一種熱變形腔體驅動爬行軟體機器人的製作方法

2024-01-30 06:43:15 3

本發明涉及的是一種熱變形腔體驅動爬行軟體機器人，具體涉及一種可以通過熱變形腔體驅動爬行軟體機器人在工作空間內完成前進、不掉頭後退及轉彎等多個自由度的運動的軟體機器人。

背景技術：

隨著人類生活、科學技術的不斷發展,機器人已廣泛應用於社會的各個領域,特別是在人類不宜涉足的極端和危險的工程環境中，機器人為人類提供了很大的便利，傳統的剛性機器人結構通常由電機、活塞、關節、鉸鏈等構件組裝而成，儘管動力足、功率大、性能穩定，但在一些非結構環境下，受尺寸和作業空間的限制，機器人的自主移動和越障實現相對困難,可能無法到達作業地點。

自然界生物柔軟的身體、優良的靈活性和強大的環境適應性為機器人的發展提供了新思路，軟體機器人是仿生機器人研究的延續，模仿自然界中的軟體動物，具有無限多自由度和連續變形能力，可在大範圍內任意改變自身形狀和尺寸。由於其出色的靈活性和適應性，在軍事、探測、醫療等領域具有廣泛的應用前景。中國專利申請cn102922528a公開了「一種軟體機器人」,該機構由基體、微分磁性剛性單元或者微分磁性高分子複合材料、控制電源和控制電路組成。該軟體機器人柔性運動由微分磁性剛性單元或者微分磁性高分子複合材料在開始通電後產生磁性，從而同級互斥促使軟體基體張開，並在斷電後由磁性消失從而基體張開來實現，並且通過調節控制電路來控制機器人運動快慢以及轉彎。該機器人通過調節控制電路來實現轉彎的效果並不理想，這大大降低了該機器人的實用性，本文採用的熱變形腔體驅動使得軟體機器人的運動效果更突出，並且通過在不同情況下給不同軟體部足充氣，使得其能在不掉頭的情況下實現轉彎運動，這極大地降低了該軟體機器人的使用局限性。

技術實現要素：

綜合上述軟材料特點，本發明提供了一種採用純軟材料結構的新型熱變形腔體驅動爬行軟體機器人，其合理利用了軟材料易於大變形的特性，並通過合理利用足部的變化，解決了普通軟體機器人不能快速掉頭的問題。

本發明具體技術實施方案如下：

一種熱變形腔體驅動爬行軟體機器人，由運動基體、致動系統、足部膨脹系統和信號系統組成；所述運動基體由三個同樣的單元體、第一足部組和第二足部組構成，所述第一足部組和第二足部組內部設有空腔，第一足部組和第二足部組均由9對足部構成，按照從左到右的順序均勻布置在運動基體的三個單元體底部；單元體是以矽橡膠為材料，經過加料、塑化、注射、冷卻和脫模過程一體化注射成型完成的。所述單元體具有線彈性，能產生變形，利用其自動變形恢復能力實現運動的效果，三個單元體連接處套有氣圈墊，使運動基體能夠平穩運動。致動系統包括致動器、加熱系統和冷卻系統，所述致動器包括外壁以及外壁所圍成的內部空腔，內部空腔完全氣閉，致動器按照上下左右對稱的方式布置在單元體預留好的空腔中，每個單元體中有4個致動器；所述加熱系統和冷卻系統的運行由信號系統來控制；所述足部膨脹系統主要包括布置在運動基體的左頭部的氣泵和電磁閥組，電磁閥的數量與足部數量一致，電磁閥組的開閉由信號系統控制，足部膨脹系統結合致動系統來改變運動基體的運動方向；運動基體中每個所述單元體無需摩擦各向異性，即能夠實現軟體機器人的前進、轉彎及不掉頭後退運動。

致動系統中的加熱系統部分包括電源和金屬絲，所述金屬絲在致動器2中居中且上下布置；致動系統中的冷卻系統部分包括電源、電磁閥組、冷卻管及水泵，所述冷卻管沿所述致動器內壁居中左右布置，所述水泵布置在運動基體的右頭部。

運動基體中足部通過所述信號系統進行充氣膨脹，當軟體機器人向右運動時，第一足部組充氣膨脹，與地面接觸，當軟體機器人向左運動時，第二足部組充氣膨脹，與地面接觸。

運動基體中每個所述致動器內部空腔為封閉空間，內部空腔內通有氣體，通過所述金屬絲加熱膨脹氣體供能並由所述信號系統單獨或相關聯控制通斷電，所述冷卻管中水的通斷由信號系統通過單獨或相關聯電磁閥組控制。

致動器的內部空腔為外壁厚度的5倍。所述致動器外壁通過增加外壁厚度或鑄造時在外壁中鑄入硬度較大的不同材料來控制其左右外壁有較小的面剛度，而其他外壁有較大的面剛度。

所述致動器通過左右兩個凸起部分充分與所述單元體緊密結合。

所述單元體會因所述金屬電絲通電加熱而膨脹，所述單元體會在所述金屬絲斷電後通過冷卻單元冷卻而收縮。

在單元體的鑄造過程中採用如下技術使得單元體指定外壁的指定部分抗彎剛度增大：1、增加壁厚；2、澆鑄時採用硬度較大的矽膠材料等。

致動系統、足部膨脹系統都應由信號系統中單片機的編碼通過獨立或相關聯的電磁閥或開關控制，所述信號系統水平居中布置在運動基體預留型腔內。

為保證該熱變形腔體驅動爬行軟體機器人的實用性，其信號系統7、冷卻系統、足部膨脹系統應經過集成以減小體積與複雜度。

本發明的有益效果：

1、所述運動基體無任何硬質零件與結構，完全由軟材料構成，整體柔韌性很好。

2、區別於其他軟體機器人，本發明中提到的熱變形腔體驅動爬行軟體機器人可通過不同足部組的充氣膨脹來實現快速不掉頭反向運動。

3、針對本發明中的熱變形腔體驅動爬行軟體機器人的致動結構，冷卻機構以及氣動結構提供了有效的控制方法

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯。

圖1為熱變形腔體驅動爬行軟體機器人的整體結構示意圖。

圖2為致動器示意圖。

圖3為致動器的排布方式示意圖。

圖4為機器人足部膨脹系統示意圖。

圖5為冷卻系統示意圖。

1、頭部；2、致動器；3、氣圈墊；4、單元體；5、第一足部組；6、第二足部組；7、信號系統；8、電源；9、氣泵；10、電磁閥；11、冷卻管；12、水泵；13、內部空腔；14、金屬絲。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方案對本發明工作原理作詳細的說明：

本發明涉及一種熱變形腔體驅動爬行軟體機器人，由運動基體、致動系統、足部膨脹系統和信號系統組成；所述運動基體由三個同樣的單元體4、頭部1、第一足部組5和第二足部組6構成，所述第一足部組5和第二足部組6內部設有空腔，第一足部組5和第二足部組6均由9對足部構成，按照從左到右的順序依次先後均勻布置在運動基體的三個單元體4底部；運動機體是以矽橡膠為材料，經過加料、塑化、注射、冷卻和脫模過程一體化注射成型完成。所述單元體4具有線彈性，能產生變形，利用其自動變形恢復能力實現運動的效果。所述致動器2包括外壁以及外壁所圍成的內部空腔13，內部空腔13完全氣閉。

發明工作原理如下：

1、致動器2在單元體4中的排布如圖3所示，內部空間如圖2所示，當金屬絲14通電加熱空腔內的空氣後，空氣受熱膨脹促使致動器2發生前後變形拉伸，如圖2所示，從而帶動單元體4的變形。通過信號系統7對電壓的控制可以決定金屬絲14的發熱量，從而影響受熱氣體的壓強，進而可以決定運動基體在該部分膨脹的大小，控制運動基體前進的速度。另外，如圖3所示，當僅讓左右兩部分中的一部分致動器2膨脹，而另一部分不膨脹，則可以實現熱變形腔體驅動爬行軟體機器人的轉彎運動。

2、足部的膨脹系統原理圖如圖4所示，通過信號系統對電磁閥10的控制來實現足部組充氣膨脹，足部為楔形，通過與地面接觸角度的控制從而使熱變形腔體驅動爬行軟體機器人在朝一個方向的運動過程中只能前進不能後退。另外，當要實現熱變形腔體驅動爬行軟體機器人後退運動時，要先通過信號系統控制電磁閥組10關閉對原膨脹足部組氣體的供應，同時控制電磁閥10開通對另一組足部組氣體的供應，從而實現足部與地面接觸角的改變。