一种基于巨电流变液的软壳球形机器人及控制方法与流程

本发明涉及球形机器人技术领域，特别是涉及一种基于巨电流变液的软壳球形机器人及控制方法。

背景技术：

球形机器人是一种具有球形外壳，通过滚动来行走的机器人。与传统的足式机器人和轮式机器人相比，具有不存在翻倒、运动灵活、能适应各种恶劣地形的优点。尤其是软壳球形机器人，相比于传统的足式机器人和轮式机器人，对地面的压强更小。但是，在不平整路段或者高处跌落时，也会使球形机器人造成损伤。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于巨电流变液的软壳球形机器人及控制方法，能够实现全方位运动，且在软壳球形机器人通过不平路面或跌落时提供保护。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于巨电流变液的软壳球形机器人，包括软球壳体以及嵌套在所述软球壳体内部的硬质内球腔体；所述软球壳体的球形表面覆盖有充满巨电流变液的软层；

所述硬质内球腔体的中心为中心多孔式球形容器，在所述中心多孔式球形容器的外表面对称分布着若干相同的分布式带孔小球容器，且每个所述分布式带孔小球容器均通过带有巨电流变液控制阀的导管与所述中心多孔式球形容器连通；

所述中心多孔式球形容器的中心为中心液压泵与分布式电场控制系统，且所述中心多孔式球形容器内充有巨电流变液材料；所述巨电流变液控制阀与所述中心液压泵与分布式电场控制系统电连接。

可选的，所述中心液压泵与分布式电场控制系统包括分布式电场控制器以及与所述分布式电场控制器电连接的中心液压泵；其中，所述巨电流变液控制阀与所述分布式电场控制器电连接。

可选的，所述软壳球形机器人还包括固连块；每个所述分布式带孔小球容器均通过所述固连块与所述硬质内球腔体的内壁固定连接。

可选的，所述分布式带孔小球容器的个数为6个，对称分布在所述中心多孔式球形容器的外表面。

可选的，所述巨电流变液控制阀为内部为圆柱结构，外部为圆筒结构的同心圆筒形结构；所述圆柱结构和所述圆筒结构的重心在同一位置，且所述圆柱结构和所述圆筒结构之间存在间隙；所述圆筒结构上开设有对称分布的进油口和出油口；其中，所述圆柱结构为中心高电极，所述圆筒结构为接地电极。

可选的，所述巨电流变液控制阀的传动介质为巨电流变液；

当所述巨电流变液从所述进油口流入且所述中心高电极与所述接地电极之间存在电场时，位于所述中心高电极与所述接地电极之间的巨电流变液由液态向类固态转变；当去除所述中心高电极与所述接地电极之间电场时，位于所述中心高电极与所述接地电极之间的巨电流变液由类固态向液态转变，以实现所述出油口流量的控制。

可选的，所述接地电极和所述中心高电极之间设置有隔热网，且所述隔热网位于所述接地电极和所述中心高电极的两端。

可选的，在初始平衡状态时，巨电流变液占所述中心多孔式球形容器的2/3，且在竖直方向最靠近地面的所述分布式带孔小球容器有巨电流变液，其余所述分布式带孔小球容器为空腔，以保持所述软壳球形机器人静止不动。

可选的，在初始平衡状态时，当所述软层加上合适电场时，所述软壳球形机器人与地面接触部分的软层变硬，以保持所述软壳球形机器人静止不动。

一种基于巨电流变液的软壳球形机器人的控制方法，包括：

控制软壳球形机器人运动方向的步骤；具体为：

首先分布式电场控制器控制中心液压泵产生负压，使竖直方向最靠近地面的分布式带孔小球容器内的巨电流变液吸进中心多孔式球形容器中；然后分布式电场控制器控制巨电流变液控制阀的电场，使除前进方向以外的巨电流变液控制阀都通有合适的电场；接着分布式电场控制器控制中心液压泵加压，使巨电流变液流入前进方向的分布式带孔小球容器内，从而使得整个软壳球形机器人的质心发生改变；

当充有巨电流变液的分布式带孔小球容器运动到软壳球形机器人球心的下方时，分布式电场控制器控制各个巨电流变液控制阀的电场，使各个巨电流变液控制阀都通有合适的电场；然后分布式电场控制器控制中心液压泵通过负压方式抽出各个巨电流变液控制阀的巨电流变液，并将巨电流变液吸进中心多孔式球形容器中；接着分布式电场控制器控制改变除前进方向以外的巨电流变液控制阀的电场，使除前进方向以外的巨电流变液控制阀都通有合适的电场；最后分布式电场控制器控制中心液压泵加压，使巨电流变液流入前进方向的分布式带孔小球容器内，重复上述操作，以使软壳球形机器人朝前后左右各个方向滚动；

控制软壳球形机器人运动速度的步骤；具体为：

当需要控制软壳球形机器人运动速度时，通过调节巨电流变液控制阀的电场，使巨电流变液在流经导管时的黏度实现无级变化，从而控制软壳球形机器人的运动速度；

控制软壳球形机器人软层硬度的步骤；具体为：

当软壳球形机器人通过不平整的路面或者从高处掉落时，通过外界电场在微秒级的时间内控制改变软层内巨电流变液的阻尼，以控制软壳球形机器人的软层硬度，进而获得良好的减震效果，减轻软壳球形机器人的损伤。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种基于巨电流变液的软壳球形机器人及控制方法，该软壳球形机器人通过巨电流变液填充材料输入输出不同空腔来实现质心变化，从而驱动软壳球形机器人朝各个方位进行运动，从而实现全方位运动。

本发明提供的软壳球形机器人的球形表面为一层充满巨电流变液的软层，由独立的电场控制其阻尼变化，在软壳球形机器人通过不平路面或跌落时提供保护。

本发明还提供了两种使软壳球形机器人在平地驻扎的方案，避免软壳球形机器人受风力影响而滚动，保证软壳球形机器人在初始平衡状态时静止不动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例基于巨电流变液的软壳球形机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例巨电流变液控制阀结构图；

图3为本发明实施例软壳球形机器人在稳定状态下保持静止的两种方法的原理图；

图4为本发明实施例软壳球形机器人的运动原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

巨电流变液有如下特性：(1)在液体和类固体之间快速转换，即在静态或低剪切速率下表观粘度可发生很大变化，具有固体属性的抗剪切能力；(2)这种液体和类固体之间的转换是可逆的；(3)这种液体和类固体之间的转换是可控的，只需对电场信号予以控制；(4)这种表观粘度的改变是随着电场强度的变化而连续变化的；(5)这种变化可以在毫秒之内完成，响应速度极高；(6)控制这种相变的能量极低。这些优异的性能使其成为一种重要的人工智能材料和高效机电一体化中非常有潜力的智能材料。

巨电流变液材料在外加合适电场的情况下能在微秒级的时间内实现阻尼的变化，对需要快速调节阻尼实现减震效果的的场合非常适用。而且相比传统的电流变液，它具有良好的抗沉降特性。

实施例一

如图1所示，本实施例提供的基于巨电流变液的软壳球形机器人包括软球壳体2以及嵌套在软球壳体2内部的硬质内球腔体1；其中，软球壳体2的球形表面覆盖有充满巨电流变液的软层。

硬质内球腔体1的中心为中心多孔式球形容器3，在中心多孔式球形容器3的外表面对称分布着若干相同的分布式带孔小球容器6，且每个分布式带孔小球容器6均通过带有巨电流变液控制阀4的导管5与中心多孔式球形容器3连通。

中心多孔式球形容器3的中心为中心液压泵与分布式电场控制系统7，且中心多孔式球形容器3内充有巨电流变液材料。其中，中心液压泵与分布式电场控制系统7包括分布式电场控制器以及与分布式电场控制器电连接的中心液压泵。巨电流变液控制阀4与中心液压泵与分布式电场控制系统7电连接，具体为该巨电流变液控制阀4与分布式电场控制器电连接。

优选的，该软壳球形机器人还包括固连块8；每个分布式带孔小球容器6均通过固连块8与硬质内球腔体1的内壁固定连接。

优选的，分布式带孔小球容器6的个数为6个，对称分布在中心多孔式球形容器3的外表面。

巨电流变液是一种外加电场作用下，其流变性能发生快速、可逆和明显改变的流体。在零电场作用下，巨电流变液为牛顿(newton)流体，在电场作用下，巨电流变液近似于宾汉姆(bingham)流体。本实施例利用巨电流变液控制阀4中的巨电流变液的表观粘度在电场的控制下，在一定的条件和范围内实现无级调节的原理来控制巨电流变液的流动；在恒流量时，通过巨电流变液控制阀4进出口间压力差实现无级调节；在定压差时，可实现流量的无级调节。

如图3所示，巨电流变液控制阀4是由中心高电极41、隔热网42、接地电极43、进油口44、出油口45组成。巨电流变液控制阀4的传动介质是巨电流变液。

巨电流变液控制阀4为内部为圆柱结构，外部为圆筒结构的同心圆筒形结构；圆柱结构和圆筒结构的重心在同一位置，且圆柱结构和圆筒结构之间存在间隙；其中，圆柱结构的直径为d，圆筒结构的外径为d，圆柱结构和圆筒结构之间的间隙为h，巨电流变液控制阀4总长度为l。

圆筒结构上开设有对称分布的进油口44和出油口45；其中，圆柱结构为中心高电极41，圆筒结构为接地电极43。

在接地电极43和中心高电极41之间设置有隔热网42，且该隔热网42位于接地电极43和中心高电极41的两端。

这种巨电流变液控制阀4的工作原理是：当巨电流变液从进油口44流入且中心高电极41与接地电极43之间存在电场时，位于中心高电极41与接地电极43之间的巨电流变液在瞬间由液态向类固态转变，从而实现出油口45流量的控制；而当去除中心高电极41与接地电极43之间电场时，位于中心高电极41与接地电极43之间的巨电流变液又由类固态向液态转变。

如图3所示，初始平衡状态时，巨电流变液占中心多孔式球形容器3的2/3，且在竖直方向最靠近地面的分布式带孔小球容器6有巨电流变液，其余分布式带孔小球容器6都是空腔。这种情况下软壳球形机器人的质心位于通过球心的铅直方向并靠近下侧位置，保证软壳球形机器人在初始平衡状态时静止不动。

初始平衡状态时，在软球壳体2上加上合适的外界电场，使软壳球形机器人与地面接触部分的软层变硬，这样软壳球形机器人需要一定的倾覆力矩才能运动，避免了受风力等外界微小外力的影响而产生移动，也保证软壳球形机器人在初始平衡状态时静止不动。

实施例二

本实施例提供了一种基于巨电流变液的软壳球形机器人的控制方法，如图4所示的原理，该控制方法具体包括以下步骤。

步骤一：控制软壳球形机器人运动方向的步骤；具体为：

首先分布式电场控制器控制中心液压泵产生负压，使竖直方向最靠近地面的分布式带孔小球容器6内的巨电流变液吸进中心多孔式球形容器3中；然后分布式电场控制器控制巨电流变液控制阀4的电场，使除前进方向以外的巨电流变液控制阀4都通有合适的电场；接着分布式电场控制器控制中心液压泵加压，使巨电流变液流入前进方向的分布式带孔小球容器6内，从而使得整个软壳球形机器人的质心发生改变。

当充有巨电流变液的分布式带孔小球容器6运动到软壳球形机器人球心的下方时，分布式电场控制器控制各个巨电流变液控制阀4的电场，使各个巨电流变液控制阀4都通有合适的电场；然后分布式电场控制器控制中心液压泵通过负压方式抽出各个巨电流变液控制阀4的巨电流变液，并将巨电流变液吸进中心多孔式球形容器3中；接着分布式电场控制器控制改变除前进方向以外的巨电流变液控制阀4的电场，使除前进方向以外的巨电流变液控制阀4都通有合适的电场；最后分布式电场控制器控制中心液压泵加压，使巨电流变液流入前进方向的分布式带孔小球容器6内，重复上述操作，以使软壳球形机器人朝前后左右各个方向滚动。

步骤二：控制软壳球形机器人运动速度的步骤；具体为：

当需要控制软壳球形机器人运动速度时，通过调节巨电流变液控制阀4的电场，使巨电流变液在流经导管5时的黏度实现无级变化，从而控制软壳球形机器人的运动速度。

步骤三：控制软壳球形机器人软层硬度的步骤；具体为：

当软壳球形机器人通过不平整的路面或者从高处掉落时，通过外界电场在微秒级的时间内控制改变软层内巨电流变液的阻尼，以控制软壳球形机器人的软层硬度，进而获得良好的减震效果，减轻软壳球形机器人的损伤。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

第一，通过电场来对巨电流变液控制阀实现控制，响应时间短，控制精度高，耗能少。

第二，通过中心液压泵驱动巨电流变液进入不同的分布式带孔小球容器来改变软壳球形机器人的质心，结构简单，可靠性高。

第三，软壳球形机器人的外表面覆盖有充满巨电流变液的软层，通过电场控制，巨电流变液材料的阻尼会在微秒级的时间内实现变化，来减轻软壳球形机器人从高处坠落时或在经过不平路面时的损伤。

第四，软壳球形机器人外表面为软体，具有保护自身以及摩擦力大的优点。

第五，巨电流变液控制阀只需局部电压便可以控制，耗能小，填充溶液为巨电流变液材料，一体化程度高。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。