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一种 气动仿生软体爬行 机器人

阅读：1019发布：2020-06-25

专利汇可以提供一种气动仿生软体爬行机器人专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种气动仿生软体爬行机器人，其由拉伸致动器和中段连接器粘结固定而成，拉伸致动器下部对称分布有楔形足，楔形足上粘结有仿生脚垫。拉伸致动器本体内部包括相互独立封闭的三路气道，分为靠近上部的上气道，以及下部的左气道与右气道，每一气道都包含若干相互间隔的主气室与次气室，互相连通。本实用新型仿生软体机器人，一方面通过内部气室的结构设计，利用气压调节实现各种运动；另一方面在材料表面构筑具有方向性倾角的刚毛，减小前进方向摩擦，增大反方向抓地力，提高适用性。本实用新型机器人有效解决了传统软体爬行机器人爬行阻力大，易滑脱，制作复杂，灵活性较差的问题。(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利，下面是一种气动仿生软体爬行机器人专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种气动仿生软体爬行机器人，其特征在于：气动仿生软体机器人由前拉伸致动器(1)、中段连接器(2)和后拉伸致动器(3)构成，中段连接器(2)粘结在前拉伸致动器(1)和后拉伸致动器(3)之间；前拉伸致动器(1)与后拉伸致动器(3)的结构相同；
前拉伸致动器(1)下部对称分布有AA楔形足(14)、AB楔形足(15)；前拉伸致动器(1)本体内部包括相互独立封闭的三路气道，分为靠近上部的第一气道(11)，以及下部的第二气道(12)与第三气道(13)；第二气道(12)与第三气道(13)的结构相同；第一气道(11)由第一气道主气室(111)与第一气道次气室(112)间隔组成；第二气道(12)由第二气道主气室(121)与第二气道次气室(122)间隔组成；第三气道(13)由第三气道主气室(131)与第三气道次气室(132)间隔组成；
后拉伸致动器(3)下部对称分布有BA楔形足(34)、BB楔形足(35)；后拉伸致动器(3)本体的内部包括相互独立封闭的三路气道，分为靠近上部的第七气道(31)、以及下部的第八气道(32)与第九气道(33)；第八气道(32)与第九气道(33)的结构相同；第七气道(31)由第七气道主气室(311)与第七气道次气室(312)间隔组成；第八气道(32)由第八气道主气室(321)与第八气道次气室(322)间隔组成；第九气道(33)由第九气道主气室与第九气道次气室间隔组成；
中段连接器(2)上部设有导气连接头(7)，中段连接器(2)的下部未设有楔形足；中段连接器(2)的本体上设有第四气道(21)、第五气道(22)和第六气道(23)，第五气道(22)和第六气道(23)位于第四气道(21)的下方两侧。
2.根据权利要求1所述的气动仿生软体爬行机器人，其特征在于：仿生脚垫(4)由仿生脚垫基底(41)与仿生脚垫刚毛(42)构成，两者为同一材质。
3.根据权利要求2所述的气动仿生软体爬行机器人，其特征在于：仿生脚垫刚毛(42)为直径10μm，长度50μm的倾斜圆柱体阵列，每个单元结构的间距是50μm；刚毛切线方向与脚垫基底的倾斜夹角为15度～60度。
4.根据权利要求1所述的气动仿生软体爬行机器人，其特征在于：由前拉伸致动器(1)、中段连接器(2)和后拉伸致动器(3)顺次粘结固定构成单节爬行机器人。
5.根据权利要求1所述的气动仿生软体爬行机器人，其特征在于：由第一节拉伸致动器、第一节中段连接器、第二节拉伸致动器、第二节中段连接器、第三节拉伸致动器串联粘结固定构成多节爬行机器人。

说明书全文

一种气动仿生软体爬行 机器人

技术领域

[0001] 本实用新型涉及软体机器人的技术领域，更确切的说是一种能实现多重运动的新型仿生爬行软体机器人，并通过仿生脚垫的方向性刚毛解决爬行过程中抓地力不足，与接触面易滑脱等问题。

背景技术

[0002] 目前，以刚性结构为主的传统机器人在工业、农业和医疗等各领域得到了广泛的应用与发展，但仍然存在结构复杂、灵活度有限、适应性较差等问题。近年来随着仿生技术与智能材料的不断发展，软体机器人作为一个新的研究方向吸引了各国研究者的目光。由于软体机器人本体采用软材料或柔性材料加工而成，因而能在极大范围内改变自身的形状与尺寸，适应不同的外加载荷与环境阻碍；通过挤压、收缩等方式穿过狭窄的缝隙与孔洞，适应各种崎岖、不规则的复杂环境，具有运动灵活多变的特点，因此，在工业、军事、医疗、救援等领域有着巨大的应用与发展前景。发明内容

[0003] 本专利申请通过对蠕虫运动以及瓶子草内壁的倒刺表面的仿生研究，设计提出一种新型的仿生软体机器人，一方面通过内部气室的结构设计，利用气压调节实现各种运动；另一方面在材料表面构筑具有方向性倾角的刚毛，减小前进方向摩擦，增大反方向抓地力，提高适用性。本实用新型设计的一种新型爬行软体机器人，能够有效解决传统软体爬行机器人爬行阻力大，易滑脱，制作复杂，灵活性较差的问题。

[0004] 本实用新型设计的气动仿生软体机器人主要分为前拉伸致动器(1)、中段连接器(2)和后拉伸致动器(3)，中段连接器(2)粘结在前拉伸致动器(1)和后拉伸致动器(3)之间；前拉伸致动器(1)与后拉伸致动器(3)的结构相同。气动仿生软体机器人的前后两段主要的功能组件为拉伸致动器，允许独立控制软体机器人前后段屈曲。拉伸致动器本体内部包括相互独立封闭的三路气道，分为靠近上部的上气道，以及下部的左气道与右气道，每一气道都包含若干相互间隔的主气室与次气室，互相连通。拉伸致动器下部对称分布有楔形足，楔形足上粘结有仿生脚垫。

[0005] 更详细地说，前拉伸致动器(1)本体内部包括相互独立封闭的三路气道，分为靠近上部的第一气道(11)，以及下部的第二气道(12)与第三气道(13)；中段连接器(2)的本体上设有第四气道(21)、第五气道(22)和第六气道(23)；后拉伸致动器(3)本体的内部设有相互独立的三路气道，按顺时针依次为第七气道(31)、第八气道(32)和第九气道(33)；每一气道都包含若干相互间隔的主气室与次气室，互相连通。前段致动器(1)内的第一气道、第二气道、第三气道分别与中段连接器(2)的第四气道、第五气道、第六气道、以及后拉伸致动器(3)的第七气道、第八气道、第九气道一一对应。

[0006] 中段连接器(2)上方设有连接外部管路与气泵以控制前后拉伸致动器的气道气压的导气连接头(7)，实现多方向运动。

[0007] 软体机器人底部为楔形足，在楔形足底面粘结固定有仿生脚垫(4)，仿生脚垫(4)上构筑有方向性倾角的仿生刚毛，减小机器人与爬行表面在前行方向上的摩擦力，增大反向抓地力，提高机器人的通过适用性，其中足的形状还可根据需要设计为圆柱状，圆台状、长方体等形状。

[0008] 所述仿生脚垫(4)利用高分子材料微纳米浇注技术制成，先利用硅刻蚀、等离子刻蚀、激光加工等微纳米加工技术制作模板，向模板浇注固化材料预固化后脱模并施加剪切力进行二次固化使仿生脚垫刚毛具备方向性倾角。所述刚毛尺寸长度为1μm到1mm之间，圆周直径为1μm到100μm之间，间隔距离为1μm到1mm，刚毛切线方向与脚垫基底的倾斜夹角为15度到60度之间。固化后的仿生脚垫(4)根据楔形足(14)尺寸进行裁剪，利用粘合剂粘结固定在楔形足(14)底面。

[0009] 所述软体机器人中前拉伸致动器(1)、中段连接器(2)和后拉伸致动器(3)以机械加工或3D打印成型作为模具，用可浇筑的硅橡胶以及聚二甲基硅氧烷(PDMS)等材质浇筑而成。

[0010] 本实用新型气动仿生软体爬行机器人的优点在于：本实用新型使用软体材料作为基体材质，通过本体结构与气道设计，向不同的通道内充放气以改变气压即可实现弯曲，伸缩，爬行运动。可根据实际需要利用3D打印技术改变模具大小适应不同需求，结构与操作简单，安全性高，适用于狭缝，管道等多种场合。楔形足下面仿生脚垫的方向性刚毛可以产生方向性摩擦，减小前行时与接触面的摩擦阻力，增大反向抓地力，提高爬行能力与通过性，且降低控制所需气压与能耗。附图说明

[0011] 图1是本实用新型气动仿生软体爬行机器人的三维视图。

[0012] 图1A是本实用新型气动仿生软体爬行机器人端面显示气道的三维视图。

[0013] 图1B是本实用新型气动仿生软体爬行机器人端面显示气道的另一视角三维视图。

[0014] 图2是本实用新型气动仿生软体爬行机器人中前拉伸致动器的主视图与局部剖视图。

[0015] 图3是本实用新型主气室位置的截面图。

[0016] 图4是本实用新型次气室位置的截面图。

[0017] 图5是本实用新型仿生脚垫局部放大视图。

[0018] 图6A是本实用新型仿生脚垫模具结构图。

[0019] 图6B是本实用新型预固化后的仿生脚垫结构图。

[0020] 图7是本实用新型仿生脚垫与粗糙爬行表面接触示意图。

[0021] 图8是本实用新型气动仿生软体爬行机器人中后拉伸致动器的主视图与局部剖视图。

[0022] 图9是本实用新型气动仿生软体爬行机器人中中段连接器的截面图。

[0023]1.前拉伸致动器 11.第一气道 111.第一气道主气室
112.第一气道次气室 12.第二气道 121.第二气道主气室
122.第二气道次气室 13.第三气道 131.第三气道主气室
132.第三气道次气室 14.AA楔形足 15.AB楔形足
2.中段连接器 21.第四气道 22.第五气道
23.第六气道 3.后拉伸致动器 31.第七气道
311.第七气道主气室 312.第七气道次气室 32.第八气道
321.第八气道主气室 322.第八气道次气室 33.第九气道
34.BA楔形足 35.BB楔形足 4.仿生脚垫
41.仿生脚垫基底 42.仿生脚垫刚毛 5.仿生脚垫模具
6.粗糙爬行表面 7.导气连接头

具体实施方式

[0024] 下面将结合附图对本实用新型做进一步的详细说明。

[0025] 图1、图1A、图1B是本实用新型设计的一种气动仿生软体爬行机器人的三维视图，主要由前拉伸致动器1、中段连接器2和后拉伸致动器3组成，中段连接器2粘结在前拉伸致动器1和后拉伸致动器3之间。其中前拉伸致动器1与后拉伸致动器3的结构相同。本实用新型设计的气动仿生软体机器人的前后两段主要的功能组件为拉伸致动器，允许独立控制软体机器人前后段屈曲。

[0026] 前拉伸致动器1

[0027] 参见图1、图1A、图1B、图2、图3、图4所示，前拉伸致动器1下部对称分布有AA楔形足14、AB楔形足15；前拉伸致动器1本体的内部设有相互独立的三路气道，按顺时针依次为第一气道11、第二气道12和第三气道13，第二气道12与第三气道13内部结构相同。

[0028] 在本实用新型中，前拉伸致动器1本体上的各气道分别由主气室与次气室间隔分布，且相互连通构成。第一气道11由第一气道主气室111与第一气道次气室112间隔组成，如图2、图3、图4所示。第二气道12由第二气道主气室121与第二气道次气室122间隔组成，如图2、图3、图4所示。第三气道13由第三气道主气室131与第三气道次气室132间隔组成，如图2、图3、图4所示。

[0029] 如图2、图3、图4所示，前拉伸致动器1本体上的主气室的径向长度大于所述次气室的径向长度，所述主气室的轴向长度小于所述次气室的轴向长度，所述主气室与次气室的侧面壁厚相同。

[0030] 后拉伸致动器3

[0031] 参见图1、图1A、图1B、图8所示，后拉伸致动器3下部对称分布有BA楔形足34、BB楔形足35；后拉伸致动器3本体的内部设有相互独立的三路气道，按顺时针依次为第七气道31、第八气道32和第九气道33，第八气道32与第九气道33内部结构相同。

[0032] 在本实用新型中，后拉伸致动器3本体上的各气道分别由主气室与次气室间隔分布，且相互连通构成。对于后拉伸致动器3本体上的气道结构可以参考前拉伸致动器1的图2、图3、图4所示，第七气道31由第七气道主气室311与第七气道次气室312间隔组成；第八气道32由第八气道主气室321与第八气道次气室322间隔组成；第九气道33由第九气道主气室与第九气道次气室间隔组成。

[0033] 后拉伸致动器3本体上的主气室的径向长度大于所述次气室的径向长度，所述主气室的轴向长度小于所述次气室的轴向长度，所述主气室与次气室的侧面壁厚相同。

[0034] 中段连接器2

[0035] 参见图1、图1A、图1B、图9所示，中段连接器2上部设有导气连接头7，通过导气连接头7实现外部的压缩气体进入到本实用新型设计的气动仿生软体爬行机器人的气路通道中；中段连接器2的下部未设有楔形足。中段连接器2的本体上设有第四气道21、第五气道22和第六气道23，第五气道22和第六气道23位于第四气道21的下方两侧。

[0036] 第四气道21与第一气道11和第七气道31贯通；第五气道22与第二气道12和第八气道32贯通；第六气道23与第三气道13和第九气道33贯通。

[0037] 在中段连接器2的两部通过粘结方式固定有结构相同的前拉伸致动器1和后拉伸致动器3。

[0038] 仿生脚垫4

[0039] 如图1、图1A、图1B、图2、图5、图6A、图6B、图7所示，前拉伸致动器1下部对称分布有多个AA楔形足14、AB楔形足15；后拉伸致动器3下部对称分布有多个BA楔形足34、BB楔形足35。在AA楔形足14、AB楔形足15、BA楔形足34和BB楔形足35的底部端面上粘结固定有仿生脚垫4，如图5、图6B所示。仿生脚垫4由仿生脚垫基底41与仿生脚垫刚毛42构成，两者为同一材质。仿生脚垫刚毛42为直径10μm，长度50μm的倾斜圆柱体阵列，每个单元结构的间距是50μm。刚毛切线方向与脚垫基底的倾斜夹角为15度～60度。仿生脚垫4由高分子材料(杨氏模量小于1Mpa)浇筑固化而成，首先利用硅刻蚀、激光加工等微纳加工方式制作高精度模板5(图
6A)，然后将高分子材料倒入模具中进行预固化，之后脱模，沿径向对刚毛施加剪切力直至完全固化成型。仿生脚垫4所选材料为smooth-on公司生产的高性能的铂固化有机硅橡胶，型号为Dragon skin20或者Dragon skin10，有着良好的强度和弹性，可以拉伸至原大小的数倍而不被撕裂，并会反弹回拉伸前的形态而不变形。

[0040] 在图7中，当仿生脚垫4与粗糙爬行表面6接触时，仿生脚垫刚毛42由于倾角(15度～60度)的存在造成方向性摩擦，即沿一个方向的摩擦力显著大于相反方向，导致爬行机器人向前与向后的摩擦力不同，向前爬行时(箭头方向)前部刚毛与接触面摩擦阻力小易于运动，且减小了控制所需气压与能耗。后部刚毛的抓地力大不易与接触面滑脱。

[0041] 通过调整前拉伸致动器1内第一气道11、第二气道12和第三气道13内气室压力，可使机器人产生弯曲、扭转运动。通过前拉伸致动器1与后拉伸致动器3的交替弯曲变化，使机器人进行仿蠕虫的爬行运动。

[0042] 本实用新型单节爬行机器人由前拉伸致动器1、中段连接器2和后拉伸致动器3顺次粘结固定构成。

[0043] 本实用新型多节爬行机器人由第一节拉伸致动器、第一节中段连接器、第二节拉伸致动器、第二节中段连接器、第三节拉伸致动器串联粘结固定构成。多节拉伸致动器和中段连接器的串联粘结固定能够实现长轴向的爬行机器人结构体。

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一种气动仿生软体爬行机器人

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