、控制器、继电器、电磁阀，所述气泵用于给所述软体爬行机器人提供气源，所述继电器分别与所述气泵、所述电磁阀相连，所述控制器通过所述继电器控制气泵，所述软体爬行机器人的进气端通过所述电磁阀与所述气泵的供气端相连，所述继电器由所述控制器控制并通过所述继电器控制所述电磁阀的通断。
3.根据权利要求1所述的软体爬行机器人，其特征在于：所述前端驱动器(1)和所述后端驱动器(3)关于所述中端驱动器(2)通过一组长边中点的直线轴对称设置。
4.根据权利要求1所述的软体爬行机器人，其特征在于：所述前端驱动器(1)、所述中端驱动器(2)和所述后端驱动器(3)相互粘接。
5.根据权利要求1所述的软体爬行机器人，其特征在于：所述空气腔室(4)的数量为两个，两个所述空气腔室(4)相对所述前端驱动器(1)或所述后端驱动器(3)的中轴线对称设置。
6.根据权利要求1所述的软体爬行机器人，其特征在于：所述限位元件为塑胶橡圈，所述塑胶橡圈沿所述主体的长度方向设置，且所述塑胶橡圈和所述第一锯齿部卡接。
7.一种软体爬行机器人的成型模具，用于制作如权利要求1-6任意一项所述的软体爬行机器人，其特征在于：包括
结构相同的前端驱动器的模具和后端驱动器的模具，均包括可相互压合的上模(5)和下模(6)，所述下模(6)包括下模座(61)，所述下模座(61)内设置至少一个镶块(62)，所述镶块(62)用于形成所述前端驱动器(1)或所述后端驱动器(3)的空气腔室(4)；
中端驱动器的模具，包括可相互压合的第一模具(7)、第二模具(8)和第三模具(9)，所述第二模具(8)包括第二模板(81)，所述第二模板(81)设置在所述第一模具(7)和所述第三模具(9)之间，且所述第二模板(81)设置第二锯齿部(83)。
8.根据权利要求7所述的软体爬行机器人的成型模具，其特征在于：所述上模(5)包括凸模固定板(51)和上模座(52)，所述凸模固定板(51)和所述上模座(52)之间开设卡槽(53)，所述卡槽(53)沿所述凸模固定板(51)的周长设置。
9.根据权利要求7所述的软体爬行机器人的成型模具，其特征在于：所述第一模具(7)包括第一模板(71)，所述第一模板(71)内对称设置第二镶块(72)；所述第三模具(9)包括第三模板(91)，所述第三模板(91)内对称设置第三镶块(92)；所述第二镶块(72)和所述第三镶块(92)均为锯齿状。
10.一种软体爬行机器人的制作方法，利用如权利要求7-9中任意一项所述的软体爬行机器人的成型模具制作软体爬行机器人，其特征在于包括以下步骤：
步骤S1：制作前端驱动器的模具、中端驱动器的模具和后端驱动器的模具；
步骤S2：对制作前端驱动器、中端驱动器和后端驱动器的硅橡胶材料进行处理；
步骤S3：将步骤S2中的硅胶橡胶材料分别向前端驱动器的模具、中端驱动器的模具和后端驱动器的模具内浇筑；
步骤S4：固化硅胶橡胶材料，得到前端驱动器(1)、中端驱动器(2)和后端驱动器(3)；
步骤S5：粘接前端驱动器(1)、中端驱动器(2)和后端驱动器(3)。
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- 2022-06-07 CN CN202210636500.9A patent/CN114932960A/zh active Pending
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