CN105945930A - 线驱动式刚度可变软体机器人 - Google Patents

Abstract

线驱动式刚度可变软体机器人，它涉及一种软体机器人。目前软体机器人以牺牲刚度提高柔顺性的不足，导致刚度和柔顺性均欠佳，现有刚度可变软体机器人存在刚度调节和运动耦合不可独立控制的问题。本发明中前驱动臂上有前堵塞腔和至少三个前绳线驱动腔，至少三个前绳线驱动腔均布在前堵塞腔周围，连接模块设在前驱动臂和后驱动臂之间，每个前绳线驱动腔通过连接模块对应有一个后绳线驱动腔且该前绳线驱动腔与其对应的后绳线驱动腔相连通，中间阻塞连接管的两端分别与前堵塞腔和后堵塞腔相连通，前堵塞腔内部和后堵塞腔内部均填有固态颗粒，端部阻塞连接管与后堵塞腔相通。本发明用于物理辅助医疗康复、微创手术、复杂环境搜索与探测工作中。

Description

线驱动式刚度可变软体机器人

技术领域

本发明具体涉及一种线驱动式刚度可变软体机器人。

背景技术

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。

然而，目前软体机器人通常以硅橡胶等柔性材料为主体，以牺牲机器人刚度为代价提高柔顺性。对于一些特殊的应用场合，纯软体机器人会带来末端震颤、抖动以及作用力小等问题，限制了软体机器人的应用范围。因此，刚度主动可变的软体机器人具有重要的研究意义。

对于刚度可变的软体机器人，中国专利CN103006165B公开了上海交通大学研制的刚度可变的柔性内窥镜机器人，由嵌入圆锥形硅胶主体的绳线驱动实现弯曲变形，通过不同部位绳线张紧调节自身刚度，运动产生和刚度调整是耦合的，不能实现刚度的单独控制。中国专利CN102825593A公开了一种磁流体连续体机器人操作器，主体基于仿象鼻长管型结构，外层为多节圆柱形弹簧串联而成，弹簧间通过中心有圆孔贯穿所有脊骨盘连接，内充磁流变液的软管通过圆孔贯穿所有脊骨盘，通过电流变化使磁流变液实现固液转换以实现刚度可变，但是机器人引入弹簧等刚性元件，使得机器人整体刚度较大，难以满足对柔顺性的需求。中国专利CN204913919U公开了运动和刚度独立可控软体机器人，采用模块化设计思想具有基体和尾体两部分，硅胶主体内部中心处设有刚度控制腔，外部等间隔的布置弹簧圈以限制径向膨胀，通过绳线驱动弯曲变形实现所需动作，通过外部气源装置调节刚度控制腔内部气压实现刚度独立可控，但是通过气压调节刚度其刚度控制腔自身刚度较低，难以实现较好的刚度控制，刚度控制腔充气调节刚度能力与机器人构型相斥，为了限制径向膨胀而引入的约束弹簧使机器人整体刚度变大，且刚性元件在机器人受挤压变形时容易划破硅胶材料造成机器人损毁。

因此，目前已有的变刚度软体机器人存在运动和刚度控制耦合，刚度不能独立可控，刚度调节影响机器人构型，刚度调节范围小的问题均未得到有效解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种线驱动式刚度可变软体机器人，以解决目前软体机器人以牺牲刚度提高柔顺性的不足，导致刚度和柔顺性均欠佳，现有刚度可变软体机器人存在刚度调节和运动耦合不可独立控制的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

线驱动式刚度可变软体机器人，包括前驱动臂、连接模块、后驱动臂、端部阻塞连接管、中间阻塞连接管、至少三根第一驱动线绳和至少三根第二驱动线绳，所述前驱动臂和后驱动臂均为软体驱动臂，所述后驱动臂的内部沿其长度方向加工有后堵塞腔和至少六个后绳线驱动腔，至少六个后绳线驱动腔均匀布置在后堵塞腔的周围，所述前驱动臂的内部沿其长度方向分别加工有前堵塞腔和至少三个前绳线驱动腔，至少三个前绳线驱动腔均匀布置在前堵塞腔的周围，所述连接模块设置在前驱动臂和后驱动臂之间，每个前绳线驱动腔通过连接模块对应有一个后绳线驱动腔且该前绳线驱动腔与其对应的后绳线驱动腔相连通，所述中间阻塞连接管设置在连接模块内且其两端分别与前堵塞腔和后堵塞腔相连通，前堵塞腔的内部和后堵塞腔的内部均填充有固态颗粒，所述端部阻塞连接管设置在后驱动臂上并与后堵塞腔相连通；

至少三根第一驱动线绳和至少三根第二驱动线绳交替排列，每根第一驱动线绳对应有一个后绳线驱动腔，每根第一驱动线绳的一端与绕线盘相连接，每根第一驱动线绳的另一端穿过其对应的后绳线驱动腔固定连接在连接模块内；每根第二驱动线绳对应有一个后绳线驱动腔和一个前绳线驱动腔，每根第二驱动线绳的一端与绕线盘相连接，每根第二驱动线绳的另一端依次穿过其对应的后绳线驱动腔和前绳线驱动腔固定连接在前驱动臂上。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明不含任何刚性零部件，能够承受高强度的挤压力。通过真空颗粒阻塞效应实现前驱动臂和后驱动臂刚度独立可变，兼顾了软体机器人柔顺性和刚性，有效保证前驱动臂和后驱动臂内部各个部件的完整性。

2、本发明为一种通过绳线驱动的软体机器人，其刚度能够独立控制，至少三根第一驱动线绳能够独立驱动前驱动臂，至少三根第二驱动线绳能够独立驱动后驱动臂。前堵塞腔、后堵塞腔以及二者内部填充的固态颗粒的相互配合实现在“真空颗粒阻塞现象”的作用下前驱动臂和后驱动臂的柔性和刚性之间灵活转换的效果，本发明能够实现良好且灵活的刚性控制，转换后的刚性状态稳定，本发明还能够实现良好且灵活的柔顺性控制，转换后的柔顺性状态稳定。本发明能够在任意构型下进行大范围刚度主动调节且具有全向弯曲运动能力的特性。

3、本发明使用灵活，能够实现柔顺性和刚性之间的灵活调节。本发明应用范围广泛，适合物理辅助医疗康复、微创手术、复杂环境搜索与探测工作中。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的主视结构剖面图；

图3是图2中A处的放大图；

图4是图2中B-B处的剖视图；

图5是图2中C-C处的剖视图；

图6是连接模块2的立体结构示意图；

图7是连接模块2的主视结构示意图；

图8是图7的后视结构示意图；

图9是图7的俯视结构示意图；

图10是本发明在不同进给量的作用下刚度变化的曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9说明本实施方式，本实施方式包括前驱动臂1、连接模块2、后驱动臂3、端部阻塞连接管4、中间阻塞连接管5、至少三根第一驱动线绳6和至少三根第二驱动线绳7，所述前驱动臂1和后驱动臂3均为软体驱动臂，所述后驱动臂3的内部沿其长度方向加工有后堵塞腔3-1和至少六个后绳线驱动腔3-2，至少六个后绳线驱动腔3-2均匀布置在后堵塞腔3-1的周围，所述前驱动臂1的内部沿其长度方向分别加工有前堵塞腔1-1和至少三个前绳线驱动腔1-2，至少三个前绳线驱动腔1-2均匀布置在前堵塞腔1-1的周围，所述连接模块2设置在前驱动臂1和后驱动臂3之间，每个前绳线驱动腔1-2通过连接模块2对应有一个后绳线驱动腔3-2且该前绳线驱动腔1-2与其对应的后绳线驱动腔3-2相连通，所述中间阻塞连接管5设置在连接模块2内且其两端分别与前堵塞腔1-1和后堵塞腔3-1相连通，前堵塞腔1-1的内部和后堵塞腔3-1的内部均填充有固态颗粒，所述端部阻塞连接管4设置在后驱动臂3上并与后堵塞腔3-1相连通；

至少三根第一驱动线绳6和至少三根第二驱动线绳7交替排列，每根第一驱动线绳6对应有一个后绳线驱动腔3-2，每根第一驱动线绳6的一端与绕线盘相连接，每根第一驱动线绳6的另一端穿过其对应的后绳线驱动腔3-2固定连接在连接模块2内；每根第二驱动线绳7对应有一个后绳线驱动腔3-2和一个前绳线驱动腔1-2，每根第二驱动线绳7的一端与绕线盘相连接，每根第二驱动线绳7的另一端依次穿过其对应的后绳线驱动腔3-2和前绳线驱动腔1-2固定连接在前驱动臂1上。

本发明中连接模块2固定连通在前驱动臂1和后驱动臂3之间。前驱动臂1和后驱动臂3均采用模块化设计，具有相同的圆柱形外形和结构尺寸。本发明依靠现有程序命令实现动作的控制。

本发明中前绳线驱动腔1-2和后绳线驱动腔3-2均为直通腔，用于第一驱动线绳6和第二驱动线绳7走线。前绳线驱动腔1-2的一端封闭，前绳线驱动腔1-2通过中间阻塞连接管5填入固态颗粒。

本发明中的固态颗粒为微型颗粒，其具体为咖啡粉末、微型玻璃小球或其他硬质的固态颗粒即可。

本发明中第一驱动线绳6和第二驱动线绳7均为高强度的凯夫拉纤维制成的线绳。

本发明中绕线盘为微型电机驱动的绕线盘，绕线盘为已有产品。其为第一驱动线绳6和第二驱动线绳7提供驱动力。

本发明中前驱动臂1和后驱动臂3均为软体驱动臂，即通过硅胶或其他软质材料制成的驱动臂，前驱动臂1内的前堵塞腔1-1以及后驱动臂3内的后堵塞腔3-1的腔壁均为高强度膜，其为硬度50的模具硅胶，能够起到等同弹性效果的其它材料均可。

本发明还需要借助真空泵使前堵塞腔1-1和后堵塞腔3-1处于真空状态，真空泵直接与端部阻塞连接管4相连通，为前堵塞腔1-1和后堵塞腔3-1内的固态颗粒提供气体。

具体实施方式二：结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式中所述前驱动臂1和后驱动臂3的外形均为圆柱形，所述连接模块2包括圆盘形本体2-1和至少三个第一限位块2-2，所述连接模块2沿其轴向方向分别加工有通气孔2-3、至少三个第一线绳通孔2-4和至少三个第二线绳通孔2-5，所述连接模块2沿其径向方向加工有至少三个限位块放置槽2-6，每个限位块放置槽2-6内放置有一个第一限位块2-2，第一线绳通孔2-4和第二线绳通孔2-5交替排列在通气孔2-3的周围，每个第一线绳通孔2-4的一端与第一驱动线绳6对应的后绳线驱动腔3-2相连通，每个第一线绳通孔2-4的另一端与一个限位块放置槽2-6相连通，每根第一驱动线绳6的一端与绕线盘相连接，每根第一驱动线绳6的另一端依次穿过其对应的后绳线驱动腔3-2和第一线绳通孔2-4与限位块放置槽2-6内的第一限位块2-2固定连接；第二线绳通孔2-5与第二驱动线绳7一一对应设置，每个第二线绳通孔2-5的两端分别与其对应的第二驱动线绳7所在的后绳线驱动腔3-2和前绳线驱动腔1-2相连通。

本实施方式中第一限位块2-2的设置是为了防止第一驱动线绳6的在张紧时从后绳线驱动腔3-2中脱落，同时第一驱动线绳6与微型电机驱动的绕线盘固定连接，通过电机旋转带动绳线的张紧和放松实现机器人的弯曲变形运动。

本实施方式中连接模块2的整体为圆柱形外形，其外径尺寸与前驱动臂1、后驱动臂3相同。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式中它还包括至少三个第二限位块8，每根第二驱动线绳7的一端与绕线盘相连接，每根第二驱动线绳7的另一端依次穿过其对应的后绳线驱动腔3-2、第二线绳通孔2-5和前绳线驱动腔1-2通过一个第二限位块8固定连接在前驱动臂1上。

本实施方式中第二限位块8的作用是为了固定第二驱动线绳7的位置。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式中它还包括第一颗粒过滤网9和第二颗粒过滤网10，所述第一颗粒过滤网9位于前堵塞腔1-1内且其朝向中间阻塞连接管5设置，所述第二颗粒过滤网10位于后堵塞腔3-1内且其朝向端部阻塞连接管4设置。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

本实施方式中第一颗粒过滤网9和第二颗粒过滤网10的设置是为了防止固态颗粒向外泄露，当连接真空气泵将前堵塞腔1-1和后堵塞腔3-1内的气压调节到负压，在“真空颗粒阻塞现象”的作用下前堵塞腔1-1和后堵塞腔3-1均能够实现在柔性和刚性之间转换，根据负压的大小和固态颗粒的大小可实现刚度定量调节，刚度调节过程与弯曲变性运动过程相互独立，在本发明任意构型下可实现刚度调节。

结合说明书附图10进一步说明本发明在“颗粒阻塞现象”作用下，前驱动臂1的末端接触力大大提升，前驱动臂1的刚度提升6倍左右，具有极强的变刚度能力。

为了更好的理解“颗粒阻塞现象”的特性，将阻塞腔等效为一端固定的悬臂梁，另一端施加集中载荷的模型。在载荷的作用下，阻塞腔产生挠曲变形，挠度和载荷的关系式表示如下：

$\mathrm{\υ}=\frac{{\mathrm{Fl}}^3}{3{\mathrm{EI}}_z}$

该关系式中，F表示悬臂自由端集中载荷，l为悬臂的长度，即末端载荷与固定支点之间的距离，E为材料的杨氏模量，I_z为悬臂梁截面惯量。

搭建刚度测定试验台，将阻塞腔竖直悬挂，保持顶端固定，末端自由；通过导程为1mm的滚珠丝杠带动固定在滑块上的力传感器进给。进行非阻塞态和阻塞态下的多组试验，得到定量进给下的接触力大小，由上述的阻塞腔产生挠曲变形，挠度和载荷的关系式即可得到相应状态下的软体变形模块的刚度特性。

本发明中通过多次样品试验，即在不同阻塞状态下，前驱动臂1在不同进给下的末端接触力进行测量，非阻塞态：表示为前驱动臂1未接通真空泵的状态下测量末端接触力的大小，阻塞态：表示为前驱动臂1接通真空泵的状态下测量末端接触力的大小，测量结果如下表：

通过上表可以得出，前驱动臂1在不同压强的状态下，非阻塞态和阻塞态下的接触力差别很大，至少提高4倍以上。

本发明的工作过程：

当本发明作业时，微型电机驱动绕线盘，从而控制至少三根第一驱动线绳6和至少三根第二驱动线绳7的张紧动作，前驱动臂1通过至少三根第二驱动线绳7实现各种作业动作，后驱动臂3通过至少三根第一驱动线绳6实现各种作业动作。当需要进行软、刚性转换时，利用真空泵调节前堵塞腔1-1的内部和后堵塞腔3-1的内部的气压，从而使二者内部填充的固态颗粒下气压下降时刚性增强，使本发明整体刚性增强，软性变弱。同理，二者内部填充的固态颗粒下气压上升时刚性变弱，软性增强，使本发明整体刚性变弱。有效实现软、刚性转换的定量调节。

Claims (4)

1.一种线驱动式刚度可变软体机器人，其特征在于：它包括前驱动臂(1)、连接模块(2)、后驱动臂(3)、端部阻塞连接管(4)、中间阻塞连接管(5)、至少三根第一驱动线绳(6)和至少三根第二驱动线绳(7)，所述前驱动臂(1)和后驱动臂(3)均为软体驱动臂，所述后驱动臂(3)的内部沿其长度方向加工有后堵塞腔(3-1)和至少六个后绳线驱动腔(3-2)，至少六个后绳线驱动腔(3-2)均匀布置在后堵塞腔(3-1)的周围，所述前驱动臂(1)的内部沿其长度方向分别加工有前堵塞腔(1-1)和至少三个前绳线驱动腔(1-2)，至少三个前绳线驱动腔(1-2)均匀布置在前堵塞腔(1-1)的周围，所述连接模块(2)设置在前驱动臂(1)和后驱动臂(3)之间，每个前绳线驱动腔(1-2)通过连接模块(2)对应有一个后绳线驱动腔(3-2)且该前绳线驱动腔(1-2)与其对应的后绳线驱动腔(3-2)相连通，所述中间阻塞连接管(5)设置在连接模块(2)内且其两端分别与前堵塞腔(1-1)和后堵塞腔(3-1)相连通，前堵塞腔(1-1)的内部和后堵塞腔(3-1)的内部均填充有固态颗粒，所述端部阻塞连接管(4)设置在后驱动臂(3)上并与后堵塞腔(3-1)相连通；

至少三根第一驱动线绳(6)和至少三根第二驱动线绳(7)交替排列，每根第一驱动线绳(6)对应有一个后绳线驱动腔(3-2)，每根第一驱动线绳(6)的一端与绕线盘相连接，每根第一驱动线绳(6)的另一端穿过其对应的后绳线驱动腔(3-2)固定连接在连接模块(2)内；每根第二驱动线绳(7)对应有一个后绳线驱动腔(3-2)和一个前绳线驱动腔(1-2)，每根第二驱动线绳(7)的一端与绕线盘相连接，每根第二驱动线绳(7)的另一端依次穿过其对应的后绳线驱动腔(3-2)和前绳线驱动腔(1-2)固定连接在前驱动臂(1)上。

2.根据权利要求1所述的线驱动式刚度可变软体机器人，其特征在于：所述前驱动臂(1)和后驱动臂(3)的外形均为圆柱形，所述连接模块(2)包括圆盘形本体(2-1)和至少三个第一限位块(2-2)，所述连接模块(2)沿其轴向方向分别加工有通气孔(2-3)、至少三个第一线绳通孔(2-4)和至少三个第二线绳通孔(2-5)，所述连接模块(2)沿其径向方向加工有至少三个限位块放置槽(2-6)，每个限位块放置槽(2-6)内放置有一个第一限位块(2-2)，第一线绳通孔(2-4)和第二线绳通孔(2-5)交替排列在通气孔(2-3)的周围，每个第一线绳通孔(2-4)的一端与第一驱动线绳(6)对应的后绳线驱动腔(3-2)相连通，每个第一线绳通孔(2-4)的另一端与一个限位块放置槽(2-6)相连通，每根第一驱动线绳(6)的一端与绕线盘相连接，每根第一驱动线绳(6)的另一端依次穿过其对应的后绳线驱动腔(3-2)和第一线绳通孔(2-4)与限位块放置槽(2-6)内的第一限位块(2-2)固定连接；第二线绳通孔(2-5)与第二驱动线绳(7)一一对应设置，每个第二线绳通孔(2-5)的两端分别与其对应的第二驱动线绳(7)所在的后绳线驱动腔(3-2)和前绳线驱动腔(1-2)相连通。

3.根据权利要求2所述的线驱动式刚度可变软体机器人，其特征在于：它还包括至少三个第二限位块(8)，每根第二驱动线绳(7)的一端与绕线盘相连接，每根第二驱动线绳(7)的另一端依次穿过其对应的后绳线驱动腔(3-2)、第二线绳通孔(2-5)和前绳线驱动腔(1-2)通过一个第二限位块(8)固定连接在前驱动臂(1)上。

4.根据权利要求1、2或3所述的线驱动式刚度可变软体机器人，其特征在于：它还包括第一颗粒过滤网(9)和第二颗粒过滤网(10)，所述第一颗粒过滤网(9)位于前堵塞腔(1-1)内且其朝向中间阻塞连接管(5)设置，所述第二颗粒过滤网(10)位于后堵塞腔(3-1)内且其朝向端部阻塞连接管(4)设置。