CN108453703B - 一种基于散粒体阻塞的混合驱动型可控刚度连续体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔性机器人技术领域，尤其是一种基于散粒体阻塞的混合驱动型可控刚度连续体机器人。所述的机器人包括若干相同的单个连续体单元首尾串联连接；单个连续体单元包括柔性支撑外筒，其上设有多个柔性支撑外筒通孔，其内同心设置有塑性内管道；柔性支撑外筒内壁与塑性内管道外壁之间的环状区域内均设有若干隔板，将环状区域分割成多个密封腔，密封腔内部填充散粒体；塑性内管道内插有人工气动肌肉；上、下密封端盖上分别设有上、下钢丝通道孔、上、下密封端盖通孔，下密封端盖上设有人工气动肌肉抽气孔、密封腔抽气孔；钢丝绳将上密封端盖、柔性支撑外筒及下密封端盖连成一体。本发明支撑刚度高，运动范围广，定位精度准确。

Description

一种基于散粒体阻塞的混合驱动型可控刚度连续体机器人

技术领域

本发明属于柔性机器人技术领域，尤其是一种基于散粒体阻塞的混合驱动型可控刚度连续体机器人。

背景技术

连续体机器人是当前的研究热点。连续体机器人采用软性或半软性材料制造，具有无脊椎柔性结构，具有连续变形的机体和更多的自由度。相比传统的刚性机器人，连续体机器人不具有离散关节和刚性连杆，弯曲性能优良，对非结构化环境和狭小受限工作环境有良好的适应性，如在狭窄的工作空间内搜索和救援，微创手术等。

国外学者对连续体机器人进行了大量的研究。美国Clemson大学的Walker教授和Gravagne等人对连续体机器人的结构、算法和运动控制技术进行了大量的研究，研制了仿象鼻机器人、Air-Octor连续体机器人和仿章鱼触手连续体机器人OctArm。美国JohnsHopkins大学的Simaan研制了一种用于喉咙外科手术的连续体机器人。美国斯坦福大学的Camarillo 研制了一种线驱动连续体机器人。法国的Chen 和Redarce 等研究人员研制了一种单段连续体机构 Clobot。

由连续体机器人研究现状可知，连续体机器人是基于仿生学原理设计的机器人，如象鼻子、蛇体、章鱼触手；具有多种支撑形式，如轴心柔性支架支撑、表面柔性覆盖层支撑、气压支撑；具有多种驱动方式，如气动人工肌肉、记忆合金弹簧、钢丝绳、电活性聚合物（EAP）等，气动人工肌肉连续体机器人具有运动范围大、速度快、强度高等优点，但存在非线性、死区和作用滞后等缺点；丝驱动连续体机器人控制精度高、但不适于复杂运动；EAP 和SMA 连续体机器人具有易于控制、运动范围小、运动速度低和驱动力小等特点。

近年来，为了提高连续体机器人的性能，国内外研究者提出了多种驱动技术相结合的方法。将多种驱动方式结合，实现连续体机器人刚度和精度的控制。Immega和 Walker等人分别设计了人工气动肌肉与丝驱动混合型连续体机器人，Laschi等人设计了 SMA 与丝混合驱动型连续体机器人，Shiva 等人设计了通过丝驱动增加刚度的气动肌肉驱动连续体机器人。研究人员还发现颗粒物质拥有许多不同于其他物质的特性，并随着研究人员对颗粒物质特性展开了深入研究，散粒体阻塞理论逐渐被应用到连续体机器人领域，以下是对散粒体阻塞理论的概述：

散粒体是几何尺寸基本属于同一量级的颗粒的集合体。散粒体就个体而言属于固体，但是大量散粒体组成的系统会表现出流体的性质。大量散粒体组成的离散态物质体系在宏观上表现出许多复杂而有趣的不同于固、液、气态物质的奇特现象，如：粮仓效应、尺度分离、表面波、对流、颗粒聚集、非弹性塌陷、巴西果效应、反巴西果效应、雷诺挤压膨胀、自组织临界性、阻塞性等。其中阻塞特性是散粒体的重要特性。无序的散粒体间形成屈服应力或应力的驰豫时间超过正常实验时间尺度时就发生阻塞。处于阻塞状态的散粒体表现出固体的特性；而非阻塞状态的散粒体表现出流体特性。如普通包装的大米具有流动性，而真空包装的大米具有规则的外形和较高的刚度。

在连续体机器人的执行器设计中，需要适当地将刚度、精度和运动范围等性能与柔性相结合。散粒体阻塞驱动能够提供高的支撑刚度；人工气动肌肉能够产生高速和高强度的大范围的运动，但是会给系统带来非线性，如死区和滞后，从而降低控制精度；钢丝驱动机构更精确，但不能主动抵抗压缩载荷。综合散粒体阻塞驱动，人工气动肌肉，钢丝驱动三者的特点，实现连续体机器人刚度、精度及运动范围的协调，是本发明的设计关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于散粒体阻塞的混合驱动型可控刚度连续体机器人，为了实现该连续体机器人的灵活性，精确性和刚度之间的设计平衡。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于散粒体阻塞的混合驱动型可控刚度连续体机器人，包括若干相同的单个连续体单元首尾串联连接；

单个连续体单元包括柔性支撑外筒，其为中空的圆柱状结构，沿其两端端面圆周方向上均布对应开设有多个柔性支撑外筒通孔，其内同心设置有塑性内管道；

柔性支撑外筒内壁与塑性内管道外壁之间的环状区域内且沿环状区域的圆周方向上均匀设置有若干隔板，将环状区域分割成多个密封腔，密封腔内部填充散粒体；

塑性内管道为中空的圆柱状结构，内插设有人工气动肌肉；

上、下密封端盖端面上分别开设有与柔性支撑外筒通孔对应的上、下钢丝通道孔，上、下密封端盖端面中心处分别开设有上、下密封端盖通孔，下密封端盖端面上还设置有与人工气动肌肉连接的人工气动肌肉抽气孔、与密封腔连接的密封腔抽气孔；

钢丝绳依次穿设上钢丝通道孔、柔性支撑外筒通孔及下钢丝通道孔，将上密封端盖、柔性支撑外筒及下密封端盖连成一体。

进一步，所述的单个连续体单元的数量为1个及1个以上。

进一步，所述的柔性支撑外筒采用硅胶材料。

进一步，所述的柔性支撑外筒通孔的数量为3个，该通孔的数量与1个单个连续体单元的数量一一对应。

进一步，所述的隔板的数量为3个，密封腔的数量为3个。

进一步，所述的上、下密封端盖的形状都为U形。

进一步，所述的人工气动肌肉抽气孔的数量为1个及1个以上，沿着下密封端盖端面圆周方向均布设置且正对人工气动肌肉一端，该抽气孔的数量与1个单个连续体单元的数量一一对应。

进一步，所述的密封腔抽气孔为3个，该抽气孔的数量与3个密封腔的数量一一对应，沿着下密封端盖端面圆周方向均布设置且正对密封腔一端，每个密封腔对应1个密封腔抽气孔。

进一步，所述的上、下密封端盖通孔作为连续体机器人末端执行器的控制通道或连续体机器人流体输送通道。

本发明相比现有技术的有益效果：

本发明支撑刚度高，运动范围广，定位精度准确，非常适合工业化生产。具体来说：

（1）采用散粒体阻塞和气动人工肌肉综合驱动的方式，实现了连续体机器人结构刚度的快速控制和大范围的运动，提高了连续体机器人的刚度，对非结构化环境和狭小受限工作环境有良好的适应性。

（2）采用散粒体阻塞和钢丝绳驱动相结合的方式，融合两者的优点，既能通过控制真空度用于提供所需的结构刚性支撑和粗略定位，又能通过钢丝驱动用于实现精确定位，极大地提高了柔性连续体机器人刚度，精确度和灵活性。

附图说明

图1是单个连续体单元的立体结构示意图。

图2是单个连续体单元的立体结构分解示意图。

图3是单个连续体单元中上密封端盖的立体结构示意图。

图4是单个连续体单元的部分立体结构示意图。

图5是单个连续体单元中下密封端盖的立体结构示意图。

图6是非工作状态下的单个连续体单元的平面结构示意图。

图7是某自由度工作状态下的单个连续体单元的平面结构示意图。

图8是非工作状态下的三个连续体单元串联连接的平面结构示意图。

图9是某自由度工作状态下的三个连续体单元串联连接的平面结构示意图。

图1-9中：1为第一连续体单元；2为第二连续体单元；3为第三连续体单元；11为上密封端盖；12为上钢丝通道孔；13为上密封端盖通孔；22为柔性支撑外筒；23为柔性支撑外筒通孔；24为隔板；25为散粒体；26为塑性内管道；33为人工气动肌肉；44为钢丝绳；55为下密封端盖；56为下密封端盖通孔；57为下钢丝通道孔；58为人工气动肌肉抽气孔；59为密封腔抽气孔。

具体实施方式

以下结合附图1至图9，以及实施例，对本发明作出进一步描述。

实施例1：

如图1-7所示，一种基于散粒体阻塞的混合驱动型可控刚度连续体机器人，该机器人包括第一连续体单元1，

第一连续体单元1包括柔性支撑外筒22，采用硅胶材料，其为中空的圆柱状结构，沿其两端端面圆周方向上均布对应开设有3个柔性支撑外筒通孔23，其内同心设置有塑性内管道26；

柔性支撑外筒22内壁与塑性内管道26外壁之间的环状区域内且沿环状区域的圆周方向上均匀设置有3个隔板24，将环状区域分割成3个密封腔，每个密封腔内部填充散粒体25；

塑性内管道26为中空的圆柱状结构，内插设有人工气动肌肉33；

上、下密封端盖11、55的形状都为U形，上、下密封端盖11、55端面上分别开设有与柔性支撑外筒通孔23对应的上、下钢丝通道孔12、57，上、下密封端盖11、55端面中心处分别开设有上、下密封端盖通孔13、56，下密封端盖55端面上还设置有与人工气动肌肉33连接的人工气动肌肉抽气孔58、与密封腔连接的密封腔抽气孔59；

所述的人工气动肌肉抽气孔58的数量为1个，沿着下密封端盖55端面圆周方向均布设置且正对人工气动肌肉33一端；所述的密封腔抽气孔为3个，该抽气孔的数量与3个密封腔的数量一一对应，沿着下密封端盖55端面圆周方向均布设置且正对3个密封腔一端，每个密封腔对应1个密封腔抽气孔59；

钢丝绳44依次穿设上钢丝通道孔12、柔性支撑外筒通孔23及下钢丝通道孔57，将上密封端盖11、柔性支撑外筒22及下密封端盖55连成一体。

所述的上、下密封端盖通孔13、56作为上、下密封端盖通孔作为连续体机器人末端执行器的控制通道或连续体机器人流体输送通道。

实施例2：

如图8、9所示，一种基于散粒体阻塞的混合驱动型可控刚度连续体机器人，该机器人包括3个相同的单个连续体单元首尾串联连接，分别为第一连续体单元1、第二连续体单元2、第三连续体单元3；

第一连续体单元1或者第二连续体单元2或者第三连续体单元3包括柔性支撑外筒22，采用硅胶材料，其为中空的圆柱状结构，沿其两端端面圆周方向上均布对应开设有9个柔性支撑外筒通孔23，其内同心设置有塑性内管道26；

柔性支撑外筒22内壁与塑性内管道26外壁之间的环状区域内且沿环状区域的圆周方向上均匀设置有3个隔板24，将环状区域分割成3个密封腔，每个密封腔内部填充散粒体25；

塑性内管道26为中空的圆柱状结构，内插设有人工气动肌肉33；

上、下密封端盖11、55的形状都为U形，上、下密封端盖11、55端面上分别开设有与柔性支撑外筒通孔23对应的上、下钢丝通道孔12、57，上、下密封端盖11、55端面中心处分别开设有上、下密封端盖通孔13、56，下密封端盖55端面上还设置有与人工气动肌肉33连接的人工气动肌肉抽气孔58、与密封腔连接的密封腔抽气孔59；

所述的人工气动肌肉抽气孔58的数量为3个，分别对应第一连续体单元1、第二连续体单元2、第三连续体单元3的人工气动肌肉33，人工气动肌肉抽气孔58沿着下密封端盖55端面圆周方向均布设置。

所述的密封腔抽气孔为9个，分别对应第一连续体单元1、第二连续体单元2、第三连续体单元3的3个密封腔，该抽气孔的数量与9个密封腔的数量一一对应，沿着下密封端盖55端面圆周方向均布设置且正对密封腔一端，每个密封腔对应1个密封腔抽气孔59；

钢丝绳44依次穿设上钢丝通道孔12、柔性支撑外筒通孔23及下钢丝通道孔57，将上密封端盖11、柔性支撑外筒22及下密封端盖55连成一体。

所述的上、下密封端盖通孔13、56作为连续体机器人末端执行器的流体输送控制通道。

本发明的工作原理及工作过程：

对于每个单个连续体单元，柔性支撑外筒22包裹的散粒体25结构，通过真空控制系统，改变每个密封腔的真空度，改变每个单个连续体单元的弯曲和刚度；改变单个连续体单元三个密封腔真空度的差值，单个连续体单元可以实现3个自由度的灵活调节，实现快速，大范围的运动；通过单个连续体单元人工气动肌肉33的充放气，实现单个连续体单元的伸长和缩短；通过钢丝控制系统，快速实现单个连续体单元位姿的精确调整；由于每个单个连续体单元有3个自由度，故3个单个连续体单元有9个自由度，通过调节各个连续体单元不同密封腔的阻塞状态，可实现本连续体机器人步态控制。

如图7所示，对于实施例一而言，一种基于散粒体阻塞的混合驱动型可控刚度连续体机器人，包括1个单个连续体单元，该单元为第一连续体单元1，通过1个人工气动肌肉抽气孔58向人工气动肌肉33内腔充气，实现了第一连续体单元1长度的改变；紧接着，向第一连续体单元1第一密封腔对应的密封腔抽气孔59抽气，第一密封腔内真空度增大，其内的刚度逐渐增大，大于第二密封腔和第三密封腔的刚度，实现了第一连续体单元1的弯曲，到达预定弯曲位置时，停止抽气，张紧钢丝绳44，实现了第一连续体单元1位置的精确调整。

如图9所示，对于实施例二而言，一种基于散粒体阻塞的混合驱动型可控刚度连续体机器人，包括3个相同的单个连续体单元首尾串联连接，分别为第一连续体单元1、第二连续体单元2、第三连续体单元3；

第一连续体单元，通过人工气动肌肉抽气孔向人工气动肌肉内腔充气，实现了第一连续体单元长度的改变；紧接着，向第一密封腔对应的密封腔抽气孔抽气，第一密封腔内真空度增大，其内的刚度逐渐增大，大于第二密封腔和第三密封腔的刚度，实现了第一连续体单元的弯曲，到达预定弯曲位置时，停止抽气，张紧钢丝绳，实现了第一连续体单元位置的精确调整；

第二连续体单元，通过人工气动肌肉抽气孔向人工气动肌肉内腔充气，实现了第二连续体单元长度的改变；紧接着，向第三密封腔对应的密封腔抽气孔抽气，第三密封腔内真空度增大，其内的刚度逐渐增大，大于第一密封腔和第二密封腔的刚度，实现了第二连续体单元的弯曲，到达预定弯曲位置时，停止抽气，张紧钢丝绳，实现了第二连续体单元位置的精确调整；

第三连续体单元，通过人工气动肌肉抽气孔向人工气动肌肉内腔充气，实现了第三连续体单元长度的改变；紧接着，向第一密封腔对应的密封腔抽气孔抽气，第一密封腔内真空度增大，其内的刚度逐渐增大，大于第二密封腔和第三密封腔的刚度，实现了第三连续体单元的弯曲，到达预定弯曲位置时，停止抽气，张紧钢丝绳，实现了第三连续体单元位置的精确调整；

由于每个连续体单元有3个自由度，故本连续体机器人有9个自由度，通过调节各个连续体单元不同密封腔的阻塞状态，可实现本连续体机器人步态控制。

以上所述的实施例，仅仅是对本发明的优选实施方式的描述。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应属于本发明权利要求书确定的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于散粒体阻塞的混合驱动型可控刚度连续体机器人，其特征在于：包括若干相同的单个连续体单元；

单个连续体单元包括柔性支撑外筒，其为中空的圆柱状结构，沿其两端端面圆周方向上均布对应开设有多个柔性支撑外筒通孔，其内同心设置有塑性内管道；

柔性支撑外筒内壁与塑性内管道外壁之间的环状区域内且沿环状区域的圆周方向上均匀设置有若干隔板，将环状区域分割成多个密封腔，密封腔内部填充散粒体；

塑性内管道为中空的圆柱状结构，其内插设有人工气动肌肉；

上、下密封端盖端面上分别开设有与柔性支撑外筒通孔对应的上、下钢丝通道孔，上、下密封端盖端面中心处分别开设有上、下密封端盖通孔，下密封端盖端面上还设置有与人工气动肌肉连接的人工气动肌肉抽气孔、与密封腔连接的密封腔抽气孔；

钢丝绳依次穿设上钢丝通道孔、柔性支撑外筒通孔及下钢丝通道孔，将上密封端盖、柔性支撑外筒及下密封端盖连成一体。

2.根据权利要求1所述的一种基于散粒体阻塞的混合驱动型可控刚度连续体机器人，其特征在于：所述的单个连续体单元的数量为1个或大于1个，大于1个相同的单个连续体单元首尾串联连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于散粒体阻塞的混合驱动型可控刚度连续体机器人，其特征在于：所述的柔性支撑外筒采用硅胶材料。

4.根据权利要求1所述的一种基于散粒体阻塞的混合驱动型可控刚度连续体机器人，其特征在于：所述的柔性支撑外筒通孔的数量为3个，该通孔的数量与1个单个连续体单元的数量一一对应。

5.根据权利要求1所述的一种基于散粒体阻塞的混合驱动型可控刚度连续体机器人，其特征在于：所述的隔板的数量为3个，密封腔的数量为3个。

6.根据权利要求1所述的一种基于散粒体阻塞的混合驱动型可控刚度连续体机器人，其特征在于：所述的上、下密封端盖的形状都为U形。

7.根据权利要求1所述的一种基于散粒体阻塞的混合驱动型可控刚度连续体机器人，其特征在于：所述的人工气动肌肉抽气孔的数量为1个，人工气动肌肉抽气孔正对人工气动肌肉一端，该抽气孔的数量与1个单个连续体单元的数量一一对应。

8.根据权利要求1所述的一种基于散粒体阻塞的混合驱动型可控刚度连续体机器人，其特征在于：所述的密封腔抽气孔为3个，该抽气孔的数量与3个密封腔的数量一一对应，且沿着下密封端盖端面圆周方向均布设置且正对密封腔一端，每个密封腔对应1个密封腔抽气孔，该抽气孔的数量与1个单个连续体单元的数量一一对应。

9.根据权利要求1所述的一种基于散粒体阻塞的混合驱动型可控刚度连续体机器人，其特征在于：所述的上、下密封端盖通孔作为连续体机器人末端执行器的控制通道或连续体机器人流体输送通道。

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