CN107009386A - 一种实现软体机器人空间运动控制的多腔体关节 - Google Patents

一种实现软体机器人空间运动控制的多腔体关节 Download PDF

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张立强
葛道晗
程广贵
张忠强
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    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J17/00—Joints
    • B25J17/02—Wrist joints
    • B25J17/0208—Compliance devices

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Abstract

本发明提供了一种实现软体机器人空间运动控制的多腔体关节，软体机器人中流动致动方式，通过在柔性材料中设计空间对称的多个腔体结构，以流通压力为动力源，实现柔性材料在此处的空间移动，进而实现软体机器人的多自由度控制。本发明具有对称性好，控制原理简单易行，易于制备的优点。

Description

一种实现软体机器人空间运动控制的多腔体关节
技术领域
本发明属于人工智能领域，尤其涉及多自由度软体机器人的结构设计，具体的是一种实现软体机器人空间运动控制的多腔体关节。
背景技术
传统机器人一般由刚性模块通过运动副连接构成，每个运动副提供一个或多个平动自由度或转动自由度，所有运动副的运动组合形成机器人末端执行器的工作空间，这种机器人具有运动精确的优点，但结构的刚性使其环境适应性较差。随着人工智能技术的发展以及军事、医疗康复、科学探测等领域对机器人柔性需求的不断增加，人们将目光投向自然界的生物体，模仿自然界中的软体动物，开展可发生连续变形的软体机器人研究。软体机器人通常由可承受大应变的柔软材料制成，具有无限多自由度和连续变形能力，可任意改变自身形状和尺寸。一般来说，软体机器人的致动方式有两大类，其一是在柔性材料内植入特殊物质、材料，在受到光、电、热等特殊信号时，产生“刺激”使得该物质发生形变，从而导致软体部件进行移动；另一方式为流体致动，自然界中的无脊椎软体动物(如蚯蚓等)体内有许多呈环形的液腔，通过调节液腔内液体体积分布实现身体蠕动。
不同的致动方式导致软体机器人的控制方式及结构的不同。如何通过柔性材料结构设计及新型传感器、执行器的应用，来实现软体机器人的多自由度控制，已经成为当前人工智能中特别是软体机器人控制领域的研究热点及难点。
发明内容
本发明的目的在于，针对软体机器人中流动致动方式，通过在柔性材料中设计空间对称的多个腔体结构，以流通压力为动力源，实现柔性材料在此处的空间移动，进而实现软体机器人的多自由度控制。本发明结构方案具体如下：
一种实现软体机器人空间运动控制的多腔体关节，其特征在于，包括柔性材料，所述柔性材料中设置多个具有空间对称结构的腔体或腔体簇，所述腔体或腔体簇通过微通道或者微管与施压装置连接；所述腔体簇是聚集在一个集中的空间内多个小腔体的总称。
进一步地，所述多个腔体或腔体簇根据所述关节移动的方向确定其在所述柔性材料中的位置。
进一步地，所述多个腔体或腔体簇在三维空间中均匀分布。
进一步地，所述腔体或腔体簇为球形。
进一步地，所述腔体或腔体簇的数量为偶数个。
进一步地，所述腔体簇是由多个球形小腔体组成。
本发明在柔性材料中制备出多个腔体，然后将腔体或腔体簇通过微通道或者微管与施压装置连接与外界连接。通过微管或微通道分别向单个腔体进行施压压力载荷，则所述关节将向其相反方向移动。
本发明利用流动致动方式，通过设计空间对称的多个对称结构的腔体，以流通压力为动力源，实现关节的驱动，进而实现软体机器人的多自由度控制。本发明所述的关节结构对称性好，控制原理简单易行。该多腔体结构简单，可以通过3D打印，或者吹塑工艺可以快捷方便的制备出本发明的多腔体结构，易于制备。
附图说明
图1为本发明所述实现软体机器人空间运动控制的多腔体关节一实施例的示意图，以四个腔体为例，四个腔体的半径均为SR。
图2是图1所示多腔体关节在XOY平面下的投影示意图。
图3是图1所示多腔体关节在XOY平面运动控制示意图。
图中：
1-柔性体，2-球形腔体，Q1、Q2、Q3、Q4分别为四个腔体的编号,腔体的半径均为SR，P1、P2、P3、P4分别为四个P微管的编号。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
图1所示为本发明所述实现软体机器人空间运动控制的多腔体关节的一个实施例，在柔性材料中制备出四个球形腔体，四个球形腔体在三维空间对称分布。四个球形腔体分别通过微通道或者微管与施压装置连接。由于腔体为球形且为对称结构，那么在笛卡尔直角坐标系中，不管是XOY平面，YOZ平面还是XOZ平面，投影结构均为一致。图2为XOY平面下的多腔体投影。
本发明的控制方案如下：
如果要实现在XOY平面内驱动，可以通过3-微管或微通道分别向单个腔体进行施压压力载荷，那么此时，该结构将向其相反方向移动，以图2为例，如果向Q1施加压力，则产生向±Y方向的运动趋势，此时若通过施加压力使得Q2，Q4腔体内存在压差，那么运动将向Q2，Q4中压力小的方向移动，形成偏移。假设想在+X方向形成移动，那么需要对腔体Q1，Q3施加压力载荷，且大于Q2，Q4腔体内部的压力载荷即可，反之，亦可成立。其关系为：
Pi＝arctan(a)Pj，其中a为0°，90°，180°，270°时，分别为+X,+Y,-X,-Y方向移动；K为柔性材料的弹性系数，与材料的本身特性有关，i，j为对应腔体序号。
如若在第一象限形成任意角度的偏移，只需要控制腔体Q1，Q2之间的压力比值即可。如图3所示，a为偏移角度，逆时针为正；可以看出，偏移角度与Q1，Q2腔体内的压力P1，P2之间的关系如下：
P2＝arc tan(a)P1
因此，根据偏移角度的反正切值就是为腔体之间的压力倍数。综上所述，偏移量与腔体压力之间的关系可以表述为：
其中，正±45°±135°时，只需将偏移两端的腔体施加相同的压力且大于其余两个腔体的压力即可；k为柔性材料的弹性系数。
在XOY平面，实现45°偏移，将相邻的两个腔体，Q1，Q2，施加相同的压力P即可。
其他角度偏移控制时，只需要控制腔体内部不同的压力即可，例如偏移30°时，相邻两腔体的压力之比：tan30°＝1/2。
另根据发明的办法，根据控制需求，只需要在柔性体内设置多个关于中心对称的腔体结构或腔体簇。因为，对称性腔体在受压力膨胀过程中，产生四周均匀的压力，均可以实现在此处的多自由度控制，控制精度由腔体个数及压力决定。腔体或腔体簇的数量最好为偶数个，当2个时，可以实现平面内的移动控制；当为大于4的偶数个时，可以实现三维控制，随着数量的数量增加，控制精度提高。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种实现软体机器人空间运动控制的多腔体关节，其特征在于：包括柔性材料，所述柔性材料中设置多个具有空间对称结构的腔体或腔体簇，所述腔体或腔体簇通过微通道或者微管与施压装置连接；所述腔体簇是聚集在一个集中的空间内多个小腔体的总称。
2.根据权利要求1所述的多腔体关节，其特征在于：所述多个腔体或腔体簇根据所述关节移动的方向确定其在所述柔性材料中的位置。
3.根据权利要求1所述的多腔体关节，其特征在于：所述多个腔体或腔体簇在三维空间中均匀分布。
4.根据权利要求1所述的多腔体关节，其特征在于：所述腔体或腔体簇为球形。
5.根据权利要求1所述的多腔体关节，其特征在于：所述腔体或腔体簇的数量为偶数个。
6.根据权利要求1所述的多腔体关节，其特征在于：所述腔体簇是由多个球形小腔体组成。
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