CN108972527B - 一种基于相变材料的刚度可变蛇形臂机器人 - Google Patents

Abstract

一种基于相变材料的刚度可变蛇形臂机器人，包括驱动底座、刚度可变蛇形臂和末端作业工具，驱动底座与刚度可变蛇形臂相连，刚度可变蛇形臂与末端作业工具相连；刚度可变蛇形臂由n个蛇形臂驱动模块组成，n为自然数，n个蛇形臂驱动模块首尾相连串联安装，每个蛇形臂驱动模块包括弹性基体和N个纤维增强型驱动器，N≥3，N个纤维增强型驱动器埋设弹性基体内，N个纤维增强型驱动器的中心在一个圆周上，圆周的圆心为蛇形臂驱动模块的中心。本发明能够实现刚度的独立控制以及较大的刚度调节范围。

Description

一种基于相变材料的刚度可变蛇形臂机器人

技术领域

本发明涉及蛇形臂机器人，具体是涉及一种基于相变材料的刚度可变蛇形臂机器人。

背景技术

大型复杂机械装备内部空间往往十分复杂狭窄，可作业空间小，给制造、装配及维护带来极大困难。为提高制造装配效率及降低维修成本，克服传统刚性机械臂无法连续变形以及难以在狭小空间工作的缺点，研制应用于复杂精密机械装备的机器人具有重要的现实意义，正是这种需求使得仿生学在机器人领域的研究得到了极大发展。

蛇形臂机器人模仿自然界蛇及象鼻的无肢结构，具有长径比大、自由度多及环境适应性好等特点，非常适合在狭长的管道、多障碍小空间、窄口空腔等特殊环境中进行无损检测、原位维修作业，在制造、维修、安检以及医疗康复等领域具有广阔的应用前景。

然而，目前公布的仿象鼻、章鱼触手或蛇形臂连续体机器人，多数以冗余的多关节结构或硅橡胶等柔性材料为主体，使其在获得高柔顺性的同时也牺牲了机器人部分刚度，如OC Robotics公司的蛇形臂机器人、Festo公司的气动象鼻仿生助理手、清华大学设计的主从操控的柔性连续体机器人（中国发明专利，CN 104476533 B）等。对于一些特殊场合，此类柔性连续体机器人带来的作用力小、末端定位不精确以及抖动等问题，制约着其在实际中的应用。

为解决柔性蛇形臂机器人刚度不足问题，变刚度仿生软体机器人相续被提出。例如，上海交通大学研制的刚度可变的柔性内窥镜机器人（中国发明专利，CN 103006165 B），通过控制镶嵌在机器人内部不同位置的绳线运动，实现柔性机器人朝不同方向弯曲及刚度控制，但弯曲运动与刚度变化相互耦合，刚度可变范围小、不能实现刚度的单独控制。另外，哈尔滨工业大学公开的线驱动式刚度可变软体机器人（中国发明专利，CN 105945930 B），采用钢丝驱动的方式控制机器人运动方向，通过利用“真空颗粒阻塞现象”，控制软体机器人内部阻塞腔的负压力大小，从而实现软体机器人的刚度变化以适应实际应用需求，但刚度变化范围小。

上述变刚度软体机器人，相对一般连续体机器人虽刚度明显可变，但现有实例中普遍存在着刚度变化范围小，机器人刚度控制必须维持对绳索或阻塞腔持续力的输出的问题。且机器人在刚度调节的过程中会影响机器人的构型，存在着运动与刚度控制耦合的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种基于相变材料的刚度可变蛇形臂机器人，能够实现刚度的独立控制以及较大的刚度调节范围。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种基于相变材料的刚度可变蛇形臂机器人，包括驱动底座、刚度可变蛇形臂和末端作业工具，驱动底座与刚度可变蛇形臂相连，刚度可变蛇形臂与末端作业工具相连；所述刚度可变蛇形臂由n个蛇形臂驱动模块组成，n为自然数，n个蛇形臂驱动模块首尾相连串联安装，每个蛇形臂驱动模块包括弹性基体和N个纤维增强型驱动器，N≥3，N个纤维增强型驱动器埋设弹性基体内，N个纤维增强型驱动器的中心在一个圆周上，圆周的圆心为蛇形臂驱动模块的中心。

进一步，所述纤维增强型驱动器包括超弹性基体、相变机构和中心驱动腔，所述相变机构埋设于超弹性基体内，所述中心驱动腔为超弹性基体中心处所开出的轴向空腔，两端均密封，并在其中一端开有微型孔，微型孔内插入微型导管，用以通入驱动流体；所述相变机构沿中心驱动腔的圆周方向设置，所述纤维增强型驱动器外壁缠绕有约束纤维。

进一步，所述相变机构的横截面为圆环形，所述中心驱动腔位于相变机构的圆环中心内。

进一步，所述相变机构的横截面为弧形，相变机构的数量≥2，相变机构沿着超弹性基体对称地分布在中心驱动腔圆周周围。

进一步，所述相变机构包括分段式电阻绕组和相变材料机构，所述分段式电阻绕组缠绕在相变材料机构上，所述相变机构分为上半段和下半段，上半段为区域Ⅱ，下半段为区域Ⅲ，上半段和下半段构成的整体为区域Ⅰ，通过对相变机构不同分段的加热控制来实现不同分段的刚度控制。

进一步，所述相变机构一端连接有第一导线，另一端连接有第三导线，中点连接有第二导线，所述相变机构被第二导线分为上半段和下半段，上半段为区域Ⅱ，下半段为区域Ⅲ，上半段和下半段构成的整体为区域Ⅰ，所述第一导线通过继电器开关与电源正极相连，所述第三导线与电源负极相连，所述第二导线通过继电器开关与电源正极或负极相连；通过控制第一导线、第二导线和第三导线与电源的正负极的通断，实现对相变机构不同分段的加热控制；所述第一导线和第三导线接通电源正负极时区域Ⅰ加热，所述第一导线和第二导线接通电源正负极时区域Ⅱ加热，所述第二导线和第三导线接通电源正负极时区域Ⅲ加热。

进一步，所述相变机构表面设有一层用于保护相变材料机构的软质薄膜。

进一步，所述纤维增强型驱动器外壁约束纤维的驱动形式包括欠约束、全约束以及过约束驱动形式，仅缠绕一根约束纤维为欠约束驱动形式，纤维增强型驱动器的弯曲方向不可控，一根约束纤维螺旋环绕在纤维增强型驱动器外壁上；缠绕两根约束纤维为全约束驱动形式，通过改变α和β两个参数大小产生不同方向的弯曲，α和β分别表示两根约束纤维与纤维增强驱动器的中心线的夹角，两根约束纤维以不同的螺旋夹角螺旋缠绕在纤维增强型驱动器外壁上；缠绕三根及三根以上约束纤维为过约束驱动形式，此时纤维增强型驱动器的弯曲变形较小，三根及三根以上约束纤维以不等螺旋夹角螺旋交错缠绕在纤维增强型驱动器外壁上。

进一步，所述n个蛇形臂驱动模块2并联驱动；所述N个纤维增强型驱动器并联驱动。

进一步，所述蛇形臂驱动模块还包括驱动器支撑硅胶膜，驱动器支撑硅胶膜包裹在纤维增强型驱动器外。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明具有独立的刚度控制能力及较大的刚度变化范围，能够实现刚度的单独控制，转换后的刚性状态稳定；通过控制不同位置上的纤维增强型驱动器内部流体压力输入值的大小，实现良好且灵活的蛇形臂机器人弯曲变形控制；本发明可以在任意构型下进行刚度主动控制，能有效降低刚度控制对机器人运动的影响；在蛇形臂机器人前端安装摄像头、钻头、打磨工具等，可实现对复杂结构内部进行检查、维修等作用。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构示意图。

图2是图1所示实施例的蛇形臂驱动模块的立体视图。

图3是图2的A处的向视图。

图4是图2的局部剖视图。

图5是图1所示实施例的纤维增强型驱动器的立体视图。

图6是图5的B处的向视图。

图7是图1所示实施例的相变机构的原理图。

图8是图1所示实施例的相变机构的立体视图。

图9是图1所示实施例纤维增强型驱动器外壁约束纤维为欠约束驱动形式的示意图。

图10是图1所示实施例纤维增强型驱动器外壁约束纤维为全约束驱动形式的示意图。

图11是图1所示实施例纤维增强型驱动器外壁约束纤维为过约束驱动形式的示意图。

图12是图1所示实施例一根纤维增强型驱动器被驱动时的驱动原理图。

图13是图1所示实施例两根纤维增强型驱动器被驱动时的驱动原理图。

图14是图1所示实施例三根纤维增强型驱动器被驱动时的驱动原理图。

图中：1—驱动底座，2—蛇形臂驱动模块，3—末端作业工具，4—弹性基体，5—超弹性基体，6—相变机构，7—中心驱动腔，8—驱动器支撑硅胶膜，9—约束纤维，10—分段式电阻绕组，11—第一导线，12—第二导线，13—第三导线。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本实施例包括驱动底座1、刚度可变蛇形臂、末端作业工具3，驱动底座1与刚度可变蛇形臂相连，刚度可变蛇形臂与末端作业工具3相连。本实施例中末端作业工具3为钻头，在实际应用中末端作业工具3还可为摄像头或打磨工具等。

刚度可变蛇形臂，由n个蛇形臂驱动模块2组成，n为自然数，n个蛇形臂驱动模块2首尾相连串联安装，构成刚度可变蛇形臂，n个蛇形臂驱动模块2并联驱动即每个蛇形臂驱动模块2独立控制；本实施例中n取6。

参照图2、3、4，蛇形臂驱动模块2包括弹性基体4、纤维增强型驱动器、驱动器支撑硅胶膜8，驱动器支撑硅胶膜8包裹在纤维增强型驱动器外，纤维增强型驱动器埋设弹性基体4内。本实施例中选用3个纤维增强型驱动器，3个纤维增强型驱动器的中心在一个圆周上，圆周的圆心为蛇形臂驱动模块2的中心，3个纤维增强型驱动器并联驱动即每个纤维增强型驱动器独立控制。

参照图5、6，纤维增强型驱动器的横截面为圆环形，包括超弹性基体5、相变机构6和中心驱动腔7，相变机构6埋设于超弹性基体5内，中心驱动腔7为超弹性基体5中心处所开出的轴向空腔，两端均密封，并在其中一端开有微型孔，用以插入微型导管，用以通入驱动流体；相变机构6的横截面为弧形，本实施例中，相变机构6的数量为两个，两个相变机构6沿着超弹性基体5对称地分布在中心驱动腔7两边，纤维增强型驱动器外壁缠绕有约束纤维9。

参照图7、图8，相变机构6包括分段式电阻绕组10、相变材料机构，分段式电阻绕组10缠绕在相变材料机构上，相变机构6表面设有一层用于保护相变材料机构的软质薄膜。本实施例中，相变机构6的横截面为弧形，相变机构6的数量为两个，两个相变机构6沿着超弹性基体5对称地分布在中心驱动腔7圆周周围。在实际应用中，相变机构6的数量还可大于两个，多个相变机构6沿着超弹性基体5对称地分布在中心驱动腔7圆周周围。相变机构6的数量还可为一个，此时相变机构6的横截面为圆环形，中心驱动腔7位于相变机构6的圆环中心内。

相变机构6一端连接有第一导线11，另一端连接有第三导线13，中点连接有第二导线12，相变机构被第二导线12分为上半段和下半段，上半段为区域Ⅱ，下半段为区域Ⅲ，上半段和下半段构成的整体为区域Ⅰ，第一导线11通过继电器开关与电源正极相连，第三导线13与电源负极相连，第二导线12通过继电器开关与电源正极或负极相连。通过控制第一导线11、第二导线12和第三导线13与电源的正负极的通断，可实现对相变机构6不同分段的加热控制，从而达到对基于相变材料属性的蛇形臂进行刚度控制的目的。具体为：第一导线11和第三导线13接通电源正负极时区域Ⅰ加热，第一导线11和第二导线12接通电源正负极时区域Ⅱ加热，第二导线12和第三导线13接通电源正负极时区域Ⅲ加热。电源设于驱动底座1内。

纤维增强型驱动器外壁嵌入约束纤维9，用于定义纤维增强型驱动器的变形弯曲运动形式。纤维增强型驱动器是一种类似静水骨骼的仿生结构，通过改变嵌入外壁的约束纤维9的缠绕方式和数量，可实现轴向伸长或扭曲或者弯曲等动作。纤维增强型驱动器上的约束纤维9缠绕方式和数量一旦确定下来，其弯曲变形方向也就确定下来，因此可通过改变约束纤维9的约束方式和数量，获得不同弯曲变形能力的纤维增强型驱动器。

参照图9、图10、图11，纤维增强型驱动器外壁约束纤维9的驱动形式包括欠约束、全约束以及过约束驱动形式，参照图9，仅缠绕一根约束纤维9为欠约束驱动形式，纤维增强型驱动器的弯曲方向不可控，一根约束纤维9螺旋环绕在纤维增强型驱动器外壁上；参照图10，缠绕两根约束纤维9为全约束驱动形式，α和β分别表示两根约束纤维9与纤维增强驱动器的中心线的夹角，通过改变α和β两个参数大小可以产生不同方向的弯曲，两根约束纤维9以不同的螺旋夹角螺旋缠绕在纤维增强型驱动器外壁上；参照图11，缠绕三根及三根以上约束纤维9为过约束驱动形式，此时纤维增强型驱动器的弯曲变形较小，三根及三根以上约束纤维9以不等螺旋夹角螺旋交错缠绕在纤维增强型驱动器外壁上。因此，在设计时确定约束纤维9的缠绕方式和数量来确定纤维增强型驱动器的弯曲方向，具体弯曲多少通过通入中心驱动腔7中的流体的压力来控制，即通过控制通入的流体压力来控制弯曲程度。通过控制输入到中心驱动腔7中流体压力的大小，从而控制某个位置的纤维增强型驱动器进行弯曲，由于不对称位置的驱动弯曲，利用整体的力矩平衡关系，进而达到整个蛇形臂机器人弯曲角度的控制。

蛇形臂驱动模块2驱动原理如图12、13、14所示，当仅有G1、G2、G3中任意一根纤维增强型驱动器被驱动时，蛇形臂驱动模块2弯曲方向取决于被驱动纤维增强型驱动器预设的弯曲方向，如图12所示，其弯曲变形程度与驱动流体压力的大小有关；当蛇形臂驱动模块2中任意两个纤维增强型驱动器被驱动时，其弯曲方向由被驱动的该组纤维增强型驱动器合力决定，如图13所示，其弯曲范围位于灰色阴影区间；当三根纤维增强型驱动器驱动流体压力一致时，蛇形臂驱动模块2内部弯曲合力为零，蛇形臂驱动模块2不发生弯曲，呈伸直状态，如图14所示。

蛇形臂驱动模块2内设有导管，通过导管将蛇形臂驱动模块2内各个纤维增强型驱动器上的中心驱动腔7分别连接到驱动底座1上。

蛇形臂驱动模块2的前端和后端分别设有连接件，前后模块之间相互独立仅通过连接件连接在一起，连接各个中心驱动腔7的导管从连接件上的通孔穿过，本实施例蛇形臂机器人中各个蛇形臂驱动模块2间采用并联驱动的方式，蛇形臂驱动模块中各纤维增强型驱动器同样采用并联驱动的方式。

本发明的技术构思为：利用相变材料在常温下具有稳定的杨氏模量和在熔融状态下杨氏模量快速下降的特性，通过分段式电阻对相变机构6中不同部位的相变材料进行加热，从而实现蛇形臂机器人刚度的独立控制。结合蛇形臂驱动模块2内并联设计的多个纤维增强型驱动器，通过协同耦合动作，可实现蛇形臂机器人的多角度、多弯曲形式的变形。具体工作原理如下：

利用分段式电阻绕组对需要弯曲变形部位的相变材料机构进行温度控制，进而实现对该部位刚度的控制。然后分别对通入蛇形臂驱动模块2中各个纤维增强型驱动器的驱动流体进行控制，从而达到控制每个驱动器的弯曲、伸展的目的，利用不对称位置上纤维增强型驱动器的弯曲力矩作用，可实现整个蛇形臂驱动模块2的可控角度弯曲运动。本发明设计的蛇形臂机器人采用多模块并联驱动的模式，能实现蛇形臂机器人任意角度的弯曲变形。

本发明使软体蛇形臂机器人具有独立的刚度控制能力及较大的刚度变化范围，能够实现良好的刚度控制，转换后的刚性状态稳定；通过控制不同位置上的纤维增强型驱动器内部流体压力输入值的大小，实现良好且灵活的蛇形臂机器人弯曲变形控制；本发明可以在任意构型下进行刚度主动控制。在蛇形臂机器人前端安装摄像头、钻头、打磨工具等，可实现对复杂结构内部进行检查、维修等作用。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于相变材料的刚度可变蛇形臂机器人，其特征在于：包括驱动底座、刚度可变蛇形臂和末端作业工具，驱动底座与刚度可变蛇形臂相连，刚度可变蛇形臂与末端作业工具相连；所述刚度可变蛇形臂由n个蛇形臂驱动模块组成，n为自然数，n个蛇形臂驱动模块首尾相连串联安装，每个蛇形臂驱动模块包括弹性基体和N个纤维增强型驱动器，N≥3，N个纤维增强型驱动器埋设弹性基体内，N个纤维增强型驱动器的中心在一个圆周上，圆周的圆心为蛇形臂驱动模块的中心。

2.如权利要求1所述的基于相变材料的刚度可变蛇形臂机器人，其特征在于：所述纤维增强型驱动器包括超弹性基体、相变机构和中心驱动腔，所述相变机构埋设于超弹性基体内，所述中心驱动腔为超弹性基体中心处所开出的轴向空腔，两端均密封，并在其中一端开有微型孔，微型孔内插入微型导管，用以通入驱动流体；所述相变机构沿中心驱动腔的圆周方向设置，所述纤维增强型驱动器外壁缠绕有约束纤维。

3.如权利要求2所述的基于相变材料的刚度可变蛇形臂机器人，其特征在于：所述相变机构的横截面为圆环形，所述中心驱动腔位于相变机构的圆环中心内。

4.如权利要求2所述的基于相变材料的刚度可变蛇形臂机器人，其特征在于：所述相变机构的横截面为弧形，相变机构的数量≥2，相变机构沿着超弹性基体对称地分布在中心驱动腔圆周周围。

5.如权利要求2-4之一所述的基于相变材料的刚度可变蛇形臂机器人，其特征在于：所述相变机构包括分段式电阻绕组和相变材料机构，所述分段式电阻绕组缠绕在相变材料机构上，所述相变机构分为上半段和下半段，上半段为区域Ⅱ，下半段为区域Ⅲ，上半段和下半段构成的整体为区域Ⅰ，通过对相变机构不同分段的加热控制来实现不同分段的刚度控制。

6.如权利要求5所述的基于相变材料的刚度可变蛇形臂机器人，其特征在于：所述相变机构一端连接有第一导线，另一端连接有第三导线，中点连接有第二导线，所述相变机构被第二导线分为上半段和下半段，上半段为区域Ⅱ，下半段为区域Ⅲ，上半段和下半段构成的整体为区域Ⅰ，所述第一导线通过继电器开关与电源正极相连，所述第三导线与电源负极相连，所述第二导线通过继电器开关与电源正极或负极相连；通过控制第一导线、第二导线和第三导线与电源的正负极的通断，实现对相变机构不同分段的加热控制；所述第一导线和第三导线接通电源正负极时区域Ⅰ加热，所述第一导线和第二导线接通电源正负极时区域Ⅱ加热，所述第二导线和第三导线接通电源正负极时区域Ⅲ加热。

7.如权利要求5所述的基于相变材料的刚度可变蛇形臂机器人，其特征在于：所述相变机构表面设有一层用于保护相变材料机构的软质薄膜。

8.如权利要求2所述的基于相变材料的刚度可变蛇形臂机器人，其特征在于：所述纤维增强型驱动器外壁约束纤维的驱动形式包括欠约束、全约束以及过约束驱动形式，仅缠绕一根约束纤维为欠约束驱动形式，纤维增强型驱动器的弯曲方向不可控，一根约束纤维螺旋环绕在纤维增强型驱动器外壁上；缠绕两根约束纤维为全约束驱动形式，通过改变α和β两个参数大小产生不同方向的弯曲，α和β分别表示两根约束纤维与纤维增强驱动器的中心线的夹角，两根约束纤维以不同的螺旋夹角螺旋缠绕在纤维增强型驱动器外壁上；缠绕三根及三根以上约束纤维为过约束驱动形式，此时纤维增强型驱动器的弯曲变形较小，三根及三根以上约束纤维以不等螺旋夹角螺旋交错缠绕在纤维增强型驱动器外壁上。

9.如权利要求1或2所述的基于相变材料的刚度可变蛇形臂机器人，其特征在于：所述n个蛇形臂驱动模块2并联驱动；所述N个纤维增强型驱动器并联驱动。

10.如权利要求1或2所述的基于相变材料的刚度可变蛇形臂机器人，其特征在于：所述蛇形臂驱动模块还包括驱动器支撑硅胶膜，驱动器支撑硅胶膜包裹在纤维增强型驱动器外。

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