本發(fā)明涉及軟體智能器件，尤其涉及一種變壓雙向彎曲模塊、s型彎曲前行模塊及軟體機(jī)器人。

背景技術(shù)：

隨著仿生學(xué)、機(jī)器人學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)、新型材料科學(xué)、自動(dòng)控制理論等學(xué)科的不斷進(jìn)步，以及海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和軍事需求的增加，科研工作者把目光投向了長(zhǎng)期生活在水下的各種生物運(yùn)動(dòng)機(jī)理的研究上。與此同時(shí)，經(jīng)過(guò)幾億年的進(jìn)化以后，魚類具備了非常出色的水下游動(dòng)能力，不僅可以長(zhǎng)時(shí)間巡游保持低能耗、高效率，而且表現(xiàn)出良好的機(jī)動(dòng)性。

目前廣泛應(yīng)用的水下航行器基本都是采用螺旋槳推進(jìn)，由于在螺旋槳尾部的水流分離、漩渦多、氣泡大等原因造成明顯的能量損失，其推進(jìn)效率只能達(dá)到40％；而魚類推進(jìn)效率可以達(dá)到80％以上。

隨著近年來(lái)仿生生物學(xué)的應(yīng)用，魚類水下游動(dòng)的高機(jī)動(dòng)性，高效率，以及對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)在水下航行器備受推崇，且在民用、軍事領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

現(xiàn)有的軟體仿生水下機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)部件只能實(shí)現(xiàn)水下軟體機(jī)器人軀體單單順時(shí)針或逆時(shí)針彎曲，然后恢復(fù)初始狀態(tài)，無(wú)法使軟體機(jī)器人軀體既能順時(shí)針彎曲又能逆時(shí)針彎曲。

目前還沒(méi)有模塊化的軟材料部件實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人軀體s型彎曲前行。而許多水下生物在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其軀體都是通過(guò)周期性的s型彎曲產(chǎn)生實(shí)際的位移，單靠單一彎曲方向扭轉(zhuǎn)很難高相似度地還原水下特定生物的運(yùn)動(dòng)，而一體化構(gòu)造s型彎曲驅(qū)動(dòng)部件又需要大量地時(shí)間成本，設(shè)計(jì)的復(fù)雜度較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種變壓雙向彎曲模塊，通過(guò)改變?cè)撃K內(nèi)部的壓力可以實(shí)現(xiàn)該模塊的雙向彎曲。

一種變壓雙向彎曲模塊，包括兩個(gè)變壓腔，所述變壓腔由柔性平面和柔性波紋面連接圍成，兩個(gè)所述變壓腔的柔性平面相互貼合；

所述變壓腔的一端設(shè)有流體入口，另一端設(shè)有流體出口。

根據(jù)材料力學(xué)的相關(guān)原理，物體受外力作用產(chǎn)生的應(yīng)力相同的情況下，物體的剛度越大，則物體沿外力方向產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)叫?；同一種材料制成的平面和波紋面，在受到相同大小的外力作用時(shí)，波紋面會(huì)比平面產(chǎn)生更大的形變，因此通過(guò)向變壓腔內(nèi)充入氣體或液體，調(diào)節(jié)兩變壓腔的壓差，可實(shí)現(xiàn)該模塊的雙向彎曲。

本發(fā)明的變壓雙向彎曲模塊可以為一體成型，也可以將分別成型的兩個(gè)變壓腔組合而成。

作為優(yōu)選，所述柔性波紋面的波峰與波谷形狀相同，相鄰波峰或相鄰波谷的間距相等。

波峰與波谷形狀相同，相鄰波峰或相鄰波谷的間距相等，在該模塊彎曲變形時(shí)形狀比較規(guī)則。

柔性波紋面的縱截面上，該柔性波紋面的波峰與波谷可以為圓弧形，波峰與波谷之間通過(guò)一直線段相切過(guò)渡；該柔性波紋面的縱截面可以為正弦波、半圓波、三角波或矩形波等。

作為優(yōu)選，所述柔性波紋面的縱截面為三角波。

進(jìn)一步優(yōu)選的，相鄰波峰或相鄰波谷的夾角為30°～60°。

該形狀的柔性波紋面在變壓腔內(nèi)相同壓力差的條件下，變壓雙向彎曲模塊剛度越小，則變壓雙向彎曲模塊越容易彎曲變形。

進(jìn)一步優(yōu)選的，波峰最高點(diǎn)與波谷最低點(diǎn)的高度差為20～25mm。

在變壓腔內(nèi)相同壓力差的條件下，波峰最高點(diǎn)與波谷最低點(diǎn)的高度差越大，則變壓雙向彎曲模塊剛度越小，越容易彎曲變形；反之，則變壓雙向彎曲模塊剛度越大，越不容易彎曲變形。

柔性波紋面的橫截面為弧形、三角形或矩形等。

作為優(yōu)選，所述柔性平面和柔性波紋面采用硅膠制成。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述柔性平面和柔性波紋面的厚度為1～5mm。

硅膠結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高，在以該厚度的硅膠為柔性平面和柔性波紋面時(shí)，變壓雙向彎曲模塊可承受較大的內(nèi)部壓強(qiáng)，使其能夠充分彎曲變形。

本發(fā)明還提供了一種s型彎曲前行模塊，至少包括兩個(gè)如上所述的變壓雙向彎曲模塊，相鄰兩變壓雙向彎曲模塊的異側(cè)的變壓腔相互連通。

相鄰兩變壓雙向彎曲模塊的異側(cè)的變壓腔相互連通是指：在前變壓雙向彎曲模塊左側(cè)變壓腔的流體出口通過(guò)連通管與在后變壓雙向彎曲模塊右側(cè)變壓腔的流體入口連通，在前變壓雙向彎曲模塊右側(cè)變壓腔的流體出口通過(guò)連通管與在后變壓雙向彎曲模塊左側(cè)變壓腔的流體入口連通。

當(dāng)兩側(cè)變壓腔內(nèi)形成一定壓差時(shí)，相鄰的兩個(gè)變壓雙向彎曲模塊則向相反的兩個(gè)方向彎曲變形，呈s形；當(dāng)改變兩側(cè)變壓腔內(nèi)壓差方向時(shí)，相鄰的兩個(gè)變壓雙向彎曲模塊則會(huì)呈反s形；當(dāng)按照一定頻率改變兩側(cè)變壓腔內(nèi)壓差方向時(shí)，相鄰的兩個(gè)變壓雙向彎曲模塊則會(huì)按照相同的頻率呈周期性的s型彎曲擺動(dòng)。

該s型彎曲前行模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用于軟體機(jī)器人，模仿生物進(jìn)行周期性的s型彎曲擺動(dòng)，以產(chǎn)生實(shí)際位移。

本發(fā)明還提供了一種水中軟體機(jī)器人，

包括軀干，所述軀干的頭部安裝有驅(qū)動(dòng)頭，所述軀干的尾部安裝有輔助擺尾；

所述軀干至少包括兩個(gè)如上所述的變壓雙向彎曲模塊，相鄰兩變壓雙向彎曲模塊的異側(cè)的變壓腔相互連通；軀干尾部的變壓雙向彎曲模塊的流體出口密封；

所述驅(qū)動(dòng)頭包括：

密封罩；

兩個(gè)水泵，安裝在密封罩內(nèi)，水泵的出水口與軀干頭部的變壓雙向彎曲模塊的流體入口連通；

三向電磁閥，安裝在水泵的出水口與流體入口之間的通路上；

控制模塊，安裝在密封罩內(nèi)，用于控制水泵與三向電磁閥。

通過(guò)兩個(gè)水泵向兩側(cè)變壓腔內(nèi)充水，通過(guò)周期性的充水或放水來(lái)調(diào)節(jié)兩側(cè)變壓腔的壓差，使相鄰的兩個(gè)變壓雙向彎曲模塊呈周期性的s型彎曲擺動(dòng)，從而獲得流體周期性的驅(qū)動(dòng)力，在輔助擺尾的輔助下，實(shí)現(xiàn)水中軟體機(jī)器人在水中的運(yùn)動(dòng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明的變壓雙向彎曲模塊可以實(shí)現(xiàn)雙向彎曲變形，通過(guò)將變壓雙向彎曲模塊依次連接可實(shí)現(xiàn)周期性的s行彎曲擺動(dòng)，本發(fā)明的水中軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可高相似度地模仿水下生物的運(yùn)動(dòng)方式。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1中單個(gè)彎曲部件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實(shí)施例1中單個(gè)彎曲部件的縱截面的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為實(shí)施例1中單個(gè)彎曲部件的橫截面的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為實(shí)施例2中s型彎曲前行模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為實(shí)施例3中水中軟體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述，需要指出的是，以下所述實(shí)施例旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。

實(shí)施例1

本實(shí)施例的變壓雙向彎曲模塊，包括兩個(gè)變壓腔，如圖1所示，變壓腔由柔性平面1和柔性波紋面2連接圍成，兩個(gè)變壓腔的柔性平面1相互貼合；變壓腔的一端設(shè)有流體入口3，另一端設(shè)有流體出口。

本實(shí)施例的變壓雙向彎曲模塊不是一體成型的，包括兩個(gè)分別成型的變壓腔，再將兩個(gè)變壓腔通過(guò)粘合劑粘合在一起，組合成變壓雙向彎曲模塊。

其他實(shí)施例的變壓雙向彎曲模塊也可以一體成型。

單個(gè)變壓腔的基本尺寸為100mm×35mm×45mm。

如圖2所示，本實(shí)施的柔性波紋面的縱截面為三角波，波峰與波谷形狀相同，波峰或波谷的夾角為30°，波峰最高點(diǎn)與波谷最低點(diǎn)的高度差為20mm。

如圖3所示，柔性波紋面2的橫截面為矩形。

柔性平面1和柔性波紋面2采用硅膠制成，厚度為2mm。

變壓雙向彎曲模塊的工作原理：

根據(jù)材料力學(xué)的相關(guān)原理，物體受外力作用產(chǎn)生的應(yīng)力相同的情況下，物體的剛度越大，則物體沿外力方向產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)叫?；同一種材料制成的平面和波紋面，在受到相同大小的外力作用時(shí)，波紋面會(huì)比平面產(chǎn)生更大的形變。

將變壓雙向彎曲模塊的兩個(gè)變壓腔的流體出口堵塞密封，從流體入口向變壓腔內(nèi)充入氣體或液體，通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)變壓腔內(nèi)的壓強(qiáng)，使兩者之間形成一定的壓差，可使變壓雙向彎曲模塊彎曲變形，若周期性調(diào)節(jié)兩側(cè)的壓差方向，可實(shí)現(xiàn)該模塊的周期性雙向彎曲變形。

實(shí)施例2

如圖4所示，本實(shí)施例的s型彎曲前行模塊，包括兩個(gè)如實(shí)施例1所述的變壓雙向彎曲模塊，相鄰兩變壓雙向彎曲模塊的異側(cè)的變壓腔相互連通。

相鄰兩變壓雙向彎曲模塊的異側(cè)的變壓腔相互連通是指：在前變壓雙向彎曲模塊左側(cè)變壓腔的流體出口通過(guò)連通管5與在后變壓雙向彎曲模塊右側(cè)變壓腔的流體入口連通，在前變壓雙向彎曲模塊右側(cè)變壓腔的流體出口通過(guò)連通管與在后變壓雙向彎曲模塊左側(cè)變壓腔的流體入口連通。

將在后變壓雙向彎曲模塊的兩個(gè)變壓腔的流體出口堵塞密封，從在前變壓雙向彎曲模塊的流體入口向變壓腔內(nèi)充入氣體或液體，通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)變壓腔內(nèi)的壓強(qiáng)，使兩者之間形成一定的壓差，前后的兩個(gè)變壓雙向彎曲模塊則向相反的兩個(gè)方向彎曲變形，呈s形；當(dāng)改變兩側(cè)變壓腔內(nèi)壓差方向時(shí)，前后的兩個(gè)變壓雙向彎曲模塊則會(huì)呈反s形；當(dāng)按照一定頻率改變兩側(cè)變壓腔內(nèi)壓差方向時(shí)，前后的兩個(gè)變壓雙向彎曲模塊則會(huì)按照相同的頻率呈周期性的s型彎曲擺動(dòng)。

實(shí)施例3

如圖5所示，本實(shí)施例的水中軟體機(jī)器人，包括軀干，軀干的頭部安裝有驅(qū)動(dòng)頭7，軀干的尾部安裝有輔助擺尾8；

軀干至少包括兩個(gè)如實(shí)施例1所述的變壓雙向彎曲模塊6，相鄰兩變壓雙向彎曲模塊的異側(cè)的變壓腔相互連通；軀干尾部的變壓雙向彎曲模塊6的流體出口采用密封塞密封；

驅(qū)動(dòng)頭包括：密封罩71以及安裝在密封罩內(nèi)的兩個(gè)水泵72、三向電磁閥73、控制模塊74；水泵72的出水口與軀干頭部的變壓雙向彎曲模塊6的流體入口連通；三向電磁閥73安裝在水泵的出水口與流體入口之間的通路上，用于控制變壓腔的進(jìn)水和排水；控制模塊74用于控制水泵72和三向電磁閥73；控制模塊74包括控制電路和電源。

通過(guò)兩個(gè)水泵72向兩側(cè)變壓腔內(nèi)充水，通過(guò)周期性的充水或放水來(lái)調(diào)節(jié)兩側(cè)變壓腔的壓差，使相鄰的兩個(gè)變壓雙向彎曲模塊呈周期性的s型彎曲擺動(dòng)，從而獲得流體周期性的驅(qū)動(dòng)力，在輔助擺尾8的輔助下，實(shí)現(xiàn)水中軟體機(jī)器人在水中的運(yùn)動(dòng)。

本實(shí)施例中單個(gè)變壓腔的基本尺寸為100mm×35mm×45mm。

本實(shí)施的柔性波紋面的縱截面為三角波，波峰與波谷形狀相同，波峰或波谷的夾角為30。，波峰最高點(diǎn)與波谷最低點(diǎn)的高度差為20mm。

柔性平面和柔性波紋面采用硅膠制成，厚度為2mm。

流體入口和流體出口為帶有內(nèi)螺紋的圓孔4，圓孔4直徑為6mm。相鄰兩變壓雙向彎曲模塊的變壓腔通過(guò)連通管5連通，連通管5為硅膠管，硅膠管的外徑為6mm，內(nèi)徑為4mm，硅膠管的兩端帶有外螺紋，與圓孔4螺紋配合。尾部的變壓雙向彎曲模塊的變壓流體出口使用密封塞密封，密封塞為一端帶有外螺紋的硅膠塞，外徑為6mm，與圓孔螺紋配合。

輔助擺尾8為扇形，通過(guò)粘合劑粘接與尾部的變壓雙向彎曲模塊上，用于控制軟體機(jī)器人的平衡和運(yùn)動(dòng)方向。輔助擺尾8的材質(zhì)為硅膠，厚度為2mm。

兩個(gè)水泵72的規(guī)格相同，工作功率為60w。

本實(shí)施例的水中軟體機(jī)器人的工作過(guò)程：

初始時(shí)刻，兩個(gè)水泵一起往變壓腔內(nèi)泵水，直至腔體內(nèi)部水壓達(dá)到0.2個(gè)大氣壓，然后關(guān)閉一側(cè)水泵，同時(shí)關(guān)閉該側(cè)閥門，另一側(cè)水泵繼續(xù)打開，直至腔體內(nèi)部壓強(qiáng)達(dá)到0.5個(gè)大氣壓；由于兩側(cè)變壓腔內(nèi)的壓強(qiáng)形成0.3個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)差，整個(gè)水中軟體機(jī)器人呈s形彎曲變形；

然后高壓一側(cè)變壓腔關(guān)閉水泵并打開放水閥門；同時(shí)低壓一側(cè)變壓腔打開水泵并打開管道閥門，直至原高壓一側(cè)變壓腔內(nèi)部水壓降低到到0.2個(gè)大氣壓，原低壓一側(cè)變壓腔內(nèi)部水壓升高到0.5個(gè)大氣壓；此時(shí)，兩側(cè)變壓腔內(nèi)的壓強(qiáng)差方向改變，整個(gè)水中軟體機(jī)器人呈反s形彎曲變形；

以此循環(huán)，頻率為2～3hz，整個(gè)水中軟體機(jī)器人的軀干呈周期性的s性彎曲擺動(dòng)。此實(shí)施例中的水中軟體機(jī)器人可以在水下達(dá)到的運(yùn)動(dòng)速度為3cm～4cm/s。

以上所述的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補(bǔ)充和等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。