CN110065060B - 一种三自由度软机器人及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度软机器人及其驱动方法。常规软机器人的伸长率受所用材料的轴向应变能力限制，不能实现长距离的延伸。本发明一种三自由度软机器人，包括移动组件和驱动组件。移动组件包括移动壳、基座、第一移动座、第二移动座、第三移动座、第四移动座、导向轴、第一滚筒和第二滚筒。驱动组件包括固定壳、换向阀、第一电机、第二电机、第三电机、第四电机、卷筒、第一溢流阀、第二溢流阀、气源和条状气管。本发明通过改变条状气管的释放量进行控制，能够实现移动组件横移、两向偏转三个自由度的控制。本发明对条状气管充气方式进行驱动，使得移动组件受到冲击或者磕碰时，能够较好的适应外界因素影响，不会产生损坏等。

Description

一种三自由度软机器人及其驱动方法

技术领域

本发明属于软机器人技术领域，具体涉及一种三自由度软机器人及其驱动方法。

背景技术

机器人的使用已经成为工业生产和生活中不可或缺的产品，传统意义上的机器人主要是以刚性结构为主，但是其刚性结构材料导致它无法适应复杂的环境变化，这也使得它自身存在一些体型庞大，安全性低等缺点。随着人们越来越重视与非结构化环境的相互作用，机器人的运动必须变得不那么僵硬和固定。软体机器人具有良好的柔性，能够通过自身形变适应外部环境，能够在空间狭小的环境中进行作业，在救援、探测方面表现出广阔的应用前景。同时，软体机器人具有良好的生物兼容性，不会对生物组织造成伤害，逐渐受到医疗工作者的关注。软体机器人是新兴的研究领域，相关研究仍处于起步阶段。

软机器人中使用的执行器普遍由柔性材料制成，如硅树脂，软聚合物和水凝胶。常用的软致动器包括软气动执行器(SPA)，形状记忆聚合物，形状记忆合金执行器，流体纤维增强执行器，基于化学反应的执行器等。在这些方法中，SPA是最有前景的，因为它们易于制造，且制造效率高，成本低，重量轻。但SPA的位置精度和速度控制是具有挑战性的，而且许多SPA还存在另一个主要问题，它们的伸长率受所用材料的轴向应变能力限制，不能实现长距离的延伸。目前，已经提出了不同的致动方法来克服SPA的有限扩展能力。这些执行器主要设计应用于搜索和救援之中。它们普遍只能在预定义在一个或两个自由度的路径上移动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三自由度软机器人及其驱动方法。

本发明一种三自由度软机器人，包括移动组件和驱动组件。所述的移动组件包括移动壳、基座、第一移动座、第二移动座、第三移动座、第四移动座、导向轴、第一滚筒和第二滚筒。基座固定在移动壳内。所述的基座上支承有四个第一滚筒。四个第一滚筒沿基座中心轴线的周向均布。第一移动座、第二移动座、第三移动座、第四移动座均设置在基座上且沿基座中心轴线的周向均布。第一移动座、第二移动座、第三移动座、第四移动座上均支承有第二滚筒。四个第一滚筒与四个第二滚筒分别对齐。第一滚筒的轴线与对应第二滚筒的轴线相互平行。

所述的驱动组件包括固定壳、换向阀、第一电机、第二电机、第三电机、第四电机、卷筒、第一溢流阀、第二溢流阀、气源和条状气管。四根卷筒均支承在固定壳上，且与四根第二滚筒分别对应。四根卷筒由第一电机、第二电机、第三电机、第四电机分别驱动。条状气管的进气端安装有气嘴。四根条状气管的进气端均与固定壳固定，绕卷端分别缠绕在四根卷筒上。四根条状气管分别穿过对应的第一滚筒与第二滚筒之间的缝隙，并绕过对应的第二滚筒。所述第一溢流阀的进气口与气源的出气口连通。换向阀的进气口与气源的出气口连通，回气口与第二溢流阀的进气口连通，工作气口与四根条状气管上的气嘴均连通。

进一步地，所述的第一移动座、第二移动座、第三移动座、第四移动座均与基座构成滑动副。第一移动座、第二移动座、第三移动座、第四移动座的滑动方向与对应的第二滚筒的轴线方向垂直。基座上开设有与第一移动座、第二移动座、第三移动座、第四移动座分别对应的四个螺纹孔。四根调节螺栓分别穿过第一移动座、第二移动座、第三移动座、第四移动座，并与四个螺纹孔分别螺纹连接。四根调节螺栓的轴线与第一移动座、第二移动座、第三移动座、第四移动座的滑动方向分别平行。

进一步地，所述的第一电机、第二电机、第三电机、第四电机均固定在固定壳上，且输出轴与四根卷筒分别固定。

进一步地，所述的条状气管为两端封闭的橡胶管。

进一步地，所述的换向阀采用型号为3V210-08的二位三通的电磁阀。

该三自由度可扩展气动软机器人执行器的驱动方法包括前后驱动方法和偏转驱动方法。

前后驱动方法具体如下：

当需要移动组件前进时，换向阀切换至四根条状气管与气源连通的状态，实现对四个条状气管的同步充气。同时，第一电机、第二电机、第三电机、第四电机同步正转，释放条状气管。四根条状气管膨胀推动移动组件前进。

当需要移动组件后退时，换向阀切换至四根条状气管与第二溢流阀连通的状态。第一电机、第二电机、第三电机、第四电机同步反转，使得四根条状气管分别缠绕上四根卷筒。使得四根条状气管拉动移动组件后退。四根条状气管内的气体通过对应的第二溢流阀释放。第二溢流阀保持四根条状气管内的气压稳定，使得条状气管的放气的过程中保持紧绷。

偏转驱动方法如下：

步骤一、四个换向阀切换至四根条状气管均与气源连通的状态。

步骤二、若移动组件需要向左偏转，则第三电机正转，第四电机反转，使得与第三电机对应的条状气管被释放，与第四电机对应的条状气管缠绕上对应的卷筒，使得移动组件向左偏转。

若移动组件需要向右偏转，则第四电机正转，第三电机反转，使得与第四电机对应的条状气管被释放，与第三电机对应的条状气管缠绕上对应的卷筒，使得移动组件向右偏转。

若移动组件需要向上偏转，则第二电机正转，第一电机反转，使得与第二电机对应的条状气管被释放，与第一电机对应的条状气管缠绕上对应的卷筒。使得移动组件向上偏转。

若移动组件需要向下偏转，则第一电机正转，第二电机反转，使得与第一电机对应的条状气管被释放，与第二电机对应的条状气管缠绕上对应的卷筒。使得移动组件向下偏转。

进一步地，正置状态下，四个卷筒与对应的四个第一滚筒、第二滚筒之间的缝隙分别对齐。正置状态为四个第一滚筒的轴线所成平面与四个卷筒的轴线所成平面平行的状态。移动组件在正置状态下需要偏转θ角度时，对应的条状气管的释放、缠绕的长度为l。l的表达式为

其中，a为任意一根第一滚筒的几何中心到四根第一滚筒空间位置的相对中心点的距离；h为偏转前，四根第一滚筒空间位置的相对中心点与四根卷筒空间位置的相对中心点的距离。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明通过改变条状气管的释放量进行控制，能够实现移动组件前进后退、左右偏转、上下偏转三个自由度的控制。

2、本发明对条状气管充气方式进行驱动，使得移动组件受到冲击或者磕碰时，能够跟随冲击运动，避免了传统机器人过于僵硬与固定化的问题。

3、本发明的执行器能够适应外部环境，能够在空间狭小的环境中工作，可应用于救援、探测等方面。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中移动组件的示意图；

图3为本发明中移动组件拆去移动壳的示意图；

图4为本发明拆去移动壳的结构示意图；

图5为本发明的气路连接图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2、3和4所示，一种三自由度软机器人，包括移动组件和驱动组件。移动组件包括移动壳1、基座2、第一移动座3、第二移动座4、第三移动座5、第四移动座6、导向轴7、第一滚筒8和第二滚筒9。基座2固定在移动壳1内。基座2上支承有四个第一滚筒8。四个第一滚筒8沿基座2中心轴线的周向均布。第一移动座3、第二移动座4、第三移动座5、第四移动座6沿基座2中心轴线的周向均布，且均与基座2通过导向轴7构成滑动副。所有导向轴7均与基座2固定。第一移动座3、第二移动座4、第三移动座5、第四移动座6上均支承有第二滚筒9。

第一移动座3、第二移动座4、第三移动座5、第四移动座6的滑动方向与对应的第二滚筒9的轴线方向垂直。四个第一滚筒8与四个第二滚筒9分别对应。第一滚筒8的轴线与对应第二滚筒9的轴线相互平行。从而使得第一滚筒8与对应的第二滚筒9的组合呈夹辊状。

基座2上开设有与第一移动座3、第二移动座4、第三移动座5、第四移动座6分别对应的四个螺纹孔。四根调节螺栓20分别穿过第一移动座3、第二移动座4、第三移动座5、第四移动座6，并与四个螺纹孔分别螺纹连接。四根调节螺栓20的轴线与第一移动座3、第二移动座4、第三移动座5、第四移动座6的滑动方向分别平行。四个螺栓20的头端分别对第一移动座3、第二移动座4、第三移动座5、第四移动座6起到限位作用。通过转动调节螺栓20，可以调节各移动座与基座的位置关系，进而调节对应的第一滚筒8与第二滚筒9的间距。

如图1、4和5所示，驱动组件包括固定壳10、换向阀11、第一电机12、第二电机13、第三电机14、第四电机15、卷筒16、第一溢流阀18、第二溢流阀19、气源21和条状气管17。换向阀11采用型号为3V210-08的二位三通的电磁阀。该二位三通的电磁阀的第一个工作位中，进气口与工作气口连通，回气口截止；第二个工作位中，回气口与工作气口连通，进气口截止。四根卷筒16均支承在固定壳上，且与四根第二滚筒分别对应。第一电机、第二电机、第三电机、第四电机均固定在固定壳上，且输出轴与四根卷筒16分别固定。条状气管17为两端封闭的橡胶管。条状气管17的两端分别为进气端和绕卷端。条状气管17的进气端安装有气嘴。四根条状气管17的进气端均与固定壳固定，绕卷端分别缠绕在四根卷筒16上。四根条状气管17分别穿过对应的第一滚筒与第二滚筒之间的缝隙，并绕过对应的第二滚筒。通过四个电机的转动，能够分别驱动四根条状气管17的释放或缠绕。第一溢流阀18的进气口与气源21的出气口连通，出气口与外界环境连通。换向阀11的进气口均与气源21的出气口连通，回气口与第二溢流阀19的进气口分别连通，工作气口与四根条状气管17上的气嘴通过五通接头连接。第二溢流阀19的出气口与外界环境连通。

当条状气管17充气时，条状气管17的进气端与对应第二滚筒之间的部分发生膨胀。由于条状气管17被对应的第一滚筒与第二滚筒夹住，故条状气管17内的气体无法进入条状气管17的绕卷端与对应第二滚筒之间的部分。因此，条状气管17的绕卷端与对应第二滚筒之间的部分呈扁平状，便于卷筒16的缠绕。

当四个换向阀11控制四根条状气管17的气嘴与气源连接，且四个电机转动以逐步释放条状气管17时，四根条状气管17逐步绕过第二滚筒到达进气端与对应第二滚筒之间，第二滚筒到达进气端与对应第二滚筒之间的部分充气膨胀，进而推动移动壳1向远离固定壳的一侧移动。

正置状态下，四个卷筒16与对应的四个第一滚筒、第二滚筒之间的缝隙分别对齐。正置状态为四个第一滚筒的轴线所成平面与四个卷筒16的轴线所成平面平行的状态(即在四根条状气管17的进气端与对应第二滚筒之间的部分等长)。

该三自由度软机器人的驱动方法包括前后驱动方法、左右偏转驱动方法和上下偏转驱动方法：

前后驱动方法具体如下：

当需要移动组件前进时(即远离固定壳10)，换向阀11均切换至四根条状气管17与气源连通的状态，实现对四个条状气管17的同步等速充气。同时，第一电机12、第二电机13、第三电机14、第四电机15同步正转，释放条状气管17。此时，四个条状气管膨胀分别导致四组第一滚筒8、第二滚筒9的表面上压力能量累积，推动移动组件前进。

当需要移动组件后退时，换向阀11均切换至四根条状气管17与第二溢流阀19连通的状态。第一电机12、第二电机13、第三电机14、第四电机15同步反转，使得四根条状气管17分别缠绕上四根卷筒。这一过程中，四根条状气管17拉动移动组件后退。四根条状气管17内的气体通过第二溢流阀19释放。第二溢流阀19保持四根条状气管17内的气压稳定，使得条状气管17的放气的过程中保持紧绷。

以初始状态下，四根第一滚筒空间位置的相对中心点作为坐标原点O(即四根第一滚筒沿坐标原点O的轴向均布)，以第四电机15对应的第一滚筒朝向以第一电机12对应的第一滚筒的方向为z轴正方向，以第二电机13对应的第一滚筒朝向以第三电机14对应的第一滚筒的方向为y轴正方向，建立空间直角坐标系。

左右偏转驱动方法具体如下：

当处于正置状态下的移动组件需要向左偏转θ角度时(即基座2的外侧朝沿y轴负方向偏转)，换向阀11切换至四根条状气管17与气源连通的状态，实现对四个条状气管17的同步等速充气。同时，第三电机14正转，第四电机15反转，使得与第三电机14对应的条状气管17被释放l长度。与第四电机15对应的条状气管17的l长度缠绕上对应的卷筒。使得移动组件向左偏转θ角度。l的表达式为

其中，a为任意一根第一滚筒的几何中心到四根第一滚筒空间位置的相对中心点的距离；h为偏转前，四根第一滚筒空间位置的相对中心点与四根卷筒空间位置的相对中心点的距离

当处于正置状态下的移动组件需要向右偏转θ角度时(即基座2的外侧面朝y轴正方向偏转)，换向阀11切换至四根条状气管17与气源连通的状态，实现对四个条状气管17的同步等速充气。同时，第四电机15正转，第三电机14反转，与第四电机15对应的条状气管17被释放l长度。与第三电机14对应的条状气管17的l长度缠绕上对应的卷筒。使得移动组件向右偏转。

上下偏转驱动方法具体如下：

当处于正置状态下的移动组件需要向上偏转θ角度时(即基座2的外侧朝沿y轴负方向偏转)，换向阀11切换至四根条状气管17与气源连通的状态，实现对四个条状气管17的同步等速充气。同时，第二电机13正转，第一电机12反转，使得与第二电机13对应的条状气管17被释放l长度。与第一电机12对应的条状气管17的l长度缠绕上对应的卷筒。使得移动组件向上偏转θ角度。

当处于正置状态下的移动组件需要向下偏转θ角度时(即基座2的外侧面朝y轴正方向偏转)，换向阀11切换至四根条状气管17与气源连通的状态，实现对四个条状气管17的同步等速充气。同时，第一电机12正转，第二电机13反转，与第一电机12对应的条状气管17被释放l长度。与第二电机13对应的条状气管17的l长度缠绕上对应的卷筒。使得移动组件向下偏转。

Claims (6)

1.一种三自由度软机器人，包括移动组件和驱动组件；其特征在于：所述的移动组件包括移动壳、基座、第一移动座、第二移动座、第三移动座、第四移动座、导向轴、第一滚筒和第二滚筒；基座固定在移动壳内；所述的基座上支承有四个第一滚筒；四个第一滚筒沿基座中心轴线的周向均布；第一移动座、第二移动座、第三移动座、第四移动座均设置在基座上且沿基座中心轴线的周向均布；第一移动座、第二移动座、第三移动座、第四移动座上均支承有第二滚筒；四个第一滚筒与四个第二滚筒分别对齐；第一滚筒的轴线与对应第二滚筒的轴线相互平行；

所述的驱动组件包括固定壳、换向阀、第一电机、第二电机、第三电机、第四电机、卷筒、第一溢流阀、第二溢流阀、气源和条状气管；四根卷筒均支承在固定壳上，且与四根第二滚筒分别对应；四根卷筒由第一电机、第二电机、第三电机、第四电机分别驱动；条状气管的进气端安装有气嘴；四根条状气管的进气端均与固定壳固定，绕卷端分别缠绕在四根卷筒上；四根条状气管分别穿过对应的第一滚筒与第二滚筒之间的缝隙，并绕过对应的第二滚筒；所述第一溢流阀的进气口与气源的出气口连通；换向阀的进气口与气源的出气口连通，回气口与第二溢流阀的进气口连通，工作气口与四根条状气管上的气嘴均连通。

2.根据权利要求1所述的一种三自由度软机器人，其特征在于：所述的第一移动座、第二移动座、第三移动座、第四移动座均与基座构成滑动副；第一移动座、第二移动座、第三移动座、第四移动座的滑动方向与对应的第二滚筒的轴线方向垂直；基座上开设有与第一移动座、第二移动座、第三移动座、第四移动座分别对应的四个螺纹孔；四根调节螺栓分别穿过第一移动座、第二移动座、第三移动座、第四移动座，并与四个螺纹孔分别螺纹连接；四根调节螺栓的轴线与第一移动座、第二移动座、第三移动座、第四移动座的滑动方向分别平行。

3.根据权利要求1所述的一种三自由度软机器人，其特征在于：所述的第一电机、第二电机、第三电机、第四电机均固定在固定壳上，且输出轴与四根卷筒分别固定。

4.根据权利要求1所述的一种三自由度软机器人，其特征在于：所述的条状气管为两端封闭的橡胶管。

5.根据权利要求1所述的一种三自由度软机器人，其特征在于：所述的换向阀采用型号为3V210-08的二位三通的电磁阀。

6.如权利要求1所述的一种三自由度软机器人的驱动方法，其特征在于：包括前后驱动方法和偏转驱动方法；

前后驱动方法具体如下：

当需要移动组件前进时，换向阀切换至四根条状气管与气源连通的状态，实现对四个条状气管的同步充气；同时，第一电机、第二电机、第三电机、第四电机同步正转，释放条状气管；四根条状气管膨胀推动移动组件前进；

当需要移动组件后退时，换向阀切换至四根条状气管与第二溢流阀连通的状态；第一电机、第二电机、第三电机、第四电机同步反转，使得四根条状气管分别缠绕上四根卷筒；使得四根条状气管拉动移动组件后退；四根条状气管内的气体通过对应的第二溢流阀释放；第二溢流阀保持四根条状气管内的气压稳定，使得条状气管的放气的过程中保持紧绷；

偏转驱动方法如下：

步骤一、四个换向阀切换至四根条状气管均与气源连通的状态；

步骤二、若移动组件需要向左偏转，则第三电机正转，第四电机反转，使得与第三电机对应的条状气管被释放，与第四电机对应的条状气管缠绕上对应的卷筒，使得移动组件向左偏转；

若移动组件需要向右偏转，则第四电机正转，第三电机反转，使得与第四电机对应的条状气管被释放，与第三电机对应的条状气管缠绕上对应的卷筒，使得移动组件向右偏转；

若移动组件需要向上偏转，则第二电机正转，第一电机反转，使得与第二电机对应的条状气管被释放，与第一电机对应的条状气管缠绕上对应的卷筒；使得移动组件向上偏转；

若移动组件需要向下偏转，则第一电机正转，第二电机反转，使得与第一电机对应的条状气管被释放，与第二电机对应的条状气管缠绕上对应的卷筒；使得移动组件向下偏转。

Images