一种双稳态气路自动调控的软体振荡器
技术领域
本发明涉及智能仿生器械与软体机器人领域，具体涉及一种双稳态气路自动调控的软体振荡器。
背景技术
传统刚性机器人在工业、农业、医疗、建筑、教育等各领域已得到广泛应用，且已部分取代了人类工作，大大提高了操作精准性和工作效率。然而，刚性机器人在与自然环境交互时，由于刚性元件只能平移或旋转运动，存在马达驱动惯性大、体型笨重、人机交互危险等问题，因此刚性机器人对环境的适应能力非常有限，难以满足复杂环境所需的柔顺性操作需求，很大程度上限制了刚性机器人的应用范围。
随着机器人应用需求和领域的不断扩大，康复医疗、复杂地形救援与勘探、智能制造等新兴领域对机器人的柔性提出了更高的要求。得益于智能材料与仿生技术的飞速发展，一些学者采用柔性材料（如形状记忆合金、聚合物等），通过模仿生物结构和运动行为开发了一系列软体机器人，代表性的成果有蠕虫、毛毛虫、蝠鲼等仿生机器。与传统刚性机器人不同，软体机器人理论上具有无限多个自由度，可以实现任意角度的连续弯曲、扭转、伸缩等动作，成为近年来新兴的一个热门研究方向。由于软体机器人材质柔软、动作柔顺、人机交互安全性高，克服了传统刚性机器人在柔顺性方面的本质缺陷，因此在很多新兴领域具有巨大的研究价值与广泛的应用前景。
气压驱动是软体机器人最常用的一种操控方式。为实现软体机器人运动，一些学者采用刚性阀对软体机器人进行控制，如利用工业上广泛使用的各类方向控制阀，通过气压或电信号启动刚性阀，并调节气压回路实现软体机器人运动控制。然而，即使刚性阀可以与软体机器人进行集成，其刚性本质也会使软体机器人的柔顺性大大降低。因此，从保障软体机器人的柔顺性角度而言，刚性阀并不是一个好的选择。为解决上述问题，有些学者基于微流控技术研制了一些软体阀、软体逻辑回路与软体信号处理器等。代表性的研究有哈佛大学的Whitesides课题组研制了一种微流控振荡器芯片，通过将该芯片集成至一个软体仿生章鱼体内，并利用化学物在芯片内反应产生大量压力气体驱动章鱼，成为世界上第一个无需外界能源控制即可自行运动的软体机器人。虽然微流控技术在软体机器人应用方面具有显而易见的集成度高、体积小等优势，然而微流控芯片复杂的制造工艺使得微流控软体驱动器的性能稳定性大大降低，不利于软体机器人的长时间连续使用。鉴于上述原因，有必要开发一种可实现软体机器人流体回路精确操控的软体驱动器，且易与软体机器人实现可靠集成应用。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种双稳态气路自动调控的软体振荡器。该振荡器由软体材料制成，体积小巧、灵敏度高，可以满足软体机器人及智能仿生器械的一体化集成应用需求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种双稳态气路自动调控的软体振荡器，由软体材料组成，包括阀体、主通道、上隔板、平衡腔、旁通道、隔膜、控制腔、下隔板和副通道；
所述主通道设有入口和扩展流道一，上隔板的中间设有向下的凸台一，平衡腔设有气孔一，旁通道设有气孔二，下隔板的中间设有向上的凸台二和气孔三，副通道设有气孔四和扩展流道二；
所述主通道和副通道通过旁通道连通，主通道与平衡腔通过上隔板分开，平衡腔与控制腔通过隔膜分开，副通道与控制腔通过下隔板分开；
所述隔膜为双稳态柔性膜，具有两个稳定位置，常态时保持下凹状态，受力激发时迅速向上弹起，并保持上凸状态。
优选的，所述上隔板和下隔板均具有良好的弹性，可在外力作用下产生弹性变形。
优选的，所述平衡腔通过气孔一连通至大气环境。
优选的，所述控制腔和副通道通过气孔三连通。
优选的，所述隔膜的截面为弧面或半球面。
优选的，所述隔膜常态时向下弯曲，通过挤压凸台二使下隔板朝下变形并堵住扩展流道二，使副通道常闭，主通道在常态下为常开；隔膜受外力激发时瞬间向上弹起弯曲，通过挤压凸台一使上隔板朝上变形并堵住扩展流道一，使主通道封闭，下隔板则回弹至平整状态，使副通道导通。
优选的，所述扩展流道一比主通道的宽度大，所述扩展流道二比副通道的宽度大。
优选的，所述隔膜的激发源为压缩气体、电场、磁场、热量等外部物理场的一种。
优选的，所述软体材料为硅胶、橡胶、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯的一种，所述隔膜为硅胶、橡胶、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、形状记忆材料的一种。
本发明提供的双稳态气路自动调控的软体振荡器，相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明提出的双稳态气路自动调控的软体振荡器设有一个双稳态柔性隔膜，该隔膜由于其自身特殊的力学结构具有两个稳定位置。常态时隔膜仅受到下隔板对其施加的向上的反作用力，该反作用力较小，此时隔膜保持下凹状态。当隔膜下表面受到超过一定阈值的外力激发时，隔膜会瞬间向上弹起，并保持上凸状态。基于该双稳态柔性隔膜的力学特性，隔膜的动作特征可以视为一个信号激励响应开关。通过将隔膜设置在软体阀内，利用隔膜受外界激发时的响应动作来挤压软体阀中的流体通道，可实现流体回路中流道的快速导通与断开控制。相比目前工业上使用的刚性阀而言，本发明提出的振荡器由柔性材料制作，可以与软体机器人实现柔性化集成应用，解决刚性阀的柔顺性缺陷。此外，本发明中的软体振荡器相比微流控阀在制作工艺上更为简单，可采用软材料倒模或3D打印进行快速制作，且制成的软体振荡器可靠性更好。
附图说明
图1是软体振荡器在常态时的剖面结构示意图；
图2是软体振荡器受外部信号激发时的剖面结构示意图；
图3是主通道被隔膜挤压封闭时的流道结构示意图；
图4是软体振荡器与软体蚯蚓集成的结构示意图；
图5是软体振荡器驱动软体蚯蚓伸展前进的结构示意图；
图6是软体振荡器驱动软体蚯蚓收缩的结构示意图。
其中，1为阀体，2为主通道，21为入口，22为扩展流道一，3为上隔板，31为凸台一，4为平衡腔，41为气孔一，5为旁通道，51为气孔二，6为隔膜，7为控制腔，8为下隔板，81为凸台二，82为气孔三，9为副通道，91为气孔四，92为扩展流道二，10为工件，11为软体蚯蚓，111为后足，112为前足，113为储能器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1-图3所示，一种双稳态气路自动调控的软体振荡器，包括阀体1、主通道2、上隔板3、平衡腔4、旁通道5、隔膜6、控制腔7、下隔板8和副通道9。软体阀除隔膜6的材料为硅胶外，其余元件均由聚二甲基硅氧烷制作而成。
主通道2设有入口21和扩展流道一22，上隔板3的中间设有向下的凸台一31，平衡腔4设有气孔一41，旁通道5设有气孔二51，下隔板8的中间设有向上的凸台二81和气孔三82，副通道9设有气孔四91和扩展流道二92；扩展流道一22的宽度为主通道2的1.5倍，扩展流道二92的宽度为副通道9的1.5倍。
主通道2和副通道9通过旁通道5连通，主通道2与平衡腔4通过上隔板3分开，平衡腔4与控制腔7通过隔膜6分开，副通道9与控制腔7通过下隔板8分开，控制腔7和副通道9通过气孔三82连通，平衡腔4通过气孔一41连通至大气环境。
隔膜6为双稳态柔性膜，截面为半球面，具有两个平衡位置，常态时保持下凹状态，受外力激发时保持上凸状态，激发压力为30kPa。
隔膜6常态时向下弯曲，挤压凸台二81使下隔板8朝下变形并堵住扩展流道二92，使副通道9常闭，主通道2在常态下为常开。将入口21接工作气源，工作气源压力为50kPa，气孔二51接工件10。启动工作气源，压缩气体经入口21、主通道2、旁通道5、气孔三82、气孔二51分别向控制腔7和工件10充气。当控制腔7中的气压达到30kPa时，隔膜6受气压作用激发瞬间向上弹起弯曲，挤压凸台一31使上隔板3朝上变形并堵住扩展流道一22，使主通道2封闭，同时下隔板8则回弹至平整状态，使副通道9导通。此时，工件10、控制腔7和副通道9连通，工件10和控制腔7中的气体经气孔四91向大气环境排气。由于工作气源被主通道2切断，因此工件10和控制腔7的气压迅速下降。当控制腔7中的气压低于30kPa时，隔膜6再次向下弯曲，使主通道2导通工作气源，重复对工件10充气。由于单位时间内的放气速度大于充气速度，因此工件10中的气压呈现明显的脉冲振荡现象，这种气压振荡机制可用于软体机器人的连续驱动。
实施例2
如图4-图6所示，将软体振荡器通过气孔二51与软体蚯蚓11集成组装在一起，该软体蚯蚓11具有仿生后足111、仿生前足112以及储能器113。将软体振荡器入口21接恒定的工作气源Ps，工作气源的压力为50kPa。气孔一41和气孔四91均连通大气环境。隔膜6常态时挤压下隔板8使副通道9常闭，主通道2常开。启动工作气源，压缩气体经入口21、主通道2、旁通道5、气孔三82、气孔二51分别向控制腔7和软体蚯蚓11充气，储能器113充气后开始拱起并水平膨胀（图5）。此时，后足111与地面呈平面接触，前足112与地面呈滑移状，因此软体蚯蚓11往前进方向伸展。当控制腔7中的气压达到隔膜6的激发压力时（30kPa），隔膜6向上弯曲挤压上隔板3使主通道2封闭，副通道9接通控制腔7与软体蚯蚓11，使软体蚯蚓11中的气体快速排至大气中。此时，储能器113由于排气开始收缩（图6），前足112与地面呈平面接触，后足111与地面呈滑移状，因此软体蚯蚓11往前进方向爬行。至此，软体蚯蚓11在软体振荡器的驱动下完成一个爬行周期。重复上述驱动过程，软体蚯蚓11就可以实现连续的爬行。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
