專利名稱：基于靜水骨骼機理特性的仿生軟體機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種仿生軟體機器人，特別的涉及應(yīng)用于管道檢修、醫(yī)療診治、廢墟搜救以及軍事偵察等非結(jié)構(gòu)化作業(yè)環(huán)境中的基于靜水骨骼機理特性的仿生軟體機器人。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機器人已廣泛應(yīng)用于社會的各個領(lǐng)域，如工業(yè)、醫(yī)療、 農(nóng)業(yè)、軍事和救災(zāi)等。傳統(tǒng)的機器人驅(qū)動方式，如輪式、腿式以及擺動游走等剛性驅(qū)動機構(gòu)， 在某些應(yīng)用場合下顯示出特有的優(yōu)點，但在管道檢修、醫(yī)療診治、廢墟搜救以及軍事偵察等非結(jié)構(gòu)化環(huán)境應(yīng)用場合下，由于作業(yè)環(huán)境狹窄、多變并且存在各種未知障礙，因此機器人的自主移動和越障實現(xiàn)相對困難，可能無法到達作業(yè)地點。從自然界無脊椎動物(如海參、烏賊等)能將剛性和柔性機能進行完美融合獲得啟發(fā)，設(shè)計基于無脊椎動物特性的軟體機器人成為有望突破仿生機器人研究瓶頸的新方法。軟體機器人主要由彈性基礎(chǔ)材料構(gòu)成，依靠空間上的連續(xù)變形進行運動，理論上具有無限多運動自由度，其末端執(zhí)行器能到達三維作業(yè)空間任意位置點，由于內(nèi)部不含剛性結(jié)構(gòu)，因此在穿越障礙物時，能最大限度地降低沖擊載荷和屈服抗力，減少本體損傷。軟體機器人能夠通過自身形狀變化來適應(yīng)狹窄、多變的作業(yè)環(huán)境，這使得它們成為在管道檢測、人體醫(yī)療診治、廢墟搜救等非結(jié)構(gòu)化應(yīng)用場合中的理想選擇。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠連續(xù)變形、方便在非結(jié)構(gòu)化場合應(yīng)用的基于靜水骨骼機理特性的仿生軟體機器人。實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種基于靜水骨骼機理特性的仿生軟體機器人，具有彈性外殼，彈性外殼內(nèi)裝有不可壓縮流體和用于完成機器人特定任務(wù)的負載裝置；上述彈性外殼由細胞單元拼接組成；上述細胞單元具有彈性細胞外壁和細胞腔體，細胞腔體內(nèi)設(shè)有磁流變液、用來產(chǎn)生電磁場促使磁流變液發(fā)生“固-液形態(tài)轉(zhuǎn)換”的微電磁驅(qū)動裝置和用來收發(fā)指令信息及控制微電磁驅(qū)動裝置工作的細胞單元控制器。上述彈性外殼由20個細胞單元組成，且每個單元細胞外形為大小相等的正三角形狀。上述細胞單元互相之間采用Ecoflex彈性材料膠接，細胞單元的細胞外壁采用硅膠(XSiO2 · yH20)制成。上述細胞腔體內(nèi)的磁流變液為在傳統(tǒng)的羰基鐵磁流變液中添加Cr02硬磁粉和硅油后形成的鐵復(fù)合物。上述單元控制器包括用來與控制系統(tǒng)上位機互通的藍牙接收芯片、無線信號解調(diào)電路、CAN接口、微處理器、PWM調(diào)制電路和D/A轉(zhuǎn)換接口 ；上述藍牙接收芯片型號為 nRFMOl，與無線信號解調(diào)電路電連接，無線信號解調(diào)電路與CAN接口和微處理器電連接，CAN接口與微處理器電連接，微處理器與PWM調(diào)制電路電連接，PWM調(diào)制電路與D/A轉(zhuǎn)換接口電連接。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案得到了以下的有益效果(1)本發(fā)明根據(jù)無脊椎動物依靠靜水骨骼實現(xiàn)運動的機理特性，利用多單元智能驅(qū)動材料在電磁場作用下的有序“固-液態(tài)形態(tài)轉(zhuǎn)換”，來模擬靜水骨骼產(chǎn)生變體運動的機理，實現(xiàn)驅(qū)動機器人自主移動和柔性越障的目的。由于本發(fā)明軟體機器人不含剛性結(jié)構(gòu)，依靠彈性材料空間上的連續(xù)變形進行運動，因此能到達三維作業(yè)空間任意位置點。(2)本發(fā)明軟體機器人采用磁致流變體的非接觸式驅(qū)動方式實現(xiàn)機器人的驅(qū)動， 無需專門的驅(qū)動裝置，有利于減小機器人本體的外形設(shè)計尺寸，盡可能小巧靈活。(3)本發(fā)明軟體機器人采用多單元并行時序控制的方法，能實時控制各單元變形的順序、程度和方向，因此能合理分配驅(qū)動力，實現(xiàn)機器人前進、轉(zhuǎn)彎和越障等變體運動。


圖1為本發(fā)明軟體機器人的結(jié)構(gòu)示意2為軟體機器人細胞單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖2中A-A向剖面示意圖。圖4為軟體機器人運動原理示意圖。圖5為軟體機器人穿越孔洞過程示意圖。圖6為細胞單元控制器的原理框圖。圖7為細胞單元控制器的部分電路示意圖。圖8為細胞單元控制器的工作流程圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明仿生軟體機器人總體結(jié)構(gòu)主要由彈性外殼1、不可壓縮流體2和負載裝置3組成。上述彈性外殼為正面體類球形結(jié)構(gòu)，由二十個細胞單元10 組成，每個細胞單元10為正三角形，具有相等的面、邊和角度。細胞單元外壁材料為彈性材料——娃膠(xSio2 ·ΥΗ20)，各細胞單元相互連接的邊緣采用Ecoflex彈性材料彼此進行膠接，使其外殼整體結(jié)構(gòu)嚴格封閉。每個細胞單元包括細胞外壁11、細胞腔體、磁流變液12、 微電磁驅(qū)動裝置和細胞單元控制器，細胞單元中間的細胞外壁11上具有連接孔13。每個細胞單元作為獨立的驅(qū)動單位，磁流變液12通過連接孔13均勻地填充到細胞腔體中，并對連接孔13進行結(jié)構(gòu)封裝。上述微電磁驅(qū)動裝置和單元控制器分布在細胞腔體內(nèi)，在接收無線控制信號后實現(xiàn)細胞單元的相應(yīng)變形。上述不可壓縮流體2充滿彈性外殼內(nèi)部空腔，構(gòu)成靜水骨骼的基本形態(tài)，當彈性外殼發(fā)生形變時，不可壓縮流體也相應(yīng)的做出形狀改變，本發(fā)明仿生軟體機器人就可以實現(xiàn)運動。上述負載裝置3設(shè)在彈性外殼內(nèi)腔，用來完成機器人的工作任務(wù)，它們可以是微型攝像機或者微型炸彈或者某種藥劑，當機器人自主行走到指定位置后，負載裝置完成預(yù)先設(shè)定的任務(wù)，根據(jù)機器人不同的任務(wù)需要，負載裝置也各不相同。
本發(fā)明仿生軟體機器人的細胞單元1的細胞腔體內(nèi)填充了磁流變液12，在微電磁驅(qū)動裝置產(chǎn)生的電磁場作用下，磁流變液中的磁性顆粒被磁化，將沿著磁力線的方向排成鏈狀結(jié)構(gòu)，從而使得磁流變液在瞬間粘度增大幾個數(shù)量級，進而失去流動性，表現(xiàn)出類似固體的性狀，其材料的屈服強度隨著電磁場強度的增加而增加，當撤出磁場后，材料又能立刻恢復(fù)原狀，其響應(yīng)時間只有幾毫秒。其性能受到顆粒直徑、體積分數(shù)、磁場強度、飽和磁化強度等因素影響，為了獲得更好的變形效果，本發(fā)明采用在傳統(tǒng)的羰基鐵磁流變液中添加 Cr02硬磁粉和硅油，形成鐵復(fù)合物為懸浮顆粒制備磁流變液，這樣能夠提高其屈服強度和變形能力，使得彈性外殼具有更好的通行能力。見圖4，上述細胞單元內(nèi)部的微電磁驅(qū)動裝置及其細胞單元控制器，在接受到上位機的無線控制信號后，微電磁驅(qū)動裝置產(chǎn)生電磁場，使得填充在細胞單元腔體內(nèi)的磁流變液發(fā)生“固-液形態(tài)轉(zhuǎn)換”，由于磁流變液體積的膨脹和收縮，促使彈性細胞外壁發(fā)生形變， 當彈性外殼上的細胞單元都發(fā)生形變時，本發(fā)明機器人將發(fā)生移動，達到驅(qū)動目的。見圖5，本發(fā)明軟體機器人在穿越比自身形狀尺寸小的孔洞障礙時，首先在微電磁驅(qū)動裝置產(chǎn)生的受控電磁場作用下，與孔壁接觸部分的細胞單元內(nèi)的磁流變液首先發(fā)生 “固-液形狀轉(zhuǎn)換”導(dǎo)致彈性細胞外壁11發(fā)生變形軟化，向前逐步擠入孔壁。隨著擠入過程的持續(xù)進行，大部分細胞單元均處于軟化狀態(tài)，擠入部分的橫斷面受到孔壁的徑向壓縮，又由于充滿機器人內(nèi)腔的是不可壓縮流體，因此促使軟化的彈性外殼發(fā)生軸向拉伸，導(dǎo)致機器人整體發(fā)生形變實現(xiàn)變體運動，并逐步通過孔洞。其擠出過程(如圖5(1、圖^3、圖5f)與擠入過程(如圖5a、圖5b、圖5c)則正好相反。見圖6和圖7，本發(fā)明軟體機器人以細胞單元作為獨立控制單元，整個控制系統(tǒng)由上位機、無線通訊模塊和設(shè)在每個細胞單元中的細胞單元控制器構(gòu)成。上述上位機根據(jù)不同運動模式編制軟件變換算法，實時地計算每個控制單元的控制信號(信號包括頻率、電壓的幅值、波形、電源通斷的時間)，通過無線通訊模塊輸出不同運動模式的并行時序控制信號，同時根據(jù)每個細胞單元反饋至上位機的狀態(tài)信號，上位機實時調(diào)節(jié)和修正控制時序，實現(xiàn)對軟體機器人變體運動的最優(yōu)控制。本發(fā)明控制系統(tǒng)中無線通訊模塊包括無線發(fā)射模塊和無線接收模塊。無線通訊模塊采用應(yīng)用在工業(yè)和醫(yī)用2. 4GHz頻段的微型無線收發(fā)模塊，其核心是基于藍牙通訊規(guī)約的無線單片收發(fā)芯片，芯片內(nèi)部設(shè)置專門的穩(wěn)壓電路和循環(huán)冗余校驗(CRC)硬件電路和協(xié)議。由于每個細胞單元控制器都需要配置無線接收單元，因此要求其外圍元件的體積小、功耗少。本發(fā)明的細胞單元控制器由藍牙nRFMOl接收芯片、無線信號解調(diào)電路、PWM調(diào)制電路、微處理器、CAN接口和D/A轉(zhuǎn)換接口等器件組成。藍牙接收芯片負責與上位機之間的藍牙信號互通，并與無線信號解調(diào)電路雙向連接，無線信號解調(diào)電路將解調(diào)過的信號通過 CAN接口送入微處理器進行處理，微處理器將指令發(fā)送到PWM調(diào)制電路，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換接口發(fā)送給微電磁驅(qū)動裝置；同時微處理器也需要把細胞單元的狀態(tài)信息發(fā)送到無線信號解調(diào)電路，再經(jīng)過藍牙接收芯片反饋給上位機，以便上位機及時調(diào)整指令。細胞單元驅(qū)動力的大小取決于細胞外壁的變形程度，而細胞外壁變形程度又取決于磁流變液所受磁場的大小，因此通過調(diào)節(jié)微電磁驅(qū)動裝置產(chǎn)生的電磁場的控制電壓即可實現(xiàn)控制。這樣通過上位機發(fā)出驅(qū)動指令，由細胞單元控制器接收并進一步發(fā)出驅(qū)動指令給微電磁驅(qū)動裝置，控制本發(fā)明仿生軟體機器人的彈性外壁1發(fā)生形變，驅(qū)動本發(fā)明機器人運動。見圖8，細胞單元控制器的工作流程為初始狀態(tài)下所有微電磁驅(qū)動裝置的電磁線圈都通電，且電壓都是滿幅，此時細胞單元的細胞腔體內(nèi)的磁流變液12處于固化狀態(tài)， 細胞外壁相應(yīng)的屬于硬化狀態(tài)；當細胞單元中的單元控制器接收到上位機通過藍牙發(fā)送的指令后，進行無線控制指令解調(diào)；然后根據(jù)指令要求，進行PID調(diào)節(jié)并計算出微電磁驅(qū)動裝置上某個時刻所需要的電壓值；經(jīng)PWM調(diào)制電路調(diào)制后通過D/A接口輸出控制電壓，驅(qū)動微電磁驅(qū)動裝置改變磁場參數(shù)，磁流變液發(fā)生“固-液形態(tài)轉(zhuǎn)換”后，促使細胞單元達到規(guī)定的形變狀態(tài)。整個軟體機器人只要上位機設(shè)計對應(yīng)運動模式的并行時序控制信號，通過無線通訊模塊傳遞控制指令，并分別在各單元控制器中采用脈寬調(diào)制的方式輸出受控驅(qū)動電壓， 控制各微電磁驅(qū)動裝置的輸入信號頻率、電源通斷以及產(chǎn)生電壓幅值、波形等參數(shù)，即可達到調(diào)節(jié)各個細胞單元的變形順序、程度和方向的目的，從而合理分配驅(qū)動力，實現(xiàn)機器人前進、轉(zhuǎn)彎以及變形越障等功能。顯然，本發(fā)明的上述具體實施方式
僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以容易的做出其它形式上的變化或者替代，而這些改變或者替代也將包含在本發(fā)明確定的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于靜水骨骼機理特性的仿生軟體機器人，其特征在于具有彈性外殼(1)，彈性外殼內(nèi)裝有不可壓縮流體( 和用于完成機器人特定任務(wù)的負載裝置(3)；上述彈性外殼(1)由細胞單元(10)拼接組成；上述細胞單元(10)具有彈性細胞外壁(11)和細胞腔體，細胞腔體內(nèi)設(shè)有磁流變液(12)、用來產(chǎn)生電磁場促使磁流變液發(fā)生“固-液形態(tài)轉(zhuǎn)換” 的微電磁驅(qū)動裝置和用來收發(fā)指令信息及控制微電磁驅(qū)動裝置工作的細胞單元控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于靜水骨骼機理特性的仿生軟體機器人，其特征在于上述彈性外殼(1)由20個細胞單元(10)組成，且每個單元細胞外形為大小相等的正三角形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于靜水骨骼機理特性的仿生軟體機器人，其特征在于上述細胞單元(10)互相之間采用Ecoflex彈性材料膠接，細胞單元的細胞外壁(11)采用硅膠(XSi O2 · yH20)制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于靜水骨骼機理特性的仿生軟體機器人，其特征在于上述細胞腔體內(nèi)的磁流變液(1 為在傳統(tǒng)的羰基鐵磁流變液中添加Cr02硬磁粉和硅油后形成的鐵復(fù)合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于靜水骨骼機理特性的仿生軟體機器人，其特征在于上述單元控制器包括用來與控制系統(tǒng)上位機互通的藍牙接收芯片、無線信號解調(diào)電路、CAN接口、微處理器、PWM調(diào)制電路和D/A轉(zhuǎn)換接口 ；上述藍牙接收芯片型號為nRFMOl，與無線信號解調(diào)電路電連接，無線信號解調(diào)電路與CAN接口和微處理器電連接，CAN接口與微處理器電連接，微處理器與PWM調(diào)制電路電連接，PWM調(diào)制電路與D/A轉(zhuǎn)換接口電連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種仿生軟體機器人，特別的涉及應(yīng)用于管道檢修、醫(yī)療診治、廢墟搜救以及軍事偵察等非結(jié)構(gòu)化作業(yè)環(huán)境中的基于靜水骨骼機理特性的仿生軟體機器人。目的是提供一種能夠連續(xù)變形、方便在非結(jié)構(gòu)化場合應(yīng)用的基于靜水骨骼機理特性的仿生軟體機器人。一種基于靜水骨骼機理特性的仿生軟體機器人，具有彈性外殼，彈性外殼內(nèi)裝有不可壓縮流體和用于完成機器人特定任務(wù)的負載裝置；上述彈性外殼由細胞單元拼接組成；上述細胞單元具有彈性細胞外壁和細胞腔體，細胞腔體內(nèi)設(shè)有磁流變液、用來產(chǎn)生電磁場促使磁流變液發(fā)生“固-液形態(tài)轉(zhuǎn)換”的微電磁驅(qū)動裝置和用來收發(fā)指令信息及控制微電磁驅(qū)動裝置工作的細胞單元控制器。
文檔編號G05B19/418GK102176152SQ20111004792
公開日2011年9月7日 申請日期2011年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者何鋒, 劉百辰, 宋小波, 李丹蓉, 王丹 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院