专利名称：一种全皮肤翻转运动软体机器人的制作方法
技术领域：
本发明属于机器人技术领域，具体是一种通过全皮肤翻转方式运动的软体机器人。
背景技术：
近年来，机器人的驱动和运动方式一直是移动机器人研究的重点之一，目前各种移动方式的机器人层出不穷，如轮式机构、腿式机构(跳跃、双腿，多腿)以及摆动游走机构，如机器鱼、机器蛇或机器尺蠖虫等，这些机器人在一些使用的场合显示出特有的优点，如轮式机器人驱动简单、速度快，腿式机器人具备一定跨越能力，蛇形机器人依靠摆动等也
能穿越一些障碍等。但在一些非结构环境下，受尺寸和作业空间的限制，如在管道检测、人体医疗检查、倒塌狭小空间搜救等，由于应用的场合属于非结构环境，并且会遇到各种障碍，对机器人的移动方式提出更高的要求，如需要能进入狭窄管道进行检查，或是能无损害地进入人体消化道进行检查，或是能进入尺寸比自身更小的地下空间进行搜救或运送饮食等。因此，机器人能够在复杂而无规则的地形中移动变得至关重要，这就要求机器人能够更好适应环境，随着环境的变化改变自身的状态。目前常规的刚性机器人和其驱动方式已不能满足上述的需求。中国专利申请CN201010129066.2公开了 “一种搜救机器人”，其包括基体，中间骨架，电机，PVC管，摄像机和光源模块等。其中，基体为圆环形柱状且头尾两端为半球形的弹性软体结构，多个电机和PVC管均固定在基体的弹性薄膜上，通过电机的转动使相对应的PVC管产生束紧力，该束紧力在弹性薄膜方向上的分力，即为驱动力，在该驱动力作用下，机器人基体的尾端体积缩小，而整个机器人的基体体积不变，从而使得基体前端体积增大，前段的内部皮肤翻转出来，尾端外部皮肤翻转进去，从而使得搜救机器人前进。由于需要通过电机转动来驱使PVC管收缩，从而挤压基体产生驱动力来驱动机器人，所以整个机器人的结构较为复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够在复杂而无规则的环境中移动的且结构简单机器人。实现本发明目的的技术方案是:一种全皮肤翻转运动软体机器人，具有圆环形柱状弹性软体结构的基体，还具有多个均布在基体上的控制环，控制环包括沿基体的轴向设置的轴向控制环和沿径向设置的径向控制环，其中，轴向控制环和径向控制环都是由多个离子交换聚合金属材料研制的控制单元和弹性带相互间隔串联而形成，轴向控制环和径向控制环的弹性带在交错处相互连接形成十字形结构，控制单元中都封装有能通过无线通讯接受控制信号的控制芯片。所述的基体由弹性皮肤薄膜和封装在弹性薄膜内的液体组成。
所述的控制单元是由离子交换聚合金属材料制成，尤其是阳离子交换型氟基聚合膜-钼结构的材料，其能以较低的电压激励产生较大的位移变形。所述对控制单元施加的控制信号是对控制单元的电源的通断、频率以及加载的电压进行控制的脉宽调制信号。本发明具有积极的效果:本发明的基体是由弹性皮肤薄膜和封装在弹性皮肤薄膜内的液体组成的圆环形柱状体软体结构，采用纵横交错、类似网状的控制环包覆在基体上，通过离子交换聚合金属材料的控制单元产生驱动力，尤其是阳离子交换型氟基聚合膜-钼结构的控制单元，其能以较低的电压激励产生较大的位移变形，代替了电机，可以省掉齿轮、轴承等复杂的结构，同时减轻了重量，更重要的是这种驱动执行系统有弹性、有一定的抵抗破坏的能力，且结构简单、易变形、不受传统机械结构的限制且不易损坏。由于基体的皮肤具有很大弹性，能通过改变基体的长度、端面直径和改变形态等，以在各种复杂的环境中移动。
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中图1为本发明全皮肤翻转运动软体机器人的立体结构示意图。图2为本发明全皮肤翻转运动软体机器人的轴向结构示意图。图3为本发明全皮肤翻转运动软体机器人的径向结构示意图。图4为本图3中的A-A剖视图。图5为本发明全皮肤翻转运动软体机器人向前运动的示意图。
具体实施例方式离子交换聚合金属材料，英文全称为:1n-exchange Polymer Metal Composite,即IPMC，是一种人工肌肉材料，由于较低的驱动电压能使其产生较大的位移变形，作为一种新型执行器非常适用于仿生机器人的开发。图1、2、3、4所示为本发明的一种全皮肤翻转运动软体机器人，具有基体1，基体I为圆环形柱状弹性软体结构，控制环2均布在基体I上。基体I的整个皮肤薄膜是弹性材料，弹性的皮肤薄膜内封装有液体。控制环2包括沿基体I的轴向设置的轴向控制环2-1和沿径向设置的径向控制环2-2，轴向控制环2-1和径向控制环2-2的具体数量可根据基体I的长度和控制要求等具体确定，图1中示出了 4条轴向控制环2-1以及多条径向控制环2-2。轴向控制环2-1和径向控制环2-2都是由多个控制单元3和弹性带4相互间隔串联而成，其中控制单元3由离子交换聚合金属材料(IPMC)制成。轴向控制环2-1和径向控制环2-2的弹性带4在基体I的皮肤表面相互交错，弹性带在交错处相互连接形成十字形结构，从而形成纵横交错的控制环，类似网状地包覆在基体I上，具有很好的稳定性。控制单元3中都封装一个控制芯片(图中未示出)，控制芯片通过无线通讯接受主机的控制信号，控制信号采用的是脉宽调制的方式(PWM)，对控制单元3的电源的通断、频率以及加载的电压等进行控制。其中，控制单元3尤其可以采用阳离子交换型氟基聚合膜-钼结构作为功能材料，该材料是以聚合物薄膜为基体骨架，通过镀涂的方法将钼金属颗粒渗透并沉积在膜表面而形成的一种复合材料，其在低电压的刺激下，水合阳离子的规则排布能够使膜产生较大的弯曲变形。基体I为圆环形柱状结构，其圆环形柱的内圈的皮肤为内皮肤，外圈的皮肤为外皮肤，内、外皮肤可在连续翻转运动中不断相互转换。其中，在驱动机器人向前运动的时候，位于尾部的径向控制环2-2收到控制信号，产生收缩运动，使基体I的尾端体积减小，而由于基体I的整体体积不变，则基体I的前端体积增大，从而使前端的内皮肤翻转出来而转换成外皮肤，尾部外端的内皮肤则翻转进去转换成内皮肤，在翻转的过程中，基体I的外皮肤与地面摩擦，从而使基体I向前运动。基体I向前连续运动的过程中，总是不停地由位于尾端的径向控制环2-2产生收缩运动，促使机器人的内、外皮肤连续进行翻转转化，通过皮肤与地面的接触促使基体I连续向前运动。在机器人需要转弯的时候，由轴向控制环2-1进行控制转向，例如，机器人在前进过程中需要向左转弯时，可以由位于左侧的轴向控制环2-1产生收缩，产生收缩的控制单元可以是整个左侧轴向控制环上的所有控制单元，也可以是位于轴向控制环前端的部分控制单元，具体根据基体I的长度、转弯的幅度等确定，一般可以是整个基体I长度1/3处的控制单元产生收缩运动，挤压基体I前端的左侧，使基体I前端的左侧收缩，从而使基体I转向。机器人的移动过程如图5所示:图5(a)表示机器人的初始状态，准备向左运动，当机器人基体右端的径向控制环产生收缩，基体右端受到一定的径向收缩压力F之后，其内层皮肤向左运动，外层皮肤向着右边移动，于是机器人运动到图5(b)状态，此时位于右端的径向控制环再施加压力，机器人运动到图5(c)状态，内、外皮肤发生连续不断的翻转，在连续翻转的过程中，外皮肤与地面产生摩擦，促使机器人能向前移动。需要后退时，只需控制相对另一端的径向控制环即可。如需转弯时，在一侧的轴向控制环的前端施加压力，就能改变运动方向。如果在整个机器人的基体上施加力的作用，机器人将产生变形，体积变得细长，就能进入更小的空间。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种全皮肤翻转运动软体机器人，具有圆环形柱状弹性软体结构的基体(1)，其特征在于:还具有多个均布在基体⑴上的控制环(2)，控制环⑵包括沿基体⑴轴向设置的轴向控制环(2-1)和沿径向设置的径向控制环(2-2)，其中，轴向控制环(2-1)和径向控制环(2-2)都是由多个离子交换聚合金属材料研制的控制单元(3)和弹性带(4)相互间隔串联而形成，轴向控制环(2-1)和径向控制环(2-2)的弹性带⑷在交错处相互连接形成十字形结构，控制单元(3)中都封装有能通过无线通讯接受控制信号的控制芯片。
2.根据权利要求1所述的一种全皮肤翻转运动软体机器人，其特征在于:所述的基体(I)由弹性皮肤薄膜和封装在弹性薄膜内的液体组成。
3.根据权利要求1所述的一种全皮肤翻转运动软体机器人，其特征在于:所述的控制单元(3)是由离子交换聚合金属材料制成，尤其是阳离子交换型氟基聚合膜-钼结构的材料，其能以较低的电压激励产生较大的位移变形。
4.根据权利要求1所述的一种全皮肤翻转运动软体机器人，其特征在于:所述对控制单元⑶施加的控制信号是对控制单元⑶的电源的通断、频率以及加载的电压进行控制的脉宽调制信号。
全文摘要
本发明涉及一种全皮肤翻转运动软体机器人，具有圆环形柱状弹性软体结构的基体以及多个均布在基体上的控制环，控制环包括沿基体轴向设置的轴向控制环和沿径向设置的径向控制环，其中，轴向控制环和径向控制环都是由多个离子交换聚合金属材料研制的控制单元和弹性带相互间隔串联而形成，轴向控制环和径向控制环的弹性带在交错处相互连接形成十字形结构，控制单元中都封装有能通过无线通讯接受控制信号的控制芯片。本发明的机器人结构简单、易变形、不受传统机械结构的限制且不易损坏，能在各种复杂的环境中移动。
文档编号B62D57/02GK103101583SQ20111035460
公开日2013年5月15日 申请日期2011年11月10日 优先权日2011年11月10日
发明者骆敏舟, 王美铃, 孙恒辉, 钱荣荣, 冯宝林 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院