CN104440918A - 主动可变刚度长臂式仿生软体机器人 - Google Patents

Abstract

一种主动可变刚度长臂式仿生软体机器人，包括基节和尾节，基节包括第一弹性基体、第一通气管、第一中心驱动腔和第一侧驱动腔，第一弹性基体呈圆柱形，第一弹性基体的中部设有第一中心驱动腔，在第一中心驱动腔外的弹性基体的一圈上设有至少三个第一侧驱动腔，第一中心驱动腔和第一侧驱动腔的两端均封闭，第一中心驱动腔、第一侧驱动腔均与第一通气管连通；在第一中心驱动腔的内壁和外壁安装第一中心约束件，在第一侧驱动腔的内壁和外壁安装第一侧约束件；尾节包括第二弹性基体、第二通气管、第二中心驱动腔和第二侧驱动腔，第二弹性基体呈圆台形，第二通气管与第一通气管连通。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

主动可变刚度长臂式仿生软体机器人

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。

仿生软体机器人的设计灵感来源于自然界各色各样的生物，即：研究某一种动物或其肢体的结构特点和工作机理，以此为基础进行相应的仿生软体机器人研制，例如蛇形机器人、象鼻机器人、章鱼机器人、蚯蚓机器人、海星机器人、仿毛虫机器人、尺蠖机器人，等等。 目前，普遍认为此类机器人研究的主要难点在于智能材料的开发、结构的创新设计、本体的加工制造方法、准确的数学建模、与环境目标的交互作用机理与建模、工作状态信息反馈技术、控制技术，等。其中模仿象鼻、章鱼腕足等结构的长臂式仿生软体机器人研究主要目的是进行柔顺、安全的目标抓持与操作任务，因此研究象鼻、章鱼腕足的抓持目标过程，尤其是抓持过程中的主动刚度可变控制是最为重要的基本问题，也是仿生软体机器人设计与控制的根本原型，而文献分析显示目前学术界的研究工作普遍集中在生物体结构形式的模仿设计上，鲜有关于象鼻或章鱼腕足刚度分析建模及其机器人仿生控制研究的文献资料。

象鼻或章鱼腕足等生物体的优点在于其具有充分的柔顺性和无限自由度的弯曲变形能力，能够适应各种异型结构目标物体的外形并实施稳定的抓持操作。尤其是在抓持及其运动过程中，象鼻或章鱼腕足能够根据目标物体的物理机械特性、受力/力矩状态、位置姿态、运动参数等因素，实时调整其体内的肌肉收缩状态、控制其抓持力大小及分布，动态调整自身的刚度以保持稳定的抓持操作。而目前学者研制的象鼻机器人、章鱼机器人等仅仅是结构形式上的仿生，能够实现结构外形模仿和运动形式仿生，还不能实现运动过程或抓持过程中的自身刚度可变及其动态控制、难以实施安全稳定的目标操控，即只能做到形似而非神似。所以，象鼻或章鱼腕足等生物体的变刚度特性及其主动控制能力是长臂式软体机器人研究中应该重点关注的仿生目标，如何实现自身刚度的独立可变且动态可控是此类仿生机器人走向实际应用道路上必须解决的关键问题。

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主动可变刚度长臂式仿生软体机器人。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种主动可变刚度长臂式仿生软体机器人，包括基节和尾节，所述基节的后端与所述尾结的前端连接，所述基节包括第一弹性基体、第一通气管、第一中心驱动腔和第一侧驱动腔，所述第一弹性基体呈圆柱形，所述第一弹性基体的中部设有第一中心驱动腔，在所述第一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第一侧驱动腔，所述第一中心驱动腔和第一侧驱动腔的两端均封闭，所述第一中心驱动腔、第一侧驱动腔均与第一通气管连通；在所述第一中心驱动腔的内壁和外壁安装第一中心约束件，在所述第一侧驱动腔的内壁和外壁安装第一侧约束件；

所述尾节包括第二弹性基体、第二通气管、第二中心驱动腔和第二侧驱动腔，所述第二弹性基体呈圆台形，所述第二弹性基体的中部设有第二中心驱动腔，在所述第二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第二侧驱动腔，所述第二中心驱动腔和第二侧驱动腔的两端均封闭，所述第二中心驱动腔、第二侧驱动腔均与第二通气管连通；在所述第二中心驱动腔的内壁和外壁安装第二中心约束件，在所述第二侧驱动腔的内壁和外壁安装第二侧约束件；

所述第二通气管与所述第一通气管连通。

进一步，所述基节有至少两个，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错位布置第一走管通道，所述第一通气管位于所述第一走管通道内；所述尾节中，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错位布置第二走管通道，所述第二通气管位于所述第二走管通道内。

更进一步，所述基节中，所述第一中心约束件包括第一中心约束弹簧和第一中心约束环，所述第一中心驱动腔的内壁安装第一中心约束弹簧，所述第一中心驱动腔的外壁安装第一中心约束环，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；所述尾节中，所述第二中心约束件包括第二中心约束弹簧和第二中心约束环，所述第二中心驱动腔的内壁安装第二中心约束弹簧，所述第二中心驱动腔的外壁安装第二中心约束环，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。

所述第一弹性基体的后端设有槽口，所述第二弹性基体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。

本发明的技术构思为：本发明在项目组近年来柔性驱动结构与控制研究的基础上，提出一种刚度独立可变的长臂式仿生软体机器人结构，以实现软体机器人在抓持运动过程中的刚度独立可变和动态调控。

本发明着眼于目前软体机器人研究过多强调柔性而缺乏操作刚度适应性的问题，提出自身刚度独立可变的长臂式仿生软体机器人结构，是软体机器人研究的一种新探索，有望解决目前长臂式软体机器人柔性有余而操作刚度不足且难以动态调控的问题。

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是本发明的基节结构图。

图2是图1的侧视图。

图3是本发明的尾节结构图。

图4是图3的侧视图。

图5是本发明的整体结构的伸直状态。

图6是本发明的整体结构的弯曲状态。

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6，一种主动可变刚度长臂式仿生软体机器人，包括基节1和尾节2，所述基节1的后端与所述尾结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发生径向大变；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 (7)

1.一种主动可变刚度长臂式仿生软体机器人，包括基节和尾节，所述基节的后端与所述尾结的前端连接，其特征在于：所述基节包括第一弹性基体、第一通气管、第一中心驱动腔和第一侧驱动腔，所述第一弹性基体呈圆柱形，所述第一弹性基体的中部设有第一中心驱动腔，在所述第一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第一侧驱动腔，所述第一中心驱动腔和第一侧驱动腔的两端均封闭，所述第一中心驱动腔、第一侧驱动腔均与第一通气管连通；在所述第一中心驱动腔的内壁和外壁安装第一中心约束件，在所述第一侧驱动腔的内壁和外壁安装第一侧约束件；

所述尾节包括第二弹性基体、第二通气管、第二中心驱动腔和第二侧驱动腔，所述第二弹性基体呈圆台形，所述第二弹性基体的中部设有第二中心驱动腔，在所述第二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第二侧驱动腔，所述第二中心驱动腔和第二侧驱动腔的两端均封闭，所述第二中心驱动腔、第二侧驱动腔均与第二通气管连通；在所述第二中心驱动腔的内壁和外壁安装第二中心约束件，在所述第二侧驱动腔的内壁和外壁安装第二侧约束件；

所述第二通气管与所述第一通气管连通。

2.如权利要求1所述的主动可变刚度长臂式仿生软体机器人，其特征在于：所述基节有至少两个，前后基节之间级联。

3.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：所述基节中，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错位布置第一走管通道，所述第一通气管位于所述第一走管通道内；所述尾节中，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错位布置第二走管通道，所述第二通气管位于所述第二走管通道内。

4.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：所述基节中，所述第一中心约束件包括第一中心约束弹簧和第一中心约束环，所述第一中心驱动腔的内壁安装第一中心约束弹簧，所述第一中心驱动腔的外壁安装第一中心约束环，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；所述尾节中，所述第二中心约束件包括第二中心约束弹簧和第二中心约束环，所述第二中心驱动腔的内壁安装第二中心约束弹簧，所述第二中心驱动腔的外壁安装第二中心约束环，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。

5.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。

6.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。

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：所述第一弹性基体的后端设有槽口，所述第二弹性基体的前端设有与所述槽口配合的榫头。