CN108436898A - 一种刚度可控全柔性可变形机器人 - Google Patents

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Abstract

一种刚度可控全柔性可变形机器人，主要包括第一固定端、套筒外壳、磨粒小球、吸气固定端、第一气囊杆、第二气囊杆、第一固定端、第二可伸缩套筒、充气控制端、封闭网和第一可伸缩套筒。本发明可根据不同场合的需求，控制连杆的刚度能更好的保证机器人躯体与接触物的接触效果，能保证并联机构原有的特性，通过控制可使本发明进行变形和移动；当某节刚度较低时，该节机构将不具有并联机构特性，但该关节处将柔软可任意变形，其上下平台则可径向小幅度收缩，更利于机器人进入复杂地形、悬挂和急转弯等操作。本发明为全柔性，在探测和搜救过程中将有更加出色的表现。

Description

一种刚度可控全柔性可变形机器人
技术领域
本发明涉及机构学与机器人学技术领域，特别是一种刚度可控机器人。
背景技术
众所周知，作为柔性可变形机器人，仿蛇形机器人是其中最为典型的一种。仿蛇形机器人有着独特的优势，它柔软度高，能够攀爬翻越较高的障碍物，能够钻进复杂洞口探测洞内信息，能够进行勘探、搜救、引路等一系列工作。国内外对柔性可变形机器人都有着很多的研究。
专利CN201610259233.2公开了一种磁力驱动的蛇形机器人，该机器人利用电磁驱动，体积小且爬行运动方便快捷，但是无法在高磁场和金属导磁率高的场所进行工作，工作范围有限。
专利CN201620826631.3公开了柔性传动的主动多轮蛇形机器人，该软体机器人采用柔性传动的主动多轮蛇形机器人，轮子与地面接触，使得机器人在路面也能够快速进行运动，但是轮子的设计给机器人的攀爬和越障增加了难度。
实用新型CN201720249348.3提出了一种基于Delta并联机构的仿蛇形机器人，该机器人的运动模块采用具有三个自由度的Delta并联机构，蛇形机器人整体承载能力强，运动方式多样，且运动速度快，但是由于上下平台为刚性固定平台，该机器人无法穿过比上下平台直径小的孔洞，而且在受到外界的冲击和挤压，机构容易发生损坏而无法继续工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种刚度可控、柔性躯干、可径向变形、环境适应力强、受冲击和挤压后具有一定恢复能力的刚度可控全柔性可变形机器人。
本发明主要包括有第一固定端、套筒外壳、磨粒小球、吸气固定端、第一气囊杆、第二气囊杆、第一固定端、第二可伸缩套筒、充气控制端、封闭网和第一可伸缩套筒。
其中，本发明是由多节具有相同结构的可变形机构组成，相邻的一个可变形机构的下支撑端作为另一个可变形机构的上支撑端。
每个可变形机构均由六个第一固定端、六个第一可伸缩套筒、两个吸气固定端、三个第一气囊杆、三个第二气囊杆、三个第二固定端、三个第二可伸缩套筒和三个充气控制端组成。
其中，三个第一固定端分别与一个第一可伸缩套筒的一端相连，每个第一可伸缩套筒的另一端均插接在吸气固定端内，三个第一固定端、三个第一可伸缩套筒、一个吸气固定端组成支撑端。支撑端分为上支撑端和下支撑端，支撑端呈Y字型，上支撑端和下支撑端的三个第一可伸缩套筒之间的夹角为120°。
在上支撑端的每个第一固定端上设有第一气囊杆，气囊杆是由ABS软胶制成的长方体可充气元件，其空腔为椭球形。第一气囊杆的一端与第一固定端相连，第一气囊杆的另一端与第二气囊杆的一端相连，第二气囊杆与第二固定端相连，第二固定端上插接在第二可伸缩套筒，第二可伸缩套筒的一端插接在第二固定端内，第二可伸缩套筒的另一端插接在充气控制端内。充气控制端是由圆台形的气体输出口和“∠”形进气底座组成，充气控制端中部有4mm空腔管道。第一固定端与第一气囊杆、第一气囊杆与第二气囊杆、第二气囊杆与第二固定端的连接处，均为耐弯曲塑料转角，其转角轴向方向都与第二可伸缩套筒的伸缩方向一致。充气控制端分别对应的与下支撑端的第一固定端使用粘合剂固定连接。
第一可伸缩套筒和第二伸缩套筒结构相同，均包括套筒外壳、若干磨粒小球和封闭网。在套筒外壳内放置若干磨粒小球，常压下，第一可伸缩套筒中磨粒小球占套筒外壳总体积的95％，第二伸缩套筒中磨粒小球占总体积60％。，套筒外壳内部的吸气或充气端设有封闭网，限制套筒外壳中磨粒小球仅能在套筒外壳中运动。
优选地，磨粒小球采用的是木质小球，也可采用石质和金属质小球。
优选地，第一固定端为耐磨防滑材料。
本发明在使用时，整体为半柔性，整体刚度取决于冲入气压的大小和阻塞现象的程度。在平地路面爬行时，支撑端和各个杆件保持刚度不变，通过调节充气控制端的气压大小实现机器人的移动。当通过狭窄空洞或复杂地形时，串联机构比并联机构有着更好的适应能力，支撑端刚度的改变可使原并联机构转换为串联的柔性杆件，能够更好的贴合地面和实现较大的完全变形。
本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明的第一气囊杆、第二气囊杆为刚度可变的充气式连杆，根据不同场合的需求，控制连杆的刚度能更好的保证机器人躯体与接触物的接触效果。本发明上下平台为刚度可控平台，当整体刚度都较大时，能保证并联机构原有的特性，通过控制可使本发明进行变形和移动；当某节刚度较低时，该节机构将不具有并联机构特性，但该关节处将柔软可任意变形，其上下平台则可径向小幅度收缩，更利于机器人进入复杂地形、悬挂和急转弯等操作。本发明为全柔性，在探测和搜救过程中将有更加出色的表现。
附图说明
图1是本发明的轴侧图；
图2是本发明一个关节的轴侧图；
图3是本发明的第一可伸缩套筒与吸气固定端连接图；
图4是本发明的第一固定端、套筒外壳和充气控制端的局部示意简图。
图中：1-第一固定端、2-套筒外壳、3-磨粒小球、4-吸气固定端、5-第一气囊杆、6-第二气囊杆、7-第一固定端、8-第二可伸缩套筒、9-充气控制端、10-封闭网、11-第一可伸缩套筒。
具体实施方式
在图1至图4的本发明的示意简图中，本发明是由多节具有相同结构的可变形机构组成，相邻的一个可变形机构的下支撑端作为另一个可变形机构的上支撑端。
每个可变形机构均由六个第一固定端、六个第一可伸缩套筒、两个吸气固定端、三个第一气囊杆、三个第二气囊杆、三个第二固定端、三个第二可伸缩套筒和三个充气控制端组成。
其中，三个第一固定端1分别与一个第一可伸缩套筒11的一端相连，每个第一可伸缩套筒的另一端均插接在吸气固定端4内，三个第一固定端、三个第一可伸缩套筒、一个吸气固定端组成支撑端。支撑端分为上支撑端和下支撑端，支撑端呈Y字型，上支撑端和下支撑端的三个第一可伸缩套筒之间的夹角为120°。
在上支撑端的每个第一固定端上设有第一气囊杆5，气囊杆是由ABS软胶制成的长方体可充气元件，其空腔为椭球形。第一气囊杆的一端与第一固定端7相连，第一气囊杆的另一端与第二气囊杆6的一端相连，第二气囊杆与第二固定端相连，第二固定端上插接在第二可伸缩套筒，第二可伸缩套筒8的一端插接在第二固定端内，第二可伸缩套筒的另一端插接在充气控制端9内。充气控制端是由圆台形的气体输出口和“∠”形进气底座组成，充气控制端中部有4mm空腔管道。第一固定端与第一气囊杆、第一气囊杆与第二气囊杆、第二气囊杆与第二固定端的连接处，均为耐弯曲塑料转角，其转角轴向方向都与第二可伸缩套筒的伸缩方向一致。充气控制端分别对应的与下支撑端的第一固定端使用粘合剂固定连接。
第一可伸缩套筒和第二伸缩套筒结构相同，均包括套筒外壳2、磨粒小球和封闭网10。在套筒外壳内放置磨粒小球3，常压下，第一可伸缩套筒中磨粒小球占套筒外壳总体积的95％，第二伸缩套筒中磨粒小球占总体积60％。套筒外壳内部在吸气或充气端设有封闭网，限制套筒外壳中磨粒小球仅能在套筒外壳中运动。磨粒小球采用的是木质小球，也可采用石质和金属质小球。第一固定端为耐磨防滑材料。

Claims (5)

1.一种刚度可控全柔性可变形机器人，主要包括第一固定端、套筒外壳、磨粒小球、吸气固定端、第一气囊杆、第二气囊杆、第一固定端、第二可伸缩套筒、充气控制端、封闭网和第一可伸缩套筒，其特征在于：本发明是由多节具有相同结构的可变形机构组成，相邻的一个可变形机构的下支撑端作为另一个可变形机构的上支撑端，在上支撑端的每个第一固定端上设有第一气囊杆，气囊杆是由ABS软胶制成的长方体可充气元件，其空腔为椭球形，第一气囊杆的一端与第一固定端相连，第一气囊杆的另一端与第二气囊杆的一端相连，第二气囊杆与第二固定端相连，第二固定端上插接在第二可伸缩套筒，第二可伸缩套筒的一端插接在第二固定端内，第二可伸缩套筒的另一端插接在充气控制端内，充气控制端是由圆台形的气体输出口和“∠”形进气底座组成，充气控制端中部有4mm空腔管道，第一固定端与第一气囊杆、第一气囊杆与第二气囊杆、第二气囊杆与第二固定端的连接处，均为耐弯曲塑料转角，其转角轴向方向都与第二可伸缩套筒的伸缩方向一致，充气控制端分别对应的与下支撑端的第一固定端使用粘合剂固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种刚度可控全柔性可变形机器人，其特征在于：每个可变形机构均由六个第一固定端、六个第一可伸缩套筒、两个吸气固定端、三个第一气囊杆、三个第二气囊杆、三个第二固定端、三个第二可伸缩套筒和三个充气控制端组成，三个第一固定端分别与一个第一可伸缩套筒的一端相连，每个第一可伸缩套筒的另一端均插接在吸气固定端内，三个第一固定端、三个第一可伸缩套筒、一个吸气固定端组成支撑端，支撑端分为上支撑端和下支撑端，支撑端呈Y字型，上支撑端和下支撑端的三个第一可伸缩套筒之间的夹角为120°。
3.根据权利要求1或2所述的一种刚度可控全柔性可变形机器人，其特征在于：第一可伸缩套筒和第二伸缩套筒结构相同，均包括套筒外壳、磨粒小球和封闭网，在套筒外壳内放置磨粒小球，套筒外壳内部在吸气或充气端设有封闭网，限制套筒外壳中磨粒小球仅能在套筒外壳中运动。
4.根据权利要求2所述的一种刚度可控全柔性可变形机器人，其特征在于：第一固定端为耐磨防滑材料。
5.根据权利要求3所述的一种刚度可控全柔性可变形机器人，其特征在于：磨粒小球采用的是木质小球，也可采用石质和金属质小球。
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