气驱动软体爬行机器人及其制造和控制方法与流程

本发明涉及软体机器人技术领域，尤其涉及气驱动的软体爬行机器人及其制造和控制方法。

背景技术：

随着科学技术的迅猛发展，各种各样的机器人层出不穷，涉及人们生活的方方面面，比如工业机器人、医疗机器人、服务机器人、特种机器人等。这些机器人很大程度上减轻了人们的劳动负担，方便了人们的生活，但是这些机器人也有很多局限性。为了进一步提高机器人的灵活性、安全性和智能性，软体机器人成为了机器人领域的研究热点。与传统刚性机器人相比，软体机器人主要优点如下：1)安全性好，传统的机器人大多由刚性材料制造，其本体的刚度较大，在作业工程中进行力柔顺控制较为困难。软体机器人大多由超弹性材料等制造，其本体的刚度较小，在作业工程中可以根据操作对象改变自身的形状。2)灵活性好，传统的机器人大多是由多个离散的关节和连杆组成，其自由度有限。软体机器人结构简单，而且理论上具有无穷多个自由度，可以连续弯曲或者伸长，以形成类似大象鼻子、章鱼触手的运动。3)适用场景多样，传统的刚性机械臂作业时对工作空间要求较高，需要避免障碍物的存在。软体机械臂则可以承受能量冲击，即使存在障碍物也不会发生强烈碰撞，非常适合在非结构化和空间受限环境中作业，如管道探伤，废墟救援等。

现阶段，用于管道内运动的软体爬行机器人多采用模块化设计方案，其运动方式多是仿照蚯蚓的周期式蠕动：第一步，后端充气收缩模块膨胀，增大与管壁之间的摩擦力；第二步，中间充气伸长模块向前延伸；第三步，前端充气收缩模块膨胀，增大与管壁之间的摩擦力；第四步，后端充气收缩模块和中间充气伸长模块放气，减小与管壁之间的摩擦力；第五步，后端充气收缩模块膨胀，增大与管壁之间的摩擦力。这种类型的软体爬行机器人具有以下共同特点：1)模块化设计，通过具有不同运动特性的充气模块串联而成，但是这种运动方式的爬行效率不高；2)不具备转向能力，这些软体爬向行机器人只能在单根管道内爬行，难以适应t型和直角l型等需要大角度转弯的管道。这些软体爬行机器人不能出色的完成管道探测任务。

综上所述，如何设计一种新型的软体爬行机器人，能够提高当前软体机器人管道内的爬行效率，并且能适用多种类型的管道，是迫切需要解决的问题，同时也具有重要的理论研究意义和工程应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，提出气驱动软体爬行机器人及其制造和控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提出一种气驱动软体爬行机器人，其特征在于：包括至少两根单根充气伸长型致动器、连接环和触手，所述至少两根单根充气伸长型致动器通过连接环和触手并排组合成所述气驱动软体爬行机器人。

在本发明的一些实施例中，还包括以下技术特征：

所述单根充气伸长型致动器利用输入的气压可实现轴向的单自由度伸长运动。

所述单根充气伸长型致动器包括弹性基体，所述弹性基体为细长圆柱形，由超弹性硅胶材料制作成形，内部中心轴线上有一个充气气腔。

所述单根充气伸长型致动器还包括纤维缠绕线和密封接头，所述纤维缠绕线在致动器表面以双螺旋的方式缠绕，所述密封接头用于固定位置和防止漏气。

所述单根充气伸长型致动器独立控制，当多个致动器充入气压相同时该软体机器人会沿轴线伸长，当多个致动器充入气压不同时，该软体机器人会向气压小的一侧弯曲。

所述触手位于连接环上，具有扇形带凹槽的面，用于增大摩擦力。

本发明还涉及一种气驱动软体爬行机器人制造方法，包括如下步骤：制造单根充气伸长型致动器，然后通过连接环和触手将致动器并排组合成软体爬行机器人。

优选地，单根充气伸长型致动器的制造工艺包括如下步骤：注塑弹性基体；按照弹性基体上的双螺旋轨迹线顺序缠绕纤维线；利用硅胶处理胶水粘贴密封接头，防止漏气。

本发明还涉及一种气驱动软体爬行机器人控制方法，包括前进运动控制，所述前进运动控制包括如下步骤：首先向各单根充气伸长型致动器充气，使软体机器人的尾部触手与管壁的摩擦力变大，头部触手与管壁的摩擦力变小，使得软体机器人尾部触手位置不变，头部触手前向伸长；然后对各单根充气伸长型致动器放气，软体机器人的尾部触手与管壁的摩擦力变小，头部触手与管壁的摩擦力变大，使得软体机器人头部触手位置不变，尾部触手向前收缩；

优选地，通过整体改变所述触手的接触方向，使前进运动变为后退运动。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：本发明提出的上述软体爬行机器人适用于管道探测，能够提高当前软体机器人管道内的爬行效率，并且能适用多种类型的管道。通过水平爬行运动，垂直爬行运动和l型路线爬行运动实验，所设计的软体机器人被证明能够在管道内以较快的速度进行自由爬行，能够克服自身重力的影响，具有良好的转向能力，能够适应复杂的管道线路。同时，扩展实验也证明所设计的软体机器人本体灵活，柔顺性好，通过携带内窥镜摄像机能够完成管道探测任务。

附图说明

图1是本发明实施例充气伸长型致动器设计示意图。

图2是本发明不同纤维缠绕线圈数对充气伸长型致动器的性能的影响对比图。

图3是本发明实施例软体机器人cad设计示意图。

图4、5、6分别是本发明实施例触手cad设计示意图的正面、背面和立体图。

图7是本发明实施例爬行周期示意图。

图8是本发明实施例单根充气伸长型致动器制造工艺流程图示。

图9是本发明实施例制造的一个实物样机实物图。

图10是本发明实施例一个软体机器人样机实物图。

图11是本发明实施例触手对爬行效率的影响示意图。

图12是本发明实施例软体机器人运动描述参数说明图。

图13是本发明实施例单根充气伸长型致动器动力学等效模型图。

图14是本发明实施例单根充气伸长型致动器静力学辨识实验平台示意图。

图15是本发明实施例三根充气伸长型致动器静力学模型与实验数据对比曲线图。

图16是本发明实施例软体机器人坐标系示意图。

图17是本发明实施例空间曲线示意图。

图18是本发明实施例实验系统框图。

图19a、19b、19c是本发明实施例水平爬行运动实拍图。

图20a、20b、20c是本发明实施例垂直爬行运动实拍图。

图21a、21b、21c、21d是本发明实施l形路线爬行运动实拍图。

图22a、22b、22c、22d是本发明实施例波纹管爬行运动实拍图。

图23a、23b、23c分别是本发明实施例不透明pvc管爬行运动中软体机器人所携带的内窥镜摄像机拍摄视频的第1帧、第1400帧、第2693帧实拍图。

图23d、23e、23f分别为前10帧的爬行距离、前1400帧的爬行距离、前2693帧的爬行距离曲线图。

图24a、24b、24c分别是本发明实施例平面爬行运动实拍图。

具体实施方式

为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明下述实施例结合当前软体爬行机器人模块化设计的思路，提出了一种新的组合形式。该软体机器人本体由三根伸长型充气致动器并联组成，单根致动器的不同致动组合，可以实现空间内的弯曲和伸长运动；通过配置不同硬度和大小的触手，赋予了软体机器人多样的爬行能力，提高了其管道爬行速度和管道适应能力。

下面对本发明公开的新型软体爬行机器人进行说明：

1、设计和制造软体爬行机器人

首先设计单根充气伸长型致动器，然后通过连接环和触手将致动器组合成软体爬行机器人。

单根充气伸长型致动器利用输入的气压可实现轴向的单自由度伸长运动。其组成包括：弹性基体、纤维缠绕线、和密封接头。其细长圆柱形基体由超弹性硅胶材料制作成形，内部中心轴线上有一个充气气腔，如图1所示。实际上，当气腔内充气时该致动器不仅会沿轴向伸长，也会产生径向膨胀。为了提高致动效率，避免不必要的膨胀，在致动器表面以双螺旋的方式缠绕纤维线。值得注意的是纤维缠绕线的圈数是影响该驱动器驱动效果的重要因素之一，如果圈数过多，则驱动器需要更大的气压作为输入；如果圈数过少，则驱动器会产生严重的径向膨胀根据图2，纤维缠绕线的圈数越多对致动器的性能提升越高，合适的圈数应大于等于l0/5即总长度的5分之一。另外利用密封接头固定其位置和防止漏气。

该充气伸长型致动器的结构简单，工艺要求较低，便于开发有限元模型和实物制备。而且可以组合形成更多自由度，更强适应性的软体机器人。多个致动器并联组合时，全部致动器输入气压，可以共同伸长和提高刚度；不同致动器输入气压不同，可以产生不同角度的弯曲运动。

虽然单根充气伸长型致动器只有轴向伸长自由度，但是三根致动器就可以组合成一种具有俯仰、偏航和伸长三个自由度的软体机器人。所述软体机器人采用模块化设计方案，其组成包括:三个充气伸长型致动器、连接环、头部触手和尾部触手，如图3所示。软体机器人可以携带内窥镜摄像机、无线摄像机等设备进行管道探测。

图4、5、6为触手的cad设计图。

软体机器人通过中间不可伸长的连接环连接圆周上均匀分布的三个致动器(在变通实施方案中，可以不均匀也可以连接2个或2个以上的单根致动器，本实例中连接的是3个致动器)。三个致动器独立控制，当三个致动器充入气压p1、p2、p3相同时该软体机器人会沿轴线伸长，当三个致动器充入气压不同时，该软体机器人会向气压小的一侧弯曲。软体机器人的触手设计图正面、背面和立体图如图4、5、6所示。

以前进运动为例，如图7所示，该软体机器人的一个运动周期包括两个动作，首先向各致动器充气，软体机器人的尾部触手与管壁的摩擦力变大，头部触手与管壁的摩擦力变小，使得软体机器人尾部触手位置不变，头部触手前向伸长；然后对各致动器放气，软体机器人的尾部触手与管壁的摩擦力变小，头部触手与管壁的摩擦力变大，使得软体机器人头部触手位置不变，尾部触手向前收缩。通过整体改变所述触手的接触方向，前进运动可以变为后退运动。

本实例中，单根充气伸长型致动器结构参数如表1所示，各组份的制备材料如表2所示。

表1单根充气伸长型致动器结构参数

表2单根充气伸长型致动器制备材料

单根充气伸长型致动器的制造工艺分为3步，如图8所示：

(1)注塑弹性基体，组装利用3d打印技术制造的模具，包括腔模、侧模和底膜；然后注入按比例混合的硅胶材料；最后在上表面覆盖钢板使得基体壁厚均匀平整，并在室温下等待其固化；

(2)缠绕纤维线，按照弹性基体上的双螺旋轨迹线顺序缠绕纤维线；

(3)粘贴密封接头，利用硅胶处理胶水粘贴密封接头，防止漏气。

图9为制造的实物样机。

如图10所示，通过组装用3d打印技术，树脂材料制造的柔性触手，即可得到完成的软体机器人样机。

2、选择触手材料硬度和角度大小

软体爬行机器人的爬行效率受到其与管壁之间的摩擦力的影响。摩擦力的大小与触手材料硬度和触手与管壁接触面积有关，通过实验辨识了最优的触手材料硬度和角度大小。

由于触手的材料硬度和大小直接影响到软体机器人的爬行效率，因此根据不同的材料硬度(50a、70a、90a)和触手角度(30°、60°、90°、120°)对不同的触手进行了水平爬行速度测试实验。实验结果如图11所示，硬度为70a的触手，随着角度的增大，爬行速度也增大，其他硬度的触手在角度增大的过程中爬行速度出现了不同程度的波动。结合软体爬行机器人后退转向等其他运动，实验结果表明介于此范围之间的材料硬度和触手角度均可以得到较为客观的爬行速度即大于等于1cm/s。在配置肖氏硬度为70a，角度大小为120°的触手时，软体机器人爬行效率最高，所以之后的实验全部在配置该类型触手的情况下进行。

3、建立软体爬行机器人运动学模型

3.1、首先建立单根充气伸长型致动器的静力学模型，然后建立软体爬行机器人的正运动学和逆运动学模型，为软体爬行机器人的运动轨迹规划和闭环伺服控制建立基础。

具体包括：

本实例的操作空间参数如图12所示，该软体机器人的建模过程可以分为两个部分：1)根据三个单根伸长型致动器的输入气压{p1,p2,p3}计算每根致动器的长度{l1,l2,l3}这部分建模属于单根伸长型致动的静力学建模；2)由每根致动器的长度{l1,l2,l3}计算软体机器人的构型空间参数曲率，弯曲角和扭转角{k,θ,φ}，然后根据构型空间参数计算软体机器人的末端在笛卡尔空间的位置{x,y,z}。其中的难点在于如何解决单根充气伸长型致动器的静力学建模和软体机器人的逆运动学推导。

基于充气伸长型致动器的结构及动态特性，本实例基于唯象建模理论，采用voight建模方法建立了伸长型致动器的非线性动力学等效模型，模型中将伸长型致动器等效为阻尼环节、弹性环节及推力环节并联的机构，如图13所示。

在图13所示的动力学等效模型中，阻尼系数和致动器的动态特性密切相关，直接影响了其伸长运动的速度；弹性系数和致动器能够伸长的长度密不可分；而推力环节并不直接作用于某一变量，它是由致动器本身的特性决定的，包括基体与纤维缠绕线之间的摩擦力等综合形成的一种结果。根据文献可知，这三个环节均与内部气压成线性关系，则单根伸长型致动器的动力学模型表达式为：

式中，

其中，m为负载质量、g为重力加速度，y分别为致动器伸长位移、伸长速度和伸长加速度，kp、bp、fp分别为弹性系数、阻尼系数和推力系数。

在不考虑动态过程的情况下，致动器的致动加速度和速度均为0，则根据公式(1)可以推导出其静力学模型为：

kpy+mg＝fp(3)

式中的kp和fp与充入气压的关系可通过静态辨识实验得到。静态辨识实验平台如图14所示。静态辨识实验步骤如下：

1)测量竖直无负载状态下单个伸长型致动器的长度；

2)以10kpa为增量，每加压10kpa测量一次伸长长度，直至100kpa；

3)改变负载，重复上述1),2)过程；

4)再次改变负载，重复1),2)过程。

首先，重复三次上述静态辨识实验后取平均，以保证数据准确性。然后，在保持气压不变的情况下，以负载为自变量，采集的伸长长度数据为因变量，通过最小二乘拟合即可得到一组固定气压下的弹性系数kp和推力系数fp。再者，依次计算出10kpa至100kpa十组不同气压下的弹性系数kp和推力系数fp。最后，再次通过最小二乘法，即可辨识弹性系数kp和推力系数fp与气压p的关系。通过对三根伸长型致动器依次进行静态辨识实验，可以得到其静力学模型中的参数分别为：

三根充气伸长型致动器的静力学模型计算值与样机测量值之间的对比如图15所示，每根致动器的静力学模型计算值与样机测量值几乎吻合，说明所建立的静力学模型是正确的。同时，图中三根致动器的伸长运动性能相似，说明制造和控制方法是可行的，能够在短时间内快速制造多根致动器。

当软体机器人在管道内爬行时，致动器的静力学仍需加入摩擦力的影响，管道排布方式不同自身重力和摩擦力的方向不同。

kpy+my+fμ＝fp(10)

式中，fμ为致动器与管壁之间的摩擦力，其他参数均已在上文中讲明。

3.2软体机器人运动学建模

3.2.1软体机器人正运动学

所建立的软体机器人运动学模型基于以下假设：

a)软体机器人的弯曲形状符合常曲率构型，即软体机器人的中心线各部分曲率相同；

b)各致动器内部气腔腔室是平行的，并且在同一处的横截面相等；

c)软体机器人在每个运动周期中，总有一端是固定的，以前进运动为例，充气过程中尾部相当于基座固定；

d)为了降低建模的复杂性，在没有重力和载荷的情况下分析软体机器人。

根据图16所示坐标系，可以得到组成软体机器人的三根伸长型致动器的伸长量{l1,l2,l3}。接着，根据公式(11)-(13)可以得到软体机器人构型空间参数{k,θ,φ}

式中，li(i＝1,2,3)分别表示三根充气伸长型致动器的长度，d代表软体机器人中心线与致动器气腔中线线之间的距离。因为三根致动器之间存在一定程度的运动耦合，所以d需要在物理距离的基础上加如虽输入气压变化的关系，d可以表示为与输入气压成函数关系

d＝f(p1，p2，p3)(14)

然后根据软体机器人构型空间参数{k,θ,φ}计算软体机器人的笛卡尔空间位置{x,y,z}。首先，基于上述假设，软体机器人可以简化为一条曲线，如图17所示。软体机器人的基座坐标系与软体机器人的末端坐标系之间的转换关系，可通过齐次转换矩阵来描述

式中，r是旋转矩阵；pd是位移向量。

由图17可知，坐标系变换的完整过程包括四个步骤：1)绕z轴旋转扭转角φ；2)绕y轴旋转弯曲角θ；3)坐标原点平移向量pd；4)绕z轴旋转扭转角负φ；因此，变换矩阵的最终形式如下：

3.2.2软体机器人逆运动学

逆运动学即在已知软体机器人笛卡尔空间位置{x,y,z}的情况下，反向计算软体机器人的构型空间参数{k,θ,φ}和致动器长度{l1,l2,l3}。逆运动学对于软体机器人来说意义重大，是提高软体机器人的实时控制能力、软体机器人轨迹规划和避障研究的基础。由{x,y,z}计算{k,θ,φ}已经相对比较成熟，这里不再赘述。由{k,θ,φ}计算{l1,l2,l3}可根据公式(17)-(19)

实验系统如图18所示，实验系统主要由直流稳压电源、上位机、流体控制板和软体机器人等部分组成.流体控制板主要功能是利用气泵、pwm(脉冲宽度调制,pulsewidthmodulation)模块、电磁阀和气压传感器实现对软体机器人的充放气控制，从而控制致动器的展开状态。直流稳压电源为流体控制板提供合适的工作电压.上位机为流体控制板提供控制信号。

4、应用场景

4.1水平爬行运动

为了测试所设计的软体机器人的运动性能首先进行了水平爬行运动实验，如图19的摄影序列所示。固定步态下，软体机器人在水平管道内的向前爬行速度约为1.83cm/s，向后爬行速度约为1.77cm/s。

4.2垂直爬行运动

第二个实验，如图20的摄影序列所示，展示了软体机器人的垂直爬行运动性能。该实验证明了软体机器人能够动态地支持其自身的重量。固定步态下，软体机器人在垂直管道内的向上爬行速度约为1.29cm/s，向下爬行速度约为1.91cm/s。

4.3l形路线爬行运动

第三个实验，如图21a、21b、21c、21d是l形路线爬行运动爬行过程中的摄影序列，展示了软体机器人通过切换爬行步态、改变本体构型以实现直角转弯的运动能力。软体机器人首先在垂直管道内向下爬行，然后穿过直角弯头，继续水平管道内向前爬行，并成功穿过存在缺口的管道。

4.4扩展实验

4.4.1波纹管爬行运动

为测试软体机器人的柔顺性，进行了波纹管爬行运动扩展实验，软体机器人能够在不同构型的波纹管中自由爬行。图22a、22b、22c、22d分别是波纹管爬行运动中的4个时点0s、58.34s、83.65s和108.86s的实拍图。图中画黑色虚框的部分为机器人所在的位置。

4.4.2不透明pvc管爬行运动

为测试软体机器人在实际管道中的探测能力，进行了不透明pvc管爬行运动扩展实验，如图23a、23b、23c所示，是不透明pvc管爬行运动实拍图，分别为软体机器人所携带的内窥镜摄像机拍摄视频的第1帧、第1400帧、第2693帧；图23d、23e、23f分别为前10帧的爬行距离、前1400帧的爬行距离、前2693帧的爬行距离。通过所携带的内窥镜摄像机，软体机器人可以实时回传管道内的情况，通过视频处理，检测视频流中管道末端口径的大小，我们计算出了软体机器人在管道内的相对位置。

4.4.3平面爬行运动

为了测试软体机器人的环境适应能力，进行了平面爬行运动扩展实验，如图24a、24b、24c的摄影序列所示。软体机器人在管道外依然能够借助触手与地面的摩擦力向前蠕动。

基于模块化的思路，本发明上述实施例提出了一种新型的适用于管道探测的软体爬行机器人，完成了软体机器人的结构设计、有限元仿真、运动学建模、样机制造和样机实验等一整套软体机器人开发设计步骤。通过实验选出了最优的触手材料硬度和尺寸，通过水平爬行运动，垂直爬行运动和l型路线爬行运动实验，所设计的软体机器人被证明能够在管道内以较快的速度进行自由爬行，能够克服自身重力的影响，具有良好的转向能力，能够适应复杂的管道线路。同时，扩展实验也证明所设计的软体机器人本体灵活，柔顺性好，通过携带内窥镜摄像机能够完成管道探测任务。

所提出的模块化软体机器人允许串联得到更长的结构，进一步提高软体机器人在管道内的转向能力。对该软体机器人可适应各种各样的应用场景。例如，设计能够在人体消化和循环系统内导航的自动微型软体机器人，能够在不施加外力和人工干预的情况下到达人体内的位置。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。