CN109227530B - 一种变刚度机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变刚度机器人，包括变刚度装置、密封装置和流体充入装置，变刚度装置包括外管体、内管体、弹性填充体、膨胀袋体，外管体套设于内管体外且外管体和内管体之间形成填充腔，密封装置包括第一密封装置和第二密封装置，第一密封装置连接外管体的一端和内管体的一端并封闭填充腔的一端，第二密封装置连接外管体的另一端和内管体的另一端并封闭填充腔的另一端；填充腔内填充有弹性填充体，膨胀袋体嵌置于弹性填充体内；流体充入装置的输出端穿过第一密封装置或第二密封装置并与膨胀袋体连通以向膨胀袋体内充入压力流体。该变刚度机器人，使机器人可弯曲，且刚度可控。

Description

一种变刚度机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种变刚度机器人。

背景技术

随着人类生产生活的不断进步和发展，机器人技术、自动控制技术的不断进步，机器人已经广泛应用于人类社会的各个方面。在人类不宜涉足的极端和危险的工程环境中，机器人为人类提供了很大的便利。传统的刚性机器人结构通常由电机、活塞、关节、铰链等构件组装而成，尽管动力足、功率大、性能成熟，但是也存在很多缺点，例如笨重、安全系数低、环境适应性差、可靠性低、传动效率低下、噪声大等。

在自然界中，许多生物具有柔软的身体、优良的灵活性和强大的环境适应性为机器人的发展提供了新思路。软体机器人基于仿生学原理，其躯体主要由可以承受大变形的弹性材料构成，可以连续地变形，具有极高的自由度，通过模仿软体动物的运动，这种机器人可以实现蠕动、扭转、爬行、游动等运动形式。软体机器人可以根据实际需要任意地改变自身形状和尺寸，在更加复杂的环境中作业。此外，相比于传统的刚性机器人，软体机器人具有更高的安全性和更好的环境相容性，更加适合服务业和医疗领域。基于以上优点，软体机器人在工业生产、医疗服务、军事侦察等领域都有着很好的潜力。

传统刚性机器人在人机交互领的应用远没有软体机器人安全可靠，但传统刚性机器人的一些优点也是软体机器人所不具有的，例如可承受外载荷较大，作业精确度高等。所以如果能将软体机器人和传统刚性机器人结合起来，也就是实现机器人的刚度调节，使其在不同的场合有不同的刚度，这样的机器人应用会更加广泛。

对于刚度可变的软体机器人，上海交通大学的发明专利申请号CN201210546744.4公开了一种刚度可变的柔性内窥镜机器人，其本体结构成圆柱形，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，其声称的刚度可变仅仅是依靠着拉着某一根或者多根绳线来控制的，且软体机器人刚度可变是运动过程中伴随产生的，与运动的驱动结构强耦合形成的，难以对软体机器人的刚度进行独立的控制。

对于刚度可变的软体机器人发明专利申请号CN201210179182.4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，从而实现磁流变液的固液之间转换，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的要求，且磁流变液在不通电的情况下本身就有一点的粘度，使得机器人柔性又减少许多，磁流变液在液固的转化性能较好，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柔性。

发明内容

本发明的目的是提供一种变刚度机器人，以解决上述现有技术存在的问题，使机器人可弯曲，刚度可控且便于调节。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种变刚度机器人，包括变刚度装置、密封装置和流体充入装置，所述变刚度装置包括外管体、内管体、弹性填充体和膨胀袋体，所述外管体套设于所述内管体外且所述外管体与所述内管体之间形成填充腔，所述密封装置包括第一密封装置和第二密封装置，所述第一密封装置连接所述外管体的一端和所述内管体的一端并封闭所述填充腔的一端，所述第二密封装置连接所述外管体的另一端和所述内管体的另一端并封闭所述填充腔的另一端；所述填充腔内填充有所述弹性填充体，所述膨胀袋体嵌置于所述弹性填充体内；所述流体充入装置的输出端穿过所述第一密封装置或第二密封装置并与所述膨胀袋体连通以向所述膨胀袋体内充入压力流体。

优选的，所述外管体和所述内管体均为抗径向变形管体。

优选的，所述膨胀袋体沿所述内管体的长度方向设置有多个，且各所述膨胀袋体呈螺旋形布设在所述内管体外形成螺旋膨胀袋体。

优选的，还包括控制器和设置于所述控制器外壁上的端部定位装置，所述第一密封装置与所述端部定位装置连接，所述流体充入装置通过管道与所述膨胀袋体连通，所述管道依次穿过所述控制器、所述端部定位装置和所述第一密封装置与所述膨胀袋体连通，所述控制器控制所述流体充入装置的工作。

优选的，所述端部定位装置包括端部螺纹杆和防松端盖，所述端部螺纹杆固定设置于所述控制器外侧壁上，所述防松端盖套设于所述端部螺纹杆外并与所述端部螺纹杆螺纹连接，且所述第一密封装置与所述端部螺纹杆连接。

优选的，所述第一密封装置包括同轴设置的第一螺栓、第一螺母和第一密封圈，所述第一螺母螺纹连接于所述第一螺栓外，所述第一密封圈设置于所述第一螺栓与所述第一螺母两个相对的端面之间，且所述外管体靠近所述控制器的一端的侧壁被挤压于所述第一螺母的内螺纹与所述第一螺栓的外螺纹之间，所述第一螺栓的内侧壁螺纹连接于所述端部螺纹杆的外侧壁和所述内管体靠近所述控制器的一端的外侧壁上。

优选的，所述第二密封装置包括同轴设置的第二螺栓、第二螺母、第二密封圈和封闭端盖，所述第二螺母螺纹连接于所述第二螺栓外，所述第二密封圈设置于所述第二螺栓与所述第二螺母两个相对的端面之间，且所述外管体远离所述控制器的一端的侧壁被挤压于所述第二螺母的内螺纹与所述第二螺栓的外螺纹之间，所述第二螺栓的内侧壁螺纹连接于所述内管体远离所述控制器的一端的外侧壁和所述封闭端盖的外侧壁上。

优选的，所述管道包括总管和多个支管，所述支管的数量与所述膨胀袋体的数量相同，一个所述支管穿过所述内管体侧壁上设置的一个气孔与一个所述膨胀袋体连通，所述总管通过开关阀与多个所述支管连接，各所述支管上均设置有一比例阀，所述开关阀设置于所述控制器的外侧壁上，所述比例阀均设置于所述控制器上，所述控制器内设置有与各所述开关阀均电连接的单片机。

优选的，所述流体充入装置为气泵，所述气泵的出气端与所述总管连通。

优选的，所述弹性填充体为弹性泡沫，所述外管体为薄膜塑料管，所述内管体为波纹管、钢丝伸缩软管或不锈钢软管，所述膨胀袋体为弹性橡胶薄膜袋。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的变刚度机器人，在使用过程中为被动调姿，当达到指定位姿后，流体充入装置向膨胀袋体内充入压力流体，使膨胀袋体膨胀，进而挤压在内管体和外管体之间的填充腔内填充的弹性填充体，弹性填充体在流体的压力作用下体积变小，密度增大，使得弹性填充体刚度变大，膨胀袋体则会嵌在高硬度的弹性填充体中，使得变刚度机器人的整体刚度变大，可保证变刚度机器人在该位姿下锁死固定。本发明提供的变刚度机器人，膨胀袋体内未充入压力流体前为全柔性机器人，便于调整姿态；通过在膨胀袋体内充入压力流体，改变了弹性填充体的密度，使原来的柔质弹性填充体变为硬质弹性填充体，进而使得机器人具有硬质外壳，改变了机器人的刚度，通过改变充入的压力流体的压强，即可调节机器人的刚度，便于控制机器人的刚度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的目的是提供的变刚度机器人纵向剖面示意图；

图2为图1中的变刚度机器人A处的局部放大示意图；

图3为图1中的变刚度机器人B处的局部放大示意图；

图4为图1中的变刚度机器人C处的局部放大示意图；

图中：1-控制器；2-防松端盖；3-外管体；4-弹性填充体；5-膨胀袋体； 6-气孔；7-二通阀；8-充气管；9-第二螺母；10-第二密封圈；11-封闭端盖；12- 第二螺栓；13-进气管；14-端部螺纹杆；15-第一螺母；16-第一密封圈；17-第一螺栓；18-内管体；19-比例阀；20-开关阀；21-流体充入装置；22-总管；23- 连接管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种变刚度机器人，以解决上述现有技术存在的问题，使机器人可弯曲，刚度可控且便于调节。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1～4所示，本发明提供一种变刚度机器人，于本发明一具体的实施例中，变刚度机器人包括变刚度装置、密封装置和流体充入装置21，变刚度装置包括外管体3、内管体18、弹性填充体4、膨胀袋体5，外管体3套设于内管体18外且外管体3和内管体18之间形成填充腔，密封装置包括第一密封装置和第二密封装置，第一密封装置连接外管体3的一端和内管体18的一端并封闭填充腔的一端，第二密封装置连接外管体3的另一端和内管体18的另一端并封闭填充腔的另一端；填充腔内填充有弹性填充体4，膨胀袋体5嵌置于弹性填充体4内；流体充入装置21的输出端穿过第一密封装置或第二密封装置并与膨胀袋体5连通以向膨胀袋体5内充入压力流体。

本发明提供的变刚度机器人，在使用过程中为被动调姿，当达到指定位姿后，流体充入装置21向膨胀袋体5内充入压力流体，使膨胀袋体5膨胀，进而挤压在内管体18和外管体3之间的填充腔内填充的弹性填充体4，弹性填充体4在流体的压力作用下体积变小，密度增大，使得弹性填充体4刚度变大，膨胀袋体5则会嵌在高硬度的弹性填充体4中，使得变刚度机器人的整体刚度变大，可保证变刚度机器人锁定于该位姿状态。本发明提供的变刚度机器人，膨胀袋体5内未充入压力流体前为全柔性机器人，便于调整姿态；通过在膨胀袋体5内充入压力流体，改变了弹性填充体4的密度，使原来的柔质弹性填充体4变为硬质弹性填充体4，进而使得机器人具有硬质外壳，改变了机器人的刚度，通过改变充入的压力流体的压强，即可调节机器人的刚度，便于改变机器人的刚度。

于本发明一具体的实施例中，变刚度机器人的外管体3和内管体18均为抗径向变形管体，膨胀袋体5内充入压力流体后，外管体3和内管体18的径向压缩量需小于10％，以满足机器人的刚度需求；外管体3和内管体18均可在轴向上变形。

于本发明一具体的实施例中，变刚度机器人的膨胀袋体5沿内管体18的长度方向依次设置有多个，且各膨胀袋体5呈螺旋形布设在内管体18外形成螺旋膨胀袋体，并通过柔性粘合剂与内管体18连接；膨胀袋体5的数量根据所需机器人的尺寸或长度决定，每一节螺旋膨胀袋体螺旋圈数最好控制在5 到8圈。螺旋形分布的膨胀袋体5，易弯曲，方便流体充入前对机器人的姿态调整。本实施例膨胀袋体5设置有3个，各膨胀袋体5单独控制，向三个独立的膨胀袋体5中充不同压力的气体时，各膨胀袋体5的膨胀强度也会不同，从而对不同位置的弹性填充体4的挤压强度也会不同，实现对各膨胀袋体5缠绕处的机器人刚度进行独立调节，保证了变刚度机器人在某些部位拥有很好的刚度的情况下，其他部位仍然保持很好柔性。

于本发明一具体的实施例中，变刚度机器人还包括控制器1和设置于控制器1外壁上的端部定位装置，第一密封装置与端部定位装置连接，流体充入装置21通过管道与膨胀袋体5连通，管道依次穿过控制器1、端部定位装置和第一密封装置与膨胀袋体5连通，控制器1控制流体充入装置21的工作，可以通过控制器1控制流体充入装置21是否向膨胀袋体5内充入压力流体以及充入流体的流量、流速、压力的大小。

于本发明一具体的实施例中，变刚度机器人的端部定位装置包括端部螺纹杆14和防松端盖2，端部螺纹杆14固定设置于控制器1外侧壁上，防松端盖 2套设于端部螺纹杆14外并与端部螺纹杆14螺纹连接，第一密封装置与端部螺纹杆14连接，防松端盖2可保护第一密封装置。

于本发明一具体的实施例中，变刚度机器人的第一密封装置包括同轴设置的第一螺栓17、第一螺母15和第一密封圈16，第一螺母15螺纹连接于第一螺栓17外，第一密封圈16设置于第一螺栓17与第一螺母15两个相对的端面之间，且外管体3靠近控制器1的一端的侧壁被挤压于第一螺母15的内螺纹与第一螺栓17的外螺纹之间，第一螺栓17的内侧壁螺纹连接于端部螺纹杆 14的外侧壁和内管体18靠近控制器1的一端的外侧壁上，第一螺栓17的端面抵压在防松端盖2的内端面上，防松端盖2能够防止第一螺栓17的轴向窜动，同时可限定内管体18靠近控制器1的一端螺纹拧入第一螺栓17内的长度，防止内管体18窜动。

于本发明一具体的实施例中，变刚度机器人的第二密封装置包括同轴设置的第二螺栓12、第二螺母9、第二密封圈10和封闭端盖11，第二螺母9螺纹连接于第二螺栓12外，第二密封圈10设置于第二螺栓12与第二螺母9两个相对的端面之间，且外管体3远离控制器1的一端的侧壁被挤压于第二螺母9 的内螺纹与第二螺栓12的外螺纹之间，第二螺栓12的内侧壁螺纹连接于内管体18远离控制器1的一端的外侧壁和封闭端盖11的外侧壁上。封闭端盖11 能够限定内管体18远离控制器1的一端螺纹拧入第二螺栓12内的长度，防止内管体18窜动。

于本发明一具体的实施例中，变刚度机器人的管道包括总管22和多个支管，支管的数量与膨胀袋体5的数量相同，一个支管穿过内管体18侧壁上设置的一个气孔6与一个膨胀袋体5连通，总管22通过开关阀20与多个支管连接，各支管上均设置有一比例阀19，开关阀20设置于控制器1的外侧壁上，比例阀19均设置于控制器1上，控制器1内设置有与各开关阀20均电连接的单片机。开关阀20控制管道的通断，比例阀19控制膨胀袋体5的气压。开关阀20为手动控制，比例阀19由单片机控制。支管包括连接管23、充气管8 和进气管13，充气管8和进气管13通过二通阀7连接，各比例阀19均通过一个连接管连接开关阀，进气管13连接于比例阀19上，充气管8连接于膨胀袋体5上，开关阀20通过一个多通气阀与各连接管连接，多通气阀的类型根据膨胀袋体5的数量选择，使用的充气管8是外径为4mm的PV软管。

于本发明一具体的实施例中，变刚度机器人的流体充入装置21为气泵，气泵的出气端与总管22连通，通过气泵向膨胀袋体5充入具有一定压力的气体。

于本发明一具体的实施例中，变刚度机器人的弹性填充体4为弹性泡沫，弹性泡沫可为热塑性弹性体(TPE)，聚氨酯弹性体橡胶、苯乙烯系热塑性弹性体(SBS)或苯乙烯一异戊二烯一苯乙烯(SIS)材料制作的弹性泡沫。

本发明中的内管体18为弯曲过程中自身内应力小且抗径向变形的管体，可为波纹管、钢丝伸缩软管或不锈钢软管。

本发明中的外管体3也为抗径向变形的管体，于本发明一具体的实施例中，外管体3可为厚度为8mm薄膜塑料管，由塑料薄膜通过热熔密封的方式做成圆柱状薄膜塑料管。

本发明中的膨胀袋体5为弹性橡胶薄膜袋，于本发明一具体的实施例中，膨胀袋体5为厚度为2mm的弹性橡胶薄膜通过热熔拉升制成螺旋状的螺旋膨胀袋体。

本发明提供的变刚度机器人，利用冲入流体挤压改变等容积空间中的弹性填充体4密度，实现刚度调节，结构简单易于实现，所用原材料价格低，在日常生活的应用比较广泛；采用流体填充改变刚度，外管体3为柔性塑料材料，在人机交互空间里，能够保证与人体接触时人员与机器的安全；且能够实现在弯曲变形过程中通过流体压力的调节，无级改变刚度；应用领域比较广泛，可以用于人机交互、康复机器人等。

需要说明的是，本发明提供的变刚度机器人，并不限制通入的流体类型，流体可以为气体或液体，优选气体，液体可以选用液压油或水均可，通入的流体只要能够挤压弹性填充体并改变弹性填充体的密度即可；不限制内管体和外管体的形状，不限制膨胀袋体的设置数量，根据变刚度机器人的实际需要设置即可。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种变刚度机器人，其特征在于：包括变刚度装置、密封装置和流体充入装置，所述变刚度装置包括外管体、内管体、弹性填充体和膨胀袋体，所述外管体套设于所述内管体外且所述外管体与所述内管体之间形成填充腔，所述密封装置包括第一密封装置和第二密封装置，所述第一密封装置连接所述外管体的一端和所述内管体的一端并封闭所述填充腔的一端，所述第二密封装置连接所述外管体的另一端和所述内管体的另一端并封闭所述填充腔的另一端；所述填充腔内填充有所述弹性填充体，所述膨胀袋体嵌置于所述弹性填充体内；所述流体充入装置的输出端穿过所述第一密封装置或第二密封装置并与所述膨胀袋体连通以向所述膨胀袋体内充入压力流体；所述膨胀袋体呈螺旋形布设在所述内管体外形成螺旋膨胀袋体。

2.根据权利要求1所述的变刚度机器人，其特征在于：所述外管体和所述内管体均为抗径向变形管体。

3.根据权利要求1所述的变刚度机器人，其特征在于：所述膨胀袋体沿所述内管体的长度方向设置有多个。

4.根据权利要求3所述的变刚度机器人，其特征在于：还包括控制器和设置于所述控制器外壁上的端部定位装置，所述第一密封装置与所述端部定位装置连接，所述流体充入装置通过管道与所述膨胀袋体连通，所述管道依次穿过所述控制器、所述端部定位装置和所述第一密封装置与所述膨胀袋体连通，所述控制器控制所述流体充入装置的工作。

5.根据权利要求4所述的变刚度机器人，其特征在于：所述端部定位装置包括端部螺纹杆和防松端盖，所述端部螺纹杆固定设置于所述控制器外侧壁上，所述防松端盖套设于所述端部螺纹杆外并与所述端部螺纹杆螺纹连接，且所述第一密封装置与所述端部螺纹杆连接。

6.根据权利要求5所述的变刚度机器人，其特征在于：所述第一密封装置包括同轴设置的第一螺栓、第一螺母和第一密封圈，所述第一螺母螺纹连接于所述第一螺栓外，所述第一密封圈设置于所述第一螺栓与所述第一螺母两个相对的端面之间，且所述外管体靠近所述控制器的一端的侧壁被挤压于所述第一螺母的内螺纹与所述第一螺栓的外螺纹之间，所述第一螺栓的内侧壁螺纹连接于所述端部螺纹杆的外侧壁和所述内管体靠近所述控制器的一端的外侧壁上。

7.根据权利要求6所述的变刚度机器人，其特征在于：所述第二密封装置包括同轴设置的第二螺栓、第二螺母、第二密封圈和封闭端盖，所述第二螺母螺纹连接于所述第二螺栓外，所述第二密封圈设置于所述第二螺栓与所述第二螺母两个相对的端面之间，且所述外管体远离所述控制器的一端的侧壁被挤压于所述第二螺母的内螺纹与所述第二螺栓的外螺纹之间，所述第二螺栓的内侧壁螺纹连接于所述内管体远离所述控制器的一端的外侧壁和所述封闭端盖的外侧壁上。

8.根据权利要求4所述的变刚度机器人，其特征在于：所述管道包括总管和多个支管，所述支管的数量与所述膨胀袋体的数量相同，一个所述支管穿过所述内管体侧壁上设置的一个气孔与一个所述膨胀袋体连通，所述总管通过开关阀与多个所述支管连接，各所述支管上均设置有一比例阀，所述开关阀设置于所述控制器的外侧壁上，所述比例阀均设置于所述控制器上，所述控制器内设置有与各所述开关阀均电连接的单片机。

9.根据权利要求8所述的变刚度机器人，其特征在于：所述流体充入装置为气泵，所述气泵的出气端与所述总管连通。

10.根据权利要求1所述的变刚度机器人，其特征在于：所述弹性填充体为弹性泡沫，所述外管体为薄膜塑料管，所述内管体为波纹管、钢丝伸缩软管或不锈钢软管，所述膨胀袋体为弹性橡胶薄膜袋。

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