CN106891330B - 可伸缩软体机器人的单元模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可伸缩软体机器人单元模块，每个单元模块包括转向驱动机构、腕关节运动机构、驱动电缆总成和通讯电缆总成；其中转向驱动机构实现单元模块的伸缩自由度，腕关节运动机构实现单元模块的扭转和弯折，使每一个单元模块具有五个自由度，柔韧性能佳；并通过驱动电缆总成和通讯电缆总成使单元模块减轻负载同时实现信号的传递和电力驱动保障；该可伸缩软体机器人单元模块能够实现单个模块负载能力增加和单个模块的直线位移加大的功能，并通过协调地控制四根驱动绳实现转向机构伸缩或向任意方向弯曲，增加了机器人的工作空间；此外，通过多个模块依次连接重构机械臂构型来适应不同的环境下的相应操控。

Description

可伸缩软体机器人的单元模块

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种可伸缩软体机器人的单元模块。

背景技术

软体机器人具有自然界软体动物的部分特性，如章鱼触手的抓取能力。它由软体材料制成，并且能够承受较大应变。软体机器人能够改变自己的形状尺寸适应环境，在勘探勘测、军事侦察等方面有广泛的前景。

软体机器人具有连续性和多自由度的特点，它能较好的适应环境，通过自身的变形来适应不同的环境，在不同形态下完成各种复杂运动。

目前，软体机器人虽然已经得到了很大的发展，但仍然存在负载小，单个模块执行能力差的缺点。已公开专利申请106313028A公开了一种软体模块机器人单元模块，但该软体模块机器人单元模块的单元模块弯曲能力不强，在只有一个单元模块的情况下能够到达的任务空间较小，即使多个单元模块相连接也存在部分空间无法到达的问题空。

发明内容

本发明的目的是提供一种解决软体机器人负载小和单个模块执行力弱等问题的可伸缩软体机器人单元模块。

为此，本发明技术方案如下：

一种可伸缩软体机器人单元模块，包括转向驱动机构、腕关节运动机构、驱动电缆总成和通讯电缆总成；其中，

转向驱动机构包括转向驱动前面板、可伸缩气动管、转向驱动后面板、四根驱动绳和四个直流电机；其中，可伸缩气动管两端分别固定在转向驱动前面板的底面中心处和转向驱动后面板的顶面中心处，在转向驱动后面板中心处开设有与可伸缩气动管内部连通的通孔，该通孔通过送气管线与外部气源连通；在转向驱动前面板和转向驱动后面板上分别开设有沿圆周方向均布的四个绳孔，四个直流电机分别设置在转向驱动后面板底面且与四个绳孔一一对应，使四根驱动绳相互平行设置且一端固定在转向驱动前面板上、另一端穿出转向驱动后面板上绳孔并与固定在位于绳孔处的直流电机转轴上；

腕关节运动机构包括顶端设有前连接圆盘的连接轴、弧形连接端和后连接圆盘；其中，连接轴和弧形连接端接触端分别加工为圆形面和与圆形面相互配合的圆形凹面；后连接圆盘上表面设有两个对称设置连接片，两个连接片垂直于后连接圆盘且各沿径向开设有一个连接孔；弧形连接端下部两侧各设有一个与相邻侧连接孔相互配合的圆柱形凸起，使弧形连接端和后连接圆盘之间通过圆柱形凸起与连接孔相互配合形成活动连接；弧形连接端内自上而下依次设置有两个直流电机，位于上部的直流电机转轴与连接轴的中轴线重合，且转轴通过一根转轴延长轴延伸至所述连接轴中心盲孔内并通过连接支架将转轴延长轴与连接轴固定为一体，使所述连接轴能够随直流电机的转轴转动而发生自转；位于下部的直流电机转轴与弧形连接端两侧圆柱形凸起的中轴线重合，且转轴通过一根转轴延长轴延伸至一侧圆柱形凸起处并通过连接支架将转轴延长轴与弧形连接端固定为一体，使弧形连接端能够通过控制直流电机转轴进行正转和反转，实现弧形连接端相对于后连接圆盘发生在正负90°范围内的转动；

通讯电缆总成包括分别设置在转向驱动前面板和转向驱动后面板内的两个控制主板、设置在转向驱动前面板顶面上的短通讯电缆以及设置在转向驱动前面板和转向驱动后面板之间的长通讯电缆；短通讯电缆一端与本单元模块内的转向驱动前面板中的控制主板连接、另一端与前一连接单元模块内的转向驱动后面板中的控制主板连接；长通讯电缆一端与本单元模块内的转向驱动后面板中的控制主板连接、另一端与本单元模块内的转向驱动前面板中的控制主板连接；同时转向驱动前面板内的控制主板分别与腕关节运动机构内的两个直流电机连接，转向驱动后面板内的控制主板分别与本单元模块内的四个直流电机连接；

驱动电缆总成包括竖直设置在转向驱动前面板顶面上的短驱动电缆和设置在转向驱动前面板和转向驱动后面板之间的长驱动电缆；短驱动电缆一端与本单元模块内的转向驱动前面板中的控制主板连接、另一端用于与前一连接单元模块内的转向驱动后面板中的控制主板连接；长驱动电缆一端与本单元模块内的转向驱动后面板中的控制主板连接、另一端与本单元模块内的转向驱动前面板中的控制主板连接。

进一步地，短通讯电缆、短驱动电缆、长通讯电缆和长驱动电缆外层均套装有一可伸缩软管；其中，套装在可伸缩软管内的短驱动电缆和短通讯电缆的长度为腕关节运动机构长度的2.5倍；套装在可伸缩软管内的长驱动电缆和长通讯电缆的长度为气动管的长度的2.5倍。

进一步地，后连接圆盘和转向驱动前面板之间、转向驱动后面板和四个直流电机之间、前一个单元模块的转向驱动后面板和后一个单元模块的前连接圆盘之间均通过锁扣可拆卸连接。

与现有技术相比，该可伸缩软体机器人单元模块结构简单，柔韧性能佳，能够实现单个模块负载能力增加和单个模块的直线位移加大的功能，通过协调地控制四根驱动绳实现转向机构伸缩或向任意方向弯曲，增加了机器人的工作空间；此外，该可伸缩软体机器人单元模块采用可重构的设计，通过手动连接，多个模块可以重构出机械臂构型来适应不同的环境的相应操控。

附图说明

图1为本发明的可伸缩软体机器人单元模块的前侧面结构示意图；

图2为本发明的可伸缩软体机器人单元模块的后侧面结构示意图；

图3为直流电机的结构示意图；

图4为转向驱动前面板的结构示意图；

图5为转向驱动后面板的结构示意图；

图6为的腕关节的结构示意图；

图7为本发明的可伸缩软体机器人单元模块运动时舒张状态示意图；

图8为由三个本发明的可伸缩软体机器人单元模块构成的机械臂的结构示意图；

图9为图8的机械臂处于拉伸、弯曲和扭转工作状态下的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1～2示，该可伸缩软体机器人单元模块从外观整体看为一个底面直径为30cm，高度为42cm的圆柱体结构；

具体地，该可伸缩软体机器人单元模块包括一个转向驱动机构、一个腕关节运动机构、驱动电缆总成和通讯电缆总成；

转向驱动机构包括转向驱动前面板5、可伸缩气动管7、转向驱动后面板10、四根驱动绳9和四个直流电机11；其中，

可伸缩气动管7的两端分别粘接固定在转向驱动前面板5的底面中心处和转向驱动后面板10的顶面中心处；具体地，可伸缩气动管7为聚氨酯弹性橡胶管体结构，对整个单元模块起到支撑和抵御自重引起的变形的作用；其中，转向驱动前面板5和转向驱动后面板10分别封闭可伸缩气动管7前端和后端，在转向驱动后面板10中心处开设有与可伸缩气动管7内部连通的通孔10-1，该通孔10-1通过送气管线与外部气源连通，通过外部气源向可伸缩气动管7内充气和放气；当气体不断充入气动管中，随着气体的增加，气体的密度将越来越大，从而产生较大压强，使可伸缩气动管7沿轴向伸长，如图7所示，而当外部气源对气动管内气体进行放气时，气动管内气体压强回复原状，由于聚氨酯弹性橡胶制成的气动管具有良好的回弹性，因而放气后会逐渐回缩至原有状态，因此使可伸缩软体机器人单元模块实现轴向上的拉伸和回复运动。

如图4和图5所示，转向驱动前面板5和转向驱动后面板10均为圆盘结构，且在转向驱动前面板5有四个圆周方向均布的四个用于分别安装四根驱动绳9的凸台5-1，转向驱动后面板10上均加工有沿圆周方向均布的四个用于分别穿装四根驱动绳9的绳孔10-2；

如图2所示，四个直流电机11设置并固定在转向驱动后面板10底面上，且分别对应转向驱动后面板10上的四个绳孔10-2处设置；四根驱动绳9分别一一对应安装在转向驱动前面板5的四个凸台5-1上和转向驱动后面板10上的四个绳孔中；每根驱动绳9一端与转向驱动前面板5的凸台5-1固定、另一端穿出转向驱动后面板10上绳孔10-2并缠绕固定在直流电机11的转轴上，使每个直流电机11控制一根驱动绳9，通过直流电机11转轴的正向转动或反向转动控制驱动绳9伸长或缩短。

如图6所示，腕关节运动机构包括顶端设有前连接圆盘1-1的连接轴1-2、弧形连接端1-3和后连接圆盘1-4；其中，前连接圆盘1-1与连接轴1-2一体成型；连接轴1-2端部加工为圆形面，弧形连接端1-3顶面加工为能够与连接轴1-2端部圆形面相互配合的圆形凹面；后连接圆盘1-4上表面设有两个对称设置连接片1-6，两个连接片1-6垂直于后连接圆盘1-4且各沿径向开设有一个连接孔；弧形连接端1-3下部两侧各设有一个与相邻侧连接孔相互配合的圆柱形凸起1-5，使弧形连接端1-3和后连接圆盘1-4之间通过圆柱形凸起与连接孔相互配合形成活动连接；

在弧形连接端1-3内自上而下依次设置有第一微型直流电机和第二微型直流电机；具体地，第一微型直流电机的转轴与所述连接轴1-2的中轴线重合，且转轴通过一根转轴延长轴延伸至所述连接轴1-2中心盲孔内并通过连接支架将转轴延长轴与连接轴1-2固定为一体，使所述连接轴1-2能够随第一微型直流电机的转轴转动而发生自转；第二微型直流电机的转轴与位于弧形连接端1-3两侧圆柱形凸起1-5的中轴线重合且第二直流电机的转轴通过一根转轴延长轴延伸至一侧圆柱形凸起1-5处并通过连接支架将转轴延长轴与弧形连接端1-3固定为一体，使弧形连接端1-3能够通过控制第二微型直流电机的转轴正转和反转，实现弧形连接端1-3相对于后连接圆盘1-4发生在正负90°范围内的转动。

如图1和图2所示，通讯电缆总成包括分别设置在转向驱动前面板5和转向驱动后面板10内的两个控制主板、设置在转向驱动前面板5顶面上的短通讯电缆2以及设置在转向驱动前面板5和转向驱动后面板10之间的长通讯电缆6。其中，短通讯电缆2一端与本单元模块内的转向驱动前面板5中的控制主板连接、另一端与前一连接单元模块内的转向驱动后面板10中的控制主板连接；长通讯电缆6一端与本单元模块内的转向驱动后面板10中的控制主板连接、另一端与本单元模块内的转向驱动前面板5中的控制主板连接；当多单元模块连接成机械臂进行相应操作时，工控机通过信号传输线与位于底部单元模块内转向驱动后面板10中的控制主板连接，实现通讯信号在多个单元模块之间的传递。腕关节运动机构内的两台直流电机与设置在转向驱动前面板5内的控制主板连接，转向驱动前面板5内的控制主板接收腕关节运动机构内的两台直流电机的控制信号，通过控制主板将通讯信号转换为直流电机识别信号，对应控制腕关节运动机构内的两台直流电机的运转状态；同理，驱动绳9连接的四台直流电机与设置在转向驱动后面板10内的控制主板连接，转向驱动后面板10内的控制主板用于接收与驱动绳9连接的四台直流电机的控制信号，经过控制主板信号转换后，对应控制与驱动绳9连接的四台直流电机的运转状态。

驱动电缆总成包括竖直设置在转向驱动前面板5顶面上的短驱动电缆3和设置在转向驱动前面板5和转向驱动后面板10之间的长驱动电缆8。其中，短驱动电缆3一端与本单元模块内的转向驱动前面板5中的控制主板连接、另一端与前一连接单元模块内的转向驱动后面板10中的控制主板连接；长驱动电缆8一端与本单元模块内的转向驱动后面板10中的控制主板连接、另一端与本单元模块内的转向驱动前面板5中的控制主板连接；当多单元模块连接成机械臂进行相应操作时，将位于底部的单元模块的内转向驱动后面板10中的控制主板连接与外接电源连接，实现电力在多个单元模块内的传递，为每个单元模块内的直流电机供电。

短驱动电缆3、长驱动电缆8外层均套装有一可伸缩软管；套装在可伸缩软管内的短驱动电缆3和短通讯电缆2的长度为腕关节运动机构长度的2.5倍；套装在可伸缩软管内的长驱动电缆8和长通讯电缆6的长度为气动管7的长度的2.5倍，使各驱动电缆和各通讯电缆在随单元模块拉伸、转动和扭转过程中有足够的线程，防止因动作幅度过大扯断。

如图4、图5所示，为便于组装和拆卸，后腕关节4的后连接圆盘4-1和转向驱动前面板5之间、转向驱动后面板10和四个直流电机11之间、前一个单元模块的转向驱动后面板10和后一个单元模块的前腕关节1的前连接圆盘1-1之间均通过锁扣结构可拆卸连接。此外，在转向驱动前面板5和转向驱动后面板10上分别均布开设有四个用于将驱动线缆或通讯线缆与内侧控制主板连接的第一插口5-2和第二插口10-3，使得驱动线缆或通讯线缆之间能够得以固定，保证信号或电力稳定传输。

具体地，在前腕关节1的前连接圆盘1-1顶面上、后腕关节4的后连接圆盘4-1底面上、转向驱动前面板5顶面上和直流电机11的顶面上均加工有位于中心位置的锁扣结构；由于转向驱动后面板10底面上不仅与四个直流电机11连接固定同时也与后一个单元模块进行连接，因此，转向驱动后面板10底面上设置有位于中心位置的大尺寸锁扣结构和环绕在大尺寸锁扣结构外周且均布的四个小尺寸锁扣结构；每个锁扣结构均包括四个沿圆周方向均布的四个弧形卡槽，每个弧形卡槽包括竖直设置并固定在顶面或底面上的第一弧形部、自第一弧形部顶面沿径向且向圆心方向延伸形成的第二弧形部和设置在第一弧形部单侧侧面的挡壁。其中，进行连接的两个部件之间的弧形卡槽设置位置一一对应，挡壁的设置位置刚好相反，且其中一个部件的第一弧形部的高度略高于另一个部件的第一弧形部的高度，使两个部件之间的弧形卡槽能够相互配合进行插装；当一个单元模块的各部件进行连接时或相邻单元模块之间进行对接时，将后一单元模块和前一单元模块错位设置进行对接，然后旋转35°使两个部件完成对接。此外，为使各部件之间连接稳定，在进行锁扣连接后，通过在两个部件之间装订销钉进行二次加固。

如图8所示为将三个可伸缩软体机器人单元模块依次串联形成的柔性臂。如图9所示为三个可伸缩软体机器人单元模块依次串联形成的柔性臂处于工作状态下的结构示意图。具体来说，该可伸缩软体机器人的单元模块共具有5个自由度，分别为转向驱动机构在可伸缩气动管带动下的直线运动自由度、转向驱动前面板在驱动绳作用下的左右旋转的平面自由度、转向驱动前面板在驱动绳作用下的上下旋转的平面自由度以及腕关节运动机构沿弧形连接端1-3两侧圆柱形凸起1-5的正负90°转动的旋转自由度和连接轴1-2相对于弧形连接端1-3所作的360°自转的旋转自由度。该可伸缩软体机器人的单元模块完成的是转向驱动机构的上下旋转的平面自由度，以及前腕关节的一个旋转自由度，以满足机械臂在不同工作环境下变换。

Claims (3)

1.一种可伸缩软体机器人的单元模块，其特征在于，包括转向驱动机构、腕关节运动机构(1)、驱动电缆总成和通讯电缆总成；其中，

转向驱动机构包括转向驱动前面板(5)、可伸缩气动管(7)、转向驱动后面板(10)、四根驱动绳(9)和四个直流电机(11)；其中，可伸缩气动管(7)两端分别固定在转向驱动前面板(5)的底面中心处和转向驱动后面板(10)的顶面中心处；在转向驱动后面板(10)中心处开设有与可伸缩气动管(7)内部连通的通孔；在转向驱动前面板(5)上开设有沿圆周方向均布的四个凸台和转向驱动后面板(10)上开设有沿圆周方向均布的四个绳孔，四个直流电机(11)分别设置在转向驱动后面板(10)底面且与四个绳孔一一对应，使四根驱动绳(9)相互平行设置且一端固定在转向驱动前面板(5)上、另一端穿出转向驱动后面板(10)上绳孔并缠绕在直流电机(11)转轴上；

腕关节运动机构(1)包括顶端设有前连接圆盘(1-1)的连接轴(1-2)、弧形连接端(1-3)和后连接圆盘(1-4)；其中，连接轴(1-2)和弧形连接端(1-3)接触端分别加工为圆形面和与圆形面相互配合的圆形凹面；后连接圆盘(1-4)上表面设有两个对称设置连接片(1-6)，两个连接片(1-6)垂直于后连接圆盘(1-4)且各沿径向开设有一个连接孔；弧形连接端(1-3)下部两侧各设有一个与相邻侧连接孔相互配合的圆柱形凸起(1-5)，使弧形连接端(1-3)和后连接圆盘(1-4)之间通过圆柱形凸起与连接孔相互配合形成活动连接；弧形连接端(1-3)内自上而下依次设置有两个直流电机，位于上部的直流电机转轴与连接轴(1-2)的中轴线重合，且转轴通过一根转轴延长轴延伸至所述连接轴(1-2)中心盲孔内并通过连接支架将转轴延长轴与连接轴(1-2)固定为一体，使所述连接轴(1-2)能够随直流电机的转轴转动而发生自转；位于下部的直流电机转轴与弧形连接端(1-3)两侧圆柱形凸起(1-5)的中轴线重合，且转轴通过一根转轴延长轴延伸至一侧圆柱形凸起(1-5)处并通过连接支架将转轴延长轴与弧形连接端(1-3)固定为一体，使弧形连接端(1-3)能够通过控制直流电机转轴进行正转和反转，实现弧形连接端(1-3)相对于后连接圆盘(1-4)发生在正负90°范围内的转动；

通讯电缆总成包括分别设置在转向驱动前面板(5)和转向驱动后面板(10)内的两个控制主板、设置在转向驱动前面板(5)顶面上的短通讯电缆(2)以及设置在转向驱动前面板(5)和转向驱动后面板(10)之间的长通讯电缆(6)；短通讯电缆(2)一端与本单元模块内的转向驱动前面板(5)中的控制主板连接、另一端与前一连接单元模块内的转向驱动后面板(10)中的控制主板连接；长通讯电缆(6)一端与本单元模块内的转向驱动后面板(10)中的控制主板连接、另一端与本单元模块内的转向驱动前面板(5)中的控制主板连接；同时转向驱动前面板(5)内的控制主板分别与腕关节运动机构内的两个直流电机连接，转向驱动后面板(10)内的控制主板分别与本单元模块内的四个直流电机连接；

驱动电缆总成包括竖直设置在转向驱动前面板(5)顶面上的短驱动电缆(3)和设置在转向驱动前面板(5)和转向驱动后面板(10)之间的长驱动电缆(8)；短驱动电缆(3)一端与本单元模块内的转向驱动前面板(5)中的控制主板连接、另一端用于与前一连接单元模块内的转向驱动后面板(10)中的控制主板连接；长驱动电缆(8)一端与本单元模块内的转向驱动后面板(10)中的控制主板连接、另一端与本单元模块内的转向驱动前面板(5)中的控制主板连接。

2.根据权利要求1所述的可伸缩软体机器人的单元模块，其特征在于，短通讯电缆(2)、短驱动电缆(3)、长通讯电缆(6)和长驱动电缆(8)外层均套装有一可伸缩软管；其中，套装在可伸缩软管内的短驱动电缆(3)和短通讯电缆(2)的长度为腕关节运动机构长度的2.5倍；套装在可伸缩软管内的长驱动电缆(8)和长通讯电缆(6)的长度为气动管(7)的长度的2.5倍。

3.根据权利要求1所述的可伸缩软体机器人的单元模块，其特征在于，后连接圆盘(1-4)和转向驱动前面板(5)之间、转向驱动后面板(10)和四个直流电机(11)之间、前一个单元模块的转向驱动后面板(10)和后一个单元模块的前连接圆盘(1-1)之间均通过锁扣(4)可拆卸连接。