专利名称：基于静水骨骼机理特性的仿生软体机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种仿生软体机器人，特别的涉及应用于管道检修、医疗诊治、废墟搜救以及军事侦察等非结构化作业环境中的基于静水骨骼机理特性的仿生软体机器人。
背景技术：
随着科学技术的不断发展，机器人已广泛应用于社会的各个领域，如工业、医疗、 农业、军事和救灾等。传统的机器人驱动方式，如轮式、腿式以及摆动游走等刚性驱动机构， 在某些应用场合下显示出特有的优点，但在管道检修、医疗诊治、废墟搜救以及军事侦察等非结构化环境应用场合下，由于作业环境狭窄、多变并且存在各种未知障碍，因此机器人的自主移动和越障实现相对困难，可能无法到达作业地点。从自然界无脊椎动物(如海参、乌贼等)能将刚性和柔性机能进行完美融合获得启发，设计基于无脊椎动物特性的软体机器人成为有望突破仿生机器人研究瓶颈的新方法。软体机器人主要由弹性基础材料构成，依靠空间上的连续变形进行运动，理论上具有无限多运动自由度，其末端执行器能到达三维作业空间任意位置点，由于内部不含刚性结构，因此在穿越障碍物时，能最大限度地降低冲击载荷和屈服抗力，减少本体损伤。软体机器人能够通过自身形状变化来适应狭窄、多变的作业环境，这使得它们成为在管道检测、人体医疗诊治、废墟搜救等非结构化应用场合中的理想选择。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够连续变形、方便在非结构化场合应用的基于静水骨骼机理特性的仿生软体机器人。实现本发明的技术方案如下一种基于静水骨骼机理特性的仿生软体机器人，具有弹性外壳，弹性外壳内装有不可压缩流体和用于完成机器人特定任务的负载装置；上述弹性外壳由细胞单元拼接组成；上述细胞单元具有弹性细胞外壁和细胞腔体，细胞腔体内设有磁流变液、用来产生电磁场促使磁流变液发生“固-液形态转换”的微电磁驱动装置和用来收发指令信息及控制微电磁驱动装置工作的细胞单元控制器。上述弹性外壳由20个细胞单元组成，且每个单元细胞外形为大小相等的正三角形状。上述细胞单元互相之间采用Ecoflex弹性材料胶接，细胞单元的细胞外壁采用硅胶(XSiO2 · yH20)制成。上述细胞腔体内的磁流变液为在传统的羰基铁磁流变液中添加Cr02硬磁粉和硅油后形成的铁复合物。上述单元控制器包括用来与控制系统上位机互通的蓝牙接收芯片、无线信号解调电路、CAN接口、微处理器、PWM调制电路和D/A转换接口 ；上述蓝牙接收芯片型号为 nRFMOl，与无线信号解调电路电连接，无线信号解调电路与CAN接口和微处理器电连接，CAN接口与微处理器电连接，微处理器与PWM调制电路电连接，PWM调制电路与D/A转换接口电连接。本发明采用上述技术方案得到了以下的有益效果(1)本发明根据无脊椎动物依靠静水骨骼实现运动的机理特性，利用多单元智能驱动材料在电磁场作用下的有序“固-液态形态转换”，来模拟静水骨骼产生变体运动的机理，实现驱动机器人自主移动和柔性越障的目的。由于本发明软体机器人不含刚性结构，依靠弹性材料空间上的连续变形进行运动，因此能到达三维作业空间任意位置点。(2)本发明软体机器人采用磁致流变体的非接触式驱动方式实现机器人的驱动， 无需专门的驱动装置，有利于减小机器人本体的外形设计尺寸，尽可能小巧灵活。(3)本发明软体机器人采用多单元并行时序控制的方法，能实时控制各单元变形的顺序、程度和方向，因此能合理分配驱动力，实现机器人前进、转弯和越障等变体运动。
图1为本发明软体机器人的结构示意2为软体机器人细胞单元的结构示意图。图3为图2中A-A向剖面示意图。图4为软体机器人运动原理示意图。图5为软体机器人穿越孔洞过程示意图。图6为细胞单元控制器的原理框图。图7为细胞单元控制器的部分电路示意图。图8为细胞单元控制器的工作流程图。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。如图1、图2和图3所示，本发明仿生软体机器人总体结构主要由弹性外壳1、不可压缩流体2和负载装置3组成。上述弹性外壳为正面体类球形结构，由二十个细胞单元10 组成，每个细胞单元10为正三角形，具有相等的面、边和角度。细胞单元外壁材料为弹性材料——娃胶(xSio2 ·ΥΗ20)，各细胞单元相互连接的边缘采用Ecoflex弹性材料彼此进行胶接，使其外壳整体结构严格封闭。每个细胞单元包括细胞外壁11、细胞腔体、磁流变液12、 微电磁驱动装置和细胞单元控制器，细胞单元中间的细胞外壁11上具有连接孔13。每个细胞单元作为独立的驱动单位，磁流变液12通过连接孔13均勻地填充到细胞腔体中，并对连接孔13进行结构封装。上述微电磁驱动装置和单元控制器分布在细胞腔体内，在接收无线控制信号后实现细胞单元的相应变形。上述不可压缩流体2充满弹性外壳内部空腔，构成静水骨骼的基本形态，当弹性外壳发生形变时，不可压缩流体也相应的做出形状改变，本发明仿生软体机器人就可以实现运动。上述负载装置3设在弹性外壳内腔，用来完成机器人的工作任务，它们可以是微型摄像机或者微型炸弹或者某种药剂，当机器人自主行走到指定位置后，负载装置完成预先设定的任务，根据机器人不同的任务需要，负载装置也各不相同。
本发明仿生软体机器人的细胞单元1的细胞腔体内填充了磁流变液12，在微电磁驱动装置产生的电磁场作用下，磁流变液中的磁性颗粒被磁化，将沿着磁力线的方向排成链状结构，从而使得磁流变液在瞬间粘度增大几个数量级，进而失去流动性，表现出类似固体的性状，其材料的屈服强度随着电磁场强度的增加而增加，当撤出磁场后，材料又能立刻恢复原状，其响应时间只有几毫秒。其性能受到颗粒直径、体积分数、磁场强度、饱和磁化强度等因素影响，为了获得更好的变形效果，本发明采用在传统的羰基铁磁流变液中添加 Cr02硬磁粉和硅油，形成铁复合物为悬浮颗粒制备磁流变液，这样能够提高其屈服强度和变形能力，使得弹性外壳具有更好的通行能力。见图4，上述细胞单元内部的微电磁驱动装置及其细胞单元控制器，在接受到上位机的无线控制信号后，微电磁驱动装置产生电磁场，使得填充在细胞单元腔体内的磁流变液发生“固-液形态转换”，由于磁流变液体积的膨胀和收缩，促使弹性细胞外壁发生形变， 当弹性外壳上的细胞单元都发生形变时，本发明机器人将发生移动，达到驱动目的。见图5，本发明软体机器人在穿越比自身形状尺寸小的孔洞障碍时，首先在微电磁驱动装置产生的受控电磁场作用下，与孔壁接触部分的细胞单元内的磁流变液首先发生 “固-液形状转换”导致弹性细胞外壁11发生变形软化，向前逐步挤入孔壁。随着挤入过程的持续进行，大部分细胞单元均处于软化状态，挤入部分的横断面受到孔壁的径向压缩，又由于充满机器人内腔的是不可压缩流体，因此促使软化的弹性外壳发生轴向拉伸，导致机器人整体发生形变实现变体运动，并逐步通过孔洞。其挤出过程(如图5(1、图^3、图5f)与挤入过程(如图5a、图5b、图5c)则正好相反。见图6和图7，本发明软体机器人以细胞单元作为独立控制单元，整个控制系统由上位机、无线通讯模块和设在每个细胞单元中的细胞单元控制器构成。上述上位机根据不同运动模式编制软件变换算法，实时地计算每个控制单元的控制信号(信号包括频率、电压的幅值、波形、电源通断的时间)，通过无线通讯模块输出不同运动模式的并行时序控制信号，同时根据每个细胞单元反馈至上位机的状态信号，上位机实时调节和修正控制时序，实现对软体机器人变体运动的最优控制。本发明控制系统中无线通讯模块包括无线发射模块和无线接收模块。无线通讯模块采用应用在工业和医用2. 4GHz频段的微型无线收发模块，其核心是基于蓝牙通讯规约的无线单片收发芯片，芯片内部设置专门的稳压电路和循环冗余校验(CRC)硬件电路和协议。由于每个细胞单元控制器都需要配置无线接收单元，因此要求其外围元件的体积小、功耗少。本发明的细胞单元控制器由蓝牙nRFMOl接收芯片、无线信号解调电路、PWM调制电路、微处理器、CAN接口和D/A转换接口等器件组成。蓝牙接收芯片负责与上位机之间的蓝牙信号互通，并与无线信号解调电路双向连接，无线信号解调电路将解调过的信号通过 CAN接口送入微处理器进行处理，微处理器将指令发送到PWM调制电路，再经过D/A转换接口发送给微电磁驱动装置；同时微处理器也需要把细胞单元的状态信息发送到无线信号解调电路，再经过蓝牙接收芯片反馈给上位机，以便上位机及时调整指令。细胞单元驱动力的大小取决于细胞外壁的变形程度，而细胞外壁变形程度又取决于磁流变液所受磁场的大小，因此通过调节微电磁驱动装置产生的电磁场的控制电压即可实现控制。这样通过上位机发出驱动指令，由细胞单元控制器接收并进一步发出驱动指令给微电磁驱动装置，控制本发明仿生软体机器人的弹性外壁1发生形变，驱动本发明机器人运动。见图8，细胞单元控制器的工作流程为初始状态下所有微电磁驱动装置的电磁线圈都通电，且电压都是满幅，此时细胞单元的细胞腔体内的磁流变液12处于固化状态， 细胞外壁相应的属于硬化状态；当细胞单元中的单元控制器接收到上位机通过蓝牙发送的指令后，进行无线控制指令解调；然后根据指令要求，进行PID调节并计算出微电磁驱动装置上某个时刻所需要的电压值；经PWM调制电路调制后通过D/A接口输出控制电压，驱动微电磁驱动装置改变磁场参数，磁流变液发生“固-液形态转换”后，促使细胞单元达到规定的形变状态。整个软体机器人只要上位机设计对应运动模式的并行时序控制信号，通过无线通讯模块传递控制指令，并分别在各单元控制器中采用脉宽调制的方式输出受控驱动电压， 控制各微电磁驱动装置的输入信号频率、电源通断以及产生电压幅值、波形等参数，即可达到调节各个细胞单元的变形顺序、程度和方向的目的，从而合理分配驱动力，实现机器人前进、转弯以及变形越障等功能。显然，本发明的上述具体实施方式
仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以容易的做出其它形式上的变化或者替代，而这些改变或者替代也将包含在本发明确定的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于静水骨骼机理特性的仿生软体机器人，其特征在于具有弹性外壳(1)，弹性外壳内装有不可压缩流体( 和用于完成机器人特定任务的负载装置(3)；上述弹性外壳(1)由细胞单元(10)拼接组成；上述细胞单元(10)具有弹性细胞外壁(11)和细胞腔体，细胞腔体内设有磁流变液(12)、用来产生电磁场促使磁流变液发生“固-液形态转换” 的微电磁驱动装置和用来收发指令信息及控制微电磁驱动装置工作的细胞单元控制器。
2.根据权利要求1所述的基于静水骨骼机理特性的仿生软体机器人，其特征在于上述弹性外壳(1)由20个细胞单元(10)组成，且每个单元细胞外形为大小相等的正三角形状。
3.根据权利要求2所述的基于静水骨骼机理特性的仿生软体机器人，其特征在于上述细胞单元(10)互相之间采用Ecoflex弹性材料胶接，细胞单元的细胞外壁(11)采用硅胶(XSi O2 · yH20)制成。
4.根据权利要求1所述的基于静水骨骼机理特性的仿生软体机器人，其特征在于上述细胞腔体内的磁流变液(1 为在传统的羰基铁磁流变液中添加Cr02硬磁粉和硅油后形成的铁复合物。
5.根据权利要求1所述的基于静水骨骼机理特性的仿生软体机器人，其特征在于上述单元控制器包括用来与控制系统上位机互通的蓝牙接收芯片、无线信号解调电路、CAN接口、微处理器、PWM调制电路和D/A转换接口 ；上述蓝牙接收芯片型号为nRFMOl，与无线信号解调电路电连接，无线信号解调电路与CAN接口和微处理器电连接，CAN接口与微处理器电连接，微处理器与PWM调制电路电连接，PWM调制电路与D/A转换接口电连接。
全文摘要
本发明涉及一种仿生软体机器人，特别的涉及应用于管道检修、医疗诊治、废墟搜救以及军事侦察等非结构化作业环境中的基于静水骨骼机理特性的仿生软体机器人。目的是提供一种能够连续变形、方便在非结构化场合应用的基于静水骨骼机理特性的仿生软体机器人。一种基于静水骨骼机理特性的仿生软体机器人，具有弹性外壳，弹性外壳内装有不可压缩流体和用于完成机器人特定任务的负载装置；上述弹性外壳由细胞单元拼接组成；上述细胞单元具有弹性细胞外壁和细胞腔体，细胞腔体内设有磁流变液、用来产生电磁场促使磁流变液发生“固-液形态转换”的微电磁驱动装置和用来收发指令信息及控制微电磁驱动装置工作的细胞单元控制器。
文档编号G05B19/418GK102176152SQ20111004792
公开日2011年9月7日 申请日期2011年2月28日 优先权日2011年2月28日
发明者何锋, 刘百辰, 宋小波, 李丹蓉, 王丹 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院