CN109159109B - 一种单气源驱动的可重构软体机器人模块及机器人 - Google Patents

Abstract

一种单气源驱动的可重构软体机器人模块及机器人，它包括方位连接供气主体、主变形体和内置气路阀体；所述方位连接供气主体具有中空腔，所述主变形体为具有中通气路和沿气路环向均布设置的至少三个气腔；所述内置气路阀体包括壳体和控制阀，壳体为中空结构，壳体内布置有控制阀，壳体一侧具有与所述壳体的中空腔连通的气路通道接头和中心通道；所述主变形体一端面与所述方位连接供气主体的任意一个充气通道所在的表面密封连接，所述主变形体另一端面与所述壳体的一侧密封连接，气路通道接头与气腔密封连接并连通，中通气路与中心通道连通。本发明结构灵活、适应性好，增加了模块化机器人的环境柔顺性，极大地扩展了模块化机器人的应用范围。

Description

一种单气源驱动的可重构软体机器人模块及机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人及机器人模块，具体涉及一种单气源驱动的可重构的软体机器人模块及机器人。

背景技术

随着科技进步和社会发展，人们对机器人提出了更高的要求，作为一种具有高度互换性、灵活性的机器人形态，模块化机器人应运而生。模块化机器人由众多结构相同功能相近的模块单元组成，通过改变模块间的连接状态，可以便捷地组成多种构型的机器人，执行多种操作任务，满足多样化作业要求。而人们逐渐意识到纯刚性模块单元在环境柔顺适应方面的弊端。

发明内容

本发明为克服现有技术不足，提供一种结构灵活、适应性好的单气源驱动的可重构软体机器人模块及机器人。

本发明的技术方案是：

一种单气源驱动的可重构软体机器人模块，包括方位连接供气主体、主变形体和内置气路阀体；

所述方位连接供气主体具有中空腔，方位连接供气主体上设置有与所述中空腔连通的N个充气通道，N≥2，且N为整数；

所述主变形体为具有中通气路和沿气路环向均布设置有至少三个气腔的软质变形体；延伸于主变形体一端面的所有气腔端为封闭端，延伸于主变形体另一端面的所有气腔端为开口端；

所述内置气路阀体包括壳体和控制阀，壳体为中空结构，壳体内布置有控制阀，壳体一侧具有与所述壳体的中空腔连通的气路通道接头和中心通道，且气路通道接头、气腔和控制阀数量相一致；

所述主变形体一端面与所述方位连接供气主体的任意一个充气通道所在的表面密封连接，且中通气路与连接表面所在的充气通道连通，所述主变形体另一端面与所述壳体的一侧密封连接，气路通道接头与气腔密封连接并连通，中通气路与中心通道连通，所述控制阀控制气路通道接头与中心通道接通和关闭。

每个所述控制阀包括软质密封头、带有内螺纹的空心柱体、带有外螺纹的连接体、外壳和电机；外壳具有相对开口的两端，空心柱体、连接体和电机布置在外壳内，空心柱体滑动设置在外壳上，空心柱体一端固接有软质密封头，空心柱体另一端和连接体的一端螺纹连接，连接体的另一端与电机的输出轴连接，电机固装在外壳上，软质密封头能在外壳的一开口往复移动并能关闭和打开气路通道接头，所有外壳的另一开口由密封盖密封。

本发明相比现有技术的有益效果是

1、多个模块连接后仅需单个气源供气，简化了气动系统的复杂程度，避免了气动管路过多等问题，方便组装和拆卸。

2、采用软质材料作为主变形体，质量轻，成本低，运动灵活，可以更好地适应非结构化环境。

3、模块采用均一构型，可实现多模块连接，形成更加丰富的构型，完成复杂任务。

4、本发明将目标聚焦到模块化理念与软体机器人的结合上。软材料与模块化理念相结合，增加了模块化机器人的环境柔顺性，极大地扩展了模块化机器人的应用范围。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为内置气路阀体的爆炸图；

图3为连接供气主体的结构示意图；

图4为主变形体结构示意图；

图5为外壳局部剖开后的控制阀的结构示意图；

图6为利用单气源驱动的可重构软体机器人模块组成的一种机器人的结构图；

图7为图5所示一种机器人抓取物体工作过程图；

图8为利用单气源驱动的可重构软体机器人模块组成的另一种机器人的结构图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

参见图1-图4所示，本实施方式的一种单气源驱动的可重构软体机器人模块，包括方位连接供气主体1、主变形体2和内置气路阀体3；

所述方位连接供气主体1具有中空腔，方位连接供气主体1上设置有与所述中空腔连通的N个充气通道11，N≥2，且N为整数；

所述主变形体2为具有中通气路21和沿气路环向均布设置有至少三个气腔22的软质变形体；延伸于主变形体2一端面的所有气腔端为封闭端，延伸于主变形体2另一端面的所有气腔端为开口端；

所述内置气路阀体3包括壳体31和控制阀32，壳体31为中空结构，壳体31内布置有控制阀32，壳体31一侧具有与所述壳体31的中空腔连通的气路接头33和中心通道34，且气路通道接头33、气腔22和控制阀32数量相一致；

所述主变形体2一端面与所述方位连接供气主体1的任意一个充气通道11所在的表面密封连接，且中通气路21与连接表面所在的充气通道11连通，所述主变形体2另一端面与所述壳体1的一侧密封连接，气路通道接头33与气腔22密封连接并连通，中通气路21与中心通道34连通，所述控制阀32控制气路通道接头33与中心通道34接通和关闭。

上述方式中，主变形体2实现多种组合运动姿态，

上述方式中，方位连接供气主体1起连接气源和连通气体的作用，

上述方式中，内置气路阀体3起控制气路通道33与中心通道34接通和关闭的作用。通过控制阀32可实现主变形体1不同姿态的变化，例如线性延伸和弯曲运动。

参见图5所示，为了可靠地实现上述运动，使运动灵活，适应不同目标的抓取，控制阀32的设计也非常人性化和柔性化。具体为：每个所述控制阀32包括软质密封头320、带有内螺纹的空心柱体321、带有外螺纹的连接体322、外壳323和电机324；外壳323设有相对开口的两端，空心柱体321、连接体322和电机324布置在外壳323内，空心柱体321滑动设置在外壳323上，空心柱体321一端固接有软质密封头320，空心柱体321另一端和连接体322的一端螺纹连接，连接体322的另一端与电机324的输出轴连接，电机324固装在外壳323上，结合图1和图2说明，软质密封头320能在外壳323的一开口往复移动并能关闭和打开气路通道接头33，所有外壳323的另一开口由密封盖325密封。外壳密封盖326起对外壳323另一开口密封作用，外壳密封盖326通过螺栓与外壳323密封连接，确保外壳323内充入的气体不泄露。密封头320采用软硅胶浇注而成，可以与外壳323上的气路通道33严密配合，从而堵塞气路。软质密封头320通过强力胶粘接在空心柱体321一端。在外壳密封盖326与密封盖325之间还留有一定的空间，用于放置电路板和电线等。电路板用于控制电机的启停。

在上述结构作用下，可实现如下两种结构变化：一是，所有密封头320将对应的气路通道接头33打开，气路通道接头33与中心通道34接通，每个气腔22内被充入相同的气压时，主变形体2实现线性延伸。二是，任意单个密封头320将与该密封头320对应的气路通道接头33打开，剩余气路通道接头33由密封头320关闭时，主变形体2实现单向弯曲。

为此，通过分别向每个气腔22充气，可以实现三个主方向的弯曲运动；利用任意两气腔配合驱动时，模块可以实现120°范围内的弯曲运动；三腔配合工作时，模块整体能够实现全方向弯曲运动。同时还设一个中通气路21，保证充入的气体可以在模块内进行流动，而中通气路21中的气体不会引起主变形体2的变形。

为了增加操作性和适应不同工况的需要，方位连接供气主体1为四面体、五面体、六面体、七面体或八面体；每个面上开设有一个充气通道11，该方位连接供气主体1的每一个面可作为另一个方位连接供气主体1的连接面。这样的话，多个方位连接供气主体1的组合连接可组装出不同姿态的多种运动形式的机器人。

参见图6所示，单气源驱动的可重构软体机器人模块组成的机器人包括连接在一起的多个可重构软体机器人模块，该机器人是基于上述单气源驱动的可重构软体机器人模块构建的，任意一个可重构软体机器人模块上的方位连接供气主体1的中空腔与剩余可重构软体机器人模块上的方位连接供气主体1的中空腔通过充气通道11实现连通，其余未使用的充气通道11通过密封件封堵。

为了提高适应的灵活性，提高气路通道接头33的密封性，以及主变形体2的不同姿态的运动，

针对上述机器人及单气源驱动的可重构软体机器人模块来说，较佳地，主变形体2和密封头320均为硅橡胶体。

针对上述机器人及单气源驱动的可重构软体机器人模块来说，较佳地，控制阀32中的电机324为微型直流电机，该种电机体积小，占有空间小，运动精度高，也便于与上位机实现无线通讯，实现远程监控。

参见图3所示，在连接方式上，针对上述机器人及单气源驱动的可重构软体机器人模块，每个充气通道11为具有内螺纹的通道，相连接的两个充气通道11通过带有中空通道的双头螺栓12与充气通道11的内螺纹螺纹连接，其余未使用的充气通道11通过密封螺钉13密封。当内置气路阀体3或方位连接供气主体1自身相互之间通过双头螺栓12连接后，再用拐角的连接加固件4进行加固，保证通过螺纹连接的两个部件不会发生相对转动。

工作原理

该种可重构软体机器人模块采用便携式气泵进行供气，供气管路首先连接到方位连接供气主体1上，该结构为空腔，空腔部分与主变形体2的中通气路21相通，而与用以弯曲的多个内腔相互隔绝，气体无法在这里进入弯曲腔。高压气体通过中通气路21进入内置气路阀体3。此时上位机通过无线模块发射控制信号来控制微型直流电机的正反转。电机324带动连接体322旋转，连接体322通过螺纹将空心主体321的旋转运动变为直线运动，推动空心主体321和软质密封头320向前或向后移动，这样软质密封头320便将外壳323上的气路通道接头33的气路密封或打开，使气体无法接通或能接通对应的气路；电机正转，将密封头320向前推动，将对应的气路通道接头33密封，气体无法进入该弯曲腔；电机反转，将密封头320向后拉动，则对应的气路通道接头33打开，气体可以进入对应的弯曲腔，由于弯曲腔的另一端是密封的，因此高压气体使得该腔伸长，并且向未充气的两腔弯曲。使用两气腔或者三气腔实现组合运动时同理。与此同时，多个模块之间可以通过方位连接供气主体1进行连接，并且仅用一根供气管路进行供气即可，气体可以在方位连接供气主体1间自由流动，同时又受控于控制阀32，从而实现多种组合运动。

实施例1

参见图6所示，多个方位连接供气主体1的组合连接可组装出不同姿态的多种运动形式的一种抓取机器人，该抓取机器人采用4个单气源驱动的可重构软体机器人模块，方位连接供气主体1采用正六面体结构，每个六面体中部开设一个充气通道11，

每个单气源驱动的可重构软体机器人模块包括方位连接供气主体1、主变形体2和内置气路阀体3；

所述方位连接供气主体1具有中空腔，方位连接供气主体1上设置有与所述中空腔连通的6个充气通道11；

所述主变形体2为具有中通气路21和沿气路环向均布设置的三个气腔22；延伸于主变形体2一端面的所有气腔端为封闭端，延伸于主变形体2另一端面的所有气腔端为开口端；

所述内置气路阀体3包括壳体31和控制阀32，壳体31为中空结构，壳体31内布置有控制阀32，壳体31一侧具有与所述壳体31的中空腔连通的气路接头33和中心通道34，且气路通道接头33、气腔22和控制阀32数量均为3个；壳体31采用硅橡胶浇注而成；

所述主变形体2一端面与所述方位连接供气主体1的任意一个充气通道11所在的表面密封连接，主变形体2一端面与方位连接供气主体1表面采用强力胶粘接，实现密封连接，中通气路21与连接表面所在的充气通道11连通，所述主变形体2另一端面与所述壳体1的一侧密封连接，气路通道接头33与气腔22密封连接并连通，气路通道接头33与气腔22配合设置，中通气路21与中心通道34连通；

每个所述控制阀32包括软质密封头320、带有内螺纹的空心柱体321、带有外螺纹的连接体322、外壳323和电机324；电机324选用微型直流电机，外壳323具有相对开口的两端，空心柱体321、连接体322和电机324布置在外壳323内，空心柱体321滑动设置在外壳323上，空心柱体321一端采用强力胶与软质密封头320粘接在一起，空心柱体321另一端和连接体322的一端螺纹连接，连接体322的另一端与电机324的输出轴连接，电机324固装在外壳323上，软质密封头320能在外壳323的一开口往复移动并能关闭和打开气路通道接头33，所有外壳323的另一开口由密封盖325密封。主变形体2和密封头320均为硅橡胶体。

4个方位连接供气主体1通过中心一个方位连接供气主体1和围绕该中心布置的四个方位连接供气主体1相互连接而成一个“十”字形供气主体，4个单气源驱动的可重构软体机器人模块的方位连接供气主体1均通过中心一个方位连接供气主体1和环向的四个方位连接供气主体1上的充气通道11实现气流导通，相连接的两个充气通道11通过带有中空通道的双头螺栓12与充气通道11的内螺纹螺纹连接，实现气体连通，而其余未连接使用的充气通道11用密封螺钉13密封。保证抓取机器人的9个方位连接供气主体1为一个密闭体。

每个单气源驱动的可重构软体机器人模块中的三个控制阀32单独可控，任意单个密封头320将与该密封头320对应的气路通道33打开，剩余气路通道33由密封头320关闭时，主变形体2实现单向弯曲，12个气路通道33中，调整部分气路通道33的关闭和接通，抓取机器人整体实现抓取、夹紧、扭转和释放功能。

如图7所示，很好地显示了筒形卫生纸被上述抓取机器人抓取、夹紧、扭转和释放过程图。图7所示对筒形卫生纸工作过程从左往右是：初始形态展示、抓取提升物品、扭转物品和释放物品。实验中，首先向所有模块的气腔22中充入40KPa高压驱动气体，各个机器人模块向内产生弯曲，在软体硅胶材料的作用下内置气路阀体3的壳体31与卫生纸发生柔性接触，当气压升高至一定值后，执行末端的内置气路阀体3的壳体31具备足够的输出能力将物品夹取起来。在物品离开桌面后，通过向机器人模块另一气腔22中充入高压气体，来更改每个模块弯曲方向，进而带动物体旋转一定角度。最后通过各气腔22放气，实现物品释放。

实施例2

如图8所示，多个方位连接供气主体1的组合连接可组装出不同姿态的多种运动形式的另一种机器人，该抓取机器人采用5个单气源驱动的可重构软体机器人模块，方位连接供气主体1采用正六面体结构，每个六面体中部开设一个充气通道11，其中4个单气源驱动的可重构软体机器人模块并列设置，剩余1个单气源驱动的可重构软体机器人模块与前述4个单气源驱动的可重构软体机器人模块垂直布置，并通过一个方位连接供气主体1与端部的1个单气源驱动的可重构软体机器人模块的方位连接供气主体1通过带有中空通道的双头螺栓12与充气通道11的内螺纹螺纹连接，实现气体连通，未连接使用的充气通道11用密封螺钉13密封。每个单气源驱动的可重构软体机器人模块中的三个控制阀32单独可控，任意单个密封头320将与该密封头320对应的气路通道33打开，剩余气路通道33由密封头320关闭时，主变形体2实现单向弯曲。控制阀32中的电机324启停可通过电路板控制。主变形体2和密封头320均为硅橡胶体。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (9)

1.一种单气源驱动的可重构软体机器人模块，其特征在于：它包括方位连接供气主体（1）、主变形体（2）和内置气路阀体（3）；

所述方位连接供气主体（1）具有中空腔，方位连接供气主体（1）上设置有与所述中空腔连通的N个充气通道（11），N≥2，且N为整数；

所述主变形体（2）为具有中通气路（21）和沿气路环向均布设置有至少三个气腔（22）的软质变形体；延伸于主变形体（2）一端面的所有气腔端为封闭端，延伸于主变形体（2）另一端面的所有气腔端为开口端；

所述内置气路阀体（3）包括壳体（31）和控制阀（32），壳体（31）为中空结构，壳体（31）内布置有控制阀（32），壳体（31）一侧具有与所述壳体（31）的中空腔连通的气路通道接头（33）和中心通道（34），且气路通道接头（33）、气腔（22）和控制阀（32）数量相一致；

所述主变形体（2）一端面与所述方位连接供气主体（1）的任意一个充气通道（11）所在的表面密封连接，且中通气路（21）与连接表面所在的充气通道（11）连通，所述主变形体（2）另一端面与所述壳体（31）的一侧密封连接，气路通道接头（33）与气腔（22）密封连接并连通，中通气路（21）与中心通道（34）连通，所述控制阀（32）控制气路通道接头（33）与中心通道（34）接通和关闭。

2.根据权利要求1所述一种单气源驱动的可重构软体机器人模块，其特征在于：每个所述控制阀（32）包括软质密封头（320）、带有内螺纹的空心柱体（321）、带有外螺纹的连接体（322）、外壳（323）和电机（324）；外壳（323）具有相对开口的两端，空心柱体（321）、连接体（322）和电机（324）布置在外壳（323）内，空心柱体（321）滑动设置在外壳（323）上，空心柱体（321）一端固接有软质密封头（320），空心柱体（321）另一端和连接体（322）的一端螺纹连接，连接体（322）的另一端与电机（324）的输出轴连接，电机（324）固装在外壳（323）上，软质密封头（320）能在外壳（323）的一开口往复移动并能关闭和打开气路通道接头（33），所有外壳（323）的另一开口由密封盖（325）密封。

3.根据权利要求2所述一种单气源驱动的可重构软体机器人模块，其特征在于：所有密封头（320）将对应的气路通道打开，气路通道与中心通道（34）接通，每个气腔（22）内被充入相同的气压时，主变形体（2）实现线性延伸。

4.根据权利要求2所述一种单气源驱动的可重构软体机器人模块，其特征在于：任意单个密封头（320）将与该密封头（320）对应的气路通道打开，剩余气路通道由密封头（320）关闭时，主变形体（2）实现单向弯曲。

5.根据权利要求1、2、3或4所述一种单气源驱动的可重构软体机器人模块，其特征在于：方位连接供气主体（1）为四面体、五面体、六面体、七面体或八面体；每个面上开设有一个充气通道（11），该方位连接供气主体（1）的每一个面可作为另一个方位连接供气主体（1）的连接面。

6.根据权利要求5所述一种单气源驱动的可重构软体机器人模块，其特征在于：主变形体（2）和密封头（320）均为硅橡胶体。

7.一种利用权利要求6所述的单气源驱动的可重构软体机器人模块组成的机器人，其特征在于：所述机器人包括连接在一起的多个可重构软体机器人模块，任意一个可重构软体机器人模块上的方位连接供气主体（1）的中空腔与剩余可重构软体机器人模块上的方位连接供气主体（1）的中空腔通过充气通道（11）实现连通，其余未使用的充气通道（11）通过密封件封堵。

8.根据权利要求7所述的单气源驱动的可重构软体机器人模块组成的机器人，其特征在于：每个充气通道（11）为具有内螺纹的通道，相连接的两个充气通道（11）通过带有中空通道的双头螺栓（12）与充气通道（11）的内螺纹螺纹连接，其余未使用的充气通道（11）通过密封螺钉（13）密封。

9.根据权利要求8所述的单气源驱动的可重构软体机器人模块组成的机器人，其特征在于：方位连接供气主体（1）为六面体。

Images