CN107757745A - 柔性多爪攀爬机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性多爪攀爬机器人，包括真空泵、外柔躯干和至少一个两爪机构，当两爪机构的数量超过两个时，相邻两个两爪机构对称设在外柔躯干的两端。两爪机构包括刚性关节和两只外柔手臂；两只外柔手臂的一端均与刚性关节固定连接；每只外柔手臂和每个外柔躯干均包括若干个相互串联的单元模块；每个单元模块均包括内柔性骨架、气管、外柔性层、堵塞机构、形变堵头和堵塞堵头。本发明通过对各个单元模块中若干个形变孔内气体压力的控制，能实现对相应单元模块的拉伸、压缩或弯曲；通过对堵塞机构的吸真空操作，能使堵塞机构由柔性转变为刚性状态，从而能适应复杂杆系中杆体的攀爬。

Description

柔性多爪攀爬机器人

技术领域

本发明涉及机器人研究领域，特别是一种柔性多爪攀爬机器人。

背景技术

在机器人研究领域，已经不再仅仅要求机器人具有更大负载能力，更大刚度，更高的精度，更要求机器人具有较好的柔性及复杂环境的适应能力。这种对复杂环境的适应性是目前的基于刚体的机器人无法实现的。

对于复杂环境的探索，一直是机器人领域研究的热点。对于像高压输电塔等复杂杆系的攀爬一直都是难点。目前的技术方案大都采用的是基于刚体理论的机器人机构，但是由于其灵活性方面的不足，因此距离取得实际应用还很远。

针对此问题，本发明研发了一种柔性多爪攀爬机构，有望以一种全新的思路和方法解决复杂杆系的攀爬难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种柔性多爪攀爬机器人，该柔性多爪攀爬机器人对像高压输电塔等复杂杆系具有很强的环境适应能力，通过变刚度原理，既具有较大灵活性，能根据复杂杆系中杆体位置，快速改变自身形状，并与相应杆体相匹配；又具有较大刚性，当与相应杆体相匹配后，通过变刚度，使外柔手臂与杆体实现抓握，使得机器人向上攀爬。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种柔性多爪攀爬机器人，包括真空泵和两爪机构，两爪机构包括刚性关节和两只外柔手臂；两只外柔手臂的一端均与刚性关节固定连接。

每只外柔手臂均包括若干个相互串联的单元模块。

每个单元模块均包括内柔性骨架、气管、外柔性层、堵塞机构、形变堵头和堵塞堵头。

内柔性骨架具有中心通孔，位于中心通孔外周的内柔性骨架上沿周向均布有若干个形变孔。

外柔性层包覆在内柔性骨架的外周。

每个形变孔的两端各密封填充一个形变堵头。

堵塞机构固定在中心通孔内，堵塞机构包括支撑骨架、弹性连接绳索，大球颗粒、小球颗粒、收紧弹簧和密封薄膜。

位于堵塞机构两端的中心通孔内各填充一个堵塞堵头。

支撑骨架为对称结构，支撑骨架的数量为若干个，弹性连接绳索依次从每个支撑骨架的对称中心穿过，且每个支撑骨架均与弹性连接绳索固定连接；弹性连接绳索的两端分别与两个堵塞堵头固定连接。

相邻两个支撑骨架之间均具有容纳腔；大球颗粒以弹性连接绳索为中心，沿周向均布在容纳腔内，且大球颗粒之间均通过收紧弹簧相连接；小球颗粒填充在容纳腔的剩余空间内。

密封薄膜包覆在支撑骨架和小球颗粒的外周。

堵塞机构和每个形变孔内均各设置有一根气管，所有气管均与真空泵相连接。

相邻两个单元模块之间通过共用的堵塞堵头和形变堵头形成固定连接。

通过对各个单元模块中若干个形变孔内气体压力的控制，能实现对相应单元模块的拉伸、压缩或弯曲；通过对堵塞机构的吸真空操作，能使堵塞机构由柔性转变为刚性状态，从而能适应复杂杆系中杆体的攀爬。

还包括外柔躯干，两爪机构的数量不少于两个，相邻两个两爪机构对称设置在一个外柔躯干的两端，且每个两爪机构中的刚性关节均与外柔躯干的一端固定连接；外柔躯干也包括若干个相互串联的单元模块。

两爪机构的数量为两个，两个两爪机构和一个外柔躯干构成四爪攀爬机器人。

两爪机构的数量为三个，外柔躯干的数量为两个，三个两爪机构和两个外柔躯干构成六爪攀爬机器人。

每个单元模块均还包括包裹层，包裹层包覆在外柔性层的外周。

每个单元模块中的内柔性骨架沿周向布设有三个形变孔。

内柔性骨架为中空的圆柱体，每个形变孔均为弧形孔，每个弧形孔均与内柔性骨架同心设置。

支撑骨架的形状为菱形、椭圆形或双曲线形。

密封薄膜的外周与中心通孔的内壁相粘接固定。

本发明具有的有益效果是：

1、当每个单元模块中的堵塞机构内腔均为正常气压，也即不进行吸真空时，堵塞机构则具有柔性。此时，通过对内柔性骨架的形变孔内充入不同气压的气体，则能实现单元模块为压缩、拉伸、弯曲的驱动状态。因而，本发明中的外柔手臂和外柔躯干均具有柔性，能对像高压输电塔等复杂杆系具有很强的环境适应能力，灵活性强，能根据复杂杆系中杆体位置，快速改变自身形状，并使软体手臂自由端与相应杆体相匹配，也即能与相应杆体形成抱合状态，为攀爬做准备。

2、当软体手臂自由端与相应杆体形成抱合状态后，对堵塞机构吸真空，此时堵塞机构将转变为刚性部件。由于堵塞机构的内部支撑作用，整个单元模块也变成了刚性部件。也即实现了从柔性向刚性的转变，变刚度。从而，能使得外柔手臂与杆体实现抓握，使得机器人向上攀爬。总之，本发明具有极好的环境适应能力，通过变刚度原理，既能具有较大柔性，又能具有较大刚性。

附图说明

图1显示了本发明一种柔性多爪攀爬机器人含有一个两爪机构时的结构示意图。

图2显示了本发明一种柔性多爪攀爬机器人含有两个两爪机构时的结构示意图。

图3显示了本发明一种柔性多爪攀爬机器人含有三个两爪机构时的结构示意图。

图4显示了外柔手臂的结构示意图。

图5显示了本发明单元模块的纵剖面结构示意图。

图6显示了本发明单元模块的截面结构示意图。

图7显示了堵塞机构的纵剖面结构示意图。

图8显示了堵塞机构处于压缩状态时的示意图。

图9显示了堵塞机构处于拉伸状态时的示意图。

图10显示了堵塞机构处于弯曲状态时的示意图。

图11显示了堵塞机构第二种实施例的结构示意图。

图12显示了堵塞机构第三种实施例的结构示意图。

其中有：

100.单元模块；

110.内柔性骨架；111.中心通孔；112.堵塞堵头；113.形变孔；114.形变堵头；

120.气管；130.外柔性层；140.包裹层；

150.堵塞机构；

151.支撑骨架；152.弹性连接绳索；153.大球颗粒；154.收紧弹簧；155.小球颗粒；156.密封薄膜；

200.真空泵；

300.两爪机构；310.刚性关节；320外柔手臂；

400.外柔躯干；500.复杂杆系；510.杆体。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图3所示，一种柔性多爪攀爬机器人，包括真空泵200和至少一个两爪机构300。

当两爪机构为一个时，称为两爪攀爬机器人，如图1所示。

当两爪机构为两个时，还包括一个外柔躯干400，如图2所示，两个两爪机构和一个外柔躯干构成四爪攀爬机器人。

上述四爪攀爬机器人中，两个两爪机构对称设置在一个外柔躯干的两端，且每个两爪机构中的刚性关节均与外柔躯干的一端固定连接。

当两爪机构为三个时，还包括两个外柔躯干400，如图3所示，三个两爪机构和两个外柔躯干构成六爪攀爬机器人。

上述六爪攀爬机器人中，相邻两个两爪机构对称设置在一个外柔躯干的两端，且每个两爪机构中的刚性关节均与外柔躯干的一端固定连接。

依次类推，两爪机构的数量还可以为四个、五个或多个，外柔躯干的数量也可以为三个、四个或多个，均在本发明的保护范围之内。

两爪机构300包括刚性关节310和两只外柔手臂320；两只外柔手臂的一端均与刚性关节固定连接。

如图4所示，每只外柔手臂320和每个外柔躯干400均包括若干个单元模块100；若干个单元模块相互串联，相邻两个单元模块之间通过共用的堵塞堵头112和形变堵头114形成连接。

如图5和图6所示，单元模块100包括内柔性骨架110、气管120、外柔性层130、包裹层140、堵塞机构150、形变堵头114和堵塞堵头112。

内柔性骨架具有中心通孔111，位于中心通孔外周的内柔性骨架上沿周向均布有若干个形变孔113，本发明中形变孔的数量优选为3个。

外柔性层包覆在内柔性骨架的外周，优选外柔性层与内柔性骨架固定连接，进一步优选为粘结，外柔性层的材料优选为硅胶等。

包裹层包覆在外柔性层的外周。

上述包裹层优选为膜状或者网状结构，与外柔性层固定连接。

上述内柔性骨架也采用硅胶、橡胶或其他高分子材料，通过不同配比，使内柔性骨架的硬度或刚度大于外柔性层。

每个形变孔的两端各密封填充一个形变堵头。

堵塞机构固定在中心通孔内，如图7所示，堵塞机构150包括支撑骨架151、弹性连接绳索152，大球颗粒153、小球颗粒155、收紧弹簧154和密封薄膜156。

位于堵塞机构两端的中心通孔内各填充一个堵塞堵头。

支撑骨架为对称结构，支撑骨架的数量为若干个，支撑骨架的形状优选为如图7所示的菱形，但也可以为如图11所示的椭圆形或如图12所示的双曲线形等，也均在本发明的保护范围之类。

支撑骨架的材料优选为塑料，PVC，高分子等轻质材料。

弹性连接绳索依次从每个支撑骨架的对称中心穿过，且每个支撑骨架均与弹性连接绳索固定连接；弹性连接绳索的两端分别与两个堵塞堵头固定连接。

相邻两个支撑骨架之间均具有容纳腔；大球颗粒以弹性连接绳索为中心，沿周向均布在容纳腔内，且大球颗粒之间均通过收紧弹簧相连接；小球颗粒填充在容纳腔的剩余空间内。

密封薄膜包覆在支撑骨架和小球颗粒的外周，密封薄膜的外周优选与中心通孔的内壁相粘接固定。密封薄膜优选由高强度低弹性材料制成，将大球颗粒和菱形骨架密封成一体结构。

堵塞机构和每个形变孔内均各设置有一根气管120，气管中部分别从对应的堵头中密封穿出，所有气管均与真空泵相连接，连接方式为现有技术，图中未标出。

如图8所示，堵塞机构在自由状态（也即不吸真空）时，大球颗粒通过收紧弹簧的作用，压紧支撑骨架，当支撑骨架为菱形时，大球颗粒轻轻的压在菱形骨架上，并与菱形骨架相切，使大球颗粒不至于随机散落在整个容纳腔内，使大球颗粒的运动具有确定性。弹性连接绳索与每个菱形骨架的中心固定连接，具有一定的弹性。如图9所示，当单元模块被拉伸时，支撑骨架间的距离变大，弹性连接绳索产生拉伸变形。大球颗粒始终嵌在支撑骨架之间，传递外界压力。此时单元模块的刚度很低，即具有柔性。

当然，通过对若干个形变孔内气体压力的控制，还能实现如图10所示的弯曲。

当单元模块已达到设定的拉伸、压缩或弯曲状态后，通过对堵塞机构内抽真空，即能使单元模块实现从柔性向刚性的转变，即变刚度。具体为：对堵塞机构的内腔吸真空时，由于外部压力，使得大球颗粒、小球颗粒、支撑骨架仅仅地挤压在一起，依靠摩擦力，咬合力，使堵塞机构的刚度极具增加，即刚性。

相邻两个单元模块之间通过共用的堵塞堵头和形变堵头形成固定连接。

通过对各个单元模块中若干个形变孔内气体压力的控制，能实现对相应单元模块的拉伸、压缩或弯曲；通过对堵塞机构的吸真空操作，能使堵塞机构由柔性转变为刚性状态，从而能适应复杂杆系500中杆体510的攀爬。

当软体手臂自由端与相应杆体形成抱合状态后，对堵塞机构吸真空，此时堵塞机构将转变为刚性部件。由于堵塞机构的内部支撑作用，整个单元模块也变成了刚性部件。也即实现了从柔性向刚性的转变，变刚度。从而，能使得外柔手臂与杆体实现抓握，使得机器人向上攀爬。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种柔性多爪攀爬机器人，其特征在于：包括真空泵和两爪机构，两爪机构包括刚性关节和两只外柔手臂；两只外柔手臂的一端均与刚性关节固定连接；

每只外柔手臂均包括若干个相互串联的单元模块；

每个单元模块均包括内柔性骨架、气管、外柔性层、堵塞机构、形变堵头和堵塞堵头；

内柔性骨架具有中心通孔，位于中心通孔外周的内柔性骨架上沿周向均布有若干个形变孔；

外柔性层包覆在内柔性骨架的外周；

每个形变孔的两端各密封填充一个形变堵头；

堵塞机构固定在中心通孔内，堵塞机构包括支撑骨架、弹性连接绳索，大球颗粒、小球颗粒、收紧弹簧和密封薄膜；

位于堵塞机构两端的中心通孔内各填充一个堵塞堵头；

支撑骨架为对称结构，支撑骨架的数量为若干个，弹性连接绳索依次从每个支撑骨架的对称中心穿过，且每个支撑骨架均与弹性连接绳索固定连接；弹性连接绳索的两端分别与两个堵塞堵头固定连接；

相邻两个支撑骨架之间均具有容纳腔；大球颗粒以弹性连接绳索为中心，沿周向均布在容纳腔内，且大球颗粒之间均通过收紧弹簧相连接；小球颗粒填充在容纳腔的剩余空间内；

密封薄膜包覆在支撑骨架和小球颗粒的外周；

堵塞机构和每个形变孔内均各设置有一根气管，所有气管均与真空泵相连接；

相邻两个单元模块之间通过共用的堵塞堵头和形变堵头形成固定连接；

通过对各个单元模块中若干个形变孔内气体压力的控制，能实现对相应单元模块的拉伸、压缩或弯曲；通过对堵塞机构的吸真空操作，能使堵塞机构由柔性转变为刚性状态，从而能适应复杂杆系中杆体的攀爬。

2.根据权利要求1所述的柔性多爪攀爬机器人，其特征在于：还包括外柔躯干，两爪机构的数量不少于两个，相邻两个两爪机构对称设置在一个外柔躯干的两端，且每个两爪机构中的刚性关节均与外柔躯干的一端固定连接；外柔躯干也包括若干个相互串联的单元模块。

3.根据权利要求2所述的柔性多爪攀爬机器人，其特征在于：两爪机构的数量为两个，两个两爪机构和一个外柔躯干构成四爪攀爬机器人。

4.根据权利要求2所述的柔性多爪攀爬机器人，其特征在于：两爪机构的数量为三个，外柔躯干的数量为两个，三个两爪机构和两个外柔躯干构成六爪攀爬机器人。

5.根据权利要求1所述的柔性多爪攀爬机器人，其特征在于：每个单元模块均还包括包裹层，包裹层包覆在外柔性层的外周。

6.根据权利要求1所述的柔性多爪攀爬机器人，其特征在于：每个单元模块中的内柔性骨架沿周向布设有三个形变孔。

7.根据权利要求1所述的柔性多爪攀爬机器人，其特征在于：内柔性骨架为中空的圆柱体，每个形变孔均为弧形孔，每个弧形孔均与内柔性骨架同心设置。

8.根据权利要求1所述的柔性多爪攀爬机器人，其特征在于：支撑骨架的形状为菱形、椭圆形或双曲线形。

9.根据权利要求1所述的柔性多爪攀爬机器人，其特征在于：密封薄膜的外周与中心通孔的内壁相粘接固定。