CN106272458B - 一种螺旋式扭转软体机器人模块 - Google Patents
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Abstract
一种螺旋式扭转软体机器人模块，它涉及一种软体机器人模块。现有软体机器人的弯曲模块虽然能够通过串联形成超冗余机械臂，但是仍然缺少扭转的自由度，导致运动形式单一的问题，同时也可解决弯曲模块实现全向运动时，控制难度大的问题。发明所述中心限制条依次穿过前堵、弹性主体和后堵，所述弹性主体内加工有多个螺旋形内腔，多个螺旋形内腔以中心限制条为中心均匀布置在弹性主体内，所述前堵设置在弹性主体的上端，前堵与每个螺旋形内腔的上口之间密封连接，所述后堵设置在弹性主体的下端，每个螺旋形内腔对应有一根连接管，每个螺旋形内腔的下口通过后堵与其对应的连接管相连通。本发明为运动形式简洁、制造简便、操作简单的软体扭转机器人。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种螺旋式扭转软体机器人模块。
背景技术
近几年，随着新材料的出现以及加工制造技术的提高，世界范围内掀起了软体机器人研究的热潮，软体机器人是机器人研究的一种新的思路，涉及仿生学，机器人学，软材料学以及控制等学科，其灵感来源于模仿自然界的软体动物。针对各种任务明确、不确定性可以忽略的可控环境，传统机器人依靠本身高刚度、高精度、速度快、重复精度好等特性，使其在工业制造领域、医疗设备领域和航空航天领域得到了广泛应用。然而当任务不可预测，环境不确定时，就需要确保机器人与环境和人身交互的安全性。虽然有很多研究致力于解决如何让刚体机器人具有软能力，但是仍然需要依靠软件控制来保证与人或环境之间的接触。而软体机器人形态结构简单，高能量重量比，由于其固有的柔顺性，能够抵御外部冲击，适应不利的环境条件，且设计灵活，易于制造，成本低廉，相较于传统机器人越来越流行。软体机器人采用超弹性材料制作软体结构，理论上具有无限多的自由度，具有连续变形的能力，很大程度上减小了环境的不确定性；同时由于其内在的特性，柔软接触，被动顺从，从硬件上使接触碰撞力最小化，保证了人身安全，弥补了刚性机器人的缺点，因此主要用于夹持器、外骨骼、超冗余机械臂以及一些不需要精确控制的场合。
经研究文献发现，目前大量的工作用于研制弯曲致动器的结构和控制，形状记忆合金和电活性聚合物可以直接制作成弯曲结构，同时有关弯曲模块的特性测定实验也大量开展。如哈佛大学，伍斯特理工学院，MIT，新加坡国立大学等研制的基于气体驱动的硅橡胶软体弯曲模块等。而有关扭转软体模块的研究很少，仍然处在原型阶段。但是软体扭转模块相对于弯曲模块具有很多特殊的优势，同样有广泛的应用前景。从软体仿生角度，仔细观察动物的运动方式，如人和动物的肢体、关节等，不仅有弯曲作用，也有扭转的作用；很多软体爬行动物如蛇，蚯蚓等身体也可实现扭曲。从通过狭窄空间角度，扭转运动更容易克服阻力，使软体变形，从而顺利通过狭小的空洞。从运动形式角度，弯曲模块虽然可以通过串联形成超冗余机械臂，但是仍然缺少扭转的自由度，导致运动形式单一，有些空间位置和姿态不易到达。从控制角度，虽然三腔弯曲模块就可以实现全向的运动，但是需要每个腔复杂的配合，给控制增加了很大的难度。
发明内容
本发明的目的是提供一种螺旋式扭转软体机器人模块，以解决现有软体机器人的弯曲模块虽然能够通过串联形成超冗余机械臂，但是仍然缺少扭转的自由度，导致运动形式单一的问题，同时也可解决弯曲模块实现全向运动时，控制难度大的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种螺旋式扭转软体机器人模块，包括弹性主体、后堵、中心限制条和前堵，所述中心限制条依次穿过前堵、弹性主体和后堵，所述弹性主体内加工有多个螺旋形内腔，多个螺旋形内腔以中心限制条为中心均匀布置在弹性主体内，所述前堵设置在弹性主体的上端，前堵与每个螺旋形内腔的上口之间密封连接，所述后堵设置在弹性主体的下端，每个螺旋形内腔对应有一根连接管，每个螺旋形内腔的下口通过后堵与其对应的连接管相连通。
弹性主体为弹性硅胶制成的圆柱体，中心限制条长度方向的中心轴线与弹性主体长度方向的中心轴线相重合。
后堵和前堵均为弹性硅胶制成的圆柱体，所述前堵固定连接在弹性主体的上端，所述后堵固定连接在弹性主体的下端，所述弹性主体、后堵和前堵同轴设置。
螺旋形内腔的个数至少为两个，多个螺旋形内腔沿弹性主体的径向方向均匀布置。
后堵内加工有与螺旋形内腔一一对应设置的多个通孔，每个通孔内对应设置有一根内管，内管的一端与其对应的螺旋形内腔的上端相连通，内管的另一端与该螺旋形内腔相对应的连接管相连通。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明不含任何刚性零部件，可以承受高强度的挤压力，结构形态简洁，易于加工制造，连接管为螺旋形内腔进行加压，利用加压状态下的螺旋形内腔和中心限制条之间的应变差，不需额外的传动元件即可实现不同角度的扭转变形运动。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。
2、本发明实现了螺旋式扭转机器人模块的扭转运动，可进一步用于结合弯曲、伸缩模块对软体机器人系统平台的搭建。
3、本发明采用一种螺旋腔式结构，通过采用不同特征参数的螺旋形内腔，能够实现不同的扭转效果。通过控制螺旋形内腔的力压即可实现控制其扭转的速度和幅度。其扭转最大角度发生在上口所在端面和下口所在端面之间，通过螺旋形内腔的上口所在端面和下口所在端面实现扭转运动。
4、本发明应用范围广泛，用于与弯曲模块、伸长模块串联，形成超冗余机械臂，用于微创手术。也能够用于夹持器、辅助医疗设备及其他设备中。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的主视结构示意图；
图3为图2的右视图；
图4为图2中I-I处的剖视图；
图5为图3中II-II处的剖视图。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到实现效果的技术过程能够充分理解并据以实施，需要说明的是，只要不构成冲突，本发明的各个实施例以及各个实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式包括弹性主体6、后堵2、中心限制条4和前堵5，所述中心限制条4依次穿过前堵5、弹性主体6和后堵2，所述弹性主体6内加工有多个螺旋形内腔3，多个螺旋形内腔3以中心限制条4为中心均匀布置在弹性主体6内，所述前堵5设置在弹性主体6的上端，前堵5与每个螺旋形内腔3的上口之间密封连接，所述后堵2设置在弹性主体6的下端，每个螺旋形内腔3对应有一根连接管1，每个螺旋形内腔3的下口通过后堵2与其对应的连接管1相连通。
本发明为运动形式简洁、制造简便、操作简单的软体扭转机器人。
本发明采用压力驱动嵌入式螺旋形内腔3，通过配置不同的螺旋形内腔3个数以及压力的大小实现不同角度的扭转。
本发明中前堵5用于封堵每个螺旋形内腔3的上口，连接管1连通有气泵或液压泵，用于给其对应的螺旋形内腔3充气。
本发明中当螺旋形内腔3的气压增大时，扭转角度增大，能实现0至90度范围的扭转。
具体实施方式二：本实施方式为具体实施方式一的进一步限定，本实施方式中弹性主体6为弹性硅胶制成的圆柱体，中心限制条4长度方向的中心轴线与弹性主体6长度方向的中心轴线相重合。
本发明中的弹性主体6为弹性硅胶制成的圆柱体，具体为由超弹性硅橡胶材料制成的圆柱体。
本发明依靠的驱动技术为气动或液压进行制动变形，其他能够实现致动变形的流体弹性体也可使用。
具体实施方式二：本实施方式为具体实施方式一的进一步限定，本实施方式中弹性主体6为弹性硅胶制成的圆柱体，中心限制条4长度方向的中心轴线与弹性主体6长度方向的中心轴线相重合。
本发明的中心限制条4为圆柱体，中心限制条4长度方向的中心轴线与弹性主体6长度方向的中心轴线相重合，同时，中心限制条4的外侧面与弹性主体6内圆柱面相配合。
具体实施方式三：本实施方式为具体实施方式二的进一步限定，本实施方式中后堵2和前堵5均为弹性硅胶制成的圆柱体，所述前堵5固定连接在弹性主体6的上端，所述后堵2固定连接在弹性主体6的下端，所述弹性主体6、后堵2和前堵5同轴设置。
本发明中前堵5虽然为弹性硅胶制成的圆柱体，但其与弹性主体6相比较硬，有利于输出扭转角位移和扭转力。后堵2的硬度相比前堵5大，用作扭转变形和扭转力的输出端，连接管1为硅胶制成的管体，中心限制条4采用棉线或其他柔软的只能旋转但是却不能轴向伸缩的材料制成的条体。
具体实施方式四：本实施方式为具体实施方式一至三的进一步限定，本实施方式中螺旋形内腔3的个数至少为两个，多个螺旋形内腔3沿弹性主体6的径向方向均匀布置。
本实施方式中所述螺旋形内腔3的个数最少为两个，但必须保证沿周向等间距对称分布就能实现沿着垂直弹性主体6的轴线方向扭转。
具体实施方式五：本实施方式为具体实施方式四的进一步限定，本实施方式中后堵2内加工有与螺旋形内腔3一一对应设置的多个通孔7，每个通孔7的一端与其对应的螺旋形内腔3的下端相连通，通孔的另一端与该螺旋形内腔3相对应的连接管1相连通。
本发明中螺旋形内腔3沿弹性主体6的径向方向均布在弹性主体6内，螺旋形内腔3与其对应的连接管1对齐设置，用来向驱动内腔导入和导出驱动压力，通过压力的变化实现不同扭转角的运动。
本发明中每个通孔7内对应设置有一根内管，内管的一端与其对应的螺旋形内腔3的上端相连通，内管的另一端与该螺旋形内腔3相对应的连接管1相连通。
Claims (4)
1.一种螺旋式扭转软体机器人模块，其特征在于，包括弹性主体(6)、后堵(2)、中心限制条(4)和前堵(5)，所述中心限制条(4)依次穿过前堵(5)、弹性主体(6)和后堵(2)，所述弹性主体(6)内加工有多个螺旋形内腔(3)，多个螺旋形内腔(3)以中心限制条(4)为中心均匀布置在弹性主体(6)内，所述前堵(5)设置在弹性主体(6)的上端，前堵(5)与每个螺旋形内腔(3)的上口之间密封连接，所述后堵(2)设置在弹性主体(6)的下端，每个螺旋形内腔(3)对应有一根连接管(1)，每个螺旋形内腔(3)的下口通过后堵(2)与其对应的连接管(1)相连通；
弹性主体(6)为弹性硅胶制成的圆柱体，中心限制条(4)长度方向的中心轴线与弹性主体(6)长度方向的中心轴线相重合，中心限制条(4)采用只能旋转而非轴向伸缩的材料制成的条体。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋式扭转软体机器人模块，其特征在于：后堵(2)和前堵(5)均为弹性硅胶制成的圆柱体，所述前堵(5)固定连接在弹性主体(6)的上端，所述后堵(2)固定连接在弹性主体(6)的下端，所述弹性主体(6)、后堵(2)和前堵(5)同轴设置。
3.根据权利要求2所述的一种螺旋式扭转软体机器人模块，其特征在于：螺旋形内腔(3)的个数至少为两个，多个螺旋形内腔(3)沿弹性主体(6)的径向方向均匀布置。
4.根据权利要求3所述的一种螺旋式扭转软体机器人模块，其特征在于：后堵(2)内加工有与螺旋形内腔(3)一一对应设置的多个通孔(7)，每个通孔(7)的一端与其对应的螺旋形内腔(3)的下端相连通，通孔(7)的另一端与该螺旋形内腔(3)相对应的连接管(1)相连通。
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