蛇形软体机器人的制作方法

1.本实用新型涉及仿生机器人技术领域，特别涉及一种蛇形软体机器人。


背景技术：

2.蛇类依靠脊柱两侧肌肉的收缩与舒张来使身体弯曲成正弦波的形状，并利用身体表面与地面的摩擦力产生前进的动力。蛇类腹部表皮与地面存在各向异性的摩擦力，其运动过程中前进方向的摩擦力低，而侧向和向后的摩擦力高以提供较大的驱动力。
3.目前，基于蛇的仿生机器人主要分为两种：第一种是由轮毂、关节和电机等组成的刚性蛇形机器人；第二种是由软材料构成的柔性蛇形机器人。相较于刚性蛇形机器人，柔性蛇形机器人具有较高的柔顺性，其环境适应能力较强。因此目前对于柔性蛇形机器人的研究也成为热点之一。而为了使机器人表面具有各向异性的摩擦力，现有方式是采用具有剪纸结构的薄膜来包覆在蛇形机器人躯干表面。然而外部包裹塑料薄膜不利于蛇形机器人的环境适应能力且容易损坏，无法应用在复杂的地形中。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型提供一种蛇形软体机器人，适应环境的能力强，不易损坏与脱落。
5.一种蛇形软体机器人，包括柔性躯体，柔性躯体上设有多个用于增加摩擦力的鳞片，柔性躯体上设有多个与各鳞片对应设置的凹槽，凹槽沿着鳞片的边沿设置。
6.在本实用新型的实施例中，上述各该鳞片与该柔性躯体一体成型。
7.在本实用新型的实施例中，上述凹槽包括第一槽段和第二槽段，该第一槽段与该第二槽段组成“v”形，该第一槽段与该第二槽段之间形成该鳞片，该鳞片为三角形。
8.在本实用新型的实施例中，上述凹槽包括第一槽段、第二槽段和第三槽段，该第二槽段的一端与该第一槽段连通，该第二槽段的另一端与该第三槽段连通，该第一槽段、该第二槽段以及该第三槽段之间形成该鳞片，该鳞片为梯形。
9.在本实用新型的实施例中，上述柔性躯体的截面呈椭圆形。
10.在本实用新型的实施例中，上述柔性躯体用于驱动的腹部设有多个波纹槽，各该波纹槽沿着该柔性躯体的长度方向设置，各该鳞片设置于该腹部。
11.在本实用新型的实施例中，上述柔性躯体包括第一驱动段和第二驱动段，该第一驱动段的端部与该第二驱动段的端部连接，该第一驱动段内设有第一流体内腔和第二流体内腔，该第二驱动段内设有第三流体内腔和第四流体内腔，通过控制该第一流体内腔、该第二流体内腔、该第三流体内腔和/或第四流体内腔的充气或充液量以调整该蛇形软体机器人的形态。
12.在本实用新型的实施例中，上述第一驱动段包括第一驱动部和第二驱动部，该第一驱动部与该第二驱动部对称设置，该第一流体内腔设置在该第一驱动部内，该第二流体内腔设置在该第二驱动部内。
13.在本实用新型的实施例中，上述第一驱动部内设有第一纤维丝，该第一纤维丝以双螺旋方式沿该第一驱动部的长度方向缠绕，该第二驱动部内设有第二纤维丝，该第二纤维丝以双螺旋方式沿该第二驱动部的长度方向缠绕。
14.在本实用新型的实施例中，上述第二驱动段包括第三驱动部和第四驱动部，该第三驱动部与该第四驱动部对称设置，该第三流体内腔设置在该第三驱动部内，该第四流体内腔设置在该第四驱动部内。
15.在本实用新型的实施例中，上述第三驱动部内设有第三纤维丝，该第三纤维丝以双螺旋方式沿该第三驱动部的长度方向缠绕，该第四驱动部内设有第四纤维丝，该第四纤维丝以双螺旋方式沿该第四驱动部的长度方向缠绕。
16.在本实用新型的实施例中，上述第一驱动部包括第一连接平面，该第一连接平面上设置有第一网格布，该第二驱动部包括第二连接平面，该第二连接平面上设置有第二网格布，该第一网格布与该第二网格布固定连接；该第三驱动部包括第三连接平面，该第三连接平面上设置有第三网格布，该第四驱动部包括第四连接平面，该第四连接平面上设置有第四网格布，该第三网格布与该第四网格布固定连接。
17.在本实用新型的实施例中，上述各鳞片与该柔性躯体采用硅胶/水凝胶/形状记忆聚合物制成。
18.本实用新型的蛇形软体机器人的鳞片形成在柔性躯体上，无需在机器人表面包覆薄膜结构，避免了使用激光切割机和折痕板制作鳞片，大大简化了机器人制作过程，同时还能达到与薄膜结构同样的效果，适应环境的能力强。而且，一体成型的鳞片与柔性躯体不易损坏与脱落，能适应复杂的地形。
附图说明
19.图1是本实用新型的蛇形软体机器人的结构示意图。
20.图2是本实用新型的柔性躯体的立体结构示意图。
21.图3是图2所示的柔性躯体的侧视结构示意图。
22.图4是图2所示的柔性躯体的仰视结构示意图。
23.图5是图4所示的柔性躯体的局部放大示意图。
24.图6是本实用新型的柔性躯体的局部示意图。
25.图7是本实用新型的柔性躯体充气时的局部示意图。
26.图8a至图8j是本实用新型的蛇形软体机器人弯曲移动的示意图。
27.图9是本实用新型的第一模具组件的拆分结构示意图。
28.图10是本实用新型的第二模具组件的拆分结构示意图。
29.图11a至图11e是利用第一模具组件和第二模具组件制作柔性躯体的流程示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
31.本实用新型的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
32.图1是本实用新型的蛇形软体机器人的结构示意图，图2是本实用新型的柔性躯体的立体结构示意图，图3是图2所示的柔性躯体的侧视结构示意图，图4是图2所示的柔性躯体的仰视结构示意图，如图1、图2、图3和图4所示，蛇形软体机器人包括柔性躯体10，柔性躯体10上设有多个用于增加摩擦力的鳞片13，柔性躯体10上设有多个与各鳞片13对应设置的凹槽101，凹槽101沿着鳞片13的边沿设置。
33.本实用新型的蛇形软体机器人的鳞片13形成在柔性躯体10上，无需在机器人表面包覆薄膜结构，避免了使用激光切割机和折痕板制作鳞片13，大大简化了机器人制作过程，同时还能达到与薄膜结构同样的效果，适应环境的能力强。而且，一体成型的鳞片13与柔性躯体10不易损坏与脱落，能适应复杂的地形。
34.进一步地，如图4所示，各鳞片13与柔性躯体10一体成型。在本实施例中，各鳞片13与柔性躯体10采用同种材料通过浇筑一体成型，优选地，各鳞片13与柔性躯体10采用硅胶/水凝胶/形状记忆聚合物制成。由于鳞片13与柔性躯体10采用同种材料浇筑成型，蛇形软体机器人的表面刚度不会发生改变，对蛇形软体机器人弯曲不产生任何影响。
35.在一较佳的实施例中，如图4所示，凹槽101包括第一槽段101a和第二槽段101b，第一槽段101a与第二槽段101b组成“v”形，第一槽段101a与第二槽段101b之间形成鳞片13，鳞片13为三角形。
36.在另一较佳的实施例中，凹槽101包括第一槽段、第二槽段和第三槽段，第二槽段的一端与第一槽段连通，第二槽段的另一端与第三槽段连通，第一槽段、第二槽段以及第三槽段之间形成鳞片13，鳞片为梯形。在本实施例中，第一槽段与第二槽段之间的夹角大于或等于90
°
，第三槽段与第二槽段之间的夹角大于或等于90
°
。
37.在另一较佳的实施例中，凹槽101呈半圆形或半椭圆形弯曲，鳞片13为半圆形或半椭圆形。
38.进一步地，柔性躯体10的截面呈椭圆形或圆形，柔性躯体10的形状可根据实际需要自由选择，并不以此为限。
39.进一步地，图5是图4所示的柔性躯体的局部放大示意图，如图5所示，柔性躯体10通过腹部伸缩实现移动，柔性躯体10的腹部设有多个波纹槽102，各波纹槽102沿着柔性躯体10的长度方向设置，各鳞片13设置于腹部，各波纹槽102经过部分鳞片13，并在鳞片13的表面形成多道槽。当柔性躯体10伸缩移动时，柔性躯体10的腹部直接或间接与地面接触，并通过腹部的波纹槽102和鳞片13增加弯曲恢复过程中对机器人前进的推动力。在本实施例中，波纹槽102可以提高机器人横向的摩擦力，增加其弯曲恢复过程中对机器人前进的推动力。
40.进一步地，波纹槽102的凹陷深度小于凹槽101的凹陷深度。
41.进一步地，柔性躯体10包括第一驱动段11和第二驱动段12，第一驱动段11的端部与第二驱动段12的端部连接，第一驱动段11内设有第一流体内腔(图未示)和第二流体内腔(图未示)，第二驱动段12内设有第三流体内腔(图未示)和第四流体内腔(图未示)，通过控制第一流体内腔、第二流体内腔、第三流体内腔和/或第四流体内腔的充气或充液量以调整蛇形软体机器人的形态，例如对第一流体内腔、第二流体内腔、第三流体内腔以及第四流体内腔充气或排气可驱使柔性躯体10成“s”型和“c”型交替弯曲移动，即机器人依靠腹部与地面的摩擦力来推动前进。在本实施例中，第一驱动段11的端部与第二驱动段12的端部利用
胶水固定连接，但并不以此为限。
42.进一步地，图6是本实用新型的柔性躯体的局部示意图，图7是本实用新型的柔性躯体充气时的局部示意图，如图6和图7所示，当柔性躯体10未充气时，各鳞片13内嵌在柔性躯体10中，优选地，各鳞片13的表面与柔性躯体10的表面共面；当柔性躯体10充气时，各鳞片13受到轴向的拉力作用而凸出于柔性躯体10的表面，凸出的鳞片13表面成一斜面，且沿机器人前进方向低，可以增加机器人向后退的阻力，从而提高机器人前进的推动力。
43.进一步地，第一驱动段11包括第一驱动部111和第二驱动部112，第一驱动部111与第二驱动部112对称设置，第一流体内腔设置在第一驱动部111内，第二流体内腔设置在第二驱动部112内。在本实施例中，第一流体内腔和第二流体内腔为相互独立的封闭腔体，当对第一流体内腔充气(δp1>0)，不对第二流体内腔充气(δp2＝0)时，第一驱动部111膨胀，第一驱动段11朝向第二驱动部112弯曲成“c”型，或者当对第二流体内腔充气(δp2>0)，不对第一流体内腔充气(δp1＝0)时，第二驱动部112膨胀，第一驱动段11朝向第一驱动部111弯曲成“c”型。
44.进一步地，第一驱动部111内设有第一纤维丝，第一纤维丝以双螺旋方式沿第一驱动部111的长度方向缠绕，第二驱动部112内设有第二纤维丝，第二纤维丝以双螺旋方式沿第二驱动部112的长度方向缠绕。
45.进一步地，第二驱动段12包括第三驱动部121和第四驱动部122，第三驱动部121与第四驱动部122对称设置，第三流体内腔设置在第三驱动部121内，第四流体内腔设置在第四驱动部122内。在本实施例中，第三流体内腔和第四流体内腔为相互独立的封闭腔体，当对第三流体内腔充气(δp3>0)，不对第四流体内腔充气(δp4＝0)时，第三驱动部121膨胀，第二驱动段12朝向第四驱动部122弯曲成“c”型，或者当对第四流体内腔充气(δp4>0)，不对第三流体内腔充气(δp3＝0)时，第四驱动部122膨胀，第二驱动段12朝向第三驱动部121弯曲成“c”型。
46.进一步地，第三驱动部121内设有第三纤维丝，第三纤维丝以双螺旋方式沿第三驱动部121的长度方向缠绕，第四驱动部122内设有第四纤维丝，第四纤维丝以双螺旋方式沿第四驱动部122的长度方向缠绕。
47.进一步地，第一纤维丝、第二纤维丝、第三纤维丝和第四纤维丝为玻璃纤维丝，但并不以此为限。
48.本实用新型的柔性躯体10的截面呈椭圆形，可以防止机器人爬行过程中发生翻滚。
49.进一步地，第一驱动部111包括第一连接平面，第一连接平面上设置有第一网格布，第二驱动部112包括第二连接平面，第二连接平面上设置有第二网格布，第一网格布与第二网格布固定连接；第三驱动部121包括第三连接平面，第三连接平面上设置有第三网格布，第四驱动部122包括第四连接平面，第四连接平面上设置有第四网格布，第三网格布与第四网格布固定连接。在本实施例中，第一网格布、第二网格布、第三网格布和第四网格布用于限制柔性躯体10的轴向变形，纤维丝和网格布对第一驱动段11和第二驱动段12进行约束，使得柔性躯体10只能发生弯曲变形。
50.进一步地，第一网格布、第二网格布、第三网格布和第四网格布为玻璃纤维网格布，但并不以此为限。
51.进一步地，第一驱动段11腹部的凹槽101的折弯方向与第二驱动段12腹部的凹槽101的折弯方向相反，优选地，第一驱动段11腹部的凹槽101与第二驱动段12腹部的凹槽101镜面对称设置。
52.进一步地，如图1所示，蛇形软体机器人包括第一驱动组件20和第二驱动组件30；
53.第一驱动组件20包括第一气泵21、第一气管22、第二气管23、第一阀门组件24和第二阀门组件25，第一气管22的一端与第一气泵21连接，第一气管22的另一端与第一流体内腔连通，第一阀门组件24连接在第一气管22上，用以控制对第一流体内腔充气和排气，第二气管23的一端与第一气泵21连接，第二气管23的另一端与第二流体内腔连通，第二阀门组件25连接在第二气管23上，用以控制对第二流体内腔充气和排气；
54.第二驱动组件30包括第二气泵31、第三气管32、第四气管33、第三阀门组件34和第四阀门组件35，第三气管32的一端与第二气泵31连接，第三气管32的另一端与第三流体内腔连通，第三阀门组件34连接在第三气管32上，用以控制对第三流体内腔充气和排气，第四气管33的一端与第二气泵31连接，第四气管33的另一端与第四流体内腔连通，第四阀门组件35连接在第四气管33上，用以控制对第四流体内腔充气和排气。
55.进一步地，如图1所示，第一阀门组件24包括第一进气电磁阀241和第一排气电磁阀242，第一进气电磁阀241和第一排气电磁阀242配合控制对第一流体内腔充气和排气；第二阀门组件25包括第二进气电磁阀251和第二排气电磁阀252，第二进气电磁阀251和第二排气电磁阀252配合控制对第二流体内腔充气和排气；第三阀门组件34包括第三进气电磁阀341和第三排气电磁阀342，第三进气电磁阀341和第三排气电磁阀342配合控制对第三流体内腔充气和排气；第四阀门组件35包括第四进气电磁阀351和第四排气电磁阀352，第四进气电磁阀351和第四排气电磁阀352配合控制对第四流体内腔充气和排气。
56.进一步地，图8a至图8j是本实用新型的蛇形软体机器人弯曲移动的示意图，请参照图8a至图8j，蛇形软体机器人弯曲移动的步骤包括：
57.步骤一，对第一流体内腔充气(δp1>0)，第二流体内腔、第三流体内腔以及第四流体内腔均不充气，如图8b所示。
58.步骤二，对第三流体内腔充气(δp3>0)，使第一流体内腔保持充气状态(δp1>0)，如图8c所示。
59.步骤三，对第一流体内腔排气(δp1＝0)，使第三流体内腔保持充气状态(δp3>0)，如图8d。
60.步骤四，对第二流体内腔充气(δp2>0)，使第三流体内腔保持充气状态(δp3>0)，如图8e。
61.步骤五，对第三流体内腔排气(δp3＝0)，使第二流体内腔保持充气状态(δp2>0)，如图8f所示。
62.步骤六，对第四流体内腔充气(δp4>0)，使第二流体内腔保持充气状态(δp2>0)，如图8g所示。
63.步骤七，对第二流体内腔排气(δp2＝0)，使第四流体内腔保持充气状态(δp4>0)，如图8h所示。
64.步骤八，对第一流体内腔充气(δp1>0)，使第四流体内腔保持充气状态(δp4>0)，如图8i所示。
65.步骤九，对第四流体内腔排气(δp4＝0)，使第一流体内腔保持充气状态(δp1>0)，如图8j所示。
66.重复上述步骤即可驱使柔性躯体10成“s”型和“c”型交替弯曲移动。
67.进一步地，图9是本实用新型的第一模具组件的拆分结构示意图，图10是本实用新型的第二模具组件的拆分结构示意图，本实用新型的柔性躯体10是利用第一模具组件40和第二模具组件50分步浇注成型。
68.如图9所示，第一模具组件40包括第一模具壳体41、半椭圆柱42和第一定位端盖43，第一模具壳体41内设有第一浇注槽401，第一浇注槽401的一端敞口，第一浇注槽401的截面呈半椭圆形，第一浇注槽401两侧的槽壁及槽底设有双螺旋凸棱44，第一定位端盖43固定于第一模具壳体41的端部，且第一定位端盖43位于第一浇注槽401的敞口端，半椭圆柱42设置于第一浇注槽401中，半椭圆柱42与第一浇注槽401之间形成第一浇注间隙，半椭圆柱42的一端固定在第一定位端盖43上，半椭圆柱42的另一端固定在第一模具壳体41的底部。
69.如图10所示，第二模具组件50包括第二模具壳体51、封底模具52和第二定位端盖53，第二模具壳体51内设有第二浇注槽501，第二浇注槽501的一端敞口，第二浇注槽501的截面呈半椭圆形，第二浇注槽501两侧的槽壁设有多条长条凸棱54和多个折弯凸棱55，第二浇注槽501的槽底设有多个折弯凸棱55，优选地，折弯凸棱55呈“v”型；第二定位端盖53固定于第二模具壳体51的端部，且第二定位端盖53位于第二浇注槽501的敞口端，半椭圆柱42可设置于第二浇注槽501中，半椭圆柱42与第二浇注槽501之间形成第二浇注间隙，半椭圆柱42的一端固定在第二定位端盖53上，半椭圆柱42的另一端固定在第二模具壳体51的底部。
70.图11a至图11e是利用第一模具组件和第二模具组件制作柔性躯体的流程示意图，请参照图11a至图11e，柔性躯体10的制作步骤包括：
71.步骤一，利用电子秤分别称量硅胶(ecoflex
‑
30)a和b溶液，以1：1的比例混合二者，并搅拌均匀放入真空箱内脱气10分钟左右；
72.步骤二，组装第一模具壳体41、半椭圆柱42和第一定位端盖43，使半椭圆柱42与第一浇注槽401之间形成第一浇注间隙；
73.步骤三，在第一浇注间隙注入混合好的硅胶溶液，并在第一浇注槽401的顶部放置第一网格布，如图11a所示；
74.步骤四，将其放在室温3个小时左右，使液体硅胶固化，或者放在保温箱(温度60摄氏度左右)中固化，待硅胶固化后脱去第一模具壳体41，此时半椭圆柱42上的硅胶表面形成有双螺旋凹槽，在双螺旋凹槽内以双螺旋的方式绕制第一纤维丝，如图11b所示；
75.步骤五，将绕制好第一纤维丝的硅胶和半椭圆柱42安装在第二模具壳体51的第二浇注槽501中，此时硅胶与第二浇注槽501的槽壁之间形成第二浇注间隙，在第二浇注间隙注入混合好的硅胶溶液，如图11c所示；
76.步骤六，待液体硅胶固化后脱去第二模具壳体51、第二定位端盖53和半椭圆柱42，此时半椭圆硅胶的表面形成有多个波纹槽102和多个鳞片13，如图11d所示；
77.步骤七，重复步骤一至步骤六制作另外一个半椭圆硅胶，将两个半椭圆硅胶利于胶水固定组合成椭圆柱体，并利用封底模具52固定两个半椭圆硅胶的端部，利用液体硅胶封口，待封口硅胶固化后形成第一驱动段11，如图11e所示；
78.步骤八，重复上述步骤制作第二驱动段12，利用胶水将第一驱动端的端部与第二
驱动段12的端部固定形成柔性躯体10。
79.值得一提的是，柔性躯体10还可包括第三驱动段和第四驱动段，第三驱动段和第四驱动段的结构和功能请参照上述，此处不再赘述。驱动段的数量可根据实际需要自由选择，并不以此为限。
80.本技术并不限于上述实施方式中的具体细节，在本技术的技术构思范围内，可以对本技术的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本技术的保护范围。在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本技术对各种可能的组合方式不再另行说明。