CN105500383B - 一种具有多种运动形式的软体机器人模块 - Google Patents
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Abstract
一种具有多种运动形式的软体机器人模块，它涉及一种充气/液式软体机器人，以解决现有软体机器人含有刚性零部件，不是真正的软体机器人，而且其结构复杂、制造困难、运动形式单一等问题，本发明包括弹性主体、三个通气管和数个约束圈，弹性主体为圆柱形，数个约束圈等间隔布置在弹性主体的轴向方向，约束圈的内圈与弹性主体外圆柱面配合，所述弹性主体的前端面设有定位孔和两个弧形连接槽，两个弧形连接槽以弹性主体的轴心线对称设置，弹性主体内设有三个驱动内腔，三个驱动内腔沿同一圆周均布设置，每个驱动内腔一端封闭、另一端与通气管连通，且通气管位于弹性主体的前端面，所述弹性主体和约束圈均采用超弹性硅橡胶复合材料制成。
Description
技术领域
本发明涉及一种充气/液式软体机器人，具体涉及一种可以通过充气或充液驱动软体机器人在工作空间内完成弯曲、伸长、扭转等多个自由度的运动的软体机器人。
背景技术
机器人技术已广泛应用于军事、工业、科学探测等诸多领域。近年来，随着新材料与快速加工制造技术的发展，软体机器人技术已成为机器人技术领域的研究热点。软体机器人技术涉及仿生学，软物质学和机器人学等学科，与传统的刚性机器人相比，具有多方面优势：在理论上具有无限多个自由度，不需要复杂的机构，易实现多功能性；能够通过变形更好地适应未知或复杂非结构化作业环境；与作业对象之间为柔性接触，能够操作形状复杂各异的物体，对自身与操作对象的损伤很小等，在物理辅助医疗康复，微创手术，复杂环境搜索与探测等方面具有广阔的应用前景。
目前，软体机器人研究主要借助于智能材料（如：超弹性硅橡胶材料、SMA形状记忆合金、电活性聚合物DEA等）和新型驱动技术（如：气动、液压、磁流变、电致伸缩等），开发具有充分柔顺性、适应性、超冗余性的软体机器人。哈佛大学生物仿生实验室设计的内嵌气囊网络结构的气动致动器，通过应变限制层限制单向变形，只能实现一个方向的弯曲运动，其运动形式单一，所能到达的运动空间有限。中国专利CN202910862U公开了“一种软体机器人”，在躯干部内周向上设置四条通道，在通道内沿轴向嵌入微分磁性刚性单元，通过控制该刚性单元实现整体的弯曲和蠕动。该形式的软体机器人含有刚性零部件，并不是真正意义上的软体，而且其结构复杂、制造困难。
发明内容
本发明为解决现有软体机器人含有刚性零部件，不是真正的软体机器人，而且其结构复杂、制造困难、运动形式单一等问题，而提供一种具有多种运动形式的软体机器人模块。
本发明的一种具有多种运动形式的软体机器人模块包括弹性主体、三个通气管和数个约束圈，所述弹性主体为圆柱形，数个约束圈等间隔布置在弹性主体的轴向方向，约束圈的内圈与弹性主体外圆柱面配合，所述弹性主体的后端面设有定位孔和两个弧形连接槽，两个弧形连接槽以弹性主体的轴心线对称设置，弹性主体内设有三个驱动内腔，三个驱动内腔沿同一圆周均布设置，每个驱动内腔一端封闭、另一端与通气管连通，且通气管位于弹性主体的前端面。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
一、本发明的运动原理为“差应变效应”，即实体中不同材料层间应力不同导致产生应变差时，实体会从大应变的一侧向小应变一侧弯曲变形。本发明软体机器人模块设计了三个驱动内腔，通过周向均匀配置的三个驱动内腔的弯曲变形配合，可以实现全方向弯曲运动。本发明的软体机器人采用超弹性硅胶材料制成，不含任何刚性零部件，可以承受极大的挤压力。本发明采用气动驱动嵌入式内腔，通过不同内腔的膨胀变形实现机器人在空间中各向弯曲、线性伸长和扭转等多种运动形式。
二、本发明的软体机器人总重约13.9g，自重轻且结构小巧易于加工制造。可轻松实现工作空间内弯曲、伸长、扭转等多种形式的运动，能到达三维作业空间任意位置点，动作执行效率高，驱动高效。
三、本发明结构简单、易于制造。
附图说明
图1是本发明的一种具有多种运动形式的软体机器人模块的整体结构主视图；
图2是图1的右视图；
图3是图1的左视图；
图4是图3的A-A旋转剖视图；
图5是图4的B-B截面视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～图5说明本实施方式，本实施方式包括弹性主体4、三个通气管1和数个约束圈3，所述弹性主体4为圆柱形，数个约束圈3等间隔布置在弹性主体4的轴向方向，约束圈3的内圈与弹性主体4外圆柱面配合，所述弹性主体4的后端面5设有定位孔6和两个弧形连接槽7，两个弧形连接槽7以弹性主体4的轴心线对称设置，弧形连接槽7用于相邻软体机器人模块的连接，定位孔6用于相邻软体机器人模块的定位，弹性主体4内设有三个驱动内腔9，三个驱动内腔9沿同一圆周均布设置，每个驱动内腔9一端封闭、另一端与通气管1连通，且通气管1位于弹性主体4的前端面2，所述弹性主体4和约束圈3均采用超弹性硅橡胶复合材料8制成。
具体实施方式二：结合图4说明本实施方式，本实施方式的通气管1的材料为光敏树脂，通过3D打印加工制成。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式三：结合图5说明本实施方式，本实施方式的通气管1与外接气泵或液压泵连接，通气管1用来向驱动内腔9导入和导出驱动气压，通过三个驱动内腔9变形配合形成多种形式的运动。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式的外接气泵的驱动气压为0-55kpa，所述弹性主体4的弯曲角度为0-270°。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式是任意单个驱动内腔9通入气压时，弹性主体4实现单向弯曲。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式是两个或三个驱动内腔9通入气压，且各驱动内腔9的气压大小不同时，弹性主体4实现扭转。当两个或三个驱动内腔9配合工作时，模块在任一横截面上由于两个或三个驱动内腔9的气压大小差异，产生扭转力矩，从而驱使模块偏离单向弯曲方向，通过控制各个腔之间的气压差，可以驱动模块到达运动空间任意位置。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式七：本实施方式是三个驱动内腔9同时通入气压，且各驱动内腔9的气压大小相同时，弹性主体4实现线性伸长。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式八：本实施方式是外接气泵的驱动气压为15kpa。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式九：本实施方式是外接气泵的驱动气压为30kpa。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式十：本实施方式是外接气泵的驱动气压为40kpa。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
驱动内腔的压力与弹性主体4的弯曲角度对应值如下表所示：
Claims (9)
1.一种具有多种运动形式的软体机器人模块，其特征在于：所述软体机器人模块包括弹性主体（4）、三个通气管（1）和数个约束圈（3），所述弹性主体（4）为圆柱形，数个约束圈（3）等间隔布置在弹性主体（4）的轴向方向，约束圈（3）的内圈与弹性主体（4）外圆柱面配合，所述弹性主体（4）的后端面（5）设有定位孔（6）和两个弧形连接槽（7），两个弧形连接槽（7）以弹性主体（4）的轴心线对称设置，弹性主体（4）内设有三个驱动内腔（9），三个驱动内腔（9）沿同一圆周均布设置，每个驱动内腔（9）一端封闭、另一端与通气管（1）连通，且通气管（1）位于弹性主体（4）的前端面（2），所述弹性主体（4）和约束圈（3）均采用超弹性硅橡胶复合材料（8）制成；两个或三个驱动内腔（9）通入气压，且各驱动内腔（9）的气压大小不同时，弹性主体（4）实现扭转。
2.根据权利要求1所述一种具有多种运动形式的软体机器人模块，其特征在于：所述通气管（1）的材料为光敏树脂，通过3D打印加工制成。
3.根据权利要求1或2所述一种具有多种运动形式的软体机器人模块，其特征在于：所述通气管（1）与外接气泵或液压泵连接。
4.根据权利要求3所述一种具有多种运动形式的软体机器人模块，其特征在于：所述外接气泵的驱动气压为0-45kpa，所述弹性主体（4）的弯曲角度为0-270°。
5.根据权利要求4所述一种具有多种运动形式的软体机器人模块，其特征在于：任意单个驱动内腔（9）通入气压时，弹性主体（4）实现单向弯曲。
6.根据权利要求4所述一种具有多种运动形式的软体机器人模块，其特征在于：三个驱动内腔（9）同时通入气压，且各驱动内腔（9）的气压大小相同时，弹性主体（4）实现线性伸长。
7.根据权利要求4所述一种具有多种运动形式的软体机器人模块，其特征在于：所述外接气泵的驱动气压为15kpa。
8.根据权利要求4所述一种具有多种运动形式的软体机器人模块，其特征在于：所述外接气泵的驱动气压为30kpa。
9.根据权利要求4所述一种具有多种运动形式的软体机器人模块，其特征在于：所述外接气泵的驱动气压为40kpa。
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