[发明专利]一种软体机器人

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于管道检修、废墟搜救以及军事侦察等非结构作业环境中的软体机器人。

背景技术

机器人已广泛应用于军事、工业、科学探测等诸多领域。传统机器人一般由刚性模块通过运动副连接构成，所有运动副的运动组合形成机器人末端执行器的工作空间，这种机器人具有运动精确的优点，但结构的刚性使其环境适应性较差，无法通过狭窄或结构复杂的空间。

软体机器人是仿生机器人研究的延续，模仿自然界中的软体动物，具有无限多自由度和连续变形能力，可在大范围内任意改变自身形状和尺寸。由于其出色的灵活性和适应性，在军事、探测、医疗等领域具有广泛的应用前景。

哈佛大学的怀特赛德斯团队发明的软体机器人采用软光刻技术制成，这种技术虽然具有很高的分辨率，但是在批量化生产之前成本比较高，同时需要借助空气前行，当空气注入四肢后，具有弹性的腔体会像气球一样扩张，而腔体材料却不舒展而四肢蜷缩。当弯曲时，借助肢体与周围摩擦力作用产生的横向推力，整个身体可以不断向前推进。这种空气驱动方式容易出现气压不稳定，而且由于路面情况的不同造成肢体与其作用产生的横向推力也有很大的差异。中国专利CN201010129066.2公开了“一种搜救机器人”，其包括基体、中间骨架、电机、PVC管、摄像机和光源模块等。由于需要通过电机转动来驱使PVC管收缩，从而挤压基体产生驱动力来驱动机器人，所以整个机器人的结构较为复杂。而且大部分机器人是有线的，线路的冗余容易影响机器人的运动，而且线路容易受环境的侵蚀和破坏。

发明内容

本发明的目的是提出一种新型软体机器人驱动方式，从而使软体机器人在非结构作业环境中反应灵敏，运动灵活，动作迅速。

本发明采用的技术方案是：一种软体机器人，主要包括基体、微分磁性刚性单元或者微分磁性高分子复合材料、控制电源和控制电路，所述基体包括头部、颈部、躯干部、脚和尾部共五个部分；所述的微分磁性刚性单元或者微分磁性高分子复合材料是小型片状结构，类似于将一个磁条分切成多个片，即数学上的微分概念，故称作微分磁性刚性单元或者微分磁性高分子复合材料；在躯干部内周向上设置四条或四条以上通道，在通道内沿轴向嵌入数个相间隔的微分磁性刚性单元或者微分磁性高分子复合材料，每个微分磁性刚性单元或者微分磁性高分子复合材料都与控制电路连接，利用微分磁性刚性单元或者微分磁性高分子复合材料通电时有磁性、断电时磁性消失及同级互相排斥的特点，同时结合聚合物材料的弹性，通过控制各通道内的微分磁性刚性单元或者微分磁性高分子复合材料的伸缩量来实现整体的弯曲和蠕动；控制电源用于给控制电路供电，控制电源为小型干电池，内置于基体的头部，头部与躯干部采用可拆卸连接，需要更换电池时，打开头部更换即可；微分磁性刚性单元或者微分磁性高分子复合材料通过控制电路彼此连接起来，通过基体内腔，与头部的电源相连接。控制电路一部分嵌入到躯干部中，与控制电源连接，使各通道内的微分磁性刚性单元或者微分磁性高分子复合材料分别伸缩，不同通道内的微分磁性刚性单元或者微分磁性高分子复合材料伸缩不同使基体弯曲，由伸缩和弯曲带动基体运动，控制电路另有一部分在躯干部以外，是无线遥控部分，通过遥控部分向躯干部的控制电路发出的指令控制基体的运动。

本发明一种软体机器人所用的基体材料为聚氨酯（TPU）、热塑性弹性体（TPE）、热塑性硫化胶（TPV）、橡胶（RB）或乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）等高弹性高分子材料，这些材料具有良好的弹性和成型加工性。利用这些特点，易于加工成本发明所需的形状，同时还可以配合微分磁性刚性单元或者微分磁性高分子复合材料完成驱动动作，在大部分的应用环境中性能保持稳定，在控制电路的驱动下灵活运动。

本发明一种软体机器人所用的控制电源为小型干电池，该电池体积小，容量大，持续时间长，更换方便。

本发明一种软体机器人所用的微分磁性刚性单元或者微分磁性高分子复合材料置于躯干部周向上设置的通道内，彼此同级相对，嵌入躯干部材料中，通电时有磁性，断电时磁性消失，可以通过调节电流的大小来控制磁性的强弱，进而控制聚合物材料变形的大小。

本发明的有益效果是：

1、本发明一种软体机器人可以任意调节软体机器人运动的快慢和整体的弯曲，可以实现在非结构环境作业下驱动方式稳定，动作灵敏、连续。

2、本发明一种软体机器人结构小巧灵活，所用的基体材料成型加工性和弹性良好，容易加工成所需要的形状，同时可以承受环境的侵蚀。