CN109048856A - 一种刚度独立可控的软体机器人致动器 - Google Patents

一种刚度独立可控的软体机器人致动器 Download PDF

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张坤
丁建宁
刘春成
吴聪
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Abstract

本发明提供了一种刚度独立可控的软体机器人致动器，包括气体致动部分和刚度调节部分，所述刚度调节部分包括刚度调节腔室和颗粒介质纱袋，所述刚度调节腔室位于所述气体致动部分底部，所述刚度调节腔室内部平铺所述颗粒介质纱袋，通过改变所述刚度调节腔室内的气压大小，改变致动器的刚度大小。所述气体致动部分上表面呈锯齿状，所述刚度调节腔室粘接在所述气体致动部分下表面。所述气体致动部分包括若干个气动膨胀腔室，单个所述锯齿内部设有所述气动膨胀腔室，且相邻的所述气动膨胀腔室通过内部通道连通。本发明可以使气体致动器能够在不影响运动柔韧性的前提下改变自身的刚度，可控性更强。

Description

一种刚度独立可控的软体机器人致动器
技术领域
本发明涉及软体机器人领域，特别涉及一种刚度独立可控的软体机器人致动器。
背景技术
各研究组关于软体机器人的设计构想多种多样，但几乎所有的研究组都遇到了相同的问题，即如何在保证软体机器人特有柔性特点的前提下提高其承重能力？这一问题成为了国内外诸多大学的研究热点。目前，较为成功的提高软体机器人承重能力的案例可分为两类：致动器内部改造和软体机器人整体结构改造。
对于提高软体致动器的刚度，Yingtian Li等人设计的向硅橡胶致动器腔室内填充颗粒的方法，使空气压力从20kPa变化到80kPa时，致动器刚度可以增加6倍以上。Argiolas等人提出的用无孔弹性体密封有孔弹性体泡沫的致动器设计，使弯曲致动器可以在其尖端施加高达5N的力，并且抓拾起200g的物体。这些改进可以有效的提高软体致动器的承重能力，但都极大的损失了软体致动器的变形比，只能通过软体机器人整体结构的设计来弥补。
对于刚度可变的软体机器人，国家实用新型专利申请号CN201210546744.4公开了上海交通大学研究的刚度可变的柔性内窥镜机器人，其本体结构呈圆柱形，材料为硅胶，驱动结构由若干根驱动绳线控制，当驱动不同的绳线或者绳线组合时，机器人可以完成相应的变形动作。其刚度可变是伴随运动过程产生的，与驱动结构强耦合形成，难以对软体机器人的刚度进行独立控制。
对于刚度可变的软体机器人，国家实用新型专利申请号CN201220258024.3公开了一种磁流变连续体机器人操作器，它是基于模仿象鼻运动的原理，本体是长管型结构，外层通过4节圆柱形弹簧串联而成，分别由4根线绳独立驱动，线绳引入到电机驱动的滑轮上，从而带动机器人运动，弹簧之间通过脊骨盘连接，每个脊骨盘的中间连接通有磁流变液的软管，软管外绕有线圈，通过改变线圈的电流控制磁流变液磁场的强度实现磁流变液的固液转换，起到调节机器人刚度的作用。但是，由于此结构外层是弹簧，本身刚度就比较大，达不到一些软体机器人特有材料的柔性要求，且磁流变液不通电的情况下本身就有一点的粘度，使机器人柔性又减少了许多。磁流变液在液固转化方面性能较好，但是其很难保证软体机器人在拥有很好的刚度的情况下又保持很好的柔性。
对于刚度可变的软体机器人，国家实用新型专利申请号CN201410406336.8公开了浙江工业大学研究的主动可变刚度长臂式仿生软体机器人，软体机器人本体由基节和尾节组成，基节的基体由硅胶材料制成，设置3个侧驱动腔和1个中心驱动腔，各驱动腔两端封闭，由通气管输入高压气体以驱动机器人伸长或弯曲，为防止充气后发生径向变形，在各驱动腔内壁埋置约束弹簧，同时可增大整体刚度。同样是在结构中加入刚度较大的弹簧，损害了软体机器人特有材料的柔性，且其刚度调节主要通过控制中心驱动腔输入压缩气体的压力来实现，这种刚度调节方式刚度可变化范围比较小。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种刚度独立可控的软体机器人致动器，在致动器运行的过程中调节其刚度，需要柔韧性的时候降低整体刚度，需要提高承重能力的时候提高整体刚度。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种刚度独立可控的软体机器人致动器，包括气体致动部分和刚度调节部分，所述刚度调节部分包括刚度调节腔室和颗粒介质纱袋，所述刚度调节腔室位于所述气体致动部分底部，所述刚度调节腔室内部平铺所述颗粒介质纱袋，通过改变所述刚度调节腔室内的气压大小，改变致动器的刚度大小。
进一步，所述气体致动部分上表面呈锯齿状，所述刚度调节腔室粘接在所述气体致动部分下表面。
进一步，所述气体致动部分包括若干个气动膨胀腔室，单个所述锯齿内部设有所述气动膨胀腔室，且相邻的所述气动膨胀腔室通过内部通道连通。
进一步，所述气体致动部分的截面为矩形或者梯形或者半圆形。
进一步，所述颗粒介质纱袋包括纱布和颗粒，所述纱布内部填充颗粒，所述颗粒直径大于纱布孔隙。
进一步，所述颗粒密度为0.5-3.5g/cm3，所述颗粒为轻质塑料或金属材料。
进一步，所述气体致动部分和刚度调节部分分别连接供气系统。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的刚度独立可控的软体机器人致动器，通过控制气动膨胀腔室和刚度调节腔室气压大小，使气体致动器能够在不影响运动柔韧性的前提下改变自身的刚度，可控性更强。致动器可以在任意形状下提升刚度，实现定形，相较于常见的刚度随形状变化的设计本发明具有更广泛的应用前景。
2.本发明所述的刚度独立可控的软体机器人致动器，独特的刚度调节机制有效增强气体致动器的承重能力，有利于保持稳定的抓取动作。使用本发明或以本发明为零件的软体机器人可以抓取搬运重量更大的物体。
3.本发明所述的刚度独立可控的软体机器人致动器，从致动器设计方面改进，平衡软体机器人的柔韧性和承重能力，方便组合设计不同功能和尺寸的软体机器人，应用于不同的环境中。
附图说明
图1为本发明所述的刚度独立可控的软体机器人致动器结构图。
图2为本发明所述的刚度独立可控的软体机器人致动器剖视图。
图3为本发明所述的半圆截面的气体致动部分示意图。
图4为本发明所述的梯形截面的气体致动部分示意图。
图中：
1：气体制动部分；1-1：气动导气管；1-2：气动膨胀腔室；1-3：内部通道；2：刚度调节部分；2-1：刚度调节导气管；2-2：刚度调节腔室；2-3：颗粒介质纱袋。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1和图2所示，本发明所述的刚度独立可控的软体机器人气动致动器，包括气体致动部分1和刚度调节部分2，两部分贴合胶结在一起，所述刚度调节部分2在所述气体致动部分1的下面。所述气体致动部分1上表面呈锯齿状，所述刚度调节腔室2-2粘接在所述气体致动部分1下表面。所述气体致动部分1和刚度调节部分2分别有一个独立的封闭腔室，分别由两个外接气源控制腔室气压。
所述气体致动部分1包括若干个气动膨胀腔室1-2，单个所述锯齿内部设有所述气动膨胀腔室1-2，且相邻的所述气动膨胀腔室1-2通过内部通道1-3连通。气体致动部分一端连接气动导气管1-1，用于控制致动器弯曲运动的外接气源连接；所述气体致动部分1由硅胶材料制成，整体封闭；
所述刚度调节部分2包括刚度调节腔室2-2和颗粒介质纱袋2-3，所述刚度调节腔室2-2位于所述气体致动部分1底部，所述刚度调节腔室2-2由硅胶材料制成，整体封闭；所述刚度调节腔室2-2内部平铺所述颗粒介质纱袋2-3，通过改变所述刚度调节腔室2-2内的气压大小，改变致动器的刚度大小。刚度调节部分一端连接刚度调节导气管2-1用于控制致动器刚度的外接气源连接。为了方便连接控制，所述气动导气管1-1和所述刚度调节导气管2-1位于本发明刚度独立可控的软体机器人致动器的同一端。
所述颗粒介质纱袋2-3为透气纱布，包裹住直径略大于纱布孔隙直径的颗粒，防止在抽充气的过程中沙粒损失。颗粒材料取密度在0.5g/cm3到3.5g/cm3的轻质塑料或金属材料，可根据具体运动需要进行适当调节。
所述气体致动部分1和刚度调节部分2两部分之间用与这两部分基体材料相同的硅胶粘接，该连接方式属于一种优选的连接方式，保证了刚度独立可控的软体机器人致动器的一体性；另外，所述刚度调节腔室2-2一端开口，在放入所述颗粒介质纱袋后用硅胶粘接封口；所述气动导气管1-1和刚度调节导气管2-1可直接尖端插入对应腔室中，由于硅胶的黏附性，可以保证插入孔的密封性，当然，也可以采用其他更加细致的处理，比如插入后用硅胶对所述插入导气管与腔室壁连接处进行密封。
工作工程：
将软体机器人工作状态分成两个阶段：变形运动阶段和抓持承重阶段，通过分别调接所述气动膨胀腔室1-2和所述刚度调节腔室2-2内的气压大小，从而改变致动器整体刚度。变形运动阶段，所述刚度调节腔室2-2保持常压，其内部颗粒介质松散，保证了致动器的柔韧性，所述气动膨胀腔室1-2气压升高，腔室侧壁膨胀，相互挤压，实现致动器弯曲运动；抓持承重阶段，在致动器完成弯曲变形后，所述气动膨胀腔室1-2气压保持不变，所述刚度调节腔室2-2气压降低，其内部颗粒介质受所述刚度调节腔室壁挤压收紧，致动器刚度显著提高，承重能力大大提升。
本实施例中，所述气体致动部分1整体呈方形。这种形状适用于单个致动器构成有单向抓握功能的软体机器人，稳定性较好。或者如图3所示，所述气体致动部分1整体呈半圆形结构。再或者如图4所示，所述气体致动部分1整体呈梯形结构。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种刚度独立可控的软体机器人致动器，其特征在于，包括气体致动部分(1)和刚度调节部分(2)，所述刚度调节部分(2)包括刚度调节腔室(2-2)和颗粒介质纱袋(2-3)，所述刚度调节腔室(2-2)位于所述气体致动部分(1)底部，所述刚度调节腔室(2-2)内部平铺所述颗粒介质纱袋(2-3)，通过改变所述刚度调节腔室(2-2)内的气压大小，改变致动器的刚度大小。
2.根据权利要求1所述刚度独立可控的软体机器人致动器，其特征在于，所述气体致动部分(1)上表面呈锯齿状，所述刚度调节腔室(2-2)粘接在所述气体致动部分(1)下表面。
3.根据权利要求2所述刚度独立可控的软体机器人致动器，其特征在于，所述气体致动部分(1)包括若干个气动膨胀腔室(1-2)，单个所述锯齿内部设有所述气动膨胀腔室(1-2)，且相邻的所述气动膨胀腔室(1-2)通过内部通道(1-3)连通。
4.根据权利要求2所述刚度独立可控的软体机器人致动器，其特征在于，所述气体致动部分(1)的截面为矩形或者梯形或者半圆形。
5.根据权利要求1所述刚度独立可控的软体机器人致动器，其特征在于，所述颗粒介质纱袋(2-3)包括纱布和颗粒，所述纱布内部填充颗粒，所述颗粒直径大于纱布孔隙。
6.根据权利要求5所述刚度独立可控的软体机器人致动器，其特征在于，所述颗粒密度为0.5-3.5g/cm3，所述颗粒为轻质塑料或金属材料。
7.根据权利要求1所述刚度独立可控的软体机器人致动器，其特征在于，所述气体致动部分(1)和刚度调节部分(2)分别连接供气系统。
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