一种可拼装的波动式运动的气动软体机器人结构

专利名称：一种可拼装的波动式运动的气动软体机器人结构

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202211582409.X

专利申请（专利权）人：山西大学
权利人地址：山西省太原市坞城路92号

专利发明（设计）人：孟宏君,杜文杰,杨星波,郭钊睿,刘子菁,王泽,任丹瑜

专利摘要：本发明属于软体机器人领域，公开了一种可拼装的波动式运动的气动软体机器人结构。该气动软体机器人结构由多个成对的汽包单元拼装而成的主干躯体，每个汽包单元的结构均相同，且均由多个柔性汽包块组成，在每个柔性汽包块的外侧设置为内凹曲面，其可以充气变形时外部扩张提供有效的驱动力，在每个柔性汽包块上设置有两个气管接口，两个气管接口通过柔性导气管连接三通管件与相邻柔性汽包块的气管接口相连通，任意相邻两个柔性汽包块的气管接口通过双环扣连接件相连接，两侧的多个汽包单元采用单独一路气管线路由气动控制装置提供气源动力，气动控制装置通过对两侧的汽包单元有序进行充气或放气产生持续的驱动力，驱使主干躯体实现波动式运动。

主权利要求：
1.一种可拼装的波动式运动的气动软体机器人结构，其特征在于：包括由多个成对的汽包单元（2）拼装而成的主干躯体（1），每个所述汽包单元（2）的结构均相同，且均由多个柔性汽包块（4）组成，每个所述柔性汽包块（4）之间通过连接管组件（3）进行柔性连接，位于同一侧的多个柔性汽包块（4）采用单独一路气管线路由气动控制装置提供气源动力，在每个柔性汽包块（4）的外侧设置为内凹曲面，其便于充气变形时向外部扩张提供驱动力，所述气动控制装置通过对两侧的汽包单元（2）有序进行充气或放气，由此使所述主干躯体（1）产生持续的驱动力，进而实现波动式运动；
所述连接管组件（3）包括有双环扣连接件（5）、柔性导气管（6）以及三通管件（7），在每个所述柔性汽包块（4）上设置有两个气管接口（8），两个气管接口（8）通过柔性导气管（6）连接所述三通管件（7）与相邻所述柔性汽包块（4）的气管接口（8）相连通，所述柔性导气管（6）分布在相邻两个所述柔性汽包块（4）之间的空隙中和每个柔性汽包块（4）的两侧，由此避免充气放大对于波动式运动的干扰，任意相邻两个所述柔性汽包块（4）的气管接口通过双环扣连接件（5）相连接；
所述主干躯体（1）两侧的汽包单元（2）中的柔性汽包块（4）呈交错式拼装连接，且位于所述主干躯体（1）两侧的柔性导气管（6）呈交错式分布。 说明书 : 一种可拼装的波动式运动的气动软体机器人结构技术领域[0001] 本发明属于软体机器人领域，具体涉及为一种可拼装的波动式运动的气动软体机器人结构。背景技术[0002] 随着科学的快速发展，机器人凭借对环境要求不高、可持续作业等优势，逐渐在现实的各方面起到了极其重要的作用，传统刚性机器人精度高、负载大，但是自身对空间环境有一定要求，重量大，易损坏，对复杂地形适应性弱。例如在陆地洞窟探索中会有遇到地下水、狭小缝隙等复杂环境，刚性机器人往往会因为自生材料不可变形等问题使得其在狭小空间内行动不够灵活，因此并不能得到很好的应用。[0003] 为了解决上述刚性机器人存在弊端，现在不少研究者设计了各种结构的软体机器人，软体机器人质量轻、对目标形状的适应能力强、与环境接触碰撞力小等优点，很好的弥补了刚性机器人的不足。其中，气动软体机器人有驱动介质可直接取于大气，也可直接排往大气；气体粘度小，在管路中压力损失小；气动元件结构简单等优势，因此在软体机器人领域更为突出。[0004] 目前的气动软体机器人驱动方式主要有仿生动物四肢，通过四肢的配合前进，此外还有类似毛毛虫的蠕动，蚯蚓等生物的伸缩前进等驱动方式，在自然界中，动物的驱动方式还有类似蛇类的弯曲运动，如蜗牛腹足的波动式运动，一些海洋生物的鳍做波动式运动借助水产生推力，类似的驱动方式也可运用到软体机器人的设计中。[0005] 基于上述仿生设计的软体机器人，我们通过相关关键词检索并检索两篇比较相近似的专利。其一、公布号为CN114619456A的发明专利公开了一种自主爬行的仿生蜗牛软体机器人，该文献公开的仿生蜗牛软体机器人足部为单面锯齿状结构，此结构无法在复杂环境下机器人发生翻转时实现正常作业，切单面的弯曲形变运动在水中、液体环境中表现得动力不足。其二、公布号为CN114619457A的发明专利公开了一种双气道仿生蜗牛软体机器人，该文献提出使用甘油代替蜗牛粘液产生吸附力提高爬行效率，同时设计增加机器人外侧波浪纹来达到增加摩擦系数，提高运动效率，并提高汽包的充气形变大小，以此使整体达到更好的弯曲。[0006] 上述两篇公开专利的软件机器人，尽管在爬行结构方面具有不同设计思路，但难以改变自身长度来适应不同环境作业的需求，同时在在狭小通道以及水中驱动能力相对较弱，无法满足海洋等水域科研探索和一些狭小复杂环境探索的苛刻要求。发明内容[0007] 针对上述背景技术中，鳗鱼、蜗牛腹足等生物波动式行走的启发，我们通过对其运动方式进行学习，将该软体机器人各单元汽包可自由拆卸组装，可按实际需要很方便的增加或卸下汽包改变单元长度，以适应环境作业需求，同时，双面波动式的设计，可使得该软体机器人在狭小通道以及水中具有更好的驱动能力。为此，我们设计了一种可拼装的波动式运动的气动软体机器人结构。[0008] 为了实现上述软体机器人可以改变自身长度以及具有更为充足的驱动力，本发明采用以下技术方案：一种可拼装的波动式运动的气动软体机器人结构，包括由多个成对的汽包单元拼装而成的主干躯体，每个所述汽包单元的结构均相同，且均由多个柔性汽包块组成，每个所述柔性汽包块之间通过连接管组件进行柔性连接，位于同一侧的多个汽包单元采用单独一路气管线路由气动控制装置提供气源动力，所述气动控制装置通过对两侧的汽包单元有序进行充气或放气，由此使所述主干躯体产生持续的驱动力，进而实现波动式运动。[0009] 作为上述技术方案的进一步解释及限定，所述连接管组件包括有双环扣连接件、柔性导气管以及三通管件，在每个所述柔性汽包块上设置有两个气管接口，两个气管接口通过柔性导气管连接所述三通管件与相邻所述柔性汽包块的气管接口相连通，任意相邻两个所述柔性汽包块的气管接口通过双环扣连接件相连接。[0010] 作为上述技术方案的进一步解释及限定，所述主干躯体两侧的汽包单元中的柔性汽包块呈交错式拼装连接，且位于所述主干躯体两侧的柔性导气管呈交错式分布。[0011] 作为上述技术方案的进一步补充说明，在每个柔性汽包块的外侧设置为内凹曲面，其便于充气变形时外部扩张提供驱动力。[0012] 作为上述技术方案的进一步解释及限定，所述柔性导气管分布在相邻两个所述柔性汽包块之间空隙中和每个柔性汽包块的两侧，由此避免充气放大对于波动式运动的干扰。[0013] 与现有公开的软体机器人相比，本发明具有以下优点：[0014] 1、本发明设计的软体机器人结构，其主干躯体由汽包单元可自由拆卸组装而成，可以根据实际需要快速增加或卸下汽包改变单元长度，以适应环境作业需求，该主干躯体的汽包单元分两组通过独立的路气管线路由气动控制装置提供气源动力，然后由气动控制装置控制两组汽包单元有序进行充气或放气，由此产生持续的向前或前后的驱动力，驱使主干躯体实现波动式运动满足海洋等水域科研探索和一些狭小复杂环境探索的苛刻要求。[0015] 2、本发明设计的软体机器人结构通过优化柔性导气管以及三通管件连接方式和分布方式，最大程度保证主干躯体波动式运动的灵活性和更强的驱动力。[0016] 3、本发明设计的软体机器人结构将每个柔性汽包块的外侧设置为内凹曲面，在充气变形时外部扩张提供有效的驱动力，为适应不同环境作业提供有力保障。[0017] 4、本发明设计的软体机器人结构整体结构相对简单，在保证结构运动完整的前提下，尽可能减少其他附属部件设计，优化整体结构的简洁性，可以有效避免机器人运行过程中故障的发生。附图说明[0018] 图1为本发明实施例中八个柔性汽包块拼装成汽包单元的主干躯体的立体图；[0019] 图2为本发明实施例中八个柔性汽包块拼装成汽包单元的机器人结构图；[0020] 图3为本发明实施例中单个柔性汽包块与连接管组件的装配图；[0021] 图4为本发明实施例中单个柔性汽包块与连接管组件的结构示意图；[0022] 图5为用于提供气源动力的气动控制装置的连接框图。[0023] 图中：主干躯体1，汽包单元2，连接管组件3，柔性汽包块4，双环扣连接件5，柔性导气管6，三通管件7，气管接口8。具体实施方式[0024] 为了进一步阐述本发明的技术方案，下面结合说明书附图1至4所公开的软体机器人结构,以及说明附图5给予的一种气动控制装置的连接框图，我们通过实施例对本发明所保护的软体机器人结构进行进一步说明。关于气动控制装置的具体结构，我们在实施例中选取一种最优的方式进行解释说明，因此，并不属于本发明的所保护的技术内容，当然，其他能够实现气源动力的装置也就不视为等效替换方案。本发明在实施例中引入对气动控制装置介绍仅仅是为了使相关技术人员更好地理解本发明所保护的气动软体机器人结构实现方式。[0025] 实施例一[0026] 如附图1至4所示，一种可拼装的波动式运动的气动软体机器人结构，包括由多个成对的汽包单元2拼装而成的主干躯体1，每个所述汽包单元2的结构均相同，且均由多个柔性汽包块4组成，在每个柔性汽包块4的外侧设置为内凹曲面，其可以充气变形时外部扩张提供有效的驱动力，每个所述柔性汽包块4之间通过连接管组件3进行柔性连接，其中连接管组件3包括有双环扣连接件5、柔性导气管6以及三通管件7，具体连接方式为在每个所述柔性汽包块4上设置有两个气管接口8，两个气管接口8通过柔性导气管6连接所述三通管件7与相邻所述柔性汽包块4的气管接口8相连通，任意相邻两个所述柔性汽包块4的气管接口通过双环扣连接件5相连接，位于同一侧的多个汽包单元2采用单独一路气管线路由气动控制装置提供气源动力，所述气动控制装置通过对两侧的汽包单元2有序进行充气或放气，由此使所述主干躯体1产生持续的驱动力，进而实现波动式运动。[0027] 实施例二[0028] 在上述实施例一的实施方式基础上，为了最大程度保证主干躯体运动的灵活性以及能够具有较好的驱动力支撑整个机器人正常运行。进一步减小管线连接和柔性汽包块连接对于主干躯体运动驱动力的影响。我们进行以下两方面的优化设计：其一、主干躯体1两侧的汽包单元2中的柔性汽包块4呈交错式拼装连接，且位于所述主干躯体1两侧的柔性导气管6呈交错式分布；其二、柔性导气管6分布在相邻两个所述柔性汽包块4之间空隙中和每个柔性汽包块4的两侧，由此避免充气放大对于波动式运动的干扰。[0029] 上述实施例一和实施例二中，该结构中的柔性汽包块4优选采用硅橡胶制成，而柔性导气管6选用硅胶柔性导管。[0030] 其工作原理：[0031] 如附图5所示，由以上两种实施例可知，该结构主要为气动驱动，需至少两个单独的电气比例阀控制传输气压，气压由空气压缩机提供，高压空气经专用管道进入减压阀，由减压阀调节所需的气压范围，然后由导气管分别连接至电气比例阀进气端。控制驱动模块包括恒压电源、数据采集卡、上位机、labview程序模块，其中恒压电源保证数据采集卡与电气比例阀稳定工作，电气比例阀的气压信号接至数据采集卡，数据采集卡负责进行气压信号数据采集并输入到上位机，由labview程序处理后，控制每个电气比例阀输出气压的大小、时长以及顺序，由此控制机器人运动。[0032] 如附图1和2所示，该软体机器人结构分为上下两组汽包单元，以其中一组导气线路说明，将该组汽包单元中末端柔性导气管不拼接时采用封堵器进行封堵不引出，即可得到一个单元。而汽包单元中首端柔性导气管连接一个电气比例阀，上位机由数据采集卡采集的气压信号为输入信号，经过程序判断输出模拟量信号控制电气比例阀，模拟量电压信号与电气比例阀开度呈正比例关系，以此达到精准控制充气气压的效果。每个电气比例阀分别为每组汽包单元的柔性汽包块的两个气管接口同时供气。[0033] 弯曲形变：如控制左侧电气比例阀充气，同侧的气管接口进气，其中一组汽包单元的一侧柔性汽包块充气膨大形变，因另一组汽包单元不充气，则此汽包单元形成C形弯曲，即C形开口向右；同理，控制另一侧电气比例阀充气，另一组汽包单元的一侧柔性汽包块充气膨大形变，侧汽包充气形变，呈C形弯曲，开口向左。控制电气比例阀使充气组的汽包单元放气，则可恢复为直立。[0034] S形摆动：在上述充气弯曲的基础上，将两组躯干通过双环扣连接部件连接，第一组躯干末端柔性导管与第二组首段柔性导管交叉相连，及第一组躯干左侧供气导管与第二组躯干右侧供气导管连接。即可在第一组躯干完成左侧开口C形弯曲形变得同时第二组躯干完成右侧开口C形形变；由左侧充气→左侧放气→右侧充气→右侧放气，循环动作，即可完成S形摆动，实现波动式运动。[0035] 以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明的具体实施方式并不仅限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明的创造思想和设计思路，应当等同属于本发明技术方案中所公开的保护范围。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。[0036] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

专利地区：山西

专利申请日期：2022-12-10

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN115892403B