气驱动软体爬行机器人及其制造和控制方法技术

本发明专利技术提供气驱动软体爬行机器人及其制造和控制方法，所述气驱动软体爬行机器人包括至少两根单根充气伸长型致动器、连接环和触手，所述至少两根单根充气伸长型致动器通过连接环和触手并排组合成所述气驱动软体爬行机器人。本发明专利技术提出的上述软体爬行机器人适用于管道探测，能够提高当前软体机器人管道内的爬行效率，并且能适用多种类型的管道。所设计的软体机器人被证明能够在管道内以较快的速度进行自由爬行，能够克服自身重力的影响，具有良好的转向能力，能够适应复杂的管道线路。同时，所设计的软体机器人本体灵活，柔顺性好，通过携带内窥镜摄像机能够完成管道探测任务。

Pneumatic-driven Software Crawling Robot and Its Manufacturing and Control Method

【技术实现步骤摘要】
气驱动软体爬行机器人及其制造和控制方法
本专利技术涉及软体机器人
，尤其涉及气驱动的软体爬行机器人及其制造和控制方法。
技术介绍
随着科学技术的迅猛发展，各种各样的机器人层出不穷，涉及人们生活的方方面面，比如工业机器人、医疗机器人、服务机器人、特种机器人等。这些机器人很大程度上减轻了人们的劳动负担，方便了人们的生活，但是这些机器人也有很多局限性。为了进一步提高机器人的灵活性、安全性和智能性，软体机器人成为了机器人领域的研究热点。与传统刚性机器人相比，软体机器人主要优点如下：1)安全性好，传统的机器人大多由刚性材料制造，其本体的刚度较大，在作业工程中进行力柔顺控制较为困难。软体机器人大多由超弹性材料等制造，其本体的刚度较小，在作业工程中可以根据操作对象改变自身的形状。2)灵活性好，传统的机器人大多是由多个离散的关节和连杆组成，其自由度有限。软体机器人结构简单，而且理论上具有无穷多个自由度，可以连续弯曲或者伸长，以形成类似大象鼻子、章鱼触手的运动。3)适用场景多样，传统的刚性机械臂作业时对工作空间要求较高，需要避免障碍物的存在。软体机械臂则可以承受能量冲击，即使存在障碍物也不会发生强烈碰撞，非常适合在非结构化和空间受限环境中作业，如管道探伤，废墟救援等。现阶段，用于管道内运动的软体爬行机器人多采用模块化设计方案，其运动方式多是仿照蚯蚓的周期式蠕动：第一步，后端充气收缩模块膨胀，增大与管壁之间的摩擦力；第二步，中间充气伸长模块向前延伸；第三步，前端充气收缩模块膨胀，增大与管壁之间的摩擦力；第四步，后端充气收缩模块和中间充气伸长模块放气，减小与管壁之间的摩擦力；第五步，后端充气收缩模块膨胀，增大与管壁之间的摩擦力。这种类型的软体爬行机器人具有以下共同特点：1)模块化设计，通过具有不同运动特性的充气模块串联而成，但是这种运动方式的爬行效率不高；2)不具备转向能力，这些软体爬向行机器人只能在单根管道内爬行，难以适应T型和直角L型等需要大角度转弯的管道。这些软体爬行机器人不能出色的完成管道探测任务。综上所述，如何设计一种新型的软体爬行机器人，能够提高当前软体机器人管道内的爬行效率，并且能适用多种类型的管道，是迫切需要解决的问题，同时也具有重要的理论研究意义和工程应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中的问题，提出气驱动软体爬行机器人及其制造和控制方法。为解决上述技术问题，本专利技术提出一种气驱动软体爬行机器人，其特征在于：包括至少两根单根充气伸长型致动器、连接环和触手，所述至少两根单根充气伸长型致动器通过连接环和触手并排组合成所述气驱动软体爬行机器人。在本专利技术的一些实施例中，还包括以下技术特征：所述单根充气伸长型致动器利用输入的气压可实现轴向的单自由度伸长运动。所述单根充气伸长型致动器包括弹性基体，所述弹性基体为细长圆柱形，由超弹性硅胶材料制作成形，内部中心轴线上有一个充气气腔。所述单根充气伸长型致动器还包括纤维缠绕线和密封接头，所述纤维缠绕线在致动器表面以双螺旋的方式缠绕，所述密封接头用于固定位置和防止漏气。所述单根充气伸长型致动器独立控制，当多个致动器充入气压相同时该软体机器人会沿轴线伸长，当多个致动器充入气压不同时，该软体机器人会向气压小的一侧弯曲。所述触手位于连接环上，具有扇形带凹槽的面，用于增大摩擦力。本专利技术还涉及一种气驱动软体爬行机器人制造方法，包括如下步骤：制造单根充气伸长型致动器，然后通过连接环和触手将致动器并排组合成软体爬行机器人。优选地，单根充气伸长型致动器的制造工艺包括如下步骤：注塑弹性基体；按照弹性基体上的双螺旋轨迹线顺序缠绕纤维线；利用硅胶处理胶水粘贴密封接头，防止漏气。本专利技术还涉及一种气驱动软体爬行机器人控制方法，包括前进运动控制，所述前进运动控制包括如下步骤：首先向各单根充气伸长型致动器充气，使软体机器人的尾部触手与管壁的摩擦力变大，头部触手与管壁的摩擦力变小，使得软体机器人尾部触手位置不变，头部触手前向伸长；然后对各单根充气伸长型致动器放气，软体机器人的尾部触手与管壁的摩擦力变小，头部触手与管壁的摩擦力变大，使得软体机器人头部触手位置不变，尾部触手向前收缩；优选地，通过整体改变所述触手的接触方向，使前进运动变为后退运动。与现有技术相比，本专利技术的有益效果有：本专利技术提出的上述软体爬行机器人适用于管道探测，能够提高当前软体机器人管道内的爬行效率，并且能适用多种类型的管道。通过水平爬行运动，垂直爬行运动和L型路线爬行运动实验，所设计的软体机器人被证明能够在管道内以较快的速度进行自由爬行，能够克服自身重力的影响，具有良好的转向能力，能够适应复杂的管道线路。同时，扩展实验也证明所设计的软体机器人本体灵活，柔顺性好，通过携带内窥镜摄像机能够完成管道探测任务。附图说明图1是本专利技术实施例充气伸长型致动器设计示意图。图2是本专利技术不同纤维缠绕线圈数对充气伸长型致动器的性能的影响对比图。图3是本专利技术实施例软体机器人CAD设计示意图。图4、5、6分别是本专利技术实施例触手CAD设计示意图的正面、背面和立体图。图7是本专利技术实施例爬行周期示意图。图8是本专利技术实施例单根充气伸长型致动器制造工艺流程图示。图9是本专利技术实施例制造的一个实物样机实物图。图10是本专利技术实施例一个软体机器人样机实物图。图11是本专利技术实施例触手对爬行效率的影响示意图。图12是本专利技术实施例软体机器人运动描述参数说明图。图13是本专利技术实施例单根充气伸长型致动器动力学等效模型图。图14是本专利技术实施例单根充气伸长型致动器静力学辨识实验平台示意图。图15是本专利技术实施例三根充气伸长型致动器静力学模型与实验数据对比曲线图。图16是本专利技术实施例软体机器人坐标系示意图。图17是本专利技术实施例空间曲线示意图。图18是本专利技术实施例实验系统框图。图19a、19b、19c是本专利技术实施例水平爬行运动实拍图。图20a、20b、20c是本专利技术实施例垂直爬行运动实拍图。图21a、21b、21c、21d是本专利技术实施L形路线爬行运动实拍图。图22a、22b、22c、22d是本专利技术实施例波纹管爬行运动实拍图。图23a、23b、23c分别是本专利技术实施例不透明PVC管爬行运动中软体机器人所携带的内窥镜摄像机拍摄视频的第1帧、第1400帧、第2693帧实拍图。图23d、23e、23f分别为前10帧的爬行距离、前1400帧的爬行距离、前2693帧的爬行距离曲线图。图24a、24b、24c分别是本专利技术实施例平面爬行运动实拍图。具体实施方式为了使本专利技术实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。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，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。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，仅是为了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气驱动软体爬行机器人，其特征在于：包括至少两根单根充气伸长型致动器、连接环和触手，所述至少两根单根充气伸长型致动器通过连接环和触手并排组合成所述气驱动软体爬行机器人。

【技术特征摘要】
1.一种气驱动软体爬行机器人，其特征在于：包括至少两根单根充气伸长型致动器、连接环和触手，所述至少两根单根充气伸长型致动器通过连接环和触手并排组合成所述气驱动软体爬行机器人。2.如权利要求1所述的气驱动软体爬行机器人，其特征在于：所述单根充气伸长型致动器利用输入的气压可实现轴向的单自由度伸长运动。3.如权利要求2所述的气驱动软体爬行机器人，其特征在于：所述单根充气伸长型致动器包括弹性基体，所述弹性基体为细长圆柱形，由超弹性硅胶材料制作成形，内部中心轴线上有一个充气气腔。4.如权利要求3所述的气驱动软体爬行机器人，其特征在于：所述单根充气伸长型致动器还包括纤维缠绕线和密封接头，所述纤维缠绕线在致动器表面以双螺旋的方式缠绕，所述密封接头用于固定位置和防止漏气。5.如权利要求1所述的气驱动软体爬行机器人，其特征在于：所述单根充气伸长型致动器独立控制，当多个致动器充入气压相同时该软体机器人会沿轴线伸长，当多个致动器充入气压不同时，该软体机器人会向气压小的一侧弯曲。6.如权利要求1所述的气驱动软体爬行机器人，其特征在于：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王学谦，张志远，梁斌，孟得山，王松涛，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44