一种基于柔性驱动组件的滚动机器人的制作方法

本实用新型涉及一种机器人。特别是涉及一种基于柔性驱动组件的滚动机器人。

背景技术：

滚动作为一种机器人移动方式，与传统的轮式、爬行式、履带式等移动方式相比，在某些地形(如平缓地面)具有更高的运动效率，不存在翻倒等问题，环境应对能力较强。

目前已有国内外许多研究研究机构设计了滚动机器人，如北京航空航天大学、东南大学、北京邮电大学等，这些机器人主要采用“电机+减速器”的驱动方式，传动机构较为复杂，功率消耗较大。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种由柔性材料直接驱动，无传动机构的基于柔性驱动组件的滚动机器人。

本实用新型所采用的技术方案是：一种基于柔性驱动组件的滚动机器人，包括中空圆桶形的机器人框架，所述机器人框架的桶壁上开有m×n个安装孔，其中，m为在机器人框架上沿圆周方向形成的安装孔的列数，n为每列沿轴向上形成的安装孔的个数，每个所述的安装孔上都嵌入有一个能够向内部充入气体并在静电场作用下能够膨胀的柔性驱动组件，每个柔性驱动组件的充气接口均位于所述机器人框架的中心通孔处，并共同通过一个充气管连接外部气泵，每列中的n个柔性驱动组件通过一个电源开关连接外部电源。

所述机器人框架的中心通孔处形成有用于支撑插入到内侧的柔性驱动组件的支撑架，所述的支撑架上沿轴上对应每列柔性驱动组件形成有一条用于设置该列电源线的电源线嵌入槽。

所述的m为≥4的自然数，所述的n为≥1的自然数。

所述的柔性驱动组件包括有外框，所述的充气接口设置在所述外框的底部，所述外框的上端为开口结构，并通过固定设置在上端口上的柔性密封结构进行密封，从而使外框内形成用于充入压缩气体的气腔，所述的柔性密封结构是由与所述外框的开口端为密封连接的由柔性智能材料构成的柔性智能端盖和设置在所述柔性智能端盖外侧的对柔性智能端盖起保护作用的软材料保护层构成，其中，所述柔性智能端盖的上下表面上还分别涂敷有一层用于产生静电场的正、负柔性电极，所述正、负柔性电极通过导线连接对应的电源开关。

所述的外框的上端口形成有水平向外凸出的用于搭在机器人框架的安装孔周边上的边沿。

本实用新型的一种基于柔性驱动组件的滚动机器人，采用柔性智能材料直接驱动，无传动机构，结构简单，质量轻，能量效率高，软材料驱动对地面的适应性好。本实用新型还可以推广为球形机器人，实现两自由度滚动。

附图说明

图1是本实用新型一种基于柔性驱动组件的滚动机器人的整体结构示意图；

图2是本实用新型中柔性驱动组件的外部结构示意图；

图3是本实用新型中柔性驱动组件未通电时的内部结构示意图；

图4是本实用新型中柔性驱动组件通电时的内部结构示意图；

图5是本实用新型中柔性驱动组件未通电时滚动机器人处于未滚动状态的示意图；

图6是本实用新型中柔性驱动组件未通电时滚动机器人处于滚动状态的示意图。

图中

1：机器人框架2：柔性驱动组件

2-1：外框2-2：柔性智能端盖

2-3：正、负柔性电极2-4：软材料保护层

2-5：充气接口2-6：边沿

2-7：压缩空气3：充气管

4：电源线嵌入槽5：电源开关

6：中心通孔7：支撑架

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型的一种基于柔性驱动组件的滚动机器人做出详细说明。

如图1所示，本实用新型的一种基于柔性驱动组件的滚动机器人，包括中空圆桶形的机器人框架1，所述机器人框架1的桶壁上开有m×n个安装孔，其中，m为在机器人框架1上沿圆周方向形成的安装孔的列数，n为每列沿轴向上形成的安装孔的个数，所述的m为≥4的自然数，所述的n为≥1的自然数。所述机器人框架1材质为塑料，可以采用3d打印制造。

每个所述的安装孔上都嵌入有一个能够向内部充入气体并在静电场作用下能够膨胀的柔性驱动组件2，每个柔性驱动组件2的充气接口2-5均位于所述机器人框架1的中心通孔6处，并共同通过一个充气管3连接外部气泵，从而使所有柔性驱动组件2通过充气管3相互连通，每列中的n个柔性驱动组件2通过一个电源开关5连接外部电源。

所述机器人框架1的中心通孔6处形成有用于支撑插入到内侧的柔性驱动组件2的支撑架7，所述的支撑架7上沿轴上对应每列柔性驱动组件2形成有一条用于设置该列电源线的电源线嵌入槽4。

如图2、图3、图4所示，所述的柔性驱动组件2包括有外框2-1，所述的充气接口2-5设置在所述外框2-1的底部，所述外框2-1的上端为开口结构，所述的外框2-1的上端口形成有水平向外凸出的用于搭在机器人框架1的安装孔周边上的边沿2-6。所述的外框2-1的上端口是通过固定设置在上端口上的柔性密封结构进行密封，从而使外框2-1内形成用于充入压缩气体的气腔，所述的柔性密封结构是由与所述外框2-1的开口端为密封连接的由柔性智能材料构成的柔性智能端盖2-2和设置在所述柔性智能端盖2-2外侧的对柔性智能端盖2-2起保护作用的软材料保护层2-4构成，其中，所述柔性智能端盖2-2的上下表面上还分别涂敷有一层用于产生静电场的正、负柔性电极2-3，所述正、负柔性电极2-3通过导线连接对应的电源开关。

所述柔性智能材料是一种在静电场作用下会产生厚度方向变形的介电软材料，可以是介电型丙烯酸薄膜或硅胶薄膜，如高介电常数硅橡胶薄膜，型号：lq-3946，生产厂家：深圳市利群榕兴科技有限公司。

本实用新型的一种基于柔性驱动组件的滚动机器人，使用时，所有柔性驱动组件2内通过气管3充入一定压力的压缩空气2-7后将气管3密封，使得柔性驱动组件2中的柔性智能端盖2-2与机器人框架1的表面形状适应，为圆弧形。

如图3、图4所示，当给柔性智能端盖2-2两面的正、负柔性电极2-3施加电压时，柔性智能端盖2-2在电场压力作用下，面内应力变小，在压缩空气2-7的作用下凸出，产生位移。同时，由于所有柔性驱动组件2的气腔相通，未通电的柔性驱动组件2气腔中的压缩空气2-7会向通电的柔性驱动组件2的气腔流动，因此压缩空气2-7的压力基本保持不变，有利于提高柔性智能端盖2-2凸出的位移量。

如图5、图6所示，当需要逆时针方向转动时，给第1列柔性驱动组件通电，柔性智能端盖2-2凸出时推动机器人转动，当第m组柔性驱动组件与地面的接触点过其中点后，给第m组柔性驱动组件通电，然后依次是第m-1组、第m-2组、…、第1组，由此实现机器人的逆时针滚动。

技术特征：

1.一种基于柔性驱动组件的滚动机器人，包括中空圆桶形的机器人框架(1)，其特征在于，所述机器人框架(1)的桶壁上开有m×n个安装孔，其中，m为在机器人框架(1)上沿圆周方向形成的安装孔的列数，n为每列沿轴向上形成的安装孔的个数，每个所述的安装孔上都嵌入有一个能够向内部充入气体并在静电场作用下能够膨胀的柔性驱动组件(2)，每个柔性驱动组件(2)的充气接口(2-5)均位于所述机器人框架(1)的中心通孔(6)处，并共同通过一个充气管(3)连接外部气泵，每列中的n个柔性驱动组件(2)通过一个电源开关(5)连接外部电源。

2.根据权利要求1所述的一种基于柔性驱动组件的滚动机器人，其特征在于，所述机器人框架(1)的中心通孔(6)处形成有用于支撑插入到内侧的柔性驱动组件(2)的支撑架(7)，所述的支撑架(7)上沿轴上对应每列柔性驱动组件(2)形成有一条用于设置该列电源线的电源线嵌入槽(4)。

3.根据权利要求1所述的一种基于柔性驱动组件的滚动机器人，其特征在于，所述的m为≥4的自然数，所述的n为≥1的自然数。

4.根据权利要求1所述的一种基于柔性驱动组件的滚动机器人，其特征在于，所述的柔性驱动组件(2)包括有外框(2-1)，所述的充气接口(2-5)设置在所述外框(2-1)的底部，所述外框(2-1)的上端为开口结构，并通过固定设置在上端口上的柔性密封结构进行密封，从而使外框(2-1)内形成用于充入压缩气体的气腔，所述的柔性密封结构是由与所述外框(2-1)的开口端为密封连接的由柔性智能材料构成的柔性智能端盖(2-2)和设置在所述柔性智能端盖(2-2)外侧的对柔性智能端盖(2-2)起保护作用的软材料保护层(2-4)构成，其中，所述柔性智能端盖(2-2)的上下表面上还分别涂敷有一层用于产生静电场的正、负柔性电极(2-3)，所述正、负柔性电极(2-3)通过导线连接对应的电源开关。

5.根据权利要求4所述的一种基于柔性驱动组件的滚动机器人，其特征在于，所述的外框(2-1)的上端口形成有水平向外凸出的用于搭在机器人框架(1)的安装孔周边上的边沿(2-6)。

技术总结
一种基于柔性驱动组件的滚动机器人，包括中空圆桶形的机器人框架，所述机器人框架的桶壁上开有M×N个安装孔，其中，M为在机器人框架上沿圆周方向形成的安装孔的列数，N为每列沿轴向上形成的安装孔的个数，每个所述的安装孔上都嵌入有一个能够向内部充入气体并在静电场作用下能够膨胀的柔性驱动组件，每个柔性驱动组件的充气接口均位于所述机器人框架的中心通孔处，并共同通过一个充气管连接外部气泵，每列中的N个柔性驱动组件通过一个电源开关连接外部电源。本实用新型采用柔性智能材料直接驱动，无传动机构，结构简单，质量轻，能量效率高，软材料驱动对地面的适应性好。本实用新型还可以推广为球形机器人，实现两自由度滚动。

技术研发人员：徐前程;张茜
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2019.12.23
技术公布日：2020.09.08