CN107717998B - 一种气动软体滚动机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种气动软体滚动机器人，运动基体、致动器、气动系统和信号系统；所述运动基体为圆柱体；所述空腔内部至少安装2个致动器；所述致动器的横截面与所述运动基体中心线垂直；所述致动器包括支撑板、保护气囊、驱动气囊和固定带；若干所述支撑板组成横截面为正多边形的致动器轮廓，相邻的两个所述凸耳之间设有保护气囊，所述保护气囊对称分布在支撑板的内侧和外侧；若干所述驱动气囊布置在支撑板内侧的相邻两个保护气囊之间，所述支撑板外侧的保护气囊外表面设有位置传感器；所述气动系统包括真空发生器、气泵和若干电动三通阀。本发明可以利用软材料的特性，通过利用驱动气囊组合搭配充放气解决了普通软体机器人不能快速掉头的问题。
Description
技术领域
本发明涉及软体滚动机器人领域，尤其涉及一种气动软体滚动机器人。
背景技术
随着人类生活、科学技术的不断发展，机器人已广泛应用于社会的各个领域，特别是在人类不宜涉足的极端和危险的工程环境中，机器人为人类提供了很大的便利，传统机器人的研究以刚性结构为主，在工业、医疗和军事等诸多领域已经有了广泛的积累和应用，但其结构复杂、灵活度有限、安全性和适应性较差，在一些特殊的应用中，如复杂易碎物体抓持、人机交互和狭窄空间作业等具有极大的挑战。
自然界生物柔软的身体、优良的灵活性和强大的环境适应性为机器人的发展提供了新思路，软体机器人是仿生机器人研究的延续，模仿自然界中的软体动物，具有无限多自由度和连续变形能力，可在大范围内任意改变自身形状和尺寸。由于其出色的灵活性和适应性，在军事、探测、医疗等领域具有广泛的应用前景。
中国专利公开号为CN 102922528A公开了“一种软体机器人”，该机构由基体、微分磁性刚性单元或者微分磁性高分子复合材料、控制电源和控制电路组成。该软体机器人柔性运动由微分磁性刚性单元或者微分磁性高分子复合材料在开始通电后产生磁性，从而同级互斥促使软体基体张开，并在断电后由磁性消失从而基体张开来实现，并且通过调节控制电路来控制机器人运动快慢以及转弯。该机器人通过调节控制电路来实现转弯的效果并不理想，且不能够直接实现后退运动，这大大降低了该机器人的实用性，本文采用的气体驱动使得软体机器人的运动效果更突出，通过致动器的搭配运动可以实现较好的转弯效果，并且通过调整气囊充、放气的顺序，可使得其能在不掉头的情况下实现后退运动，这极大地减小了该软体机器人的使用局限性。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种气动软体滚动机器人，其合理利用了软材料易于大变形的特性，并通过合理利用驱动气囊组合搭配充放气解决了普通软体机器人不能快速掉头的问题。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种气动软体滚动机器人，运动基体、致动器、气动系统和信号系统；所述运动基体为圆柱体，所述运动基体的中心线上设有空腔，所述运动基体内除空腔外填充橡胶材料；所述空腔内部至少安装2个致动器；所述致动器的横截面与所述运动基体中心线垂直；所述致动器包括支撑板、保护气囊、驱动气囊和固定带；若干所述支撑板组成横截面为正多边形的致动器轮廓，所述支撑板的端点处和中点处设有凸耳，且位于正多边形轮廓外侧；相邻的两个所述凸耳之间设有保护气囊，所述保护气囊对称分布在支撑板的内侧和外侧；若干所述驱动气囊布置在支撑板内侧的相邻两个保护气囊之间，所述凸耳上有凹槽，所述驱动气囊通过固定带绑定在凹槽上；所述支撑板外侧的保护气囊外表面设有位置传感器，用于测量保护气囊直线位移和角位移；所述气动系统包括真空发生器、气泵和若干电动三通阀，驱动气囊和保护气囊分别通过管路与电动三通阀的出口连接，若干所述电动三通阀的二个进口分别通过管路与真空发生器和气泵连接；所述信号系统与真空发生器、气泵、若干电动三通阀和位置传感器连接；所述气动系统和所述信号系统均安装在空腔内。
进一步，所述运动基体内除空腔外填充材料为硅橡胶。
进一步，所述致动器的横截面中的最大高度至少为所述支撑板厚度的10倍。
进一步，所述支撑板组成的正多边形为偶数多边形，
进一步，偶数多边形为正四边形或者正六边形。
进一步，所述运动基体外表面为块状纹路和凹坑。
进一步，所述支撑板为环氧树脂复合材料，所述支撑板的弹性模量为3×103MPa～4.5×103MPa。
进一步，所述凸耳材料为碳化硼，所述凸耳的面刚度不低于8MPa。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的气动软体滚动机器人，可根据实际需要调整致动器的形状及组数，从而改变软体机器人的大小，满足更多场景的应用。
2.本发明所述的气动软体滚动机器人，通过合理利用致动器的组合搭配来实现前进、转弯及快速掉头的反向运动。
3.本发明所述的气动软体滚动机器人，外部呈圆柱形，主要采用滚行方式进行运动，提高了运动效率。
附图说明
图1为本发明所述的气动软体滚动机器人外形示意图。
图2为本发明所述的致动器结构图。
图3为本发明所述的致动器安装位置图。
图4为本发明所述的驱动气囊安装示意图。
图5为本发明所述的保护气囊安装示意图。
图6为本发明所述的气动系统和信号系统示意图。
图7为本发明所述的运动基体第一变形初始状态示意图。
图8为本发明所述的运动基体第一变形最终状态示意图。
图9为本发明所述的运动基体在重力作用下最终状态示意图。
图10为本发明所述的运动基体第二变形初始状态示意图。
图11为本发明所述的运动基体第二变形最终状态示意图。
图中：
1-运动基体；2-致动器；3-凸耳；4-保护气囊；5-驱动气囊；6-支撑板；7-固定带；8-气泵；9-信号系统；10-真空发生器；11-位置传感器；12-电动三通阀。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1，图2和图3所示，一种气动软体滚动机器人，运动基体1、致动器2、气动系统和信号系统9；所述运动基体1为圆柱体，所述运动基体1的中心线上设有空腔，所述运动基体1内除空腔外填充橡胶材料；所述运动基体1内除空腔外填充材料为硅橡胶。所述空腔内部至少安装2个致动器2；所述致动器2的横截面与所述运动基体1中心线垂直；所述致动器2包括支撑板6、保护气囊4、驱动气囊5和固定带7；若干所述支撑板6组成横截面为正多边形的致动器2轮廓，所述支撑板6组成的正多边形为偶数多边形，优选正四边形或者正六边形。每个所述致动器2可单独运动，互不影响，通过信号系统9合理控制，即能够实现软体机器人前进、后退和转弯运动。所述支撑板6优选为环氧树脂复合材料，其弹性模量为3×103MPa～4.5×103MPa。
如图4和图5所示，所述支撑板6的端点处和中点处设有凸耳3，且位于正多边形轮廓外侧；相邻的两个所述凸耳3之间设有保护气囊4，所述保护气囊4对称分布在支撑板6的内侧和外侧；保护气囊4可以起到保护内部控制系统等、减压抗震。若干所述驱动气囊5布置在支撑板6内侧的相邻两个保护气囊4之间，所述凸耳3上有凹槽，所述驱动气囊5通过固定带7绑定在凹槽上；所述支撑板6外侧的保护气囊4外表面设有位置传感器11；位置传感器11可分为直线位移传感器和角位移传感器，用于测量保护气囊4直线位移和角位移。所述凸耳3材料为碳化硼，所述凸耳3的面刚度不低于8MPa。当支撑板6为环氧树脂复合材料时，支撑板6与凸耳3的连接方式为粘接。
如图6所示，所述气动系统包括真空发生器10、气泵8和若干电动三通阀12，驱动气囊5和保护气囊4分别通过管路与电动三通阀12的出口连接，若干所述电动三通阀12的二个进口分别通过管路与真空发生器10和气泵8连接；所述信号系统9与真空发生器10、气泵8、若干电动三通阀12和位置传感器11连接；所述气动系统和所述信号系统9均安装在空腔内。当软体机器人直线前进或后退时时，信号系统9结合位置传感器11控制所有致动器2做同步运动，当软体机器人转弯时，信号系统9结合位置传感器11控制运动基体1部分致动器2运动，另半部分致动器2不动或做方向相反的运动。为了有效增加软体机器人的抓地能力，所述运动基体1外表面为块状纹路和凹坑。
实施例1的为正四方体的致动器2，所述致动器2在运动基体1的数量是2个，且对称布置。如图7所示通过信号系统9控制气泵8和电动三通阀12对阴影部分驱动气囊5进行充气，同时通过信号系统9控制真空发生器10和电动三通阀12对右上角和左下角驱动气囊5进行放气，促使致动器2和运动基体1发生如图8中的变形，通过位置传感器11进行定位，当达到位置要求时，位置传感器11将位置信息反馈给信号系统9，信号系统9控制气泵8停止充气，信号系统9控制真空发生器10停止放气，在重力的作用下，会产生如图9中的滚行；
当运动基体1滚行到如图10中的位置时，位置传感器11将位置信息反馈给信号系统9，通过信号系统9控制气泵8和电动三通阀12对阴影部分驱动气囊5进行充气，同时通过信号系统9控制真空发生器10和电动三通阀对左上角和右下角驱动气囊5进行放气，促使致动器2和运动基体1发生如图11中的变形，通过位置传感器11进行定位，当达到位置要求时，位置传感器11将位置信息反馈给信号系统9，信号系统9控制气泵8停止充气，信号系统9控制真空发生器10停止放气，完成一个周期的运动。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种气动软体滚动机器人，其特征在于，运动基体(1)、致动器(2)、气动系统和信号系统(9)；所述运动基体(1)为圆柱体，所述运动基体(1)的中心线上设有空腔，所述运动基体(1)内除空腔外填充橡胶材料；
所述空腔内部至少安装2个致动器(2)；所述致动器(2)的横截面与所述运动基体(1)中心线垂直；所述致动器(2)包括支撑板(6)、保护气囊(4)、驱动气囊(5)和固定带(7)；若干所述支撑板(6)组成横截面为正多边形的致动器(2)轮廓，所述支撑板(6)的端点处和中点处设有凸耳(3)，且位于正多边形轮廓外侧；相邻的两个所述凸耳(3)之间设有保护气囊(4)，所述保护气囊(4)对称分布在支撑板(6)的内侧和外侧；若干所述驱动气囊(5)布置在支撑板(6)内侧的相邻两个保护气囊(4)之间，所述凸耳(3)上有凹槽，所述驱动气囊(5)通过固定带(7)绑定在凹槽上；所述支撑板(6)外侧的保护气囊(4)外表面设有位置传感器(11)，用于测量保护气囊(4)直线位移和角位移；
所述气动系统包括真空发生器(10)、气泵(8)和若干电动三通阀(12)，驱动气囊(5)和保护气囊(4)分别通过管路与电动三通阀(12)的出口连接，若干所述电动三通阀(12)的二个进口分别通过管路与真空发生器(10)和气泵(8)连接；
所述信号系统(9)与真空发生器(10)、气泵(8)、若干电动三通阀(12)和位置传感器(11)连接；所述气动系统和所述信号系统(9)均安装在空腔内。
2.根据权利要求1所述的气动软体滚动机器人，其特征在于，所述运动基体(1)内除空腔外填充材料为硅橡胶。
3.根据权利要求1所述的气动软体滚动机器人，其特征在于，所述致动器(2)的横截面中的最大高度至少为所述支撑板(6)厚度的10倍。
4.根据权利要求1所述的气动软体滚动机器人，其特征在于，所述支撑板(6)组成的正多边形为偶数多边形。
5.根据权利要求4所述的气动软体滚动机器人，其特征在于，所述偶数多边形为正四边形或者正六边形。
6.根据权利要求1所述的气动软体滚动机器人，其特征在于，所述运动基体(1)外表面为块状纹路和凹坑。
7.根据权利要求1所述的气动软体滚动机器人，其特征在于，所述支撑板(6)为环氧树脂复合材料，所述支撑板(6)的弹性模量为3×103MPa～4.5×103MPa。
8.根据权利要求1所述的气动软体滚动机器人，其特征在于，所述凸耳(3)材料为碳化硼，所述凸耳(3)的面刚度不低于8MPa。
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