一种气动驱动的仿生尺蠖软体机器人制造技术

本发明专利技术涉及软体机器人的结构领域，特指一种气动驱动的仿生尺蠖软体机器人。本发明专利技术使用了一种基于碳纤维橡胶复合材料设计的一种仿生尺蠖软体机器人，该机器人采用碳纤维和硅橡胶进行结构设计，将碳纤维按照一定的形状排布内嵌在硅橡胶中，并进行二次浇筑封装成型作为腔体的变形层。实现在压缩空气的压力下进行预定方向上的变形，从而实现仿生尺蠖机器人的连续运动。

A Pneumatic-Driven Soft Robot for Biomimetic Inchworm

【技术实现步骤摘要】
一种气动驱动的仿生尺蠖软体机器人
本专利技术涉及软体机器人的结构领域，具体涉及一种利用碳纤维橡胶复合材料作为结构设计的一种基于气动驱动的仿生尺蠖软体机器人。技术背景软体机器人主要由柔软的、具有弹性的聚合物制成，理论上具有无限多的自由度和连续变形的能力，使得软体机器人可以获得无限多的机器人形状，从而能够到达复杂空间结构的每一个点。相比于传统刚性机器人，软体机器人可以通过自身变形顺应障碍物，施加柔软的有效载荷却不产生伤害。在医疗检测、抢险救灾、间谍侦查等众多高精尖领域将具有广阔的应用前景。传统仿生机器人一般由刚性模块连接构成，自由度较少，虽然能够满足精确运动的需要，但是其刚性结构导致其环境适应性差，在复杂环境或狭窄空间内运动会受到限制，在一些较为特殊的场合并不适用。
技术实现思路
为了解决上述技术问题并实现软体这一概念，本专利技术使用了一种基于碳纤维橡胶复合材料设计的一种仿生尺蠖软体机器人，该机器人采用碳纤维和硅橡胶进行结构设计，将碳纤维按照一定的形状排布内嵌在硅橡胶中，并进行二次浇筑封装成型作为腔体的变形层。实现在压缩空气的压力下进行预定方向上的变形，从而实现仿生尺蠖机器人的连续运动。本专利技术采用如下具体技术方案：一种基于气动仿生尺蠖软体机器人，其特征在于，所诉机器人包括基体、变形层、控制模块、气瓶、进气阀门、排气阀门、刚毛足脚和支撑架；变形层覆盖在基体表面固化形成密闭腔室，控制模块、气瓶、进气阀门和排气阀门均位于基体内，控制模块通过导线与进气阀门、排气阀门相连接，控制着阀门的打开与闭合，气瓶安装在基体内部，在基体的内部具有预留的管道，通过管道连接进气阀门进而连接至密闭腔室内部，排气阀门通过基体内部预留的管道连接至密闭腔室外部环境，支撑架一端固定连接在变形层表面，另一端与刚毛足脚通过铰接连接组成移动部位。所述的变形层由碳纤维和硅橡胶复合而成，在软体机器人的预变形的方向上的碳纤维按照S型进行纵向排布在硅橡胶上，而在限制变形方向上的碳纤维则呈直线横向排布在硅橡胶上。所述制备变形层的硅橡胶是较软的硅橡胶，具体为Ecoflex00-30硅橡胶材料。所述支撑架的材质为ABS硬质塑料。所述基体是采用较硬的硅橡胶制作而成，具体为Ecoflex00-50硅橡胶材料。控制模块与气瓶安装在由硅橡胶Ecoflex00-50浇筑而成的基体内部；将碳纤维按照预定的形状即纤维排布需要将变形方向的碳纤维按照S型进行排布，限制变形方向的碳纤维呈直线排布并内嵌在硅橡胶内进行二次浇筑封装作为变形层，二次浇筑封装即通过将碳纤维定向排布在初次固化成型的硅橡胶表面，使用注射器吸取液态硅橡胶Ecoflex00-30，按照碳纤维的走向涂抹在碳纤维表面使定向排布的碳纤维位置固定，不会因为移动或是外力等原因改变排布的位置，将固定之后的变形层放置与变形层大小一致的长方形模具内，再次使用硅橡胶Ecoflex00-30进行整体浇筑，使碳纤维能够牢牢的固定在最终成型的变形层的中间位置，该整个过程称之为二次浇筑；使用ABS硬质塑料支撑架一端固定连接在变形层上，一段与刚毛触角相连接组成移动部位；最终将压缩空气通过进气阀门充入变形层与基体相连接而形成一个密闭的腔室内，使得在压缩空气的作用下变形层产生变形，使得仿生尺蠖软体机器人能够在平面及具有一定的坡度的斜面上进行一定的蠕动前进；上述各连接结构构成本专利技术的所述的一种基于气动驱动的仿生尺蠖软体机器人。本专利技术的进一步限定技术方法如下：前述的变形层的制备方法为：首先进行3D打印带有S型凸起的矩形模具，向模具内部浇筑Ecoflex00-30硅橡胶，固化成型后得到带有S型凹槽的硅橡胶，第二步将碳纤维内嵌在凹槽中使其呈现S型横向排布，与之垂直的方向将碳纤维呈直线排布，同时对其进行如上所述的二次浇筑成型进行封装，即使用注射器吸取液态硅橡胶Ecoflex00-30，按照碳纤维的走向涂抹在碳纤维表面使定向排布的碳纤维位置固定，不会因为移动或是外力等原因改变排布的位置，将固定之后的变形层放置与变形层大小一致的长方形模具内，再次使用硅橡胶Ecoflex00-30进行整体浇筑，使其碳纤维成型在上下厚度相同的硅橡胶中，形成一种新型的碳纤维硅橡胶复合材料。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术是一种基于气动驱动的仿生尺蠖软体机器人，由于其气动驱动因此其质轻，同时克服了液压驱动的大重量，且变形量较大，充分发挥了基于气动驱动的变形量较大，质量较轻的优点。2、本专利技术采用全硅胶包裹，密封性能较强，可以有效的隔绝环境内的各种杂质，可以有效的扩大软体机器人的运行环境。3、本专利技术采用了可伸缩变形的软体硅橡胶材料为主要制作材料，使得本专利技术所述软体机器人具有较好的抗压能力和抗冲击能力，可以面对各种极端冲击，同时大大的提高了人机安全交互性。4、本专利技术通过控制端的无线收发模块实现远程控制。附图说明图1是本专利技术所述一种基于气动驱动的仿生尺蠖软体机器人的整体结构示意图以及右视图，已标出相应组成结构的编号；图2是本专利技术所述一种基于气动驱动的仿生尺蠖软体机器人的沿着A-A进行剖视的内部结构示意图，已标出相应组成结构的编号；图3是本专利技术所述一种基于气动驱动的仿生尺蠖机器人的变形层的结构示意图，已标出相应组成结构的编号；图4是本专利技术所述一种基于气动驱动的仿生尺蠖软体机器人刚毛足脚结构示意图；图5是本专利技术所述一种基于气动驱动的仿生尺蠖软体机器人支撑架结构示意图；图6是本专利技术所述一种基于气动驱动的仿生尺蠖软体机器人基体结构示意图；图7是本专利技术所述一种基于气动驱动的仿生尺蠖软体机器人的运动示意图，(a)-在充气状态；(b)-常规未充气状态。图中：1-控制模块；2-气瓶；3-弧形的密闭腔室；4-进气阀门；5-排气阀门；6-S型横向纤维；7-直线纵向纤维；8-变形层；9-刚毛足脚；10-支撑架；11-凹字形的基体。具体实施方式为充分了解本专利技术之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本专利技术做详细说明。如图1、2、3、4、5、6、7所示，本专利技术一种基于气动驱动仿生尺蠖软体机器人，包括基体11、变形层8、变形层内部的S型横线纤维6、直线纵向纤维7、变形层8与基体11所组成的密闭腔室3、气瓶2、进气阀门4、排气阀门5、控制模块1、支撑架10和刚毛足脚9；其中变形层8覆盖在基体11的表面，并在连接处使用硅橡胶交联剂进行固定连接，由于基体11是较硬的Ecoflex00-50硅橡胶制作而成，变形层8是由较软的Ecoflex00-30硅橡胶制作而成，二者之间使用硅橡胶交联剂进行密封处理使之形成密闭的腔室3；变形层8是使用碳纤维硅橡胶复合材料制作而成；将控制模块1通过导线与进气阀门4和排气阀门5相连接，用于控制阀门的开启与闭合，气瓶2与进气阀门4通过基体11内部预留的导管连接，并进一步的连接至弧形密闭腔体3内部，使得变形层在压缩气体的作用下产生变形，排气阀门5同样通过基体11内部的导管将弧形密闭腔室3与外部环境相连接，以便于排出内部压缩空气，使得变形层恢复原状，以上各设备均安装在凹字形基体11底部便于增加底盘的重量以提高软体机器人的稳定性，其次从基体11的底部下面将设备进行内置不仅保护了弧形密闭腔室3的密封性，同时可以有效的保护设备不会受到环境的影响而使设备失效，有效的提高了设备的运行寿命；将ABS硬质本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于气动仿生尺蠖软体机器人，其特征在于，所诉机器人包括基体、变形层、控制模块、气瓶、进气阀门、排气阀门、刚毛足脚和支撑架；变形层覆盖在基体表面固化形成密闭腔室，控制模块、气瓶、进气阀门和排气阀门均位于基体内，控制模块通过导线与进气阀门、排气阀门相连接，控制着阀门的打开与闭合，气瓶安装在基体内部，在基体的内部具有预留的管道，通过管道连接进气阀门进而连接至密闭腔室内部，排气阀门通过基体内部预留的管道连接至密闭腔室外部环境，支撑架一端固定连接在变形层表面，另一端与刚毛足脚通过铰接连接组成移动部位。

【技术特征摘要】
1.一种基于气动仿生尺蠖软体机器人，其特征在于，所诉机器人包括基体、变形层、控制模块、气瓶、进气阀门、排气阀门、刚毛足脚和支撑架；变形层覆盖在基体表面固化形成密闭腔室，控制模块、气瓶、进气阀门和排气阀门均位于基体内，控制模块通过导线与进气阀门、排气阀门相连接，控制着阀门的打开与闭合，气瓶安装在基体内部，在基体的内部具有预留的管道，通过管道连接进气阀门进而连接至密闭腔室内部，排气阀门通过基体内部预留的管道连接至密闭腔室外部环境，支撑架一端固定连接在变形层表面，另一端与刚毛足脚通过铰接连接组成移动部位。2.如权利要求1所述的一种基于气动仿生尺蠖软体机器人，其特征在于，所述的变形层由碳纤维和硅橡胶复合而成，在软体机器人的预变形的方向上的碳纤维按照S型进行纵向排布在硅橡胶上，而在限制变形方向上的碳纤维则呈直线横向排布在硅橡胶上。3.如权利要求1所述的一种基于气动仿生尺蠖软体机器人，其特征在于，所述制备变形层的硅橡胶是较软的硅橡胶，具体为Ecoflex00-30硅橡胶材料。4.如权利要求1所述的一种基于气动仿生尺蠖软体机器人，其特征在于，所述支撑架的材质为ABS硬质塑料。5.如权利要求1所述的一种基于气动仿生尺蠖软体机器人，其特征在于，所述基体是采用较硬的硅橡胶制作而成，具体为Ecoflex00-50硅橡胶材料。6.如权利要求1或2所述的一种基于气动仿生尺蠖软体机器人，其特征在于，所述的变形层的制备方法为：首先进行3D打印带有S型凸起的矩形模具，向模具内部浇筑Ecoflex00-30硅橡胶，固化成型后得到带有S型凹槽的硅橡胶，第二步将碳纤维内嵌在S型凹槽中使其呈现S型横向排布，与之垂直的方向将碳纤维呈直线排布，同时对其进行如上所述的二次浇筑成型进行封装，即使用注射器吸取液态硅橡胶Ecoflex00-30，按照碳纤维的走向涂抹在碳纤维表面使定向排布的碳纤维位置固定，不会因为移动或是外力等原因改变排布的位置，将固定之后的变形层放置与变形层大小一致的长方形模具内，再次使用...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁建宁，程震，张忠强，戴启明，程广贵，王晓东，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32