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申请/专利权人：北京航空航天大学

摘要：本发明公开了一种基于尺蠖的仿生软体机器人，包括机器人本体；所述机器人本体的两端被配置为足部；所述足部之间形成为所述机器人本体的躯干部；所述机器人本体采用柔性材料制成；所述躯干部被配置为能够弯曲地驱动整体移动的结构，所述足部能够夹持沿所述躯干部移动方向分布的支撑物并辅助移动；所述足部能够相对于所述躯干部倾斜地夹持偏离移动方向分布的支撑物以辅助改变移动方向；本发明的软体机器人采用硅胶框架和多级形状记忆合金弹簧驱动的结构形式，使得机器人具有很好的柔性和控制的灵活性，能实现多种动作形态，具有跨越简单障碍的功能，同时缩小了机器人的体积。

主权项：1.基于尺蠖的仿生软体机器人，其特征在于，包括：机器人本体；所述机器人本体的两端被配置为足部2；所述足部2之间形成为所述机器人本体的躯干部1；所述机器人本体采用柔性材料制成；所述躯干部1被配置为能够弯曲地驱动整体移动的结构，所述足部2能够夹持沿所述躯干部1移动方向分布的支撑物并辅助移动；所述足部2能够相对于所述躯干部1倾斜地夹持偏离移动方向分布的支撑物以辅助改变移动方向；该机器人还包括：驱动机构，所述驱动机构驱动所述机器人本体移动和夹持；所述躯干部1和足部2一体式结构，且所述躯干部1的两端向下部分延伸地形成为所述足部2；所述驱动机构分为三部分，分别为：集成于所述躯干部1的弓背驱动组件，所述弓背驱动组件驱动所述躯干部1弯曲以完成移动动作；集成于所述足部2的夹持驱动组件，所述夹持驱动组件驱动所述足部2开合以完成夹持动作；以及集成于所述足部2与躯干部1连接处的抬头驱动组件，所述抬头驱动组件驱动所述足部2相对于躯干部1倾斜；所述足部2的下部具有开口202，所述足部2的开口202处将足部分割为两个夹持体201，所述足部2的两侧面均间隔固定有两个第二连接片401；其中一所述第二连接片401固定于固连于所述开口202处的侧面，另一所述第二连接片401固定于远离所述开口202的足部2的上部；两个所述第二连接片401之间固连有所述夹持驱动组件；所述夹持驱动组件为夹持开口弹簧402；所述夹持开口弹簧402向上拉伸时，两个所述夹持体201相互分离地形成夹持口；所述夹持开口弹簧402恢复时，所述夹持口闭合；所述躯干部1和足部2的连接处间隔固连有两个第三连接片501，其中一所述第三连接片501固定于靠近所述躯干部1一侧，另一所述第三连接片501固定于靠近所述足部2一侧；两个所述第三连接片501之间固定有所述抬头驱动组件；所述抬头驱动组件为抬头驱动弹簧502；所述抬头驱动弹簧502靠近所述足部2一端向上弯曲时，所述抬头驱动弹簧502带动所述足部2向上弯曲地与所述躯干部1成一定角度倾斜；所述抬头驱动弹簧502恢复时，所述足部2与所述躯干部1平行。

全文数据：基于尺蠖的仿生软体机器人技术领域本发明涉及形状记忆合金驱动技术领域，尤其涉及一种基于尺蠖的仿生软体机器人。背景技术随着人们对机器人技术需求的不断提升,传统刚性机器人因其结构复杂、安全性差、适应性差、灵活性差等原因已经难以满足人们的需求,而软体机器人是一种由柔性材料制作的新型机器人，能够适应各种非结构化环境，能够提供更为安全的人机交互。仿生软体机器人的研究灵感来源于生物,这些生物包括蠕虫等爬行生物,章鱼、游鱼等水中生物,蚱蜢、跳蚤等跳跃型生物等,根据仿生对象不同，仿生软体机器人拥有不同的特点和功能。尺蠖属于节肢动物，其身体细长，行动时一屈一伸像个拱桥，具有很强的攀爬能力，对攀爬环境的适应性很强。形状记忆合金制成的SMA驱动器因其功率密度高，结构简单，噪声低等优点，是软体机器人中常用的驱动方式之一。目前仿生尺蠖机器人柔性较差，环境适应性差，或只具备简单的爬行能力。因此如何使仿生尺蠖具有更强的柔性，及多种攀爬能力，是一大关键问题。对比文件1：在中国发明专利申请CN105697927A公开了一种基于IPMC的仿生尺蠖管道爬行机构。该装置包括两个嵌位模块和一个伸缩模块，利用智能材料IPMC通电后弯曲的特性作为驱动原理，尺寸小，质量轻，通过调整IPMC足的倾斜角度可以适应不同的管径，自身结构可弯曲，能够通过较大曲率的弯道，可以实现管道内的前进、驻留、后退的运动。对比文件2：在中国发明专利申请CN109756147A公开了一种基于液晶弹性聚合物的仿生尺蠖结构，结构顶层为具有一定厚度的硅胶模，下方为通过粘附材料与硅胶模粘结为一体的斜柱状阵列结构以及液晶弹性聚合物。该结构能够在小电压驱动下，实现驱动可控和大变形有机统一。对比文件3：在中国发明专利申请CN109823429A公开了一种仿生尺蠖机器人，机器人头部包括超声波测距探头、红外人体感应探头和状态提示等，若干关节相连接形成躯干，每个关节含有一个舵机，针簇足又弹簧、钢针、连杆、舵机构成，钢针结合弹簧后能够抓住不平坦的地面，，机器人的前后足钢针方向相同，当机器人前进或后退时同向钢针使得推力方向一致，避免滑动以降低力的损耗，机器人的仿生针簇足，在履带无法运行环境仍能进入废墟有效地附着面适应地形，有利于提高废墟中的通过率，进行搜查工作。对比文件4：在文献《ReachabilityImprovementofaClimbingRobotBasedonLargeDeformationsInducedbyTri-TubeSoftActuators》中公开了一种水蛭仿生机器人，该机器人由两端的吸盘结构，中间的软管结构组成，通过驱动三根软管不同的伸缩量，来控制机器人的偏转，通过首尾的吸盘结构来进行机器人的位移约束控制。该机器人能够实现在垂直墙壁上的攀爬。本领域技术人员经过仔细研究上述对比文件后，总结出现有技术中的仿生机器人仍然存在以下技术问题：对比文件1公开的一种基于IPMC的仿生尺蠖管道爬行机构，主要由刚性结构组成，柔性较差，且仅适于在规则的、管径适配的管道中爬行，应用场景限制较多。对比文件2公开的液晶弹性聚合物的仿生尺蠖结构仅能在无障碍的平面上爬行，无跨越障碍的能力，爬坡能力较差。对比文件3公开的仿生尺蠖结构为刚性结构，使得其适应性较差。对比文件4《ReachabilityImprovementofaClimbingRobotBasedonLargeDeformationsInducedbyTri-TubeSoftActuators》中的水蛭仿生机器人，体型较大，同时对攀爬附着的表面有较高的平整光洁度要求，不适宜在粗糙的表面，及细小狭长的物体上攀爬。发明内容本发明的目的是提供一种柔性高、灵活性好、能够实现多种动作形态、且具有跨越简单障碍能力的基于尺蠖的仿生软体机器人。为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明的基于尺蠖的仿生软体机器人，包括：机器人本体；所述机器人本体的两端被配置为足部；所述足部之间形成为所述机器人本体的躯干部；所述机器人本体采用柔性材料制成；所述躯干部被配置为能够弯曲地驱动整体移动的结构，所述足部能够夹持沿所述躯干部移动方向分布的支撑物并辅助移动；所述足部能够相对于所述躯干部倾斜地夹持偏离移动方向分布的支撑物以辅助改变移动方向；该机器人还包括：驱动机构，所述驱动机构驱动所述机器人本体移动和夹持。进一步的，所述躯干部和足部一体式结构，且所述躯干部的两端向下部分延伸地形成为所述足部；所述驱动机构分为三部分，分别为：集成于所述躯干部的弓背驱动组件，所述弓背驱动组件驱动所述躯干部弯曲以完成移动动作；集成于所述足部的夹持驱动组件，所述夹持驱动组件驱动所述足部开合以完成夹持动作；以及集成于所述足部与躯干部连接处的抬头驱动组件，所述抬头驱动组件驱动所述足部相对于躯干部倾斜。进一步的，所述躯干部上固连有相互间隔的第一连接片，两个所述第一连接片之间安装有所述弓背驱动组件；所述弓背驱动组件为安装于所述第一连接片之间并沿所述躯干部长度方向延伸的躯干弯曲弹簧；所述躯干弯曲弹簧弯曲以带动所述躯干部朝向同一方向弯曲。进一步的，所述躯干部的上部具有多个相互贴靠的长方体阻塞硅胶颗粒凸起；所述躯干部弯曲时，相邻所述长方体阻塞硅胶颗粒凸起相互分离；所述躯干部非弯曲时，相邻所述长方体阻塞硅胶颗粒凸起相互贴靠。进一步的，所述足部的下部具有开口，所述足部的开口处将足部分割为两个夹持体，所述足部的两侧面均间隔固定有两个第二连接片；其中一所述第二连接片固定于固连于所述开口处的侧面，另一所述第二连接片固定于远离所述开口的足部的上部；两个所述第二连接片之间固连有所述夹持驱动组件；所述夹持驱动组件为夹持开口弹簧；所述夹持开口弹簧向上拉伸时，两个所述夹持体相互分离地形成夹持口；所述夹持开口弹簧恢复时，所述夹持口闭合。进一步的，两个所述夹持体的上端形成有夹持槽。进一步的，所述躯干部和足部的连接处间隔固连有两个第三连接片，其中一所述第三连接片固定于靠近所述躯干部一侧，另一所述第三连接片固定于靠近所述足部一侧；两个所述第三连接片之间固定有所述抬头驱动组件；所述抬头驱动组件为抬头驱动弹簧；所述抬头驱动弹簧靠近所述足部一端向上弯曲时，所述抬头驱动弹簧带动所述足部向上弯曲地与所述躯干部成一定角度倾斜；所述抬头驱动弹簧恢复时，所述足部与所述躯干部平行。进一步的，所述足部的下表面具有摩擦结构。在上述技术方案中，本发明提供的基于尺蠖的仿生软体机器人，具有以下有益效果：1、本发明的软体机器人采用硅胶框架和多级形状记忆合金弹簧驱动的结构形式，使得机器人具有很好的柔性和控制的灵活性，能实现多种动作形态，具有跨越简单障碍的功能，同时与电机、气压驱动相比，极大缩小了机器人的体积，易于实现无线控制。2、本发明的软体机器人设计了具有夹持功能足部，使其能够攀爬细杆件，足部的异型摩擦结构能够防止仿生尺蠖在爬行时打滑。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明实施例提供的基于尺蠖的仿生软体机器人的结构示意图；图2为本发明实施例提供的基于尺蠖的仿生软体机器人的主视图。附图标记说明：1、躯干部；2、足部；101、长方体阻塞硅胶颗粒凸起；201、夹持体；202、开口；203、夹持槽；301、第一连接片；302、躯干弯曲弹簧；401、第二连接片；402、夹持开口弹簧；501、第三连接片；502、抬头驱动弹簧。具体实施方式为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。参见图1～2所示；本发明的基于尺蠖的仿生软体机器人，包括：机器人本体；机器人本体的两端被配置为足部2；足部2之间形成为机器人本体的躯干部1；机器人本体采用柔性材料制成；躯干部1被配置为能够弯曲地驱动整体移动的结构，足部2能够夹持沿躯干部1移动方向分布的支撑物并辅助移动；足部2能够相对于躯干部1倾斜地夹持偏离移动方向分布的支撑物以辅助改变移动方向；该机器人还包括：驱动机构，驱动机构驱动机器人本体移动和夹持。具体的，本实施例公开了一种基于尺蠖的仿生软体机器人，尺蠖是一种软体爬行类昆虫，该种仿生尺蠖软体机器人能够以爬行的姿态在地形较为复杂的环境移动，并做相关的作业。其中，该软体机器人分为躯干部1和足部2，躯干部1是仿生尺蠖的身体，其以弯曲爬行的形式逐渐向前或向后移动，而足部2是与路径中的接触面接触，一方面提供与接触面的着力点，另一方面该实施例中的足部2具有夹持功能，能够辅助爬行时抓取周边的物体，实现软体机器人攀爬的功能。另外，该足部2的夹持作业能够进一步地辅助躯干部1改变移动轨迹地向其他轨迹爬行，使用方式灵活。考虑到软体机器人柔性的问题，本实施例的软体机器人整体采用柔性材料制成，例如硅胶、或者PDMS，或者其他同类柔性的材料，在驱动机构的驱动下，使其能够更加轻易地形成弯曲。优选的，本实施例中躯干部1和足部2一体式结构，且躯干部1的两端向下部分延伸地形成为足部2；驱动机构分为三部分，分别为：集成于躯干部1的弓背驱动组件，弓背驱动组件驱动躯干部1弯曲以完成移动动作；集成于足部2的夹持驱动组件，夹持驱动组件驱动足部2开合以完成夹持动作；以及集成于足部2与躯干部1连接处的抬头驱动组件，抬头驱动组件驱动足部相对于躯干部1倾斜。更进一步的说明：本实施例主要公开的驱动机构的分类，其分为三类，主要包括用于驱动躯干部1实现弯曲功能并最终完成移动的弓背驱动组件、用于驱动足部2夹持动作的夹持驱动组件、以及用于驱动足部2和躯干部1的连接处部分弯曲以实现足部2摆动的抬头驱动组件。三个驱动组件分别独立控制各个部位的运动，能够更加灵活地实现爬行、夹持抓取、变换移动轨迹的动作，使得该软体机器人能够更加适应需要攀爬、较为复杂的路径的移动作业。优选的，本实施例中躯干部1上固连有相互间隔的第一连接片301，两个第一连接片301之间安装有弓背驱动组件；弓背驱动组件为安装于第一连接片301之间并沿躯干部1长度方向延伸的躯干弯曲弹簧302；躯干弯曲弹簧302弯曲以带动躯干部1朝向同一方向弯曲。其中，躯干部1的上部具有多个相互贴靠的长方体阻塞硅胶颗粒凸起101；躯干部1弯曲时，相邻长方体阻塞硅胶颗粒凸起101相互分离；躯干部1非弯曲时，相邻长方体阻塞硅胶颗粒凸起101相互贴靠。该实施例主要介绍了弓背驱动组件的结构和工作原理，通过上述第一连接片301的固连，将躯干弯曲弹簧302固定在躯干部1上，尽量保证躯干弯曲弹簧302处于躯干部1的中心处，一旦躯干弯曲弹簧302弯曲，由于软体机器人整体采用柔性材料制成，伴随着躯干弯曲弹簧302会带动躯干部1也易同方向和同弧度地弯曲，而且考虑到躯干部1需要经常弯曲，根据躯干部1弯曲的方向，在躯干部1上部位置长方体阻塞硅胶颗粒凸起101，该长方体阻塞硅胶颗粒凸起101在躯干部1弯曲时形成为相互远离的状态，而躯干部1非弯曲状态时，相邻的长方体阻塞硅胶颗粒凸起101又相互贴靠在一起，以此来保证软体机器人回位时位置的准确性。优选的，本实施例中足部2的下部具有开口202，足部2的开口202处将足部202分割为两个夹持体201，足部2的两侧面均间隔固定有两个第二连接片401；其中一第二连接片401固定于固连于开口202处的侧面，另一第二连接片401固定于远离开口202的足部2的上部；两个第二连接片401之间固连有夹持驱动组件；夹持驱动组件为夹持开口弹簧402；夹持开口弹簧402向上拉伸时，两个夹持体201相互分离地形成夹持口；夹持开口弹簧402恢复时，夹持口闭合。该实施例主要介绍了足部2的结构以及足部2夹持固定的原理，其中，足部2下表面具有开口202，该开口202将足部2下部分割为两部分，即为上述两个夹持体201，两个夹持体201作为夹持部件，一旦其张开分离，两个夹持体201分别置于待夹持物体的两侧；两个夹持体201的两侧通过第二连接片401安装有上述的夹持驱动组件，本实施例中的夹持驱动组件选用夹持开口弹簧402结构，当夹持开口弹簧402的下端弯曲时，其能够带动夹持体201的下端向外侧分开，以此来使得夹持口张开，此时一旦有物体进入该夹持口内，随着夹持开口弹簧402的恢复，两个夹持体201就会回位并相互贴靠，此时就可以正常夹持固定物体。另外，为了确保两个夹持体201内部具有一定的夹持空间，两个夹持体201的上端形成有夹持槽203。该夹持槽203的形状和尺寸可以根据该软体机器人经常出没的场所而定，假如该软体机器人经常在树枝上行走，那么需要确保夹持槽203的尺寸和形状能够与树枝基本匹配，同理，根据软体机器人的行走环境，本领域的技术人员可以适当改变夹持槽203的尺寸和形状。优选的，本实施例中躯干部1和足部2的连接处间隔固连有两个第三连接片501，其中一第三连接片501固定于靠近躯干部1一侧，另一第三连接片501固定于靠近足部2一侧；两个第三连接片501之间固定有抬头驱动组件；抬头驱动组件为抬头驱动弹簧502；抬头驱动弹簧502靠近足部2一端向上弯曲时，抬头驱动弹簧502带动足部2向上弯曲地与躯干部1成一定角度倾斜；抬头驱动弹簧502恢复时，足部2与躯干部1平行。本实施例主要介绍了抬头的结构和原理，具体为：在躯干部1和足部2的连接处，主要位于躯干部1和足部2连接处的上端面，在该处通过第三连接片501安装了抬头驱动组件，而该实施例中的抬头驱动组件主要为抬头驱动弹簧502，其结构原理与上述两种弹簧基本一致，主要是通过抬头驱动弹簧502的弯曲来带动足部2向上弯曲，以实现“抬头”功能，该处不再赘述。另外，上述实施例中的弹簧均采用形状记忆合金弹簧，而控制其弯曲的功能部件为电控部分，一般控制器控制弹簧的通电状态，设定好程序，一旦弹簧通电，驱使弹簧进行收缩，并完成上述动作。考虑到行走时稳定性避免打滑的问题，本实施例中的足部2的下表面具有摩擦结构。足部2下表面的摩擦结构可以设计为异形结构摩擦凸起图中已示出、或者是在足部2的下表面复合防滑层，以上目的都是为了增大与行走路径表面的表面摩擦力，确保行走更加安全和稳定。同理，为了提高夹持过程中的稳定性，还可以在夹持体内侧面覆盖增大摩擦力的结构，例如毛刷、或者防滑涂层等。在上述技术方案中，本发明提供的基于尺蠖的仿生软体机器人，具有以下有益效果：本发明的软体机器人采用硅胶框架和多级形状记忆合金弹簧驱动的结构形式，使得机器人具有很好的柔性和控制的灵活性，能实现多种动作形态，具有跨越简单障碍的功能，同时与电机、气压驱动相比，极大缩小了机器人的体积，易于实现无线控制。本发明的软体机器人设计了具有夹持功能足部2，使其能够攀爬细杆件，足部2的异型摩擦结构能够防止仿生尺蠖在爬行时打滑。以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

权利要求：1.基于尺蠖的仿生软体机器人，其特征在于，包括：机器人本体；所述机器人本体的两端被配置为足部2；所述足部2之间形成为所述机器人本体的躯干部1；所述机器人本体采用柔性材料制成；所述躯干部1被配置为能够弯曲地驱动整体移动的结构，所述足部2能够夹持沿所述躯干部1移动方向分布的支撑物并辅助移动；所述足部2能够相对于所述躯干部1倾斜地夹持偏离移动方向分布的支撑物以辅助改变移动方向；该机器人还包括：驱动机构，所述驱动机构驱动所述机器人本体移动和夹持。2.根据权利要求1所述的基于尺蠖的仿生软体机器人，其特征在于，所述躯干部1和足部2一体式结构，且所述躯干部1的两端向下部分延伸地形成为所述足部2；所述驱动机构分为三部分，分别为：集成于所述躯干部1的弓背驱动组件，所述弓背驱动组件驱动所述躯干部1弯曲以完成移动动作；集成于所述足部2的夹持驱动组件，所述夹持驱动组件驱动所述足部2开合以完成夹持动作；以及集成于所述足部2与躯干部1连接处的抬头驱动组件，所述抬头驱动组件驱动所述足部2相对于躯干部1倾斜。3.根据权利要求2所述的基于尺蠖的仿生软体机器人，其特征在于，所述躯干部1上固连有相互间隔的第一连接片301，两个所述第一连接片301之间安装有所述弓背驱动组件；所述弓背驱动组件为安装于所述第一连接片301之间并沿所述躯干部1长度方向延伸的躯干弯曲弹簧302；所述躯干弯曲弹簧302弯曲以带动所述躯干部1朝向同一方向弯曲。4.根据权利要求3所述的基于尺蠖的仿生软体机器人，其特征在于，所述躯干部1的上部具有多个相互贴靠的长方体阻塞硅胶颗粒凸起101；所述躯干部1弯曲时，相邻所述长方体阻塞硅胶颗粒凸起101相互分离；所述躯干部1非弯曲时，相邻所述长方体阻塞硅胶颗粒凸起101相互贴靠。5.根据权利要求2所述的基于尺蠖的仿生软体机器人，其特征在于，所述足部2的下部具有开口202，所述足部2的开口202处将足部分割为两个夹持体201，所述足部2的两侧面均间隔固定有两个第二连接片401；其中一所述第二连接片401固定于固连于所述开口202处的侧面，另一所述第二连接片401固定于远离所述开口202的足部2的上部；两个所述第二连接片401之间固连有所述夹持驱动组件；所述夹持驱动组件为夹持开口弹簧402；所述夹持开口弹簧402向上拉伸时，两个所述夹持体201相互分离地形成夹持口；所述夹持开口弹簧402恢复时，所述夹持口闭合。6.根据权利要求5所述的基于尺蠖的仿生软体机器人，其特征在于，两个所述夹持体201的上端形成有夹持槽203。7.根据权利要求2所述的基于尺蠖的仿生软体机器人，其特征在于，所述躯干部1和足部2的连接处间隔固连有两个第三连接片501，其中一所述第三连接片501固定于靠近所述躯干部1一侧，另一所述第三连接片501固定于靠近所述足部2一侧；两个所述第三连接片501之间固定有所述抬头驱动组件；所述抬头驱动组件为抬头驱动弹簧502；所述抬头驱动弹簧502靠近所述足部2一端向上弯曲时，所述抬头驱动弹簧502带动所述足部2向上弯曲地与所述躯干部1成一定角度倾斜；所述抬头驱动弹簧502恢复时，所述足部2与所述躯干部1平行。8.根据权利要求1所述的基于尺蠖的仿生软体机器人，其特征在于，所述足部2的下表面具有摩擦结构。

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