專利名稱：一種全皮膚翻轉運動軟體機器人的制作方法
技術領域：
本發明屬于機器人技術領域，具體是一種通過全皮膚翻轉方式運動的軟體機器人。
背景技術：
近年來，機器人的驅動和運動方式一直是移動機器人研究的重點之一，目前各種移動方式的機器人層出不窮，如輪式機構、腿式機構(跳躍、雙腿，多腿)以及擺動游走機構，如機器魚、機器蛇或機器尺蠖蟲等，這些機器人在一些使用的場合顯示出特有的優點，如輪式機器人驅動簡單、速度快，腿式機器人具備一定跨越能力，蛇形機器人依靠擺動等也
能穿越一些障礙等。但在一些非結構環境下，受尺寸和作業空間的限制，如在管道檢測、人體醫療檢查、倒塌狹小空間搜救等，由于應用的場合屬于非結構環境，并且會遇到各種障礙，對機器人的移動方式提出更高的要求，如需要能進入狹窄管道進行檢查，或是能無損害地進入人體消化道進行檢查，或是能進入尺寸比自身更小的地下空間進行搜救或運送飲食等。因此，機器人能夠在復雜而無規則的地形中移動變得至關重要，這就要求機器人能夠更好適應環境，隨著環境的變化改變自身的狀態。目前常規的剛性機器人和其驅動方式已不能滿足上述的需求。中國專利申請CN201010129066.2公開了 “一種搜救機器人”，其包括基體，中間骨架，電機，PVC管，攝像機和光源模塊等。其中，基體為圓環形柱狀且頭尾兩端為半球形的彈性軟體結構，多個電機和PVC管均固定在基體的彈性薄膜上，通過電機的轉動使相對應的PVC管產生束緊力，該束緊力在彈性薄膜方向上的分力，即為驅動力，在該驅動力作用下，機器人基體的尾端體積縮小，而整個機器人的基體體積不變，從而使得基體前端體積增大，前段的內部皮膚翻轉出來，尾端外部皮膚翻轉進去，從而使得搜救機器人前進。由于需要通過電機轉動來驅使PVC管收縮，從而擠壓基體產生驅動力來驅動機器人，所以整個機器人的結構較為復雜。
發明內容
本發明的目的是提供一種能夠在復雜而無規則的環境中移動的且結構簡單機器人。實現本發明目的的技術方案是:一種全皮膚翻轉運動軟體機器人，具有圓環形柱狀彈性軟體結構的基體，還具有多個均布在基體上的控制環，控制環包括沿基體的軸向設置的軸向控制環和沿徑向設置的徑向控制環，其中，軸向控制環和徑向控制環都是由多個離子交換聚合金屬材料研制的控制單元和彈性帶相互間隔串聯而形成，軸向控制環和徑向控制環的彈性帶在交錯處相互連接形成十字形結構，控制單元中都封裝有能通過無線通訊接受控制信號的控制芯片。所述的基體由彈性皮膚薄膜和封裝在彈性薄膜內的液體組成。
所述的控制單元是由離子交換聚合金屬材料制成，尤其是陽離子交換型氟基聚合膜-鉬結構的材料，其能以較低的電壓激勵產生較大的位移變形。所述對控制單元施加的控制信號是對控制單元的電源的通斷、頻率以及加載的電壓進行控制的脈寬調制信號。本發明具有積極的效果:本發明的基體是由彈性皮膚薄膜和封裝在彈性皮膚薄膜內的液體組成的圓環形柱狀體軟體結構，采用縱橫交錯、類似網狀的控制環包覆在基體上，通過離子交換聚合金屬材料的控制單元產生驅動力，尤其是陽離子交換型氟基聚合膜-鉬結構的控制單元，其能以較低的電壓激勵產生較大的位移變形，代替了電機，可以省掉齒輪、軸承等復雜的結構，同時減輕了重量，更重要的是這種驅動執行系統有彈性、有一定的抵抗破壞的能力，且結構簡單、易變形、不受傳統機械結構的限制且不易損壞。由于基體的皮膚具有很大彈性，能通過改變基體的長度、端面直徑和改變形態等，以在各種復雜的環境中移動。
為了使本發明的內容更容易被清楚地理解，下面根據具體實施例并結合附圖，對本發明作進一步詳細的說明，其中圖1為本發明全皮膚翻轉運動軟體機器人的立體結構示意圖。圖2為本發明全皮膚翻轉運動軟體機器人的軸向結構示意圖。圖3為本發明全皮膚翻轉運動軟體機器人的徑向結構示意圖。圖4為本圖3中的A-A剖視圖。圖5為本發明全皮膚翻轉運動軟體機器人向前運動的示意圖。
具體實施例方式離子交換聚合金屬材料，英文全稱為:1n-exchange Polymer Metal Composite,即IPMC，是一種人工肌肉材料，由于較低的驅動電壓能使其產生較大的位移變形，作為一種新型執行器非常適用于仿生機器人的開發。圖1、2、3、4所示為本發明的一種全皮膚翻轉運動軟體機器人，具有基體1，基體I為圓環形柱狀彈性軟體結構，控制環2均布在基體I上。基體I的整個皮膚薄膜是彈性材料，彈性的皮膚薄膜內封裝有液體。控制環2包括沿基體I的軸向設置的軸向控制環2-1和沿徑向設置的徑向控制環2-2，軸向控制環2-1和徑向控制環2-2的具體數量可根據基體I的長度和控制要求等具體確定，圖1中示出了 4條軸向控制環2-1以及多條徑向控制環2-2。軸向控制環2-1和徑向控制環2-2都是由多個控制單元3和彈性帶4相互間隔串聯而成，其中控制單元3由離子交換聚合金屬材料(IPMC)制成。軸向控制環2-1和徑向控制環2-2的彈性帶4在基體I的皮膚表面相互交錯，彈性帶在交錯處相互連接形成十字形結構，從而形成縱橫交錯的控制環，類似網狀地包覆在基體I上，具有很好的穩定性。控制單元3中都封裝一個控制芯片(圖中未示出)，控制芯片通過無線通訊接受主機的控制信號，控制信號采用的是脈寬調制的方式(PWM)，對控制單元3的電源的通斷、頻率以及加載的電壓等進行控制。其中，控制單元3尤其可以采用陽離子交換型氟基聚合膜-鉬結構作為功能材料，該材料是以聚合物薄膜為基體骨架，通過鍍涂的方法將鉬金屬顆粒滲透并沉積在膜表面而形成的一種復合材料，其在低電壓的刺激下，水合陽離子的規則排布能夠使膜產生較大的彎曲變形。基體I為圓環形柱狀結構，其圓環形柱的內圈的皮膚為內皮膚，外圈的皮膚為外皮膚，內、外皮膚可在連續翻轉運動中不斷相互轉換。其中，在驅動機器人向前運動的時候，位于尾部的徑向控制環2-2收到控制信號，產生收縮運動，使基體I的尾端體積減小，而由于基體I的整體體積不變，則基體I的前端體積增大，從而使前端的內皮膚翻轉出來而轉換成外皮膚，尾部外端的內皮膚則翻轉進去轉換成內皮膚，在翻轉的過程中，基體I的外皮膚與地面摩擦，從而使基體I向前運動。基體I向前連續運動的過程中，總是不停地由位于尾端的徑向控制環2-2產生收縮運動，促使機器人的內、外皮膚連續進行翻轉轉化，通過皮膚與地面的接觸促使基體I連續向前運動。在機器人需要轉彎的時候，由軸向控制環2-1進行控制轉向，例如，機器人在前進過程中需要向左轉彎時，可以由位于左側的軸向控制環2-1產生收縮，產生收縮的控制單元可以是整個左側軸向控制環上的所有控制單元，也可以是位于軸向控制環前端的部分控制單元，具體根據基體I的長度、轉彎的幅度等確定，一般可以是整個基體I長度1/3處的控制單元產生收縮運動，擠壓基體I前端的左側，使基體I前端的左側收縮，從而使基體I轉向。機器人的移動過程如圖5所示:圖5(a)表示機器人的初始狀態，準備向左運動，當機器人基體右端的徑向控制環產生收縮，基體右端受到一定的徑向收縮壓力F之后，其內層皮膚向左運動，外層皮膚向著右邊移動，于是機器人運動到圖5(b)狀態，此時位于右端的徑向控制環再施加壓力，機器人運動到圖5(c)狀態，內、外皮膚發生連續不斷的翻轉，在連續翻轉的過程中，外皮膚與地面產生摩擦，促使機器人能向前移動。需要后退時，只需控制相對另一端的徑向控制環即可。如需轉彎時，在一側的軸向控制環的前端施加壓力，就能改變運動方向。如果在整個機器人的基體上施加力的作用，機器人將產生變形，體積變得細長，就能進入更小的空間。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種全皮膚翻轉運動軟體機器人，具有圓環形柱狀彈性軟體結構的基體(1)，其特征在于:還具有多個均布在基體⑴上的控制環(2)，控制環⑵包括沿基體⑴軸向設置的軸向控制環(2-1)和沿徑向設置的徑向控制環(2-2)，其中，軸向控制環(2-1)和徑向控制環(2-2)都是由多個離子交換聚合金屬材料研制的控制單元(3)和彈性帶(4)相互間隔串聯而形成，軸向控制環(2-1)和徑向控制環(2-2)的彈性帶⑷在交錯處相互連接形成十字形結構，控制單元(3)中都封裝有能通過無線通訊接受控制信號的控制芯片。
2.根據權利要求1所述的一種全皮膚翻轉運動軟體機器人，其特征在于:所述的基體(I)由彈性皮膚薄膜和封裝在彈性薄膜內的液體組成。
3.根據權利要求1所述的一種全皮膚翻轉運動軟體機器人，其特征在于:所述的控制單元(3)是由離子交換聚合金屬材料制成，尤其是陽離子交換型氟基聚合膜-鉬結構的材料，其能以較低的電壓激勵產生較大的位移變形。
4.根據權利要求1所述的一種全皮膚翻轉運動軟體機器人，其特征在于:所述對控制單元⑶施加的控制信號是對控制單元⑶的電源的通斷、頻率以及加載的電壓進行控制的脈寬調制信號。
全文摘要
本發明涉及一種全皮膚翻轉運動軟體機器人，具有圓環形柱狀彈性軟體結構的基體以及多個均布在基體上的控制環，控制環包括沿基體軸向設置的軸向控制環和沿徑向設置的徑向控制環，其中，軸向控制環和徑向控制環都是由多個離子交換聚合金屬材料研制的控制單元和彈性帶相互間隔串聯而形成，軸向控制環和徑向控制環的彈性帶在交錯處相互連接形成十字形結構，控制單元中都封裝有能通過無線通訊接受控制信號的控制芯片。本發明的機器人結構簡單、易變形、不受傳統機械結構的限制且不易損壞，能在各種復雜的環境中移動。
文檔編號B62D57/02GK103101583SQ20111035460
公開日2013年5月15日 申請日期2011年11月10日 優先權日2011年11月10日
發明者駱敏舟, 王美鈴, 孫恒輝, 錢榮榮, 馮寶林 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院