一种串联型的模块化管道爬行软体机器人的制作方法

本发明属于机器人领域，涉及一种串联型的模块化管道爬行软体机器人。

背景技术：

随着科学技术的发展，机器人技术发展迅猛，并被广泛地应用于工业生产、太空探索、货物运输、医疗手术、救灾救援和国防军工等领域，实现了较高程度的自动化水平，在一定程度上节约了劳动力成本。但传统的机器人大都由刚性机构通过装配组成，其具有结构复杂、灵活度有限，安全性和人工交互性较差，环境适应能力低等缺点。

在一些特殊的应用场景下，例如对于一些易碎品或者较为柔软的对象进行抓取和搬运的动作，或者是需要在一些崎岖的不规则路面或者是狭窄的管道中进行检测工作的，传统的刚性机器人很难实现类似的任务，而软体机器人在这样的工况下就具有独特的优势。相比于刚性机器人，软体机器人具有柔度大，质量轻，结构简单，操作方便，制造成本低和控制方便等优势。

为了使机器人具有更丰富的功能，适应更多的应用场景，模块化机器人应运而生。模块化的概念最早在上世纪80年代就被提出，模块化机器人最重要的组成部分就是结构简单、功能各具特色的可更换单元，可以根据不同的任务需求或工作场合来搭配不同的模块，从而赋予机器人不同的功能特点。

模块化软体机器人既具有模块化的特点又兼备软体机器人的优势，能够对操作对象进行较好的保护并具有较好的互换性和环境适应能力。本申请提出了一种串联型的模块化管道爬行软体机器人，能够在各种形状和尺寸的管道中进行爬行运动。

技术实现要素：

基于上述提到的模块化气动软体机器人的优势，本发明旨在提供一种串联型的模块化管道爬行软体机器人，实现了不同模块间的快速组合与拼接，能够在各种形状和尺寸的管道中进行爬行运动。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现：

一种串联型的模块化管道爬行软体机器人，包括：

气动伸缩单元，所述气动伸缩单元被设置为在充气时仅能沿轴向延伸；

气动膨胀单元，通过连接部连接设置在所述气动伸缩单元两端，所述气动膨胀单元被设置为在充气时仅能沿径向膨胀。

进一步地，所述的气动膨胀单元包括：

径向膨胀主体，整体呈柱状，采用柔性材料且内设有封闭气腔；

两限位转接头，分别设置在所述径向膨胀主体两端且通过卡扣连为一体，用于限制径向膨胀主体的轴向变形及连接其他模块。

进一步地，所述两限位转接头通过卡扣、槽口、螺纹或者插销方式连接相应模块。

进一步地，所述径向膨胀主体的材料包括硅橡胶材料、气动人工肌肉、形状记忆合金、电介质弹性体和离子聚合物金属复合材料。

进一步地，所述的气动伸缩单元包括：

轴向伸缩主体，整体呈柱状，采用柔性材料且内部沿轴向设有封闭气腔；

刚性的限制环，均匀间隔地沿轴向设在所述轴向伸缩主体的外周壁上，用于限制所述轴向伸缩主体的径向变形。

两连接转接头，分别设置在所述轴向伸缩主体两端，用于连接相应模块。

进一步地，所述两连接转接头通过卡扣、槽口、螺纹或者插销方式连接相应模块。

进一步地，所述轴向伸缩主体的材料包括硅橡胶材料、气动人工肌肉、形状记忆合金、电介质弹性体和离子聚合物金属复合材料。

进一步地，所述连接部通过卡扣、槽口、螺纹或者插销方式连接相应模块。

进一步地，所述径向膨胀主体的中心设置有与所述封闭气腔互相隔离的轴向通孔，所述两限位转接头中部分别凸出设置有空心的插接部，两插接部分别从所述轴向通孔两端插入并通过卡扣连为一体。

进一步地，所述气动伸缩单元的数量为两个以上，各气动伸缩单元通过连接部依次串联；所述气动膨胀单元通过连接部分别设置在串联后的气动伸缩单元两端。

相比现有技术，本发明的突出效果包括：

机器人采用模块化的方式进行设计，具有安装简便，更换性强，对不同工作场景的适应能力强等优点。通过串联组装的方式可以简单地获得不同样式不同功能的机器人。

采用气动的驱动方式，环保高效，而且操作简单，便于控制。本发明设计了构成机器人的基本模块化单元，通过模块化单元的合理串联搭配，可以装配成各式各样的机器人，拆装方便，可重复性强。

对于不同尺寸的管道，可以通过改变充气气压来控制膨胀单元和伸缩单元的变形量，使机器人具有更好的适应性。

附图说明

图1本发明实施例一的立体结构示意图。

图2气动膨胀单元立体结构示意图。

图3为连接部立体结构示意图。

图4气动伸缩单元立体结构示意图。

图5为气动膨胀单元模块剖视示意图。

图6为径向膨胀主体膨胀变形原理示意图。

图7为轴向伸缩主体剖视示意图。

图8为轴向伸缩主体伸缩变形示意图。

图9为本发明实施例二的立体结构示意图。

图10机器人一个周期运动原理示意图。

图11为串联型的管道爬行软体机器人在不同管道内爬行示意图，其中，图11(a)展示了机器人在方形管道中爬行的场景；图11(b)表示的机器人在内径为40mm圆管内爬行的场景，图11(c)展示了当管道内径从40mm变为50mm时爬行的场景；图11(d)展示了机器人在圆型软管中爬行的场景；图11(e)展示了机器人在不规则的壁面中爬行的场景。

图中：1-气动膨胀单元；2-连接部；3-气动伸缩单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1至图4所述，一种串联型的模块化管道爬行软体机器人，包括：

气动伸缩单元3，所述气动伸缩单元被设置为在充气时仅能沿轴向延伸；

气动膨胀单元1，通过连接部2连接设置在所述气动伸缩单元两端，所述气动膨胀单元被设置为在充气时仅能沿径向膨胀，所述连接部2通过卡扣、槽口、螺纹或者插销方式连接相应模块，可以较为方便、牢固地进行安装，本实施例采用螺纹方式。

具体而言，在一个可行的实施例中，所述的气动膨胀单元1包括：

径向膨胀主体，整体呈柱状，采用柔性材料且内设有封闭气腔；

两限位转接头，分别设置在所述径向膨胀主体两端且通过卡扣连为一体，用于限制径向膨胀主体的轴向变形及连接其他模块。

具体地，在本实施例中，所述径向膨胀主体的中心设置有与所述封闭气腔互相隔离的轴向通孔，所述两限位转接头中部分别凸出设置有空心的插接部，两插接部分别从所述轴向通孔两端插入并通过卡扣连为一体，从而限制径向膨胀主体的轴向变形。

其中，所述两限位转接头通过卡扣、槽口、螺纹或者插销方式连接相应模块，可以较为方便、牢固地进行安装，本实施例采用螺纹方式。

所述径向膨胀主体的材料包括硅橡胶材料、气动人工肌肉、形状记忆合金、电介质弹性体和离子聚合物金属复合材料，本实施例采用硅橡胶材料，该材料密封性好，具有较好的弹性，充气后变形效果显著。

如附图5和6所示，所述气动膨胀单元1中部有一个封闭气腔，所述气动膨胀单元1两侧有两个起到限位和与其他模块连接作用的限位转接头，这两个限位转接头通过卡扣连接在一起限制了所述径向膨胀主体的轴向变形，因此当对径向膨胀主体的封闭气腔充气时，径向膨胀主体会发生径向膨胀变形，充气变形的示意图如附图6所示，所述径向膨胀主体气腔的几何尺寸分别由气腔高度hc，气腔半径rc，以及气腔壁厚tc组成，充气后产生的径向最大变形量为δrc。

具体而言，在一个可行的实施例中，所述的气动伸缩单元3包括：

轴向伸缩主体，整体呈柱状，采用柔性材料且内部沿轴向设有封闭气腔；

刚性的限制环，均匀间隔地沿轴向设在所述轴向伸缩主体的外周壁上，用于限制所述轴向伸缩主体的径向变形。

两连接转接头，分别设置在所述轴向伸缩主体两端，用于连接相应模块。

其中，所述两连接转接头通过卡扣、槽口、螺纹或者插销方式连接相应模块，可以较为方便、牢固地进行安装，本实施例采用螺纹方式。

其中，所述轴向伸缩主体的材料包括硅橡胶材料、气动人工肌肉、形状记忆合金、电介质弹性体和离子聚合物金属复合材料，本实施例采用硅橡胶材料，该材料密封性好，具有较好的弹性，充气后变形效果显著。

所述气动伸缩单元3充气后变形的工作原理如附图7和8所示。所述气动伸缩单元的轴向伸缩主体的高度为ha，气腔半径为ra，气腔壁厚为ta。由于在轴向伸缩主体的外周壁套有若干刚性的限制环，能够限制单元的径向变形，因此在充气后，轴向伸缩主体径向不发生膨胀，但壁厚变薄，轴向发生伸长变形，其伸长量为δha。根据驱动单元输入气压和变形尺寸之间的关系，可以对气动单元进行各种复杂的控制，如速度控制，力控制等。所述气动伸缩单元两端有两个连接转接头，连接转接头与所述轴向伸缩主体的端面固定连接，方便所述气动伸缩单元与其他模块进行连接。

如附图9所示，在本发明的另一可行的实施例中，所述气动伸缩单元3的数量为两个，两个气动伸缩单元3通过连接部2依次串联；所述气动膨胀单元1通过连接部分别设置在串联后的气动伸缩单元3两端，串联两个气动伸缩单元3加长了机器人的尺寸，中部伸缩气动单元3的数量增多对提高机器人的爬行速度有一定的作用，可以使机器人在爬行时获得更快的移动速度。但需要注意的是，在与地面成一定倾角的管道中进行爬行时，由于重力会对机器人的运动产生一定的影响，因此要合理使用模块组件，控制好机器人的整机重量，盲目增加机器人驱动模块会使得机器人的控制变得更加复杂，亦可能会使机器人的稳定性变差，使机器人变得笨重。

附图10表示一个周期内机器人在管道中进行直线爬行运动的过程。其中对气动膨胀单元1充气可以使气动膨胀单元产生径向的膨胀变形，从而贴紧管道内壁，气动伸缩单元3可以实现直线伸缩运动，使机器人完成在管道中的爬行运动。下面以附图1中所表示的管道爬行软体机器人构型为例来介绍机器人工作原理，攀爬的管道为圆型管道，因为机器人的主要驱动单元都为软体材料，因此可以较好地适应管道的形状进行运动，附图10中机器人运动的6个步骤具体包括。

①首先后部气动膨胀单元1充气膨胀，使其接触到管道内侧并具有锁紧作用。

②然后中部的气动伸缩单元3充气伸长至不再变形，伸长量为δx。

③前部气动膨胀单元1充气膨胀，接触到管道内侧并具有锁紧作用。

④后部气动膨胀单元1开始放气收缩，直至后部气动膨胀单元1不再与管道内壁保持接触。

⑤中部的气动伸缩单元3放气收缩，拉动机器人后部向前运动。

⑥后部气动膨胀单元1充气膨胀，接触到管道内侧并锁紧，使机器人前后紧贴着管道的内壁，使其维持在一个较为稳定的状态。

经过上述6个步骤，管道爬行软体机器人在管道中完成整个周期的前进运动，运动的位移量为δx。机器人重复上述的周期性运动，可以实现在管道中较长距离的爬行。

附图11所示为串联型管道爬行软体机器人在不同管道内爬行示意图，其中，图11(a)展示了机器人在方形管道中爬行的场景；图11(b)展示了机器人在内径为40mm圆管内爬行的场景，图11(c)展示了当管道内径从40mm变为50mm时爬行的场景，此时，只需增加气动膨胀单元1的变形量即可与管道内壁保持接触；图11(d)展示了机器人在圆型软管中爬行的场景，利用气动伸缩单元3自身的柔性特征即可实现在弯曲管道中爬行；图11(e)展示了机器人在不规则的壁面中爬行的场景，此时气动膨胀单元1通过适当变形仍然能与不规则的壁面保持紧密接触，实现有效爬行。可以看出，上述实施例提供的串联型管道爬行软体机器人能在不同形状不同尺寸的管道中顺利地爬行，体现了机器人对于不同的运动环境具有较好的适应性，同时具有结构简单、组装方便，易操作等优点。

本发明的软体机器人采用的驱动方式是气动，通过对驱动单元进行充放气，可以使单元产生伸缩运动或者膨胀运动，驱动单元和单元间的连接件是机器人的基本组成元素，具有拆装方便，互换性强等特点，主要应用场合是管道爬行，主要强调的是机器人模块化的特点，可以通过对模块化组件较为简单的选择和串联组装，就能够组合出多种多样的机器人构型，从而使机器人具有不同的功能，能够较好地适应多种多样的工作环境和任务。模块化组件更换方便、组装灵活、功能强大，具有结构简单、组装方便，易操作等优点。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。