一种多运动自由度生物混合机器人、工作方法及制造方法技术

本发明专利技术提供一种多运动自由度生物混合机器人、工作方法及制造方法，包括：变形模块、驱动模块及定向模块；所述驱动模块轴向环绕套设在变形模块上，所述定向模块粘连在所述变形模块上，且与变形模块的前端边缘连接；所述驱动模块为工程化肌肉组织，所述驱动模块通过肌肉组织的不同部位收缩控制变形模块；所述变形模块为类水弹折纸的变形结构；通过电极刺激驱动模块的不同部位能够实现前进、转向和翻转等三自由度的运动，解决了现有复杂的工作环境对机器人单一自由度的运动模式无法完成工作的问题；本发明专利技术的机器人多运动自由度拓展了机器人在复杂环境中的应用场景及功能。在复杂环境中的应用场景及功能。在复杂环境中的应用场景及功能。

【技术实现步骤摘要】
一种多运动自由度生物混合机器人、工作方法及制造方法


[0001]本专利技术属于仿生机器人制造
，涉及一种一种多运动自由度生物混合机器人及其一体化制造方法。

技术介绍

[0002]生物混合机器人是一种将生命系统与机电系统在分子、细胞、组织尺度下进行有机融合的新型机器人，利用生物的活性组织或者细胞作为生物驱动单元，与机械系统进行巧妙结合，具有高能量转换效率、环境适应性、自我感知、自我修复等传统机电系统难以企及的优势。从2012年开始，以生物混合驱动为主题的期刊论文呈指数级增长，发展速度极快。目前，生物混合机器人已经成为当今机器人领域的研究前沿与热点，受到了国内外众多知名高校及研究院所的高度重视，并且在过去十年中取得了重要的突破。生物混合机器人能够在难以触及的、动态、未知、非结构化的极限环境内无入侵地进入和导航，在医学、农业、军事、环境监测等领域具有广阔的应用前景。因此研制一种生物混合机器人具有重要的科学意义和重要的应用价值。
[0003]现实中的工作环境极为复杂，复杂的工作环境对机器人的运动自由度提出了很高的要求，单一自由度的运动模式无法完成工作。现有的生物混合机器人能够利用肌肉的收缩舒张完成单自由度的运动，然而少有研究可以控制机器人完成多自由度的运动。同时，现有的生物混合机器人存在制造方法繁琐的问题，对于未来可能的一体化规范化制造并未涉及。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种多运动自由度生物混合机器人、工作方法及制造方法，该生物混合机器人能够实现前进、转向和翻转等三自由度的运动，且采用一体化制造方法，制备过程简单。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0006]一种多运动自由度生物混合机器人，包括：
[0007]变形模块、驱动模块及定向模块；
[0008]所述驱动模块轴向环绕套设在变形模块上，所述定向模块粘连在所述变形模块上，且与变形模块的前端边缘连接；所述驱动模块为工程化肌肉组织，所述驱动模块通过肌肉组织的不同部位收缩控制变形模块；所述变形模块为类水弹折纸的变形结构。
[0009]优选的，所述定向模块包括连接段和接地段，所述连接段与变形模块的连接；当机器人前进和转向运动时，所述接地段与地面接触。
[0010]优选的，所述连接段和接地段之间形成弓形足结构。
[0011]优选的，所述定向模块的折痕与所述变形模块的边缘折痕重合，用于对所述变形模块的运动方向进行约束。
[0012]优选的，所述驱动模块为厘米尺度的工程化培养的骨骼肌肌肉环。
[0013]优选的，所述变形模块上的两侧边缘设置有固定槽，用于所述驱动模块与所述变形模块稳固连接。
[0014]优选的，所述变形模块及定向模块采用0.1mm厚的PEEK聚醚醚酮材料。
[0015]优选的，所述驱动模块由新生小鼠的骨骼肌细胞溶液在一体化模具中贴附变形模块培养分化成形得到。
[0016]一种多运动自由度生物混合机器人的工作方法，包括，
[0017]当机器人处于静止状态时，所述定向模块的接地段因自身重量产生弯曲变形并紧贴地面；
[0018]当电极刺激驱动模块的两侧时，所述驱动模块的两侧的产生瞬时对称收缩力，变形模块的后端向中心轴向收缩；当变形模块收缩变形结束恢复原形时，所述变形模块产生的伸张力阻止后端回复至原位的趋势，从而在变形模块的前后两端伸张力的配合下，机器人产生向前爬行运动；
[0019]当电极单独刺激驱动模块其中一侧边缘部位时，所述驱动模块被刺激侧产生瞬时切向收缩力，所述变形模块在切向收缩力驱动下产生背向被刺激侧的翻滚，机器人产生背向刺激侧的翻滚运动；
[0020]当电极单独刺激驱动模块其中一侧中心部位时，驱动模块的两侧产生瞬时非对称收缩力，变形模块后端产生不对称的轴向收缩；当变形模块收缩变形结束恢复原形时，产生与原收缩方向相反的伸张力，在伸张力与变形模块弹性变形的共同作用下，机器人产生向被刺激侧的转向运动。
[0021]一种多运动自由度生物混合机器人的制造方法，包括，
[0022]将粘接后的变形模块及定向模块固定在PDMS模具的卡槽中；将细胞溶液注射到所述PDMS模具的培养槽中培养分化后得到所述驱动模块，再将变形模块、定向模块及驱动模块脱模后，得到多运动自由度生物混合机器人。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0024]本专利技术提供一种多运动自由度生物混合机器人、工作方法及制造方法，该生物混合机器人包括驱动模块、变形模块及定向模块，驱动模块为工程化培养的骨骼肌肌肉环，驱动模块与定向模块都分别与变形模块连接而成为一个整体，驱动模块通过肌肉的不同部位收缩控制变形模块；该多运动自由度生物混合机器人的工作方法为：当电极刺激驱动模块的两侧时，驱动模块的两侧的产生瞬时对称收缩力，变形模块的后端向中心轴向收缩；当变形模块收缩变形结束恢复原形时，变形模块产生的伸张力阻止后端回复至原位的趋势，从而在变形模块的前后两端伸张力的配合下，机器人产生向前爬行运动；当电极单独刺激驱动模块其中一侧下缘部位时，驱动模块的被刺激侧产生瞬时切向收缩力，变形模块在切向收缩力驱动下产生背向被刺激侧的翻滚，机器人产生背向刺激侧的翻滚运动；当电极单独刺激驱动模块其中一侧中心部位时，驱动模块的两侧产生瞬时非对称收缩力，变形模块后端产生不对称的轴向收缩；当变形模块收缩变形结束恢复原形时，产生与原收缩方向相反的伸张力，在伸张力与变形模块弹性变形的共同作用下，机器人产生向被刺激侧的转向运动，能够实现前进、转向和翻转等三自由度的运动，解决了现有复杂的工作环境对机器人单一自由度的运动模式无法完成工作的问题；本专利技术的机器人多运动自由度拓展了机器人在复杂环境中的应用场景及功能。
[0025]此外，本专利技术还提供了一体化的制造方法简化了机器人的制造流程，使得生物混合机器人的生产制造规范化，一体化的制造方法也有利于降低制造成本为大批量规范化地制造生物混合机器人提供了一种新思路，为未来生物混合机器人的快速制造奠定基础。
[0026]进一步，通过将变形模块设计为类水弹折纸的变形结构，其设计理念为仿生蚯蚓的身体结构和运动机理，蚯蚓通过肌肉产生的轴向力，刚毛钉入土内完成向前的波浪式蠕动运动，肌肉的不对称收缩产生轴向的不对称力完成灵活转向运动，肌肉产生的切向力完成大角度翻滚，可实现在在多方向的小尺度驱动力下可实现轴向及径向收缩、径向偏转和周向扭转的多自由度变形能力，且撤销驱动力后可恢复原形。
[0027]进一步，所述定向模块采用弓形足设计理念为仿生蚯蚓体表刚毛的定向爬行机理，蚯蚓刚毛通过插入地面增大向后移动的摩擦力，阻止蚯蚓向后移动的运动趋势，当为前进和转向运动时，弓形足始终与地面接触。
附图说明
[0028]图1为生物混合机器人的整体结构图；
[0029]图2为生物混合机器人的运动机理图；
[0030]图3为图1中变形模块的结构图；图(a)为整体图，图(b)为展开图；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多运动自由度生物混合机器人，其特征在于，包括：变形模块(1)、驱动模块(2)及定向模块(3)；所述驱动模块(2)轴向环绕套设在变形模块(1)上，所述定向模块(3)粘连在变形模块(1)上，且与变形模块(1)的前端边缘连接；所述驱动模块(2)为工程化肌肉组织，所述驱动模块(2)通过肌肉组织的不同部位收缩控制变形模块(1)。2.根据权利要求1所述的一种多运动自由度生物混合机器人，其特征在于，所述定向模块(3)包括连接段(31)和接地段(32)，所述连接段(31)与变形模块(1)的连接；当机器人前进和转向运动时，所述接地段(32)与地面接触；所述连接段(31)和接地段(32)之间形成弓形足结构。3.根据权利要求1所述的一种多运动自由度生物混合机器人，其特征在于，所述变形模块(1)为类水弹折纸的变形结构。4.根据权利要求1所述的一种多运动自由度生物混合机器人，其特征在于，所述定向模块(3)的折痕与所述变形模块(1)的边缘折痕重合，用于对所述变形模块(1)的运动方向进行约束。5.根据权利要求1所述的一种多运动自由度生物混合机器人，其特征在于，所述驱动模块(2)为厘米尺度的工程化培养的骨骼肌肌肉环。6.根据权利要求1所述的一种多运动自由度生物混合机器人，其特征在于，所述变形模块(1)上的两侧边缘设置有固定槽(11)，用于所述驱动模块(2)与所述变形模块(1)稳固连接。7.根据权利要求1所述的一种多运动自由度生物混合机器人，其特征在于，所述变形模块(1)和定向模块(3)均采用0.1mm厚的PEEK聚醚醚酮材料。8.根据权利要求1所述的一种多运动自由度生物混合机器人，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：高琳，梁拓，李涤尘，刘子玮，张源，成玮，连芩，谢璇璇，冯俊男，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：