一种微型越障机器人

1.本发明涉及微型机器人领域，特别是涉及一种微型越障机器人。


背景技术：

2.随着精密加工技术在机器人领域的发展，昆虫级别的微型机器人成为研究热点。在微型机器人有限的身体空间内可以集成多种功能模块和精细机械结构，使其既拥有大型机器人的可操控性和灵活性，还拥有小尺寸、隐蔽性好、低成本等优势。微型机器人可以在复杂的三维地形中完成更精细化的任务，大规模投放的机器人群体可以反馈信号形成传感网络系统，具有重要的现实意义及广泛的应用价值。例如，极端环境下的灾区搜救、危险窄缝的环境探测、有隐蔽性要求的信息搜集工作、大面积的地形勘探等。
3.刚性骨架的微型机器人具有形状稳定性和运动可控性，但往往在冲击或挤压下发生故障。柔性材料有额外的变形自由度，在较大应力下可以自适应变形来避免损伤，外力消失后可恢复原状。因此柔性微型机器人能表现出固有的地形适应性、运动的容错能力和抵抗意外冲击的鲁棒性，而且制造简单、重量轻盈。微型柔性机器人的复杂地形穿越能力是衡量实用性的重要指标。闭环的运动调控方式需凭借反馈的地形信号指导下一步的运动，这增加了机器人结构和控制系统的复杂性、加大身体重量、产生时间迟滞，且不能很好地适应意料之外的扰动。要实现微型柔性机器人的快速越障能力，需要采取开环的运动调控策略，利用精心设计的身体结构完成被动机械介导，动态地穿越非结构化的地形。
4.需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本技术的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种能快速穿越复杂的三维地形的微型越障机器人。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种微型越障机器人，包括机器人躯干和位于所述机器人躯干下方的结构层，其中，所述结构层包括腿部和尾部，所述腿部包括至少一条前腿部和至少一条后腿部，所述前腿部、所述后腿部和所述尾部从前至后依次连接所述机器人躯干，连接于所述机器人躯干的所述前腿部和所述后腿部在所述机器人躯干的下方形成封闭类环状曲面。
8.进一步地：
9.所述机器人躯干为平板状结构。
10.所述至少一条前腿部包括左前腿部和右前腿部，所述至少一条后腿部包括左后腿部和右后腿部。
11.还包括设置在所述躯干的上侧的压电薄膜。
12.所述腿部在展开状态下为一条带，所述条带上具有前折痕和后折痕，沿所述前折痕和所述后折痕折起后，所述腿部的位于所述前折痕之前的前部分和位于所述后折痕之后
的后部分的上表面分别连接至所述机器人躯干的下表面，所述腿部的位于所述前部分和所述后部分之间的中间部分弯曲成类环状，优选为截面前圆后尖的类水滴形状；优选地，所述前部分和所述后部分为矩形。
13.所述前腿部与所述后腿部的形状对称或不对称。
14.所述腿部的所述曲面的内侧设置有第一形状控制线和第二形状控制线，所述第一形状控制线设置在所述内侧的前部与所述腿部跟所述机器人躯干相连的前连接部之间，所述第二形状控制线设置在所述内侧的后部与所述前连接部之间；优选地，所述第一形状控制线和所述第二形状控制线为金属线，更优选地，所述金属线为银线。
15.所述前连接部设置有前小孔，所述内侧的前部设置有中小孔，所述内侧的后部设置有后小孔，所述第一形状控制线的两头分别通过所述前小孔和所述中小孔固定，所述第二形状控制线的两头分别通过所述前小孔和所述后小孔固定。
16.所述尾部包括连接部分和尾端部分，所述连接部分连接在所述机器人躯干上，所述尾端部分从所述连接部分斜向下向后延伸，与所述连接部分形成一钝角夹角；优选地，所述连接部分为矩形。
17.所述前腿部、所述后腿部和所述尾部粘接在所述机器人躯干上，优选地，通过粘性层粘接。
18.所述机器人躯干和所述结构层为聚合物薄膜材料，优选地，所述聚合物材料为pet、pi、pdms、tpu和硅橡胶中的一种或任意组合，优选地，所述聚合物薄膜材料的厚度范围为10微米～400微米。
19.本发明具有如下有益效果：
20.在本发明实施例中，微型机器人包括机器人躯干和位于所述机器人躯干下方的结构层，所述结构层包括腿部和尾部，所述腿部包括至少一条前腿部和至少一条后腿部，在所述机器人躯干的下方形成封闭类环状曲面。腿部的曲面形状使得机器人在攀爬台阶时有固定的仰角，保证了碰撞过程中阻力不增大、升力不减小。腿部的封闭类环形状与地面接触时没有锋利的边，有助于机器人穿越凹凸不平的地形而不被卡住。所述尾部可以增大机器人的腾空时间和速度。非对称结构的腿部有利于将机器人的共振驱动转化为前进动力。通过形状控制线控制腿部的形状，限制了腿部的变形自由度，形成半刚性的所述腿部的结构。一方面，腿部的刚度增加，有利于维持基本形状，可以减少运动过程中变形过大而累积的过多弹性势能，使能量更多地用来增加重力势能，有利于所述机器人越过更高的障碍物。另一方面，腿部仍然保持一定的柔性，在复杂地形上运动时具有鲁棒性。腿部结构具有半刚性，可维持设定的曲面形状，并且保持鲁棒性。机器人可以通过分布有连续小尺寸障碍物的地形，也可以攀爬接近两倍身高的台阶，还能通过镂空梯子、梅花桩等地形。由此，本发明提出的微型柔性机器人能够依靠类环状的曲面腿部实现复杂三维地形的穿越。
附图说明
21.图1a为本发明实施例的微型越障机器人的爆炸图；
22.图1b为本发明实施例的微型越障机器人的一个腿部的结构示意图；
23.图2为本发明实施例的微型越障机器人穿越布满矩形、菱形、圆形障碍物的地形以及攀爬台阶的示意图；
24.图3为本发明实施例的微型越障机器人穿越复杂地形图；
25.图4为本发明实施例的微型越障机器人的制作方法流程图；
26.图5为本发明实施例的拥有类环状曲面腿的微型越障机器人的实物原型图。
具体实施方式
27.以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
28.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，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
29.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。
30.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。
31.参阅图1a至图5，一种微型越障机器人，包括机器人躯干1和位于所述机器人躯干1下方的结构层2，其中，所述结构层2包括腿部和尾部7，所述腿部包括至少一条前腿部(3、4)和至少一条后腿部(5、6)，所述前腿部(3、4)、所述后腿部(5、6)和所述尾部7从前至后依次连接所述机器人躯干1，连接于所述机器人躯干1的所述前腿部(3、4)和所述后腿部(5、6)在所述机器人躯干1的下方形成封闭类环状曲面。腿部的曲面形状使得机器人在攀爬台阶时有固定的仰角，保证了碰撞过程中阻力不增大、升力不减小。腿部的封闭类环形状与地面接触时没有锋利的边，有助于机器人穿越凹凸不平的地形而不被卡住。尾部7可以增大机器人的腾空时间和速度。该微型机器人能依靠身体结构与障碍物之间的被动机械作用快速穿越复杂地形，如通过台阶、镂空梯子、梅花桩等。
32.图1a为本发明优选实施例的微型机器人的结构示意图，如图1a所示，该微型机器人包括：机器人躯干1、位于机器人躯干1下的结构层2，其中，结构层2包括左前腿部3、右前腿部4、左后腿部5、右后腿部6和尾部7，左前腿部3、右前腿部4、左后腿部5、右后腿部6和尾部7的上表面粘接至所述机器人躯干1的下表面。
33.在优选的实施例中，各腿部用第一形状控制线和第二形状控制线拉拽来更好地控制形状。优选地，所述第一形状控制线和所述第二形状控制线为质地软韧、延展性好的金属线。更优选地，所述金属线为银线。
34.在一个优选实施例中，各腿部用前金属线8和后金属线9拉拽来更好地控制形状。
35.该微型机器人可采用柔性压电薄膜(pvdf)驱动，该压电薄膜粘贴在机器人躯干1的上侧，形成压电非晶结构，当压电薄膜上施加交流电压时，压电薄膜在垂直于极化方向上随着电压的频率产生同频的伸长或收缩，驱动尾巴、两条后腿和两条前腿撞击地面，可以使
机器人向前运动。
36.如图1a和图1b所示，在一实施例中，机器人的腿部展开后的条带总长度是20毫米，宽度是3.5毫米，条带上刻有两条虚线折痕。
37.从条带纵轴线的一端算起，前折痕位于第4毫米处，后折痕位于第17毫米处，将两条折痕靠近至距离范围为[8.5毫米，9.5毫米]，腿部条带会形成一个弯曲的形状。
[0038]
沿折痕折起后，腿部形成用来粘接机器人躯干1的前矩形部分和后矩形部分，其宽度都是3.5毫米，前矩形部分的长度是4毫米，后矩形部分的长度是3毫米。
[0039]
将腿部的前矩形部分和后矩形部分的上表面粘接至机器人躯干1的下表面，可以得到封闭的类环状的腿部。
[0040]
左前腿部、右前腿部、左后腿部和右后腿部的封闭类环形状与地面接触时没有锋利的边，有助于机器人穿越凹凸不平的地形而不被卡住，同时，腿部的非对称结构能将机器人的共振驱动转化为前进动力。
[0041]
以上前后腿部的不同的类环状形状会改变机器人的腿部的对称性，改变机器人与地面作用的受力情况和运动速度，但是都可以通过调节折痕间距和弯折角度来实现，有不同形状和对称性的类环状腿部的机器人变化例均应落入本发明的保护范围。
[0042]
如图1a和图1b所示，在一实施例中，机器人的腿部条带上还有三个小孔，从条带的纵轴线的一端算起，前小孔10位于第1毫米处，中小孔11位于第7毫米处，后小孔12位于第12毫米处。
[0043]
用两条金属线控制腿部的形状，包括前金属线8和后金属线9，前金属线8穿过前小孔10和中小孔11，后金属线9穿过前小孔10和后小孔12，调节前金属线8和后金属线9的长度，将金属线的线头在腿部条带上缠绕一圈，形成自锁固定。
[0044]
左前腿部的前金属线和后金属线的长度分别是3.523毫米、3.974毫米，右前腿部与左前腿部相同，左后腿部的前金属线和后金属线的长度分别是3.415毫米、3.586毫米，右后腿部与左后腿部相同。
[0045]
两根金属线控制腿部的形状，限制了腿部的变形自由度，形成半刚性的腿部结构。一方面，腿部的刚度增加，可以维持基本形状，可以减少运动过程中变形过大而累积的过多弹性势能，使能量更多的用来增加重力势能，有利于机器人越过更高的障碍物。另一方面，腿部仍然保持一定的柔性，在复杂地形上运动时具有鲁棒性。
[0046]
设定的左前腿部和右前腿部的曲面形状使得机器人在攀爬台阶时有固定的仰角，保证了碰撞过程中阻力不增大、升力不减小，有助于机器人攀爬更高的台阶。
[0047]
以上不同的前后腿部的形状会改变机器人与地面相互作用的力的方向，影响机器人的运动姿态和速度，且以上结构均可以通过调整金属线的长度实现，有不同形状的曲面腿部的机器人变化例均应落入本发明的保护范围。
[0048]
如图1a所示，在一实施例中，尾部7还包括用来粘接在机器人躯干1下表面的小矩形部分，尾部7的小矩形部分和尾部其他部分的夹角为135度，尾部7的小矩形部分和其他部分的宽度与所述躯干的宽度一致。
[0049]
在平坦地面运动时，平面形状尾巴的加入能大幅度提高腾空状态所占的比例，大大提高机器人的运动速度；在小尺寸凹凸地形上运动时，机器人尾巴轻微向上折起不接触地面，前进力主要依靠四条曲面腿；在攀爬台阶时，机器人头部抬起之后，尾巴接触并拍打
地面提供持续的向前向上的作用力，有利于将机器人身体后部抬起，最终机器人全身攀爬过台阶。
[0050]
在一实施例中，所述机器人躯干1的下表面有粘性层，所述左右前腿部3和4、左右后腿部5和6、尾部7的上表面都有粘性层；
[0051]
所述左右前腿部3和4、左右后腿部5和6、尾部7粘接至所述躯干的下表面；
[0052]
以上所述的粘性层使得机器人躯干、结构层粘接成为一个完整的越障机器人。
[0053]
在一实施例中，所述粘性层的厚度范围为[10微米，200微米]。
[0054]
在一实施例中，所述机器人躯干1、结构层2都采用聚合物薄膜材料制作。
[0055]
所述躯干和结构层采用聚合物薄膜材料，所述聚合物材料为pet、pi、pdms、tpu和硅橡胶中的一种或任意组合。
[0056]
在一实施例中，所述聚合物薄膜材料的厚度范围为[10微米，400微米]。
[0057]
图2为本发明实施例的微型机器人穿越布满矩形、菱形、圆形障碍物的地形以及攀爬8mm台阶(1.9倍身高)的示意图，如图2所示，机器人在布满1.5毫米(0.36倍身高)的矩形条上能保持120毫米每秒以上的速度，以100％的概率通过5毫米(1.2倍身高)的台阶，以64％的概率通过8毫米(1.9倍身高)的台阶。
[0058]
图3为本发明实施例的微型机器人穿越复杂地形图，如图3所示，复杂地形由3d打印部件组成，包括楼梯、镂空梯子、铺着砂纸的斜坡、布满菱形和圆形凸起的木板、梅花桩等。在短短10秒内，机器人就能顺利穿越这个相当于其身体长度17.3倍的复杂三维地形，而不会被凸起或缝隙卡住。
[0059]
图4为本发明实施例的微型机器人的制作方法流程图，如图4所示，该方法包括：
[0060]
步骤401，制作机器人躯干1；
[0061]
步骤402，制作左前腿部3，右前腿部4，左后腿部5，右后腿部6，用前金属线8和后金属线9控制腿部形状；
[0062]
步骤403，制作尾部7，和左前腿部3，右前腿部4，左后腿部5，右后腿部6一起形成结构层2；
[0063]
步骤404，将左前腿部3，右前腿部4，左后腿部5，右后腿部6，尾部7的上表面粘接至机器人躯干1的下表面。
[0064]
制作机器人骨架1和结构层2时，可以首先设计好所需要的图形，然后将制作所需的材料通过剪纸工艺加工出所设计的图形。具体的加工方式可以为：将带有衬底的pi、pet等薄膜材料粘附在剪纸机的工作平台上，将设计好的图形文件导入剪纸机，进而切割出设计的形状，用镊子等锋利物将切割后的图形从工作平台上剥离，用于后续折叠、曲面形状控制和粘附连接。
[0065]
制作机器人类环状的曲面腿部的时候，可以用上述方法，在剪纸机工作平台上裁剪出两条折痕和三个小孔，将一根细金属线从腿部条带上的前小孔10穿入，从位于腿前部的中小孔11穿出；将第二根金属线从前小孔10穿入，从位于腿后部的后小孔12穿出，调节金属线长度，腿的前端和后端的两个点会被拉拽，从而改变形状，最后把两条金属线的四个线头都缠绕固定在腿部上。
[0066]
具体实施时，首先制作机器人躯干1，可以在机器人躯干1的上层粘接压电薄膜材料作为驱动层，例如，在pvdf材料的上下表面沉积au或ag的导电电极作为驱动层。
[0067]
在一实施例中，在将左前腿部3，右前腿部4，左后腿部5，右后腿部6的上表面粘接至机器人躯干1下表面之后，还包括：
[0068]
将左前腿部3和右前腿部4的两条折痕间距调节为8.5毫米；
[0069]
将左后腿部5和右后腿部6的两条折痕间距调节为9.5毫米。
[0070]
在一实施例中，在将结构层2的尾部7的上表面粘接至机器人躯干1的下表面后，还包括：
[0071]
将尾部的小矩形部分与尾部的其他部分折叠至夹角135度。
[0072]
图5为本发明实施例的拥有类环状曲面腿的微型越障机器人的实物原型图，可以看出，该机器人轻盈小巧、结构简单，与地面接触的腿十分顺滑。该微型越障机器人可以有效穿越凹凸不平的地形和翻越大尺寸的障碍物。
[0073]
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
[0074]
以上内容是结合具体/优选的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普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。