一种热变形腔体驱动爬行软体机器人的制作方法

本发明涉及的是一种热变形腔体驱动爬行软体机器人，具体涉及一种可以通过热变形腔体驱动爬行软体机器人在工作空间内完成前进、不掉头后退及转弯等多个自由度的运动的软体机器人。

背景技术：

随着人类生活、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,特别是在人类不宜涉足的极端和危险的工程环境中，机器人为人类提供了很大的便利，传统的刚性机器人结构通常由电机、活塞、关节、铰链等构件组装而成，尽管动力足、功率大、性能稳定，但在一些非结构环境下，受尺寸和作业空间的限制，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。

自然界生物柔软的身体、优良的灵活性和强大的环境适应性为机器人的发展提供了新思路，软体机器人是仿生机器人研究的延续，模仿自然界中的软体动物，具有无限多自由度和连续变形能力，可在大范围内任意改变自身形状和尺寸。由于其出色的灵活性和适应性，在军事、探测、医疗等领域具有广泛的应用前景。中国专利申请cn102922528a公开了“一种软体机器人”,该机构由基体、微分磁性刚性单元或者微分磁性高分子复合材料、控制电源和控制电路组成。该软体机器人柔性运动由微分磁性刚性单元或者微分磁性高分子复合材料在开始通电后产生磁性，从而同级互斥促使软体基体张开，并在断电后由磁性消失从而基体张开来实现，并且通过调节控制电路来控制机器人运动快慢以及转弯。该机器人通过调节控制电路来实现转弯的效果并不理想，这大大降低了该机器人的实用性，本文采用的热变形腔体驱动使得软体机器人的运动效果更突出，并且通过在不同情况下给不同软体部足充气，使得其能在不掉头的情况下实现转弯运动，这极大地降低了该软体机器人的使用局限性。

技术实现要素：

综合上述软材料特点，本发明提供了一种采用纯软材料结构的新型热变形腔体驱动爬行软体机器人，其合理利用了软材料易于大变形的特性，并通过合理利用足部的变化，解决了普通软体机器人不能快速掉头的问题。

本发明具体技术实施方案如下：

一种热变形腔体驱动爬行软体机器人，由运动基体、致动系统、足部膨胀系统和信号系统组成；所述运动基体由三个同样的单元体、第一足部组和第二足部组构成，所述第一足部组和第二足部组内部设有空腔，第一足部组和第二足部组均由9对足部构成，按照从左到右的顺序均匀布置在运动基体的三个单元体底部；单元体是以硅橡胶为材料，经过加料、塑化、注射、冷却和脱模过程一体化注射成型完成的。所述单元体具有线弹性，能产生变形，利用其自动变形恢复能力实现运动的效果，三个单元体连接处套有气圈垫，使运动基体能够平稳运动。致动系统包括致动器、加热系统和冷却系统，所述致动器包括外壁以及外壁所围成的内部空腔，内部空腔完全气闭，致动器按照上下左右对称的方式布置在单元体预留好的空腔中，每个单元体中有4个致动器；所述加热系统和冷却系统的运行由信号系统来控制；所述足部膨胀系统主要包括布置在运动基体的左头部的气泵和电磁阀组，电磁阀的数量与足部数量一致，电磁阀组的开闭由信号系统控制，足部膨胀系统结合致动系统来改变运动基体的运动方向；运动基体中每个所述单元体无需摩擦各向异性，即能够实现软体机器人的前进、转弯及不掉头后退运动。

致动系统中的加热系统部分包括电源和金属丝，所述金属丝在致动器2中居中且上下布置；致动系统中的冷却系统部分包括电源、电磁阀组、冷却管及水泵，所述冷却管沿所述致动器内壁居中左右布置，所述水泵布置在运动基体的右头部。

运动基体中足部通过所述信号系统进行充气膨胀，当软体机器人向右运动时，第一足部组充气膨胀，与地面接触，当软体机器人向左运动时，第二足部组充气膨胀，与地面接触。

运动基体中每个所述致动器内部空腔为封闭空间，内部空腔内通有气体，通过所述金属丝加热膨胀气体供能并由所述信号系统单独或相关联控制通断电，所述冷却管中水的通断由信号系统通过单独或相关联电磁阀组控制。

致动器的内部空腔为外壁厚度的5倍。所述致动器外壁通过增加外壁厚度或铸造时在外壁中铸入硬度较大的不同材料来控制其左右外壁有较小的面刚度，而其他外壁有较大的面刚度。

所述致动器通过左右两个凸起部分充分与所述单元体紧密结合。

所述单元体会因所述金属电丝通电加热而膨胀，所述单元体会在所述金属丝断电后通过冷却单元冷却而收缩。

在单元体的铸造过程中采用如下技术使得单元体指定外壁的指定部分抗弯刚度增大：1、增加壁厚；2、浇铸时采用硬度较大的硅胶材料等。

致动系统、足部膨胀系统都应由信号系统中单片机的编码通过独立或相关联的电磁阀或开关控制，所述信号系统水平居中布置在运动基体预留型腔内。

为保证该热变形腔体驱动爬行软体机器人的实用性，其信号系统7、冷却系统、足部膨胀系统应经过集成以减小体积与复杂度。

本发明的有益效果：

1、所述运动基体无任何硬质零件与结构，完全由软材料构成，整体柔韧性很好。

2、区别于其他软体机器人，本发明中提到的热变形腔体驱动爬行软体机器人可通过不同足部组的充气膨胀来实现快速不掉头反向运动。

3、针对本发明中的热变形腔体驱动爬行软体机器人的致动结构，冷却机构以及气动结构提供了有效的控制方法

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为热变形腔体驱动爬行软体机器人的整体结构示意图。

图2为致动器示意图。

图3为致动器的排布方式示意图。

图4为机器人足部膨胀系统示意图。

图5为冷却系统示意图。

1、头部；2、致动器；3、气圈垫；4、单元体；5、第一足部组；6、第二足部组；7、信号系统；8、电源；9、气泵；10、电磁阀；11、冷却管；12、水泵；13、内部空腔；14、金属丝。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案对本发明工作原理作详细的说明：

本发明涉及一种热变形腔体驱动爬行软体机器人，由运动基体、致动系统、足部膨胀系统和信号系统组成；所述运动基体由三个同样的单元体4、头部1、第一足部组5和第二足部组6构成，所述第一足部组5和第二足部组6内部设有空腔，第一足部组5和第二足部组6均由9对足部构成，按照从左到右的顺序依次先后均匀布置在运动基体的三个单元体4底部；运动机体是以硅橡胶为材料，经过加料、塑化、注射、冷却和脱模过程一体化注射成型完成。所述单元体4具有线弹性，能产生变形，利用其自动变形恢复能力实现运动的效果。所述致动器2包括外壁以及外壁所围成的内部空腔13，内部空腔13完全气闭。

发明工作原理如下：

1、致动器2在单元体4中的排布如图3所示，内部空间如图2所示，当金属丝14通电加热空腔内的空气后，空气受热膨胀促使致动器2发生前后变形拉伸，如图2所示，从而带动单元体4的变形。通过信号系统7对电压的控制可以决定金属丝14的发热量，从而影响受热气体的压强，进而可以决定运动基体在该部分膨胀的大小，控制运动基体前进的速度。另外，如图3所示，当仅让左右两部分中的一部分致动器2膨胀，而另一部分不膨胀，则可以实现热变形腔体驱动爬行软体机器人的转弯运动。

2、足部的膨胀系统原理图如图4所示，通过信号系统对电磁阀10的控制来实现足部组充气膨胀，足部为楔形，通过与地面接触角度的控制从而使热变形腔体驱动爬行软体机器人在朝一个方向的运动过程中只能前进不能后退。另外，当要实现热变形腔体驱动爬行软体机器人后退运动时，要先通过信号系统控制电磁阀组10关闭对原膨胀足部组气体的供应，同时控制电磁阀10开通对另一组足部组气体的供应，从而实现足部与地面接触角的改变。