CN107498538B - 一种高适应性的新型自变形模块化软体机器人 - Google Patents
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Abstract
一种高适应性的新型自变形模块化软体机器人，它涉及一种机器人，以解决现有刚性模块化机器人刚度大，导致自身变形困难，适应性差，以及现有软体机器人要么腔体复杂，但是功能单一，要么需要手动使得模块断开连接实现可重构的问题，它包括弹性变形体及两个连接件，两个连接件分别布置在弹性变形体的相对两端，每个所述连接件包括壳体盖、壳体、球形磁铁、弹性固定体、弹性连接件和气管外接件；壳体内腔布置有球形磁体，壳体盖、壳体和弹性固定体埋入弹性连接件内腔，弹性固定体与弹性连接件固接，弹性体固定体和弹性连接件上设有连通壳体内腔的通气管，弹性变形体与弹性连接件固接。本发明用于制作软体机器人。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人，具体涉及一种高适应性的新型自变形模块化软体机器人。
背景技术
机器人已广泛应用于军事、工业、科学探测、救灾等诸多领域。传统机器人一般由刚性模块通过运动副连接构成，每个运动副提供一个或多个平动自由度或转动自由度。所有运动副的运动组合形成机器人末端执行器的工作空间，这种机器人具有运动精确的优点，但结构的刚性使其环境适应性较差，在狭窄空间内的运动受到限制，无法通过尺度小于机器人尺度或形状复杂的通道，这些缺点制约了刚性机器人在某些领域的应用，如军事侦查时出于隐蔽性考虑希望侦察机器人能钻过墙缝、门缝等尺寸小，形状复杂的通道；矿难、震灾救援中要求机器人能够深入废墟进行探测；科学探测时经常要求机器人进入开口狭窄的空间等。近年来，研究者以软体动物为原型，提出了软体机器人，它是一类新型的仿生连续体机器人，软体机器人模仿自然界中的软体动物，大部分可承受大应变的柔软材料制成，具有无限多自由度、连续变形能力和对压力的低阻抗性。但是现有软体机器人，有的是腔体复杂，但是功能单一，模块化软体的特性显现不足，还有的模块化软体大部分都是可重构，需要手动使得模块断开连接，操作繁琐。
发明内容
本发明是为解决现有刚性模块化机器人刚度大，导致自身变形困难，适应性差，以及现有软体机器人要么腔体复杂，但是功能单一，要么需要手动使得模块断开连接实现可重构的问题，进而提供一种高适应性的新型自变形模块化软体机器人。
本发明的一种高适应性的新型自变形模块化软体机器人包括弹性变形体及两个连接件，两个连接件分别布置在弹性变形体的相对两端，每个所述连接件包括壳体盖、壳体、球形磁铁、弹性固定体、弹性连接件和气管外接件；壳体一端通过壳体盖封闭，壳体内腔布置有球形磁铁，壳体的另一端布置有与壳体连接为一体的弹性固定体，壳体盖、壳体和弹性固定体埋入弹性连接件内腔，弹性固定体与弹性连接件固接，弹性体固定体和弹性连接件上设有连通壳体内腔的通气管，壳体上设有连通弹性连接件内腔的透气孔；
弹性变形体与弹性连接件固接，弹性变形体内设有向弹性连接件延伸的三个驱动内腔，三个驱动内腔沿同一圆周均布设置，三个驱动内腔上各设有一个外接气管。
本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明高适应性的新型自变形模块化软体机器人是将机器人设计成多个模块，每个模块具有独立完整的功能，模块之间又可以根据工作的需要有机地组合，从而提高软体机器人的功能。弹性固定体、弹性连接件和弹性变形体具有弹性，可以承受极大的挤压力，容易自变形，适应能力强，工业操作更安全，模块采用均一构型，可实现多模块连接；模块采用气动，可自主实现构型变化，直接控制气动，实现自动断开连接从而改变构型，同时完成变形后的运动能力；不同构型机器人可以通过对接，形成更加丰富的构型，灵活性好，仿生运动形式多样，能完成复杂任务；相比其他软体机器人，有的是腔体复杂，但是功能单一，这就凸显了本发明模块化软体的特点。
弹性变形体具有三个中心线呈120度的驱动气腔，可以形成全方向的扭转运动。与硬质材料构成的超冗余度机器人相比，对压力有很小的阻抗，可以通过柔顺变形的方式与障碍物相容，这样可以大幅度降低接触力，从而使软体机器人可以搬运柔软或易碎的物品。
本发明通过气动驱动，主动变形使机器人处于不同的形态并实现运动，主动变形与被动变形相结合，机器人可以挤过比自身常态尺寸小的缝隙，进入传统机器人无法进入的空间。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的弹性体断面示意图；
图3为连接件结构示意图；
图4为图3的断面结构示意图；
图5为外壳盖、外壳、球形磁体和弹性固定体连接结构示意图；
图6为图5的断面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
结合图1-图6说明，一种高适应性的新型自变形模块化软体机器人包括弹性变形体6 及两个连接件，两个连接件分别布置在弹性变形体6的相对两端，每个所述连接件包括壳体盖1、壳体2、球形磁体3、弹性固定体5、弹性连接件7和通气管8；壳体2一端通过壳体盖1封闭，壳体2内腔布置有球形磁体3，壳体2的另一端布置有与壳体2连接为一体的弹性固定体5，壳体盖1、壳体2和弹性固定体5埋入弹性连接件7内腔，弹性固定体 5与弹性连接件7固接，弹性固定体5和弹性连接件7上设有连通壳体2内腔的通气管8，壳体2上设有连通弹性连接件7内腔的透气孔4；
弹性变形体6与弹性连接件7固接，弹性变形体6内设有向弹性连接件7延伸的三个驱动内腔9，三个驱动内腔9沿同一圆周均布设置，三个驱动内腔9上各设有一个外接气管10。壳体盖1通过胶粘壳体2表面固定，球形磁体3放入壳体2内，不需固定，借助球形磁体3的磁性优势，通过在壳体2中转动，实现两个模块间的对中连接，球形磁体3可以用磁铁替代。当气体通过通气管8打入时，弹性连接件7表面膨胀，但弹性连接件7整体底面与弹性固定体5固接，从而不产生移动。
弹性固定体5由硅橡胶或超弹性硅橡胶复合材料制成。弹性连接件7由硅橡胶或超弹性硅橡胶复合材料制成。弹性变形体6由硅橡胶或超弹性硅橡胶复合材料制成。如此设置，材料柔软，便于使用。三个驱动内腔9沿同一圆周呈120度均布设置。
参见图2、图3、图5和图6说明，壳体2为圆柱形，弹性连接件7为长方体形。弹性连接件7具有一个整体腔体，如图3和图4所示，一个长方体，具有六个面，在充气时，只有上面、前面、后面、左侧面、右侧面五个面膨胀，底面与硅胶制成的弹性固定体5固连，不可膨胀，所以当需要与其它模块断开时，对弹性连接件7充气，膨胀，然后利用弹性变形体6打气弯曲，从而实现了定向的模块断开与连接。
参见图1和2说明，弹性变形体6为圆柱形，弹性变形体6的两端分别与弹性连接件7固接。如此设置，使用便捷。
任意单个驱动内腔9通入气压时，弹性变形体6呈单向弯曲状态。两个或三个驱动内腔9通入气压，且各驱动内腔9的气压大小不同时，弹性变形体6呈扭转状态。当两个或三个驱动内腔配合工作时，模块在任一横截面上由于两个或三个驱动内腔的气压大小差异，产生扭转力矩，从而驱使模块偏离单向弯曲方向，通过控制各个腔之间的气压差，可以驱动模块到达运动空间任意位置，实现全方向弯曲扭转。三个驱动内腔9通入气压，且各驱动内腔的气压大小相同时，弹性体呈伸长状态。
通气管8外接有气泵，该气泵的驱动气压为0-50KPa；外接气管10外接驱动气泵，驱动气泵的驱动气压为0-50KPa。如此设置，满足实际需要。
工作原理：通过模块间不同组合可构成蛇形、四足、六足、闭环等多种构型机器人。模块不但可以通过可靠的气动驱动自主完成机器人构型变化，形成多种构型机器人，同时气动驱动机器人完成不同运动方式。模块采用均一构型，多个机器人也可通过对接，形成更加丰富的构型，从而完成复杂任务。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。
Claims (10)
1.一种高适应性的新型自变形模块化软体机器人，其特征在于：它包括弹性变形体(6)及两个连接件，两个连接件分别布置在弹性变形体(6)的相对两端，每个所述连接件包括壳体盖(1)、壳体(2)、球形磁体(3)、弹性固定体(5)、弹性连接件(7)和气管外接件(8)；壳体(2)一端通过壳体盖(1)封闭，壳体(2)内腔布置有球形磁体(3)，壳体(2)的另一端布置有与壳体(2)连接为一体的弹性固定体(5)，壳体盖(1)、壳体(2)和弹性固定体(5)埋入弹性连接件(7)内腔，弹性固定体(5)与弹性连接件(7)固接，弹性体固定体(5)和弹性连接件(7)上设有连通壳体(2)内腔的通气管(8)，壳体(2)上设有连通弹性连接件(7)内腔的透气孔(4)；弹性变形体(6)与弹性连接件(7)固接，弹性变形体(6)内设有向弹性连接件(7)延伸的三个驱动内腔(9)，三个驱动内腔(9)沿同一圆周均布设置，三个驱动内腔(9)上各设有一个外接气管(10)；
三个驱动内腔(9)沿同一圆周呈120度均布设置，相邻机器人对接时，借助球形磁体(3)在壳体(2)中转动实现对中连接，相邻机器人断开时，对弹性连接件(7)充气膨胀，然后利用弹性体(6)打气弯曲实现断开。
2.根据权利要求1所述一种高适应性的新型自变形模块化软体机器人，其特征在于：弹性固定体(5)由硅橡胶或超弹性硅橡胶复合材料制成。
3.根据权利要求2所述一种高适应性的新型自变形模块化软体机器人，其特征在于：弹性连接件(7)由硅橡胶或超弹性硅橡胶复合材料制成。
4.根据权利要求3所述一种高适应性的新型自变形模块化软体机器人，其特征在于：弹性变形体(6)由硅橡胶或超弹性硅橡胶复合材料制成。
5.根据权利要求4所述一种高适应性的新型自变形模块化软体机器人，其特征在于：壳体(2)为圆柱形，弹性连接件(7)为长方体形。
6.根据权利要求5所述一种高适应性的新型自变形模块化软体机器人，其特征在于：弹性变形体(6)为圆柱形，弹性变形体(6)的两端分别与弹性连接件(7)固接。
7.根据权利要求6所述一种高适应性的新型自变形模块化软体机器人，其特征在于：任意单个驱动内腔(9)通入气压时，弹性变形体(6)呈单向弯曲状态。
8.根据权利要求7所述一种高适应性的新型自变形模块化软体机器人，其特征在于：两个或三个驱动内腔(9)通入气压，且各驱动内腔(9)的气压大小不同时，弹性变形体(6)呈扭转状态。
9.根据权利要求6所述一种高适应性的新型自变形模块化软体机器人，其特征在于：三个驱动内腔(9)通入气压，且各驱动内腔的气压大小相同时，弹性变形体(6)呈伸长状态。
10.根据权利要求9所述一种高适应性的新型自变形模块化软体机器人，其特征在于：通气管(8)外接有气泵，该气泵的驱动气压为0-50KPa；外接气管(10)外接驱动气泵，驱动气泵的驱动气压为0-50KPa。
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