一种气动式仿生软体管道机器人的制作方法

本发明涉及一种用于狭小管道和变径管道的探测和操作等非结构工作环境中作业的气机器人，尤其是一种气动式仿生软体管道机器人。

背景技术：

随着科学技术以及社会的快速发展，机器人也越来越多地应用在各种领域，例如医疗、工业以及抗震救灾等。近年来，越来越多的机器人被投入到一些空间狭小的非结构工作环境中去。

虽然经过多年发展，机器人在各个领域，尤其是管道探测和维修领域大显身手，但现行机器人大多是由金属等构成的刚体机器人。刚体机器人虽具有很高的运动精度，但在以下方面仍然存在不足：在复杂地形缺乏稳定性、灵活性和环境适应性；在狭窄的管道空间内的通过能力受限；输出体积比不高；控制上也较复杂。而若借鉴仿生学的一些结构于理论，运用软体结构，并保证控制精度，则可以避免刚体机器人的以上不足。

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，如今，软体机器人也越来越受到重视，现有的软体机器人大都采用高压气体驱动，气体驱动具有良好的压缩性能和弯曲性能，但大多采用压缩气泵来进行气体供给，这就使得机器人在操控上以及能源供给上产生了极大的不便，如果机器人能够自身携带气体供给装置，就会极大地提高机器人的灵活性和运行距离。

现在管道铺设已经成为各行业中必不可少的重要环节，在一些狭小的管道环境中，使用传统的刚体机器人进行探测和维修已经无法满足日益强烈的高精度、高质量要求，因此发明一款可以拥有多自由度，灵活性更高的软体管道机器人是亟待解决的问题。

技术实现要素：

为了克服传统刚体管道机器人的灵活性差、适应性差，自由度少的缺点，本发明设计了一款拥有多自由度、灵活性好，能适应狭小空间管道的气动式仿生软体机器人。

为了解决上述难题，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种气动式仿生软体管道机器人，其包括：

前基体、后基体、软体波纹连接管、前燃料舱和后燃料舱，所述前燃料舱连接在前基体前端，后燃料舱连接在后基体的尾端，所述前基体与后基体通过软体波纹连接管连接在一起，所述前基体和后基体的中心均开有轴向中心孔，所述轴向中心孔内放入弹簧，所述前后基体与所述弹簧相互连接。

所述前基体内部开有气体通道以及气腔，所述前基体包含四条气体通道，每个通道包含两个气腔，通过不同气体通道的开关闭合，使机器人在气压的作用下产生不同方向和角度的弯曲，从而实现机器人不同方位的转向；

所述后基体包含两条气体通道，上通道包含五个气腔，下通道包含三个气腔，通过气腔的相互作用，使机器人产生上下的弯曲，使机器人蠕动式前进；后基体作为驱动机构。

进一步地，所述前、后燃料舱分别固定在一种气动式仿生软体管道机器人的两端，同时并分别为所述软体机器人的前基体和后基体提供动力，所述前、后燃料舱即为一种气动式仿生软体管道机器人的动力源装置，为机器人运动提供动力。

进一步地，所述机器人的驱动机构为机器人的后基体部分，所述机器人后基体的驱动方式为气动式，通过所述后燃料舱内的燃料发生化学反应所释放的气体来驱动机器人的运动。

进一步地，所述前基体与后基体中心均开有轴向中心孔，中心孔内安装有弹簧，所述弹簧可以起到约束以及增强韧性作用。

进一步地，所述前基体前端安装有前燃料舱，所述前燃料舱内装有机器人的动力源：过氧化氢溶液，过氧化氢溶液加入铂金属粉末会释放出大量的氧气，氧气会通过所述气体通道进入所述气腔，在气体压强的作用下，机器人前基体部分会发生弯曲，从而实现多方位的转向，所述前基体包含四条气体通道，每个通道包含两个气腔。

进一步地，所述后基体尾端安装有后燃料舱，所述后燃料舱与前燃料舱相似，内部也装有过氧化氢溶液，通过释放气体来实现气动式驱动，所述后基体包含两条气体通道，上通道包含五个气腔，下通道包含三个气腔，所述后基体主要用作机器人的驱动。

本发明具有以下有益效果：

一、本发明的一种气动式仿生软体管道机器人的外形结构符合狭窄的变径管道内的工作环境，基体才有圆柱结构，两端也采用圆弧设计，能够很大程度减小机器人在工作时的阻力。

二、本发明的一种气动式仿生软体管道机器人采用气动式驱动，机器人自身携带动力源装置，从而避免了传统的软体机器人的外带动力源，工作时间短、动力不足的缺点。

三、本发明的一种气动式仿生软体管道机器人采用前基体转向，后基体驱动的运作方式，并且前基体和后基体分别带有前燃料舱和后燃料舱，能够分别提供动力，这样使得机器人的动力更加充足，转向和驱动更加灵活，工作时也更加平稳。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种气动式仿生软体管道机器人的后基体结构示意图。

图2是一种气动式仿生软体管道机器人的前基体结构示意图。

图3是一种气动式仿生软体管道机器人的前基体的气动式驱动的气体通道以及气腔的结构示意图。

图4是一种气动式仿生软体管道机器人前基体端面的结构示意图。

图5是一种气动式仿生软体管道机器人后基体的气动式驱动的气体通道以及气腔的结构示意图。

图6是一种气动式仿生软体管道机器人后基体端面的结构示意图。

图7是一种气动式仿生软体管道机器人后基体驱动的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参照图1～图7，一种气动式仿生软体管道机器人包括：

前基体2，后基体4，软体波纹连接管3，前燃料舱1和后燃料舱5，所述前基体2为转向机构，所述后基体4为驱动机构，所述前基体2中心开有轴向中心孔，轴向中心孔内安装有弹簧6，前基体2采用韧性材料，所述后基体4与所述前基体2相同，中心开由轴向中心孔11，并安装有弹簧6，所述前基体2和后基体4通过软体波纹连接管3连接在一起，所述前基体2的前端安装有所述前燃料舱1，所述后基体4安装有所述后燃料舱5，所述前燃料舱1和所述后燃料舱5内部均装有机器人的动力源装置；过氧化氢溶液，通过过氧化氢溶液与铂金属粉末的化学作用释放气体来进行驱动机器人的运动。

参阅图3所示，所述前基体2内部设置了多条气体通道7、8和气腔，所述前基体2内部包含四条气体通道，每条气体通道内包含两个气腔，所述前燃料舱1内的过氧化氢溶液发生化学反应后释放出气体通过气体通道9和气体通道10进入机器人所述前基体2，当气体进入所述气体通道9时，所述气体通道10会自动关闭，气体会通过气体通道9进入气腔71和气腔72，此时气腔71和气腔72内逐渐充满了气体，压强也会随之增大，但是由于中心弹簧以及前后燃料舱的限制作用，前基体会发生变形，即产生轴向伸长，由于力矩的平衡作用，此时机器人的前基体2会发生向下弯曲。

相反的，当气体进入所述气体通道10时，所述气体通道9会自动关闭，气体会通过气体通道9进入气腔81和气腔82，此时气腔81和气腔82内逐渐充满了气体，由于高压气体的压强作用，前基体2产生轴向拉伸，在力矩的平衡作用下前基体2会发生向上弯曲，由于前基体2内部包含着四条气体通道，因此在高压气体的反复作用下，前基体2会不断地发生向各个方位弯曲的现象，从而实现了机器人的多方位转向功能。

参阅图5所示，所述后基体4包含两条气体通道，上通道包含五个气腔，下通道包含三个气腔，上下通道分别由气腔口12和13进气，所述后基体4主要实现机器人的驱动前进功能，为机器人的驱动机构，由后燃料舱5内的过氧化氢溶液发生化学反应产生的气体通过气体通道14、15进入所述后基体4的气腔内，首先气体先进入气体通道14内，气体通道15自动关闭。

气体先由气体通道14进入气腔121，其他气腔暂时关闭，气腔121内充满了高压气体，气腔121周边基体在中心弹簧的限制作用下以及力矩的平衡作用下会发生向下弯曲，此时关闭气腔121，打开气体通道15，向气腔132内充入高压气体，此时基体也同样会在力矩的平衡作用下产生向上弯曲，同样，关闭气腔132，向气腔122内充入高压气体，气腔122周边的基体也会发生向下的弯曲，一直这样继续下去，后基体就会不断地重复着向上向下的弯曲，使得机器人不断地蠕动，驱动着机器人不断地向前运动。

所述后基体4内部的上气体通道包含的气腔为气腔121、气腔122、气腔123、气腔124、气腔125，下气体通道所包含的气腔为气腔131、气腔132、气腔133，所述上气体通道内的气腔内充入高压气体时，气腔121、气腔122、气腔123、气腔124、气腔125相互配合，交替地开闭，使机器人产生不同的弯曲方向。

所述软体波纹连接管3采用了韧性材料，所述前基体2和所述后基体4由波纹管连接，前基体2负责机器人的转向功能，后基体4负责机器人的驱动功能，两者通过所述软体波纹连接管3连接在一起，增加了机器人基体的柔韧性和灵活性。

所述前燃料舱1内部存有机器人的动力源燃料：过氧化氢溶液，在机器人开始工作时，机器人会自动在过氧化氢溶液中加入铂金属粉末，以加速反应，释放出更多的气体。

所述后燃料舱5与前燃料舱1相同，内部也存有机器人的动力源燃料：过氧化氢溶液，工作方式与前燃料舱1相同。

本发明实施例中，为了方便操作人员进行外部的远程操作，并且实现本发明的灵活运作，在机器人的前基体2和后基体4的两端分别安装了前燃料舱1和后燃料舱5，两个燃料舱内都装有机器人运动所需要的燃料，本发明采用自带动力源的设计，并且在动力源装置中还加入了铂金属粉末充当化学反应的催化剂，加快了气体的释放速度，从而提高了机器人在狭窄管道内的运动速度以及运动灵活性。

本发明的工作原理为：

将气动式仿生软体管道机器人放到狭窄的管道中去，后燃料舱5内部的过氧化氢溶液在铂金属粉末的催化作用下发生化学反应，同时释放出大量的气体，气体通过后基体4的上气体通道14进入气腔121，而在这时，其他的气腔以及下气体通道15是关闭的，气腔121周围的基体就会发生向下的弯曲，当弯曲到一定程度时，气腔121关闭，此时下气体通道15打开，气体由下气体通道15进入气腔132，基体同样会发生向上的弯曲，依此下去，后基体4就会不断地蠕动，从而推动机器人前进，而在机器人前进的同时，前基体2也会发生弯曲，当气体进入所述气体通道9时，所述气体通道10会自动关闭，气体会通过气体通道9进入气腔71和气腔72，此时气腔71和气腔72内逐渐充满了气体，压强也会随之增大，但是由于中心弹簧以及前后燃料舱的限制作用，前基体会发生变形，即产生轴向伸长，由于力矩的平衡作用，此时机器人的前基体2会发生向下弯曲，相反，关闭气体通道9，打开气体通道10，前基体又会发生向上的弯曲，这样，机器人就实现了转向的功能。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。