CN108608420B - 一种具有环纵肌结构的气动软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有环纵肌结构的气动仿蠕虫软体机器人，包括头尾两个体节，并分成内外层双层结构，内层为纵肌结构，包含左右对称的半圆形纵肌气腔和金属径向限制环；外层为环肌结构，包含在底部分布的三个环肌气腔，并在外部粘贴滑片，滑片旁为带凸点的摩擦足。该机器人具有如下特点：一、通过对各个气腔的充放气进行驱动控制；二、内层纵肌气腔充气能够实现机器人体节的伸长变形，当左右气腔充气压强不一致时，体节实现弯曲变形。三、外层环肌气腔充气能够实现滑片的伸出。得益于上述特点，所述机器人具有直线爬行、转弯爬行、爬坡运动、跨越障碍等多种运动模式。本发明应用高气密性特种橡胶及压缩空气，有益于环保与节能，在资源勘测、救灾救援、管路检测、军事侦察等领域具有良好的应用前景。

Description

一种具有环纵肌结构的气动软体机器人

技术领域

本发明涉及气压传动领域，特别是涉及一种具有环纵肌结构的气动软体机器人。

背景技术

软体机器人以自然界的软体生物为原型，有许多优点：理论上具有无限多自由度，末端执行器能够达到空间上任意一点；具有很好的灵活性，可以适应各种狭窄而不规则的环境；通过主动变形和被动变形能够在较大范围内改变自身的形状和大小，能够穿过比自身常态尺寸更小的缝隙。因此，软体机器人在工业、军事、医疗、救援等领域有着广阔的应用前景。

软体机器人在理论上具有无限多自由度，但驱动器数目有限，目前软体机器人的主要驱动方式有智能材料驱动（介电高弹体DE、形状记忆合金SMA、离子聚合物-金属复合材料IPMC等）、压缩气体驱动、化学反应驱动（甲烷、丙烷燃烧）。现有的软体机器人普遍存在着运动形式单一、运动控制困难、运动速度低下等缺点，为了解决上述问题，研究人员进行了相关研究。中国专利201220574291.1公开了“一种软体机器人”，在躯干部内周向上设置四条或四条以上通道，在通道内沿轴向嵌入微分磁性刚性单元或者微分磁性高分子复合材料，通过控制各通道内的微分磁性刚性单元或者微分磁性高分子复合材料的伸缩量来实现整体的弯曲和蠕动。此软体机器人效率低下，结构复杂、制造困难。

中国专利201610099586.0公开了“一种具有多种运动形式的软体机器人模块”，在弹性主体上设计了三个通气管，接通三个驱动内腔，并在外部设计数个约束圈，实现了各向弯曲、线性伸长、扭转等多种运动形式。此软体机器人虽然实现了多种模式的变形，但其一端固定，并不能实现机器人的移动运动。

中国专利201720211884.4公开了一种“变压双向弯曲模块、S型弯曲前行模块及软体机器人”，双向弯曲模块包括两变压腔，变压腔通过柔性平面和柔性波纹面连接而成，实现了双向弯曲变形，但其制造麻烦，平面和波纹面连接难度较大，制造精度较低。且此软体机器人为水下机器人，通过多个模块实现S形弯曲摆动，但不能在陆地上的复杂情况下工作。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种具有环纵肌结构的气动软体机器人，解决了现有的软体机器人在运动过程中存在着的运动形式单一，运行速率低下、控制困难的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有环纵肌结构的气动软体机器人，分为首尾两个体节，包括纵肌结构和环肌结构，环肌结构设置在纵肌结构外部；其中纵肌结构包括纵肌弹性主体、两个硬质橡胶片和多个金属径向限制环；纵肌弹性主体为圆柱形，其内设有四个纵肌气腔，四个纵肌气腔两两一组自纵肌弹性主体的头部和尾部分别向中心延伸，且不相通，位于同一组的两个纵肌气腔呈左右对称分布，两个硬质橡胶片分别固定在纵肌弹性主体的两端，多个金属径向限制环等间隔固定在纵肌弹性主体的外壁。

所述环肌结构包括环肌弹性主体、三组摩擦足、三个硅胶片和三个滑片，所述环肌弹性主体中心设有中心通孔，环肌弹性主体包括三个方形稳定块和两个管状伸缩体，两个管状伸缩体连接三个方形稳定块，环肌弹性主体将纵肌弹性主体和金属径向限制环包裹，并固连，其中位于端部的两个方形稳定块的端面与硬质橡胶片的端面平齐，两组纵肌气腔的末端位于中间位置的方形稳定块内，方形稳定块自底面向上开有一个凹槽形成环肌气腔，方形稳定块侧壁上开有一个充放气口，所述充放气口与环肌气腔相通，方形稳定块的底面前端固连硅胶片，硅胶片将环肌气腔的开口覆盖，硅胶片底面固连滑片，滑片前端向上翻折；摩擦足固定在方形稳定块的底面的硅胶片后方。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）本发明采用左右对称式纵肌气腔分布，利用向气腔内充气，实现机器人的线性伸长和弯曲变形。

（2）本发明利用金属径向限制环，限制了机器人运动时发生径向上的尺寸变化，提高了机器人运动效率的同时，一定程度上增加了机器人的刚度，保护了机器人，提高了机器人的环境适应能力。

（3）本发明应用环肌气腔的充气，使得硅胶片发生变形，将滑片伸出，有效地改变了机器人与地面间的摩擦力大小，解决了现有的机器人在爬行过程中会存在“后溜”现象导致运动速度低下的问题，极大地提高了机器人运动效率和运动速度。

（4）本发明设计的滑片结构带有上折边，实现了机器人能够跨越较小障碍物的功能。

（5）本发明运用环纵肌复合的结构，实现了机器人快速直线爬行、转弯运动、爬坡运动与越障运动等多种运动模式，解决了目前软体机器人运动模式单一的问题。

附图说明

图1是本发明具有环纵肌结构的气动软体机器人的整体结构示意图。

图2是本发明纵肌结构的主视图。

图3是图2的左视图。

图4是图2的A-A剖视图。

图5为本发明环肌结构的主视图。

图6为图5的局部剖视图。

图7为图6的B-B剖视图。

图8为滑片的结构图。

具体实施方式

本发明的基本思想是采用压缩空气驱动的方式，对机器人的纵肌气腔3和环肌气腔8进行有规律的充放气，实现机器人的多种模式运动。本发明运动过程具有如下特点：一、纵肌气腔3在充放气后能够实现机器人体节的伸长和弯曲，左右气腔充气压力一致时为线性伸长，左右气腔充气压力不一致时为弯曲；二、环肌气腔8在充放气实现了滑片11的伸出与缩回，有效改变了机器人与地面的摩擦力，提高了机器人运动速度。得益于上述特点，所述软体机器人具有多种运动模式。

结合图1至图8，一种具有环纵肌结构的气动软体机器人，分为首尾两个体节，包括纵肌结构和环肌结构，环肌结构设置在纵肌结构外部；其中纵肌结构包括纵肌弹性主体7、两个硬质橡胶片4和多个金属径向限制环6；纵肌弹性主体7为圆柱形，其内设有四个纵肌气腔3，四个纵肌气腔3两两一组自纵肌弹性主体7的头部和尾部分别向中心延伸，且不相通，位于同一组的两个纵肌气腔3呈左右对称分布，两个硬质橡胶片4分别固定在纵肌弹性主体7的两端，多个金属径向限制环6等间隔固定在纵肌弹性主体7的外壁。

纵肌弹性主体7采用硅橡胶制成，硬质橡胶片4的直径与纵肌弹性主体7的外径相同，硬质橡胶片4上均开有两个通孔2，分别对应同一端的两个纵肌气腔3。

环肌结构包括环肌弹性主体5、三组摩擦足1、三个硅胶片10和三个滑片11，环肌弹性主体5中心设有中心通孔，环肌弹性主体5包括三个方形稳定块5-1和两个管状伸缩体5-2，两个管状伸缩体5-2连接三个方形稳定块5-1，环肌弹性主体5将纵肌弹性主体7和金属径向限制环6包裹，并固连，其中位于端部的两个方形稳定块5-1的端面与硬质橡胶片4的端面平齐，两组纵肌气腔3的末端位于中间位置的方形稳定块5-1内，方形稳定块5-1自底面向上开有一个凹槽形成环肌气腔8，方形稳定块5-1侧壁上开有一个充放气口9，充放气口9与环肌气腔8相通，方形稳定块5-1的底面前端固连硅胶片10，硅胶片10将环肌气腔8的开口覆盖，硅胶片10底面固连滑片11，滑片11前端向上翻折；摩擦足1固定在方形稳定块5-1的底面的硅胶片10后方。

环肌弹性主体5采用硅橡胶一体制造，摩擦足1底面设有多个凸点。

所述硬质橡胶片4采用的高气密性特种橡胶，为圆形片状，直径与所述纵肌弹性主体7外圆柱面直径一致。所述硬质橡胶片4上有左右对称的与纵肌气腔对应的圆形充放气口。所述金属径向限制环6为圆形无缝环，采用的金属为黄铜、不锈钢或铝合金等，金属径向限制环6横断截面为长方形或正方形。

下面结合附图1-8说明本发明的具体实施方式：

一、直线运动方式

机器人左侧纵肌气腔采用第一正压源供气，右侧纵肌气腔采用第二正压源供气，三个环肌气腔8采用第三正压源供气。通过第三正压源向头部环肌气腔8供气，头部硅胶片10变形，滑片11伸出，头部呈抬起状态；控制第一与第二正压源同时向首部体节左右纵肌气腔3供气，且供气压力一致，首部体节呈线性伸长变形，此时因头部滑片伸出，与地面摩擦力较小，尾部体节保持不动，头部向前移动一段距离；对头部环肌气腔8放气，头部硅胶片10恢复至原形状，滑片11缩回，头部落下，同时，控制第三正压源对中间部位环肌气腔8供气，此部位硅胶片10变形，滑片11伸出；对首部体节纵肌气腔3进行放气，同时通过第一和第二正压源对尾部左右纵肌气腔3进行供气，供气压力保持一致，此时首部体节缩短，尾部体节伸长，中间部位向前移动一段距离；对中间环肌气腔8放气，通过第三正压源对尾部环肌气腔8进行供气，此时中间部位硅胶片10恢复至原形状，滑片11缩回，同时，尾部硅胶片10变形，滑片11伸出，尾部呈现抬起状态；对尾部体节左右纵肌气腔3同时进行放气，尾部体节缩短，尾部向前移动一段距离；对尾部环肌气腔8进行放气，尾部硅胶片10恢复至原形状，滑片11缩回。至此机器人完成一次直线运动周期，向前爬行一段距离。

二、转弯运动方式

机器人左侧纵肌气腔采用第一正压源供气，右侧纵肌气腔采用第二正压源供气，三个环肌气腔8采用第三正压源供气。通过第三正压源向头部环肌气腔8供气，头部硅胶片10变形，滑片11伸出，头部呈抬起状态；控制第一与第二正压源同时向首部体节左右纵肌气腔3供气，且供气压力不一致，首部体节呈弯曲变形，此时因头部滑片伸出，与地面摩擦力较小，尾部体节保持不动，头部向前弯曲一段距离；对头部环肌气腔8放气，头部硅胶片10恢复至原形状，滑片11缩回，头部落下，同时，控制第三正压源对中间部位环肌气腔8供气，此部位硅胶片10变形，滑片11伸出；对首部体节纵肌气腔3进行放气，同时通过第一和第二正压源对尾部左右纵肌气腔3进行供气，供气压力保持不一致，此时首部体节缩短，尾部体节伸长，中间部位向前弯曲移动一段距离；对中间环肌气腔8放气，通过第三正压源对尾部环肌气腔8进行供气，此时中间部位硅胶片10恢复至原形状，滑片11缩回，同时，尾部硅胶片10变形，滑片11伸出，尾部呈现抬起状态；对尾部体节左右纵肌气腔3同时进行放气，尾部体节缩短，尾部向前弯曲移动一段距离；对尾部环肌气腔8进行放气，尾部硅胶片10恢复至原形状，滑片11缩回。至此机器人完成一次转弯运动周期，向前转弯爬行一段距离。当第一正压源供气压力大于第二正压源供气压力时，机器人左向右前方转弯运动，当第一正压源供气压力小于第二正压源供气压力时，机器人左向左前方转弯运动。

三、越障运动方式

本实施方式的供气顺序与第一实施方式的供气顺序相同，当机器人遇见障碍物时，通过滑片11的上折边下表面与障碍物接触产生一个向上的抬升力，是机器人头部能够跨上障碍物，从而进行跨越障碍运动。

Claims (7)

1.一种具有环纵肌结构的气动软体机器人，分为首尾两个体节，其特征在于：包括纵肌结构和环肌结构，环肌结构设置在纵肌结构外部；其中纵肌结构包括纵肌弹性主体（7）、两个硬质橡胶片（4）和多个金属径向限制环（6）；纵肌弹性主体（7）为圆柱形，其内设有四个纵肌气腔（3），四个纵肌气腔（3）两两一组自纵肌弹性主体（7）的头部和尾部分别向中心延伸，且不相通，位于同一组的两个纵肌气腔（3）呈左右对称分布，两个硬质橡胶片（4）分别固定在纵肌弹性主体（7）的两端，多个金属径向限制环（6）等间隔固定在纵肌弹性主体（7）的外壁。

2.根据权利要求1所述的具有环纵肌结构的气动软体机器人，其特征在于：所述硬质橡胶片（4）的直径与纵肌弹性主体（7）的外径相同。

3.根据权利要求1所述的具有环纵肌结构的气动软体机器人，其特征在于：所述硬质橡胶片（4）上均开有两个通孔（2），分别对应同一端的两个纵肌气腔（3）。

4.根据权利要求1所述的具有环纵肌结构的气动软体机器人，其特征在于：所述纵肌弹性主体（7）采用硅橡胶。

5.根据权利要求1所述的具有环纵肌结构的气动软体机器人，其特征在于：所述环肌结构包括环肌弹性主体（5）、三组摩擦足（1）、三个硅胶片（10）和三个滑片（11），所述环肌弹性主体（5）中心设有中心通孔，环肌弹性主体（5）包括三个方形稳定块（5-1）和两个管状伸缩体（5-2），两个管状伸缩体（5-2）连接三个方形稳定块（5-1），环肌弹性主体（5）将纵肌弹性主体（7）和金属径向限制环（6）包裹，并固连，其中位于端部的两个方形稳定块（5-1）的端面与硬质橡胶片（4）的端面平齐，两组纵肌气腔（3）的末端位于中间位置的方形稳定块（5-1）内，方形稳定块（5-1）自底面向上开有一个凹槽形成环肌气腔（8），方形稳定块（5-1）侧壁上开有一个充放气口（9），所述充放气口（9）与环肌气腔（8）相通，方形稳定块（5-1）的底面前端固连硅胶片（10），硅胶片（10）将环肌气腔（8）的开口覆盖，硅胶片（10）底面固连滑片（11），滑片（11）前端向上翻折；摩擦足（1）固定在方形稳定块（5-1）的底面的硅胶片（10）后方。

6.根据权利要求5所述的具有环纵肌结构的气动软体机器人，其特征在于：所述环肌弹性主体（5）采用硅橡胶一体制造。

7.根据权利要求5所述的具有环纵肌结构的气动软体机器人，其特征在于：所述摩擦足（1）底面设有多个凸点。

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