CN104227721A - 仿生软体机器人的可变刚度模块 - Google Patents

Abstract

一种仿生软体机器人的可变刚度模块，所述可变刚度模块包括弹性基体、通气管、中心驱动腔和侧驱动腔，所述弹性基体的截面呈圆形，所述弹性基体的中部设有中心驱动腔，在所述中心驱动腔外的弹性基体的一圈上等圆弧间隔地设有至少三个侧驱动腔，所述中心驱动腔和侧驱动腔的两端均封闭，所述中心驱动腔、侧驱动腔均与通气管连通；在所述中心驱动腔的内壁和外壁安装中心约束件，在所述侧驱动腔的内壁和外壁安装侧约束件。本发明在抓持运动过程中有效实现刚度独立可变和动态可控。

Description

仿生软体机器人的可变刚度模块

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是一种仿生软体机器人。

背景技术

近年来，软体机器人成为机器人领域的一个新兴且极具前景的研究方向。传统的刚性机器人以其高刚度、高强度、高精度、高速度的特点在工业领域得到广泛应用，然而，当众多的科研和技术人员付出巨大努力试图将刚性机器人从工业生产线应用扩展到其他领域(如家政服务、助老助残、农业自动化、医疗康复等)时，却发现严重依赖结构化环境和精确数学模型的刚性机器人在上述的非结构复杂环境中与难以用准确的数学模型加以描述的复杂多变对象进行交互作业时，刚性机器人的高刚度、高强度、高精度特点反而成为导致其不能胜任此类任务的缺点。在这种情况下，软体机器人研究逐渐兴起，科研工作者和工程技术人员借助于智能材料(如：硅橡胶、形状记忆合金SMA、电活性聚合物EPA等)和新型驱动技术(如：SMA、气动、磁流变、EPA等)，研究开发完全不用或少用刚性机构的新型机器人结构，这类软体机器人一般具有充分的柔顺性、适应性、超冗余或无限自由度，甚至可以任意改变自身形状和尺寸以适应环境和目标。

然而工业机器人在设计的过程中为了满足某种特定的功能，往往需要耗费巨大的时间和精力，在任务要求比较明确的情况下，我们可以根据任务要求来设计我们需要的机器人，但是对于一些不可预知的工作任务，我们就无法完成一个机器人的最佳设计，在这种情况下如果能有一个机器人模块，它能够根据工作任务及工作环境的变化而自动改变自身的结构配置，构成与其相适应的最佳构形，完成操作任务，不但扩大了机器人的应用范围，更由于模块的均一性和互换性降低了制造及维护成本，提高了操作的可靠性。

发明内容

为了克服已有仿生软体机器人在抓持运动过程中无法实现刚度独立可变和动态可控的不足，本发明提供一种在抓持运动过程中有效实现刚度独立可变和动态可控的仿生软体机器人的可变刚度模块。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种仿生软体机器人的可变刚度模块，所述可变刚度模块包括弹性基体、通气管、中心驱动腔和侧驱动腔，所述弹性基体的截面呈圆形，所述弹性基体的中部设有中心驱动腔，在所述中心驱动腔外的弹性基体的一圈上等圆弧间隔地设有至少三个侧驱动腔，所述中心驱动腔和侧驱动腔的两端均封闭，所述中心驱动腔、侧驱动腔均与通气管连通；在所述中心驱动腔的内壁和外壁安装中心约束件，在所述侧驱动腔的内壁和外壁安装侧约束件。

进一步，所述模块的前端和后端分别设有连接件，前后相连的模块之间通过连接件连接。

更进一步，在所述中心驱动腔外的弹性基体的一圈上与所述侧驱动腔错位布置走管通道，所述通气管位于所述走管通道内。

再进一步，所述中心约束件包括中心约束弹簧和中心约束环，所述中心驱动腔的内壁安装中心约束弹簧，所述中心驱动腔的外壁安装中心约束环，所述侧约束件包括侧约束弹簧和侧约束环，所述侧驱动腔的内壁安装侧约束弹簧，所述侧驱动腔的外壁安装侧约束环。

或者是：所述中心约束件、侧约束件均为约束弹簧。

再或者是：所述中心约束件、侧约束件均为约束环。

所述弹性基体的前端设有榫头，后端设有与所述榫头配合的槽口。

所述弹性基体为圆柱形，所述可变刚度模块为基节。

所述弹性基体为圆台形，所述可变刚度模块为尾节。

本发明的技术构思为：可重构模块机器人可以随着人们的意愿来进行各种形状的变换，本发明提出的仿生软体机器人的可变刚度模块可以根据工作任务的需求组合成各种最佳的构形。仿生软体机器人的可变刚度模块本身是一种集控制、驱动、通讯、传动一体化的单元，所以各个模块的组合并不是简单的机械组合，还包括运动学和动力学组合，以及控制系统的组合。

本发明在着眼于目前软体机器人的结构只是能够完成某种单一的任务，面对复杂多变且不可预知的任务往往不能够达到最佳的效果，提出了仿生软体机器人的可变刚度模块，是软体机器人研究的一种新探索，有望解决目前仿生软体机器人目标任务比较单一，设计成本过高、结构复杂且不具有可组合性的问题。

本发明的有益效果主要表现在：使软体机器人具有很好的柔软性和弯曲性，能够有效的抓取不同结构外形的目标物体，并且可以使软体机器人能够实时的控制和改变自身的刚度、保持稳定的抓取动作。

附图说明

图1是本发明的仿生软体机器人的可变刚度模块的结构图。

图2是图1的侧视图。

图3是本发明的可变刚度形成的尾节结构图。

图4是图3的侧视图。

图5是本发明的仿生软体机器人的伸直状态。

图6是本发明的仿生软体机器人的弯曲状态。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图6，一种仿生软体机器人的可变刚度模块，包括弹性基体、通气管、中心驱动腔和侧驱动腔，所述弹性基体的截面呈圆形，所述弹性基体的中部设有中心驱动腔，在所述中心驱动腔外的弹性基体的一圈上等圆弧间隔地设有至少三个侧驱动腔，所述中心驱动腔和侧驱动腔的两端均封闭，所述中心驱动腔、侧驱动腔均与通气管连通；在所述中心驱动腔的内壁和外壁安装中心约束件，在所述侧驱动腔的内壁和外壁安装侧约束件。

进一步，所述模块的前端和后端分别设有连接件，前后相连的模块之间通过连接件连接。

更进一步，在所述中心驱动腔外的弹性基体的一圈上与所述侧驱动腔错位布置走管通道，所述通气管位于所述走管通道内。

再进一步，所述中心约束件包括中心约束弹簧和中心约束环，所述中心驱动腔的内壁安装中心约束弹簧，所述中心驱动腔的外壁安装中心约束环，所述侧约束件包括侧约束弹簧和侧约束环，所述侧驱动腔的内壁安装侧约束弹簧，所述侧驱动腔的外壁安装侧约束环。

或者是：所述中心约束件、侧约束件均为约束弹簧。

再或者是：所述中心约束件、侧约束件均为约束环。

所述弹性基体的前端设有榫头，后端设有与所述榫头配合的槽口。

所述弹性基体为圆柱形，所述可变刚度模块为基节1。

所述弹性基体为圆台形，所述可变刚度模块为尾节2。

本实施例的仿生软体机器人由至少两块可变刚度模块形成，包括基节1和尾节2，所述基节1的后端与所述尾节2的前端连接，所述基节1包括第一弹性基体11、第一通气管12、第一中心驱动腔14和第一侧驱动腔13，所述第一弹性基体11呈圆柱形，所述第一弹性基体11的中部设有第一中心驱动腔14，在所述第一中心驱动腔14外的弹性基体的一圈上等圆弧间隔地设有至少三个第一侧驱动腔13，所述第一中心驱动腔14和第一侧驱动腔13的两端均封闭，所述第一中心驱动腔14、第一侧驱动腔13均与第一通气管12连通；在所述第一中心驱动腔14的内壁和外壁安装第一中心约束件，在所述第一侧驱动腔13的内壁和外壁安装第一侧约束件；

所述尾节2包括第二弹性基体21、第二通气管22、第二中心驱动腔24和第二侧驱动腔23，所述第二弹性基体21呈圆台形，所述第二弹性基体21的中部设有第二中心驱动腔24，在所述第二中心驱动腔24外的弹性基体的一圈上等圆弧间隔地设有至少三个第二侧驱动腔23，所述第二中心驱动腔24和第二侧驱动腔23的两端均封闭，所述第二中心驱动腔24、第二侧驱动腔23均与第二通气管22连通；在所述第二中心驱动腔24的内壁和外壁安装第二中心约束件，在所述第二侧驱动腔23的内壁和外壁安装第二侧约束件；

所述第二通气管22与所述第一通气管12连通。

进一步，所述基节1有至少两个，前后基节之间级联。可以根据仿生的需要，进行不同的设计。

再进一步，所述基节1中，在所述第一中心驱动腔外的弹性基体的一圈上与所述第一侧驱动腔13错位布置第一走管通道17，所述第一通气管12位于所述第一走管通道17内；所述尾节2中，在所述第二中心驱动腔外的弹性基体的一圈上与所述第二侧驱动腔23错位布置第二走管通道27，所述第二通气管22位于所述第二走管通道27内。

更进一步，所述基节1中，所述第一中心约束件包括第一中心约束弹簧15和第一中心约束环16，所述第一中心驱动腔13的内壁安装第一中心约束弹簧15，所述第一中心驱动腔13的外壁安装第一中心约束环16，所述第一侧约束件包括第一侧约束弹簧和第一侧约束环，所述第一侧驱动腔的内壁安装第一侧约束弹簧，所述第一侧驱动腔的外壁安装第一侧约束环；所述尾节2中，所述第二中心约束件包括第二中心约束弹簧25和第二中心约束环26，所述第二中心驱动腔23的内壁安装第二中心约束弹簧25，所述第二中心驱动腔23的外壁安装第二中心约束环26，所述第二侧约束件包括第二侧约束弹簧和第二侧约束环，所述第二侧驱动腔的内壁安装第二侧约束弹簧，所述第二侧驱动腔的外壁安装第二侧约束环。

或者是：所述第一中心约束件、第一侧约束件、第二中心约束件、第二侧约束件均为约束弹簧。再或者是：所述第一中心约束件、第一侧约束件、第二中心约束件、第二侧约束件均为约束环。

所述第一弹性基体11的后端设有槽口，所述第二弹性基体21的前端设有与所述槽口配合的榫头。该连接方式属于一种优选的连接方式，当然，也可以采用其他的连接方式；另外，对于级联的基节之间的连接，也可以采用榫槽式连接，当然，也可以采用其他连接方式。

本实施例中，基节1的结构为：第一弹性基体11是由硅胶材料制成的，伸缩和弯曲性能很好，它是仿生软体机器人最外层，把所述的基节1包含的其他结构全部包裹在一起，所述的第一弹性基体11的结构为模块化结构，两端设置连接结构，可多节串联；所述的第一通气管12是主动可变刚度长臂式仿生软体机器人的驱动气体传输的部分，在所述的第一弹性基体11内包含着很多根所述的第一通气管12，所述的第一通气管12分布在所述的第一中心驱动腔13、所述的第一侧驱动腔14内；所述的第一中心驱动腔13起着实时控制软体机器人的本体刚度的作用，所述的第一中心驱动腔13的两端是封闭的，所述的第一通气管12连接到所述的中心驱动腔内，通过所述的第一通气管12内输入不同压力的压缩气体可以控制软体机器人的本体刚度；所述的第一侧驱动腔14起着控制软体机器人的弯曲、抓持等动作的作用，同样所述的第一侧驱动腔14的两端也是封闭的，许多根所述的第一通气管12连接到所述的侧驱动腔内，向所述的第一侧驱动腔14内不同方向所述的第一通气管12内输入压缩气体，可以实现软体机器人不同方向的弯曲和抓持等动作；所述的第一中心约束弹簧15或第一中心约束环16是埋置在所述的第一中心驱动腔13的内外壁上，所述的第一侧约束弹簧或第一侧约束环埋置在和所述的第一侧驱动腔14内外壁上的，所述的第一中心约束弹簧15和第一中心约束环16的作用是一样的，所述的第一通气管12内输入不同压力的压缩气体会导致所述的第一中心驱动腔13和所述的第一侧驱动腔14充气后发生径向变大，所述的第一中心约束弹簧15或第一中心约束环16的作用是为防止充气后发生所述的第一弹性基体11发生径向变大；所述的第一走管通道17把所述的第一通气管12统一走到所述的基节1的一端，便于多个所述的基节1之间串联后所述的第一通气管12可以相互连接。

所述的尾节2的结构和所述的基节1的结构大体一致，同样包括第二弹性基体21、第二通气管22、第二中心驱动腔23、第二侧驱动腔24、第二中心约束弹簧25或第二中心约束环26、第二走管通道27，不同之处在于所述的尾节2末端是逐渐缩小的(即：整个尾节呈圆台形)。所述的尾节2和所述的基节1连接在一起构成主动可变刚度长臂式仿生软体机器人的整体结构。

本实施例的工作原理：主动可变刚度长臂式仿生软体机器人的基节和尾节相互连接在一起，向中心驱动腔输入不同压力的压缩气体，可以实时调节软体机器人的本体刚度，使得机器人在完成抓持等动作的时候具有合适的刚度，向不同方向的侧驱动腔输入不同压力的压缩气体，可以使得软体机器人实现不同程度、不同方向的弯曲，由基节和尾节的中心驱动腔和侧驱动腔相互配合，使得软体机器人可以模仿章鱼腕足完成各种复杂的动作。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (9)

1.一种仿生软体机器人的可变刚度模块，其特征在于：所述可变刚度模块包括弹性基体、通气管、中心驱动腔和侧驱动腔，所述弹性基体的截面呈圆形，所述弹性基体的中部设有中心驱动腔，在所述中心驱动腔外的弹性基体的一圈上等圆弧间隔地设有至少三个侧驱动腔，所述中心驱动腔和侧驱动腔的两端均封闭，所述中心驱动腔、侧驱动腔均与通气管连通；在所述中心驱动腔的内壁和外壁安装中心约束件，在所述侧驱动腔的内壁和外壁安装侧约束件。

2.如权利要求1所述的仿生软体机器人的可变刚度模块，其特征在于：所述模块的前端和后端分别设有连接件，前后相连的模块之间通过连接件连接。

3.如权利要求1或2所述的仿生软体机器人的可变刚度模块，其特征在于：在所述中心驱动腔外的弹性基体的一圈上与所述侧驱动腔错位布置走管通道，所述通气管位于所述走管通道内。

4.如权利要求1或2所述的仿生软体机器人的可变刚度模块，其特征在于：所述中心约束件包括中心约束弹簧和中心约束环，所述中心驱动腔的内壁安装中心约束弹簧，所述中心驱动腔的外壁安装中心约束环，所述侧约束件包括侧约束弹簧和侧约束环，所述侧驱动腔的内壁安装侧约束弹簧，所述侧驱动腔的外壁安装侧约束环。

5.如权利要求1或2所述的仿生软体机器人的可变刚度模块，其特征在于：所述中心约束件、侧约束件均为约束弹簧。

6.如权利要求1或2所述的仿生软体机器人的可变刚度模块，其特征在于：所述中心约束件、侧约束件均为约束环。

7.如权利要求1或2所述的主动可变刚度长臂式仿生软体机器人，其特征在于：所述弹性基体的前端设有榫头，后端设有与所述榫头配合的槽口。

8.如权利要求1或2所述的仿生软体机器人的可变刚度模块，其特征在于：所述弹性基体为圆柱形，所述可变刚度模块为基节。

9.如权利要求1或2所述的仿生软体机器人的可变刚度模块，其特征在于：所述弹性基体为圆台形，所述可变刚度模块为尾节。