CN117593946B - 用于仿生学教育的模块化气动形变积木教具及仿生机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于仿生学教育的模块化气动形变积木教具及仿生机器人，所述教具包括变形模组，变形模组由软体气芯嵌套在壳体内形成，所述软体气芯通过软管连接气泵，所述壳体由一种或多种框架形壳状单元构成，用于限制所述软体气芯的变形，通过控制壳状单元的种类及连接可以控制变形模组的柔性变形方式。本发明通过使用基本的软体气芯作为变形执行器和可直接3D打印获得的壳状单元作为外部约束壳，实现了易于组装和高度可扩展性，同时整个模块化结构中无任何电子实体，可实现直观和有形的交互，具有更低的门槛和更高的可访问性，儿童可以构建模仿动物运动的机器，从而深入理解和应用真正的生物模仿功能。
Description
技术领域
本发明属于教育玩具技术领域，具体涉及一种用于仿生学教育的模块化气动形变积木教具及仿生机器人。
背景技术
当前市场上缺乏能够让儿童直观学习和动手操作的仿生学教育工具，特别是可以促进STEAM教育的实践学习工具。现有仿生学教育工具多数为软体机器人，机器人技术在教育领域的应用已引起广泛关注，特别是作为增强儿童实践能力和创新思维的教学工具，其潜力不容忽视。机器人技术特别适用于培养儿童模仿生物机械动作的能力，从而在解决问题和创新方面激发他们的潜力。
尽管如此，现有的可编程机器人系统存在明显局限。首先，传统机器人通常依赖重型机械组件，如电机和伺服器，这些组件的刚性结构限制了机器人的动作流畅性。例如，它们难以准确模仿鱼类的优美滑行或蠕虫的有节奏蠕动，这种动作的局限性可能会抑制儿童的创造力和想象力。其次，尽管软体机器人技术在仿生设计方面取得了显著进展，并且其灵活性和适应性更适合模仿各种生物动作，但其在教育领域的应用仍面临重大挑战。特别是在STEAM（科学、技术、工程、艺术和数学）教育中，软体机器人的制造和气动控制过程复杂度高，需要专业知识和特定设备，这些要求超出了大多数教育环境的资源和能力范围。同时，其往往依赖复杂的数字和电气系统，这对儿童来说是一个很高的门槛。
基于此，本发明提供一种新型机器人系统，该系统结合了软体机器人的更贴近自然运动的变形方式，相对于现有技术能够更为适合儿童教育环境，激发和培养儿童的实践技能和创新，同时可以极大降低其制作与学习成本。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于仿生学教育的模块化气动形变积木教具及仿生机器人，该方案无需依赖复杂的数字和电气系统，易于组装，并具有高度可扩展性，可促进儿童对生物模仿的理解和应用。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于仿生学教育的模块化气动形变积木教具，包括变形模组，变形模组由软体气芯嵌套在壳体内形成，所述软体气芯通过软管连接气泵，所述壳体由一种或多种框架形壳状单元构成，用于限制所述软体气芯的变形，通过控制壳状单元的种类及连接可以控制变形模组的柔性变形方式。
上述技术方案中，进一步地，所述壳状单元上还设有球节点，球节点包括凸出的球体及球状的凹槽，不同壳状单元之间能够通过球节点进行插接。
进一步地，变形模组的柔性变形方式包括如下五种基础变形：单轴弯曲、双轴弯曲、三轴弯曲、伸长变形、及扭转变形。
进一步地，单轴弯曲的变形模组中：壳状单元为方形框架，在方形框架的一边中点处设有球节点，凸出的球体及球状的凹槽分别设于方向框架的两侧表面，该种壳状单元通过球节点拼插构成壳体，软体气芯插入于该壳体内，通过气泵向软体气芯内充气则变形模组发生单轴弯曲变形；
双轴弯曲的变形模组、三轴弯曲的变形模组均与单轴弯曲的变形模组构成相同，不同的是双轴弯曲的变形模组中其壳状单元的球节点设置在方形框架的一边端点处，通过气泵向软体气芯内充气则变形模组发生双轴弯曲变形；而三轴弯曲的变形模组中其壳状单元的框架形状为平行四边形，通过气泵向软体气芯内充气则变形模组发生三轴弯曲变形；
伸长变形的变形模组中：壳状单元为不带有球节点的方形框架，一个或多个该种壳状单元构成壳体，软体气芯插入于该壳体内，通过气泵向软体气芯内充气则变形模组发生伸长变形；
扭转变形的变形模组中：壳状单元为带有球节点的半框架，其为所述方形框架的一半，且在半框架的两开放端一端设置凸出的球体，另一端设置球状的凹槽，该种壳状单元通过上下反向倾斜拼插构成壳体，软体气芯插入于该壳体内，通过气泵向软体气芯内充气则变形模组发生扭转变形。
进一步地，所述壳状单元表面设有与乐高通用的插接点，通过与乐高积木配合实现限制对应位置软体气芯的变形。
进一步地，所述教具还包括连接件，用于实现壳体与壳体间的连接，所述连接件可以为用于与所述插接点拼接的乐高积木，也可以为用于与所述球节点拼接的含有多个球状凹槽或含有多个凸起球体的结构单元，也可以为用于与所述软管连接的双向或多向宝塔接头。
进一步地，在所述软体气芯与气泵之间还设置有气阀，用于控制所述软管的通断。
进一步地，所述软体气芯为硅胶材料，所述壳状单元为PLA材料，所述软管为硅胶材料。
本发明还提供一种仿生机器人，基于如上所述的任一种模块化气动形变积木教具实现，包括有一种或多种柔性变形方式的变形模组。
本发明还提供一种用于仿生学教育的模块化气动形变积木教学系统，包括：
观察学习模块，用于呈现自然界动物运动方式的静态或动态图，以及对应的抽象简化动态图，以便用户观察学习；
拼搭教程模块，用于展示利用模块化气动形变积木搭建模拟的与观察学校模块所展示图相对应的仿生机器人，并展示其动作原理及状态。
本发明的有益效果是：
本发明方案中通过使用基本的软体气芯作为变形执行器和可直接3D打印获得的壳状单元作为外部约束壳，实现了易于组装和高度可扩展性，同时整个模块化结构中无任何电子实体，可实现直观和有形的交互，具有更低的门槛和更高的可访问性，儿童可以构建模仿动物运动的机器，从而深入理解和应用真正的生物模仿功能。具体的，本发明现有技术相比具有如下优势：
- 创新的非电子解决方案：与依赖复杂电子和电气系统的现有教育工具不同，KiPneu提供了一个完全气动的解决方案，降低了学习门槛，使其更具可及性。
- 模块化和可定制：传统的教育机器人通常很难定制和重构。KiPneu通过其模块化的构建性砖块和可编程的阀门，提供了高度的定制性和灵活性。
- 促进生物模仿学习：KiPneu不仅允许儿童构建机器人，还鼓励他们理解和模仿动物的运动，从而在STEAM教育中深入了解生物模仿，培养仿生思维并将其运用到创意搭建中。
- 安全性和互动性：灵活的形状变化和物理属性增强了教育工具的安全性，减少了与传统刚性玩具相关的潜在伤害。此外，灵活的变形允许更直观的形状和结构，以及更接近自然运动的运动，超越了传统玩具在交互可能性方面的限制。
- 更具有吸引力：可以动态形变的积木相较于静态的积木对于儿童来说更具有吸引力。
附图说明
图1为本发明中模块化气动形变积木教具的一种实例图；
图2为本发明中六种不同的基础变形模组实现的柔性变形方式；
图3为本发明中六种不同的基础变形模组模拟的基础动物运动示意图；
图4为本发明中连接件的结构及应用示意图；
图5为五种不同功能的气阀示例；
图6为能够改变游泳方向的海龟；
图7为能够调节奔跑速度的豹子；
图8为能够慢步行走又能稳定站立的蜥蜴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步地详细说明。
本发明的一种用于仿生学教育的模块化气动形变积木教具，其最为核心的是变形模组，变形模组是一种具有创新性的结构设计，它主要由两大核心部件组成：一是起到限制层效果的壳状单元shell-bricks；二是软体气芯Soft Pneumatic Actuators。壳状单元呈框架形，由一种或多种壳状单元构成壳体，软体气芯通过软管连接气泵，软体气芯插入到壳体内形成嵌套结构，当气泵向软体气芯中充入气体，则软体气芯由于其软体材质会发生膨胀变形，由于壳体的存在，会限制软体气芯的变形，通过控制构成壳体的壳状单元的种类及连接就可以控制变形模组实现不同的柔性变形方式，本发明的一种具体实例如图1所示。
本发明中的壳状单元可以有多种不同结构，例如：壳状单元的框架可以采用方形框架、也可以采用平行四边形框架，可以在框架表面设置球节点（球节点包括凸出的球体及球状的凹槽，不同壳状单元之间能够通过球节点进行插接），也可以不设置球节点；可以采用完整的方形框架，也可以仅为半框架结构，等等；通过不同的壳状单元与软体气芯的配合，可以使得变形模组实现多种不同类型的柔性变形方式，其中如图2所示，为本发明方案能够实现的五种最为基础的柔性变形，通过调整shell-bricks的球节点与框架的相对位置来实现单轴和双轴弯曲，通过改变shell-bricks的球节点与框架的相对角度来实现三轴弯曲，通过在soft pneumatic actuators表面上排列无球节点的shell-bricks来实现伸长功能，通过上下反向倾斜的shell-bricks组合来实现扭转功能，具体的，包括如下：
单轴弯曲的变形模组：壳状单元为方形框架，在方形框架的一边中点处设有球节点，凸出的球体及球状的凹槽分别设于方向框架的两侧表面，该种壳状单元通过球节点拼插构成壳体，软体气芯插入于该壳体内，通过气泵向软体气芯内充气则变形模组发生单轴弯曲变形；具体如图2中a、e所示，
双轴弯曲的变形模组、三轴弯曲的变形模组均与单轴弯曲的变形模组构成相同，不同的是双轴弯曲的变形模组中其壳状单元的球节点设置在方形框架的一边端点处，通过气泵向软体气芯内充气则变形模组发生双轴弯曲变形，如图2中d所示；而三轴弯曲的变形模组中其壳状单元的框架形状为平行四边形，通过气泵向软体气芯内充气则变形模组发生三轴弯曲变形，如图2中f所示；
伸长变形的变形模组：壳状单元为不带有球节点的方形框架，一个或多个该种壳状单元构成壳体，软体气芯插入于该壳体内，通过气泵向软体气芯内充气则变形模组发生伸长变形，如图2中b所示；
扭转变形的变形模组：壳状单元为带有球节点的半框架，其为所述方形框架的一半，且在半框架的两开放端一端设置凸出的球体，另一端设置球状的凹槽，该种壳状单元通过上下反向倾斜拼插构成壳体，软体气芯插入于该壳体内，通过气泵向软体气芯内充气则变形模组发生扭转变形，如图2中c所示。
这些基础的变形模组可以模拟基础的动物运动，具体如图3所示，利用这些基础的变形模组进行组合就能实现对动物的一些运动的模仿。图3中展示了六种不同的基础变形模组模拟的基础动物运动，为了能够使用尽可能少的组件便能生动而准确地模拟各种动物的运动形式，本发明参考了R. McNeill Alexander等人在文献（Locomotion of Animals[M/OL]. Dordrecht: Springer Netherlands, 1982[2023-08-31]）总结的动物运动形式，在此基础上将其进一步分为两大类：第一类是能通过单一往复动作实现的运动，而第二类则是需要组合多种动作来呈现的复合运动。我们对每种单一往复动作进行了柔性变形模拟，进而确定我们要设计的6种类型的变形模组。具体来说，包括：单轴弯曲，此类形态包括螃蟹脚主要沿x轴的抬起（参见图3中a）、蝌蚪虻在游泳时腿部沿y轴的方向摆动（参见图3中b）；双轴弯曲，企鹅游泳时水翼在Y轴和Z轴的拍打（参见图3中c）；以及三轴弯曲，鸟飞翔中羽翼在XYZ三轴的挥动（参见图3中d）；以及伸展形态，如蠕虫的身体伸缩（参见图3中e）；以及扭转（Twisting）形态，如鱼在调整方向时的身体扭转（参见图3中f）。
在本发明的一种具体实例中，壳状单元shell-bricks采用了PLA材料，并通过Raise 3D E2的3D打印技术精确制造。PLA材料可更有利于设计球节点拼插结构并与其内嵌套软体气芯的特性完美匹配，尤其是其表面粗糙度能够满足设计需求。为了增加模组的模块化和多样性，壳状单元shell-bricks的上下表面设计为与Lego积木兼容的1*3拼插结构。这种设计不仅增强了模块的多功能性，还允许用户，特别是儿童，自由探索和创造出多种不同的设计形式。此外，shell-bricks上可设计有球节点，shell-bricks可以通过球节点实现互相连接，并且可以在此节点中心实现转动。
软体气芯Soft Pneumatic Actuators则使用Smooth-on Ecoflex 00-30硅胶浇铸制成。这种硅胶材料对皮肤友好、具有良好的柔韧性，并且在拉伸后不会永久变形，因此广泛应用于各类玩具制造。它的内部结构可以设计为单一的空心长方体形状。
在模组的组装过程中，首先将壳状单元shell-bricks通过球节点紧密连接（无球节点时也可省略该步），并将其套设安装在软体气芯Soft Pneumatic Actuators的表面。随后，Soft Pneumatic Actuators被充气并进行加压。由于shell-bricks的存在限制了SoftPneumatic Actuators的膨胀空间，实现柔性变形。
此外，为了更进一步地丰富积木玩具的可拓展性，实现更多的变形效果，还可将壳状单体上设置有与乐高通用的插接点，通过与乐高积木配合实现限制对应位置软体气芯的变形，如图1中c；所述教具中还可包括有连接件，用于实现壳体与壳体间的连接，所述连接件可以为用于与所述插接点拼接的乐高积木（如图4中f、g），也可以为用于与所述球节点拼接的含有多个球状凹槽或含有多个凸起球体的结构单元（如图4中a~e），也可以为用于与所述软管连接的双向或多向宝塔接头（如图4中h、i）。
或可更进一步地，在所述软体气芯与气泵之间还设置有气阀用于控制所述软管的通断。在本发明实施例中设计了五种不同功能的无电实体控制阀（按压阀、长按阀、旋转阀、转换阀、滑动阀）。无电实体控制阀的控制通过软管的扭结形变的方式实现。按压阀与常见的开关结构类似，按压顶部按钮实现对于通气状态的转换（如图5中a所示）；长按阀应用于特殊场景，需要长时间按压才能维持软管的阻断状态（如图5中b所示）； 旋转阀则更具功能性，通过内置气芯的方式来改变进气的速度，从而改变形变程度（如图5中c所示）；转换阀利用推杆结构实现两组气管的控制（如图5中d所示）；而滑动阀展示了我们对于更多组气管控制的需求设计的方案，通过设计软管与滑块的相对位置，可以有效地实现控制效果（如图5中e所示）。
阀门的基本结构利用了与管状结构中的扭结现象和实体部件间位置的不稳定性。利用可轴向压缩的硅胶软管，机械结构可使硅胶软管达到临界压缩阈值，此时硅胶软管会发生双稳态断裂转变，从而有效地封闭内部气流。
通过自由组合基础的变形模组、气阀、连接件或还可结合乐高积木，可以实现模拟更复杂的动物运动（改变方向、运动速度、运动状态），从而实现制作仿生机器人。如图6~8，为本发明的三种仿生机器人设计案例：
能够通过海龟腿改变游泳方向的海龟，具体如图6所示，当如图所示连接气路，转换阀处于关闭时，交替按压气泵，此时海龟左前腿右后腿与右前腿左后腿交替运动，海龟可以向前游动；当转换阀一个处于a侧打开，另外一个处于b侧打开时，一起按压两个气泵，海龟可以实现转向游动。
能够调节奔跑速度的豹子，具体如图7所示，当如图所示连接气路，当选转阀处于关闭时，交替按压气泵，豹子慢速前进；当旋转阀处于打开时，交替按压气泵，豹子快速前进。
既能慢步行走又能稳定站立的蜥蜴，具体如图8所示，当如图所示连接气路，当按压阀处于关闭时，交替按压气阀时蜥蜴向前爬行；当按压阀处于打开时，交替按压气阀时蜥蜴站立。
此外，本发明还提供一种与所述教具配套的用于仿生学教育的模块化气动形变积木教学系统，其可以包括：
观察学习模块，用于呈现自然界动物运动方式的静态或动态图，以及对应的抽象简化动态图，以便用户观察学习；
拼搭教程模块，用于展示利用模块化气动形变积木搭建模拟的与观察学校模块所展示图相对应的仿生机器人，并展示其动作原理及状态。
该系统能够使得用户尤其是儿童能够通过观察自然界动物的运动方式以及对应的抽象简化动态图，学习到动物运动的知识；并了解气泵充气或气阀内部的结构、切换动作等使得仿生机器人运动的工作原理。
以上所述的实施例只是本发明的部分较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种用于仿生学教育的模块化气动形变积木教具，其特征在于，包括变形模组，变形模组由软体气芯嵌套在壳体内形成，所述软体气芯通过软管连接气泵，所述壳体由一种或多种框架形壳状单元构成，用于限制所述软体气芯的变形，通过控制壳状单元的种类及连接可以控制变形模组的柔性变形方式；
所述壳状单元上还设有球节点，球节点包括凸出的球体及球状的凹槽，不同壳状单元之间能够通过球节点进行插接；
变形模组的柔性变形方式包括如下五种基础变形：单轴弯曲、双轴弯曲、三轴弯曲、伸长变形、及扭转变形；
单轴弯曲的变形模组中：壳状单元为方形框架，在方形框架的一边中点处设有球节点，凸出的球体及球状的凹槽分别设于方向框架的两侧表面，该种壳状单元通过球节点拼插构成壳体，软体气芯插入于该壳体内，通过气泵向软体气芯内充气则变形模组发生单轴弯曲变形；
双轴弯曲的变形模组、三轴弯曲的变形模组均与单轴弯曲的变形模组构成相同，不同的是双轴弯曲的变形模组中其壳状单元的球节点设置在方形框架的一边端点处，通过气泵向软体气芯内充气则变形模组发生双轴弯曲变形；而三轴弯曲的变形模组中其壳状单元的框架形状为平行四边形，通过气泵向软体气芯内充气则变形模组发生三轴弯曲变形；
伸长变形的变形模组中：壳状单元为不带有球节点的方形框架，一个或多个该种壳状单元构成壳体，软体气芯插入于该壳体内，通过气泵向软体气芯内充气则变形模组发生伸长变形；
扭转变形的变形模组中：壳状单元为带有球节点的半框架，其为所述方形框架的一半，且在半框架的两开放端一端设置凸出的球体，另一端设置球状的凹槽，该种壳状单元通过上下反向倾斜拼插构成壳体，软体气芯插入于该壳体内，通过气泵向软体气芯内充气则变形模组发生扭转变形。
2.根据权利要求1所述的用于仿生学教育的模块化气动形变积木教具，其特征在于，所述壳状单元表面设有与乐高通用的插接点，通过与乐高积木配合实现限制对应位置软体气芯的变形。
3.根据权利要求2所述的用于仿生学教育的模块化气动形变积木教具，其特征在于，所述教具还包括连接件，用于实现壳体与壳体间的连接，所述连接件可以为用于与所述插接点拼接的乐高积木，也可以为用于与所述球节点拼接的含有多个球状凹槽或含有多个凸起球体的结构单元，也可以为用于与所述软管连接的双向或多向宝塔接头。
4.根据权利要求1所述的用于仿生学教育的模块化气动形变积木教具，其特征在于，在所述软体气芯与气泵之间还设置有气阀，用于控制所述软管的通断。
5.根据权利要求1所述的用于仿生学教育的模块化气动形变积木教具，其特征在于，所述软体气芯为硅胶材料，所述壳状单元为PLA材料，所述软管为硅胶材料。
6.一种仿生机器人，其特征在于，基于如权利要求1-5任一项所述的用于仿生学教育的模块化气动形变积木教具实现，包括有一种或多种柔性变形方式的变形模组。
7.一种用于仿生学教育的模块化气动形变积木教学系统，其特征在于，采用如权利要求1-5任一项所述的用于仿生学教育的模块化气动形变积木教具，系统包括：
观察学习模块，用于呈现自然界动物运动方式的静态或动态图，以及对应的抽象简化动态图，以便用户观察学习；
拼搭教程模块，用于展示利用模块化气动形变积木搭建模拟的对应仿生机器人，并展示其动作原理及状态。
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