一種蛇形軟體機(jī)器人的制作方法
【專利摘要】一種蛇形軟體機(jī)器人，由運(yùn)動(dòng)基體、動(dòng)力系統(tǒng)和信號系統(tǒng)組成；所述運(yùn)動(dòng)基體由數(shù)個(gè)左右成對的單元體構(gòu)成，所述單元體為完整的軟材料中空鑄成，包括外壁以及外壁所圍成的內(nèi)部空間及連通內(nèi)部空間的氣道，單元體除進(jìn)氣管外，內(nèi)部空間完全氣閉；所述動(dòng)力系統(tǒng)主要包括氣泵與電磁閥，電磁閥數(shù)量與單元體的數(shù)量一致，電磁閥組的開閉由信號系統(tǒng)進(jìn)行控制；本發(fā)明基于仿生學(xué)原理，通過合理利用軟材料的特殊性質(zhì)，對構(gòu)成基體的軟單元模塊進(jìn)行特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而滿足蜿蜒前進(jìn)的力學(xué)要求，實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的前進(jìn)后退與轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。
【專利說明】
一種蛇形軟體機(jī)器人
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及軟機(jī)器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種蛇形軟體機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002]近些年，擁有特殊柔軟性質(zhì)的軟體機(jī)器人吸引了許多科學(xué)家與工程師的目光。由于機(jī)器人應(yīng)用的環(huán)境日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)剛性機(jī)器人堅(jiān)硬的構(gòu)件所導(dǎo)致的應(yīng)用限制也越來越多，例如較復(fù)雜的狹小空間、管道空間的勘探機(jī)器，或是用于人體治療、恢復(fù)甚至與身體內(nèi)部植入的一些輔助機(jī)器，由于擔(dān)心硬的構(gòu)件對管道、人體組織造成損害，傳統(tǒng)剛性機(jī)器人面對這樣的環(huán)境只能望而卻步。而軟體機(jī)器人適應(yīng)性強(qiáng)、發(fā)力柔和、破壞性小的特點(diǎn)在這樣的環(huán)境中則能夠得到很好的效果，若是加以研究與發(fā)展，將在日后的很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
[0003]仿生學(xué)是一門古老而又年輕的學(xué)科，從研究蝙蝠而誕生的雷達(dá)，到研究螢火蟲而出現(xiàn)的冷光燈，對與自然界生物的神奇功能至今仍不斷有新的發(fā)現(xiàn)，由此可見，人類在仿生方面還有很遠(yuǎn)需要走。蛇類的蜿蜒運(yùn)動(dòng)是在目前仿生學(xué)的研究中占據(jù)著一個(gè)重要地位，蛇的蜿蜒運(yùn)動(dòng)是一種空間需求小且相對快速的前進(jìn)形式。之前對于它的理論研究已經(jīng)有很多，但蜿蜒運(yùn)動(dòng)的蛇形軟機(jī)器人研究較少，且往往需要硬質(zhì)被動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)摩擦各向異性達(dá)到前進(jìn)的目的。這種并不是真正的完全的蛇形軟機(jī)器人。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]綜合上述軟材料特點(diǎn)與對蛇的蜿蜒運(yùn)動(dòng)的仿生，本發(fā)明提供了一種采用純軟材料結(jié)構(gòu)的新型蛇形機(jī)器人，其合理利用了軟材料易于大變形的特性，并通過提出的新的蜿蜒運(yùn)動(dòng)機(jī)理，解決了上述蛇形軟機(jī)器人所面臨的問題。
[0005]本發(fā)明具體技術(shù)實(shí)施方案如下:
[0006]—種蛇形軟體機(jī)器人，由運(yùn)動(dòng)基體7、動(dòng)力系統(tǒng)6和信號系統(tǒng)5組成;所述運(yùn)動(dòng)基體7由數(shù)個(gè)左右成對的單元體I構(gòu)成，所述單元體I為完整的軟材料中空鑄成，包括外壁3以及外壁3所圍成的內(nèi)部空間2及連通內(nèi)部空間2的氣道4，單元體I除進(jìn)氣管外，內(nèi)部空間2完全氣閉;所述動(dòng)力系統(tǒng)6主要包括氣栗與電磁閥，電磁閥數(shù)量與單元體I的數(shù)量一致，電磁閥組的開閉由信號系統(tǒng)5進(jìn)行控制。
[0007]運(yùn)動(dòng)基體7中的每個(gè)所述單元體I無需摩擦各向異性，即能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)基體7蜿蜓運(yùn)動(dòng)前進(jìn)。
[0008]所述運(yùn)動(dòng)基體7中的每個(gè)所述單元體I由動(dòng)力系統(tǒng)6統(tǒng)一供能并由信號系統(tǒng)5通過單獨(dú)或相關(guān)聯(lián)的電磁閥控制。
[0009]所述單元體I的內(nèi)部空間2為外壁3厚度的數(shù)倍。
[0010]所述單元體I通過增加外壁3厚度或鑄造時(shí)在外壁3中鑄入不同軟材料來控制特殊運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)所要求的不同面剛度。
[0011]每個(gè)所述單元體I中存在4或6個(gè)內(nèi)部空間2，內(nèi)部空間2之間排列緊密，通過氣道4予以貫通。
[0012]所述單元體I分為上下兩部分，充氣后可分離，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)基體7與地面之間接觸點(diǎn)的控制。
[0013]在單元體I的鑄造過程中采用如下技術(shù)使得單元體I指定外壁3的指定部分抗彎剛度增大:1、增加壁厚;2、澆鑄時(shí)采用硬度較大的硅膠材料等。
[0014]每一單元體I都應(yīng)由信號系統(tǒng)5中單片機(jī)的編碼通過獨(dú)立或相關(guān)聯(lián)的電磁閥控制。
[0015]為保證該蛇形軟體機(jī)器人的實(shí)用性，其信號系統(tǒng)5與動(dòng)力系統(tǒng)6應(yīng)經(jīng)過集成以減小體積與復(fù)雜度。
[0016]本發(fā)明創(chuàng)新點(diǎn)在于:
[0017]1、所述運(yùn)動(dòng)基體7無任何硬質(zhì)零件與結(jié)構(gòu)，完全由軟材料構(gòu)成，有很好的整體柔性。
[0018]2、區(qū)別于傳統(tǒng)蜿蜒運(yùn)動(dòng)機(jī)器，本發(fā)明中提到的蛇形軟機(jī)器人前進(jìn)能力與底面摩擦性質(zhì)無關(guān)，且無需底面與地面摩擦各向異性。
[0019]3、針對本發(fā)明中的運(yùn)動(dòng)基體7的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)，提供了有效的控制方法。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明蛇形軟體機(jī)器人模塊結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖2為運(yùn)動(dòng)基體、單元體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖3為單元體橫、縱截面充氣膨脹示意圖。
[0023]圖4為蜿蜒運(yùn)動(dòng)力學(xué)原理簡示圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方案對本發(fā)明工作原理作詳細(xì)的說明:
[0025]如圖1和圖2所示，本發(fā)明一種蛇形軟體機(jī)器人，由運(yùn)動(dòng)基體7、動(dòng)力系統(tǒng)6和信號系統(tǒng)5組成;所述運(yùn)動(dòng)基體7由數(shù)個(gè)左右成對的單元體I構(gòu)成，所述單元體I為完整的軟材料中空鑄成，包括外壁3以及外壁3所圍成的內(nèi)部空間2及連通內(nèi)部空間2的氣道4，單元體I除進(jìn)氣管外，內(nèi)部空間2完全氣閉。
[0026]發(fā)明工作原理如下:
[0027]單元體I在運(yùn)動(dòng)基體中的排布如圖2所示，對內(nèi)部空間2充氣后各個(gè)截面的變化如圖3所示，對稱排布的單元體在運(yùn)動(dòng)過程中總是只有一側(cè)充氣，此時(shí)單元體各內(nèi)部空間之間由于充氣膨脹的擠壓可造成中軸彈性模量大的部分發(fā)生反向的彎曲。另外，通過對充入氣壓大小的控制可以決定運(yùn)動(dòng)基體的該部分發(fā)生的彎曲大小，從而可以達(dá)到蜿蜒運(yùn)動(dòng)的基本形態(tài)要求。
[0028]從可以查到的關(guān)于蜿蜒運(yùn)動(dòng)力學(xué)原理闡述的文章中可以看到，蜿蜒運(yùn)動(dòng)中，運(yùn)動(dòng)基體各主要節(jié)點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)面的最佳接觸關(guān)系如圖4所示。運(yùn)動(dòng)中，由于運(yùn)動(dòng)瞬心A出現(xiàn)在彎曲部分內(nèi)側(cè)，因此相對遠(yuǎn)離該瞬心的外側(cè)為速度最大點(diǎn)，這些部分與地面的摩擦為蜿蜒運(yùn)動(dòng)前進(jìn)的主要?jiǎng)恿碓?，除此之外，彎曲?nèi)側(cè)相對運(yùn)動(dòng)順心速度較小的部分與平直無動(dòng)力部分與地面的摩擦此時(shí)則成為了前進(jìn)阻力的主要來源，故此時(shí)盡可能抬起這些部分能有效提高前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的速率。
[0029]根據(jù)上述原理分析，將單元體I分為上下兩部分，每一部分在充氣時(shí)(即為整個(gè)運(yùn)動(dòng)基體的彎曲部分)內(nèi)部空間2膨脹相互擠壓則會(huì)將其底面外側(cè)下壓，以達(dá)到抬起內(nèi)側(cè)部分的效果。
[0030]綜上所述，本發(fā)明的具體操作為:對運(yùn)動(dòng)基體7的各個(gè)小節(jié)有一定規(guī)律地進(jìn)行充氣，且左右單元體I交替，即可達(dá)到蜿蜒運(yùn)動(dòng)的效果。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種蛇形軟體機(jī)器人，其特征在于:由運(yùn)動(dòng)基體(7)、動(dòng)力系統(tǒng)(6)和信號系統(tǒng)(5)組成;所述運(yùn)動(dòng)基體(7)由數(shù)個(gè)左右成對的單元體(I)構(gòu)成，所述單元體(I)為完整的軟材料中空鑄成，包括外壁(3)以及外壁(3)所圍成的內(nèi)部空間(2)及連通內(nèi)部空間(2)的氣道(4)，單元體(I)除進(jìn)氣管外，內(nèi)部空間(2)完全氣閉；所述動(dòng)力系統(tǒng)(6)主要包括氣栗與電磁閥，電磁閥數(shù)量與單元體(I)的數(shù)量一致，電磁閥組的開閉由信號系統(tǒng)(5)進(jìn)行控制。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種蛇形軟體機(jī)器人，其特征在于:運(yùn)動(dòng)基體(7)中的每個(gè)所述單元體(I)無需摩擦各向異性，即能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)基體(7)蜿蜒運(yùn)動(dòng)前進(jìn)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種蛇形軟體機(jī)器人，其特征在于:運(yùn)動(dòng)基體(7)中的每個(gè)所述單元體(I)由動(dòng)力系統(tǒng)(6)統(tǒng)一供能并由信號系統(tǒng)(5)通過單獨(dú)或相關(guān)聯(lián)的電磁閥控制。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種蛇形軟體機(jī)器人，其特征在于:單元體(I)的內(nèi)部空間(2)為外壁(3)厚度的數(shù)倍。5.根據(jù)權(quán)利要求1任一項(xiàng)所述的一種蛇形軟體機(jī)器人，其特征在于:單元體(I)通過增加外壁(3)厚度或鑄造時(shí)在外壁(3)中鑄入硬度較大的不同軟材料來控制特殊運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)所要求的不同面剛度。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種蛇形軟體機(jī)器人，其特征在于:每個(gè)所述單元體(I)中存在4或6個(gè)內(nèi)部空間(2)，內(nèi)部空間⑵之間排列緊密，通過氣道⑷予以貫通。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種蛇形軟體機(jī)器人，其特征在于:所述單元體(I)分為上下兩部分，充氣后可分離，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)基體(7)與地面之間接觸點(diǎn)的控制。
【文檔編號】B25J9/06GK106002989SQ201610537449
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月5日
【發(fā)明人】李鴻宇, 曹云騰, 陳曦, 閆淵
【申請人】董潤華