一种基于三浦折叠设计的软体爬行机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种基于三浦折叠设计的软体爬行机器人，由左侧可折叠气体驱动单元、右侧可折叠气体驱动单元、前脚、后脚和行进轮组成，左右两个可折叠气体驱动单元粘接在前脚、后脚之间。左右两侧可折叠气体驱动单元分别由不同的气源独立控制。工作时，分别对左右两侧的可折叠气体驱动单元进行充气或抽气，使软体机器人两个可折叠气体驱动单元周期性的伸长、缩短，由于在前脚、后脚上的行进轮的单向轴承的限制，软体机器人能够完成直行、转向运动。本发明专利技术一方面提供一种体积较小、在自身高度不变的情况下能够快速、灵活运动的软体机器人,另一方面提供一种可折叠气体驱动单元，可有效解决传统爬行软体机器人爬行阻力大、转向困难、灵活性较差问题。

A software crawling robot based on tripu folding design

【技术实现步骤摘要】
一种基于三浦折叠设计的软体爬行机器人
本专利技术属于软体机器人
，具体涉及一种基于三浦折叠设计的软体机器人。
技术介绍
软体机器人采用硅胶或橡胶等柔性材料制作，可以在大范围改变自身的形状，与传统的刚性机器人相比，软体机器人能够适应复杂的作业环境，能够适应不同的外加载荷和环境阻碍，具有较好的人机交互性，在侦察、探测以及医疗行业有着广阔的应用场景。爬行类软体机器人是软体机器人领域内的一个热点，目前国内外研制出的爬行类软体机器人大多都是仿照毛虫、尺蠖等自然界生物的运动模式。其中依靠气体驱动的仿毛虫、尺蠖的爬行类软体机器人在直行、转向的时候，软体机器人本身会变形为类似“Ω”的弓形形状，自身产生较大的变形、膨胀。依靠前后两端或左右两端结构的差异化设计，使其前后端或左右端与地面的摩擦力大小不同或差动驱动，进而使软体机器人前进或转向。该类软体机器人在运动过程中本身会变形为类似“Ω”的弓形形状，软体机器人自身产生一定的变形、膨胀，运动比较缓慢，因此，在一些狭小、高度受限的环境下，该类软体机器人的运动会受到一定的限制。近年来，折纸结构在工程中的应用越来越广泛，这为设计软体机器人提供了新的思路。三浦折叠是由三浦公亮所专利技术的折叠技术，折叠后形成特殊的褶皱，只需沿单一轴线方向拉伸，整个结构即可展开成平行四边形的“棋盘”，要收拢时则反向一推即可。三浦折叠能够改变纸张的力学和材料特性，例如三浦折叠可以让不起眼的纸张具有一定的刚度、可压缩性、可收缩性以及负泊松比。三浦折叠具有一定的记忆特性，在折叠过后，纸张可以在较小的力的作用下恢复到折叠状态。三浦折叠在太空卫星、太阳能电池板、隔音墙等方面均有应用。
技术实现思路
本专利技术基于三浦折叠上述的特点，设计提出一爬行式软体机器人，通过驱动器的结构设计可以实现在较小的气压范围内实现较大的长度变化，该爬行式软体机器人能够在自身形变较小、自身高度不变的情况下能够快速、灵活运动，能够有效解决传统爬行软体机器人爬行阻力大、转向困难、灵活性较差的问题。本专利技术设计的爬行式软体机器人主要由左侧可折叠气体驱动单元、右侧可折叠气体驱动单元、前脚、后脚和行进轮组成。可折叠气体驱动单元能够在正压下伸长，在负压下收缩。左折叠驱动单元和右折叠驱动单元结构完全相同，由柔软的外表皮和支撑骨架组成，左右两个可折叠气体驱动单元粘接在前脚、后脚之间，分别由不同的气源独立控制。行进轮分别由轴、单向轴承和轮胎组成，四个行进轮分安装在前脚、后脚的安装孔中，后脚上开孔，工作时，通过后脚左右两个通气孔分别对左右两侧的可折叠气体驱动单元进行充气或抽气，控制左右可折叠气体驱动单元内的气压，进而控制可折叠气体驱动单元的伸长和收缩。直行时，对左右两侧的可折叠气体驱动单元同时充气、抽气，使软体机器人周期性的伸长、缩短，由于在前脚、后脚上的单向轴承的限制，使得软体机器人不断的向前移动；转向时，为了获得较大的转向角度，先对左右两侧的可折叠气体驱动单元同时抽气，然后再对左或右侧驱动单元循环充气、抽气，由于在前脚、后脚上的单向轴承的限制，使得软体机器人不断的向右或左转向。所属软体机器人中左侧可折叠气体驱动单元、右侧可折叠气体驱动单元、前脚、后脚以3D打印成型作为模具，用可浇注硅胶以及聚二甲基硅氧烷(PDMS)等软材料浇注而成。支撑骨架由纸张沿折痕折叠制成，并粘结在可折叠部分的表皮内表面。作为本专利技术的一种改进措施，可以改变前脚、后脚的结构性形状，使之具有不同的功能，如抓取、投掷等。作为本专利技术的一种改进措施，可以改变行进轮的形状或安装位置，使其实行更加复杂的地形或环境，如管道、沙滩、水下等。本专利技术基于三浦结构设计的爬行软体机器人的优点在于：(1)基于三浦设计的可折叠气体驱动单元内嵌入支撑骨架，在正负压下能够保持稳定的变形，和较大的长度变化。(2)能够在较小的气压范围内驱动(-20kPa～20kPa)，且主要依靠负压驱动，降低控制所需要的气压，操作更加安全。(3)将软体机器人的蠕动运动转为车轮的旋转运动，提高了直行速度、转向速度和灵活性。(4)软体机器人在直行和转向时自身的高度没有产生变化，能够在高度受限的空间内运动，适用于狭缝、管道等多种场合。(5)本专利技术可以根据需求将爬行式软体机器人串联，实现更高效率的直行和转向。附图说明图1是本专利技术基于三浦折叠设计的爬行软体机器人的整体结构示意图；图2是本专利技术基于三浦折叠设计的爬行软体机器人俯视图，沿通气孔中心全剖；图3是本专利技术基于三浦折叠设计的爬行软体机器人的仰视图，沿轴承中心全剖；图4是本专利技术基于三浦折叠设计的爬行软体机器人的侧视图；图5是本专利技术基于三浦折叠设计的可折叠气体驱动单元结构示意图；图6是本专利技术基于三浦折叠设计的可折叠气体驱动单元内的支撑骨架折痕图；图7是本专利技术基于三浦折叠设计的可折叠气体驱动单元内的支撑骨架结构示意图；图8是本专利技术基于三浦折叠设计的爬行软体机器人的前脚结构示意图；图9本专利技术基于三浦折叠设计的爬行软体机器人的后脚结构示意图；附图标记说明：1-左侧可折叠气体驱动单元、2-右侧可折叠气体驱动单元、3-前脚、4-后脚、5-行进轮；11-可折叠气体驱动单元外表皮、12可折叠气体驱动单元支撑骨架、111过渡部分、112可折叠部分、121-谷折、122-峰折；31前脚粘接处、32前脚安装孔；41后脚粘接处、42后脚安装孔、43通气孔；51轴、52单向轴承、53轮胎。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明。如图1-4所示是本专利技术设计的一种基于三浦折叠设计的一种爬行软体机器人的结构图，主要由左侧可折叠气体驱动单元1、右侧可折叠气体驱动单元2、前脚3、后脚4、行进轮5组成，左侧可折叠气体驱动单元1和右侧可折叠气体驱动单元2结构相同，分别由不同的气源独立控制。左侧可折叠气体驱动单元1和右侧可折叠气体驱动单元2粘接在前脚3和后脚4之间。四个行进轮5分安装在前脚3、后脚4上。本专利技术设计的爬行软体机器人的主要功能组件为可折叠气体驱动单元，允许独立的控制软体软体机器人左右两侧的运动。具体地，如图2所示，左侧可折叠气体驱动单元1和右侧可折叠气体驱动单元2前后两端粘接在前脚粘接处31和后脚粘接处41，并保证一定的密封使之不漏气；左右两个通气孔43分别控制控制左侧可折叠气体驱动单元1和右侧可折叠气体驱动单元2内的气压。具体地，如图3、4所示，行进轮5分别由轴51、单向轴承52、轮胎53组成，四个行进轮分安装在前脚的前脚安装孔32、后脚安装孔42中，其中轴51和前脚安装孔32和后脚安装孔42之间为为过盈配合或采用其他方式使其固定不产生相对滑动。具体地，如图5所示，左侧可折叠气体驱动单元1主要由外表皮11、支撑骨架12制成，其中外表皮按照结构的不同，可以分为过渡部分111、可折叠部分112。外表皮11由弹性模量较小、硬度较小的硅胶浇注而成。支撑骨架12由纸张或其他硬质可折叠材料制成，折痕通过激光切割本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三浦折叠设计的软体爬行机器人，其特征在于：主要由左侧可折叠气体驱动单元、右侧可折叠气体驱动单元、前脚、后脚和行进轮组成，左侧可折叠气体驱动单元、右侧可折叠气体驱动单元能够在正压下伸长，在负压下收缩，左折叠驱动单元和右折叠驱动单元结构完全相同，由柔软的外表皮和支撑骨架组成，表皮分为过渡部分和可折叠部分，支撑骨架由纸张或其他硬质可折叠材料制成，折痕通过激光切割机加工而成，按照沿谷折和峰折折叠，支撑骨架粘结在外表皮的可折叠部分内表面，左侧可折叠气体驱动单元、右侧可折叠气体驱动单元粘接在前脚、后脚之间，分别由不同的气源独立控制，行进轮分别由轴、单向轴承和轮胎组成，四个行进轮分别安装在前脚、后脚的安装孔中，后脚上开孔，通过后脚左右两个通气孔分别对左右两侧的可折叠气体驱动单元进行充气或抽气，控制左右可折叠气体驱动单元内的气压，进而控制可折叠气体驱动单元的伸长和收缩。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于三浦折叠设计的软体爬行机器人，其特征在于：主要由左侧可折叠气体驱动单元、右侧可折叠气体驱动单元、前脚、后脚和行进轮组成，左侧可折叠气体驱动单元、右侧可折叠气体驱动单元能够在正压下伸长，在负压下收缩，左折叠驱动单元和右折叠驱动单元结构完全相同，由柔软的外表皮和支撑骨架组成，表皮分为过渡部分和可折叠部分，支撑骨架由纸张或其他硬质可折叠材料制成，折痕通过激光切割机加工而成，按照沿谷折和峰折折叠，支撑骨架粘结在外表皮的可折叠部分内表面，左侧可折叠气体驱动单元、右侧可折叠气体驱动单元粘接在前脚、后脚之间，分别由不同的气源独立控制，行进轮分别由轴、单向轴承和轮胎组成，四个行进轮分别安装在前脚、后脚的安装孔中，后脚上开孔，通过后脚左右两个通气孔分别对左右两侧的可折叠气体驱动单元进行充气或抽气，控制左右可折叠气体驱动单元内的气压，进而控制可折叠气体驱动单元的伸...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦志伟，于猛，马昊鹏，李荣军，于源，丁玉梅，杨卫民，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11