本發(fā)明涉及軟體機(jī)器人，尤其是一種基于氣壓驅(qū)動(dòng)的仿生多運(yùn)動(dòng)模式軟體機(jī)器人系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)有技術(shù)中，剛性機(jī)器人存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難、環(huán)境適應(yīng)性差等缺點(diǎn)。隨著新技術(shù)、新材料的廣泛應(yīng)用，由軟驅(qū)動(dòng)器制成的軟機(jī)器人因其與人體的相容性、對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性、多功能性和易于制造等優(yōu)點(diǎn)正成為近年來(lái)備受關(guān)注的新興研究領(lǐng)域。

2、然而，在軟機(jī)器人的研究中，大多數(shù)軟體機(jī)器人僅具備單一運(yùn)動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)模式仍然面臨一定挑戰(zhàn)。盡管已有一些軟體機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)多樣化的運(yùn)動(dòng)模式，但它們的運(yùn)動(dòng)性能仍有待進(jìn)一步提高，與僅具有單一運(yùn)動(dòng)模式的軟體機(jī)器人相比，其運(yùn)動(dòng)性能尚未達(dá)到理想水平。而且現(xiàn)有的多運(yùn)動(dòng)模式軟機(jī)器人采用磁場(chǎng)和光強(qiáng)驅(qū)動(dòng)，對(duì)其在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的適用性產(chǎn)生了限制，并且故障較多。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出一種基于氣壓驅(qū)動(dòng)的仿生多運(yùn)動(dòng)模式軟體機(jī)器人系統(tǒng)，該軟機(jī)器人系統(tǒng)過(guò)單一結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多種仿生運(yùn)動(dòng)模式，包括仿毛毛蟲的爬行、仿螳螂蝦的滾動(dòng)和人類前滾翻的翻轉(zhuǎn)。此外，該軟體機(jī)器人具備強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)能力和優(yōu)越的運(yùn)動(dòng)性能。進(jìn)一步地，將所設(shè)計(jì)的單個(gè)軟驅(qū)動(dòng)器擴(kuò)展到兩個(gè)平行排列的軟驅(qū)動(dòng)器，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的轉(zhuǎn)向功能。

2、本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。

3、一種基于氣壓驅(qū)動(dòng)的仿生多運(yùn)動(dòng)模式軟體機(jī)器人系統(tǒng)，所述軟體機(jī)器人系統(tǒng)包括供氣控制系統(tǒng)和軟機(jī)器人，所述軟機(jī)器人包括含軟驅(qū)動(dòng)器（3）的軟驅(qū)動(dòng)器陣列，還包括分置于軟驅(qū)動(dòng)器陣列四角處的多個(gè)吸盤，吸盤包括用于吸附地面的左前角吸盤（1）、右前角吸盤（12）、左后角吸盤（5）、右后角吸盤（6），所述軟驅(qū)動(dòng)器包括外殼（18）和多個(gè)以氣室連接通道（20）相通的氣室（19），各氣室在外殼內(nèi)腔中直線排列且各氣室的高度從后向前線性遞減以形成氣室陣列；氣室陣列中部的氣室與供氣控制系統(tǒng)相連；軟驅(qū)動(dòng)器下部處設(shè)有用于限制外殼底面形變的不可伸縮層（21）；當(dāng)各氣室在供氣控制系統(tǒng)的壓力氣體作用下產(chǎn)生不同幅度的膨脹時(shí)，軟驅(qū)動(dòng)器在不可伸縮層的約束下形變?yōu)轵榍螒B(tài)并帶動(dòng)吸盤移動(dòng)，供氣控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整軟驅(qū)動(dòng)器的形態(tài)，以及通過(guò)控制各吸盤對(duì)地面的吸附狀態(tài)，使軟機(jī)器人在地面處執(zhí)行爬行、滾動(dòng)或翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。

4、所述軟驅(qū)動(dòng)器尾端鉸接短支撐腳架（8），軟驅(qū)動(dòng)器頭端鉸接長(zhǎng)支撐腳架（10）；左后角吸盤（5）、右后角吸盤（6）固定于短支撐腳架（8）末端處；左前角吸盤（1）、右前角吸盤（12）固定于長(zhǎng)支撐腳架（10）末端處；當(dāng)軟機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，短支撐腳架、長(zhǎng)支撐腳架末端的凹槽形吸盤結(jié)構(gòu)，使其重心與接觸點(diǎn)的距離最小化并能在重力力矩的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，讓兩支撐腳架轉(zhuǎn)至保持最穩(wěn)定姿態(tài)的方向，使各吸盤的吸附面朝向地面。

5、在軟機(jī)器人的俯視方向上，長(zhǎng)支撐架的長(zhǎng)度大于短支撐架，以避免軟機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程其各吸盤之間的碰撞，使軟驅(qū)動(dòng)器能在供氣控制系統(tǒng)的控制下準(zhǔn)確地執(zhí)行蜷曲形變；

6、當(dāng)軟驅(qū)動(dòng)器陣列含兩個(gè)軟驅(qū)動(dòng)器時(shí)，兩個(gè)軟驅(qū)動(dòng)器左右平行間隔設(shè)置，以短支撐腳架、長(zhǎng)支撐腳架互相連接，組合為軟驅(qū)動(dòng)器陣列。

7、所述左前角吸盤（1）、右前角吸盤（12）、左后角吸盤（5）、右后角吸盤（6）均為硅膠吸盤；

8、所述軟驅(qū)動(dòng)器的制備方法為：采用3d打印的方式設(shè)計(jì)軟驅(qū)動(dòng)器模具，選用硅膠作為制作材料，通過(guò)澆鑄成型的方式得到成品。

9、所述供氣控制系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)（14）、真空泵（15）、氣壓控制箱（17）、用于連接氣壓控制箱和空氣壓縮機(jī)的氣室氣管（13）、用于連接真空泵和氣壓控制箱的吸盤氣管（16），所述空氣壓縮機(jī)和真空泵向氣壓控制箱輸出高壓空氣或真空壓力；供氣控制系統(tǒng)通過(guò)氣壓控制箱調(diào)節(jié)輸出壓力，并控制向氣室陣列的供氣，控制內(nèi)容包括供氣的時(shí)間和頻率。

10、軟驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的氣室陣列中部的氣室，經(jīng)氣管與供氣控制系統(tǒng)相連；氣室陣列中相鄰的氣室空腔則通過(guò)氣室連接通道直接相連；供氣控制系統(tǒng)加載氣壓的高壓氣通過(guò)加載氣管進(jìn)入氣室陣列中部的氣室后，經(jīng)氣室連接通道再進(jìn)入相鄰的氣室空腔，使氣室空腔受壓膨脹，然后加載氣壓經(jīng)過(guò)氣室連接通道繼續(xù)進(jìn)入下一個(gè)氣室空腔，使軟驅(qū)動(dòng)器的氣室空腔依次發(fā)生膨脹變形，在不可伸縮層的約束下，軟驅(qū)動(dòng)器發(fā)生彎曲變形；

11、左前角吸盤（1）、右前角吸盤（12）、左后角吸盤（5）、右后角吸盤（6）分別以左前角吸盤氣管（2）、左后角吸盤氣管（4）、右前角吸盤氣管（11）、右后角吸盤氣管（7）與氣壓控制箱相連。

12、軟機(jī)器人在水平地面處執(zhí)行向前的爬行動(dòng)作時(shí)，其控制方法包括以下步驟：

13、步驟a1、供氣控制系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)支撐腳架上的吸盤加載真空壓力，以確保其處于對(duì)地面的真空吸附狀態(tài)，吸盤作用在長(zhǎng)支撐腳架上的粘附力將軟機(jī)器人頭端穩(wěn)定吸附錨固在地面上；

14、步驟a2、供氣控制系統(tǒng)對(duì)軟驅(qū)動(dòng)器快速增壓，導(dǎo)致軟驅(qū)動(dòng)器向上彎曲，并推動(dòng)尾端的短支撐腳架向前移動(dòng)；當(dāng)增壓時(shí)長(zhǎng)使短支撐腳架移動(dòng)距離達(dá)到閾值，供氣控制系統(tǒng)切換向短支撐腳架上的硅膠吸盤加載使軟機(jī)器人尾端吸附于地面，并卸載長(zhǎng)支撐腳架上的硅膠吸盤的真空，使其回到初始的未吸附狀態(tài)；

15、步驟a3、供氣控制系統(tǒng)對(duì)軟驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的氣壓進(jìn)行卸載，促使軟驅(qū)動(dòng)器自然伸展，并推動(dòng)頭端的長(zhǎng)支撐腳架向前移動(dòng)，直到軟驅(qū)動(dòng)器恢復(fù)原始形狀；完成一次爬行動(dòng)作；完成此過(guò)程后，斷開(kāi)短支撐腳架上的吸盤氣路，使其保持自然狀態(tài)；

16、如果供氣控制系統(tǒng)再次對(duì)長(zhǎng)支撐腳架上的吸盤加載，按以上步驟a1至步驟a3依次進(jìn)行，則軟機(jī)器人連續(xù)執(zhí)行爬行動(dòng)作。

17、當(dāng)軟機(jī)器人在傾斜地面處執(zhí)行向前的爬坡動(dòng)作時(shí)，其控制方法根據(jù)軟機(jī)器人所需爬升的斜坡傾角，供氣控制系統(tǒng)會(huì)依次對(duì)吸盤和軟驅(qū)動(dòng)器施加與斜坡傾角匹配的真空度和增壓壓力，以驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人的爬坡動(dòng)作；

18、軟機(jī)器人通過(guò)在軟驅(qū)動(dòng)器陣列內(nèi)設(shè)置兩個(gè)左右平行排列的軟驅(qū)動(dòng)器來(lái)執(zhí)行需要轉(zhuǎn)向的爬行動(dòng)作，若轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針，則具體步驟為：

19、步驟s1、供氣控制系統(tǒng)先向軟機(jī)器人短支撐腳架上的吸盤施加真空，確保其軟機(jī)器人的尾端能牢固地附著在地面上；

20、步驟s2、供氣控制系統(tǒng)對(duì)軟機(jī)器人右側(cè)的軟驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行增壓，右側(cè)的軟驅(qū)動(dòng)器快速?gòu)澢?，由于左?cè)的軟驅(qū)動(dòng)器的約束作用，導(dǎo)致軟機(jī)器人頭端長(zhǎng)支撐腳架逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；

21、步驟s3、長(zhǎng)支撐腳架轉(zhuǎn)動(dòng)到所需角度，供氣控制系統(tǒng)切換向長(zhǎng)支撐腳架上的硅膠吸盤施加真空使軟機(jī)器人頭端吸附于地面，并卸載短支撐腳架上的硅膠吸盤的真空，使其回到自然狀態(tài)，解除軟機(jī)器人尾端對(duì)地面的吸附；

22、步驟s4、供氣控制系統(tǒng)對(duì)右側(cè)的軟驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行卸載，促使其自然擴(kuò)展，并推動(dòng)軟機(jī)器人尾端短支撐腳架逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直到軟驅(qū)動(dòng)器恢復(fù)原始形狀，完成爬行過(guò)程的逆時(shí)針轉(zhuǎn)向；

23、上述步驟s1至步驟s4中，如果供氣控制系統(tǒng)首先對(duì)左側(cè)的軟驅(qū)動(dòng)器施加增壓，則軟機(jī)器人順時(shí)針轉(zhuǎn)向。

24、軟機(jī)器人在水平地面處執(zhí)行向前的滾動(dòng)動(dòng)作時(shí)，其控制方法包括以下步驟：

25、步驟b1、供氣控制系統(tǒng)向長(zhǎng)支撐腳架上的吸盤施加真空，確保其軟機(jī)器人頭端能牢固地吸附著在地面上；在滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)的初始狀態(tài)，軟驅(qū)動(dòng)器的腔室層與地面接觸；

26、步驟b2、供氣控制系統(tǒng)對(duì)軟驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行高速率的增壓，迫使軟驅(qū)動(dòng)器高速蜷曲起來(lái)并達(dá)到大的初始蜷曲速度；使軟驅(qū)動(dòng)器的質(zhì)心快速移動(dòng)以積累動(dòng)能；

27、步驟b3、當(dāng)軟驅(qū)動(dòng)器從線性蜷曲為近似圓形時(shí)，供氣控制系統(tǒng)卸載長(zhǎng)支撐腳架上的吸盤的真空度，在慣性作用下，軟機(jī)器人仿照車輪形態(tài)向前滾動(dòng)，直到步驟b2積累的動(dòng)能耗盡；

28、步驟b4、當(dāng)軟機(jī)器人停止?jié)L動(dòng)時(shí)，供氣控制系統(tǒng)對(duì)軟驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行卸載，軟驅(qū)動(dòng)器開(kāi)始擴(kuò)展并恢復(fù)到原始狀態(tài)；

29、如果供氣控制系統(tǒng)再次對(duì)長(zhǎng)支撐腳架上的硅膠吸盤加載，按上述步驟b1至步驟b4依次進(jìn)行，可以連續(xù)實(shí)現(xiàn)軟機(jī)器人的滾動(dòng)動(dòng)作。

30、軟機(jī)器人在水平地面處執(zhí)行翻轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)，其控制方法包括以下步驟：

31、步驟c1、供氣控制系統(tǒng)向短支撐腳架上的吸盤施加真空，確保其能使軟機(jī)器人尾端牢固地附著在地面上；

32、步驟c2、供氣控制系統(tǒng)對(duì)軟驅(qū)動(dòng)器施加高壓，軟驅(qū)動(dòng)器快速?gòu)澢?，直到長(zhǎng)支撐腳架與短支撐腳架接觸或緊鄰；此時(shí)高壓氣體作用于軟驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部梯度高度分布的各腔室結(jié)構(gòu)，使靠近短支撐腳架的區(qū)域的平均彎曲曲率大于靠近長(zhǎng)支撐腳架的區(qū)域的平均彎曲曲率，軟驅(qū)動(dòng)器形變?yōu)轭愃瓶谏诘男螤?，使得整個(gè)軟機(jī)器人的重心移動(dòng)到短支撐腳架的右側(cè)；

33、步驟c3、供氣控制系統(tǒng)快速卸載軟驅(qū)動(dòng)器的壓力，由于軟機(jī)器人的重心位于尾端的短支撐腳架側(cè)，隨著壓力的釋放，軟驅(qū)動(dòng)器頭端的長(zhǎng)支撐腳架部位處開(kāi)始向上伸展，從而引發(fā)軟機(jī)器人身體翻轉(zhuǎn)；

34、步驟c4、當(dāng)機(jī)器人完全翻轉(zhuǎn)，供氣控制系統(tǒng)卸載短支撐腳架上的吸盤的真空，軟驅(qū)動(dòng)器逐漸伸展成線性狀態(tài)，最終翻躺在地面上；

35、如果供氣控制系統(tǒng)再次對(duì)短支撐腳架上的吸盤加載，按上述步驟c1至步驟c4依次進(jìn)行，則軟機(jī)器人連續(xù)執(zhí)行翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。

36、本發(fā)明涉及一種基于氣壓驅(qū)動(dòng)的仿生多運(yùn)動(dòng)模式軟體機(jī)器人系統(tǒng)，包括軟機(jī)器人和供氣控制系統(tǒng)，所述軟機(jī)器人包括四個(gè)硅膠吸盤，所述四個(gè)硅膠吸盤安裝在兩個(gè)不同長(zhǎng)度的支撐腳架末端上，各個(gè)硅膠吸盤連接一根氣管，用于氣壓加載，所述兩個(gè)支撐腳架安裝在軟驅(qū)動(dòng)器的前端和后端，軟驅(qū)動(dòng)器上連接有用于軟驅(qū)動(dòng)器加載的氣管；所述供氣控制系統(tǒng)與軟機(jī)器人上的各氣管連接，并按設(shè)定的加載時(shí)間和頻率向相應(yīng)的氣管供氣，以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的硅膠吸盤和軟驅(qū)動(dòng)器。該軟機(jī)器人系統(tǒng)過(guò)單一結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多種仿生運(yùn)動(dòng)模式，包括仿毛毛蟲的爬行、仿螳螂蝦的滾動(dòng)和人類前滾翻的翻轉(zhuǎn)，展現(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)能力和運(yùn)動(dòng)性能。此外，通過(guò)將所設(shè)計(jì)的單個(gè)軟驅(qū)動(dòng)器擴(kuò)展到兩個(gè)平行排列的軟驅(qū)動(dòng)器，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的轉(zhuǎn)向功能。

37、本發(fā)明中，由于采用了軟質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此具有很好的避震能力，可以讓軟機(jī)器人組合成的系統(tǒng)承載需要平穩(wěn)運(yùn)輸?shù)奈锲贰?/p>

38、和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

39、?（1）提供了一種基于氣壓驅(qū)動(dòng)的仿生多運(yùn)動(dòng)模式軟體機(jī)器人系統(tǒng)，該軟機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)仿生毛毛蟲的爬行、仿螳螂蝦的滾動(dòng)和人類前滾翻的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了軟機(jī)器人通過(guò)單一結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)模式。

40、?（2）本發(fā)明中的軟機(jī)器人能夠在復(fù)雜地形中展現(xiàn)出高度適應(yīng)性，能夠在各種復(fù)雜環(huán)境下連續(xù)、穩(wěn)定和可控地運(yùn)動(dòng)，同時(shí)具備爬陡坡的能力。將所設(shè)計(jì)的單驅(qū)動(dòng)器擴(kuò)展為雙驅(qū)動(dòng)器四足軟體機(jī)器人，按照特定的順序加載，軟體機(jī)器人能夠在非常有限的空間內(nèi)完成轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，展現(xiàn)出高效的運(yùn)動(dòng)控制能力。

41、（3）本發(fā)明中的軟機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)方便，當(dāng)有硅膠吸盤或軟驅(qū)動(dòng)器損壞時(shí)，可快速拆卸更換。因此，本發(fā)明具有很強(qiáng)的實(shí)用性和廣闊的應(yīng)用前景。