CN112137855B - 一种可变刚度的软体按摩机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可变刚度的软体按摩机器人，属于按摩机器人领域。包括按摩驱动器、上平台、下平台、连接座以及按摩执行器；下平台下端连接按摩执行器上端，上端连接按摩驱动器下端，按摩驱动器上端与连接座下端连接，连接座上端与套筒连接，套筒的上端与上平台下端连接，上平台的上端与定位机械臂连接。本发明设计的软体按摩机器人在保证较大输出力的基础上与刚性机械臂结合，这种结合方式在充分发挥柔性驱动灵活多变的基础上也能够进行按摩位置的适当控制，使得应用范围更广。

Description

一种可变刚度的软体按摩机器人

技术领域

本发明涉及一种可变刚度的软体按摩机器人，属于按摩机器人领域。

背景技术

近年来中国老龄化人口急剧增加，老年人的慢性疾病给他们带来各种慢性疼痛。同时由于如今快节奏的生活方式和缺乏必要的锻炼，腰酸背痛也开始成为许多年轻人的通病。按摩自古以来就被认为是治疗、缓解疼痛及增进人体健康的物理自然疗法。

为了缓解按摩医师供不应求的现状，按摩机器人开始成为当下的研究热点，按摩机器人作为服务机器人的一个重要领域，国际上很多国家在这一领域都展开了相关研究。日本朝日大学Katsumata等研制了一款面部按摩机器人，韩国汉城大学机器人实验室提出了一个仿人型的冲击式按摩机器人，莫斯科国立工业大学V.Golovin等提出了一款输出力能达到人体需要的按摩机器人，英国曼彻斯特大学Lei Ren等提出了一种基于石墨烯传感技术的假肢手。在国内，按摩机器人也引起了很多高校的关注，山东建筑大学、上海理工大学和上海中医药大学等多所高校均对其进行过研究。

目前按摩机器人大多是由刚性构件组成的刚性机器人，能够输出满足按摩需求的力，但是在与人体接触时容易造成人体受到伤害。与刚性机器人不同，科学家通过对章鱼的触手、蛇及象鼻等柔性特征的研究，在仿生学的基础上制作了软体机器人。软体机器人与刚性机器人相比，具有更好的安全性和人机交互性，进而更适合与人体直接接触用于按摩。

采用柔性驱动实现按摩优势突出，但必须做到既要体现出柔性驱动灵活多变的特点也要实现大的驱动才能运用于按摩，只有解决这两个问题才能使得按摩既安全可靠又舒适。

发明内容

本发明提供了一种可变刚度的软体按摩机器人，通过充放气的方式对按摩驱动器进行控制进而对按摩执行器进行驱动达到按摩的效果。

本发明采用的技术方案是：一种可变刚度的软体按摩机器人，包括按摩驱动器11、上平台5、下平台12、连接座7以及按摩执行器13；下平台12下端连接按摩执行器13上端，上端连接按摩驱动器11下端，按摩驱动器11上端与连接座7下端连接，连接座7上端与套筒6连接，套筒6的上端与上平台5下端连接，上平台5的上端与定位机械臂3连接。

具体地，所述按摩驱动器11包括圆柱本体、上端盖17、下端盖14、密封薄膜18、堵塞颗粒20、菱形骨架19、刚度调节腔16以及三个规格相同的按摩驱动腔15；其中圆柱本体中心位置为一个刚度调节腔16，沿刚度调节腔16的外周为均匀分布着三个规格相同的按摩驱动腔15，圆柱本体两端分别盖合上端盖17、下端盖14，密封薄膜18嵌在刚度调节腔16内壁，密封薄膜18内部设有多个菱形骨架19，相邻两菱形骨架19之间通过柔性绳索21连接，堵塞颗粒20均匀分布在菱形骨架19与密封薄膜18之间的间隙处，三个按摩驱动腔15和刚度调节腔16对应于上端盖17的位置有4个通气孔，将4根气动软管9一端分别接入对应按摩驱动腔15和刚度调节腔16，另一端从连接座7上设有的连接座软管输入孔23中伸入，并从连接座7上设有的连接座软管输出孔24中伸出，再通过一个五通接头8将4根气动软管9接通起来，并留有一个通气孔用来控制外部气体的输入输出，在五通接头8剩下的通气孔处连接1根气动软管9，并使得该气动软管9依次通过气压传感器、电磁阀、继电器后与气泵连接，所述按摩驱动器11有3个并成120°均匀分布在上平台5和下平台12之间。

具体地，所述连接座7为一个圆柱形凸台，连接座7上部设有凹槽，套筒6下边缘内部有凸台，套筒6的凸台嵌入连接座7的凹槽中，连接座7下部为空心。

具体地，所述连接座软管输入孔23、连接座软管输出孔24分别设在连接座7的下表面和侧面。

优选地，所述气动软管9为:聚酯型PU高压软管；所述连接座7、上平台5以及套筒6均为3D打印的模具，采用树脂材料进行打印。

优选地，所述套筒6分为左右两半，在套筒6下边缘内部有一个凸台，将左右两个套筒6的凸台嵌入连接座7凸台的凹槽中，并将其左右两半贴合固定。

优选地，所述圆柱本体、上端盖17、下端盖14、下平台12以及按摩执行器13均为硅胶软体；密封薄膜18为PE材料薄膜，堵塞颗粒20选用刚玉材质颗粒优选地，所述堵塞颗粒20分为大球颗粒和小球颗粒，通过密封薄膜18将大球颗粒和菱形骨架19包裹住，大球颗粒通过其球内穿过的收紧弹簧嵌切于菱形骨架19上，菱形骨架19与密封薄膜18之间的间隙处均匀填充小球颗粒。

优选地，所述按摩驱动器11外周缠绕有螺旋形约束纤维10，约束纤维10的纤维线选用凯夫拉线或钓鱼线。

优选地，所述的菱形骨架19的斜边为弧线形。

本发明的有益效果是：本发明设计的可变刚度的软体按摩机器人通过改变驱动器的刚度可以保证较大输出力并且与刚性机械臂结合，进而在充分发挥柔性驱动灵活多变的基础上也能够进行按摩位置的适当控制，使得应用范围更广。通过对三个按摩驱动器进行充放气控制能够实现传统按摩手法中的“按”和“揉”两个动作。

附图说明

图1是本发明一种可变刚度的软体按摩机器人侧视图；

图2是本发明一种可变刚度的软体按摩机器人轴侧视图；

图3是本发明柔性驱动整体结构示意图；

图4是本发明按摩驱动器的结构示意图；

图5是本发明按摩驱动器的局部剖视图；

图6是本发明按摩驱动器的轴向剖视图；

图7是本发明连接座内部结构示意图；

图8是本发明连接座与套筒连接示意图；

图9是本发明菱形骨架的结构示意图。

图中各附图标记为：1-按摩床，2-滑动平台，3-定位机械臂，4-轴，5-上平台，6-套筒，7-连接座，8-五通接头，9-气动软管，10-约束纤维，11-按摩驱动器，12-下平台，13-按摩执行器，14-下端盖，15-按摩驱动腔，16-刚度调节腔，17-上端盖，18-密封薄膜，19-菱形骨架，20-堵塞颗粒，21-柔性绳索，22-螺栓，23-连接座软管输入孔，24-连接座软管输出孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。

实施例1：如图1-8所示，一种可变刚度的软体按摩机器人，包括按摩驱动器11、上平台5、下平台12、连接座7以及按摩执行器13；下平台12下端连接按摩执行器13上端，上端连接按摩驱动器11下端，按摩驱动器11上端与连接座7下端连接，连接座7上端与套筒6连接，套筒6的上端与上平台5下端连接，上平台5的上端通过轴4与定位机械臂3连接。

进一步地，所述按摩驱动器11包括圆柱本体、上端盖17、下端盖14、密封薄膜18、堵塞颗粒20、菱形骨架19、刚度调节腔16以及三个规格相同的按摩驱动腔15；其中圆柱本体中心位置为一个刚度调节腔16，沿刚度调节腔16的外周为均匀分布着三个规格相同的按摩驱动腔15，圆柱本体两端分别盖合上端盖17、下端盖14，密封薄膜18嵌在刚度调节腔16内壁，密封薄膜18内部设有多个菱形骨架19，相邻两菱形骨架19之间通过柔性绳索21连接，堵塞颗粒20均匀分布在菱形骨架19与密封薄膜18之间的间隙处，三个按摩驱动腔15和刚度调节腔16对应于上端盖17的位置有4个通气孔，将4根气动软管9一端分别接入对应按摩驱动腔15和刚度调节腔16，另一端从连接座7上设有的连接座软管输入孔23中伸入，并从连接座7上设有的连接座软管输出孔24中伸出，再通过一个五通接头8将4根气动软管9接通起来，并留有一个通气孔用来控制外部气体的输入输出，在五通接头8剩下的通气孔处连接1根气动软管9，并使得该气动软管9依次通过气压传感器、电磁阀、继电器后与气泵连接，从而达到精确控制气体流量的效果，所述按摩驱动器11有3个并成120°均匀分布在上平台5和下平台12之间，输出力强劲。

进一步地，所述连接座7为一个圆柱形凸台，连接座7上部设有凹槽，套筒6下边缘内部有凸台，套筒6的凸台嵌入连接座7的凹槽中，连接座7下部为空心。

进一步地，所述连接座软管输入孔23、连接座软管输出孔24分别设在连接座7的下表面和侧面。

进一步地，所述气动软管9为PU高压软管，本发明采用聚酯型PU管，其特点是具有较好的拉伸性能、挠曲性能以及耐较高温度性能；所述连接座7、上平台5以及套筒6均为3D打印的模具，模具采用树脂材料进行打印。所述圆柱本体、上端盖17、下端盖14、下平台12以及按摩执行器13均为硅胶软体，本发明采用人体硅胶，其硬度适中，高抗拉，具有优良的耐高温性。密封薄膜18为PE材料薄膜，堵塞颗粒20选用刚玉材质颗粒。螺栓为普通螺栓；通过相应的材质，本发明中没有详细述说连接方式的地方，可采用703硅橡胶进行粘接。

进一步地，所述套筒6分为左右两半，在套筒6下边缘内部有一个凸台，将左右两个套筒6的凸台嵌入连接座7凸台的凹槽中，并将其左右两半贴合固定。

进一步地，所述堵塞颗粒20分为大球颗粒和小球颗粒，通过密封薄膜18将大球颗粒和菱形骨架19包裹住，大球颗粒通过其球内穿过的收紧弹簧嵌切于菱形骨架19上，菱形骨架19与密封薄膜18之间的间隙处均匀填充小球颗粒。通过设计两种大小的颗粒，可以防止只有小球颗粒时，充入气体后小球颗粒的重新排列和变形导致整个堵塞机构发生不同的运动状态进而降低整个堵塞机构的定位精度。

进一步地，所述按摩驱动器11外表面均设有纤维线槽，纤维线槽上缠绕有螺旋形约束纤维10，从而使得按摩驱动器11在充气变形时能够抑制其径向膨胀变形，约束纤维10的纤维线选用凯夫拉线或钓鱼线。

进一步地，所述的菱形骨架19的斜边为弧线形。

本发明的工作原理是：本发明在具体使用时，将现有按摩床1上固定的滑动平台2进行左右移动，对固定在滑动平台上的定位机械臂3进行一定的移动或转动至指定位置，再将按摩驱动器11固定到定位机械臂3上，使用者趴在按摩床1上。本发明中按摩床1、滑动平台2、定位机械臂3的结构均为现有技术，在此不再详细说明。

本发明在三个按摩驱动器11上分别采用五通接头对驱动器上4根气动软管9进行并联(单个按摩驱动器中包含的按摩驱动腔和刚度调节腔每次被输入的气压均相同)，并分别连接一个气压传感器、一个电磁阀、一个继电器以及一个气泵(即以本申请中附图为例，可以设计三个气压传感器、三个电磁阀、三个继电器、三个气泵以及一个单片机)。最后开启气泵，通过arduino mega 2560对气压传感器和电磁阀进行控制，其中继电器主要是用来改善arduino mega 2560中电流过小的状况。同时将现阶段已有的控制程序下载入arduinomega 2560中，arduino mega 2560将输出0-5V的模拟电压信号，将输出的模拟量输入到电磁阀和气压传感器中，使得电磁阀能够根据预先设定好的模式对充入按摩驱动器中的气体压力值进行控制，并通过气压传感器实时监控气体压力值的大小，进而达到对使用者进行按摩的功效。

按摩驱动器11在进行工作时，通过对三个按摩驱动器充入气体量的控制，可以使得下平台12完成不同角度的弯曲变形，由于上平台5是固定的，当下平台12弯曲变形的同时，按摩执行器13也会跟着变形移动，进而达到对使用者进行按摩的功效。电磁阀具有连续控制气体压力的特点，通过将现阶段已有的控制程序下载入arduino mega 2560中进而控制按摩驱动器11的位姿，从而使得通过下平台12连接在按摩驱动器11上的按摩执行器13可以实现不同位姿的变化。刚度调节腔16通过电磁阀控制并增大气压时，大量堵塞颗粒被压缩在一起，由于颗粒间的接触面压力增大，使得颗粒间的摩擦力急剧上升，会增加其整体刚度，进而可以在模拟按摩手法中的“揉”和“按”两个动作时能够进一步控制力输出的大小。在按摩驱动器11和按摩执行器13的配合下，可以完成刚性按摩机械手无法完成的多方位按摩，且能达到刚性按摩机械手按摩力度的要求。

通过arduino mega 2560驱动电磁阀进而切换工作状态：每个阀体具有充压、卸压、保压三种工作状态，实现三个按摩驱动器11上相应按摩驱动腔15及刚度调节腔16中气体的出入，从而实现按摩驱动器11和按摩执行器13特定组合运动；具体的：对三个按摩驱动器11充入等量气体，此时由于上端盖17与上平台5固定连接，下端盖14与下平台12固定连接，按摩执行器13将进行上下移动，从而达到对人体背部进行“按”的功效，当向三个按摩驱动器11中的任意两个按摩驱动器11充入等量气体，按摩执行器13将向没有充气或充入少量气体的按摩驱动器11方向弯曲，当向三个按摩驱动器11中的任意一个按摩驱动器11充入气体，按摩执行器13将向没有充气或充入少量气体的两个按摩驱动器11方向进行弯曲，但弯曲程度会减小，从而达到对人体背部进行“揉”的功效。当向刚度调节腔16充入气体时，由于密封薄膜18中堵塞颗粒20的存在，充入较多气体时，会减小其整体刚度，当充入较少气体时或者吸出较多气体时，大量堵塞颗粒被压缩在一起，由于颗粒间的接触面压力增大，使得颗粒间的摩擦力急剧上升，会增加其整体刚度。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种可变刚度的软体按摩机器人，其特征在于：包括按摩驱动器（11）、上平台（5）、下平台（12）、连接座（7）以及按摩执行器（13）；下平台（12）下端连接按摩执行器（13）上端，上端连接按摩驱动器（11）下端，按摩驱动器（11）上端与连接座（7）下端连接，连接座（7）上端与套筒（6）连接，套筒（6）的上端与上平台（5）下端连接，上平台（5）的上端与定位机械臂（3）连接；

所述按摩驱动器（11）包括圆柱本体、上端盖（17）、下端盖（14）、密封薄膜（18）、堵塞颗粒（20）、菱形骨架（19）、刚度调节腔（16）以及三个规格相同的按摩驱动腔（15）；其中圆柱本体中心位置为一个刚度调节腔（16），沿刚度调节腔（16）的外周为均匀分布着三个规格相同的按摩驱动腔（15），圆柱本体两端分别盖合上端盖（17）、下端盖（14），密封薄膜（18）嵌在刚度调节腔（16）内壁，密封薄膜（18）内部设有多个菱形骨架（19），相邻两菱形骨架（19）之间通过柔性绳索（21）连接，堵塞颗粒（20）均匀分布在菱形骨架（19）与密封薄膜（18）之间的间隙处，三个按摩驱动腔（15）和刚度调节腔（16）对应于上端盖（17）的位置有4个通气孔，将4根气动软管（9）一端分别接入对应按摩驱动腔（15）和刚度调节腔（16），另一端从连接座（7）上设有的连接座软管输入孔（23）中伸入，并从连接座（7）上设有的连接座软管输出孔（24）中伸出，再通过一个五通接头（8）将4根气动软管（9）接通起来，并留有一个通气孔用来控制外部气体的输入输出，在五通接头（8）剩下的通气孔处连接1根气动软管（9），并使得该气动软管（9）依次通过气压传感器、电磁阀、继电器后与气泵连接，所述按摩驱动器（11）有3个并成120°均匀分布在上平台（5）和下平台（12）之间；

所述连接座（7）为一个圆柱形凸台，连接座（7）上部设有凹槽，套筒（6）下边缘内部有凸台，套筒（6）的凸台嵌入连接座（7）的凹槽中，连接座（7）下部为空心；

所述连接座软管输入孔（23）、连接座软管输出孔（24）分别设在连接座（7）的下表面和侧面；

所述按摩驱动器（11）外周缠绕有螺旋形约束纤维（10），约束纤维（10）的纤维线选用凯夫拉线或钓鱼线；

所述的菱形骨架（19）的斜边为弧线形。

2.根据权利要求1所述的一种可变刚度的软体按摩机器人，其特征在于：所述气动软管（9）为:聚酯型PU高压软管；所述连接座（7）、上平台（5）以及套筒（6）均为3D打印的模具，采用树脂材料进行打印。

3.根据权利要求2所述的一种可变刚度的软体按摩机器人，其特征在于：所述套筒（6）分为左右两半，在套筒（6）下边缘内部有一个凸台，将左右两个套筒（6）的凸台嵌入连接座（7）凸台的凹槽中，并将其左右两半贴合固定。

4.根据权利要求1所述的一种可变刚度的软体按摩机器人，其特征在于：所述圆柱本体、上端盖（17）、下端盖（14）、下平台（12）以及按摩执行器（13）均为硅胶软体，密封薄膜（18）为PE材料薄膜，堵塞颗粒（20）选用刚玉材质颗粒。

5.根据权利要求1所述的一种可变刚度的软体按摩机器人，其特征在于：所述堵塞颗粒（20）分为大球颗粒和小球颗粒，通过密封薄膜（18）将大球颗粒和菱形骨架（19）包裹住，大球颗粒通过其球内穿过的收紧弹簧嵌切于菱形骨架（19）上，菱形骨架（19）与密封薄膜（18）之间的间隙处均匀填充小球颗粒。

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