本發(fā)明涉及軟體機(jī)器人的徑向致動器設(shè)計，尤其是指一種用于蠕動式軟體機(jī)器人的徑向致動器。

背景技術(shù)：

1、近年來，軟體機(jī)器人領(lǐng)域在國內(nèi)外引起了廣泛的關(guān)注，其中蠕動式軟體機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中有較高的適應(yīng)性，可廣泛應(yīng)用于管道檢測及在受限空間內(nèi)搜索等各種場景中，作為決定運(yùn)動效率的重要因素，蠕動式軟體機(jī)器人的徑向致動器在控制和運(yùn)動性能上面臨較大挑戰(zhàn)。

2、蠕動式軟體機(jī)器人在機(jī)械設(shè)計中存在兩個主要問題，首先是氣體輸入數(shù)量過多，使得機(jī)器人的控制具有挑戰(zhàn)性，第二個問題是機(jī)器人性能較低，無法達(dá)到機(jī)器人檢測功能所需要的運(yùn)動速度。

3、在控制方面，軟體機(jī)器人有集成智能設(shè)計、尖端傳感技術(shù)等發(fā)展方向。wang通過結(jié)構(gòu)設(shè)計，將電驅(qū)動軟體機(jī)器人與智能材料結(jié)合,在外部刺激下通過形狀重構(gòu)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的多模態(tài)功能。xu采用高密度的介電彈性體致動器陣列作為一種軟體蠕動泵,用于流體機(jī)器人的控制和動力來源。但蠕動式軟體機(jī)器人在反饋運(yùn)動數(shù)據(jù)時仍依賴于外部傳感元件，如放置在氣源附近而非軟體機(jī)器人本體的壓力傳感器，這種半閉環(huán)控制雖然方法簡單，但外部干擾對傳感器數(shù)據(jù)的影響也更大，尤其是在復(fù)雜環(huán)境下，外置傳感器無法提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)反饋，且對致動器的變形狀況感應(yīng)較少，不利于對軟體機(jī)器人柔性材料的控制。

4、而在蠕動式軟體機(jī)器人的運(yùn)動性能方面，同樣有學(xué)者對此進(jìn)行了研究。xiong提出了多種材料混合致動器，稱為mash致動器，將靜電粘附(ea)與氣體驅(qū)動結(jié)合，引入一種受蚯蚓縱向肌肉啟發(fā)的自適應(yīng)變形限制層，可以改變致動器的長度、剛度和位置，增強(qiáng)了機(jī)器人的功能，但不同的驅(qū)動方式也提高了控制的復(fù)雜性。jiang提出一種類似蠕蟲的軟體機(jī)器人的設(shè)計與制造，該軟體機(jī)器人旨在管道內(nèi)操作，采用氣動執(zhí)行器和折紙-織物復(fù)合材料，紙作為機(jī)器人的骨架，織物作為機(jī)器人的皮膚，通過折紙的結(jié)構(gòu)設(shè)計使機(jī)器人的軟體致動器具有更強(qiáng)的機(jī)械性能。但折紙-織物復(fù)合材料與液態(tài)導(dǎo)電材料的融合性較差，不利于達(dá)成致動器的一體化設(shè)計效果。liu提出了一種模塊化仿生軟體機(jī)器人，可以爬行和跨越障礙，該機(jī)器人由多個軟模塊組成，每個軟模塊包含兩個并聯(lián)軟體致動器，通過對兩個軟體致動器的形態(tài)控制來改變仿生軟體機(jī)器人的步態(tài)，但其沒有改變軟體致動器的變形時長占比，對機(jī)器人運(yùn)動效率的提高較為有限。

5、軟體機(jī)器人由執(zhí)行器組成，這些執(zhí)行器有各種驅(qū)動方式，例如通過電、化學(xué)、磁、熱和流體來驅(qū)動。其中最常見的方法是在不同的腔內(nèi)使用氣體增壓，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的擴(kuò)張、收縮、扭轉(zhuǎn)或彎曲等動作,這種多功能性使得軟體機(jī)器人廣泛應(yīng)用于較多領(lǐng)域。而蠕動式軟體機(jī)器人的徑向致動器是決定其整體運(yùn)動效率和控制性能的重要因素，但是目前對于蠕動式軟體機(jī)器人的徑向致動器的設(shè)計并未有較大的成效，亟需對其進(jìn)行改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)中對于蠕動式軟體機(jī)器人的徑向致動器的設(shè)計并未有較大的成效的問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種用于蠕動式軟體機(jī)器人的徑向致動器，所述徑向致動器內(nèi)設(shè)置有氣腔、微通道和圓柱形空腔，其中，

3、所述圓柱形空腔沿徑向致動器的中軸線設(shè)置，所述氣腔呈圓環(huán)狀且沿徑向致動器內(nèi)壁設(shè)置且與徑向致動器保持第一預(yù)設(shè)距離，所述微通道設(shè)置于氣腔與徑向致動器內(nèi)壁之間，所述氣腔包圍圓柱形空腔且氣腔內(nèi)壁與圓柱形空腔外壁保持第二預(yù)設(shè)距離，其中，

4、所述氣腔用于與來自徑向致動器外部的氣管連通，通過徑向致動器外部的氣管實(shí)現(xiàn)氣腔內(nèi)部氣壓的增大或減??；所述圓柱形空腔用于存放與軟體機(jī)器人的其他徑向致動器或軸向致動器的氣腔連通的氣管；

5、所述微通道內(nèi)置有液態(tài)金屬，當(dāng)增大氣腔中的氣壓發(fā)生改變時，徑向致動器發(fā)生形變導(dǎo)致所述微通道產(chǎn)生形變，所述微通道產(chǎn)生形變導(dǎo)致液態(tài)金屬的電阻發(fā)生變化，根據(jù)液態(tài)金屬的電阻變化判斷徑向致動器的膨脹變形情況。

6、在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，設(shè)所述微通道的橫截面的長軸長度為，短軸長度為，并且，其中，橫截面的長軸長度和短軸長度之比隨著所述氣腔內(nèi)的壓強(qiáng)增大而增大。

7、在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述微通道橫截面包括圓形和橢圓形，徑向致動器在相同氣壓下，橫截面為橢圓形的微通道比橫截面為圓形的微通道膨脹變形量更大。

8、在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，徑向致動器在相同氣壓下，當(dāng)微通道的長軸長度與短軸長度之比在預(yù)設(shè)范圍時，若長軸長度與短軸長度之比越大，則所述微通道的形變程度越高，徑向致動器側(cè)壁的膨脹變形量也越大。

9、在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，當(dāng)所述微通道橫截面的長軸長度等于短軸長度時，在氣壓大小為0-225kpa時，所述微通道中液態(tài)金屬的電阻隨著氣壓的增長而增長且增長率為；在氣壓大小為225-300kpa時，所述微通道中液態(tài)金屬的電阻隨著氣壓的增長而增長且增長率為，其中，；

10、當(dāng)所述微通道橫截面的長軸長度大于短軸長度時，在氣壓大小為0-225kpa時，所述微通道中液態(tài)金屬的電阻隨著氣壓的增長而增長且增長率為；在氣壓大小為225-300kpa時，所述微通道中液態(tài)金屬的電阻隨著氣壓的增長而增長且增長率為，其中，，并且。

11、在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，徑向致動器在相同氣壓下，設(shè)所述微通道橫截面的長軸長度等于短軸長度時微通道的第一靈敏度為gf1，設(shè)所述微通道橫截面的長軸長度大于短軸長度微通道的第二靈敏度為gf2，則第二靈敏度gf2大于第一靈敏度gf1，其中，靈敏度用于反應(yīng)微通道的徑向膨脹情況，公式為：

12、；

13、其中，為靈敏度，表示微通道拉伸時的電阻，表示電阻變化量，為外加應(yīng)變。

14、在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，徑向致動器在相同氣壓下，若徑向致動器的其他參數(shù)相同，則所述呈圓環(huán)狀的氣腔的厚度越厚，徑向致動器的徑向膨脹變形量越大。

15、在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，徑向致動器形變過程中，假設(shè)壓強(qiáng)為、氣腔的側(cè)壁所承受的張力為、氣腔的上壁與下壁分別承受的張力為、徑向致動器兩端接口固定所產(chǎn)生的約束力為、中心圓柱形空腔側(cè)壁受到約束力為，則滿足：

16、；

17、；

18、；

19、；

20、其中，為徑向致動器圓形橫截面的半徑，為氣腔與徑向致動器內(nèi)壁的距離，為氣腔的厚度，為氣腔的高度。

21、在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，所述徑向致動器的材質(zhì)為硅膠。

22、本發(fā)明的上述技術(shù)方案相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

23、本發(fā)明構(gòu)造的徑向致動器在結(jié)構(gòu)上減小了徑向致動器膨脹變形所受的約束力，提高了徑向致動器的膨脹變形性能，使其在相同氣壓下能更快地固定位移，縮短了蠕動式軟體機(jī)器人周期性運(yùn)動的過渡時間，提高了蠕動式軟體機(jī)器人的運(yùn)動效率，且可在其自身膨脹變形后改變輸出電阻，從而實(shí)現(xiàn)全柔性應(yīng)變感應(yīng)功能，有利于對蠕動式軟體機(jī)器人運(yùn)動的精準(zhǔn)控制；

24、本發(fā)明主要通過在徑向致動器中設(shè)計圓柱形空腔，使得徑向致動器的收縮更好地讓蠕動式軟體機(jī)器人本體固定。

技術(shù)特征：

1.一種用于蠕動式軟體機(jī)器人的徑向致動器，其特征在于：所述徑向致動器內(nèi)設(shè)置有氣腔（1）、微通道（2）和圓柱形空腔（3），其中，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于蠕動式軟體機(jī)器人的徑向致動器，其特征在于：設(shè)所述微通道（2）的橫截面的長軸長度為，短軸長度為，并且，其中，橫截面的長軸長度和短軸長度之比隨著所述氣腔（1）內(nèi)的壓強(qiáng)增大而增大。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于蠕動式軟體機(jī)器人的徑向致動器，其特征在于：所述微通道（2）橫截面包括圓形和橢圓形，徑向致動器在相同氣壓下，橫截面為橢圓形的微通道（2）比橫截面為圓形的微通道（2）膨脹變形量更大。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于蠕動式軟體機(jī)器人的徑向致動器，其特征在于：徑向致動器在相同氣壓下，當(dāng)微通道（2）的長軸長度與短軸長度之比在預(yù)設(shè)范圍時，若長軸長度與短軸長度之比越大，則所述微通道（2）的形變程度越高，徑向致動器側(cè)壁的膨脹變形量也越大。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于蠕動式軟體機(jī)器人的徑向致動器，其特征在于：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于蠕動式軟體機(jī)器人的徑向致動器，其特征在于：徑向致動器在相同氣壓下，設(shè)所述微通道（2）橫截面的長軸長度等于短軸長度時微通道（2）的第一靈敏度為gf1，設(shè)所述微通道（2）橫截面的長軸長度大于短軸長度微通道（2）的第二靈敏度為gf2，則第二靈敏度gf2大于第一靈敏度gf1，其中，靈敏度用于反應(yīng)微通道（2）的徑向膨脹情況，公式為：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于蠕動式軟體機(jī)器人的徑向致動器，其特征在于：徑向致動器在相同氣壓下，若徑向致動器的其他參數(shù)相同，則所述呈圓環(huán)狀的氣腔（1）的厚度越厚，徑向致動器的徑向膨脹變形量越大。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于蠕動式軟體機(jī)器人的徑向致動器，其特征在于：徑向致動器形變過程中，假設(shè)壓強(qiáng)為、氣腔的側(cè)壁所承受的張力為、氣腔的上壁與下壁分別承受的張力為、徑向致動器兩端接口固定所產(chǎn)生的約束力為、中心圓柱形空腔側(cè)壁受到約束力為，則滿足：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于蠕動式軟體機(jī)器人的徑向致動器，其特征在于：所述徑向致動器的材質(zhì)為硅膠。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種用于蠕動式軟體機(jī)器人的徑向致動器，所述徑向致動器內(nèi)設(shè)置有氣腔、微通道和圓柱形空腔，圓柱形空腔沿徑向致動器的中軸線設(shè)置，氣腔呈圓環(huán)狀且沿徑向致動器內(nèi)壁設(shè)置且與徑向致動器保持第一預(yù)設(shè)距離，微通道設(shè)置于氣腔與徑向致動器內(nèi)壁之間，氣腔包圍圓柱形空腔且氣腔內(nèi)壁與圓柱形空腔外壁保持第二預(yù)設(shè)距離，氣腔內(nèi)部氣壓可增大或減?。晃⑼ǖ纼?nèi)置有液態(tài)金屬，當(dāng)增大氣腔中的氣壓發(fā)生改變時，徑向致動器發(fā)生形變導(dǎo)致微通道產(chǎn)生形變，進(jìn)而變導(dǎo)致液態(tài)金屬的電阻發(fā)生變化，根據(jù)液態(tài)金屬的電阻變化判斷徑向致動器的膨脹變形情況。本發(fā)明提高了徑向致動器的膨脹變形性能，使其能更快地固定位移，提高了蠕動式軟體機(jī)器人的運(yùn)動效率。

技術(shù)研發(fā)人員：朱其新,江雨霏,金建鋒,劉紅俐,牛福洲,張德義
受保護(hù)的技術(shù)使用者：蘇州科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9