CN108818607A - 一种具有刚柔耦合机构的软体关节 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有刚柔耦合机构的软体关节，属于软体机器人技术领域。它解决了现有的软体机器人抓持力不强的问题。本具有刚柔耦合机构的软体关节包括弹性基体和进气管，弹性基体上开设有真空吸气腔和多个进气驱动腔，进气驱动腔包括一个中心驱动腔和至少两个侧驱动腔，多根进气管与多个进气驱动腔一一对应连通，真空吸气腔内设有管状的刚性节，刚性节的管孔内设有软管，基体的外侧对应刚性节处设有吸盘。本具有刚柔耦合机构的软体关节在进气驱动腔之外，增加了真空吸气腔，并在其中设置了刚性节，弯曲抓持时，由于刚性节的作用，“柔性的包裹式抓持”和“刚性的吸附式抓持”相结合，能保证关节对作业对象的稳定抓持。

Description

一种具有刚柔耦合机构的软体关节

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种应用于软体机器人的软体关节，特别涉及一种具有刚柔耦合机构的软体关节。

背景技术

近年来，软体机器人成为机器人领域的一个新兴且极具前景的研究方向。软体机器人是仿生机器人研究的延续，模仿自然界中的软体动物，具有无限多自由度和连续变形能力，可在大范围内任意改变自身形状和尺寸，由于其出色的灵活性和适应性，在军事、探测、医疗等领域具有广泛的应用前景。

科研工作者和工程技术人员借助于智能材料(如：硅橡胶、形状记忆合金SMA、电活性聚合物EPA等)和新型驱动技术(如：SMA、气动、磁流变、EPA等)，研究开发完全不用或少用刚性机构的新型机器人结构，这类软体机器人一般具有充分的柔顺性、适应性、超冗余或无限自由度，甚至可以任意改变自身形状和尺寸以适应环境和目标。

目前比较常见的一种软体机器人是利用空气来驱动，向软体机器人内通入压缩气体使其变化刚度和弯曲度，但是，由于软体机器人的基体整体上采用柔性材料制作而成，其在抓取功能上存在不足，抓持力一般，一些特定领域无法胜任。

发明内容

本发明的目的是针对现有的软体机器人所存在的上述问题，而提出了一种能提供较强抓持力的仿生软体机器人的软体关节。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种具有刚柔耦合机构的软体关节，包括弹性基体和进气管，其特征在于，所述的弹性基体上开设有贯穿基体两头的真空吸气腔和多个进气驱动腔，所述进气驱动腔包括一个中心驱动腔和至少两个侧驱动腔，多个所述侧驱动腔环绕中心驱动腔间隔设置，多根进气管与多个进气驱动腔一一对应连通，所述的真空吸气腔内设有管状的刚性节，刚性节的管孔内设有软管，基体的外侧对应刚性节处设有吸盘，吸盘的连接端依次穿过真空吸气腔侧壁和刚性节侧壁后与软管连接，吸盘的吸气口与软管内腔连通。

在上述的一种具有刚柔耦合机构的软体关节中，所述的刚性节至少有两个，多个刚性节依序对接排列，相邻两个刚性节之间留有间隙并通过弹性件连接。多个刚性节之间可依靠弹性件可实现弯曲、变向。

在上述的一种具有刚柔耦合机构的软体关节中，所述的弹性件为连接弹簧，连接弹簧的两均设有连接头，连接头一端外侧开设有与连接弹簧相匹配的环形卡槽，连接弹簧的一端卡设在对应连接头的卡槽内，连接头的另一端与刚性节的端部螺纹连接。

在上述的一种具有刚柔耦合机构的软体关节中，所述刚性节连接吸盘的一侧面为平面，对应真空吸气腔的内壁上设有对应的贴合面，平面与贴合面对应贴合。

在上述的一种具有刚柔耦合机构的软体关节中，所述软管至少有两个，多个软管依序对接排列，各软管的两头均固定设有装配头，装配头的端面设有卡扣和卡钩，卡扣和卡钩环形交替设置，所述卡钩能扣接在相邻软管的卡扣处。

在上述的一种具有刚柔耦合机构的软体关节中，所述软管的装配头的外端面还设有环形的密封槽，密封槽内设有O型密封圈。

在上述的一种具有刚柔耦合机构的软体关节中，所述软管的侧壁通过紧固件固定贴有金属片，上述吸盘的连接端与该金属片固定连接。

在上述的一种具有刚柔耦合机构的软体关节中，所述基体上还开设有若干走管通道，上述进气管一一对应设置在走管通道内，各走管通道与对应进气驱动腔之间的侧壁上均开有通气孔，进气管的侧部开有出气孔，所述出气孔通过上述通气孔与对应进气驱动腔连通。

在上述的一种具有刚柔耦合机构的软体关节中，所述的软体关节还包括内约束件和外约束件，所述内约束件和外约束件均呈环形，内约束件设置在中心驱动腔的外侧壁内，使中心驱动腔位于该内约束件的内部，外约束件设置在侧驱动腔的外侧壁内，使上述中心驱动腔、侧驱动腔、真空吸气腔和内约束件均位于外约束件的内部。

在上述的一种具有刚柔耦合机构的软体关节中，所述的内约束件和外约束件均为压缩弹簧。

在上述的一种具有刚柔耦合机构的软体关节中，所述的内约束件和外约束件均为环形金属圈，多个金属圈间隔排列。

与现有技术相比，本具有刚柔耦合机构的软体关节在进气驱动腔之外，增加了真空吸气腔，并在其中设置了刚性节，弯曲抓持时，由于刚性节的作用，使关节只能向真空吸气腔一侧弯曲，而软体基体的柔软性使关节可以根据作业对象形状的差异，实现对象形状自适应包裹抓持，并通过与真空吸气腔相连的吸盘对作业对象进行吸附式抓持，“柔性的包裹式抓持”和“刚性的吸附式抓持”相结合，能保证关节对作业对象的稳定抓持。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是图1切除1/4后的立体结构示意图。

图3是图1的端部视图。

图4是刚性节与软管的配合的结构示意图。

图5是连接弹簧的结构示意图。

图6是软管的结构示意图。

图7是本发明去除基体后的结构示意图。

图中，1、基体；2、进气管；3、中心驱动腔；4、走管通道；5、侧驱动腔；6、通气孔；7、刚性节；8、连接弹簧；9、连接头；10、卡槽；11、软管；12、装配头；13、卡扣；14、卡钩；15、密封槽；16、O型密封圈；17、紧固件；18、金属片；19、吸盘；20、连接端；21、吸气口；22、平面；23、贴合面；24、内约束件；25、外约束件；26、真空吸气腔。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1、图2和图3所示，本具有刚柔耦合机构的软体关节包括圆柱状的弹性基体1和进气管2，基体1采用硅橡胶制成，基体1沿轴向开设有三个贯穿基体1两头的进气驱动腔，其中一个进气驱动腔为中心驱动腔3，另外两个为侧驱动腔5，两个侧驱动腔5左右分设在中心驱动腔3两侧。基体1上沿轴向还开设有三个贯穿基体1两头的走管通道4和一个真空吸气腔26，真空吸气腔26布设在两个侧驱动腔5和中心驱动腔3之间，两个侧驱动腔5的截面呈圆弧形；三个走管通道4与上述中心驱动腔3和两个侧驱动腔5一一对应，通过在它们之间对应侧壁上开设的通气孔6连通，每个走管通道4内对应设有一根进气管2，进气管2的侧部在与对应通气孔6对应处开有出气孔，所述进气管2通过出气孔和通气孔6与对应的进气驱动腔连通。

如图4所示，真空吸气腔26内设有两节管状的刚性节7，刚性节7的外轮廓形状与该真空吸气腔26的截面形状相匹配，刚性节7采用硬质材料制成，多个刚性节7依序首尾相接，相邻两个刚性节7之间留有间隙并通过弹性件连接。本实施例中，弹性件为连接弹簧8，如图5所示，连接弹簧8的两均设有连接头9，连接头9一端外侧开设有与连接弹簧8相匹配的环形卡槽10，连接弹簧8的一端卡设在对应连接头9的卡槽10内，连接头9的另一端与刚性节7的端部螺纹连接。

刚性节7的管孔内设有软管11，本实施例中，每节刚性节7内对应一根软管11，软管11与刚性节7之间的间隙为供软管11弯曲形变提供空间。如图6所示，各软管11的两头均固定设有装配头12，装配头12的外端面均设有两个卡扣13和两个卡钩14，卡扣13和卡钩14环形交替设置，两根软管11首尾对接后转动，使卡钩14能扣接在相邻软管11装配头12的卡扣13处完成对接。装配头12的外端面还设有环形的密封槽15，密封槽15内设有O型密封圈16。软管11的侧壁通过紧固件17固定贴有金属片18，一个吸盘19的连接端20依次穿过侧驱动腔5侧壁和刚性节7侧壁后与该金属片18固定连接，位于该连接端20上的吸气口21与软管11内腔连通，连接端20与金属片18和刚性节7均可以是固定连接，例如螺纹连接(如图2)。

刚性节7连接吸盘19的一侧面为平面22，对应真空吸气腔26的内壁上设有对应的贴合面23，平面22与贴合面23对应贴合。

如图7所示，本软体关节还包括内约束件24和外约束件25，所述内约束件24和外约束件25均呈环形，内约束件24设置在中心驱动腔3的外侧壁内，使中心驱动腔3位于该内约束件24的内部，外约束件25设置在侧驱动腔5和真空吸气腔26的外侧壁内，使上述中心驱动腔3、二个侧驱动腔5、真空吸气腔26、走管通道4和内约束件24均位于外约束件25的内部。本实施例中，内约束件24和外约束件25均为压缩弹簧。除此之外，内约束件24和外约束件25还可以是多个金属圈间隔排列而成。

使用时，可将多个软体关节依次对接，并在两头设置端盖进行封闭，形成软体机器人，相邻两软体关节之间的中心驱动腔3、走管通道4、侧驱动腔5、真空吸气腔26、软管11、刚性节7等均依序一一对应对接连通，进气管2依次穿入连通后的对应走管通道4。

通过进气管2向中心驱动腔3及两个侧驱动腔5内通入不同压力的压缩气体，可以实时调节各软体关节以及软体机器人整体的刚度以及不同程度、不同方向的弯曲。当要抓持的对象为硬质材料时，待抓取对象可以承受较大的抓持力，不需要吸盘19工作即可抓持稳定，类似于人体手指抓物体。当要抓持的对象为软质材料时，关节抓持力小的话，则不能确保抓持稳定性，抓持力大则会损坏抓持对象，此时可利用抽真空装置将软管11抽真空，利用吸盘19的吸力配合机器人的弯曲抓取力将物件抓紧、吸住。

应该理解，在本发明的权利要求书、说明书中，所有“包括……”均应理解为开放式的含义，也就是其含义等同于“至少含有……”，而不应理解为封闭式的含义，即其含义不应该理解为“仅包含……”。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种具有刚柔耦合机构的软体关节，包括弹性基体(1)和进气管(2)，其特征在于，所述的弹性基体(1)上开设有贯穿基体(1)两头的真空吸气腔(26)和多个进气驱动腔，所述进气驱动腔包括一个中心驱动腔(3)和至少两个侧驱动腔(5)，多个所述侧驱动腔(5)环绕中心驱动腔(3)间隔设置，多根进气管(2)与多个进气驱动腔一一对应连通，所述的真空吸气腔(26)内设有管状的刚性节(7)，刚性节(7)的管孔内设有软管(11)，基体(1)的外侧对应刚性节(7)处设有吸盘(19)，吸盘(19)的连接端(20)依次穿过真空吸气腔(26)侧壁和刚性节(7)侧壁后与软管(11)连接，吸盘(19)的吸气口(21)与软管(11)内腔连通。

2.根据权利要求1所述的一种具有刚柔耦合机构的软体关节，其特征在于，所述的刚性节(7)至少有两个，多个刚性节(7)依序对接排列，相邻两个刚性节(7)之间留有间隙并通过弹性件连接。

3.根据权利要求2所述的一种具有刚柔耦合机构的软体关节，其特征在于，所述的弹性件为连接弹簧(8)，连接弹簧(8)的两均设有连接头(9)，连接头(9)一端外侧开设有与连接弹簧(8)相匹配的环形卡槽(10)，连接弹簧(8)的一端卡设在对应连接头(9)的卡槽(10)内，连接头(9)的另一端与刚性节(7)的端部螺纹连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种具有刚柔耦合机构的软体关节，其特征在于，所述刚性节(7)连接吸盘(19)的一侧面为平面(22)，对应真空吸气腔(26)的内壁上设有对应的贴合面(23)，平面(22)与贴合面(23)对应贴合。

5.根据权利要求2或3所述的一种具有刚柔耦合机构的软体关节，其特征在于，所述软管(11)至少有两个，多个软管(11)依序对接排列，各软管(11)的两头均固定设有装配头(12)，装配头(12)的端面设有卡扣(13)和卡钩(14)，卡扣(13)和卡钩(14)环形交替设置，所述卡钩(14)能扣接在相邻软管(11)的卡扣(13)处。

6.根据权利要求5所述的一种具有刚柔耦合机构的软体关节，其特征在于，所述软管(11)的装配头(12)的外端面还设有环形的密封槽(15)，密封槽(15)内设有O型密封圈(16)。

7.根据权利要求1或2或3所述的一种具有刚柔耦合机构的软体关节，其特征在于，所述软管(11)的侧壁通过紧固件(17)固定贴有金属片(18)，上述吸盘(19)的连接端(20)与该金属片(18)固定连接。

8.根据权利要求1或2或3所述的一种具有刚柔耦合机构的软体关节，其特征在于，所述基体(1)上还开设有若干走管通道(4)，上述进气管(2)一一对应设置在走管通道(4)内，各走管通道(4)与对应进气驱动腔之间的侧壁上均开有通气孔(6)，进气管(2)的侧部开有出气孔，所述出气孔通过上述通气孔(6)与对应进气驱动腔连通。

9.根据权利要求1或2或3所述的一种具有刚柔耦合机构的软体关节，其特征在于，所述的软体关节还包括内约束件(24)和外约束件(25)，所述内约束件(24)和外约束件(25)均呈环形，内约束件(24)设置在中心驱动腔(3)的外侧壁内，使中心驱动腔(3)位于该内约束件(24)的内部，外约束件(25)设置在侧驱动腔(5)的外侧壁内，使上述中心驱动腔(3)、侧驱动腔(5)、真空吸气腔(26)和内约束件(24)均位于外约束件(25)的内部。

10.根据权利要求9所述的一种具有刚柔耦合机构的软体关节，其特征在于，所述的内约束件(24)和外约束件(25)均为压缩弹簧。