一种基于化学放能反应驱动的仿青蛙水下软体机器人

文档序号:930983 发布日期:2021-03-05 浏览:12次 >En<

阅读说明:本技术 一种基于化学放能反应驱动的仿青蛙水下软体机器人 (Frog-imitating underwater soft robot driven by chemical energy release reaction ) 是由 焦鹏程 王海鹏 叶星宏 于 2020-12-04 设计创作,主要内容包括:本发明属于软体机器人领域,具体涉及一种基于化学放能反应驱动的仿青蛙水下软体机器人,包括机器人主体和腿部驱动组件,所述腿部驱动组件包括主腿管、柔性弹力隔膜、伸缩腿管、仿生伞蹼、放能激励装置和放能原料储放装置,放能原料储放装置用以为反应室输送放能反应原料,放能激励装置用以激励反应室内的原料进行放能反应以推动柔性弹力隔膜鼓起。本发明的机器人具有结构较简单、环境适应性高、驱动简单等优点,且能够进行向前的运动。该设计的发明,有助于解决仿生软体机器人驱动效率低、运动表现速度慢的领域缺点,与此同时,可实现迅速启动、水下监测等功能。(The invention belongs to the field of soft robots, and particularly relates to a frog-imitating underwater soft robot based on chemical energy release reaction driving, which comprises a robot main body and a leg driving assembly, wherein the leg driving assembly comprises a main leg pipe, a flexible elastic diaphragm, a telescopic leg pipe, a bionic umbrella web, an energy release exciting device and an energy release raw material storage device, the energy release raw material storage device is used for conveying energy release reaction raw materials for a reaction chamber, and the energy release exciting device is used for exciting the raw materials in the reaction chamber to perform energy release reaction so as to push the flexible elastic diaphragm to swell. The robot has the advantages of simple structure, high environmental adaptability, simple driving and the like, and can move forwards. The invention of the design is beneficial to solving the defects of low driving efficiency and low motion performance speed of the bionic soft robot in the field, and meanwhile, the functions of quick start, underwater monitoring and the like can be realized.)

一种基于化学放能反应驱动的仿青蛙水下软体机器人

技术领域

本发明属于软体机器人领域,具体涉及一种基于化学放能反应驱动的仿青蛙水下软体机器人。

背景技术

传统机器人大多由刚性材料制成,其结构的复杂性、较低的灵活性限制了机器人的工作空间;刚性材料的高重量、大噪音又限制了机器人的操作便捷性。为突破传统机器人领域发展的限制,软体机器人被开发并逐渐发展起来。软体机器人指自身的主体材料往往采用柔性材料制作而成的智能执行设备,能够适应各种非结构化环境,与人类的交互也更安全。使用柔性材料使得软体机器人相比传统机器人具有更高的灵活性,并其具有极大的模仿生物运动的潜力,可与仿生学结合设计研究软体机器人的驱动及工作方式。区别于传统机器人电机驱动,软体机器人的驱动方式主要取决于所使用的智能材料;一般有介电弹性体(DE)、离子聚合物金属复合材料(IPMC)、形状记忆合金(SMA)、形状记忆聚合物(SMP)等等,从响应的物理量暂时分为如下几类:电场、压力、磁场、光、温度。但是这几种驱动方式存在一个较大的缺陷就是不能够产生快速的较大的驱动力。化学放能反应具有反应速度极快、放出大量的热、产生大量的气体的特点,从而使得软体机器人能够在短时间内获得大驱动力。本申请基于这一驱动方式结合柔软的硅胶材料,以自然界的青蛙为仿生对象,提出了一种基于化学放能反应驱动的仿青蛙水下软体机器人。

发明内容

为了弥补现有技术的不足,本发明提供一种基于化学放能反应驱动的仿青蛙水下软体机器人技术方案。

所述的一种基于化学放能反应驱动的仿青蛙水下软体机器人,其特征在于包括机器人主体和两个分别配合安装于机器人主体左右两侧的腿部驱动组件,所述腿部驱动组件包括主腿管、柔性弹力隔膜、伸缩腿管、仿生伞蹼、放能激励装置和放能原料储放装置,所述主腿管具有驱动室、反应室和滑动室,放能激励装置和放能原料储放装置配合安装于驱动室内,柔性弹力隔膜配合安装于反应室与滑动室之间,伸缩腿管滑动插配于滑动室,仿生伞蹼设置于伸缩腿管后端,放能原料储放装置用以为反应室输送放能反应原料,放能激励装置用以激励反应室内的原料进行放能反应以推动柔性弹力隔膜鼓起,柔性弹力隔膜鼓起时能够带动伸缩腿管在滑动室内往后移动,伸缩腿管往后移动时,仿生伞蹼能够在水压力下展开,实现推动软体机器人在水下移动的目的。

所述的一种基于化学放能反应驱动的仿青蛙水下软体机器人,其特征在于所述仿生伞蹼具有弹性,能够在展开后自动恢复收拢状态。

所述的一种基于化学放能反应驱动的仿青蛙水下软体机器人,其特征在于所述仿生伞蹼包括骨趾和设铺设于骨趾上的蹼膜。

所述的一种基于化学放能反应驱动的仿青蛙水下软体机器人,其特征在于所述机器人主体和/或腿部驱动组件上配合安装吸盘装置,所示吸盘装置包括配合连接的真空泵和真空吸盘,真空吸盘用以吸附于物体表面,真空泵用以为真空吸盘提供真空动力源。

所述的一种基于化学放能反应驱动的仿青蛙水下软体机器人,其特征在于所述真空吸盘的外表面布设若干真空吸口。

所述的一种基于化学放能反应驱动的仿青蛙水下软体机器人,其特征在于所述机器人主体和/或腿部驱动组件上配合安装监测模块。

所述的一种基于化学放能反应驱动的仿青蛙水下软体机器人,其特征在于所述监测模块包括声波探测单元和/或图像采集单元。

所述的一种基于化学放能反应驱动的仿青蛙水下软体机器人,其特征在于所述机器人主体上配合安装浮力调节装置。

所述的一种基于化学放能反应驱动的仿青蛙水下软体机器人,其特征在于所述机器人主体和/或主腿管的表皮采用硅纳米材料制成。

本发明提出的一种基于化学放能反应驱动的仿青蛙水下软体机器人,可以将瞬间高能的化学放能反应转化为柔性弹力隔膜的形变,形变推动伸缩腿管向后活动,同时仿生伞蹼张开,使得软体机器人模仿青蛙发生向前的加速运动;真空吸盘在软体机器人靠近目标时,启动吸盘装置,将软体机器人固定在目标表面;声波探测单元引导软体机器人在水中的运动,图像采集模块记录运动过程和外部环境影像;机器人表皮采用硅纳米材料,利用材料光学特性使机器人在裸眼下隐形。

本发明的机器人具有结构较简单、环境适应性高、驱动简单等优点,且能够进行向前的运动。该设计的发明,有助于解决仿生软体机器人驱动效率低、运动表现速度慢的领域缺点,与此同时,可实现迅速启动、水下监测等功能。

附图说明

图1为本发明结构示意图之一;

图2为本发明结构示意图之二;

图3为本发明结构示意图之三;

图4为本发明结构示意图之四

图5为本发明结构示意图之五;

图6为本发明结构示意图之六;

图7为本发明中主腿管与伸缩腿管连接结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图所示,一种基于化学放能反应驱动的仿青蛙水下软体机器人,包括机器人主体1和两个分别配合安装于机器人主体1左右两侧的腿部驱动组件,所述腿部驱动组件包括主腿管2、柔性弹力隔膜3、伸缩腿管4、仿生伞蹼5、放能激励装置6和放能原料储放装置7,所述主腿管2具有驱动室200、反应室201和滑动室202,放能激励装置6和放能原料储放装置7配合安装于驱动室200内,柔性弹力隔膜3配合安装于反应室201与滑动室202之间,伸缩腿管4滑动插配于滑动室202,仿生伞蹼5通过柔性材料连接于伸缩腿管4后端,放能原料储放装置7用以为反应室201输送放能反应原料,放能激励装置6用以激励反应室201内的原料进行放能反应以推动柔性弹力隔膜3鼓起,柔性弹力隔膜3鼓起时能够带动伸缩腿管4在滑动室202内往后移动,伸缩腿管4往后移动时,仿生伞蹼5能够在水压力下展开,实现推动软体机器人在水下移动的目的。其中,放能原料储放装置7可以为两个分别装有甲烷与氧气的气瓶,气瓶上带有流量阀,气瓶各自通道通气管12往反应室201内通气,通过流量阀控制气体排出,放能激励装置6可以为脉冲信号发射器和电火花发射器,由脉冲信号发射器产生脉冲信号,信号由导线传递至其末端的电火花发射器,电火花会引爆原料气体,产生动力。

作为优化:所述仿生伞蹼5具有弹性,能够在展开后自动恢复收拢状态。具体地,仿生伞蹼5与伸缩腿管4之间采用柔性材料连接。所述仿生伞蹼5包括骨趾500和设铺设于骨趾500上的蹼膜501。仿生伞蹼5模仿青蛙后趾,趾间有蹼,由骨架和硅胶软膜制作而成,驱动时仿生伞蹼张开推进机器人运动。

作为优化:所述机器人主体1上配合安装吸盘装置8,所示吸盘装置8包括通过管路连接的真空泵800和真空吸盘801,真空吸盘801用以吸附于物体表面,真空泵800用以为真空吸盘801提供真空动力源。具体地,所述真空吸盘801的外表面布设若干真空吸口8010。在靠近目标后真空吸口8010紧贴目标表面,真空泵800的抽气管8000将空气吸入真空泵800,机器人吸附在目标表面

作为优化:所述机器人主体1上配合安装监测模块,监测模块可与机器人主体1采用公知的可活动的连接方式,例如利用电机驱动监测模块转动,以获得更大的活动范围。具体地,所述监测模块包括声波探测单元9和图像采集单元10,软体机器人在水中运动时,声波探测单元9和图像采集单元10获取并记录环境信息。

作为优化:所述机器人主体1上配合安装浮力调节装置11。

作为优化:所述机器人主体1和主腿管2的表皮采用硅纳米材料制成,硅纳米材料可使光线弯曲,绕过材料包裹的物体,达到隐形的目的。

本发明还配备常规的控制单元对机器人的工作进行控制。

以图1所示为例解释该仿青蛙水下软体机器人的运动原理。在驱动开始之前,腿部驱动组件静止,仿生伞蹼5收缩,驱动开始之后,通气管12向驱动室200输入气瓶的反应原料,放能激励装置6启动反应室201内原料反应,反应室201处柔性弹力隔膜3膨胀,滑动室202像气缸一样因为气压变化推动2伸缩腿管4弹出,同时仿生伞蹼5张开,推动软体机器人运动。运动时,软体机器人体内浮力调节装置11为公知技术,其模仿鱼鳔作用,通过吸水和排水辅助机器人在水中的升降,稳定重心,并且可以调节结构内部压力,避免水压过大损伤机器人内部结构。当机器人接近目标对象时,吸盘装置8启动,抽气管8000将真空吸口8010中的空气吸入真空泵800,使机器人固定在目标对象表面。

以图6所示为例解释该仿青蛙水下软体机器人的监测工作原理。监测模块包括声波探测单元9和图像采集单元10,声波探测单元9利用水中声波对对下目标进行探测,可用于运动导航、水文测量、水下地形地貌勘测等,图像采集单元10获取并记录环境信息。

软体机器人的表皮采用硅纳米材料制成,该材料利用材料特殊的光学特性,光线在通过材料时,会发生绕射,绕过机器人本体结构,从而达到隐形的目的。

本发明的伸缩腿管与仿生伞蹼还可以采用铰接的方式连接,并利用驱动机构驱动仿生伞蹼改变角度位置,能够使得软体机器人发生转向、跳跃等运动,从而大大提升本设计的实用性。

最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

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