软体机器人及软体机器人的控制方法与流程

1.本发明涉及软体机器人技术领域，具体涉及一种软体机器人及软体机器人的控制方法。


背景技术：

2.软体机器人是机器人领域的一个重要的分支，其环境适应能力是传统的刚性机器人不能比拟的，这对于我们进入复杂环境，进行勘探救援的基础。软体机器人作为现有机器人的补充，极大的拓展了机器人的应用领域。
3.软体机器人驱动形式包含了一下几个方面：气压驱动、记忆形状合金(sma)，响应水凝胶、介电高弹体(de)、离子交换聚合物(ipmc)等主要几个方式。对于不同的应用场景，采取的驱动方式也有所不同。根据不同的应用环境和致动原理，采取的驱动方式也不同。
4.目前大多数软体机器人能够实现一定的动作，例如最基本的前进后退、转向、上台阶等功能，由于其在陆地上和本身的驱动原理，导致软体机器人的移动缓慢，避障能力不足等。软体致动器的长处就是其无限多的自由度和极高的环境适应力，但是在陆地上的移动在现有的技术下，还难以实现。目前，能够具有快速移动，避障效率高的软体机器人的研究还比较少。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明所要解决的技术问题是：现有的软体机器人由于其在陆地上和本身的驱动原理，导致软体机器人的移动缓慢，避障能力不足等。
6.为解决上述问题，本发明通过下述技术方案来实现：
7.本发明的一个方面提供了一种软体机器人，包括：头部，所述头部能够采集图像，能够为软体机器人提供动力；躯干，其一端与所述头部相连接，所述躯干能够实现各个方向上的多角度弯曲；尾部，与所述躯干远离头部的一端相连接，所述尾部能够提供朝向所述头部方向或者是反向的驱动力；控制装置，与所述头部相连接，所述控制装置包括能够采集图像的图像采集装置；气动回路，与所述躯干相连，所述气动回路为所述躯干提供驱动力以使所述躯干能够实现各个方向上的多角度弯曲。
8.进一步地，所述头部包括：前上盖；前底板，与所述前上盖相连接，所述前上盖和所述前底板围设形成第一安装腔；安装座，设置在所述前上盖上，所述安装座用于安装所述图像采集装置；第一减速电机，安装在所述第一安装腔中；第一星形驱动轮组，所述第一星形驱动轮组与减速电机相连接。
9.进一步地，所述软体机器人还包括：第一限位挡板，设置在所述前底板上，所述第一限位挡板的数量为多个，且多个所述第一限位挡板间隔设置形成第一电机安装位，所述第一减速电机安装在所述第一电机安装位中；第一电机固定孔，设置在所述前底板上。
10.进一步地，所述的第一星形驱动轮组包括：第一星形支架，所述第一星形支架的数量为两个，两个所述第一星形支架平行设置；第一星形驱动轮，安装在所述第一星形支架
上；第一销孔，设置在所述第一星形支架上；第一销轴，所述第一销轴插入所述第一销孔以连接所述第一星形驱动轮和所述第一星形支架；第一d型孔，设置在所述第一星形支架上，所述第一星形支架通过所述第一d型孔与所述第一减速电机相连接；第一轴向固定孔，设置在所述第一星形支架上，连接件通过所述第一轴向固定孔与所述第一减速电机相连接。
11.进一步地，所述躯干包括：弯曲致动器柔性体，所述弯曲致动器柔性体被构造为圆柱体，且中心设有通孔；凯夫拉纤维，螺旋缠绕在所述弯曲致动器柔性体的外侧；气腔，设置在所述弯曲致动器柔性体上，所述气腔沿所述弯曲致动器柔性体的轴线贯穿所述弯曲致动器柔性体，所述气腔的数量为多个，多个所述气腔环绕所述通孔间隔分布，通过对其中一个或者多个所述气腔施加不同的气压，能够使所述弯曲致动器柔性体具有不同的弯曲角度和转角。
12.进一步地，所述气动回路包括：气源、两位三通阀、两位两通阀、单向节流阀；多个软管，与所述气源相连通，多个所述软管一一对应地插入到多个所述气腔中，所述软管与所述气腔密封连接。
13.进一步地，所述尾部包括：后上盖；后底板，与所述后上盖相连接，所述后上盖和所述后底板围设形成第二安装腔；第二减速电机，安装在所述第二安装腔中；第二星形驱动轮组，所述第二星形驱动轮组与第二减速电机相连接。
14.进一步地，软体机器人还包括：约线孔，设置在所述后上盖上；软管定位孔、第二穿线孔、第二安装部，设置在所述后底板上；第二限位挡板，设置在所述后底板上，所述第二限位挡板的数量为多个，且多个所述第二限位挡板间隔设置形成第二电机安装位，所述第二减速电机安装在所述第二电机安装位中；第二电机固定孔，设置在所述后底板上。
15.进一步地，所述的第二星形驱动轮组包括：第二星形支架，所述第二星形支架的数量为两个，两个所述第二星形支架平行设置；第二星形驱动轮，安装在所述第二星形支架上；第二销孔，设置在所述第二星形支架上；第二销轴，所述第二销轴插入所述第二销孔以连接所述第二星形驱动轮和所述第二星形支架；第二d型孔，设置在所述第二星形支架上，所述第二星形支架通过所述第二d型孔与所述第二减速电机相连接；第二轴向固定孔，设置在所述第二星形支架上，连接件通过所述第二轴向固定孔与所述第二减速电机相连接。
16.本发明的另一个方面提供了一种软体机器人的控制方法，用于如本发明第一方面提供的软体机器人，所述软体机器人的控制装置包括：上位机、图像采集装置、单片机、继电器、电机驱动器、气压传感器；所述软体机器人的控制方法包括：
17.s1，控制所述上位机打开所述图像采集装置，完成准备工作；
18.s2，控制所述上位机下达指令至所述单片机，所述单片机控制所述电机驱动器，以使所述软体机器人运动；
19.s3，在所述软体机器人的运动过程中，如果有发现异常，则给所述单片机下达停止指令，并控制所述图像采集装置工作；
20.s4，在所述软体机器人的运动过程中，如果有发现障碍，则给所述单片机下达控制指令，以使所述单片机控制对应的所述继电器和所述电机驱动器，从而控制所述软体机器人的躯干按指定的方向弯曲相应的角度。
21.本发明的技术效果：
22.本发明结合了两种不同的驱动方式，使得本发明的软体机器人在复杂的环境中，
能够完成前进，后退,转向、避障等功能，增加了软体机器人的使用场景和使用范围，进一步扩展了软体机器人的使用范围和可行性。进一步地，本发明所提供的软体机器人中加入了控制装置，在控制装置的作用下使得软体机器人能够完成在复杂环境中完成图像采集，设备检修，侦察等功能。进一步地，本发明中采用的弯曲致动器柔性体，具有四个腔室，其工作空间能够为以其体长为半径的半球，使得软体机器人更加灵活。进一步地，本发明中采用第一星形驱动轮组、第二星形驱动轮组使得本发明的软体机器人相比于相关技术中的陆地用软体机器人，具有更强的避障能力和更快的运动速度，其能够翻越比自己高1.5-2倍的障碍。本发明的多用途混合驱动的软体机器人，可以应用于，洞穴勘探、军事侦察、救援、管道检修等场景。且操作简单，能耗小，结构简单，维护成本低。本发明的目的在于提供一种混合驱动软体机器人，以能在复杂环境下，具有快速到达工作环境，完成爬行、转向、避障、环境监控等。
附图说明
23.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
24.图1为本发明一个实施例中的软体机器人的结构示意图；
25.图2为本发明一个实施例中的软体机器人的头部、尾部的剖面结构示意图；
26.图3为本发明一个实施例中头部的局部结构爆炸图；
27.图4为本发明一个实施例中弯曲致动器柔性体的结构示意图；
28.图5示出了图4在a-a处的剖面示意图；
29.图6为本发明一个实施例中第一星形驱动轮组的结构示意图；
30.图7为本发明一个实施例中第一星形驱动轮组的一个剖面示意图；
31.图8为本发明一个实施例中尾部的局部结构爆炸图；
32.图9为本发明一个实施例中软体机器人的控制原理图。
33.图中：
34.100软体机器人，110头部，111前上盖，112前底板，113安装座，114第一减速电机，115第一星形驱动轮组，116第一星形支架，117第一星形驱动轮，118第一销轴，119第一销孔，120第一d型孔，121第一轴向固定孔，122第一安装孔，123第一限位挡板,124第一固定卡扣，125第二安装孔，126第一穿线孔，127第一安装部，130躯干，131弯曲致动器柔性体,132通孔，133气腔，134凯夫拉纤维，140尾部，141后上盖，142后底板，143第二减速电机，144第二星形驱动轮组，145约线孔，146软管定位孔，147第二穿线孔，148第二安装部，149第三安装孔，150第二限位挡板,151第二固定卡扣，153第四安装孔，161气源，162两位三通阀，163两位两通阀，164单向节流阀，165软管，171上位机，172图像采集装置，173单片机，174继电器，175电机驱动器，176气压传感器。
具体实施方式
35.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明
的保护范围。
36.如图1和图2所示，本发明第一方面的实施例提供了一种本发明的一个方面提供了一种软体机器人100，包括：头部110，头部110能够采集图像，能够为软体机器人100提供动力；躯干130，其一端与头部110相连接，躯干130能够实现各个方向上的多角度弯曲；尾部140，与躯干130远离头部110的一端相连接，尾部140能够提供朝向头部110方向或者是相反的驱动力；控制装置，与头部110相连接，控制装置包括能够采集图像的图像采集装置；气动回路，与躯干130相连，气动回路为躯干130提供驱动力以使躯干130能够实现各个方向上的多角度弯曲。
37.本发明结合了两种不同的驱动方式，使得本发明的软体机器人100在复杂的环境中，能够完成前进，后退,转向、避障等功能，增加了软体机器人100的使用场景和使用范围，进一步扩展了软体机器人100的使用范围和可行性。进一步地，本发明所提供的软体机器人100中加入了控制装置，在控制装置的作用下使得软体机器人100能够完成在复杂环境中完成图像采集，设备检修，侦察等功能。进一步地，本发明中采用的躯干130能够实现各个方向上的多角度弯曲，使得软体机器人100更加灵活。本发明的多用途混合驱动的软体机器人100，可以应用于，洞穴勘探、军事侦察、救援、管道检修等场景。且操作简单，能耗小，结构简单，维护成本低。本发明的目的在于提供一种混合驱动软体机器人100，以能在复杂环境下，具有快速到达工作环境，完成爬行、转向、避障、环境监控等。
38.如图1、图2和图3所示，在本发明的一个实施例中，进一步地，头部110包括：前上盖111；前底板112，与前上盖111相连接，前上盖111和前底板112围设形成第一安装腔；安装座113，设置在前上盖111上，安装座113用于安装图像采集装置；第一减速电机114，安装在第一安装腔中；第一星形驱动轮组115，第一星形驱动轮组115与减速电机相连接。
39.在该实施例中，进一步限定了头部110包括前上盖111、前底板112、第一减速电机114和第一星形驱动轮组115，其中，前底板112与前上盖111相连接，并且前上盖111和前底板112围设形成第一安装腔，第一减速电机114安装在第一安装腔中，前上盖111和前底板112能够保护第一减速电机114。
40.进一步地，如图3所示，软体机器人100还包括：第一限位挡板123，设置在前底板112上，第一限位挡板123的数量为多个，且多个第一限位挡板123间隔设置形成第一电机安装位，第一减速电机114安装在第一电机安装位中；第一电机固定孔，设置在前底板112上。
41.如图6和图7所示，进一步地，第一星形驱动轮组115包括：第一星形支架116，第一星形支架116的数量为两个，两个第一星形支架116平行设置；第一星形驱动轮117，安装在第一星形支架116上；第一销孔119，设置在第一星形支架116上；第一销轴118，第一销轴118插入第一销孔119以连接第一星形驱动轮117和第一星形支架116；第一d型孔120，设置在第一星形支架116上，第一星形支架116通过第一d型孔120与第一减速电机114相连接；第一轴向固定孔121，设置在第一星形支架116上，连接件通过第一轴向固定孔121与第一减速电机114相连接。
42.在该实施例中，具体说明了头部110由前上盖111、前底板112、第一减速电机114和第一星形驱动轮组115等组成。其中，前上盖111上设置有用于安装控制装置的安装座113，实现控制装置的稳固安装。前上盖111上还设置有能够与前底板112固定的第一安装孔122；在前底板112上同样设置有能够与前上盖111固定连接的第二安装孔125，通过螺钉等连接
件穿过第一安装孔122、第二安装孔125能够实现前上盖111和前底板112之间的连接。进一步地，前底板112上包含了固定第一减速电机114的第一限位挡板123、第一固定卡扣124，以及和弯曲致动器柔性体131连接的第一安装部127，在前底板112上还设有第一穿线孔126，结合图2，具体的展现了第一减速电机114和前底板112的配合关系。
43.如图1、图6和图7所示，为第一星形驱动轮组115的结构示意图，能为软体机器人100提供驱动力和避障能力。其由第一星形支架116、第一橡胶轮、第一销轴118组成。第一星形支架116其本身结构包含了第一d型孔120、第一轴向固定孔121、第一销孔119。第一星形驱动轮117依靠第一d型孔120和第一减速电机114装配起来，在第一轴向固定孔121处拧入螺钉，防止第一减速电机114的输出轴横向移动。举例地，第一减速电机114优选为双轴减速电机。
44.如图4和图5所示，在本发明的一个实施例中，进一步地，躯干130包括：弯曲致动器柔性体131，弯曲致动器柔性体131被构造为圆柱体，且中心设有通孔132；凯夫拉纤维134，螺旋缠绕在弯曲致动器柔性体131的外侧；气腔133，设置在弯曲致动器柔性体131上，气腔133沿弯曲致动器柔性体131的轴线贯穿弯曲致动器柔性体131，气腔133的数量为多个，多个气腔133环绕通孔132间隔分布，通过对其中一个或者多个气腔133施加不同的气压，能够使弯曲致动器柔性体131具有不同的弯曲角度和转角。
45.弯曲致动器柔性体131具有不同的弯曲角度和转角，使得多用途混合驱动的软体机器人100能够转向，提高离地间隙，完成避障。具体地，气腔133的数量为四个，四个气腔133的布局围绕通孔132分布，如图5中右剖面图所示。进一步地，弯曲致动器柔性体131外层有两条对称式螺线缠绕的凯夫拉线，在其中有四个气腔133，气腔133相互之间的夹角为90
°
。
46.如图1、图2、图4和图9所示，在本发明的一个实施例中，进一步地，气动回路包括：气源160、两位三通阀162、两位两通阀163、单向节流阀164；多个软管165，与气源160相连通，多个软管165一一对应地插入到多个气腔133中，软管165与气腔133密封连接。
47.在该实施例中，进一步说明了气动回路包括气源160、两位三通阀162、两位两通阀163、单向节流阀164和多个软管165，设置四根硅胶软管165一一对应地插入气腔133中，在接口处用硅胶粘合将接缝处密封好。此后，对工作气腔133中加入适当的气压，多腔室增强纤维弯曲致动器能够长生相应的弯曲动作。
48.如图2和图8所示，在本发明的一个实施例中，进一步地，尾部140包括：后上盖141；后底板142，与后上盖141相连接，后上盖141和后底板142围设形成第二安装腔；第二减速电机143，安装在第二安装腔中；第二星形驱动轮组144，第二星形驱动轮组144与第二减速电机143相连接。
49.进一步地，如图2和图8所示，软体机器人100还包括：约线孔145，设置在后上盖141上；软管定位孔146、第二穿线孔147、第二安装部148，设置在后底板142上；第二限位挡板150，设置在后底板142上，第二限位挡板150的数量为多个，且多个第二限位挡板150间隔设置形成第二电机安装位，第二减速电机143安装在第二电机安装位中；第二电机固定孔，设置在后底板142上。
50.进一步地，第二星形驱动轮组144包括：第二星形支架，第二星形支架的数量为两个，两个第二星形支架平行设置；第二星形驱动轮，安装在第二星形支架上；第二销孔，设置
在第二星形支架上；第二销轴，第二销轴插入第二销孔以连接第二星形驱动轮和第二星形支架；第二d型孔，设置在第二星形支架上，第二星形支架通过第二d型孔与第二减速电机143相连接；第二轴向固定孔，设置在第二星形支架上，连接件通过第二轴向固定孔与第二减速电机143相连接。
51.在该实施例中，具体说明了尾部140由后上盖141、后底板142、第二减速电机143和第二星形驱动轮组144等组成。其中，后上盖141上还设置有能够与后底板142固定的第三安装孔148；在后底板142上同样设置有能够与后上盖141固定连接的第四安装孔153，通过螺钉等连接件穿过第三安装孔148、第四安装孔153能够实现后上盖141和后底板142之间的连接。进一步地，后底板142上包含了固定第二减速电机143的第二限位挡板150、第二固定卡扣151，以及和弯曲致动器柔性体131连接的安装部，参照图1并结合图6所示，在后底板142上还设置有约线孔145，另外约线孔145使得软管165和线缆能够穿过后上盖141与控制装置相连接；并且可以有效防止软管165、线缆和第二减速电机143轴缠绕。
52.第二星形驱动轮组144能为软体机器人100提供驱动力和避障能力。其由第二星形支架、第二橡胶轮、第二销轴组成。第二星形支架其本身结构包含了第二d型孔、第二轴向固定孔、第二销孔。第二星形驱动轮依靠第二d型孔和第二减速电机143装配起来，在第二轴向固定孔处拧入螺钉，防止第二减速电机143的输出轴横向移动。举例地，第二减速电机143优选为双轴减速电机。可以理解的是，第二星形驱动轮组144和第一星形驱动轮组115的结构可以相同或近似，在此不再具体结合附图说明。
53.如图9所示为本发明提供的软体机器人100的控制方法的控制原理图。
54.本发明的另一个方面提供了一种软体机器人100的控制方法，用于如本发明第一方面提供的软体机器人100，软体机器人100的控制装置包括：上位机171、图像采集装置172、单片机173、继电器174、电机驱动器175、气压传感器176；软体机器人100的控制方法包括：
55.s1，控制上位机171打开图像采集装置172，完成准备工作；
56.s2，控制上位机171下达指令至单片机173，单片机173控制电机驱动器175，以使软体机器人100运动；
57.s3，在软体机器人100的运动过程中，如果有发现异常，则给单片机173下达停止指令，并控制图像采集装置172工作；
58.s4，在软体机器人100的运动过程中，如果有发现障碍，则给单片机173下达控制指令，以使单片机173控制对应的继电器174和电机驱动器175，从而控制软体机器人100的躯干130按指定的方向弯曲相应的角度。
59.如图9所示，为软体机器人100的混合驱动控制原理图，其包含了气动控制回路和电气控制回路。具体地气动控制回路由气源160、两位三通阀162、单向节流阀164、两位两通阀163、气压传感器176组成。气动回路为弯曲致动器柔性体131提供气压，在必要时，受控于单片机173的指令，使其能够完成弯曲，保持，泄压，三个动作，协助混合驱动软体机器人100在复杂环境中完成相应的任务；电气控制部分由上位机171、单片机173、继电器174、电机驱动器175、减速电机组成。软体机器人100的控制方法包括以下几个步骤：步骤一：在上位机171中，打开图像采集装置172，完成准备工作。步骤二：在上位机171给单片机173下达指令，单片机173控制电机驱动器175，使得软体机器人100运动。包含启动，停止，调速。步骤三：在
软体机器人100运动过程中，如果有发现异常，可以给单片机173下达停止指令，对周围环境经行拍照，并且将图像保存下来。步骤四：在软体机器人100运动过程中，如果有发现障碍，可以给单片机173下达指令，单片机173控制对应的继电器174和电机驱动器175，从而控制全向多腔式弯曲致动器按指定的方向弯曲相应的角度，完成避障动作。具体的图像采集装置172如：摄像头将图像传输给电脑端，通过上位机171显示出来，根据现场图像对单片机173下达相应的指令，通过电机混合驱动可监控的软体机器人100完成向前，先后的动作。结合气动弯曲致动器柔性体131，完成转向，避障等技术动作。
60.本发明结合了两种不同的驱动方式，使得本发明的软体机器人100在复杂的环境中，能够完成前进，后退,转向、避障等功能，增加了软体机器人100的使用场景和使用范围，进一步扩展了软体机器人100的使用范围和可行性。进一步地，本发明所提供的软体机器人100中加入了控制装置，在控制装置的作用下使得软体机器人100能够完成在复杂环境中完成图像采集，设备检修，侦察等功能。进一步地，本发明中采用的弯曲致动器柔性体131，具有四个腔室，其工作空间能够为以其体长为半径的半球，使得软体机器人100更加灵活。进一步地，本发明中采用第一星形驱动轮组115、第二星形驱动轮组144使得本发明的软体机器人100相比于相关技术中的陆地用软体机器人100，具有更强的避障能力和更快的运动速度，其能够翻越比自己高1.5-2倍的障碍。本发明的软体机器人100，可以应用于，洞穴勘探、军事侦察、救援、管道检修等场景。且操作简单，能耗小，结构简单，维护成本低。本发明的目的在于提供一种混合驱动软体机器人100，以能在复杂环境下，具有快速到达工作环境，完成爬行、转向、避障、环境监控等。
61.以上所述的仅为本发明具体实施方式，并不用于限制本发明，仅是对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了更进一步详细说明，
62.凡在本发明的精神和原则之内，倘若所做任何的修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
63.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。