CN106002989B - 一种蛇形软体机器人 - Google Patents
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Abstract
一种蛇形软体机器人，由运动基体、动力系统和信号系统组成；所述运动基体由数个左右成对的单元体构成，所述单元体为完整的软材料中空铸成，包括外壁以及外壁所围成的内部空间及连通内部空间的气道，单元体除进气管外，内部空间完全气闭；所述动力系统主要包括气泵与电磁阀，电磁阀数量与单元体的数量一致，电磁阀组的开闭由信号系统进行控制；本发明基于仿生学原理，通过合理利用软材料的特殊性质，对构成基体的软单元模块进行特殊的结构设计，从而满足蜿蜒前进的力学要求，实现软体机器人的前进后退与转弯运动。
Description
技术领域
本发明涉及软机器技术领域，具体涉及一种蛇形软体机器人。
背景技术
近些年，拥有特殊柔软性质的软体机器人吸引了许多科学家与工程师的目光。由于机器人应用的环境日趋复杂，传统刚性机器人坚硬的构件所导致的应用限制也越来越多，例如较复杂的狭小空间、管道空间的勘探机器，或是用于人体治疗、恢复甚至与身体内部植入的一些辅助机器，由于担心硬的构件对管道、人体组织造成损害，传统刚性机器人面对这样的环境只能望而却步。而软体机器人适应性强、发力柔和、破坏性小的特点在这样的环境中则能够得到很好的效果，若是加以研究与发展，将在日后的很多领域得到广泛的应用。
仿生学是一门古老而又年轻的学科，从研究蝙蝠而诞生的雷达，到研究萤火虫而出现的冷光灯，对与自然界生物的神奇功能至今仍不断有新的发现，由此可见，人类在仿生方面还有很远需要走。蛇类的蜿蜒运动是在目前仿生学的研究中占据着一个重要地位，蛇的蜿蜒运动是一种空间需求小且相对快速的前进形式。之前对于它的理论研究已经有很多，但蜿蜒运动的蛇形软机器人研究较少，且往往需要硬质被动轮实现摩擦各向异性达到前进的目的。这种并不是真正的完全的蛇形软机器人。
发明内容
综合上述软材料特点与对蛇的蜿蜒运动的仿生，本发明提供了一种采用纯软材料结构的新型蛇形机器人，其合理利用了软材料易于大变形的特性，并通过提出的新的蜿蜒运动机理，解决了上述蛇形软机器人所面临的问题。
本发明具体技术实施方案如下：
一种蛇形软体机器人，由运动基体7、动力系统6和信号系统5组成；所述运动基体7由数个左右成对的单元体1构成，所述单元体1为完整的软材料中空铸成，包括外壁3以及外壁3所围成的内部空间2及连通内部空间2的气道4，单元体1除进气管外，内部空间2完全气闭；所述动力系统6主要包括气泵与电磁阀，电磁阀数量与单元体1的数量一致，电磁阀组的开闭由信号系统5进行控制。
运动基体7中的每个所述单元体1无需摩擦各向异性，即能够实现运动基体7蜿蜒运动前进。
所述运动基体7中的每个所述单元体1由动力系统6统一供能并由信号系统5通过单独或相关联的电磁阀控制。
所述单元体1的内部空间2为外壁3厚度的数倍。
所述单元体1通过增加外壁3厚度或铸造时在外壁3中铸入不同软材料来控制特殊运动结构所要求的不同面刚度。
每个所述单元体1中存在4或6个内部空间2，内部空间2之间排列紧密，通过气道4予以贯通。
所述单元体1分为上下两部分，充气后可分离，实现运动基体7与地面之间接触点的控制。
在单元体1的铸造过程中采用如下技术使得单元体1指定外壁3的指定部分抗弯刚度增大：1、增加壁厚；2、浇铸时采用硬度较大的硅胶材料等。
每一单元体1都应由信号系统5中单片机的编码通过独立或相关联的电磁阀控制。
为保证该蛇形软体机器人的实用性，其信号系统5与动力系统6应经过集成以减小体积与复杂度。
本发明创新点在于：
1、所述运动基体7无任何硬质零件与结构，完全由软材料构成，有很好的整体柔性。
2、区别于传统蜿蜒运动机器，本发明中提到的蛇形软机器人前进能力与底面摩擦性质无关，且无需底面与地面摩擦各向异性。
3、针对本发明中的运动基体7的气动结构，提供了有效的控制方法。
附图说明
图1为本发明蛇形软体机器人模块结构图。
图2为运动基体、单元体结构示意图。
图3为单元体横、纵截面充气膨胀示意图。
图4为蜿蜒运动力学原理简示图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方案对本发明工作原理作详细的说明：
如图1和图2所示，本发明一种蛇形软体机器人，由运动基体7、动力系统6和信号系统5组成；所述运动基体7由数个左右成对的单元体1构成，所述单元体1为完整的软材料中空铸成，包括外壁3以及外壁3所围成的内部空间2及连通内部空间2的气道4，单元体1除进气管外，内部空间2完全气闭。
发明工作原理如下：
单元体1在运动基体中的排布如图2所示，对内部空间2充气后各个截面的变化如图3所示，对称排布的单元体在运动过程中总是只有一侧充气，此时单元体各内部空间之间由于充气膨胀的挤压可造成中轴弹性模量大的部分发生反向的弯曲。另外，通过对充入气压大小的控制可以决定运动基体的该部分发生的弯曲大小，从而可以达到蜿蜒运动的基本形态要求。
从可以查到的关于蜿蜒运动力学原理阐述的文章中可以看到，蜿蜒运动中，运动基体各主要节点与运动面的最佳接触关系如图4所示。运动中，由于运动瞬心A出现在弯曲部分内侧，因此相对远离该瞬心的外侧为速度最大点，这些部分与地面的摩擦为蜿蜒运动前进的主要动力来源，除此之外，弯曲内侧相对运动顺心速度较小的部分与平直无动力部分与地面的摩擦此时则成为了前进阻力的主要来源，故此时尽可能抬起这些部分能有效提高前进运动的速率。
根据上述原理分析，将单元体1分为上下两部分，每一部分在充气时(即为整个运动基体的弯曲部分)内部空间2膨胀相互挤压则会将其底面外侧下压，以达到抬起内侧部分的效果。
综上所述，本发明的具体操作为：对运动基体7的各个小节有一定规律地进行充气，且左右单元体1交替，即可达到蜿蜒运动的效果。
Claims (4)
1.一种蛇形软体机器人，其特征在于：由运动基体(7)、动力系统(6)和信号系统(5)组成；所述运动基体(7)由数个左右成对的单元体(1)构成，所述单元体(1)为完整的软材料中空铸成，包括外壁(3)以及外壁(3)所围成的内部空间(2)及连通内部空间(2)的气道(4)，单元体(1)除进气管外，内部空间(2)完全气闭；所述动力系统(6)主要包括气泵与电磁阀，电磁阀数量与单元体(1)的数量一致，电磁阀组的开闭由信号系统(5)进行控制；
运动基体(7)中的每个所述单元体(1)无需摩擦各向异性，即能够实现运动基体(7)蜿蜒运动前进；
每个所述单元体(1)中存在4或6个内部空间(2)，内部空间(2)之间排列紧密，通过气道(4)予以贯通；
所述单元体(1)分为上下两部分，充气后可分离，实现运动基体(7)与地面之间接触点的控制。
2.根据权利要求1所述的一种蛇形软体机器人，其特征在于：运动基体(7)中的每个所述单元体(1)由动力系统(6)统一供能并由信号系统(5)通过单独或相关联的电磁阀控制。
3.根据权利要求1所述的一种蛇形软体机器人，其特征在于：单元体(1)的内部空间(2)为外壁(3)厚度的数倍。
4.根据权利要求1所述的一种蛇形软体机器人，其特征在于：单元体(1)通过增加外壁(3)厚度或铸造时在外壁(3)中铸入硬度大的不同软材料来控制特殊运动结构所要求的不同面刚度。
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