CN115092280A - 软体柔性躯干及软体柔性仿生爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种软体柔性躯干及软体柔性仿生爬壁机器人，包括内骨骼和外骨骼，所述外骨骼与所述内骨骼嵌套连接，所述内骨骼包括第一椎骨和第二椎骨，所述第一椎骨与所述第二椎骨的端部转动连接以及可滑动连接，所述外骨骼为层叠瓣状结构，包括多层软体瓣片，每层的各条所述软体瓣片末端互相连接，各层所述软体瓣片依次嵌套连接，所述第一椎骨与所述第二椎骨的连接处嵌套所述软体瓣片。本发明基于蛇类与壁虎爬行的仿生设计思想，通过软体柔性躯干、连接关节、足部等的结构，得到了一种兼容性强、稳定性好、使用灵活的爬壁机器人，不仅限于传统爬壁机器人应用领域，也能够在高温高压生产、抗震救灾等实际应用中发挥较大作用。

Description

软体柔性躯干及软体柔性仿生爬壁机器人

技术领域

本发明涉及爬壁机器人技术领域，特别涉及一种软体柔性躯干及软体柔性仿生爬壁机器人。

背景技术

爬壁机器人在工业各领域中广泛使用，传统爬壁机器人多采用履带式的吸盘结构进行爬行，且多为实现特定功能而设计，在实际应用中存在吸附不稳定，爬行速度慢，使用不灵活等较多缺陷。

近年来研究较先进的爬壁方式为多足式、磁轮式、步进足部等，相比于传统爬壁机器人优势明显，但在实际应用上还有较大的限制和设计难度。如履带式在转动时需要极大功耗以使电机提供较大转矩力，其灵活性也较差；磁轮式机器人有设计简单的优势，但在实际应用上对壁面粗糙程度有较大的要求，因其磁力吸附与壁面为线接触，在吸力要求较高的场合难以应用；对于步进式则为近年来较新研究，其利用足部间隔跳跃实现位移，在较多场合能应用，但其设计难度较高且不统一，实际投入应用的设计周期十分长，同种设计对于不同的场合适应性较差。

对于上述爬壁机器人，其固定于壁面的方法主要依赖于气动吸附或磁力吸附。目前更先进的方案采用了仿生钩爪使机器人固定于壁面，对于不同粗糙程度、曲度的壁面都能达到较好的效果，且有较大的设计提升空间。

现有技术中，爬壁机器人的躯体大都采用绳驱设计，难以在高负载场合应用，而利用柔性或变刚性躯体作为爬壁机器人主体结构的方案则较少，同样具有较大的设计提升空间。

发明内容

本发明的目的是：针对上述背景技术中存在的不足，基于蛇类与壁虎爬行的仿生设计思想，提出一种适应性极佳的软体柔性仿生爬壁机器人方案，以提供一种兼容性强、稳定性好、使用灵活的爬壁机器人，同时不仅限于传统爬壁机器人应用领域中，欲使其在高温高压生产、抗震救灾等实际应用中亦能发挥较大作用。

为了达到上述目的，本发明提供了一种软体柔性躯干，包括内骨骼和外骨骼，所述外骨骼与所述内骨骼嵌套连接，所述内骨骼包括第一椎骨和第二椎骨，所述第一椎骨与所述第二椎骨的端部转动连接以及可滑动连接，所述外骨骼为层叠瓣状结构，包括多层软体瓣片，每层的各条所述软体瓣片末端互相连接，各层所述软体瓣片依次嵌套连接，所述第一椎骨与所述第二椎骨的连接处嵌套所述软体瓣片。

进一步地，所述第一椎骨与所述第二椎骨的连接处均形成有内径减小的连接段，所述连接段嵌套所述软体瓣片。

进一步地，所述第一椎骨或所述第二椎骨设置有软体缓冲伸缩层，所述软体缓冲伸缩层能够产生变形。

进一步地，所述第一椎骨或所述第二椎骨的端部开设有滑槽，所述滑槽内滑动设置有转轴，所述第二椎骨或所述第一椎骨与所述转轴连接。

进一步地，所述外骨骼相对垂直方向具有倾斜角，所述倾斜角提供柔性弯曲时外骨骼层叠相对交错移位的空间。

进一步地，所述外骨骼的外层还包裹有软体气敏层，所述软体气敏层与气动控制模块连接，以加压增加刚度。

本发明还提供了一种软体柔性仿生爬壁机器人，至少包括第一躯干和第二躯干，所述第一躯干和所述第二躯干采用如前所述的软体柔性躯干。

进一步地，所述第一躯干与所述第二躯干的尾部相连，头部安装有执行末端，所述第一躯干与所述第二躯干通过多个连接关节搭接，所述连接关节设置有足部。

进一步地，所述足部的底面布设有多层皮瓣结构，所述皮瓣结构上附有磁流变弹性体改良聚合物材料，以及微刚毛凸起结构。

进一步地，所述连接关节设置有多层安装平台，所述安装平台用于固定驱动执行元件，所述连接关节的底部布设弹性缓冲件。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明提供的软体柔性躯干及软体柔性仿生爬壁机器人，基于蛇类与壁虎爬行的仿生设计思想，通过软体柔性躯干、连接关节、足部等的结构，得到了一种兼容性强、稳定性好、使用灵活的爬壁机器人，不仅限于传统爬壁机器人应用领域，也能够在高温高压生产、抗震救灾等实际应用中发挥较大作用；

本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1为本发明的实施例1整体结构示意图；

图2为本发明的内骨骼结构示意图；

图3为本发明的外骨骼结构示意图；

图4为本发明的实施例1弯曲姿态示意图；

图5为本发明的内外骨骼嵌套关节单元弯曲示意图；

图6为本发明的实施例2整体结构示意图；

图7为本发明的机器人爬行过程示意图；

图8为本发明的机器人多种工作功能与姿态图；

图9为本发明的足部连接结构示意图；

图10为本发明的足部底面结构示意图；

图11为本发明的连接关节结构示意图；

图12为本发明的机械臂结构示意图；

图13为本发明的旋合紧固结构示意图；

图14为本发明的夹持头咬合结构示意图；

图15为本发明的夹持头咬合过程剖视图。

【附图标记说明】

1-内骨骼；2-外骨骼；3-第一椎骨；4-第二椎骨；5-通气孔；6-软体瓣片；7-连接段；8-软体缓冲伸缩层；9-第一躯干；10-第二躯干；11-执行末端；12-连接关节；13-足部；14-皮瓣结构；15-微刚毛凸起结构；16-安装平台；17-缓冲弹簧垫；18-链结构骨骼；19-夹持头；20-旋合紧固结构；21-竖牙齿；22-斜牙齿。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是锁定连接，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。

实施例1：

本发明的实施例1提供了一种软体柔性躯干，采用内外骨骼嵌套结构，其中内骨骼设计为提供旋转自由度的椎骨连接结构，并具有一定的滑动自由度，外骨骼设计为双向嵌套相合的层叠瓣状结构，内外骨骼两层嵌套下，通过气动控制内骨骼，在一定设计长度下(单边长度≥1.2m)可实现360°的柔性弯曲角，并在任意角度下实现刚性固定，以满足高负载应用需要。

具体如图1所示，该软体柔性躯干包括内骨骼1和外骨骼2，外骨骼2与内骨骼1嵌套连接。同时如图2所述，内骨骼1包括第一椎骨3和第二椎骨4，第一椎骨3与第二椎骨4的端部转动连接以及可滑动连接。具体方式为，第一椎骨3或第二椎骨4的端部开设有轴向平行的滑槽，滑槽内滑动设置有转轴，第二椎骨4或第一椎骨3与转轴连接，因此第二椎骨4能够相对于第一椎骨3旋转以及滑移一小段距离。

作为优选的实施方式，本实施例中设计有±60°的关节转动裕度，可使每块椎骨在转动自由度上双向转动，同时以1.05-3.55cm的滑动距离进行限位。

作为优选的实施方式，第一椎骨3、第二椎骨4均为中部空心结构，且均开设有通气孔5，以减少重量并保持通气散热等。

同时如图3所示，外骨骼2为层叠瓣状结构，包括多层软体瓣片6，每层的各条软体瓣片6末端互相连接，单层展开面为弧形带状瓣片相连结构，各层软体瓣片6依次嵌套连接。其中，第一椎骨3与第二椎骨4的连接处嵌套软体瓣片6。作为优选，第一椎骨3与第二椎骨4的连接处均形成有内径减小的连接段7，连接段7嵌套相应的软体瓣片6，使结构更加紧凑，第一椎骨3相对于第二椎骨4转动时能够及时传递至软体瓣片6，再依次传递旋转角度。

因此软体柔性躯干弯曲时，主动弯曲的内骨骼1首先带动嵌套的软体瓣片6作稳定弯曲动作，再与外层包围的外骨骼2软体瓣片6层叠结构贴合，带动该处外骨骼2软体瓣片6弯曲，再通过该处的外骨骼2软体瓣片6依次带动其余层叠的软体瓣片6弯曲，而其余的软体瓣片6再带动非主动弯曲的内骨骼1弯曲，以此循环传递角度，如图4所示。

作为优选的实施方式，本实施例中第一椎骨3或第二椎骨4设置有软体缓冲伸缩层8，外骨骼2通过该软体缓冲伸缩层8与非主动弯曲的内骨骼1紧密贴合嵌套，并在高负载弯曲的情况下保证外骨骼2稳定嵌套而不产生较大移位，并使其在柔性回复时能够自发校正归位。

作为优选的实施方式，本实施例中外骨骼2相对垂直方向具有倾斜角θ，倾斜角θ提供柔性弯曲时外骨骼2层叠相对交错移位的空间，在内骨骼1数量与外骨骼2层叠数较多时，每一内骨骼1进行角度传递的大小可在小于倾斜角θ的范围内，能达到几乎无磨损的连贯动作，在实际负载使用时能极大地延长使用寿命与灵活度。其中，倾斜角θ根据实际应用需要可加以调整，以满足特殊柔性转动需求。

在本实施例中，外骨骼2的外层还包裹有软体气敏层，软体气敏层采用软体气敏材料，在躯干需要保持刚性时，气动加压软体气敏层，使其柔软度下降，在保护内外骨骼的同时，增强了躯干整体的刚性承受力。

当内骨骼1与外骨骼2嵌套连接后，其弯曲形态分析与计算设计如下：考虑弯矩Δm₁，Δm₂使内骨骼1连接处的软体瓣片6发生转动，转角为Δθ，如图5所示，软体瓣片6综合半径为ρ符合下列等式：

当弯矩间距离ω′足够小时，可以用两弯矩分别与圆心连线的夹角

来表示为如下等式：

结合以上等式，进行积分可以得到，软体瓣片6产生的径向转角Δψ以及合弯矩Δm如下：

当上下两层软体瓣片6相互摩擦时，设接触长度为l，取接触宽度(软体瓣片6单条宽度)ω，在该面积上作用压力为p，摩擦因数为μ，软体瓣片6间的摩擦力与内骨骼1支点上作用的阻力矩间的关系可以利用虚功原理求出，设在极小长度dl上产生的虚位移为Δv：

根据能量守恒得：

综上可得阻力矩：

按上述计算分析下设计骨骼结构，能完全满足所述功能的实现。

实施例2：

同时如图6、图8所示，本发明的实施例2提供了一种软体柔性仿生爬壁机器人，包括采用实施例1提供的软体柔性躯干的第一躯干9和第二躯干10。其中，第一躯干9与第二躯干10的尾部相连，头部安装有执行末端11，第一躯干9与第二躯干10通过多个连接关节12搭接，连接关节12设置有足部13。

因此，第一躯干9以及第二躯干10能够在一定角度下实现柔性弯曲；通过结合仿生爬行足部13，模拟蛇类动物与壁虎的爬行模式进行移动，分两种爬行模式：

定向不变爬行时，躯干自尾部向头部局部相对弯曲，其中尾部起最初弯曲使能作用，连躯干弯曲时，连接关节12的运动状态分为三个过程，如图7所示；

第一个过程为连接关节12相对后部的躯干部分柔性向弯曲倾斜至θ，连接关节12处足部13接触角保持在小于σ范围内，产生向前伸展趋势，前部保持原刚性，使得足部13受到向前方向与向下方向的压力，此时受向下压力较大而保持固定。

第二个过程为连接关节12相对前部的躯干部分柔性逐步向上弯曲倾斜θ'，亦产生向前伸展趋势，使得足部13受向下压力逐渐减小，连接关节12处足部13接触角保持定值σ，至阻碍其向前移动的粘附摩擦力恰好与前向压力相同，而使足部13稳定向前移动，且相对后部躯干部分θ减小，躯干逐渐摆平减小柔性，恢复原刚性状态。

第三个过程为后部躯干摆平恢复原刚性状态时，现位置相对于原连接尾部的位置向前移，恢复时则对尾部产生水平拉力，而由于尾部连接的足部13采用两端双向过阻尼摩擦设计，当足部13相对正方向前端倾斜受压较大时，其正向摩擦极大，反之较小，使得对尾部产生水平拉力以及向下恢复刚性时的后端拉力时，尾部能整体前移，前部弯曲角θ逐渐减小，直至前移量达到柔性弯曲带来的自由位移量Σ，完成一次完整爬行过程。其中，自由位移量Σ的部分分析计算设计参考实施例1。

非定向可变爬行时，以1.2m躯干单边长度设计举例，爬行时连接关节12处的旋转滑轮电机根据弯曲方向将躯干轴向旋转5-10°，重复上述定向爬行的躯干形态变化，不同的为足部13向前移动的同时亦受到由于轴向弯曲导致的侧向推力使其偏向轴向旋转方向移动，实现非定向可变爬行。

其中，躯干尾部的相连设计，在应用中可起到极大的辅助作用。

机器人爬行时，尾部起到最初弯曲使能作用，尾部相连的弯曲处在爬行时只需要保持刚性，通过两侧水平的柔性躯干进一步弯曲，即可使尾部与末端的连接关节12、足部13压向接触面，由于尾部的大面积接触，能够较易产生足够大的向下压力作用，使得爬行时两个过程中机器人整体的稳定，进而容许了高负载的工作状态，在特殊环境如高温高压生产、抗震救灾等实际应用中，有极大的应用潜力。

机器人爬行换向时，如垂直爬壁下降时，尾部起到固定作用。由沿壁爬上换为沿壁爬下时，需先整体换向，此时尾部如上述起固定作用的同时，容许角度的旋转，柔性躯干经非定向弯曲，将机器人头部转为朝下，完成换向，实现传统爬壁机器人难以实现的实时灵活换向。

传统爬壁机器人设计主要利用吸盘式吸爪或吸盘式履带，实际应用时需要反复进行气动控制其吸盘吸放，使得应用十分不变。同时如图9、图10所示，本实施例中足部13的设计主要基于壁虎仿生思想，在前述软体柔性躯干爬行功能实现中，足部13可相对连接关节12进行一定范围的摆动，便于爬壁时的移动与调整。足部13底面采用仿壁虎掌的多层皮瓣结构14，皮瓣结构14上附有基于磁流变弹性体实现的双层磁流变弹性体改良聚合物材料，加之仿壁虎微刚毛凸起结构15，可实现爬壁时稳固的粘附，又能根据特定受力角度而灵活取下。

同时如图11所示，在本实施例中，连接关节12为连接软体柔性躯干的桥梁，同时自身设置有多层安装平台16，其使用模块化设计，可根据需求改变运输物品或工具，适应性极高。连接关节12的两侧与足部13连接，能够使足部13摆动。安装平台16设有二层或更多层，可用于放置机器人运行所需的电源或气动部件等。连接关节12底部还设有缓冲弹簧垫17，辅助爬行时接触持续与减震。

请再次参阅图6，作为其中一个可选的实施方式，本实施例中第一躯干9和第二躯干10还可加嵌链结构骨骼18，以保证在恶劣强扰动空间中保持定向爬行线路的稳定。链结构骨骼18能够容纳一定程度的软体收缩，以减小主体体积，便于携带。链结构骨骼18由主链和辅链组成，主链与躯干相接，并限制辅链收缩最小距离。链结构骨骼18可以进行一定角度的转动，具有一定的灵活性。

同时如图12所示，在本实施例中，第一躯干9以及第二躯干10的头部作为机械臂，能够按需替换不同的执行末端11。其自身同样柔性的设置，摆脱传统固定夹持器具、固定夹持方向的弊端。依靠软体柔性仿生结构，结合连接关节12的安装平台16，使得机械臂在使用时可随时自动更换夹持的执行末端11，包括吸盘、清洗喷头、摄像头等，实现高效、灵活的清洗、吸附、拍摄、采集等多种功能。

同时如图13所示，机械臂非工作状态时收缩在躯干最前侧，爬行时一同作为柔性躯干工作，机械臂的前端安装有夹持头19，夹持头19能够夹持不同的执行末端。其中，机械臂前端与夹持头19的连接采用了旋合紧固结构20，旋合方式简单，应用方便，同时能保证可靠的紧固，确保旋合后机械手运作稳定而不脱落，减小执行末端11旋转时给机器人带来的震动与咬合件之间的磨损。

同时如图14所示，夹持头19为自咬合夹具，其端面上的牙齿总体呈现为星形排列方式，咬合时竖直牙齿21主要依靠牙齿梯形面提供支持力来支撑被紧固件(执行末端11)，而竖牙齿21两侧的斜牙齿22主要依靠牙侧面提供摩擦力来支撑被紧固件，同时也能够提供较大的接触面，承受更大的压力。这样的排列方式合理的分配了各牙齿所受的力，因此，可以根据主要功能的不同利用不同的材料制造牙齿，以适应各自的工作环境。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种软体柔性躯干，其特征在于，包括内骨骼和外骨骼，所述外骨骼与所述内骨骼嵌套连接，所述内骨骼包括第一椎骨和第二椎骨，所述第一椎骨与所述第二椎骨的端部转动连接以及可滑动连接，所述外骨骼为层叠瓣状结构，包括多层软体瓣片，每层的各条所述软体瓣片末端互相连接，各层所述软体瓣片依次嵌套连接，所述第一椎骨与所述第二椎骨的连接处嵌套所述软体瓣片。

2.根据权利要求1所述的软体柔性躯干，其特征在于，所述第一椎骨与所述第二椎骨的连接处均形成有内径减小的连接段，所述连接段嵌套所述软体瓣片。

3.根据权利要求1所述的软体柔性躯干，其特征在于，所述第一椎骨或所述第二椎骨设置有软体缓冲伸缩层，所述软体缓冲伸缩层能够产生变形。

4.根据权利要求1所述的软体柔性躯干，其特征在于，所述第一椎骨或所述第二椎骨的端部开设有滑槽，所述滑槽内滑动设置有转轴，所述第二椎骨或所述第一椎骨与所述转轴连接。

5.根据权利要求1所述的软体柔性躯干，其特征在于，所述外骨骼相对垂直方向具有倾斜角，所述倾斜角提供柔性弯曲时外骨骼层叠相对交错移位的空间。

6.根据权利要求1所述的软体柔性躯干，其特征在于，所述外骨骼的外层还包裹有软体气敏层，所述软体气敏层与气动控制模块连接，以加压增加刚度。

7.一种软体柔性仿生爬壁机器人，其特征在于，至少包括第一躯干和第二躯干，所述第一躯干和所述第二躯干采用如权利要求如权利要求1-6任意一项所述的软体柔性躯干。

8.根据权利要求7所述的软体柔性仿生爬壁机器人，其特征在于，所述第一躯干与所述第二躯干的尾部相连，头部安装有执行末端，所述第一躯干与所述第二躯干通过多个连接关节搭接，所述连接关节设置有足部。

9.根据权利要求8所述的软体柔性仿生爬壁机器人，其特征在于，所述足部的底面布设有多层皮瓣结构，所述皮瓣结构上附有磁流变弹性体改良聚合物材料，以及微刚毛凸起结构。

10.根据权利要求8所述的软体柔性仿生爬壁机器人，其特征在于，所述连接关节设置有多层安装平台，所述安装平台用于固定驱动执行元件，所述连接关节的底部布设弹性缓冲件。

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