基于三浦折叠设计的软体爬行机器人.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911345751.6 (22)申请日 2019.12.24 (71)申请人 北京化工大学 地址 100029 北京市朝阳区北三环东路15 号 (72)发明人 焦志伟于猛马昊鹏李荣军 于源丁玉梅杨卫民 (51)Int.Cl. B25J 5/00(2006.01) B25J 9/00(2006.01) B25J 9/08(2006.01) B25J 9/14(2006.01) B62D 57/02(2006.01) (54)发明名称 一种基于三浦折叠设计的软体爬行机器人 (5。

2、7)摘要 本发明公开了一种基于三浦折叠设计的软 体爬行机器人， 由左侧可折叠气体驱动单元、 右 侧可折叠气体驱动单元、 前脚、 后脚和行进轮组 成， 左右两个可折叠气体驱动单元粘接在前脚、 后脚之间。 左右两侧可折叠气体驱动单元分别由 不同的气源独立控制。 工作时， 分别对左右两侧 的可折叠气体驱动单元进行充气或抽气， 使软体 机器人两个可折叠气体驱动单元周期性的伸长、 缩短， 由于在前脚、 后脚上的行进轮的单向轴承 的限制， 软体机器人能够完成直行、 转向运动。 本 发明一方面提供一种体积较小、 在自身高度不变 的情况下能够快速、 灵活运动的软体机器人,另 一方面提供一种可折叠气体驱动单元，。

3、 可有效解 决传统爬行软体机器人爬行阻力大、 转向困难、 灵活性较差问题。 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 CN 110900562 A 2020.03.24 CN 110900562 A 1.一种基于三浦折叠设计的软体爬行机器人， 其特征在于： 主要由左侧可折叠气体驱 动单元、 右侧可折叠气体驱动单元、 前脚、 后脚和行进轮组成， 左侧可折叠气体驱动单元、 右 侧可折叠气体驱动单元能够在正压下伸长， 在负压下收缩， 左折叠驱动单元和右折叠驱动 单元结构完全相同， 由柔软的外表皮和支撑骨架组成， 表皮分为过渡部分和可折叠部分， 支 撑骨架由纸张或其他硬质可折叠材料制成， 折痕通过激光切割。

4、机加工而成， 按照沿谷折和 峰折折叠， 支撑骨架粘结在外表皮的可折叠部分内表面， 左侧可折叠气体驱动单元、 右侧可 折叠气体驱动单元粘接在前脚、 后脚之间， 分别由不同的气源独立控制， 行进轮分别由轴、 单向轴承和轮胎组成， 四个行进轮分别安装在前脚、 后脚的安装孔中， 后脚上开孔， 通过后 脚左右两个通气孔分别对左右两侧的可折叠气体驱动单元进行充气或抽气， 控制左右可折 叠气体驱动单元内的气压， 进而控制可折叠气体驱动单元的伸长和收缩。 2.根据权利要求1所述的一种基于三浦折叠设计的软体爬行机器人， 其特征在于： 左侧 可折叠气体驱动单元外皮、 右侧可折叠气体驱动单元外皮、 前脚、 后脚以3。

5、D打印成型作为模 具， 用可浇注硅胶或聚二甲基硅氧烷制成。 3.据权利要求1所述的一种基于三浦折叠设计的软体爬行机器人， 其特征在于： 充气或 抽气的气压范围-20kPa20kPa。 4.据权利要求1所述的一种基于三浦折叠设计的软体爬行机器人， 其特征在于： 支撑骨 架位为两个或两个以上。 5.据权利要求1所述的一种基于三浦折叠设计的软体爬行机器人， 其特征在于： 外表皮 的厚度约为1mm。 6.据权利要求1所述的一种基于三浦折叠设计的软体爬行机器人， 其特征在于： 行进轮 的轴和前脚安装孔及轴和后脚安装孔之间为过盈配合。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110900562 A 2 一种基于。

6、三浦折叠设计的软体爬行机器人 技术领域 0001 本发明属于软体机器人技术领域， 具体涉及一种基于三浦折叠设计的软体机器 人。 背景技术 0002 软体机器人采用硅胶或橡胶等柔性材料制作， 可以在大范围改变自身的形状， 与 传统的刚性机器人相比， 软体机器人能够适应复杂的作业环境， 能够适应不同的外加载荷 和环境阻碍， 具有较好的人机交互性， 在侦察、 探测以及医疗行业有着广阔的应用场景。 0003 爬行类软体机器人是软体机器人领域内的一个热点， 目前国内外研制出的爬行类 软体机器人大多都是仿照毛虫、 尺蠖等自然界生物的运动模式。 其中依靠气体驱动的仿毛 虫、 尺蠖的爬行类软体机器人在直行、 。

7、转向的时候， 软体机器人本身会变形为类似 “” 的弓 形形状， 自身产生较大的变形、 膨胀。 依靠前后两端或左右两端结构的差异化设计， 使其前 后端或左右端与地面的摩擦力大小不同或差动驱动， 进而使软体机器人前进或转向。 该类 软体机器人在运动过程中本身会变形为类似 “” 的弓形形状， 软体机器人自身产生一定的 变形、 膨胀， 运动比较缓慢， 因此， 在一些狭小、 高度受限的环境下， 该类软体机器人的运动 会受到一定的限制。 0004 近年来， 折纸结构在工程中的应用越来越广泛， 这为设计软体机器人提供了新的 思路。 三浦折叠是由三浦公亮所发明的折叠技术， 折叠后形成特殊的褶皱， 只需沿单一轴。

8、线 方向拉伸， 整个结构即可展开成平行四边形的 “棋盘” ， 要收拢时则反向一推即可。 三浦折叠 能够改变纸张的力学和材料特性， 例如三浦折叠可以让不起眼的纸张具有一定的刚度、 可 压缩性、 可收缩性以及负泊松比。 三浦折叠具有一定的记忆特性， 在折叠过后， 纸张可以在 较小的力的作用下恢复到折叠状态。 三浦折叠在太空卫星、 太阳能电池板、 隔音墙等方面均 有应用。 发明内容 0005 本发明基于三浦折叠上述的特点， 设计提出一爬行式软体机器人， 通过驱动器的 结构设计可以实现在较小的气压范围内实现较大的长度变化， 该爬行式软体机器人能够在 自身形变较小、 自身高度不变的情况下能够快速、 灵活。

9、运动， 能够有效解决传统爬行软体机 器人爬行阻力大、 转向困难、 灵活性较差的问题。 0006 本发明设计的爬行式软体机器人主要由左侧可折叠气体驱动单元、 右侧可折叠气 体驱动单元、 前脚、 后脚和行进轮组成。 可折叠气体驱动单元能够在正压下伸长， 在负压下 收缩。 左折叠驱动单元和右折叠驱动单元结构完全相同， 由柔软的外表皮和支撑骨架组成， 左右两个可折叠气体驱动单元粘接在前脚、 后脚之间， 分别由不同的气源独立控制。 行进轮 分别由轴、 单向轴承和轮胎组成， 四个行进轮分安装在前脚、 后脚的安装孔中， 后脚上开孔， 工作时， 通过后脚左右两个通气孔分别对左右两侧的可折叠气体驱动单元进行充气。

10、或抽 气， 控制左右可折叠气体驱动单元内的气压， 进而控制可折叠气体驱动单元的伸长和收缩。 说明书 1/4 页 3 CN 110900562 A 3 直行时， 对左右两侧的可折叠气体驱动单元同时充气、 抽气， 使软体机器人周期性的伸长、 缩短， 由于在前脚、 后脚上的单向轴承的限制， 使得软体机器人不断的向前移动； 转向时， 为 了获得较大的转向角度， 先对左右两侧的可折叠气体驱动单元同时抽气， 然后再对左或右 侧驱动单元循环充气、 抽气， 由于在前脚、 后脚上的单向轴承的限制， 使得软体机器人不断 的向右或左转向。 0007 所属软体机器人中左侧可折叠气体驱动单元、 右侧可折叠气体驱动单元、。

11、 前脚、 后 脚以3D打印成型作为模具， 用可浇注硅胶以及聚二甲基硅氧烷(PDMS)等软材料浇注而成。 支撑骨架由纸张沿折痕折叠制成， 并粘结在可折叠部分的表皮内表面。 0008 作为本发明的一种改进措施， 可以改变前脚、 后脚的结构性形状， 使之具有不同的 功能， 如抓取、 投掷等。 0009 作为本发明的一种改进措施， 可以改变行进轮的形状或安装位置， 使其实行更加 复杂的地形或环境， 如管道、 沙滩、 水下等。 0010 本发明基于三浦结构设计的爬行软体机器人的优点在于： 0011 (1)基于三浦设计的可折叠气体驱动单元内嵌入支撑骨架， 在正负压下能够保持 稳定的变形， 和较大的长度变化。

12、。 0012 (2)能够在较小的气压范围内驱动(-20kPa20kPa)， 且主要依靠负压驱动， 降低 控制所需要的气压， 操作更加安全。 0013 (3)将软体机器人的蠕动运动转为车轮的旋转运动， 提高了直行速度、 转向速度和 灵活性。 0014 (4)软体机器人在直行和转向时自身的高度没有产生变化， 能够在高度受限的空 间内运动， 适用于狭缝、 管道等多种场合。 0015 (5)本发明可以根据需求将爬行式软体机器人串联， 实现更高效率的直行和转向。 附图说明 0016 图1是本发明基于三浦折叠设计的爬行软体机器人的整体结构示意图； 0017 图2是本发明基于三浦折叠设计的爬行软体机器人俯视。

13、图， 沿通气孔中心全剖； 0018 图3是本发明基于三浦折叠设计的爬行软体机器人的仰视图， 沿轴承中心全剖； 0019 图4是本发明基于三浦折叠设计的爬行软体机器人的侧视图； 0020 图5是本发明基于三浦折叠设计的可折叠气体驱动单元结构示意图； 0021 图6是本发明基于三浦折叠设计的可折叠气体驱动单元内的支撑骨架折痕图； 0022 图7是本发明基于三浦折叠设计的可折叠气体驱动单元内的支撑骨架结构示意 图； 0023 图8是本发明基于三浦折叠设计的爬行软体机器人的前脚结构示意图； 0024 图9本发明基于三浦折叠设计的爬行软体机器人的后脚结构示意图； 0025 附图标记说明： 1-左侧可折叠。

14、气体驱动单元、 2-右侧可折叠气体驱动单元、 3-前 脚、 4-后脚、 5-行进轮； 11-可折叠气体驱动单元外表皮、 12可折叠气体驱动单元支撑骨架、 111过渡部分、 112可折叠部分、 121-谷折、 122-峰折； 31前脚粘接处、 32前脚安装孔； 41后脚 粘接处、 42后脚安装孔、 43通气孔； 51轴、 52单向轴承、 53轮胎。 说明书 2/4 页 4 CN 110900562 A 4 具体实施方式 0026 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。 0027 如图1-4所示是本发明设计的一种基于三浦折叠设计的一种爬行软体机器人的结 构图， 主要由左侧可折叠气体驱动单元1、 。

15、右侧可折叠气体驱动单元2、 前脚3、 后脚4、 行进轮 5组成， 左侧可折叠气体驱动单元1和右侧可折叠气体驱动单元2结构相同， 分别由不同的气 源独立控制。 左侧可折叠气体驱动单元1和右侧可折叠气体驱动单元2粘接在前脚3和后脚4 之间。 四个行进轮5分安装在前脚3、 后脚4上。 本发明设计的爬行软体机器人的主要功能组 件为可折叠气体驱动单元， 允许独立的控制软体软体机器人左右两侧的运动。 0028 具体地， 如图2所示， 左侧可折叠气体驱动单元1和右侧可折叠气体驱动单元2前后 两端粘接在前脚粘接处31和后脚粘接处41， 并保证一定的密封使之不漏气； 左右两个通气 孔43分别控制控制左侧可折叠气。

16、体驱动单元1和右侧可折叠气体驱动单元2内的气压。 0029 具体地， 如图3、 4所示， 行进轮5分别由轴51、 单向轴承52、 轮胎53组成， 四个行进轮 分安装在前脚的前脚安装孔32、 后脚安装孔42中， 其中轴51和前脚安装孔32和后脚安装孔 42之间为为过盈配合或采用其他方式使其固定不产生相对滑动。 0030 具体地， 如图5所示， 左侧可折叠气体驱动单元1主要由外表皮11、 支撑骨架12制 成， 其中外表皮按照结构的不同， 可以分为过渡部分111、 可折叠部分112。 外表皮11由弹性 模量较小、 硬度较小的硅胶浇注而成。 支撑骨架12由纸张或其他硬质可折叠材料制成， 折痕 通过激光。

17、切割机加工而成， 将支撑骨架12按照沿谷折121和峰折122折叠， 并将两个支撑骨 架12分别粘接在外表皮11的可折叠部分112的内表面左侧可折叠气体驱动单元1地外表皮 11的厚度约为1mm。 右侧可折叠气体驱动单元2与左侧可折叠气体驱动单元1结构完全相同。 0031 具体地， 如图6所示， 是一个支撑骨架12的结构， 左侧可折叠气体驱动单元1的支撑 骨架12的折痕图， 121是谷折折痕， 122是峰折折痕； 支撑骨架12由纸张或其他硬质可折叠材 料制成， 折痕通过激光切割机加工而成。 0032 具体地， 如图7所示， 是一个支撑骨架12折叠后的状态， 可折叠气体驱动单元支撑 骨架12沿谷折1。

18、21和峰折122折叠后的状态， 将两个支撑骨架12粘接在可折叠气体驱动单元 外表皮11的可折叠部分112的内表面。 0033 具体地， 如图8所示， 前脚3由弹性模量较大、 硬度较大的硅胶浇注(邵氏硬度20A 60A)； 前脚主要由前脚粘接处31、 前脚安装孔32组成； 其中前脚安装孔32和轴51为过盈配合 或采用其他方式使其固定不产生相对滑动； 0034 具体地， 如图9所示， 后脚4由弹性模量较大、 硬度较大的硅胶浇注(邵氏硬度20A 60A)； 后脚主要由后脚粘接处41、 后脚安装孔42、 通气孔43； 其中后脚安装孔42和轴51为过 盈配合或采用其他方式使其固定不产生相对滑动； 左右通。

19、气孔43分别与左右两侧的可折叠 气体驱动单元相通。 0035 可折叠气体驱动单元能够在正压下伸长， 在负压下收缩， 通过调整左侧可折叠气 体驱动单元1和右侧可折叠气体驱动单元2内的气压大小， 可以控制左右两侧的可折叠气体 驱动单元的长短， 进而使机器人产生直行、 转向运动。 工作时， 分别对左右两侧的可折叠气 体驱动单元进行充气或抽气； 直行时， 对左右两侧的可折叠气体驱动单元同时充气、 抽气， 使软体机器人周期性的伸长、 缩短， 由于在前脚、 后脚上的单向轴承的限制， 使得软体机器 人不断的向前移动； 转向时， 为了获得较大的转向角度， 先对左右两侧的可折叠气体驱动单 说明书 3/4 页 5。

20、 CN 110900562 A 5 元同时抽气， 然后再对左(右)侧驱动单元循环充气、 抽气， 由于在前脚、 后脚上的单向轴承 的限制， 使得软体机器人不断的向右(左)转向。 很显然， 现有技术中能够提供单方向摩擦力 的其他结构也应落在本发明的保护范围。 0036 以上所述仅为本发明的优选实施例而已， 并不用于限制本发明， 对于本领域的技 术人员来说， 本发明可以有各种更改和变化。 凡在本发明的精神和原则之内， 所作的任何修 改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说明书 4/4 页 6 CN 110900562 A 6 图1 图2 说明书附图 1/4 页 7 CN 110900562 A 7 图3 图4 说明书附图 2/4 页 8 CN 110900562 A 8 图5 图6 图7 说明书附图 3/4 页 9 CN 110900562 A 9 图8 图9 说明书附图 4/4 页 10 CN 110900562 A 10 。