本發(fā)明涉及機(jī)器人自動化控制領(lǐng)域，特別涉及一種仿尺蠖攀爬的氣動軟體機(jī)器人。
背景技術(shù)：
：在農(nóng)業(yè)、林業(yè)和建筑業(yè)以及軍事偵察上，機(jī)器人需要應(yīng)對各種不規(guī)則且復(fù)雜的地理環(huán)境以及高空作業(yè)應(yīng)用場景中，例如果樹剪枝、果實(shí)采摘、茶葉和花蜜采集、路燈維修更換、電線架設(shè)檢查等工作。機(jī)器人需要具備較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性才能應(yīng)付各種不同復(fù)雜環(huán)境以進(jìn)行作業(yè)工作。近年來，國內(nèi)外研制不少用于攀爬的機(jī)器人系統(tǒng)，主要分為用于爬桿和爬壁兩大類。國外學(xué)者公布了3dclimber、rise、stickybot等機(jī)器人系統(tǒng)，而國內(nèi)也相繼研發(fā)出climbot、wallbot等系統(tǒng)，這些剛體攀爬機(jī)器人能夠在一些指定尺寸、形狀或者一定粗糙度、光滑度的壁面進(jìn)行攀爬。傳統(tǒng)剛體機(jī)器人在復(fù)雜以及未知動態(tài)環(huán)境中進(jìn)行工作時，由于傳統(tǒng)剛體機(jī)器人本身存在不夠靈活、環(huán)境適應(yīng)性較差、體積笨重以及噪聲大等缺點(diǎn)，因此造成傳統(tǒng)剛體機(jī)器人適應(yīng)能力不強(qiáng)。隨著材料學(xué)等交叉學(xué)科的發(fā)展，軟體機(jī)器人為解決傳統(tǒng)剛體機(jī)器人面對的技術(shù)問題提供了廣闊的空間以及發(fā)展思路。其中，因?yàn)檐涹w機(jī)器人由柔性材料構(gòu)成，理論上具有無限自由度，能夠呈現(xiàn)出任意的連續(xù)變形。與傳統(tǒng)的剛體攀爬機(jī)器人不同，軟體攀爬機(jī)器人對不同的環(huán)境中均擁有出色的攀爬能力。其中韓國首爾大學(xué)使用軟電路板作為軀體，sma彈簧為驅(qū)動，從而研制成高集成度的omegabot，其能夠在一定結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化攀爬環(huán)境中進(jìn)行攀爬使用，但負(fù)載能力非常小。而美國科學(xué)家使用軟質(zhì)材料研制出一種多步態(tài)的四足氣動爬行機(jī)器人，其能夠抗壓和抗高溫，但爬行速度非常緩慢且只能在平地進(jìn)行爬行。中國科技大學(xué)研制了一款sma絲驅(qū)動的仿海星機(jī)器人，其能夠在水中進(jìn)行游動但在陸地上的爬行能力較差。因此，研制一種能適用于平地、桿件環(huán)境并且結(jié)構(gòu)簡單、爬行速度快以及制造成本低的軟體機(jī)器人是非常必要的。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的主要目的是提出一種結(jié)構(gòu)簡單、控制簡單、動作可靠以及適應(yīng)性強(qiáng)仿尺蠖攀爬的氣動軟體機(jī)器人，旨在擴(kuò)大軟體機(jī)器人的應(yīng)用范圍。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的一種仿尺蠖攀爬的氣動軟體機(jī)器人，其特征在于，包括彎曲模塊以及與所述彎曲模塊端部相連的夾持模塊；所述彎曲模塊和所述夾持模塊均為上下堆疊的層狀結(jié)構(gòu)，包括可彈性彎曲變形的限制層以及內(nèi)部設(shè)有密封空間且彈性膨脹變形的膨脹層，所述限制層頂面與所述膨脹層底面相連，所述限制層的彈性模量小于所述膨脹層的彈性模量，所述膨脹層表面還設(shè)有充放氣機(jī)構(gòu)與所述膨脹層內(nèi)部通連。優(yōu)選地，所述限制層內(nèi)部設(shè)有彈性模量小于所述膨脹層彈性模量的內(nèi)部限制層。優(yōu)選地，所述內(nèi)部限制層為玻璃纖維層。優(yōu)選地，所述彎曲模塊和/或所述夾持模塊的中部外表面包裹有限形網(wǎng)。優(yōu)選地，所述充放氣機(jī)構(gòu)包括與所述膨脹層內(nèi)部通連的氣管，所述氣管的另一端與氣管接頭相連。優(yōu)選地，所述膨脹層底面和所述限制層頂面粘接相連。優(yōu)選地，所述膨脹層和所述限制層為硅橡膠材質(zhì)或硅膠材質(zhì)。優(yōu)選地，所述彎曲模塊的兩端分別與所述夾持模塊的中部垂直相連。優(yōu)選地，所述彎曲模塊的端部設(shè)有第一搭接塊，所述夾持模塊中部設(shè)有第二搭接塊，所述第一搭接塊和所述第二搭接塊以膠接方式緊密連接。本發(fā)明技術(shù)方案通過采用通過在內(nèi)部設(shè)有密封空間且可膨脹變形的膨脹層底部相連有彈性模量相對較小的限制層，從而使得膨脹層的端部在膨脹變形時受到限制層的約束而向限制層中心進(jìn)行靠攏，這樣既可實(shí)現(xiàn)兩端的夾持模塊可靠地夾持棒狀物，同時彎曲模塊彎曲變形或恢復(fù)平直狀態(tài)從而推動或拉動未處于夾持狀態(tài)的夾持模塊進(jìn)行移動。通過彎曲模塊以及夾持模塊相互配合交替作用，使得本發(fā)明技術(shù)方案的仿尺蠖攀爬的氣動軟體機(jī)器人沿著棒狀物或者地面可靠地移動。另外，通過在限制層內(nèi)部設(shè)置彈性量小于膨脹層的內(nèi)部限制層，并且優(yōu)選地，該內(nèi)部限制層為玻璃纖維，這樣使得限制層在整體結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)對膨脹層進(jìn)行可靠約束變形，膨脹層在膨脹過程中，膨脹層兩端朝特定方向進(jìn)行變形以保證夾持的可靠性。因?yàn)榕蛎泴拥呐蛎涀冃问茄刂鱾€方向進(jìn)行膨脹變形，通過在彎曲模塊和/或夾持模塊的中部外表面包裹限形網(wǎng)，這樣使得膨脹層在膨脹變形時，膨脹層的端部不會受到約束，膨脹層端部可靠地向限制層中心靠攏而不會受限，而膨脹層的中部位置則會受到限制，以避免膨脹層變形過大造成破損。本發(fā)明技術(shù)方案中，膨脹層底面和限制層頂面粘接相連，并且膨脹層和限制層可為硅橡膠材質(zhì)或硅膠材質(zhì)。通過粘接方式使得膨脹層和限制層在變形時，兩者之間充分接觸且受力較為均勻，限制層對膨脹層可靠約束。并且膨脹層和限制層可為硅橡膠材質(zhì)或硅膠材質(zhì)，使得限制層對棒狀物進(jìn)行夾持時內(nèi)部摩擦力較大，使得氣動軟體機(jī)器人可靠地夾緊棒狀物以避免發(fā)生墜落。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明技術(shù)方案氣動軟體機(jī)器人具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)控制簡單。本發(fā)明的氣動軟體機(jī)器人中，位于端部的夾持模塊以及彎曲模塊只需通過向其膨脹層充入氣體或者釋放氣體即可完成相應(yīng)的夾持或者彎曲動作，以完成夾持或者移動的步驟。2)動作可靠。通過在限制層內(nèi)部加入玻璃纖維作為內(nèi)部限制層，使得限制層的彈性模量降低，以使得限制層對膨脹層的膨脹約束更加可靠，并且彎曲模塊和夾持模塊中部均包裹有限形網(wǎng)，這樣使得膨脹層膨脹過程中不會變形過大造成破損，同時也保證膨脹層兩端向限制層中部可靠進(jìn)行膨脹變形以對棒狀物可靠夾持。本發(fā)明技術(shù)方案中的彎曲模塊和夾持模塊均為硅橡膠或硅膠，因此夾持或者與地面的摩擦力都較大，以保證工作過程的可靠性。3)適應(yīng)性強(qiáng)。本發(fā)明技術(shù)方案的氣動軟體機(jī)器人通過彎曲模塊和夾持模塊交替配合進(jìn)行動作，可以適用于樹枝、桁架等棒狀的結(jié)構(gòu)，或者應(yīng)用于地面進(jìn)行攀爬等動作，因此具有較強(qiáng)的適用性。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖示出的結(jié)構(gòu)獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明仿尺蠖攀爬的氣動軟體機(jī)器人的外形結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明夾持模塊的零件爆炸圖；圖3為本發(fā)明彎曲模塊的零件爆炸圖；圖4為本發(fā)明仿尺蠖攀爬的氣動軟體機(jī)器人攀爬棒狀物的過程示意圖；圖5為本發(fā)明仿尺蠖攀爬的氣動軟體機(jī)器人平地爬行的過程示意圖。附圖標(biāo)號說明：標(biāo)號名稱標(biāo)號名稱1彎曲模塊7限制層2夾持模塊8內(nèi)部限制層3限形網(wǎng)9第二搭接塊4氣管10第一搭接塊5氣管接頭11棒狀物6膨脹層本發(fā)明目的的實(shí)現(xiàn)、功能特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)將結(jié)合實(shí)施例，參照附圖做進(jìn)一步說明。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。需要說明，若本發(fā)明實(shí)施例中有涉及方向性指示(諸如上、下、左、右、前、后……)，則該方向性指示僅用于解釋在某一特定姿態(tài)(如附圖所示)下各棒狀物之間的相對位置關(guān)系、運(yùn)動情況等，如果該特定姿態(tài)發(fā)生改變時，則該方向性指示也相應(yīng)地隨之改變。另外，若本發(fā)明實(shí)施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，則該“第一”、“第二”等的描述僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示其相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。另外，各個實(shí)施例之間的技術(shù)方案可以相互結(jié)合，但是必須是以本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)為基礎(chǔ)，當(dāng)技術(shù)方案的結(jié)合出現(xiàn)相互矛盾或無法實(shí)現(xiàn)時應(yīng)當(dāng)認(rèn)為這種技術(shù)方案的結(jié)合不存在，也不在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明提出一種仿尺蠖攀爬的氣動軟體機(jī)器人。請參見圖1至圖3，在本發(fā)明實(shí)施例中，仿尺蠖攀爬的氣動軟體機(jī)器人包括彎曲模塊1以及與彎曲模塊1端部相連的夾持模塊2，本發(fā)明實(shí)施例中，彎曲模塊1的兩端分別與夾持模塊2的中部垂直相連，并且彎曲模塊2的端部設(shè)有第一搭接塊10，而夾持模塊2的中部設(shè)有第二搭接塊9，第一搭接塊10和第二搭接塊9以膠接方式緊密連接。本實(shí)施例中，彎曲模塊1和夾持模塊2均為上下堆疊的層狀結(jié)構(gòu)，其中彎曲模塊1以及夾持模塊2在結(jié)構(gòu)設(shè)置上均包括可彈性變形的限制層7以及內(nèi)部設(shè)有密封空間且可彈性膨脹變形的膨脹層6，限制層7頂面與膨脹層6底面相連，并且限制層7的彈性模量小于膨脹層6的彈性模量，同時膨脹層6表面還設(shè)有充放氣結(jié)構(gòu)與膨脹層6內(nèi)部通連。本發(fā)明實(shí)施例中，限制層7內(nèi)部設(shè)有彈性模量小于膨脹層6彈性模塊的內(nèi)部限制層7，優(yōu)選地，內(nèi)部限制層8為玻璃纖維層。本發(fā)明實(shí)施例中，彎曲模塊1以及夾持模塊1的中部外表面包裹有限形網(wǎng)3。本發(fā)明實(shí)施例中，充放氣機(jī)構(gòu)包括與膨脹層6內(nèi)部通連的氣管4，而氣管4的另一端與氣管接頭5相連。本發(fā)明實(shí)施例中，膨脹層6底面與限制層7頂面以粘接方式相連，并且膨脹層6和限制層7均為硅橡膠材料或硅膠材質(zhì)，而在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，膨脹層6和限制層7為硅膠材料。請參見圖1至圖4，本發(fā)明實(shí)施例的仿尺蠖攀爬的氣動軟體機(jī)器人在工作時，首先通過機(jī)器人前端的夾持模塊2的氣管接頭5向膨脹層6內(nèi)通入氣體，這樣使得膨脹層6沖入氣體后進(jìn)行彈性膨脹變形，膨脹層6變形時，膨脹層6表面是整體向外擴(kuò)張。因?yàn)榕c膨脹層6底面相連的限制層7，其彈性模量小于膨脹層6的彈性模量，因此限制層7會隨著膨脹層6不斷進(jìn)行膨脹而對膨脹層6兩端拉緊，從而使得膨脹層6的兩端向限制層7中心靠攏，并且膨脹層6整體呈近似c字型結(jié)構(gòu)。隨著膨脹層6的兩端逐漸靠攏，最終使得前端的夾持模塊2將樹枝、桁架等與彎曲模塊1平行的棒狀物11夾緊。當(dāng)前端的夾持模塊2緊抱棒狀物后，然后繼續(xù)向彎曲模塊1的膨脹層6通入氣體，使得膨脹層6受到限制層約束而向限制層7中部收縮靠攏，彎曲模塊1彎曲收縮從而將后端的夾持模塊2向前端的夾持模塊2靠攏。然后再向后端的夾持模塊2的膨脹層6通入氣體，使得后端的夾持模塊2的膨脹層6受到限制層約束后，后端的夾持模塊2的兩端向中部靠攏以夾緊棒狀物11。當(dāng)后端的夾持模塊2夾緊棒狀物11后，通過氣管4和氣管接頭5將前端的夾持模塊2以及彎曲模塊1的膨脹層6進(jìn)行放氣，前端的夾持模塊2放氣后松開對棒狀物11的夾持作用力，彎曲模塊1的膨脹層6放氣進(jìn)行回彈，而在彎曲模塊1回彈過程中，彎曲模塊1將前端的夾持模塊2拉動向前，最終使得前端的夾持模塊2被彎曲模塊1向前推動一定距離。然后依次對前端的夾持模塊2的膨脹層6再次充入氣體使得前端的夾持模塊2收縮夾緊棒狀物11，然后需要對后端的夾持模塊2的膨脹層6則釋放其內(nèi)部氣體，當(dāng)后端的夾持模塊2松開對棒狀物11夾持后，再對彎曲模塊1的膨脹層6進(jìn)行使其充氣回縮，使得彎曲模塊1帶動后端的夾持模塊2朝向前端的夾持模塊2挪動一定距離，然后后端的夾持模塊2的膨脹層6再次充氣以夾持棒狀物11，這樣既完成氣動軟體機(jī)器人的一次正向移動過程。通過上述控制過程，使得氣動軟體機(jī)器人沿著棒狀物11一個方向向前移動，其中氣動軟體機(jī)器人移動過程近似于尺蠖攀爬過程，因此使得本發(fā)明技術(shù)方案的氣動軟體機(jī)器人可靠地向前移動。另外，當(dāng)氣動軟體機(jī)器人按照與上述控制過程的逆向運(yùn)動時，則可實(shí)現(xiàn)氣動軟體機(jī)器人的反向運(yùn)動。請參見圖1、圖2、圖3以及圖5，而本實(shí)施例的氣動軟體機(jī)器人需要在平地進(jìn)行移動時，首先對后端的夾持模塊2的膨脹層6進(jìn)行充氣，使其膨脹層6兩端向限制層7靠攏，以使其呈圓拱狀態(tài)，這樣使得后端的夾持模塊2與地面的摩擦力較??；然后對彎曲模塊1的膨脹層6進(jìn)行充氣，使得彎曲模塊1帶動后端的夾持模塊2向前端的夾持模塊2靠攏；然后再對后端的夾持模塊2的膨脹層6進(jìn)行放氣，使得后端的夾持模塊2的限制層與地面的摩擦力增大，同時對前端的夾持模塊2的膨脹層6進(jìn)行充氣，使其呈圓拱狀態(tài)以減小于地面的摩擦力。最后通過對彎曲模塊1的膨脹層6進(jìn)行放棄使得彎曲模塊1恢復(fù)平直狀態(tài)時，在后端的夾持模塊2與地面摩擦力的支撐下，彎曲模塊1推動前端的夾持模塊2向前移動一定距離，然后再對前端的夾持模塊2的膨脹層6放氣，這樣前端的夾持模塊2的限制層7則與地面充分接觸。通過上述的過程即可完成氣動軟體機(jī)器人在平地上的移動，另外可以通過增大后端的夾持模塊2的限制層7與地面的摩擦力，如在限制層7底面增大磨砂面積或者設(shè)置滾花等結(jié)構(gòu)，使得彎曲模塊1帶動前端的夾持模塊2向前時更加可靠。本發(fā)明實(shí)施例中，通過在內(nèi)部設(shè)有密封空間且可膨脹變形的膨脹層6底部相連有彈性模量相對較小的限制層7，從而使得膨脹層6的端部在膨脹變形時受到限制層7的約束而向限制層7中心進(jìn)行靠攏，這樣既可實(shí)現(xiàn)兩端的夾持模塊2可靠地夾持棒狀物11，同時彎曲模塊1彎曲變形或恢復(fù)平直狀態(tài)從而推動或拉動未處于夾持狀態(tài)的夾持模塊2進(jìn)行移動。通過彎曲模塊1以及夾持模塊2相互配合交替作用，使得本實(shí)施例的仿尺蠖攀爬的氣動軟體機(jī)器人沿著棒狀物11或者地面可靠地移動。本發(fā)明實(shí)施例中，通過在限制層7內(nèi)部設(shè)置彈性量小于膨脹層3的內(nèi)部限制層8，并且優(yōu)選地，該內(nèi)部限制層8為玻璃纖維，這樣使得限制層7在整體結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)對膨脹層6進(jìn)行可靠約束變形，膨脹層6在膨脹過程中，膨脹層6兩端朝特定方向進(jìn)行變形以保證夾持的可靠性。本發(fā)明實(shí)施例中，因?yàn)榕蛎泴?的膨脹變形是沿著各個方向進(jìn)行膨脹變形，通過在彎曲模塊1和/或夾持模塊2的中部外表面包裹限形網(wǎng)，這樣使得膨脹層6在膨脹變形時，膨脹層6的端部不會受到約束，膨脹層6端部可靠地向限制層7中心靠攏而不會受限，而膨脹層6的中部位置則會受到限制，以避免膨脹層6變形過大造成破損。本發(fā)明實(shí)施例中，膨脹層6底面和限制層7頂面粘接相連，并且膨脹層6和限制層7可為硅橡膠材質(zhì)或硅膠材質(zhì)。通過粘接方式使得膨脹層6和限制層7在變形時，兩者之間充分接觸且受力較為均勻，限制層7對膨脹層6可靠約束。并且膨脹層5和限制層7可為硅橡膠材質(zhì)或硅膠材質(zhì)，使得限制層7對棒狀物11進(jìn)行夾持時內(nèi)部摩擦力較大，使得氣動軟體機(jī)器人可靠地夾緊棒狀物11以避免發(fā)生墜落。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是在本發(fā)明的構(gòu)思下，利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)變換，或直接/間接運(yùn)用在其他相關(guān)的
技術(shù)領(lǐng)域：
均包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁12