專利名稱：一種全皮膚翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軟體機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種通過(guò)全皮膚翻轉(zhuǎn)方式運(yùn)動(dòng)的軟體機(jī)器人。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)方式一直是移動(dòng)機(jī)器人研究的重點(diǎn)之一，目前各種移動(dòng)方式的機(jī)器人層出不窮，如輪式機(jī)構(gòu)、腿式機(jī)構(gòu)(跳躍、雙腿，多腿)以及擺動(dòng)游走機(jī)構(gòu)，如機(jī)器魚、機(jī)器蛇或機(jī)器尺蠖蟲等，這些機(jī)器人在一些使用的場(chǎng)合顯示出特有的優(yōu)點(diǎn)，如輪式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、速度快，腿式機(jī)器人具備一定跨越能力，蛇形機(jī)器人依靠擺動(dòng)等也
能穿越一些障礙等。但在一些非結(jié)構(gòu)環(huán)境下，受尺寸和作業(yè)空間的限制，如在管道檢測(cè)、人體醫(yī)療檢查、倒塌狹小空間搜救等，由于應(yīng)用的場(chǎng)合屬于非結(jié)構(gòu)環(huán)境，并且會(huì)遇到各種障礙，對(duì)機(jī)器人的移動(dòng)方式提出更高的要求，如需要能進(jìn)入狹窄管道進(jìn)行檢查，或是能無(wú)損害地進(jìn)入人體消化道進(jìn)行檢查，或是能進(jìn)入尺寸比自身更小的地下空間進(jìn)行搜救或運(yùn)送飲食等。因此，機(jī)器人能夠在復(fù)雜而無(wú)規(guī)則的地形中移動(dòng)變得至關(guān)重要，這就要求機(jī)器人能夠更好適應(yīng)環(huán)境，隨著環(huán)境的變化改變自身的狀態(tài)。目前常規(guī)的剛性機(jī)器人和其驅(qū)動(dòng)方式已不能滿足上述的需求。中國(guó)專利申請(qǐng)CN201010129066.2公開了 “一種搜救機(jī)器人”，其包括基體，中間骨架，電機(jī)，PVC管，攝像機(jī)和光源模塊等。其中，基體為圓環(huán)形柱狀且頭尾兩端為半球形的彈性軟體結(jié)構(gòu)，多個(gè)電機(jī)和PVC管均固定在基體的彈性薄膜上，通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)使相對(duì)應(yīng)的PVC管產(chǎn)生束緊力，該束緊力在彈性薄膜方向上的分力，即為驅(qū)動(dòng)力，在該驅(qū)動(dòng)力作用下，機(jī)器人基體的尾端體積縮小，而整個(gè)機(jī)器人的基體體積不變，從而使得基體前端體積增大，前段的內(nèi)部皮膚翻轉(zhuǎn)出來(lái)，尾端外部皮膚翻轉(zhuǎn)進(jìn)去，從而使得搜救機(jī)器人前進(jìn)。由于需要通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)驅(qū)使PVC管收縮，從而擠壓基體產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，所以整個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠在復(fù)雜而無(wú)規(guī)則的環(huán)境中移動(dòng)的且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單機(jī)器人。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是:一種全皮膚翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軟體機(jī)器人，具有圓環(huán)形柱狀彈性軟體結(jié)構(gòu)的基體，還具有多個(gè)均布在基體上的控制環(huán)，控制環(huán)包括沿基體的軸向設(shè)置的軸向控制環(huán)和沿徑向設(shè)置的徑向控制環(huán)，其中，軸向控制環(huán)和徑向控制環(huán)都是由多個(gè)離子交換聚合金屬材料研制的控制單元和彈性帶相互間隔串聯(lián)而形成，軸向控制環(huán)和徑向控制環(huán)的彈性帶在交錯(cuò)處相互連接形成十字形結(jié)構(gòu)，控制單元中都封裝有能通過(guò)無(wú)線通訊接受控制信號(hào)的控制芯片。所述的基體由彈性皮膚薄膜和封裝在彈性薄膜內(nèi)的液體組成。
所述的控制單元是由離子交換聚合金屬材料制成，尤其是陽(yáng)離子交換型氟基聚合膜-鉬結(jié)構(gòu)的材料，其能以較低的電壓激勵(lì)產(chǎn)生較大的位移變形。所述對(duì)控制單元施加的控制信號(hào)是對(duì)控制單元的電源的通斷、頻率以及加載的電壓進(jìn)行控制的脈寬調(diào)制信號(hào)。本發(fā)明具有積極的效果:本發(fā)明的基體是由彈性皮膚薄膜和封裝在彈性皮膚薄膜內(nèi)的液體組成的圓環(huán)形柱狀體軟體結(jié)構(gòu)，采用縱橫交錯(cuò)、類似網(wǎng)狀的控制環(huán)包覆在基體上，通過(guò)離子交換聚合金屬材料的控制單元產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，尤其是陽(yáng)離子交換型氟基聚合膜-鉬結(jié)構(gòu)的控制單元，其能以較低的電壓激勵(lì)產(chǎn)生較大的位移變形，代替了電機(jī)，可以省掉齒輪、軸承等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，同時(shí)減輕了重量，更重要的是這種驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)有彈性、有一定的抵抗破壞的能力，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易變形、不受傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制且不易損壞。由于基體的皮膚具有很大彈性，能通過(guò)改變基體的長(zhǎng)度、端面直徑和改變形態(tài)等，以在各種復(fù)雜的環(huán)境中移動(dòng)。


為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，其中圖1為本發(fā)明全皮膚翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軟體機(jī)器人的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明全皮膚翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軟體機(jī)器人的軸向結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明全皮膚翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軟體機(jī)器人的徑向結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本圖3中的A-A剖視圖。圖5為本發(fā)明全皮膚翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軟體機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式離子交換聚合金屬材料，英文全稱為:1n-exchange Polymer Metal Composite,即IPMC，是一種人工肌肉材料，由于較低的驅(qū)動(dòng)電壓能使其產(chǎn)生較大的位移變形，作為一種新型執(zhí)行器非常適用于仿生機(jī)器人的開發(fā)。圖1、2、3、4所示為本發(fā)明的一種全皮膚翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軟體機(jī)器人，具有基體1，基體I為圓環(huán)形柱狀彈性軟體結(jié)構(gòu)，控制環(huán)2均布在基體I上。基體I的整個(gè)皮膚薄膜是彈性材料，彈性的皮膚薄膜內(nèi)封裝有液體。控制環(huán)2包括沿基體I的軸向設(shè)置的軸向控制環(huán)2-1和沿徑向設(shè)置的徑向控制環(huán)2-2，軸向控制環(huán)2-1和徑向控制環(huán)2-2的具體數(shù)量可根據(jù)基體I的長(zhǎng)度和控制要求等具體確定，圖1中示出了 4條軸向控制環(huán)2-1以及多條徑向控制環(huán)2-2。軸向控制環(huán)2-1和徑向控制環(huán)2-2都是由多個(gè)控制單元3和彈性帶4相互間隔串聯(lián)而成，其中控制單元3由離子交換聚合金屬材料(IPMC)制成。軸向控制環(huán)2-1和徑向控制環(huán)2-2的彈性帶4在基體I的皮膚表面相互交錯(cuò)，彈性帶在交錯(cuò)處相互連接形成十字形結(jié)構(gòu)，從而形成縱橫交錯(cuò)的控制環(huán)，類似網(wǎng)狀地包覆在基體I上，具有很好的穩(wěn)定性。控制單元3中都封裝一個(gè)控制芯片(圖中未示出)，控制芯片通過(guò)無(wú)線通訊接受主機(jī)的控制信號(hào)，控制信號(hào)采用的是脈寬調(diào)制的方式(PWM)，對(duì)控制單元3的電源的通斷、頻率以及加載的電壓等進(jìn)行控制。其中，控制單元3尤其可以采用陽(yáng)離子交換型氟基聚合膜-鉬結(jié)構(gòu)作為功能材料，該材料是以聚合物薄膜為基體骨架，通過(guò)鍍涂的方法將鉬金屬顆粒滲透并沉積在膜表面而形成的一種復(fù)合材料，其在低電壓的刺激下，水合陽(yáng)離子的規(guī)則排布能夠使膜產(chǎn)生較大的彎曲變形。基體I為圓環(huán)形柱狀結(jié)構(gòu)，其圓環(huán)形柱的內(nèi)圈的皮膚為內(nèi)皮膚，外圈的皮膚為外皮膚，內(nèi)、外皮膚可在連續(xù)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中不斷相互轉(zhuǎn)換。其中，在驅(qū)動(dòng)機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，位于尾部的徑向控制環(huán)2-2收到控制信號(hào)，產(chǎn)生收縮運(yùn)動(dòng)，使基體I的尾端體積減小，而由于基體I的整體體積不變，則基體I的前端體積增大，從而使前端的內(nèi)皮膚翻轉(zhuǎn)出來(lái)而轉(zhuǎn)換成外皮膚，尾部外端的內(nèi)皮膚則翻轉(zhuǎn)進(jìn)去轉(zhuǎn)換成內(nèi)皮膚，在翻轉(zhuǎn)的過(guò)程中，基體I的外皮膚與地面摩擦，從而使基體I向前運(yùn)動(dòng)。基體I向前連續(xù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，總是不停地由位于尾端的徑向控制環(huán)2-2產(chǎn)生收縮運(yùn)動(dòng)，促使機(jī)器人的內(nèi)、外皮膚連續(xù)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化，通過(guò)皮膚與地面的接觸促使基體I連續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。在機(jī)器人需要轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，由軸向控制環(huán)2-1進(jìn)行控制轉(zhuǎn)向，例如，機(jī)器人在前進(jìn)過(guò)程中需要向左轉(zhuǎn)彎時(shí)，可以由位于左側(cè)的軸向控制環(huán)2-1產(chǎn)生收縮，產(chǎn)生收縮的控制單元可以是整個(gè)左側(cè)軸向控制環(huán)上的所有控制單元，也可以是位于軸向控制環(huán)前端的部分控制單元，具體根據(jù)基體I的長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)彎的幅度等確定，一般可以是整個(gè)基體I長(zhǎng)度1/3處的控制單元產(chǎn)生收縮運(yùn)動(dòng)，擠壓基體I前端的左側(cè)，使基體I前端的左側(cè)收縮，從而使基體I轉(zhuǎn)向。機(jī)器人的移動(dòng)過(guò)程如圖5所示:圖5(a)表示機(jī)器人的初始狀態(tài)，準(zhǔn)備向左運(yùn)動(dòng)，當(dāng)機(jī)器人基體右端的徑向控制環(huán)產(chǎn)生收縮，基體右端受到一定的徑向收縮壓力F之后，其內(nèi)層皮膚向左運(yùn)動(dòng)，外層皮膚向著右邊移動(dòng)，于是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到圖5(b)狀態(tài)，此時(shí)位于右端的徑向控制環(huán)再施加壓力，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到圖5(c)狀態(tài)，內(nèi)、外皮膚發(fā)生連續(xù)不斷的翻轉(zhuǎn)，在連續(xù)翻轉(zhuǎn)的過(guò)程中，外皮膚與地面產(chǎn)生摩擦，促使機(jī)器人能向前移動(dòng)。需要后退時(shí)，只需控制相對(duì)另一端的徑向控制環(huán)即可。如需轉(zhuǎn)彎時(shí)，在一側(cè)的軸向控制環(huán)的前端施加壓力，就能改變運(yùn)動(dòng)方向。如果在整個(gè)機(jī)器人的基體上施加力的作用，機(jī)器人將產(chǎn)生變形，體積變得細(xì)長(zhǎng)，就能進(jìn)入更小的空間。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種全皮膚翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軟體機(jī)器人，具有圓環(huán)形柱狀彈性軟體結(jié)構(gòu)的基體(1)，其特征在于:還具有多個(gè)均布在基體⑴上的控制環(huán)(2)，控制環(huán)⑵包括沿基體⑴軸向設(shè)置的軸向控制環(huán)(2-1)和沿徑向設(shè)置的徑向控制環(huán)(2-2)，其中，軸向控制環(huán)(2-1)和徑向控制環(huán)(2-2)都是由多個(gè)離子交換聚合金屬材料研制的控制單元(3)和彈性帶(4)相互間隔串聯(lián)而形成，軸向控制環(huán)(2-1)和徑向控制環(huán)(2-2)的彈性帶⑷在交錯(cuò)處相互連接形成十字形結(jié)構(gòu)，控制單元(3)中都封裝有能通過(guò)無(wú)線通訊接受控制信號(hào)的控制芯片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全皮膚翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軟體機(jī)器人，其特征在于:所述的基體(I)由彈性皮膚薄膜和封裝在彈性薄膜內(nèi)的液體組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全皮膚翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軟體機(jī)器人，其特征在于:所述的控制單元(3)是由離子交換聚合金屬材料制成，尤其是陽(yáng)離子交換型氟基聚合膜-鉬結(jié)構(gòu)的材料，其能以較低的電壓激勵(lì)產(chǎn)生較大的位移變形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全皮膚翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軟體機(jī)器人，其特征在于:所述對(duì)控制單元⑶施加的控制信號(hào)是對(duì)控制單元⑶的電源的通斷、頻率以及加載的電壓進(jìn)行控制的脈寬調(diào)制信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種全皮膚翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軟體機(jī)器人，具有圓環(huán)形柱狀彈性軟體結(jié)構(gòu)的基體以及多個(gè)均布在基體上的控制環(huán)，控制環(huán)包括沿基體軸向設(shè)置的軸向控制環(huán)和沿徑向設(shè)置的徑向控制環(huán)，其中，軸向控制環(huán)和徑向控制環(huán)都是由多個(gè)離子交換聚合金屬材料研制的控制單元和彈性帶相互間隔串聯(lián)而形成，軸向控制環(huán)和徑向控制環(huán)的彈性帶在交錯(cuò)處相互連接形成十字形結(jié)構(gòu)，控制單元中都封裝有能通過(guò)無(wú)線通訊接受控制信號(hào)的控制芯片。本發(fā)明的機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易變形、不受傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制且不易損壞，能在各種復(fù)雜的環(huán)境中移動(dòng)。
文檔編號(hào)B62D57/02GK103101583SQ20111035460
公開日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2011年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月10日
發(fā)明者駱敏舟, 王美鈴, 孫恒輝, 錢榮榮, 馮寶林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院