CN116690533B - 一种基于折纸结构的模块及仿生软体运动机器人 - Google Patents
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Abstract
一种基于折纸结构的模块及仿生软体运动机器人，涉及软体机器人结构设计与自动化控制领域。其为了解决现有软体机器人运动模式单一，工作介质受到限制的问题。所述基于折纸结构的模块包括双向弯曲软折纸致动器、扭转软折纸致动器和榫卯连接件，双向弯曲软折纸致动器的端部通过榫卯连接件与扭转折纸致动器连接。所述仿生软体运动机器人包括多个双向弯曲软折纸致动器、多个扭转软折纸致动器和多个榫卯连接件；多个双向弯曲软折纸致动器呈一字形设置，相邻两个双向弯曲软折纸致动器之间设有一个扭转软折纸致动器，扭转软折纸致动器的两端分别各通过一个榫卯连接件与相邻近的一个双向弯曲软折纸致动器的端部连接，具有自身感知能力，能够实时感知自身复杂变形。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人模块及仿生软体运动机器人，属于软体机器人结构设计与自动化控制技术领域。
背景技术
与传统刚性运动机器人相比，受自然界软体生物启发的软体运动机器人，因具有柔性好、灵活度高、交互安全等优点，成为机器人领域研究的热点，在军事侦查、管道检测、灾后救援等领域具有广阔的应用前景。然而，已有的软体运动机器人制备完成后，其运动模式就已固定且模式单一，限制了其应用范围。复杂多样的工作环境需要机器人能够根据工作介质的变化动态调整自己的运动模式以实现高效运动。例如，机器人有时需要在陆地和水下切换场景工作。因此，有必要设计一款多运动模式仿生软体运动机器人，兼具结构简单、柔顺性好与多模式运动特点。
公开号为CN114406997A、公开日为2022年4月29日的发明专利公开了一种具有顺序刚度调节功能的仿生结构-感知一体化软折纸弯曲模块，并公开了软折纸致动器采用纤维增强的吉村文式结构，具有沿折痕展开和硅胶皮肤拉伸的双重变形，软体模块沿轴向分为三段，单一气压下每段分别经历柔顺大变形-被动顺序刚度调节，可实现多种弯曲构型；该发明解决了现有软体机器人灵活大变形与灵敏感知无法兼得的问题，但该发明所公开的弯曲模块无法进行扭转动作，导致该弯曲模块组成的软体机器人运动模式单一，工作介质受到限制。
发明内容
本发明为解决现有软体机器人运动模式单一，工作介质受到限制的问题，进而提出一种基于折纸结构的模块及仿生软体运动机器人。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明所述基于折纸结构的模块包括双向弯曲软折纸致动器、扭转软折纸致动器和榫卯连接件，双向弯曲软折纸致动器的端部通过榫卯连接件与扭转软折纸致动器连接。
进一步的，双向弯曲软折纸致动器包括吉村文式软折纸模块、纤维限制线、三个应变感知单元、应变限制层和两个第一气管；吉村文式软折纸模块内沿其宽度方向并排设有两个气室，每个气室分别与一个第一气管连通，三个应变感知单元和应变限制层设置在两个气室之间，纤维限制线沿吉村文式软折纸模块周向缠绕在吉村文式软折纸模块上；应变感知单元是压阻型柔性应变传感器，它由硅胶基底和碳基导电填料组成，应变限制层是不可伸长但易弯曲的纤维布制作的。
进一步的，扭转软折纸致动器包括扭转模块和第二气管；扭转模块内设有一个气室，所述气管设置在扭转模块的一侧，所述气管与扭转模块内的气室连通；所述扭转模块由两种Kresling软折纸结构组成，两种Kresling软折纸结构的折痕相反，抽气时两种Kresling软折纸结构的旋转方向相反，所述Kresling软折纸结构是导电柔性复合材料制作的。
进一步的，榫卯连接件由公头和母头组成，公头与双向弯曲软折纸致动器的端部固定连接，母头与扭转软折纸致动器的端部固定连接。
进一步的，所述基于折纸结构的模块还包括多个摩擦角；双向弯曲软折纸致动器端部的外侧对称设有两个摩擦角；摩擦角为梯形结构，摩擦角的平面采用硬质硅胶材料，摩擦角的斜面采用聚酰亚胺材料。
进一步的，双向弯曲软折纸致动器由多个结构相同的折纸单元组成，每个折纸单元顶部和相邻折纸单元之间均设有凹槽，所述凹槽内套装有环形限制线，所述环形限制线是鱼线制作的。
本发明所述一种仿生软体运动机器人包括多个双向弯曲软折纸致动器、多个扭转软折纸致动器和多个榫卯连接件；多个双向弯曲软折纸致动器呈一字形设置，相邻两个双向弯曲软折纸致动器之间设有一个扭转软折纸致动器，扭转软折纸致动器的两端分别各通过一个榫卯连接件与相临近的一个双向弯曲软折纸致动器的端部连接。也就说，本发明所述的仿生软体运动机器人包括多个基于折纸结构的模块，多个基于折纸结构的模块连接成各种形式。
进一步的，榫卯连接件由公头和母头组成，公头与双向弯曲软折纸致动器的端部固定连接，母头与扭转软折纸致动器的端部固定连接。
本发明所述一种仿生软体运动机器人包括躯干、四个双向弯曲软折纸致动器、四个扭转软折纸致动器和四个榫卯连接件；两个双向弯曲软折纸致动器由前至后设置在所述躯干的一侧，另外两个双向弯曲软折纸致动器由前至后设置在所述躯干的另一侧，每个双向弯曲软折纸致动器靠近所述躯干的一端通过一个榫卯连接件与一个扭转软折纸致动器的外端连接，扭转软折纸致动器的内端与所述躯干连接。
进一步的，所述躯干由四个双向弯曲软折纸致动器和四个榫卯连接件组成，四个双向弯曲软折纸致动器呈矩形设置，相邻两个双向弯曲软折纸致动器的端部通过一个榫卯连接件连接，每个榫卯连接件与相临近的一个扭转软折纸致动器的内端连接。
本发明的有益效果是：
1、本发明的软折纸致动器具有结构简单、灵活大变形的优点，能够沿折痕伸展和硅胶皮肤拉伸双重变形，相比于普通折纸致动器弯曲角度更大，限制线可限制气室充气后的径向膨胀，以减小能量损失，提升驱动效率；双向弯曲致动器底部离散嵌入压阻式柔性应变感知单元，扭转致动器本身直接采用柔性压阻材料制备，对致动器本体构型进行实时反馈；
2、本发明的软折纸致动器与应变感知单元具有相同材料属性，在不需要额外胶水粘接的条件下通过分子键合连接，避免了应变传递的损失，应变感知单元材料模量低于软折纸致动器材料模量，应变感知单元的嵌入不会损失软折纸致动器原有的柔顺性，进而使软体弯曲模块兼具灵活大变形与灵敏感知；
3、本发明的应变感知单元离散布置在弯曲模块的中部，可以监测其分段不同曲率的复杂变形；
4、本发明的摩擦脚同时提供支撑力和摩擦力，摩擦脚一面贴有聚酰亚胺胶带，其摩擦力低于摩擦角硅胶本体，当机器人仿尺蠖向前爬行时，其两脚发生倾斜，前后支撑脚与地面的摩擦力交替变化，聚酰亚胺与地面接触时便于向前滑动，硅胶摩擦角与地面接触时防止后退；
5、本发明的双向弯曲致动器与扭转致动器可以通过榫卯连接件快速自由组装，可以以实现水陆两栖多种运动模式，陆地上能仿蛇“S型”与伸缩式爬行、仿尺蠖“Ω型”爬行、仿乌龟滑行，水中能仿蛇“S型”游动、仿乌龟游泳，而且多种运动模式可以动态自由切换；机器人具有自身感知能力，能够实时感知自身复杂变形。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是双向弯曲软折纸致动器立体结构剖视图；
图3是扭转软折纸致动器的立体剖视图
图4是榫卯连接件的分解结构示意图；
图5是仿蛇形软体运动机器人的结构示意图；
图6是仿蛇形软体运动机器人陆地环境中前进运动的步态示意图；
图7是仿蛇形软体运动机器人陆地环境中转向运动的步态示意图；
图8是仿蛇形软体运动机器人水下环境中蜿蜒运动的步态示意图；
图9是仿龟形软体运动机器人的结构示意图；
图10是仿龟形软体运动机器人的步态示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种基于折纸结构的模块包括双向弯曲软折纸致动器1、扭转软折纸致动器2和榫卯连接件3，双向弯曲软折纸致动器1的端部通过榫卯连接件3与扭转软折纸致动器2连接。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述一种基于折纸结构的模块的双向弯曲软折纸致动器1包括吉村文式软折纸模块11、纤维限制线12、三个应变感知单元13、应变限制层14和两个第一气管15；吉村文式软折纸模块11内沿其宽度方向并排设有两个气室111，每个气室111分别与一个第一气管15连通，三个应变感知单元13和应变限制层14设置在两个气室111之间，纤维限制线12沿吉村文式软折纸模块11周向缠绕在吉村文式软折纸模块11上，应变感知单元13是压阻型柔性应变传感器，它由硅胶基底和碳基导电填料组成，应变限制层14是不可伸长但易弯曲的纤维布制作的。纤维限制线12用来限制吉村文式软折纸模块11充气后产生的径向膨胀，应变感知单元13的材质与第一气管15的材质相同，通过浇筑的方式将二者无缝键合在一起。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式所述一种基于折纸结构的模块的扭转软折纸致动器2包括扭转模块21和第二气管22；扭转模块21内设有一个气室，所述气管设置在扭转模块21的一侧，所述气管与扭转模块21内的气室连通；所述扭转模块21由两种Kresling软折纸结构组成，两种Kresling软折纸结构的折痕相反，抽气时两种Kresling软折纸结构的旋转方向相反，所述Kresling软折纸结构是导电柔性复合材料制作的。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图4说明本实施方式，本实施方式所述一种基于折纸结构的模块的榫卯连接件3由公头31和母头32组成，公头31与双向弯曲软折纸致动器1的端部固定连接，母头32与扭转软折纸致动器2的端部固定连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种基于折纸结构的模块还包括多个摩擦角4；双向弯曲软折纸致动器1端部的外侧对称设有两个摩擦角4；摩擦角4为梯形结构，摩擦角4的平面采用硬质硅胶材料，摩擦角4的斜面采用聚酰亚胺材料。
摩擦角4平面与斜面采用不同的材料以提供不同的摩擦系数，使得机器人在前进和弯曲时不同的部分可以获得不同的摩擦力，以产生运动。
其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种基于折纸结构的模块的双向弯曲软折纸致动器1由多个结构相同的折纸单元组成，每个折纸单元顶部和相邻折纸单元之间均设有凹槽，所述凹槽内套装有环形限制线，所述环形限制线是鱼线制作的。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：结合图5至8说明本实施方式，本实施方式所述一种仿生软体运动机器人包括多个双向弯曲软折纸致动器1、多个扭转软折纸致动器2和多个榫卯连接件3；多个双向弯曲软折纸致动器1呈一字形设置，相邻两个双向弯曲软折纸致动器1之间设有一个扭转软折纸致动器2，扭转软折纸致动器2的两端分别各通过一个榫卯连接件3与相临近的一个双向弯曲软折纸致动器1的端部连接。
本实施方式所述的一种仿生软体运动机器人是一种蛇形仿生软体运动机器人。
具体运行时，陆地环境中机器人以蠕动步态运动，机器人的一个前进周期分为4步：
第1步，前后两个扭转软折纸模块同时抽气，机器人呈收缩趋势，由于前部支撑脚摩擦力大，后部支撑脚摩擦力小，只有机器人后部向前收缩；
第2步，前后扭转软折纸模块腔室与空气接通，模块恢复至初始形状，此时机器人有伸长趋势，由于后支撑脚摩擦力大于前支撑脚摩擦力，机器人后部不动，前部向前移动；
第3步，前后两个扭转软折纸模块同时抽气，机器人呈收缩趋势，由于前部支撑脚摩擦力大，后部支撑脚摩擦力小，只有机器人后部向前收缩；
第4步，前后扭转软折纸模块腔室与空气接通，模块恢复至初始形状，此时机器人有伸长趋势，由于后支撑脚摩擦力大于前支撑脚摩擦力，机器人后部不动，前部向前移动。
陆地环境中，机器人的转向运动为，前端的双向弯曲软折纸致动器1向一侧气室充气，使机器人向另一侧弯曲。
水下环境中，机器人以正弦波的形态蜿蜒运动，具体的，前端和后端的双向弯曲软折纸致动器1同一侧气室充气，使其同时向一侧弯曲，中间的双向弯曲软折纸致动器1另一侧气室充气，使其向另一侧弯曲，而后，前端和后端的双向弯曲软折纸致动器1的另一侧气室充气，中间的双向弯曲软折纸致动器1与之相反，波形呈正弦曲线的状态，波沿着机器人的身体从前至后传播，如此反复，使得机器人在平面内呈正弦波形态前进。
单个扭转软折纸致动器2抽气时，可以使机器人在空间上向上或向下运动；两个扭转软折纸致动器2同时抽气时，机器人作收缩运动。
具体实施方式八：结合图5至图8说明本实施方式，本实施方式所述一种仿生软体运动机器人的榫卯连接件3由公头31和母头32组成，公头31与双向弯曲软折纸致动器1的端部固定连接，母头32与扭转软折纸致动器2的端部固定连接。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：结合图9和图10说明本实施方式，本实施方式所述一种仿生软体运动机器人包括躯干、四个双向弯曲软折纸致动器1、四个扭转软折纸致动器2和四个榫卯连接件3；两个双向弯曲软折纸致动器1由前至后设置在所述躯干的一侧，另外两个双向弯曲软折纸致动器1由前至后设置在所述躯干的另一侧，每个双向弯曲软折纸致动器1靠近所述躯干的一端通过一个榫卯连接件3与一个扭转软折纸致动器2的外端连接，扭转软折纸致动器2的内端与所述躯干连接。
本实施方式所述的一种仿生软体运动机器人是一种龟形仿生软体运动机器人。
具体实施方式十：结合图9和图10说明本实施方式，本实施方式所述一种仿生软体运动机器人的所述躯干由四个双向弯曲软折纸致动器1和四个榫卯连接件3组成，四个双向弯曲软折纸致动器1呈矩形设置，相邻两个双向弯曲软折纸致动器1的端部通过一个榫卯连接件3连接，每个榫卯连接件3与相临近的一个扭转软折纸致动器2的内端连接。其它组成及连接关系与具体实施方式九相同。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于折纸结构的模块,其特征在于:所述一种基于折纸结构的模块包括双向弯曲软折纸致动器(1)、扭转软折纸致动器(2)和榫卯连接件(3),双向弯曲软折纸致动器(1)的端部通过榫卯连接件(3)与扭转软折纸致动器(2)连接；
双向弯曲软折纸致动器(1)包括吉村文式软折纸模块(11)、纤维限制线(12)、三个应变感知单元(13)、应变限制层(14)和两个第一气管(15)；吉村文式软折纸模块(11)内沿其宽度方向并排设有两个气室(111),每个气室(111)分别与一个第一气管(15)连通,三个应变感知单元(13)和应变限制层(14)设置在两个气室(111)之间,纤维限制线(12)沿吉村文式软折纸模块(11)周向缠绕在吉村文式软折纸模块(11)上；应变感知单元(13)是压阻型柔性应变传感器,它由硅胶基底和碳基导电填料组成,应变限制层(14)是不可伸长但易弯曲的纤维布制做的；
所述一种基于折纸结构的模块还包括多个摩擦角(4)；双向弯曲软折纸致动器(1)端部的外侧对称设有两个摩擦角(4)；摩擦角(4)为梯形结构,摩擦角(4)的平面采用硬质硅胶材料,摩擦角(4)的斜面采用聚酰亚胺材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于折纸结构的模块,其特征在于:扭转软折纸致动器(2)包括扭转模块(21)和第二气管(22)；扭转模块(21)内设有一个气室,所述气管设置在扭转模块(21)的一侧,所述气管与扭转模块(21)内的气室连通；所述扭转模块(21)由两种Kresling软折纸结构组成,两种Kresling软折纸结构的折痕相反,抽气时两种Kresling软折纸结构的旋转方向相反,所述Kresling软折纸结构是导电柔性复合材料制做的。
3.根据权利要求1所述的一种基于折纸结构的模块,其特征在于:榫卯连接件(3)由公头(31)和母头(32)组成,公头(31)与双向弯曲软折纸致动器(1)的端部固定连接,母头(32)与扭转软折纸致动器(2)的端部固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于折纸结构的模块,其特征在于:双向弯曲软折纸致动器(1)由多个结构相同的折纸单元组成,每个折纸单元顶部和相邻折纸单元之间均设有凹槽,所述凹槽内套装有环形限制线,所述环形限制线是鱼线制作的。
5.根据权利要求1所述的一种基于折纸结构的模块制作的仿生软体运动机器人,其特征在于:所述仿生软体运动机器人包括多个双向弯曲软折纸致动器(1)、多个扭转软折纸致动器(2)和多个榫卯连接件(3)；多个双向弯曲软折纸致动器(1)呈一字形设置,相邻两个双向弯曲软折纸致动器(1)之间设有一个扭转软折纸致动器(2),扭转软折纸致动器(2)的两端分别各通过一个榫卯连接件(3)与相邻近的一个双向弯曲软折纸致动器(1)的端部连接。
6.根据权利要求5所述的一种仿生软体运动机器人,其特征在于:榫卯连接件(3)由公头(31)和母头(32)组成,公头(31)与双向弯曲软折纸致动器(1)的端部固定连接,母头(32)与扭转软折纸致动器(2)的端部固定连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于折纸结构的模块制作的仿生软体运动机器人,其特征在于:所述仿生软体运动机器人包括躯干、四个双向弯曲软折纸致动器(1)、四个扭转软折纸致动器(2)和四个榫卯连接件(3)；两个双向弯曲软折纸致动器(1)由前至后设置在所述躯干的一侧,另外两个双向弯曲软折纸致动器(1)由前至后设置在所述躯干的另一侧,每个双向弯曲软折纸致动器(1)靠近所述躯干的一端通过一个榫卯连接件(3)与一个扭转软折纸致动器(2)的外端连接,扭转软折纸致动器(2)的内端与所述躯干连接。
8.根据权利要求7所述的一种仿生软体运动机器人,其特征在于:所述躯干由四个双向弯曲软折纸致动器(1)和四个榫卯连接件(3)组成,四个双向弯曲软折纸致动器(1)呈矩形设置,相邻两个双向弯曲软折纸致动器(1)的端部通过一个榫卯连接件(3)连接,每个榫卯连接件(3)与相临近的一个扭转软折纸致动器(2)的内端连接。
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