CN106426268B - 一种仿章鱼触手弯曲和扭转的柔性关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿章鱼触手弯曲和扭转的柔性关节。包括柔性的中空管材、密封中空管材两端的支撑端面、设置在中空管材上用于仿纵向肌的第一致动结构及用于仿斜向肌的第二致动结构，所述的第一致动结构处于通电加热状态时产生收缩的弯曲形变，以带动中空管材实现弯曲运动，所述的第二致动结构处于通电加热状态时产生收缩的弯曲形变，以带动中空管材的一端相对于另一端实现顺时针或逆时针的扭转运动。由上述技术方案可知，本发明的柔性关节不具有任何电机齿轮等刚性传动部件，避免了采用刚性传动部件给软体机器人带来的额外负担，降低了软体机器人对其应用环境（如人体）造成损害的风险，是一种简单、高效、低能耗、控制方便的新型仿生柔性关节。

Description

一种仿章鱼触手弯曲和扭转的柔性关节

技术领域

本发明涉及软体机器人领域，具体涉及一种仿章鱼触手弯曲和扭转的柔性关节。

背景技术

仿章鱼触手类的软体机器人是一类由单段或多段柔性关节联接构成且不具有任何离散关节和刚性连杆的机器人，其依靠柔性关节的连续变形来实现自身运动。仿章鱼触手类的软体机器人可以柔顺而灵活地改变自身形状，适用于空间狭窄和多障碍物环境下的作业，能胜任传统的刚性工业机器人难以完成的任务，如核电站冷却管道维修，地震现场人员搜救、人体消化道或血管检查等任务。

弯曲和扭转是章鱼触手运动中较为重要的两种运动，而在现有软体机器人技术中，对章鱼触手产生弯曲和扭转的肌肉群进行仿生类比的研究还较为少见，相关的可在同一柔性关节上同时实现弯曲和扭转两种运动的结构设计也鲜见到实物报道。若组成软体机器人的柔性关节缺少弯曲和扭转运动，软体机器人的运动空间和运动能力将受到很大的影响。

传统电机和齿轮等刚性传动结构相对于软体机器人而言体积较大、质量过重，若采用此类方法实现仿章鱼触手类的软体机器人的弯曲和扭转运动，在运动过程中，大而重的传统电机和齿轮等刚性结构会给软体机器人带来额外的负担。此外，大而重的传统电机和齿轮等刚性传动结构刚度高，在运动时具有较大的惯性和动能，容易对软体机器人的应用环境（如人体）造成一定的损害。由此，有必要针对软体机器人开发出一种仿章鱼触手肌肉生物结构和致动机理的、可实现弯曲和扭转二自由度运动的新型仿生柔性关节。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿章鱼触手弯曲和扭转的柔性关节，该柔性关节模拟了章鱼触手产生弯曲和扭转动作的肌肉群的生物结构和致动机理，包括章鱼触手的纵向肌和斜向肌两类肌肉群，其可驱动仿章鱼触手类的软体机器人完成弯曲、扭转这两种对软体机器人的运动空间和运动能力有很大影响的动作，是一种简单、高效、低能耗、控制方便的新型仿生柔性关节。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括柔性的中空管材、密封中空管材两端的支撑端面、设置在中空管材上用于仿纵向肌的第一致动结构及用于仿斜向肌的第二致动结构，所述的第一致动结构处于通电加热状态时产生收缩的弯曲形变，以带动中空管材实现弯曲运动，所述的第二致动结构处于通电加热状态时产生收缩的弯曲形变，以带动中空管材的一端相对于另一端实现顺时针或逆时针的扭转运动。

所述的中空管材呈圆筒状，由硅胶类且体积不可压缩的柔性材料构成，所述的中空管材具有弹性和变形后的回复能力。

所述的第一致动结构设置在中空管材的内部，且第一致动结构的两端分别与支撑端面相固定，所述的第一致动结构包括在中空管材内部呈上下左右方向对称设置的上致动结构、下致动结构、左致动结构及右致动结构，所述的上致动结构、下致动结构、左致动结构及右致动结构均由多个直线运动副依次串联而成。

所述的直线运动副包括内推杆、外推杆以及设置在内推杆与外推杆之间的Z型形状记忆合金，所述内推杆的一端与外推杆构成插接配合，所述内推杆的另一端与相邻的外推杆构成插接配合。

所述的外推杆包括第一碟形连接部、与第一碟形连接部相连的第一圆形柱状连接部以及与第一圆形柱状连接部相连的第二圆形柱状连接部，所述的第二圆形柱状连接部的直径小于第一圆形柱状连接部的直径，且第二圆形柱状连接部与相邻的内推杆构成插接配合，所述外推杆的内部设有方形的通孔；所述的内推杆包括与外推杆内部的通孔相配合的方形柱状连接部、与方形柱状连接部相连的第二碟形连接部以及与第二碟形连接部相连的第三圆形柱状连接部，所述的第三圆形柱状连接部的内部设有与第二圆形柱状连接部相配合的插接孔。

所述的Z型形状记忆合金设置在第一碟形连接部与第二碟形连接部之间，且Z型形状记忆合金的两端分别与第一碟形连接部及第二碟形连接部相固定，所述的Z型形状记忆合金沿方形柱状连接部的周向均匀设置四个。

所述的Z型形状记忆合金处于通电加热状态时，Z型形状记忆合金受热后发生收缩的弯曲形变，以驱动直线运动副沿其长度方向产生收缩运动。

所述的第二致动结构包括仿右螺旋外层斜向肌的外致动结构以及仿左螺旋内层斜向肌的内致动结构，所述的外致动结构按右螺旋状斜向布置在中空管材的外壁上，所述的内致动结构按左螺旋状斜向布置在中空管材的内壁上。

所述的外致动结构与内致动结构分别由截面呈方形的形状记忆合金构成，所述的外致动结构连续弯折成锯齿状布置在中空管材的外壁上，且外致动结构的两端与中空管材的外壁相固定；所述的内致动结构连续弯折成锯齿状布置在中空管材的内壁上，且内致动结构的两端与中空管材的内壁相固定。

所述外致动结构的形状记忆合金处于通电加热状态时，该形状记忆合金受热后发生收缩的弯曲形变，使中空管材的一端相对于另一端做逆时针扭转运动；所述内致动结构的形状记忆合金处于通电加热状态时，该形状记忆合金受热后发生收缩的弯曲形变，使中空管材的一端相对于另一端做顺时针扭转运动。

由上述技术方案可知，本发明通过对章鱼触手的纵向肌、斜向肌的生物结构和致动机理进行仿生类比，发明出一种可驱动仿章鱼触手类的软体机器人完成弯曲、扭转动作的柔性关节；该柔性关节不具有任何电机齿轮等刚性传动部件，避免了采用刚性传动部件给软体机器人带来的额外负担，降低了软体机器人对其应用环境（如人体）造成损害的风险，是一种简单、高效、低能耗、控制方便的新型仿生柔性关节。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明直线运动副的立体结构示意图；

图3是本发明直线运动副的分解结构示意图；

图4是本发明直线运动副的剖面图；

图5是本发明直线运动副处于正常状态的结构示意图；

图6是本发明直线运动副处于加热状态的结构示意图；

图7是本发明下致动结构处于加热状态的结构示意图；

图8是本发明外致动结构与内致动结构处于正常状态的结构示意图；

图9是本发明外致动结构处于加热状态的结构示意图；

图10是本发明内致动结构处于加热状态的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示的一种仿章鱼触手弯曲和扭转的柔性关节，包括柔性的中空管材1、密封中空管材1两端的支撑端面2、设置在中空管材1上用于仿纵向肌的第一致动结构及用于仿斜向肌的第二致动结构，支撑端面2设置在中空管材1的两端，起到密封中空管材1和保护中空管材1内各结构的作用；第一致动结构处于通电加热状态时产生收缩的弯曲形变，以带动中空管材1实现弯曲运动，第二致动结构处于通电加热状态时产生收缩的弯曲形变，以带动中空管材1的一端相对于另一端实现顺时针或逆时针的扭转运动。

进一步的，中空管材1呈圆筒状，由硅胶类且体积不可压缩的柔性材料构成，中空管材1具有弹性和变形后的回复能力。即中空管材1具有一定的变形和回弹能力，中空管材1可以承载其他部件，同时也是受力变形的载体。

进一步的，第一致动结构设置在中空管材1的内部，且第一致动结构的两端分别与支撑端面2相固定，第一致动结构包括在中空管材1内部呈上下左右方向对称设置的上致动结构3、下致动结构4、左致动结构5及右致动结构6，上致动结构3、下致动结构4、左致动结构5及右致动结构6均由多个直线运动副7依次串联而成，直线运动副7的具体数量可根据实际需要进行设置。

进一步的，如图2、图3、图4所示，直线运动副7包括内推杆71、外推杆72以及设置在内推杆71与外推杆72之间的Z型形状记忆合金73，内推杆71的一端与外推杆72构成插接配合，内推杆71的另一端与相邻的外推杆72构成插接配合，内推杆71与外推杆72的配合，构建了一对可完成伸缩运动的直线运动副。

具体地说，外推杆72包括第一碟形连接部721、与第一碟形连接部721相连的第一圆形柱状连接部722以及与第一圆形柱状连接部722相连的第二圆形柱状连接部723，也就是第一圆形柱状结构部722与第二圆形柱状连接部723形成一个类似阶梯轴的结构，第二圆形柱状连接部723的直径小于第一圆形柱状连接部722的直径，且第二圆形柱状连接部723与相邻的内推杆71构成插接配合，也就是外推杆的一端是第一碟形连接部721，外推杆的另一端是与相邻内推杆构成插接配合的第二圆形柱状连接部；外推杆72的内部设有方形的通孔724，也就是外推杆72的内部设有贯穿第一碟形连接部721、第一圆形柱状连接部722以及第二圆形柱状连接部723的方形通孔724。内推杆71包括与外推杆72内部的通孔724相配合的方形柱状连接部711、与方形柱状连接部711相连的第二碟形连接部712以及与第二碟形连接部712相连的第三圆形柱状连接部713，第三圆形柱状连接部713的内部设有与第二圆形柱状连接部723相配合的插接孔714，也就是内推杆的一端是方形柱状连接部711，该方形柱状连接部711直接插入至外推杆内部的方形通孔724中，方形柱状连接部711与通孔724的配合，一方面保证了两者在内推杆的长度方向上灵活地运动，不受其他方向上力和力矩的干扰，另一方面限制了两者之间不必要的移动，防止错位现象的发生；内推杆的另一端是第三圆形柱状连接部713，该第三圆形柱状连接部713内设有与外推杆中第二圆形柱状连接部723相配合的插接孔714，也就是第二圆形柱状连接部723直接插入至相邻的内推杆的插接孔714中，以此实现相邻直线运动副的串联。

进一步的，Z型形状记忆合金73设置在第一碟形连接部721与第二碟形连接部712之间，且Z型形状记忆合金73的两端分别与第一碟形连接部721及第二碟形连接部712相固定，Z型形状记忆合金73沿方形柱状连接部711的周向均匀设置四个。Z型形状记忆合金73的作用是驱动内推杆71及外推杆72构成的直线运动副完成伸缩运动。

进一步的，Z型形状记忆合金73处于通电加热状态时，Z型形状记忆合金73受热后发生收缩的弯曲形变，以驱动直线运动副7沿其长度方向产生收缩运动。

进一步的，第二致动结构包括仿右螺旋外层斜向肌的外致动结构8以及仿左螺旋内层斜向肌的内致动结构9，外致动结构8按右螺旋状斜向布置在中空管材1的外壁上，内致动结构9按左螺旋状斜向布置在中空管材1的内壁上。优选的，外致动结构8及内致动结构9的两端应位于中空管材1外壁或内壁的两个端部。

进一步的，外致动结构8与内致动结构9分别由截面呈方形的形状记忆合金构成，外致动结构8连续弯折成锯齿状布置在中空管材1的外壁上，且外致动结构8的两端与中空管材1的外壁相固定；内致动结构9连续弯折成锯齿状布置在中空管材1的内壁上，且内致动结构9的两端与中空管材1的内壁相固定。

进一步的，外致动结构8的形状记忆合金处于通电加热状态时，该形状记忆合金受热后发生收缩的弯曲形变，使中空管材1的一端相对于另一端做逆时针扭转运动；内致动结构9的形状记忆合金处于通电加热状态时，该形状记忆合金受热后发生收缩的弯曲形变，使中空管材1的一端相对于另一端做顺时针扭转运动。

本发明的工作原理及工作过程如下：

一、仿章鱼触手的弯曲动作：

对构成下致动结构的直线运动副中的Z型形状记忆合金的两端进行通电加热，Z型形状记忆合金受热后发生收缩的弯曲形变，以驱动直线运动副沿其长度方向产生收缩运动，如图6所示，进而驱动仿纵向肌的下致动结构沿其长度方向产生收缩运动，变为收缩的仿纵向肌的致动结构，收缩的仿纵向肌的致动结构产生的收缩力作用在中空管材上，中空管材将向下弯曲，以实现柔性关节向下方的弯曲运动，如图7所示。停止对Z型形状记忆合金的两端进行通电加热，Z型形状记忆合金逐渐冷却，其收缩力消失，在中空管材的弹性回复力的作用下，柔性关节恢复到向下方弯曲之前的状态，布置在中空管材内的下致动结构产生伸长运动，恢复到通电之前的状态，如图5所示。

与此类似，收缩上致动结构而放松下致动结构、左致动结构和右致动结构时，中空管材将向上弯曲，以实现柔性关节向上方的弯曲运动；收缩左致动结构3而放松其他方向的致动结构时，中空管材将向左弯曲，以实现柔性关节向左方的弯曲运动；收缩右致动结构而放松其他方向的致动结构时，中空管材将向右弯曲，以实现柔性关节向右方的弯曲运动。

二、仿章鱼触手的扭转动作：

如图9所示，对外致动结构中的形状记忆合金的两端进行通电加热，该形状记忆合金受热后发生收缩的弯曲形变，此时，外致动结构的形状记忆合金处于收缩状态，而左致动结构的形状记忆合金处于放松状态，中空管材的一端相对另一端做逆时针扭转，实现柔性关节的一端相对另一端做逆时针扭转；停止对该形状记忆合金的两端进行通电加热，该形状记忆合金逐渐冷却，其收缩力消失，在中空管材的弹性回复力的作用下，柔性关节恢复到做逆时针扭转之前的状态，如图8所示。

如图10所示，对内致动结构中的形状记忆合金的两端进行通电加热，该形状记忆合金受热后发生收缩的弯曲形变，此时，内致动结构的形状记忆合金处于收缩状态，而外致动结构的形状记忆合金处于放松状态，中空管材的一端相对另一端做顺时针扭转，实现柔性关节的一端相对另一端做顺时针扭转；停止对该形状记忆合金的两端进行通电加热，该形状记忆合金逐渐冷却，其收缩力消失，在中空管材的弹性回复力的作用下，柔性关节恢复到做顺时针扭转之前的状态，如图8所示。

本发明的有益效果为：本发明的仿章鱼触手弯曲和扭转的柔性关节模拟了章鱼触手的纵向肌、斜向肌的生物结构和致动机理，采用特殊形状的形状记忆合金作为致动器，驱动柔性关节完成弯曲和扭转这两种对软体机器人的运动空间和运动能力有很大影响的动作。该柔性关节不具有任何电机齿轮等刚性传动部件，避免了采用刚性传动部件给软体机器人带来的额外负担，降低了软体机器人对其应用环境（如人体）造成损害的风险，是一种简单、高效、低能耗、控制方便的新型仿生柔性关节。该柔性关节增加了软体机器人的实际运动空间和运动能力，拓展了软体机器人的应用范围，可完成传统刚性机器人无法完成的柔顺性任务。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种仿章鱼触手弯曲和扭转的柔性关节，其特征在于：包括柔性的中空管材（1）、密封中空管材（1）两端的支撑端面（2）、设置在中空管材（1）上用于仿纵向肌的第一致动结构及用于仿斜向肌的第二致动结构，所述的第一致动结构处于通电加热状态时产生收缩的弯曲形变，以带动中空管材（1）实现弯曲运动，所述的第二致动结构处于通电加热状态时产生收缩的弯曲形变，以带动中空管材（1）的一端相对于另一端实现顺时针或逆时针的扭转运动。

2.根据权利要求1所述的仿章鱼触手弯曲和扭转的柔性关节，其特征在于：所述的中空管材（1）呈圆筒状，由硅胶类且体积不可压缩的柔性材料构成，所述的中空管材（1）具有弹性和变形后的回复能力。

3.根据权利要求1所述的仿章鱼触手弯曲和扭转的柔性关节，其特征在于：所述的第一致动结构设置在中空管材（1）的内部，且第一致动结构的两端分别与支撑端面（2）相固定，所述的第一致动结构包括在中空管材（1）内部呈上下左右方向对称设置的上致动结构（3）、下致动结构（4）、左致动结构（5）及右致动结构（6），所述的上致动结构（3）、下致动结构（4）、左致动结构（5）及右致动结构（6）均由多个直线运动副（7）依次串联而成。

4.根据权利要求3所述的仿章鱼触手弯曲和扭转的柔性关节，其特征在于：所述的直线运动副（7）包括内推杆（71）、外推杆（72）以及设置在内推杆（71）与外推杆（72）之间的Z型形状记忆合金（73），所述内推杆（71）的一端与外推杆（72）构成插接配合，所述内推杆（71）的另一端与相邻的外推杆（72）构成插接配合。

5.根据权利要求4所述的仿章鱼触手弯曲和扭转的柔性关节，其特征在于：所述的外推杆（72）包括第一碟形连接部（721）、与第一碟形连接部（721）相连的第一圆形柱状连接部（722）以及与第一圆形柱状连接部（722）相连的第二圆形柱状连接部（723），所述的第二圆形柱状连接部（723）的直径小于第一圆形柱状连接部（722）的直径，且第二圆形柱状连接部（723）与相邻的内推杆（71）构成插接配合，所述外推杆（72）的内部设有方形的通孔（724）；所述的内推杆（71）包括与外推杆（72）内部的通孔（724）相配合的方形柱状连接部（711）、与方形柱状连接部（711）相连的第二碟形连接部（712）以及与第二碟形连接部（712）相连的第三圆形柱状连接部（713），所述的第三圆形柱状连接部（713）的内部设有与第二圆形柱状连接部（723）相配合的插接孔（714）。

6.根据权利要求5所述的仿章鱼触手弯曲和扭转的柔性关节，其特征在于：所述的Z型形状记忆合金（73）设置在第一碟形连接部（721）与第二碟形连接部（712）之间，且Z型形状记忆合金（73）的两端分别与第一碟形连接部（721）及第二碟形连接部（712）相固定，所述的Z型形状记忆合金（73）沿方形柱状连接部（711）的周向均匀设置四个。

7.根据权利要求4或6所述的仿章鱼触手弯曲和扭转的柔性关节，其特征在于：所述的Z型形状记忆合金（73）处于通电加热状态时，Z型形状记忆合金（73）受热后发生收缩的弯曲形变，以驱动直线运动副（7）沿其长度方向产生收缩运动。

8.根据权利要求1所述的仿章鱼触手弯曲和扭转的柔性关节，其特征在于：所述的第二致动结构包括仿右螺旋外层斜向肌的外致动结构（8）以及仿左螺旋内层斜向肌的内致动结构（9），所述的外致动结构（8）按右螺旋状斜向布置在中空管材（1）的外壁上，所述的内致动结构（9）按左螺旋状斜向布置在中空管材（1）的内壁上。

9.根据权利要求8所述的仿章鱼触手弯曲和扭转的柔性关节，其特征在于：所述的外致动结构（8）与内致动结构（9）分别由截面呈方形的形状记忆合金构成，所述的外致动结构（8）连续弯折成锯齿状布置在中空管材（1）的外壁上，且外致动结构（8）的两端与中空管材（1）的外壁相固定；所述的内致动结构（9）连续弯折成锯齿状布置在中空管材（1）的内壁上，且内致动结构（9）的两端与中空管材（1）的内壁相固定。

10.根据权利要求9所述的仿章鱼触手弯曲和扭转的柔性关节，其特征在于：所述外致动结构（8）的形状记忆合金处于通电加热状态时，该形状记忆合金受热后发生收缩的弯曲形变，使中空管材（1）的一端相对于另一端做逆时针扭转运动；所述内致动结构（9）的形状记忆合金处于通电加热状态时，该形状记忆合金受热后发生收缩的弯曲形变，使中空管材（1）的一端相对于另一端做顺时针扭转运动。