一种多步态的蚯蚓仿生软体机器人及工作方法

1.本发明属于仿生机器人领域，具体涉及一种多步态的蚯蚓仿生软体机器人及工作方法。

背景技术：

2.随着科学技术的快速发展，机器人技术已经逐渐兴起，在工业制造，救灾，国防等领域有了很广阔的使用。大多数传统的机器人是通过组装刚性机构构成的，其缺点是结构复杂，灵活性有限，安全性和手动交互性差，对环境的适应性差。软体机器人有着众多优点，例如它结构简单，易于制作，重量小，操作简便，成本低廉等，这些都是传统刚性材料机器人所不具有的。软体机器人由软材料或柔性材料制成。机器人的结构高度可变，原则上具有无限的自由度。它具有良好的环境适应性和自由度。软体机器人可以大幅度弯曲变形，扭曲和拉伸只能在有限的空间内进行，并且可以进入传统机器人无法进入的空间。同时软体机器人由于其自身的良好灵活性特性，具有更好的人机交互安全性。
3.仿生软体爬行机器人是模仿毛毛虫、蚯蚓、尺蠖等代表的软体爬行动物的生理构造设计机器人的机械结构、并模仿其运动模式。现有的软体爬行机器人研究较为缺乏，且缺少对机器人的结构进行合理性验证。导致了其在从事抗灾救援、勘探勘测、工业生产等领域时的可靠性较低。
4.对于软体机器人如文章multigait soft robot(proceedings of the national academy of sciences,2011)等人开发的气动为驱动方式的多重步态软体机器人。机器人主体中有多个流体腔道，每个腔道的充气是独立的可以协调控制。控制充气放气可以使软体机器人实现爬行，行走和前移这三种步态，运动形式多样。它可以转换运动的步态来跨越障碍物进入细小的空间。但是该机器人不能实现转弯步态，并不适用于一些特殊工况。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述不足，提供一种多步态的蚯蚓仿生软体机器人及工作方法，能够实现爬行、前进、转弯、后退多步态灵活切换。
6.为了达到上述目的，一种多步态的蚯蚓仿生软体机器人，包括动力波纹管，动力波纹管的两端分别设置有第一固定驱动器和第二固定驱动器，第一固定驱动器和第二固定驱动器的顶部分别设置有第一固定驱动孔和第二固定驱动孔，动力波纹管内通过隔板分隔成两个空腔，动力波纹管上开设有第一空腔驱动孔和第二空腔驱动孔，第一空腔驱动孔和第二空腔驱动孔分别对应动力波纹管内的两个空腔，第一固定驱动孔、第二固定驱动孔、第一空腔驱动孔和第二空腔驱动孔均连接充气装置。
7.第一固定驱动器和第二固定驱动器的底部均为弹性材料。
8.隔板竖直设置，将动力波纹管内空腔等分为两份。
9.动力波纹管采用rtv-2硅橡胶材料。
10.第一固定驱动器和第二固定驱动器为方形结构。
11.第一固定驱动器和第二固定驱动器与动力波纹管间采用硅胶粘合剂粘接。
12.隔板的材质为硅橡胶。
13.一种多步态的蚯蚓仿生软体机器人的工作方法，包括以下步骤：
14.直线运动阶段：
15.第一固定驱动器开始抽气，第一固定驱动器内产生负压，使第一固定驱动器产生吸力固定在地表上；第二固定驱动器开始充气，使第二固定驱动器底部放松；
16.动力波纹管的所有空腔驱动孔同时抽气，使动力波纹管向第一固定驱动器反向收缩，达到所需位置后，第二固定驱动器开始抽气，使第二固定驱动器产生吸力固定在地表上，第一固定驱动器开始充气，使第一固定驱动器底部放松，动力波纹管的所有空腔驱动孔同时充气，使动力波纹管向第二固定驱动器的反方向伸展，实现移动；
17.转弯运动阶段：
18.在第一固定驱动器和第二固定驱动器中的一个与地面固定使，向所需转动方向的空腔驱动孔内抽气，使动力波纹管收缩，另一个空腔驱动孔内充气，使动力波纹管伸展，实现转弯。
19.当第一固定驱动器或第二固定驱动器抽气时，第一固定驱动器或第二固定驱动器底面材料向内收缩，产生吸力使其固定在地表上。
20.与现有技术相比，本发明通过第一固定驱动器和第二固定驱动器的抽气实现与地面固定，通过动力波纹管中两个空腔的充气与抽气，使动力波纹管舒展与收缩来释放和积攒弹性势能，从而实现本装置的直线运动和转弯运动，本装置的爬行更加稳定，且节省空间，适用于狭小空间工作，本装置的动力波纹管模仿蚯蚓的环肌及纵肌，实现伸长与收缩，通过调整动力波纹管两侧压力差实现不同角度的弯曲，第一固定驱动器和第二固定驱动器代替蚯蚓的刚毛来起到固定作用，决定机器人运动方向。本发明采用气动作为驱动方式，不仅可以实现直线运动，也可也实现转弯运动，并且可以在直线与转弯运动步态间灵活切换，相较于屈曲式爬行，更加平稳可靠。
附图说明
21.图1为本发明的结构示意图；
22.图2为本发明的纵向剖视图；
23.图3为本发明的横向剖视图；
24.图4为本发明实施例1中前行运动时的压力状态图；
25.图5为本发明实施例2中转弯运动时的压力状态图；
26.其中，1、第一固定驱动器；2、第一空腔驱动孔；3、第二空腔驱动孔；4、第二固定驱动器；5、动力波纹管；6、隔板；7、第一固定驱动孔；8、第二固定驱动孔。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明做进一步说明。
28.参见图1、图2和图3，一种多步态的蚯蚓仿生软体机器人，包括动力波纹管5，动力波纹管5的两端分别设置有第一固定驱动器1和第二固定驱动器4，第一固定驱动器1和第二固定驱动器4的顶部分别设置有第一固定驱动孔7和第二固定驱动孔8，动力波纹管5内通过
隔板6分隔成两个空腔，隔板6竖直设置，将动力波纹管5内空腔等分为两份。动力波纹管5上开设有第一空腔驱动孔2和第二空腔驱动孔3，第一空腔驱动孔2和第二空腔驱动孔3分别对应动力波纹管5内的两个空腔，第一固定驱动孔7、第二固定驱动孔8、第一空腔驱动孔2和第二空腔驱动孔3均连接充气装置。第一固定驱动器1和第二固定驱动器4的底部均为弹性材料。
29.优选的，动力波纹管5采用rtv-2硅橡胶材料。
30.优选的，第一固定驱动器1和第二固定驱动器4为方形结构。
31.优选的，第一固定驱动器1和第二固定驱动器4与动力波纹管5间采用硅胶粘合剂粘接。
32.优选的，隔板6的材质为硅橡胶。
33.本发明借鉴了蚯蚓的身体结构，所以该软体机器人主要由三个驱动器模块串联而成。驱动器之间由硅胶粘合剂粘接。共由四根气管驱动，固定驱动器各有一根，动力驱动器两侧气囊腔各有一根，使得其产生不同形式的变形。软体机器人尺寸如图2所示，该机器人总长88mm、总高33mm、总宽30mm。
34.一种多步态的蚯蚓仿生软体机器人的工作方法，包括以下步骤：
35.直线运动阶段：
36.第一固定驱动器1开始抽气，第一固定驱动器1内产生负压，使第一固定驱动器1产生吸力固定在地表上；第二固定驱动器4开始充气，使第二固定驱动器4底部放松；
37.动力波纹管5的所有空腔驱动孔同时抽气，使动力波纹管5向第一固定驱动器1反向收缩，达到所需位置后，第二固定驱动器4开始抽气，使第二固定驱动器4产生吸力固定在地表上，第一固定驱动器1开始充气，使第一固定驱动器1底部放松，动力波纹管5的所有空腔驱动孔同时充气，使动力波纹管5向第二固定驱动器4的反方向伸展，实现移动；
38.转弯运动阶段：
39.在第一固定驱动器1和第二固定驱动器4中的一个与地面固定使，向所需转动方向的空腔驱动孔内抽气，使动力波纹管5收缩，另一个空腔驱动孔内充气，使动力波纹管5伸展，实现转弯。
40.当第一固定驱动器1或第二固定驱动器4抽气时，第一固定驱动器1或第二固定驱动器4底面材料向内收缩，产生吸力使其固定在地表上。
41.实施例1：
42.参见图4，本实施例为软体机器人直线运动时的驱动器压力状态图，爬行方向为向右(x轴方向)爬行。具体运动过程如下：
43.(1)初始阶段0-1时刻中，第一固定驱动器1、第二固定驱动器4和动力波纹管5均未通气使得软体机器人固定在地面，未发生运动。
44.(2)在1-2时刻中，第二固定驱动器4及第一空腔驱动孔2和第二空腔驱动孔3开始充气，动力波纹管5两侧囊腔充气量相同，后端的第一固定驱动器1吸气，此时机器人产生较小直线变形。
45.(3)当达到第2时刻时，动力波纹管5开始产生较大变形，前端的第二固定驱动器4继续充气放松向前伸展，后端的第一固定驱动器1吸气使得软体机器人后端固定。
46.(4)在2-3时刻中，前端的第二固定驱动器4及第一空腔驱动孔2和第二空腔驱动孔
3继续充气发生直线伸长。当达到第3时刻时，前端的第二固定驱动器4开始逐渐泄气，期间与地面继续保持放松状态。
47.(5)在3-4时刻中，第一空腔驱动孔2和第二空腔驱动孔3继续充气。当达到第4时刻时，前端的第二固定驱动器4吸气与地面保持固定，动力波纹管5也达到了最高充气量，软体机器人发生最大伸长变形。
48.(6)在4-5时刻中，前端的第二固定驱动器4继续吸气固定前进端，第一空腔驱动孔2和第二空腔驱动孔3开始逐渐泄气产生收缩，后端的第一固定驱动器1开始充气与地面放松，使得软体机器人整体向右运动。
49.(7)在5-6时刻中，前端的第二固定驱动器4及第一空腔驱动孔2和第二空腔驱动孔3继续吸气使得动力波纹管5恢复原长，软体机器人继续向右运动。
50.(8)在6-7时刻中，后端的第一固定驱动器1开始泄气，使得软体机器人结构恢复初始阶段。
51.实施例2：
52.参见图5，本实施例为软体机器人转弯运动时的驱动器压力状态图，转弯方向为向左(z轴正向)转弯。
53.(1)初始阶段0-1时刻中，第一固定驱动器1、第二固定驱动器4和动力波纹管5均未通气使得软体机器人固定在地面，未发生运动。
54.(2)在1-2时刻中，前端的第二固定驱动器4及第一空腔驱动孔2和第二空腔驱动孔3开始充气，动力波纹管5两侧囊腔开始充气量相同，后端的第一固定驱动器1吸气，此时机器人产生较小变形。
55.(3)在2-3时刻中，前端的第二固定驱动器4及及第一空腔驱动孔2和第二空腔驱动孔3继续充气发生直线伸长。
56.(4)在3-4时刻中，前端的第二固定驱动器4及左侧(转向侧)的第二空腔驱动孔3开始逐渐泄气，前端的第二固定驱动器4与地面继续保持放松状态。而右侧(背离侧)的第一空腔驱动孔2继续充气，使得动力驱动器两侧囊腔产生压强差，从而使得机器人开始转向。
57.(5)在4-5时刻中，右侧(背离侧)的第一空腔驱动孔2开始泄气收缩，由于前端的第二固定驱动器4开始吸气，与地面保持固定状态，后端的第一固定驱动器1充气放松，从而使得软体机器人开始回正。
58.(6)在5-6时刻中，只有后端的第一固定驱动器1充气放松，机器人继续回正，最终达到7时刻时，软体机器人回复初始阶段形状。
59.本发明通过借鉴蚯蚓的身体结构与运动模式，采用rtv-2硅橡胶材料设计了一种气动驱动的多步态的蚯蚓仿生软体机器人。该软体机器人主要分为三个驱动器模块，驱动器之间采用硅胶粘合剂粘接。动力驱动器模块用来模仿蚯蚓的环肌和纵肌来实现伸长和收缩，动力驱动器中间隔板使得可以通过控制两侧囊腔压强差来实现不同转弯角度。固定驱动器用来代替蚯蚓都刚毛，使得软体机器人运动方向确定。所述的动力驱动器为双圆腔波纹结构件。所述的固定驱动器为方形结构，通过控制压强来使其产生类似于吸盘的固定作用。本发明有两种运动模式，一种为直线运动步态，另一种为转弯运动步态。两种运动步态可以自由切换，无缝衔接，对于环境适应性强、运动方式稳定有效，结构简单可靠。
60.本发明的上述运动模式仅为举例说明，并不作为限制本发明的运动模式，对于本
发明领域的研究人员，在上述说明基础上做出的其它形式上容易的变化与替代均包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种多步态的蚯蚓仿生软体机器人，其特征在于，包括动力波纹管(5)，动力波纹管(5)的两端分别设置有第一固定驱动器(1)和第二固定驱动器(4)，第一固定驱动器(1)和第二固定驱动器(4)的顶部分别设置有第一固定驱动孔(7)和第二固定驱动孔(8)，动力波纹管(5)内通过隔板(6)分隔成两个空腔，动力波纹管(5)上开设有第一空腔驱动孔(2)和第二空腔驱动孔(3)，第一空腔驱动孔(2)和第二空腔驱动孔(3)分别对应动力波纹管(5)内的两个空腔，第一固定驱动孔(7)、第二固定驱动孔(8)、第一空腔驱动孔(2)和第二空腔驱动孔(3)均连接充气装置。2.根据权利要求1所述的一种多步态的蚯蚓仿生软体机器人，其特征在于，第一固定驱动器(1)和第二固定驱动器(4)的底部均为弹性材料。3.根据权利要求1所述的一种多步态的蚯蚓仿生软体机器人，其特征在于，隔板(6)竖直设置，将动力波纹管(5)内空腔等分为两份。4.根据权利要求1所述的一种多步态的蚯蚓仿生软体机器人，其特征在于，动力波纹管(5)采用rtv-2硅橡胶材料。5.根据权利要求1所述的一种多步态的蚯蚓仿生软体机器人，其特征在于，第一固定驱动器(1)和第二固定驱动器(4)为方形结构。6.根据权利要求1或5所述的一种多步态的蚯蚓仿生软体机器人，其特征在于，第一固定驱动器(1)和第二固定驱动器(4)与动力波纹管(5)间采用硅胶粘合剂粘接。7.根据权利要求1所述的一种多步态的蚯蚓仿生软体机器人，其特征在于，隔板(6)的材质为硅橡胶。8.一种权利要求1所述的多步态的蚯蚓仿生软体机器人的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：直线运动阶段：第一固定驱动器(1)开始抽气，第一固定驱动器(1)内产生负压，使第一固定驱动器(1)产生吸力固定在地表上；第二固定驱动器(4)开始充气，使第二固定驱动器(4)底部放松；动力波纹管(5)的所有空腔驱动孔同时抽气，使动力波纹管(5)向第一固定驱动器(1)反向收缩，达到所需位置后，第二固定驱动器(4)开始抽气，使第二固定驱动器(4)产生吸力固定在地表上，第一固定驱动器(1)开始充气，使第一固定驱动器(1)底部放松，动力波纹管(5)的所有空腔驱动孔同时充气，使动力波纹管(5)向第二固定驱动器(4)的反方向伸展，实现移动；转弯运动阶段：在第一固定驱动器(1)和第二固定驱动器(4)中的一个与地面固定使，向所需转动方向的空腔驱动孔内抽气，使动力波纹管(5)收缩，另一个空腔驱动孔内充气，使动力波纹管(5)伸展，实现转弯。9.根据权利要求8所述的一种多步态的蚯蚓仿生软体机器人的工作方法，其特征在于，当第一固定驱动器(1)或第二固定驱动器(4)抽气时，第一固定驱动器(1)或第二固定驱动器(4)底面材料向内收缩，产生吸力使其固定在地表上。

技术总结

本发明属于仿生机器人领域，公开了一种多步态的蚯蚓仿生软体机器人及工作方法，本发明通过第一固定驱动器和第二固定驱动器的抽气实现与地面固定，通过动力波纹管中两个空腔的充气与抽气，使动力波纹管舒展与收缩来释放和积攒弹性势能，从而实现本装置的直线运动和转弯运动，本装置的爬行更加稳定，且节省空间，适用于狭小空间工作，本装置的动力波纹管模仿蚯蚓的环肌及纵肌，实现伸长与收缩，通过调整动力波纹管两侧压力差实现不同角度的弯曲，第一固定驱动器和第二固定驱动器代替蚯蚓的刚毛来起到固定作用，本发明不仅可以实现直线运动，也可也实现转弯运动，并且可以在直线与转弯运动步态间灵活切换，相较于屈曲式爬行，更加平稳可靠。加平稳可靠。加平稳可靠。