基于折纸理论的高收纳率仿生气动软体蠕虫机器人的制作方法

本发明涉及软体机器人技术，尤其是一种基于折纸理论的高收纳率仿生气动软体蠕虫机器人。

背景技术：

近年来，软体机器人凭借主动与被动变形相结合的能力，成为机器人领域中一个新兴的发展分支。以往的仿生柔性机器人由可承受大应变的柔软材料制成，可在一定范围内改变形状尺寸来达到目的，但其存在爬行效率低、负载能力弱、稳定性差等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于为了改善传统仿生柔性机器人爬行效率低、系统控制方式复杂、研制成本高等缺点，提供一种基于折纸理论的高收纳率仿生气动软体蠕虫机器人。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于折纸理论的高收纳率仿生气动软体蠕虫机器人包括柔性驱动器、前后端盖板、气动足及充气抽气系统。所述的柔性驱动器的材质为30度硅胶等超弹柔性材料，其两端分别与前后端盖板密封固定，与后端盖板相连处设有进气口。所述的前后端盖板底部均设有两排气动足；柔性驱动器基于吉村折纸原理，将基本折纸单元按序排列，完全展开后为类圆柱壳，压缩至真空后为六边形棱柱；所述的柔性驱动器轴向设置有n个单层折纸结构，中间有n-1个，前后端各半个(将一个单层折纸结构沿垂直于轴向方向分成两半)，所述的单层折纸结构采用若干基本折纸单元连接得到；充气抽气系统用于对柔性驱动器和气动足进行充气或抽气，柔性驱动器在充气或抽气气压作用下发生大变形响应，驱动前后端盖板底部的气动足运动，实现轴向的大行程仿生爬行，气动足在充气或抽气气压作用下改变其与地面的接触方式。通过充气抽气系统向柔性驱动器充气的方式实现伸展，驱动前排气动足向前运动；通过充气抽气系统从柔性驱动器抽气实现收缩，驱动后排气动足向前运动，从而实现轴向的大行程仿生爬行。

上述技术方案中，进一步地，所述的前后端盖板采用树脂材料，由3d打印制成；前端盖板封闭，后端盖板留有进气口；前后端盖板底部均预留有气路与进气口，气路上开有两个与两个气动足连接的气孔。

更进一步地，所述的充气抽气系统通过导管分别与柔性驱动器以及前后端盖板底部的进气口相连，导管的材质为硅胶。

进一步地，所述的气动足由合页连接件、气囊、树脂轮、足套和碳棒组成；合页连接件的其中一片合页与盖板底部固定连接；气囊固定设于合页连接件内；树脂轮设于合页连接件的可活动合页外侧，足套设于可活动合页端部，用于支撑地面；树脂轮以碳棒为轮轴进行旋转，从而带动前后端盖板运动；气囊通过膨胀或收缩控制合页连接件的夹角，从而改变气动足与地面的摩擦系数：当气囊收缩时，树脂轮与地面接触，摩擦力减小，气动足向前运动；当气囊膨胀时，足套与地面接触，摩擦力增大，气动足固定不动。

更进一步地，所述的气囊与足套采用橡胶、硅胶等弹性材料；树脂轮采用树脂材料，由3d打印制成。

更进一步地，所述合页连接件采用树脂材料由3d打印制成；其中，与盖板底部固定连接的一片合页上留有进气孔，用于连接盖板底部与气囊的气路；另一片可活动合页外侧设有轮档，用以安装树脂轮。

在所述的柔性驱动器的制备方法过程中，为了防止在气压作用下应力集中和便于3d打印制备，在折痕和顶点处，进行半径为1mm的倒角设计。受3d打印技术限制，需要将驱动器沿横截面分为两部分，分别进行3d打印后用胶水粘合。本发明中的各部分之间通过聚氨酯胶粘接而成。

本发明的有益效果是：

本发明的基于折纸理论的高收纳率仿生气动软体蠕虫机器人通过气压驱动进行伸展或收缩，可根据需求实现正压驱动或负压驱动。气动足与地面接触的方式可以在滑动摩擦与滚动摩擦之间进行转换，实现高效率爬行。前后端盖板底部各连接两个气动足，保证在运动过程中端板不会发生倾斜或侧滑，增强稳定性，使蠕虫机器人保持直线运动。本发明的基于折纸理论的高收纳率仿生气动软体蠕虫机器人具有柔顺的结构、连续灵活的变形特性、高速操作能力、良好的载荷分布特性与环境适应能力等优点，在诸如资源勘探、救援救灾、管路检测、柔性搬运等领域发挥自己独特的作用，有着较大的发展和应用潜力。

附图说明

图1是基于折纸理论的高收纳率仿生气动软体蠕虫机器人的一种具体结构示意图；

图2(1)是柔性驱动器、图2(2)是基本折纸单元展开、图2(3)是单层折纸结构和图2(4)是基本折纸单元折叠示意图；

图3(1)是后端盖板示意图，图3(2)是前端盖板示意图；

图4是气动足示意图；

其中，1：后端盖板；2：柔性驱动器；3：前端盖板；4：气囊；5：足套；6：树脂轮；7：合页连接件；8：碳棒；9：气路；10：进气口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的方案做进一步的说明解释。

如图1所示，本发明的基于折纸理论的高收纳率仿生气动软体蠕虫机器人的一种具体结构如下：包括柔性驱动器2、前、后端盖板3和1、气动足及充气抽气系统。所述的前、后端盖板3和1底部均设有两个气动足；柔性驱动器2两端分别与前后端盖板密封固定，与后端盖板1相连处设有进气口。

如图2(1)所示，所述的柔性驱动器2基于折纸理论，轴向设置有n个单层折纸结构，中间有n-1个，前后端各半个(将一个如图2(3)所示的单层折纸结构沿垂直于轴向方向分成两半)，所述的单层折纸结构采用若干如图2(4)所示的基本折纸单元连接得到。所述的柔性驱动器2的材质为30度硅胶，其制备方法为：将柔性驱动器2沿横截面分为两部分，分别进行3d打印后用胶水粘合。

所述基本折纸单元沿对角线折叠之后得到的锐角∠dga为所述的基本折纸单元折叠后面efd与面gfd形成的二面角为α，可根据α来选择基本折纸单元的尺寸也可根据需要来设置。需满足以下条件才可以形成闭合模型：

当n＝3时，是指需要3个基本折纸单元才能得到一个单层折纸结构；∠bdf为β，β和n满足正多边形内角和公式：

nβ＝(n-2)π

再将n-1个单层折纸结构轴向排列，并在前后端分别设置半个单层折纸结构，就得到柔性驱动器2。如设置α＝90°，计算出基本折纸单元的两条边长可自行设置。

通过充气抽气系统向所述的柔性驱动器2内充气的方式以及折纸结构弹性势能释放实现伸展，通过充气抽气系统从柔性驱动器2内抽气的方式实现折叠收缩。

所述的前、后端盖板3和1由树脂3d打印制成，后端盖板1上设有进气口，和充气抽气系统连接，前端盖板3封闭，能够承受很大的压强。此外，前后端盖板底部内预留有气路9与进气口10，每个气路上均开有两个分别与两个气动足连接的气孔，如图3所示。

如图4所示，所述的气动足由合页连接件7、气囊4、树脂轮6、足套5和碳棒8组成；合页连接件7的其中一片合页与盖板底部固定连接；气囊4固定设于合页连接件7内；树脂轮6设于合页连接件7的可活动合页外侧，足套5设于可活动合页端部，用于支撑地面；树脂轮6以碳棒8为轮轴进行旋转，从而带动前后端盖板运动；气囊4通过膨胀或收缩控制合页连接件7的夹角，从而改变气动足与地面的摩擦系数：当气囊4收缩时，树脂轮6与地面接触，摩擦力减小，气动足向前运动；当气囊4膨胀时，足套5与地面接触，摩擦力增大，气动足固定不动。

本发明的机器人的工作方式如下：

每周期充气、抽气的顺序为：对后端盖板1底部的气动足抽气，对前端盖板3底部的气动足充气，对柔性驱动器2抽气，后端盖板1底部的气动足往前运动；对后端盖板1底部的气动足充气，对前端盖板3底部的气动足抽气，对柔性驱动器2充气，前端盖板3底部的气动足往前运动。以此为周期不断重复，从而保证仿生蠕虫机器人的单向运动，且在运动过程中，总有两个气动足是固定不动的，从而保证了仿生蠕虫机器人的稳定性。

本发明中的各部分之间通过聚氨酯胶粘接而成。

在本实施例中，在正常状态下，合页连接件7的夹角为60度；气囊4处于最大气压下时，合页连接件7的夹角约为65度；气囊4处于真空状态时，合页连接件7的夹角约为50度。

本发明公开的基于折纸理论的高收纳率仿生气动软体蠕虫机器人具有柔顺的结构、连续灵活的变形特性、交互的安全性、良好的载荷分布特性与环境适应能力等优点，将在诸如资源勘探、救援救灾、管路检测、柔性搬运等领域发挥优势，有着较大的发展和应用潜力。

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