CN117301036A - 一种用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人及控制方法，其中机器人包括：依次设置的载荷平台、前锚定单元、伸缩单元、后锚定单元、气电一体管线、气源及控制器；所述前锚定单元包括前锚定单元电磁阀；所述后锚定单元包括后锚定单元电磁阀；所述前锚定单元通过所述前锚定单元电磁阀与所述伸缩单元实现气路的连接；所述前锚定单元通过所述后锚定单元电磁阀以及所述气电一体管线与所述气源实现气路的连接；所述气源以及所述控制器用于通过所述气电一体管线共同调整所述前锚定单元、所述伸缩单元以及所述后锚定单元的体积和形状。本机器人适应变化的环境具有更好的实用性。本申请可广泛应用于软体机器人技术领域。

Description

一种用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人

技术领域

本申请涉及软体机器人技术领域，尤其是一种用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人。

背景技术

软体机器人设计通常需要仿生学的参与。由于其独特的移动机制，尺蠖是软体机器人设计中常用的仿生对象。尺蠖的身体由若干体节构成，可在肌肉作用下伸展为蜷缩为“Ω”形，从而实现伸缩，身体前后各有一组足，用于锚定自身。尺蠖前进时，先蜷缩身体，再将后足锚定，随后伸展身体，锚定前足，最后解除后足锚定，再次蜷缩身体，从而实现整体的前移。

现有的多种管道软体机器人都是对这一结构的复现。每个此类机器人的最小单体都由一个锚定机构，一个伸缩机构和另一个锚定机构依次连接而成，并按上述尺蠖运动的过程驱动锚定机构与伸缩机构，从而实现机器人在管道中的运动。

与其他方案相比，基于尺蠖仿生的管道软体机器人对管道有更好的适应能力，能够初步解决管道作业中存在的问题。然而，受其设计目的和机械结构的限制，这类管道软体机器人在空间受限的非结构化环境中的应用存在一定的困难，其无法适用更多的变化的环境。因此，相关技术中仍存在需要解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的在于至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本申请实施例的一个目的在于提供一种用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人；该机器人可以适应变化的环境具有更好的实用性。

为了达到上述技术目的，本申请实施例所采取的技术方案包括：一种用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人，包括依次设置的载荷平台、前锚定单元、伸缩单元、后锚定单元、气电一体管线、气源及控制器；所述前锚定单元包括前锚定单元电磁阀；所述后锚定单元包括后锚定单元电磁阀；所述前锚定单元通过所述前锚定单元电磁阀与所述伸缩单元实现气路的连接；所述前锚定单元通过所述后锚定单元电磁阀以及所述气电一体管线与所述气源实现气路的连接；所述气源以及所述控制器用于通过所述气电一体管线共同调整所述前锚定单元、所述伸缩单元以及所述后锚定单元的体积和形状。

另外，根据本发明中上述实施例的一种用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人，还可以有以下附加的技术特征：

进一步地，本申请实施例中，所述气电一体管线包括纺锤形光面泡沫块；所述纺锤形光面泡沫块在所述气电一体管线上间隔设置。

进一步地，本申请实施例中，所述前锚定单元以及所述后锚定单元均还包括保护层、气球以及摩擦垫片；所述保护层包裹所述气球，所述保护层用于保护所述气球被环境损坏；所述摩擦垫片设置于保护层上；所述气球用于接收气体膨胀自身，以膨胀所述前锚定单元以及所述后锚定单元；所述摩擦垫片用于增加所述前锚定单元以及所述后锚定单元的表面摩擦力。

进一步地，本申请实施例中，所述荷载平台包括热成像模块，气体传感器，温湿度传感器，摄像头和麦克风模块。

进一步地，本申请实施例中，所述前锚定单元以及所述后锚定单元未膨胀时在轴向上的直径小于载荷平台在轴向上的最大直径。

进一步地，本申请实施例中，所述伸缩单元包括波纹管、第一气路接头以及第二气路接头；所述第一气路接头用于与所述后锚定单元电磁阀连接；所述第二气路接头用于与所述前锚定单元电磁阀连接。

进一步地，本申请实施例中，所述后锚定单元电磁阀以及所述前锚定单元电磁阀均包括常闭端、常开端以及进气端。

进一步地，本申请实施例中，所述控制器包括微处理器、微型屏幕、配置面板和固态继电器。

进一步地，本申请实施例中，所述保护层的材料为超高分子量聚乙烯纤维。

另一方面，本申请实施例还提供一种机器人控制方法，用于控制上述前面任一项所述的用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人，方法包括：

控制器打开后锚定单元电磁阀通过气源控制后锚定单元膨胀并获取机器人的第一检测数据；根据所述第一检测数据，控制器确定障碍检测单元的第一检测结果；所述第一检测结果用于供控制器判断机器人是否第一次锚定成功；所述第一检测数据包括所述后锚定单元膨胀期间的气压与时间关系；当机器人第一次锚定成功，控制器关闭所述后锚定单元电磁阀以及关闭所述前锚定单元电磁阀，并控制气源为所述伸缩单元充气以及控制伸缩单元轴向延展预设距离，使所述软体机器人第一次重心前移；控制器打开所述前锚定单元电磁阀，并控制气源为所述前锚定单元充气使前锚定单元膨胀并获取机器人的第二检测数据；根据所述第二检测数据，控制器得到障碍检测单元的第二检测结果；所述第二检测结果用于供控制器检测机器人是否第二次锚定成功；所述第二检测数据包含所述前锚定单元膨胀期间的气压与时间关系；当机器人第二次锚定成功，控制器关闭所述前锚定单元电磁阀，并控制所述气源输出负压，使所述前锚定单元恢复膨胀前的状态。

本申请的优点和有益效果将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到：

本申请可以通过载荷平台、前锚定单元、伸缩单元、后锚定单元、气电一体管线、气源及控制器通过两次锚定实现软体机器人的整体移动，而且本申请的前锚定单元、伸缩单元、后锚定单元只进行轴向运动，而不需蜷缩为“Ω”形，可以适应更多的应用场景，可以提高软体机器人的环境适应能力，提高软体机器人的实用性。

附图说明

图1为本发明中一种具体实施例中一种用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人的结构示意图；

图2为本发明中一种具体实施例中一种用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人控制方法的步骤示意图；

图3为本发明中另一种具体实施例中用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人的结构示意图；

图4为本发明中一种具体实施例中前锚定单元或者后锚定单元的结构示意图；

图5为本发明中一种具体实施例中伸缩单元的结构示意图；

图6为本发明中一种具体实施例中气电一体管线的结构示意图

图7为本发明中一种具体实施例中载荷单元的结构示意图

图8为本发明中一种具体实施例中人工神经网络模型训练的流程示意图

图9为本发明中一种具体实施例中软体机器人实现一个运动周期的流程示意图

图10为本发明中一种具体实施例中软体机器人实现一个运动周期的结构变化示意图；

图11为本发明中一种具体实施例中用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的实施例对本发明实施例中的用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人的原理和过程作以下说明。

首先，对现有技术的缺陷进行介绍

受限空间指的是一类空间狭窄，人员及普通设备难以出入的区域。受限空间作业是许多领域感兴趣的重要课题，医学检查、外科手术、管道巡检、复杂设备维护、震后搜救、地质勘探地质灾害预防等领域均涉及受限空间探索。

受自身结构刚度限制，传统的刚性机器人难以在空间受限的环境中作业，限制了刚性机器人在废墟缝隙搜救、地质裂缝探测、管道巡检等领域的应用。随着材料及微电子技术的发展，出现了大量以受限空间为应用场景的软体机器人，其中，管道软体机器人是较为常见和成熟的一类。

软体机器人设计通常需要仿生学的参与。由于其独特的移动机制，尺蠖是软体机器人设计中常用的仿生对象。尺蠖的身体由若干体节构成，可在肌肉作用下伸展为直形或蜷缩为“Ω”形，从而实现伸缩，身体前后各有一组足，用于锚定自身。尺蠖前进时，先蜷缩身体，再将后足锚定，随后伸展身体，锚定前足，最后解除后足锚定，再次蜷缩身体，从而实现整体的前移。

现有的多种管道软体机器人都是对这一结构的复现。每个此类机器人的最小单体都由一个锚定机构，一个伸缩机构和另一个锚定机构依次连接而成，并按上述尺蠖运动的过程驱动锚定机构与伸缩机构，从而实现机器人在管道中的运动。

与其他方案相比，基于尺蠖仿生的管道软体机器人对管道有更好的适应能力，能够初步解决管道作业中存在的问题。然而，受其设计目的和机械结构的限制，这类管道软体机器人在空间受限的非结构化环境中的应用存在困难。

非结构化环境是一个与结构化环境相对的概念。结构化环境指的是环境表面均一，结构及变化规律稳定且可知，环境信息可知的一类环境。管道是典型的结构化环境，因为管道内壁均一，形状规则且固定，通常不存在突然出现的障碍物，主要的环境信息变化体现为管道内径及曲率的变化。相对的，非结构化环境表面不均一，结构可能随时间变化且变化规律难以掌握。地质灾害后的废墟缝隙、地裂隙以及受损或淤积严重的管道均属于较常见的非结构化环境。

现有的管道软体机器人在非结构化环境中作业时，可能面临半径较大导致通过性不足、锚定机构受损或失效、可靠性不足等问题。此外，目前的管道软体机器人普遍缺乏自适应控制器，锚定机构与伸缩机构的运作遵循手动控制或预设的开环控制运作，无法主动适应非结构化环境的时变特征，因此在非结构化环境中运作效率较低，甚至可能损坏机器人。

现有技术中有两种较为典型的软体机器人设计，一种机器人由转向机构、锚定机构、伸缩机构和锚定机构组成，机器人的锚定机构最大直径80mm，伸缩机构直径40mm，能够适应一定范围内径的管道，并执行多种任务，但机器人气囊直接与环境接触，存在锚定力不足、气囊易损等问题，且所用的橡胶气囊驱动压力较大，不利于小型化，破裂时还有一定危险性。

另一种机器人由气动伸缩单元和气动膨胀单元构成，能在管道中运动，但机器人组件定制化程度较高，且没有配套的控制器，自动化程度低。

综上所述，现有的软体机器人在空间受限的非结构化环境中的应用存在较大困难，而在空间受限的非结构化环境中进行作业的需求长期存在。因此，亟需设计一种能够适应非结构化环境，具备较高自动化水平的气动软体机器人，并能根据需要，在非结构化环境中执行多种任务。

针对上述技术问题，参照图1，本申请提供一种用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人。该机器人可以包括沿着软体机器人运动的轴向依次设置的载荷平台1、前锚定单元2、伸缩单元3、后锚定单元4、气电一体管线5、气源6及控制器7；前锚定单元2可以包括前锚定单元电磁阀；后锚定单元4可以包括后锚定单元电磁阀；前锚定单元2通过前锚定单元电磁阀与伸缩单元3实现气路的连接；前锚定单元2通过后锚定单元电磁阀以及气电一体管线5与气源6实现气路的连接；气源6以及控制器7用于通过气电一体管线5共同调整前锚定单元2、伸缩单元3以及后锚定单元4的体积和形状。载荷平台1可以通过传感器以及麦克风等设备监测软体机器人的环境，还可以通过麦克风实现将音频信号从载荷平台1传输至控制器7，实现环境内音频捕获。

进一步地，在本申请一些实施例中，气电一体管线可以包括纺锤形光面泡沫块；纺锤形光面泡沫块在气电一体管线上间隔设置。

进一步地，在本申请的一些实施例中，前锚定单元以及后锚定单元均还可以包括保护层、气球以及摩擦垫片；保护层可以包裹住气球，保护层可以用于保护气球被环境中的尖刺结构或者尖刺物体损坏；摩擦垫片可以设置于保护层上；摩擦垫片可以增加前锚定单元以及后锚定单元的摩擦力，可以使机器人在运动时可以保持机器人自身的稳定。气球可以通过接收气体使自身膨胀，自身膨胀后可以使前锚定单元或者后锚定单元膨胀并改变锚定单元的体积或者形状。

进一步地，在本申请的一些实施例中，荷载平台可以包括热成像模块，气体传感器，温湿度传感器，摄像头和麦克风模块。热成像模块可以用于发现废墟内幸存者的热信号；气体传感器可以用于探测地下是否存在可燃气体，为后续救援工具的使用提供指引；温湿度传感器可以用于检测空气温湿度；摄像头可以用于观测废墟内部情况；硅麦克风模块可以用于向地下幸存者传递信息。

进一步地，在本申请的一些实施例中，前锚定单元以及后锚定单元未膨胀时在轴向上的直径可以小于载荷平台在轴向上的最大直径；伸缩单元在轴向上的最大直径可以小于前锚定单元以及后锚定单元的直径。载荷平台位于轴向的最前端，载荷平台的最大直径大于前锚定单元、后锚定单元以及伸缩单元，可以使载荷平台顺利进入空间受限非结构化环境后，前锚定单元、后锚定单元以及伸缩单元仍存在一定的空间，从而不影响后续软体机器人的运动。

进一步地，在本申请的一些实施例中，伸缩单元可以包括波纹管、第一气路接头以及第二气路接头；第一气路接头用于与后锚定单元电磁阀连接；第二气路接头用于与前锚定单元电磁阀连接；第一气路接头与后锚定单元电磁阀连接；第二气路接头与前锚定单元电磁阀连接可以使前锚定单元、伸缩单元以及后锚定单元形成一个完整的可以相互传输气体的气路。

进一步地，在本申请的一些实施例中，后锚定单元电磁阀以及前锚定单元电磁阀均可以包括常闭端、常开端以及进气端；后锚定单元电磁阀的进气端可以直接与气源连接；常开端可以接入前锚定单元内部的气球；常闭端可以在需要释放气球内的气体时打开。

进一步地，在本申请的一些实施例中，控制器可以包括微处理器、微型屏幕、配置面板和固态继电器；微处理器上可以运行有两个径向基函数神经网络预训练模型，分别为锚定单元障碍检测器和伸缩单元运动控制器。

进一步地，在本申请的一些实施例中，保护层的材料为超高分子量聚乙烯纤维。该材料具有防刺性能好、柔性好、厚度小的特点，可以保护锚定单元内部的气球不被环境破坏，而且柔性可以适应更多符合的环境，厚度小可以为锚定单元提供更多的膨胀空间。

此外，参照图2，与图1的方法相对应，本申请的实施例中还提供一种用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人的控制方法，用于控制前面任一项的用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人，方法可以包括步骤S101-S106。

S101、控制器打开后锚定单元电磁阀通过气源控制后锚定单元膨胀并获取机器人的第一检测数据；

S102、根据第一检测数据，控制器确定障碍检测单元的第一检测结果；第一检测结果用于供控制器判断机器人是否第一次锚定成功；第一检测数据包含后锚定单元膨胀期间的气压与时间关系；

S103、当机器人第一次锚定成功，控制器关闭后锚定单元电磁阀以及关闭前锚定单元电磁阀，并控制气源为伸缩单元充气以及控制伸缩单元轴向延展预设距离，使软体机器人第一次重心前移；

S104、控制器打开前锚定单元电磁阀，并控制气源为前锚定单元充气使前锚定单元膨胀并获取机器人的第二检测数据；

S105、根据第二检测数据，控制器得到障碍检测单元的第二检测结果；第二检测结果用于供控制器判断机器人是否第二次锚定成功；第二检测数据包含前锚定单元膨胀期间的气压与时间关系；

S106、当机器人第二次锚定成功，控制器关闭前锚定单元电磁阀，并控制气源输出负压，使前锚定单元恢复膨胀前的状态。

下面结合附图说明本申请的具体结构以及控制原理：

首先对于软体机器人的结构：

参照图3，该软体机器人可以包括载荷平台、前锚定单元、伸缩单元、后锚定单元、气电一体管线、气源及控制器。前锚定单元与后锚定单元结构相同，下文简称“锚定单元”。锚定单元可以分为PAM与连接件两部分，具体结构参照图4。

在图4中，PAM分为内外两层，内层为一个单口气球。外层为一层包裹着内层气球的保护性织物，织物采用柔性防刺材料制作。由于织物不具备内层气球的延展性，为使织物能随内层气球膨胀而展开，需要使织物在内层气球未充气时呈松弛状态。为提高内层气球膨胀后织物与环境接触面的摩擦力，并避免接触面上的尖锐物穿过织物孔洞损坏内层气球，还需在织物表面黏附若干高摩擦垫片。

将PAM内层气球开口的一端称为“开口端”，另一端称为“盲端”。在PAM开口端固定有一个连接件。连接件为一个柔性圆环，圆环内固定有一个微型二位三通电磁阀，记电磁阀的三个端口为进气端、常开端和常闭端，气体从进气端输入，在断开电源时，气体从常闭端输出，接通电源后，气体从常开端输出。

电磁阀的常开端与内层气球开口连接并作密封处理。圆环上设有一个小孔，线缆从小孔穿入PAM内外层的空腔中，再从PAM的另一端引出。为使线缆能随PAM膨胀而延展，PAM内的线缆需适当延长，并在穿入和引出处设置限位。

伸缩单元的结构可以参照图5。在图5中，伸缩单元主体为一根柔性波纹管，管径接近锚定单元在未充气时的直径。波纹管的两端各有一个开口，每个开口分别与一个锚定单元的开口端连接。波纹管连接前锚定单元的一端，开口与前锚定单元开口端电磁阀的进气端连接。波纹管连接后锚定单元的一端，开口与后锚定单元开口端电磁阀的常闭端连接。波纹管两端的第一个膨胀节上各开有一个小孔，从前锚定单元开口端穿出的线缆通过小孔穿入波纹管一端，从波纹管另一端离开并穿入后锚定单元的开口端，最后从后锚定单元的盲端穿出，形成贯通整个软体机器人的电气通路。为使线缆适应波纹管的轴向伸缩，留在波纹管内的线缆长度需略大于波纹管最大伸展长度，并对两端小孔进行气密处理，避免对波纹管加压时，气体从穿线的小孔处泄漏。

载荷平台的结构可以参照图7。在图7中，载荷平台固定在前锚定单元的盲端，平台直径与锚定单元未充气时的直径相近，主体为一个中空的柔性抛物面，所需的传感器或末端执行器安装在抛物面内，表面预留有相关器件工作所需的开口，器件的线缆通过前述方式穿过整个机器人从后锚定单元的盲端离开。

气电一体管线的结构可以参照图6。在图6中，气电一体管线的主体是一根长度可按需调整的柔性输气软管，软管每隔一段距离安装有一个纺锤形光面泡沫块，用于避免软管与环境接触。从后锚定单元电磁阀的进气端接出一段短软管，软管穿过锚定单元的PAM从其盲端穿出。将后锚定单元电磁阀的进气端软管与气电一体管线一端Y型三通接头的A端连接，将后锚定单元线缆接头与Y型三通接头B端线缆接头连接。将气源与气电一体管线另一端Y型三通接头的A端连接气源，B端线缆接头与控制器连接。

气源主体为一个带气压传感器的直流抽打两用气泵。抽打两用气泵是气泵的一种，既能输出正压，也能输出负压。气源设有两路通讯总线，第一路供控制器访问气压传感器数据，称为“气压测量总线”，第二路供控制器控制泵的功率与输出类型(即正压还是负压)，称为“气泵控制总线”。两路总线均与控制器连接。

控制器与气源的两路通讯总线、前锚定单元电磁阀控制线、后锚定单元电磁阀控制线相连。控制器主要包括微处理器、微型屏幕、配置面板和固态继电器。微处理器上运行有两个径向基函数神经网络预训练模型，分别为锚定单元障碍检测器和伸缩单元运动控制器。

锚定单元障碍检测器属于分类器，该模型在训练时对给定气泵功率下，锚定单元自由膨胀和受限膨胀两种模式的气压-时间特征进行了学习，其中，自由膨胀指的是锚定单元在周边无障碍物时充气膨胀的情形，受限膨胀指的是锚定单元在充气膨胀过程中，受周边障碍物阻碍的情形，两种情况的气压-时间曲线不同，因此可通过实验建立数据集，用有监督学习方法训练对应的模型。机器人运动过程中，需要交替启动前、后锚定单元，在锚定单元充气膨胀过程中，微处理器定期通过气压测量总线读取对应锚定单元的气压及传感器时间戳，输入模型进行推理，根据模型的输出结果确定锚定单元是否已遭遇障碍，若结果为真，说明锚定单元已成功锚定，可以对伸缩单元充气。

伸缩单元运动控制器属于拟合器，该模型在训练时对给定气泵功率下，伸缩单元的伸长距离与充气时间的曲线进行拟合。在机器人运动过程中，需要在后锚单元锚定后，对伸缩单元进行充气，使其沿轴向延展，从而实现机器人重心的迁移。在伸缩单元充气延展过程中，微处理器根据用户设置的单次运动距离，输入模型进行推理，获得所需的充气时间，从而实现对机器人运动的定量控制。

锚定单元所用气球可为球形或椭球形，规格由应用场景的通道大小决定。以5寸气球为例，气球未充气时，折叠后直径约5mm，充气后最大直径约127mm。柔性防刺材料可选用超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)，该材料具有防刺性能好、柔性好、密度低、厚度小的特点。

锚定单元所用二个三通电磁阀规格由应用场景决定。以常用的电磁阀为例，可选的最小电磁阀规格不大于15mm*12.5mm*12.5mm。

目前存在多种波纹管，它们在材料、规格以及性能等方面均存在很大差异，且没有规范命名。按照波纹管膨胀节的形变恢复特性，可将波纹管分为两类，第一类为受外力拉伸后，形变能自行保持，无需继续施加外力，本专利称之为“稳态波纹管”，第二类为受外力拉伸后，形变无法自行保持，本专利称之为“非稳态波纹管”。伸缩单元所用波纹管为稳态波纹管，规格由应用场景决定。以现有的稳态波纹管为例，可选直径有9mm、19mm、20mm、29mm、40mm等，长度可根据需要进行定制或剪裁。

其次、对于软体机器人的搭建：

软体机器人搭建前，控制器程序除神经网络模型外已编译为固件并烧写至微处理器中。搭建方法可以包括以下步骤：

1、搭建锚定单元。

1.1、制作PAM芯体内层。取一枚乳胶气球，将气球开口一端和另一端分别穿过两个小硅胶垫圈，用柔性胶粘剂固定。将一根硅胶短管从气球开口端穿入气球内，用柔性密封胶密封。

1.2、布设线缆。取一条硅胶气管与一条多芯导线，长度需略长于锚定单元最大周长的一半，用柔性胶粘剂将两者沿轴向粘合为一条管线。在1.1所述的垫圈上开孔，将管线从一侧垫圈穿入，另一侧垫圈穿出，向开孔注胶固定管线。为管线两端安装气路接头与线路接头。

1.3、制作PAM芯体外层。取一片40g/㎡的UHMWPE织物，使用聚乙烯专用胶水将其粘合为一个圆筒，圆筒直径定为锚定单元最大膨胀半径，长度略长于气球长度。对圆筒两端进行适当裁剪、收口，将收口后的两端套在1.1所述垫圈外，使用柔性密封胶固定。将高摩擦垫片使用柔性粘合剂固定到织物外表面。

1.4、制作连接器。取一个微型二位三通电磁阀，将电磁阀常开端连接到步骤1.1的所述硅胶短管上。另取两根硅胶短管，分别连接到电磁阀的进气端和常闭端上。将电磁阀的两根导线通过线路接头与步骤1.2的所述接头连接。将电磁阀套入一个小硅胶垫圈，将垫圈与步骤1.1中安装在气球开口端的垫圈对齐并用柔性胶粘剂固定。

1.5、若所制作锚定单元为前锚定单元，密封电磁阀常闭端。

1.6、重复1.1至1.5步骤制作第二个锚定单元。

2、搭建伸缩单元。

2.1、布设管线。取一根稳态波纹管，将一段多芯导线穿过波纹管，令管内的导线长度略大于波纹管延展后的最大长度。在波纹管两端的最后一个膨胀节上各打一个小孔，将导线从小孔穿出并密封小孔，为穿出导线两端安装线路接头。

2.2、安装单元主体。取两个气路接头，分别安装在波纹管两端，用柔性密封剂密封。

3、搭建载荷平台。

3.1、选择任务载荷。本专利所述软体机器人可根据任务需要搭载不同类型的传感器和末端执行器。本实施例地震搜救为例，选择Lepton3.5微型热成像模块，SGP40气体传感器，SHT35温湿度传感器，OV9734微型摄像头和TDA1308硅麦克风模块。热成像模块用于发现废墟内幸存者的热信号；SGP40用于探测地下是否存在可燃气体，为后续救援工具的使用提供指引；SHT35用于检测空气温湿度；微型摄像头用于观测废墟内部情况；硅麦克风模块用于向地下幸存者传递信息。

3.2、安装任务载荷。为上述传感器绘制PCB，并将传感器焊接至柔性PCB上，焊接多芯线引出供电及总线，对PCB喷涂防水涂层，保护传感器。

3.3、加工载荷平台。使用柔性材料加工载荷平台的抛物面外壳及底座。根据PCB工程文件，在抛物面顶点处加工出对应缺口，用柔性胶粘剂将柔性PCB安装到缺口上，将多芯线从抛物面尾部引出。

4、制作气电一体管线。

取一条硅胶软管，软管两端各连接一个Y型三通接头，记接头未用两个接口为A端、B端，将一根多芯线缆穿过软管内部，从两端三通接头的B端穿出，并用密封剂密封。制作一组纺锤形光面泡沫块，在泡沫块轴线上钻孔，将软管穿过泡沫块，并用柔性胶粘剂固定。

5、组装软体机器人。

将步骤1搭建的两个锚定单元的开口端对准步骤2搭建的伸缩单元的两端。将前锚定单元电磁阀进气端与伸缩单元一端的气路接头通过硅胶软管相连，通过接头将两者线缆连接，用硅胶螺栓固定两者。

将后锚定单元电磁阀进气端与伸缩单元另一端气路接头通过硅胶软管相连，以相同方式连接两者线缆，用硅胶螺栓固定两者。

将载荷平台线缆与前锚定单元盲端线缆通过接口连接，将载荷平台与前锚定单元轴心对齐，用硅胶螺栓固定两者。

将后锚定单元电磁阀的进气端软管与气电一体管线一端Y型三通接头的A端连接，将后锚定单元线缆接头与Y型三通接头B端线缆接头连接。

将气源与气电一体管线另一端Y型三通接头的A端连接气源，B端线缆接头与控制器连接。

6、训练人工神经网络模型。

训练人工神经网络模型的过程可以参照图8，在图8中训练可以包括以下步骤：

6.1、采集锚定单元障碍检测器数据集。将软体机器人放入半径略大于机器人的一根硬质管中，固定后锚定单元。在透明管另一端固定一台一维激光雷达。同时启动气源和激光雷达，记录伸缩单元的位移-时间数据。

6.2、训练锚定单元障碍检测器模型。构造一个单隐藏层的径向基函数神经网络模型，设置其输入层节点数为1，隐藏层节点数为32，输出层节点数为1。对该模型进行有监督训练。

6.3、采集伸缩单元运动控制器数据集。将软体机器人后锚定单元固定在一个铁架台上，前锚定单元自由悬空。启动气源，记录锚定单元的气压-时间数据，为每个气压-时间数据对添加一个值为“0”的标签，意为自由膨胀对应的数据。将一个半径略大于前锚定单元半径的硬质管套在前锚定单元上，并用夹具固定到铁架台上。启动气源，记录锚定单元的气压-时间数据，为每个气压-时间数据对添加一个值为“1”的标签，意为受限膨胀对应的数据。

6.4、建立伸缩单元运动控制器模型。构造一个单隐藏层的径向基函数神经网络模型，设置其输入层节点数为1，隐藏层节点数为64，输出层节点数为1。对该模型进行有监督训练。

6.5、导入模型。将训练得到的两组模型参数文件写入控制器的微处理器中。

所述微处理器为意法半导体生产的stm32f103单片机，也可选用其它核心为Cortex-M4F的微处理器。

所述径向基神经网络模型训练过程学习率可设为1e-5。

最后，对于软体机器人的控制：

对于控制过程的表述，为简化表达，记机器人前锚定单元电磁阀进气端为A1，常开端为B1，常闭端为C1；后锚定单元电磁阀进气端为A2，常开端为B2，常闭端为C2。气源通过气电一体管线与A2相连。气源及电磁阀默认为切断状态。

参照图9以及图10，机器人开始前进时，接通后锚定单元电磁阀，使A2与B2接通，接通气源，使气源输出正压，后锚定单元膨胀，同时控制器读取气压-时间数据，调用锚定单元障碍检测器，若输出结果为真，说明锚定完成，切断气源。

切断后锚定单元电磁阀，使A2与C2接通，此时前锚定单元电磁阀也处于切断状态，A1与C1接通(C1被密封)。此时气源与伸缩单元连接。调用伸缩单元运动控制器，计算达到预设长度d所需的时间t，接通气源，使气源输出正压，工作时间t后，切断气源，完成机器人重心的第一次前移。

接通前锚定单元电磁阀，使A1与B1接通，此时后锚定单元电磁阀也处于切断状态，A2与C2接通。接通气源，使气源输出正压，加压气体经伸缩单元进入前锚定单元，使前锚定单元膨胀，同时控制器读取气压-时间数据，调用锚定单元障碍检测器，若输出结果为真，说明锚定完成，切断气源。

切断前锚定单元电磁阀，使A1与C1接通，此时后锚定单元电磁阀也处于切断状态，A2与C2接通。接通气源，使气源输出负压，工作时间t后，切断气源，完成机器人重心的第二次前移，完成机器人的一个运动周期。

当机器人需要进行多个周期运动时，只需重复上述过程，并根据需要调整预设长度d，即可实现对机器人运动的量化控制。

达到的有益效果与上述的用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人实施例所达到的有益效果也相同。

与图1的方法相对应，本申请实施例还提供了一种用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人控制装置，其具体结构可参照图11，可以包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述的用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人控制方法。

需要说明的是，上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

与图1的方法相对应，本申请实施例还提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行所述的用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人控制方法。

需要说明的是，上述用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人控制方法实施例中的内容均适用于本存储介质实施例中，本存储介质实施例所具体实现的功能与上述的用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人控制方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述的用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人控制装置方法实施例所达到的有益效果也相同。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本申请的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本申请，但应当理解的是，除非另有相反说明，功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本申请是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本申请。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本申请的范围，本申请的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干程序用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行程序的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供程序执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从程序执行系统、装置或设备取程序并执行程序的系统)使用，或结合这些程序执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供程序执行系统、装置或设备或结合这些程序执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的程序执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本申请的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本申请的较佳实施进行了具体说明，但本申请并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本申请精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人，其特征在于，包括：

依次设置的载荷平台、前锚定单元、伸缩单元、后锚定单元、气电一体管线、气源及控制器；所述前锚定单元包括前锚定单元电磁阀，PAM及连接件；所述后锚定单元包括后锚定单元电磁阀，PAM及连接件；所述前锚定单元通过所述前锚定单元电磁阀与所述伸缩单元实现气路的连接；所述前锚定单元通过所述后锚定单元电磁阀以及所述气电一体管线与所述气源实现气路的连接；所述气源以及所述控制器用于通过所述气电一体管线共同调整所述前锚定单元、所述伸缩单元以及所述后锚定单元的体积和形状。

2.根据权利要求1所述一种用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人，其特征在于，所述气电一体管线包括纺锤形光面泡沫块；所述纺锤形光面泡沫块在所述气电一体管线上间隔设置。

3.根据权利要求1所述一种用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人，其特征在于，所述前锚定单元以及所述后锚定单元均还包括保护层、气球以及摩擦垫片；所述保护层包裹所述气球，所述保护层用于保护所述气球被环境损坏；所述摩擦垫片设置于保护层上；所述气球用于接收气体膨胀自身，以膨胀所述前锚定单元以及所述后锚定单元；所述摩擦垫片用于增加所述前锚定单元以及所述后锚定单元的表面摩擦力。

4.根据权利要求1所述一种用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人，其特征在于，所述荷载平台包括热成像模块，气体传感器，温湿度传感器，摄像头和麦克风模块。

5.根据权利要求1所述一种用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人，其特征在于，所述前锚定单元以及所述后锚定单元未膨胀时在轴向上的直径小于载荷平台在轴向上的最大直径。

6.根据权利要求5所述一种用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人，其特征在于，所述伸缩单元包括波纹管、第一气路接头以及第二气路接头；所述第一气路接头用于与所述后锚定单元电磁阀连接；所述第二气路接头用于与所述前锚定单元电磁阀连接。

7.根据权利要求1所述一种用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人，其特征在于，所述后锚定单元电磁阀以及所述前锚定单元电磁阀均包括常闭端、常开端以及进气端。

8.根据权利要求1所述一种用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人，其特征在于，所述控制器包括微处理器、微型屏幕、配置面板和固态继电器。

9.根据权利要求3所述一种用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人，其特征在于，所述保护层的材料为超高分子量聚乙烯纤维。

10.一种用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人控制方法，其特征在于，用于控制上述权利要求1-9任一项所述的用于空间受限非结构化环境的气动软体机器人，方法包括：

控制器打开后锚定单元电磁阀通过气源控制后锚定单元膨胀并获取机器人的第一检测数据；

根据所述第一检测数据，控制器确定障碍检测单元的第一检测结果；所述第一检测结果用于供控制器判断机器人是否第一次锚定成功；所述第一检测数据包括所述后锚定单元膨胀期间的气压与时间关系；

当机器人第一次锚定成功，控制器关闭所述后锚定单元电磁阀以及关闭所述前锚定单元电磁阀，并控制气源为所述伸缩单元充气以及控制伸缩单元轴向延展预设距离，使所述软体机器人第一次重心前移；

控制器打开所述前锚定单元电磁阀，并控制气源为所述前锚定单元充气使前锚定单元膨胀并获取机器人的第二检测数据；

根据所述第二检测数据，控制器得到障碍检测单元的第二检测结果；所述第二检测结果用于供控制器判断机器人是否第二次锚定成功；所述第二检测数据包括所述前锚定单元膨胀期间的气压与时间关系；

当机器人第二次锚定成功，控制器关闭所述前锚定单元电磁阀，并控制所述气源输出负压，使所述前锚定单元恢复膨胀前的状态。