CN117681179A - 软体模块单元及可重构软体机器人 - Google Patents
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Abstract
软体模块单元及可重构软体机器人，软体模块单元包含上层模块、中层模块、下层模块、连接板一和连接板二，上层模块、中层模块和下层模块相连构建为立方本体，立方本体的相对的两侧面分别设置有嵌入本体的连接板一和连接板二，连接板一和连接板二的一侧面都嵌入在上层模块和下层模块的侧面上，上层模块和下层模块内具有与外部气路相连的气腔，上层模块、中层模块和下层模块均为橡胶材料。可重构软体机器人包含连接件和软体模块单元，连接板一和连接板二上的异形槽对接组合为异型孔，异型销插入异型孔后将相邻的两个软体模块单元连接。软体模块单元为立方体结构，可在三维方向无限扩展，丰富了模块化软体机器人的构型空间。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人，具体涉及一种软体模块单元及可重构软体机器人。
背景技术
模块化软体机器人是一种兼具模块化机器人与软体机器人特点的新概念机器人。模块化的概念使这类机器人具备多功能性，互换性以及可扩展性，能够适应复杂的环境与任务；同时，软材料的特性也使得这类机器人具有与人交互的友好性，安全性，并可以通过自身的大幅度形变穿过狭小缝隙。以上这些特点使得模块化软体机器人成为机器人领域的研究热点。然而，现有模块化软体机器人受限于结构与连接机构的特点，难以在三维方向进行扩展，这也限制了模块化软体机器人的构型空间与应用潜力。
发明内容
本发明为克服现有技术，提供一种软体模块单元及可重构软体机器人，设计的上述软体模块单元为立方软体结构，能够双向弯曲，并可以在三维方向进行无限扩展。
软体模块单元包含上层模块、中层模块、下层模块、连接板一和连接板二，上层模块、中层模块和下层模块相连构建为立方本体，立方本体的相对的两侧面分别设置有嵌入本体的连接板一和连接板二，连接板一和连接板二的一侧面都嵌入在上层模块和下层模块的侧面上，上层模块和下层模块内具有与外部气路相连的气腔，上层模块、中层模块和下层模块均为橡胶材料，且中层模块材料的泊松比小于上层模块和下层模块材料的泊松比，向上层模块或下层模块的气腔内充气时，中层模块产生弯曲，但不被拉伸，软体模块单元将产生弯曲。
进一步地，所述上层模块和下层模块材质均为硅胶。
进一步地，所述中层模块的材质为PDMS。
进一步地，所述上层模块与中层模块、中层模块与下层模块均采用专用胶粘接在一起。
进一步地，连接板一和连接板二均为3D打印而成。
还提供可重构软体机器人，包含连接件和所述的软体模块单元，连接板一和连接板二的另一侧面分别设置有异型槽，连接件为异型销，相邻两个软体模块单元对接后，连接板一和连接板二上的异形槽对接组合为异型孔，连接件为与异型孔相适配的异型销，异型销插入异型孔后，将相邻的两个软体模块单元连接。
还提供可重构软体机器人，包含连接件和所述的软体模块单元，连接板一和连接板二的另一侧面分别设置有异型槽，连接件为三角形连接件，三角形连接件的任意相邻的两边的侧面设置有异型榫，相邻两个软体模块单元对接时，异型榫插入异型槽内将连接板一和连接件、以及连接板二与连接件连接，使得相连两个软体模块单元连接在一起。
本发明相比现有技术的有益效果是：
本发明设计的软体模块单元为立方体结构，可在三维方向无限扩展；根据任务和地形的特点拼接为不同的构型。软体模块单元整体采用橡胶材质，立方本体采用液态硅胶脱模制造而成，制造过程简易，成本低，模块重量轻，可做到100g。软体模块单元配套的连接机构为板状结构，3D打印获得，材料为高韧性光敏树脂，在保证连接强度强度的同时具有很轻的重量。
可重构软体机器人中相邻软体模块单元采用异型销或者三角形连接件连接，且不同形状的连接件能够保证软体模块单元之间以多种相对姿态进行连接，丰富了模块化软体机器人的构型空间。在实际应用中，利用这种软体模块单元与连接件能够组成多种构型的软体机器人，包括移动类机器人，如蛇形机器人、蠕虫形机器人、多足类机器人等；以及操作类机器人，如柔性机械臂、柔性抓手、柔性传送带、环形操作平台等。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
图1为本发明软体模块单元的爆炸图；
图2为软体模块单元的立体图；
图3为软体模块单元中上层模块的剖面图；
图4为相邻两个软体模块单元采用异型销连接的状态图；
图5为相邻两个软体模块单元采用三角形连接件相连的状态图；
图6为图4中相邻两个软体模块单元连接的一种位姿图；
图7为图4中相邻两个软体模块单元连接的另一种位姿图；
图8为图5中相邻两个软体模块单元连接的一种位姿图；
图9为图5中相邻两个软体模块单元连接的另一种位姿图；
图10为软体模块单元组成的蠕虫机器人构型图；
图11为软体模块单元组成的四足机器人构型图；
图12为软体模块单元组成的环形操作平台构型图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
结合图1-图3说明，本实施方式提供的软体模块单元包含上层模块A1、中层模块B、下层模块A2、连接板一C1和连接板二C2，上层模块A1、中层模块B和下层模块A2相连构建为立方本体，立方本体的相对的两侧面分别设置有嵌入本体的连接板一C1和连接板二C2，连接板一C1和连接板二C2的一侧面都嵌入在上层模块A1和下层模块A2的侧面上，上层模块A1和下层模块A2内具有与外部气路相连的气腔，上层模块A1、中层模块B和下层模块A2均为橡胶材料，且中层模块B材料的泊松比小于上层模块A1和下层模块A2材料的泊松比，向上层模块A1或下层模块A2的气腔内充气时，中层模块B产生弯曲，但不被拉伸，软体模块单元将产生弯曲。
具体地，所述上层模块A1和下层模块A2结构相同，对称布置。
具体地，所述上层模块A1和下层模块A2均由液态硅胶脱模制作而成。
具体地，所述上层模块A1和下层模块A2材质均为硅胶。
具体地，所述中层模块B的材质为PDMS。
具体地，所述上层模块A1与中层模块B、中层模块B与下层模块A2均采用专用胶粘接在一起。
连接板一C1和连接板二C2均为3D打印制作而成，在保证连接强度的同时具有轻量化、经济化的优点。
设计的上述软体模块单元为立方软体结构，能够双向弯曲，并可以在三维方向进行无限扩展。
其中上、下两层模块由Smooth-on液态硅胶(例如：硅胶型号Ecoflex 00-30)脱模制作而成，结构完全对称。模具通过Solidworks设计并通过3D打印获得，将等量的液态硅胶A,B组分充分混合后倒入模具中，经真空除泡并在室温中静置4-6小时便可脱模得到上层模块A1和下层模块A2两部分。在单元的上下两层内部，分别设计有五个气腔及气腔间的通路。此外，在上层模块A1及下层模块A2侧面留有小孔，用于外接气路，
如图1所示。中层模块为PDMS材料，此种材料相比于硅胶材料具有更小的泊松比，当上层或下层充气膨胀时，中间层可认为只产生弯曲，但不会被拉伸。此上中下三层结构为软体模块单元的本体部分，通过硅胶专用胶Sil-Poxy进行粘接。软体模块单元通过外接气源进行驱动，当向上层模块A1或下层模块A2的气腔内充气时，整个软体模块将产生弯曲，其侧视图呈扇形。见图10所示。
基于上述软体模块单元，还提供一种可重构软体机器人，其包含连接件和所述的软体模块单元，连接板一C1和连接板二C2的另一侧面分别设置有异型槽，连接件为异型销，相邻两个软体模块单元对接后，连接板一C1和连接板二C2上的异形槽对接组合为异型孔，连接件为与异型孔相适配的异型销，异型销插入异型孔后，将相邻的两个软体模块单元连接。
在软体模块单元中，留有连接板嵌入的槽体，将连接板放入后，通过Sil-Poxy粘接为一个整体，如图2所示，整个结构为标准正六面体，例如边长为50mm。连接方式采用了异型销孔连接的原理，当两个软体模块的侧面贴紧时，两块连接板上的凹槽会组合为一种异型孔，而连接件均制作为相同的异型销构型，将异型销插入异型孔后，便可将相邻的两个软体模块实现连接。
图4展示了一种异型销连接件，可用于将软体模块单元组合为不同的构型，连接板一C1和连接板二C2上的异型槽均为两条，两条异型槽呈十字形布置，连接件为3D打印而成。连接件分为第一连接件D1、第二连接件D2和第三连接件D3，第二连接件D2和第三连接件D3的长度小于第一连接件D1的长度。第一连接件D1的长度与软体模块单元的边长相同，而第二连接件D2与第三连接件D3的长度则小于第一连接件D1长度的一半，从而可以完整插入异型槽中。并且通过连接板与连接件的组合，可以实现两个相邻的软体模块以多种相对姿态进行连接，如图6-图7所示。
所述可重构软体机器人构型为蠕虫机器人或者四足机器人。如图10和图11所示，
如图10所示，展示了一种由软体模块单元及连接件拼接而成的可重构软体机器人位蠕虫形机器人，图中表现了立方软体模块的上气腔或下气腔充气形变的状态。结合外部气路的控制与步态规划，可以使机器人身体的不同部位与地面间歇接触并产生摩擦力，使机器人像蠕虫一样向前爬动。如图10所示，展示了一种由软体模块单元组成的可重构软体机器人位四足形机器人，通过外部气路的控制，可以使机器人的四肢实现协调变形，使机器人向前行进。
基于上述软体模块单元，还提供一种可重构软体机器人包含连接件和所述软体模块单元，连接板一C1和连接板二C2的另一侧面分别设置有异型槽，连接件为三角形连接件，三角形连接件的任意相邻的两边的侧面设置有异型榫，相邻两个软体模块单元对接时，异型榫插入异型槽内将连接板一C1和连接件、以及连接板二C2与连接件连接，使得相连两个软体模块单元连接在一起。
图5中三角形连接件可以实现两个软体模块单元以一定的角度进行连接，且三角形连接件的角度可以任意确定，极大扩展了软体模块化机器人系统的构型空间。
如图12所示，展示了一种由软体模块单元组成的环形操作平台，这种环形操作平台自身可以通过节律运动向前运动，同时也可以对放置在其上的物体进行位姿操作。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，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，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。
Claims (10)
1.软体模块单元，其特征在于：包含上层模块(A1)、中层模块(B)、下层模块(A2)、连接板一(C1)和连接板二(C2)，上层模块(A1)、中层模块(B)和下层模块(A2)相连构建为立方本体，立方本体的相对的两侧面分别设置有嵌入本体的连接板一(C1)和连接板二(C2)，连接板一(C1)和连接板二(C2)的一侧面都嵌入在上层模块(A1)和下层模块(A2)的侧面上，上层模块(A1)和下层模块(A2)内具有与外部气路相连的气腔，上层模块(A1)、中层模块(B)和下层模块(A2)均为橡胶材料，且中层模块(B)材料的泊松比小于上层模块(A1)和下层模块(A2)材料的泊松比，向上层模块(A1)或下层模块(A2)的气腔内充气时，中层模块(B)产生弯曲，但不被拉伸，软体模块单元将产生弯曲。
2.根据权利要求1所述软体模块单元，其特征在于：所述上层模块(A1)和下层模块(A2)结构相同，对称布置。
3.根据权利要求1所述软体模块单元，其特征在于：所述上层模块(A1)和下层模块(A2)均由液态硅胶脱模制作而成。
4.根据权利要求1所述软体模块单元，其特征在于：所述上层模块(A1)和下层模块(A2)材质均为硅胶。
5.根据权利要求1所述软体模块单元，其特征在于：所述中层模块(B)的材质为PDMS。
6.根据权利要求1所述软体模块单元，其特征在于：所述上层模块(A1)与中层模块(B)、中层模块(B)与下层模块(A2)均采用专用胶粘接在一起。
7.可重构软体机器人，其特征在于：包含连接件和如权利要求1-6任一项所述的软体模块单元，连接板一(C1)和连接板二(C2)的另一侧面分别设置有异型槽，连接件为异型销，相邻两个软体模块单元对接后，连接板一(C1)和连接板二(C2)上的异形槽对接组合为异型孔，连接件为与异型孔相适配的异型销，异型销插入异型孔后，将相邻的两个软体模块单元连接。
8.根据权利要求7所述可重构软体机器人，其特征在于：所述多个可重构软体机器人构建为蠕虫机器人或者四足机器人。
9.可重构软体机器人，其特征在于：包含连接件和如权利要求1-6任一项所述的软体模块单元，连接板一(C1)和连接板二(C2)的另一侧面分别设置有异型槽，连接件为三角形连接件，三角形连接件的任意相邻的两边的侧面设置有异型榫，相邻两个软体模块单元对接时，异型榫插入异型槽内将连接板一(C1)和连接件、以及连接板二(C2)与连接件连接，使得相连两个软体模块单元连接在一起。
10.根据权利要求7所述可重构软体机器人，其特征在于：所述可重构软体机器人为环形操作平台。
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