一種仿尺蠖攀爬的氣動軟體機器人的製作方法

2023-12-09 21:02:36 1

本發明涉及機器人自動化控制領域，特別涉及一種仿尺蠖攀爬的氣動軟體機器人。
背景技術：
：在農業、林業和建築業以及軍事偵察上，機器人需要應對各種不規則且複雜的地理環境以及高空作業應用場景中，例如果樹剪枝、果實採摘、茶葉和花蜜採集、路燈維修更換、電線架設檢查等工作。機器人需要具備較強的環境適應性才能應付各種不同複雜環境以進行作業工作。近年來，國內外研製不少用於攀爬的機器人系統，主要分為用於爬杆和爬壁兩大類。國外學者公布了3dclimber、rise、stickybot等機器人系統，而國內也相繼研發出climbot、wallbot等系統，這些剛體攀爬機器人能夠在一些指定尺寸、形狀或者一定粗糙度、光滑度的壁面進行攀爬。傳統剛體機器人在複雜以及未知動態環境中進行工作時，由於傳統剛體機器人本身存在不夠靈活、環境適應性較差、體積笨重以及噪聲大等缺點，因此造成傳統剛體機器人適應能力不強。隨著材料學等交叉學科的發展，軟體機器人為解決傳統剛體機器人面對的技術問題提供了廣闊的空間以及發展思路。其中，因為軟體機器人由柔性材料構成，理論上具有無限自由度，能夠呈現出任意的連續變形。與傳統的剛體攀爬機器人不同，軟體攀爬機器人對不同的環境中均擁有出色的攀爬能力。其中韓國首爾大學使用軟電路板作為軀體，sma彈簧為驅動，從而研製成高集成度的omegabot，其能夠在一定結構化或非結構化攀爬環境中進行攀爬使用，但負載能力非常小。而美國科學家使用軟質材料研製出一種多步態的四足氣動爬行機器人，其能夠抗壓和抗高溫，但爬行速度非常緩慢且只能在平地進行爬行。中國科技大學研製了一款sma絲驅動的仿海星機器人，其能夠在水中進行遊動但在陸地上的爬行能力較差。因此，研製一種能適用於平地、杆件環境並且結構簡單、爬行速度快以及製造成本低的軟體機器人是非常必要的。技術實現要素：本發明的主要目的是提出一種結構簡單、控制簡單、動作可靠以及適應性強仿尺蠖攀爬的氣動軟體機器人，旨在擴大軟體機器人的應用範圍。為實現上述目的，本發明提出的一種仿尺蠖攀爬的氣動軟體機器人，其特徵在於，包括彎曲模塊以及與所述彎曲模塊端部相連的夾持模塊；所述彎曲模塊和所述夾持模塊均為上下堆疊的層狀結構，包括可彈性彎曲變形的限制層以及內部設有密封空間且彈性膨脹變形的膨脹層，所述限制層頂面與所述膨脹層底面相連，所述限制層的彈性模量小於所述膨脹層的彈性模量，所述膨脹層表面還設有充放氣機構與所述膨脹層內部通連。優選地，所述限制層內部設有彈性模量小於所述膨脹層彈性模量的內部限制層。優選地，所述內部限制層為玻璃纖維層。優選地，所述彎曲模塊和/或所述夾持模塊的中部外表面包裹有限形網。優選地，所述充放氣機構包括與所述膨脹層內部通連的氣管，所述氣管的另一端與氣管接頭相連。優選地，所述膨脹層底面和所述限制層頂面粘接相連。優選地，所述膨脹層和所述限制層為矽橡膠材質或矽膠材質。優選地，所述彎曲模塊的兩端分別與所述夾持模塊的中部垂直相連。優選地，所述彎曲模塊的端部設有第一搭接塊，所述夾持模塊中部設有第二搭接塊，所述第一搭接塊和所述第二搭接塊以膠接方式緊密連接。本發明技術方案通過採用通過在內部設有密封空間且可膨脹變形的膨脹層底部相連有彈性模量相對較小的限制層，從而使得膨脹層的端部在膨脹變形時受到限制層的約束而向限制層中心進行靠攏，這樣既可實現兩端的夾持模塊可靠地夾持棒狀物，同時彎曲模塊彎曲變形或恢復平直狀態從而推動或拉動未處於夾持狀態的夾持模塊進行移動。通過彎曲模塊以及夾持模塊相互配合交替作用，使得本發明技術方案的仿尺蠖攀爬的氣動軟體機器人沿著棒狀物或者地面可靠地移動。另外，通過在限制層內部設置彈性量小於膨脹層的內部限制層，並且優選地，該內部限制層為玻璃纖維，這樣使得限制層在整體結構上實現對膨脹層進行可靠約束變形，膨脹層在膨脹過程中，膨脹層兩端朝特定方向進行變形以保證夾持的可靠性。因為膨脹層的膨脹變形是沿著各個方向進行膨脹變形，通過在彎曲模塊和/或夾持模塊的中部外表面包裹限形網，這樣使得膨脹層在膨脹變形時，膨脹層的端部不會受到約束，膨脹層端部可靠地向限制層中心靠攏而不會受限，而膨脹層的中部位置則會受到限制，以避免膨脹層變形過大造成破損。本發明技術方案中，膨脹層底面和限制層頂面粘接相連，並且膨脹層和限制層可為矽橡膠材質或矽膠材質。通過粘接方式使得膨脹層和限制層在變形時，兩者之間充分接觸且受力較為均勻，限制層對膨脹層可靠約束。並且膨脹層和限制層可為矽橡膠材質或矽膠材質，使得限制層對棒狀物進行夾持時內部摩擦力較大，使得氣動軟體機器人可靠地夾緊棒狀物以避免發生墜落。相對於現有技術，本發明技術方案氣動軟體機器人具有以下優點：1)控制簡單。本發明的氣動軟體機器人中，位於端部的夾持模塊以及彎曲模塊只需通過向其膨脹層充入氣體或者釋放氣體即可完成相應的夾持或者彎曲動作，以完成夾持或者移動的步驟。2)動作可靠。通過在限制層內部加入玻璃纖維作為內部限制層，使得限制層的彈性模量降低，以使得限制層對膨脹層的膨脹約束更加可靠，並且彎曲模塊和夾持模塊中部均包裹有限形網，這樣使得膨脹層膨脹過程中不會變形過大造成破損，同時也保證膨脹層兩端向限制層中部可靠進行膨脹變形以對棒狀物可靠夾持。本發明技術方案中的彎曲模塊和夾持模塊均為矽橡膠或矽膠，因此夾持或者與地面的摩擦力都較大，以保證工作過程的可靠性。3)適應性強。本發明技術方案的氣動軟體機器人通過彎曲模塊和夾持模塊交替配合進行動作，可以適用於樹枝、桁架等棒狀的結構，或者應用於地面進行攀爬等動作，因此具有較強的適用性。附圖說明為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖示出的結構獲得其他的附圖。圖1為本發明仿尺蠖攀爬的氣動軟體機器人的外形結構示意圖；圖2為本發明夾持模塊的零件爆炸圖；圖3為本發明彎曲模塊的零件爆炸圖；圖4為本發明仿尺蠖攀爬的氣動軟體機器人攀爬棒狀物的過程示意圖；圖5為本發明仿尺蠖攀爬的氣動軟體機器人平地爬行的過程示意圖。附圖標號說明：標號名稱標號名稱1彎曲模塊7限制層2夾持模塊8內部限制層3限形網9第二搭接塊4氣管10第一搭接塊5氣管接頭11棒狀物6膨脹層本發明目的的實現、功能特點及優點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。具體實施方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。需要說明，若本發明實施例中有涉及方向性指示(諸如上、下、左、右、前、後……)，則該方向性指示僅用於解釋在某一特定姿態(如附圖所示)下各棒狀物之間的相對位置關係、運動情況等，如果該特定姿態發生改變時，則該方向性指示也相應地隨之改變。另外，若本發明實施例中有涉及「第一」、「第二」等的描述，則該「第一」、「第二」等的描述僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示其相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括至少一個該特徵。另外，各個實施例之間的技術方案可以相互結合，但是必須是以本領域普通技術人員能夠實現為基礎，當技術方案的結合出現相互矛盾或無法實現時應當認為這種技術方案的結合不存在，也不在本發明要求的保護範圍之內。本發明提出一種仿尺蠖攀爬的氣動軟體機器人。請參見圖1至圖3，在本發明實施例中，仿尺蠖攀爬的氣動軟體機器人包括彎曲模塊1以及與彎曲模塊1端部相連的夾持模塊2，本發明實施例中，彎曲模塊1的兩端分別與夾持模塊2的中部垂直相連，並且彎曲模塊2的端部設有第一搭接塊10，而夾持模塊2的中部設有第二搭接塊9，第一搭接塊10和第二搭接塊9以膠接方式緊密連接。本實施例中，彎曲模塊1和夾持模塊2均為上下堆疊的層狀結構，其中彎曲模塊1以及夾持模塊2在結構設置上均包括可彈性變形的限制層7以及內部設有密封空間且可彈性膨脹變形的膨脹層6，限制層7頂面與膨脹層6底面相連，並且限制層7的彈性模量小於膨脹層6的彈性模量，同時膨脹層6表面還設有充放氣結構與膨脹層6內部通連。本發明實施例中，限制層7內部設有彈性模量小於膨脹層6彈性模塊的內部限制層7，優選地，內部限制層8為玻璃纖維層。本發明實施例中，彎曲模塊1以及夾持模塊1的中部外表面包裹有限形網3。本發明實施例中，充放氣機構包括與膨脹層6內部通連的氣管4，而氣管4的另一端與氣管接頭5相連。本發明實施例中，膨脹層6底面與限制層7頂面以粘接方式相連，並且膨脹層6和限制層7均為矽橡膠材料或矽膠材質，而在本發明的其他實施例中，膨脹層6和限制層7為矽膠材料。請參見圖1至圖4，本發明實施例的仿尺蠖攀爬的氣動軟體機器人在工作時，首先通過機器人前端的夾持模塊2的氣管接頭5向膨脹層6內通入氣體，這樣使得膨脹層6衝入氣體後進行彈性膨脹變形，膨脹層6變形時，膨脹層6表面是整體向外擴張。因為與膨脹層6底面相連的限制層7，其彈性模量小於膨脹層6的彈性模量，因此限制層7會隨著膨脹層6不斷進行膨脹而對膨脹層6兩端拉緊，從而使得膨脹層6的兩端向限制層7中心靠攏，並且膨脹層6整體呈近似c字型結構。隨著膨脹層6的兩端逐漸靠攏，最終使得前端的夾持模塊2將樹枝、桁架等與彎曲模塊1平行的棒狀物11夾緊。當前端的夾持模塊2緊抱棒狀物後，然後繼續向彎曲模塊1的膨脹層6通入氣體，使得膨脹層6受到限制層約束而向限制層7中部收縮靠攏，彎曲模塊1彎曲收縮從而將後端的夾持模塊2向前端的夾持模塊2靠攏。然後再向後端的夾持模塊2的膨脹層6通入氣體，使得後端的夾持模塊2的膨脹層6受到限制層約束後，後端的夾持模塊2的兩端向中部靠攏以夾緊棒狀物11。當後端的夾持模塊2夾緊棒狀物11後，通過氣管4和氣管接頭5將前端的夾持模塊2以及彎曲模塊1的膨脹層6進行放氣，前端的夾持模塊2放氣後鬆開對棒狀物11的夾持作用力，彎曲模塊1的膨脹層6放氣進行回彈，而在彎曲模塊1回彈過程中，彎曲模塊1將前端的夾持模塊2拉動向前，最終使得前端的夾持模塊2被彎曲模塊1向前推動一定距離。然後依次對前端的夾持模塊2的膨脹層6再次充入氣體使得前端的夾持模塊2收縮夾緊棒狀物11，然後需要對後端的夾持模塊2的膨脹層6則釋放其內部氣體，當後端的夾持模塊2鬆開對棒狀物11夾持後，再對彎曲模塊1的膨脹層6進行使其充氣回縮，使得彎曲模塊1帶動後端的夾持模塊2朝向前端的夾持模塊2挪動一定距離，然後後端的夾持模塊2的膨脹層6再次充氣以夾持棒狀物11，這樣既完成氣動軟體機器人的一次正向移動過程。通過上述控制過程，使得氣動軟體機器人沿著棒狀物11一個方向向前移動，其中氣動軟體機器人移動過程近似於尺蠖攀爬過程，因此使得本發明技術方案的氣動軟體機器人可靠地向前移動。另外，當氣動軟體機器人按照與上述控制過程的逆向運動時，則可實現氣動軟體機器人的反向運動。請參見圖1、圖2、圖3以及圖5，而本實施例的氣動軟體機器人需要在平地進行移動時，首先對後端的夾持模塊2的膨脹層6進行充氣，使其膨脹層6兩端向限制層7靠攏，以使其呈圓拱狀態，這樣使得後端的夾持模塊2與地面的摩擦力較小；然後對彎曲模塊1的膨脹層6進行充氣，使得彎曲模塊1帶動後端的夾持模塊2向前端的夾持模塊2靠攏；然後再對後端的夾持模塊2的膨脹層6進行放氣，使得後端的夾持模塊2的限制層與地面的摩擦力增大，同時對前端的夾持模塊2的膨脹層6進行充氣，使其呈圓拱狀態以減小於地面的摩擦力。最後通過對彎曲模塊1的膨脹層6進行放棄使得彎曲模塊1恢復平直狀態時，在後端的夾持模塊2與地面摩擦力的支撐下，彎曲模塊1推動前端的夾持模塊2向前移動一定距離，然後再對前端的夾持模塊2的膨脹層6放氣，這樣前端的夾持模塊2的限制層7則與地面充分接觸。通過上述的過程即可完成氣動軟體機器人在平地上的移動，另外可以通過增大後端的夾持模塊2的限制層7與地面的摩擦力，如在限制層7底面增大磨砂面積或者設置滾花等結構，使得彎曲模塊1帶動前端的夾持模塊2向前時更加可靠。本發明實施例中，通過在內部設有密封空間且可膨脹變形的膨脹層6底部相連有彈性模量相對較小的限制層7，從而使得膨脹層6的端部在膨脹變形時受到限制層7的約束而向限制層7中心進行靠攏，這樣既可實現兩端的夾持模塊2可靠地夾持棒狀物11，同時彎曲模塊1彎曲變形或恢復平直狀態從而推動或拉動未處於夾持狀態的夾持模塊2進行移動。通過彎曲模塊1以及夾持模塊2相互配合交替作用，使得本實施例的仿尺蠖攀爬的氣動軟體機器人沿著棒狀物11或者地面可靠地移動。本發明實施例中，通過在限制層7內部設置彈性量小於膨脹層3的內部限制層8，並且優選地，該內部限制層8為玻璃纖維，這樣使得限制層7在整體結構上實現對膨脹層6進行可靠約束變形，膨脹層6在膨脹過程中，膨脹層6兩端朝特定方向進行變形以保證夾持的可靠性。本發明實施例中，因為膨脹層6的膨脹變形是沿著各個方向進行膨脹變形，通過在彎曲模塊1和/或夾持模塊2的中部外表面包裹限形網，這樣使得膨脹層6在膨脹變形時，膨脹層6的端部不會受到約束，膨脹層6端部可靠地向限制層7中心靠攏而不會受限，而膨脹層6的中部位置則會受到限制，以避免膨脹層6變形過大造成破損。本發明實施例中，膨脹層6底面和限制層7頂面粘接相連，並且膨脹層6和限制層7可為矽橡膠材質或矽膠材質。通過粘接方式使得膨脹層6和限制層7在變形時，兩者之間充分接觸且受力較為均勻，限制層7對膨脹層6可靠約束。並且膨脹層5和限制層7可為矽橡膠材質或矽膠材質，使得限制層7對棒狀物11進行夾持時內部摩擦力較大，使得氣動軟體機器人可靠地夾緊棒狀物11以避免發生墜落。以上所述僅為本發明的優選實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是在本發明的構思下，利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構變換，或直接/間接運用在其他相關的
技術領域：
均包括在本發明的專利保護範圍內。當前第1頁12