一种水陆两栖软体机器人

摘要

本发明涉及机器人设备领域，目的是提供一种水陆两栖软体机器人，运动模式多，可以实现陆地行走、陆地和水面双向过渡、水面行走、水面和水底双向过渡，操作灵活、应用范围广。所述水陆两栖软体机器人包括弯折的柔性驱动关节(1)以及设置于所述柔性驱动关节(1)两端的足部(2)，所述柔性驱动关节(1)通电后产生形变、改变其弯折角度，所述足部(2)具有可打开/封闭的蓄水腔(3)，所述蓄水腔(3)内设置有排水装置。

权利要求

1.一种水陆两栖软体机器人，其特征在于：包括弯折的柔性驱动关节（1）以及设置于所述柔性驱动关节（1）两端的足部（2），所述柔性驱动关节（1）通电后产生形变、改变其弯折角度，所述足部（2）具有可打开/封闭的蓄水腔（3），所述蓄水腔（3）内设置有排水装置；

所述排水装置采用电解排水装置；

所述蓄水腔（3）包括密封分隔的第一腔室（301）、第二腔室（302）和出气腔（303），所述第一腔室（301）通过可封闭的第一排出口（304）连通所述出气腔（303），所述第二腔室（302）通过可封闭的第二排出口（305）连通所述出气腔（303），所述出气腔（303）具有可封闭的出气口（306）；所述电解排水装置包括导线（4），所述导线（4）的两极分别置于所述第一腔室（301）和所述第二腔室（302）内；

所述蓄水腔（3）具有可封闭的进水口（307），所述第一腔室（301）和所述第二腔室（302）均通过所述进水口（307）与外界连通；所述进水口（307）、所述第一排出口（304）、所述第二排出口（305）和所述出气口（306）处均设置有电磁阀；

所述足部（2）包括前足（201）和后足（202），所述前足（201）的所述蓄水腔（3）底部设置有前足弧形板（501），所述后足（202）的所述蓄水腔（3）底部设置有后足弧形板（502），所述前足弧形板（501）和所述后足弧形板（502）底面的摩擦系数不同，形成阻力差；

前足弧形板中间部分（5011）的摩擦系数小于后足弧形板中间部分（5021）的摩擦系数，前足弧形板靠后位置（5012）的摩擦系数大于后足弧形板靠前位置（5022）的摩擦系数。

2.根据权利要求1所述的水陆两栖软体机器人，其特征在于：所述出气口（306）处镀金属膜，并且所述出气口（306）能通电。

3.根据权利要求1所述的水陆两栖软体机器人，其特征在于：所述蓄水腔（3）的底部与所述前足弧形板（501）/所述后足弧形板（502）之间通过两根支撑柱（6）连接，所述蓄水腔（3）的底部还设置有两个挡板（7），所述挡板（7）的一端与所述蓄水腔（3）的底部固定连接，另一端可相对于所述蓄水腔（3）底部摆动，其中一个所述挡板（7）设置于两根所述支撑柱（6）之间，另一个所述挡板（7）设置于位于后方的所述支撑柱（6）的外侧，所述挡板（7）朝前进方向的摆动被所述支撑柱（6）限制。

4.根据权利要求3所述的水陆两栖软体机器人，其特征在于：所述蓄水腔（3）的顶部通过连接板（8）与所述柔性驱动关节（1）连接，所述连接板（8）的一端与所述蓄水腔（3）的顶部固定连接，另一端可相对于所述蓄水腔（3）顶部摆动。

5.根据权利要求4所述的水陆两栖软体机器人，其特征在于：所述蓄水腔（3）顶部具有安装所述连接板（8）的连接件（9），所述连接件（9）成型有圆孔（901），在所述圆孔（901）上方、所述连接件（9）的上表面具有斜槽（902），所述连接板（8）与所述连接件（9）装配的位置具有插杆（801），在所述插杆（801）的上方、所述连接板（8）成型有凹槽（802），所述插杆（801）插入所述圆孔（901）并与所述圆孔（901）间隙配合，所述凹槽（802）插入所述圆孔（901）与所述斜槽（902）的连接处。

说明书

一种水陆两栖软体机器人

技术领域

[0001] 本发明涉及机器人设备领域，特别是涉及一种水陆两栖软体机器人。

背景技术

[0002] 水陆两栖机器人是一种能够在水中和陆地上运行作业的自动化设备。现有的水陆两栖机器人多为刚性机器人，这种刚性机器人的身体柔度差，环境适应能力差，很多地方无
法到达，影响其应用范畴和使用效果。

[0003] 为此，现有技术出现了一种软体机器人，如中国专利文献CN110919631A中公开了一种基于介电弹性体最小能量结构的刚柔软复合机器人，包括弓形可弯折的支撑元件，所
述支撑元件的下方设置有两边施加电压后可变形的驱动元件，所述驱动元件连接有控制电
路，驱动元件的两端分别从支撑元件的前侧面和后侧面伸出后通过销固定，支撑元件的前
侧面设置有前轴连杆，所述前轴连杆连接有前执行元件，支撑元件的后侧面设置有后轴连
杆，所述后轴连杆连接有后执行元件。虽然与刚性机器人相比，上述机器人的柔性较好、环
境适应性较强，但是运动模式比较单一，只能放置于陆地上或水底行走，而不能自主实现陆
地和水面的双向过渡、水面和水底的双向过渡以及水面行走，需要较多人为干预，应用局限
性很大。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题在于现有技术的软体机器人运动模式单一，而提供一种运动模式多，可以实现陆地行走、陆地和水面双向过渡、水面行走、水面和水底双向过渡
的水陆两栖软体机器人。

[0005] 本发明的水陆两栖软体机器人

[0006] 一种水陆两栖软体机器人，包括弯折的柔性驱动关节以及设置于所述柔性驱动关节两端的足部，所述柔性驱动关节通电后产生形变、改变其弯折角度，所述足部具有可打
开/封闭的蓄水腔，所述蓄水腔内设置有排水装置。

[0007] 优选地，所述排水装置采用电解排水装置。

[0008] 优选地，所述蓄水腔包括密封分隔的第一腔室、第二腔室和出气腔，所述第一腔室通过可封闭的第一排出口连通所述出气腔，所述第二腔室通过可封闭的第二排出口连通所
述出气腔，所述出气腔具有可封闭的出气口；所述电解排水装置包括导线，所述导线的两极
分别置于所述第一腔室和所述第二腔室内。

[0009] 优选地，所述出气口处镀金属膜，并且所述出气口能通电。

[0010] 优选地，所述蓄水腔具有可封闭的进水口，所述第一腔室和所述第二腔室均通过所述进水口与外界连通；所述进水口、所述第一排出口、所述第二排出口和所述出气口处均
设置有电磁阀。

[0011] 优选地，所述足部包括前足和后足，所述前足的所述蓄水腔底部设置有前足弧形板，所述后足的所述蓄水腔底部设置有后足弧形板，所述前足弧形板和所述后足弧形板底
面的摩擦系数不同，形成阻力差。

[0012] 优选地，前足弧形板中间部分的摩擦系数小于后足弧形板中间部分的摩擦系数，前足弧形板靠后位置的摩擦系数大于后足弧形板靠前位置的摩擦系数。

[0013] 优选地，所述蓄水腔的底部与所述前足弧形板/所述后足弧形板之间通过两根支撑柱连接，所述蓄水腔的底部还设置有两个挡板，所述挡板的一端与所述蓄水腔的底部固
定连接，另一端可相对于所述蓄水腔底部摆动，其中一个所述挡板设置于两根所述支撑柱
之间，另一个所述挡板设置于位于后方的所述支撑柱的外侧，所述挡板朝前进方向的摆动
被所述支撑柱限制。

[0014] 优选地，所述蓄水腔的顶部通过连接板与所述柔性驱动关节连接，所述连接板的一端与所述蓄水腔的顶部固定连接，另一端可相对于所述蓄水腔顶部摆动。

[0015] 优选地，所述蓄水腔顶部具有安装所述连接板的连接件，所述连接件成型有圆孔，在所述圆孔上方、所述连接件的上表面具有斜槽，所述连接板与所述连接件装配的位置具
有插杆，在所述插杆的上方、所述连接板成型有凹槽，所述插杆插入所述圆孔并与所述圆孔
间隙配合，所述凹槽插入所述圆孔与所述斜槽的连接处。

[0016] 本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

[0017] 本发明的水陆两栖软体机器人，采用介电弹性体作为柔性驱动关节，在其足部设置有蓄水腔，可根据使用需求进行蓄水或排水，从而实现陆地行走、陆地和水面的双向过
渡、水面行走、水面和水底的双向过渡，本发明的水陆两栖软体机器人能在水陆两栖运行，
实施勘探作业，灵活性好，柔性好，应用领域广泛。

[0018] 下面结合附图对本发明的水陆两栖软体机器人作进一步说明。

附图说明

[0019] 图1为本发明水陆两栖软体机器人的立体示意图；

[0020] 图2为本发明水陆两栖软体机器人的正视图；

[0021] 图3为本发明水陆两栖软体机器人中足部蓄水腔的示意图一；

[0022] 图4为本发明水陆两栖软体机器人中足部蓄水腔的示意图二；

[0023] 图5为本发明水陆两栖软体机器人中足部蓄水腔的示意图三；

[0024] 图6为本发明水陆两栖软体机器人中足部的立体示意图；

[0025] 图7为图6中A部分的放大图；

[0026] 图8为本发明水陆两栖软体机器人中连接板的示意图；

[0027] 图9为本发明水陆两栖软体机器人中前足弧形板和后足弧形板底面摩擦系数示意图；

[0028] 图10为本发明水陆两栖软体机器人中柔性驱动关节的结构示意图；

[0029] 图11为本发明水陆两栖软体机器人中柔性驱动关节通电变化示意图；

[0030] 图12为本发明水陆两栖软体机器人陆地行走姿态图(静止、通电、电压最大)；

[0031] 图13为本发明水陆两栖软体机器人水面行走姿态图(静止、通电、电压最大)；

[0032] 图14为多个水陆两栖软体机器人组合在一起的示意图。

[0033] 图中附图标记表示为：

[0034] 1‑柔性驱动关节，101‑Pet膜层，102‑导电碳膏层，103‑介电弹性材料层；

[0035] 2‑足部，201‑前足，202‑后足；

[0036] 3‑蓄水腔，301‑第一腔室，302‑第二腔室，303‑出气腔，304‑第一排出口，305‑第二排出口，306‑出气口，307‑进水口；

[0037] 4‑导线；

[0038] 501‑前足弧形板，5011‑前足弧形板中间部分，5012‑前足弧形板靠后位置，502‑后足弧形板，5021‑后足弧形板中间部分，5022‑后足弧形板靠前位置；

[0039] 6‑支撑柱；

[0040] 7‑挡板；

[0041] 8‑连接板，801‑插杆，802‑凹槽；

[0042] 9‑连接件，901‑圆孔，902‑斜槽。

具体实施方式

[0043] 如图1、2所示，是本发明水陆两栖软体机器人的优选实施例。

[0044] 本发明的水陆两栖软体机器人包括弯折的柔性驱动关节1以及设置于柔性驱动关节1两端的足部2。柔性驱动关节1弯折后锐角朝向足部2的一侧，通电后柔性驱动关节产生
形变、改变其弯折角度，从而带动足部运动，使机器人向前移动，图2中箭头所示为前进方
向。足部2具有可打开/封闭的蓄水腔3，蓄水腔3内设置有排水装置。

[0045] 如图3‑5所示，蓄水腔3包括密封分隔的第一腔室301、第二腔室302和出气腔303，第一腔室301通过可封闭的第一排出口304连通出气腔303，第二腔室302通过可封闭的第二
排出口305连通出气腔303，出气腔303具有可封闭的出气口306。蓄水腔3具有可封闭的进水
口307，第一腔室301和第二腔室302均通过进水口307与外界连通，从图中可以看出，进水口
307设置于第一腔室301和第二腔室302的隔板底部，进水口307一部分置于第一腔室301内，
另一部分置于第二腔室302内，当进水口307关闭后，第一腔室301和第二腔室302分别密封、
互不相通。在进水口307、第一排出口304、第二排出口305和出气口306处均设置有电磁阀，
从而控制相应腔室的打开和封闭，当电磁阀关闭时相应腔室各自实现密闭。

[0046] 进一步地，出气口306处镀金属膜，如镀铜膜，并且出气口306能通电。

[0047] 排水装置采用电解排水装置，电解排水装置包括导线4，导线4的两极分别置于第一腔室301和第二腔室302内，导线4的置入不影响第一腔室301和第二腔室302的密封。在本
实施例中，导线4的正极置于第一腔室301内，导线4的负极置于第二腔室302内，在电解过程
中，导线4的正极析出氧气，导线4的负极析出氢气。电解后，第一腔室301和第二腔室302中
的气体可进入出气腔303，进而从出气口306排出。

[0048] 蓄水腔3的顶部通过连接板8与柔性驱动关节1连接，连接板8的一端与蓄水腔3的顶部固定连接，另一端可相对于蓄水腔3顶部摆动。如图6、7所示，蓄水腔3顶部具有安装连
接板8的连接件9，连接件9成型有圆孔901，在圆孔901上方、连接件9的上表面具有斜槽902。
如图8所示，连接板8与连接件9装配的位置具有插杆801，在插杆801的上方、连接板8成型有
凹槽802，插杆801插入圆孔901并与圆孔901间隙配合，凹槽802插入圆孔901与斜槽902的连
接处。在连接板8与连接件9装配完成后，连接板8中位于凹槽802上方的部分恰好插入斜槽
902，斜槽902对连接板8的摆动角度进行限位。设置连接板能够使柔性驱动关节及足部的行
动效果更好、更灵活。

[0049] 足部2包括前足201和后足202，前足201的蓄水腔底部设置有前足弧形板501，后足202的蓄水腔底部设置有后足弧形板502，前足弧形板501和后足弧形板502底面的摩擦系数
不同，形成阻力差。如图9所示，前足弧形板中间部分5011的摩擦系数小于后足弧形板中间
部分5021的摩擦系数，前足弧形板靠后位置5012的摩擦系数大于后足弧形板靠前位置5022
的摩擦系数。上述设置使得机器人能够完成由静止到运动、由运动到静止的运行。

[0050] 在前足201，蓄水腔3的底部与前足弧形板501之间通过两根支撑柱6连接，在后足202,，蓄水腔3的底部与后足弧形板502之间也通过两根支撑柱6连接，蓄水腔3的底部还设
置有两个挡板7，挡板7的一端与蓄水腔3的底部固定连接，另一端可相对于蓄水腔底部摆
动，其中一个挡板7设置于两根支撑柱6之间，另一个挡板7设置于位于后方的支撑柱6的外
侧，挡板7朝前进方向的摆动被支撑柱6限制。

[0051] 如图10、11所示，柔性驱动关节1由Pet膜层101、导电碳膏层102和介电弹性材料层103组合而成。预拉伸的介电弹性材料，两端涂有导电碳膏，通不同高压电后，厚度变薄，面
积变大，涂覆有导电碳膏的介电弹性材料附着在Pet薄膜上，贴合在一起，在介电弹性材料
的弹性拉伸下，自动弯曲并稳定，在通电时，弹性材料面积变大，弹性力减小，关节的角度就
会发生改变，电压越大改变越大。具体地，介电弹性材料通电后，柔性驱动关节关节1的角度
扩大，断电后，柔性驱动关节的角度减小，通过控制通电的电压幅值、占空比和频率可以控
制机器人的运动。

[0052] 本发明的两栖软体机器人具有多种运动模式，包括陆地行走、从陆地到水面的双向过渡、水面行进、从水面到水底的双向过渡。下面对两栖软体机器人的运动过程进行简
述：

[0053] 1、陆地行走

[0054] 如图12所示，在陆地运动时，机器人先处于静止状态，前足弧形板中间部分、后足弧形板中间部分触地，由于前足弧形板中间部分的摩擦系数小于后足弧形板中间部分的摩
擦系数，因此刚开始通电时，柔性驱动关节的角度逐渐变大，前足向前移动，后足锚定，机器
人整体向前移动；当断电时，柔性驱动关节的角度由最大逐渐缩小，前足弧形板靠后位置、
后足弧形板靠前位置触地，由于前足弧形板靠后位置的摩擦系数大于后足弧形板靠前位置
的摩擦系数，前足锚定，后足向前移动，直至机器人整体停止。

[0055] 2、陆地和水面的双向过渡

[0056] 由于机器人足部具有前足弧形板和后足弧形板，并且足部的蓄水腔是封闭的，机器人从陆地进入水面后可以浮在水面上，同样机器人从水面到陆地过渡，也同样能够实现。

[0057] 3、水面行走

[0058] 由于机器人足部的蓄水腔是封闭的，因此机器人可以在水面上漂浮，但机器人水面行走需要产生水阻力差。在机器人足部蓄水腔和前足/后足弧形板之间，安装有可以灵活
摆动的挡板，该挡板朝前进方向的摆动被支撑柱限制，只能在某一较小范围内摆动。

[0059] 静止状态时，挡板垂直向下。如图13所示，当通电时，柔性驱动关节的角度逐渐增大，前足向前移动，前足的挡板向后摆动，后足向后移动，后足的挡板向前摆动，而由于支撑
柱的限制，后足的挡板碰到支撑柱就不能继续向前摆，此时，柔性驱动关节角度不断增大，
后足的阻力大于前足，前足向前运动，机器人整体向前行进。

[0060] 断电时，柔性驱动关节角度由最大角度逐渐减小，前足的挡板向前摆动，由于支撑柱的限制，前足的挡板碰到支撑柱就不能继续向前摆，后足向前运动，后足的挡板向后摆
动，此时，柔性驱动关节角度不断减小，前足的阻力大于后足，因此机器人逐渐停止行进，直
至静止。

[0061] 4、水面到水底的双向过渡

[0062] 在需要下沉水底时，打开进水口电磁阀，水同时进入了第一腔室和第二腔室，机器人就会沉入水底。

[0063] 当需要上浮水面时，第一腔室和第二腔室的导线分别通正负电流，这样两个腔室会分别分解出氧气和氢气，打开第一排出口和第二排出口，氧气和氢气进入出气腔，从出气
口排出，两个腔室的水量减少，机器人就会浮起来，过渡到水面。如果氧气和氢气同时进入
出气腔，并在出气口处通电，则会发生燃烧或爆炸，可以带动机器人整体快速向前移动。

[0064] 此外，如图14所示，两个或多个机器人组合在一起，某一侧通电，另一侧不通电，就可以实现转弯。

[0065] 在其他实施例中，柔性驱动关节中的柔性材料可以更换其他软体材料，如ipmc、气动肌肉等。

[0066] 以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方
案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。