CN112873250A - 软体机械结构及软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种软体机械结构和软体机器人。软体机械结构包括第一工作部和第二工作部，第一工作部位于基体的端部，第二工作部位于基体的侧部，且第二工作部设有多个，第一工作部包括多个连接面，相邻的连接面连接形成连接棱；相邻的第二工作部相互连接，第一工作部包括多条连接棱，连接棱的其中一端与第二工作部连接，多条连接棱远离第二工作部的一端汇聚形成尖端。本发明还提供了一种包括上述软体机械结构的软体机器人。本发明提供的软体机械结构和软体机器人各向刚度异性，适用性较好。

Description

软体机械结构及软体机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种软体机械结构及软体机器人。

背景技术

软体机器人整体较柔软，能够实现连续形变，且对于环境和地形有较强的适应性，其应用范围广，灵活性高。相对来说，刚体机器人不易形变，负载能力和操作精度较高。在一些使用场合，需要机器人同时具有较好的柔性和刚性。例如，在搜救过程中，使用的机器人不仅需要拥有较强的地形适应性和较高的灵活性以便进行大范围搜索，还需要有负载大质量物品的能力以便进行物资运送。现有的机器人无法做到刚性和柔性之间的切换以应对这些复杂的使用场景，适用性较差。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种各向刚度异性的软体机械结构，该机械结构软体机械结构适用性较好。

本发明还提出一种具有上述软体机械结构的软体机器人。

根据本发明的第一方面实施例的软体机械结构，包括：基体，所述基体包括第一工作部和第二工作部，所述第一工作部位于所述基体的端部，所述第二工作部位于所述基体的侧部；所述第一工作部包括多个连接面，相邻的连接面连接形成连接棱，所述连接棱的条数大于三；所述第二工作部设有多个，相邻的所述第二工作部相互连接，所述连接棱的其中一端与所述第二工作部连接，多条所述连接棱远离所述第二工作部的一端汇聚形成尖端。

根据本发明实施例的软体机械结构，至少具有如下有益效果：当基体上下两端受到外力而被夹持时，尖端直接受力，基体有沿上下方向被压缩的趋势，而相邻的连接棱的下端之间的距离固定，相邻的连接棱的张角难以变大(若要使张角变大，需要通过施加较大的外力使连接面被撕裂)，基体不易发生形变(被上下压缩)。当基体在前后方向受到外力而被夹持时，基体有沿前后方向被压缩的趋势，前侧和后侧的第二工作部作为直接受力部位，基于四边形的不稳定性，基体较容易发生形变(被前后压缩)。基体在左右两端受到外力而被夹持的情况与基体在前后两端受到外力而被夹持的情况类似。因此，在外力大小相同的情况下，沿上下方向更难压缩该基体，沿前后或左右方向相对来说更容易压缩该基体，该软体机械结构沿上下方向的压缩刚度和沿前后方向的压缩刚度不同，沿上下方向的压缩刚度和沿左右方向的压缩刚度不同，即该软体机械结构各向压缩刚度异性。

根据本发明的一些实施例，所述第二工作部的其中一个边角与相邻的所述第二工作部的其中一个边角连接。

根据本发明的一些实施例，所述连接棱的一端与所述第二工作部的其中一个边角连接。

根据本发明的一些实施例，所述第二工作部具有开口。

根据本发明的一些实施例，所述第二工作部和所述开口均呈四边形。

根据本发明的一些实施例，所述基体内部具有空腔，所述开口与所述空腔连通。

根据本发明的一些实施例，所述软体机械结构包括两个拼接件，两个所述拼接件相互连接形成所述基体，所述拼接件的中心相对于所述拼接件的两端朝所述拼接件的侧方凸出，两个所述拼接件的凹陷侧相互贴合。

根据本发明的一些实施例，所述基体设有多个，所述软体机械结构的长度、宽度和高度不完全相同。

根据本发明的一些实施例，沿所述软体机械结构的长度方向、宽度方向和高度方向上，所述基体的数量不完全相同。

根据本发明的第二方面实施例的软体机器人，包括如上所述的软体机械结构。

根据本发明实施例的软体机器人，至少具有如下有益效果：各向刚度异性，适用性较好。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为一些实施例中基体的示意图；

图2为图1所示的基体的分解示意图；

图3为四棱锥的示意图；

图4为一些实施例中软体机械结构的示意图；

图5为图4所示的软体机械结构的分解示意图；

图6为图4所示的软体机械结构的内部结构示意图；

图7为图4所示的软体机械结构另一角度的内部结构示意图；

图8为一些实施例中软体机器人中的主视图。

附图标记：101-基体，102-连接面，103-第二工作部，104-开口，105-连接棱，106-尖端，201-拼接件，501-空腔，701-驱动绳。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

参照图1至图2，本发明提供了一种软体机械结构。该软体机械结构包括基体101，基体101包括第一工作部和第二工作部103，第一工作部和第二工作部103可与外部物件接触，例如与外部物件抵持并支撑外部物件。

第一工作部可位于基体101的上端和/或下端，图1和图2所示的基体101的上下两端均设有第一工作部。第一工作部包括多个相互连接的连接面102，相邻的连接面102相互连接形成连接棱105，连接棱105的下端与第二工作部103连接，多条连接棱105的上端汇聚形成尖端106。第二工作部103位于基体101的侧部，具体来说，第二工作部103为基体101侧部(对应图1，则为前、后、左、右四侧，图1所示的基体101前后对称、左右对称且上下对称)的表面，相邻的第二工作部103之间相互连接，连接棱105的下端与第二工作部103连接。

下面解释该软体机械结构如何实现各个方向的刚度不同。刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力，刚度通常用于衡量材料或结构弹性变形难易程度。本发明所指的各向刚度异性是指各个方向的刚度不完全相同，并非指任意两个方向的刚度均不相同。

为便于理解，先对棱锥的结构和受力特点作出解释。图3示出了一种四棱锥，当四棱锥的顶点受到一个方向朝下的外力F₁的时候，四棱锥若要发生形变，四条侧棱之间的张角需要变大，对应地，相邻两条侧棱的之间的夹角需要变大，但根据三角形的稳定性可以得知，相邻的两条侧棱的底端之间的距离是固定的，因此相邻的侧棱之间的张角无法变大，四棱锥不易在F₁的作用下发生形变。当四棱锥的底面的角点受到一个方向朝后的外力F₂时，四棱锥底面的相邻的两个侧边之间的夹角需要变大，四边形具有不稳定性，四棱锥的底面的角点受到外力F₂时，四棱锥的底面容易发生形变，整个四棱锥亦容易发生形变。

参照图1，基体101的连接棱105可对应图3的四棱锥的侧棱，连接面102的横向对角线(相邻的连接棱105的下端之间的连线，未画出)可对应图3的四棱锥的底边，在连接面102本身不发生形变或不被撕裂时，相邻的连接棱105的下端之间的距离是固定的。当基体101上下两端受到外力而被夹持时，尖端106直接受力，基体101有沿上下方向被压缩的趋势，而相邻的连接棱105的下端之间的距离固定，相邻的连接棱105的张角难以变大(若要使张角变大，需要通过施加较大的外力使连接面102被撕裂)，基体101不易发生形变(被上下压缩)。当基体101在前后方向受到外力而被夹持时，基体101有沿前后方向被压缩的趋势，前侧和后侧的第二工作部103作为直接受力部位，以前侧的连接棱105为例，前侧的连接棱105的下端会受到外力作用，受力情况与图3所示的四棱锥的外力F₂时的情况类似，基于四边形的不稳定性，基体101较容易发生形变(被前后压缩)。基体101在左右两端受到外力而被夹持的情况与基体101在前后两端受到外力而被夹持的情况类似，此处不详细描述。

因此，在外力大小相同的情况下，沿上下方向更难压缩该基体101，沿前后或左右方向相对来说更容易压缩该基体101，该软体机械结构沿上下方向的压缩刚度和沿前后方向的压缩刚度不同，沿上下方向的压缩刚度和沿左右方向的压缩刚度不同，即该软体机械结构各向压缩刚度异性。

参照图4和图5，在一些实施例的软体机械结构中，基体101设有多个，软体机械结构的长度、宽度和高度不完全相同。以图4方向为基准，软体机械结构的长度方向对应前后方向，软体机械结构的宽度方向对应左右方向，软体机械结构的高度方向对应上下方向。软体机械结构的长度、宽度和高度不完全相同可使该软体机械结构各向弯曲刚度异性。在一些实施例中，可以将软体机械结构设置为沿软体机械结构的长度方向、宽度方向和高度方向的基体101的数量不完全相同，以使软体机械结构的长度、宽度和高度不完全相同。

下面对上述设置能够使该软体机械结构各向弯曲刚度异性的原理作出简要的解释。对于将一个物体弯曲，需要对该物件施加一个力矩，力矩越大，越容易弯曲物件，物件弯曲形变的程度越大。在作用力的大小不变的情况下，物件长度不同，力臂的长度通常也不同，力矩的大小也会不同。以图4所示的软体机械结构为例，可以比较以下两种场景中软体机械结构的弯曲难易程度(假设场景一和场景二中外力的大小相同)：场景一为，软体机械结构的后端固定，其前端受到一个方向向左的外力；场景二为，软体机械结构的左端固定，其右端受到一个方向向前的外力。场景一中，作用在该软体机械结构上的力矩的力臂长度对应软体机械结构的长度；场景二中，作用在该软体机械结构上的力矩的力臂长度对应软体机械结构的宽度；软体机械结构的长度大于软体机械结构的宽度，在外力大小相同的场景下，场景一中作用在软体机械结构上的力矩更大，更容易使软体机械结构弯曲，软体机械结构弯曲形变较大，场景二中作用在软体机械结构上的力矩相对较小，更不容易使软体机械结构弯曲，软体机械结构弯曲形变幅度较小。因此软体机械结构的长度、宽度和高度不完全相同时，其各向弯曲刚度异性。

各向刚度异性的软体机械结构有较强的适用性，例如，软体机械结构的沿上下方向的压缩刚度较高，可以调整软体机械结构的方向，使位于软体机械结构的上下方向的第一工作部支撑需要输送的物资。或者，当该软体机械结构需要通过一个高度很小的缝隙而软体机械结构沿上下方向较难压缩时，可以通过旋转等方式调整软体机械结构的方向，使图3中的软体机械结构左侧的第二工作部103朝上，右侧的第二工作部103朝下，随后再对软体机械结构进行上下方向的压缩。又或者，在一些实施例中，软体机械结构需要朝上弯曲，但软体机械结构沿上下方向的弯曲刚度较大，沿左右方向的弯曲刚度较小，此时可以旋转软体机械结构，使其原来的左、右两侧分别旋转至朝上和朝下的位置，再进行弯曲。此处不一一列举适用场景和具体的使用方式。通过调整软体机械结构的具体受力或作用面，可以实现刚性和柔性之间的转换，该软体机械结构有较强的适用性。

在一些实施例中，第二工作部103设有开口104，以便第二工作部103能够形变(例如被压缩、被折叠)。参照图1至图2，在一些实施例中，第二工作部103和开口104均设置为四边形，四边形结构相对较简单，且具有不稳定性，相对来说较容易在外力作用下发生形变，适用于需要发生连续形变的软体机械结构。

参照图4、图6和图7，基体101内部具有空腔501，第二工作部103上的开口104与空腔501连通，空腔501的设置有利于软体机械结构的折叠和伸缩；在一些实施例中，会选择采用气动的方式驱动软体机械结构，开口104可以作为气体进出基体101的进出口，空腔501则作为可供气体流动的流道。

连接棱105远离尖端106的一端可以与第二工作部103的其中一个边角连接，例如，连接棱105的下端与第二工作部103的上端边角连接，这种设置方式便于实现基体101沿前后方向或左右方向的折叠或压缩。相邻的两个第二工作部103的连接关系可以设置为，一个第二工作部103的其中一个边角与另一第二工作部103的其中一个边角连接，例如，参照图1，前侧的第二工作部103的右侧边角与右侧的第二工作部103的前侧边角连接；这样设置同样是为了便于实现基体101沿前后方向或左右方向的折叠或压缩。

至于如何获得基体101的结构，可参照图1和图2，基体101包括两个拼接件201，两个拼接件201相互连接形成基体101，拼接件201的中心相对于拼接件201的两端朝拼接件201的侧方凸出，两个拼接件201的凹陷侧相互贴合。具体来说，在一些实施例中，拼接件201的形状与一个被弯折的中空四棱柱类似；对于图2所示的位于上方的拼接件201，该拼接件201的中心相对于其前后两端向上侧凸出，该拼接件201的凹陷侧对应拼接件201的下侧；对于图2所示的位于下方的拼接件201，该拼接件201的中心相对于其左右两端向下侧凸出，该拼接件201的凹陷侧对应拼接件201的上侧。基体101的材料可选用一些可经受多次折叠或形变的材料，例如硬卡纸，这是较简单、成本较低的一种选择；将硬卡纸折叠、粘贴形成拼接件201后，再将两个拼接件201粘合。又或者可以直接通过3D打印的方式获得拼接件201或基体101，此处不一一列举可行的方式。参照图4和图5，对于包括多个基体101的软体机械结构，可以通过硬卡纸折叠形成由多个拼接件201端部依次相连形成的组合体，再通过多个组合体的之间的连接形成软体机械结构。

本发明还提供了一种包括上述软体机械结构的软体机器人，该软体机器人各向刚度异性，适用性较强。

在一些实施例中，软体机器人为绳驱动型的机器人。软体机器人还包括外壳和驱动绳701，外壳的形状与软体机械结构的外轮廓形状匹配，外壳可以选用一些具有弹性的材料，例如硅酮；外壳包裹在软体机械结构外部，驱动绳701与外壳连接，且驱动绳701亦位于外壳内部。结合图4和图8，驱动绳701可沿前后方向延伸，并设置在左右相邻的第一工作部形成的凹陷区域中，驱动绳701的后端与用于拉扯驱动绳701的驱动机构连接(图中未示出)，驱动绳701的前端与外壳的前端连接。采用不同的方式拉扯驱动绳701可以使软体机器人作出不同的动作，例如，图8示出了设置有4根驱动绳701的设置方式，若将上方的两根驱动绳701向后拉扯(结合图4的方向)，则软体机器人朝上弯曲，若将位于左侧的两根驱动绳701向后拉扯，则软体机器人向左弯曲，若同时向后拉动4根驱动绳701，则软体机器人沿前后方向被压缩。

在另一些实施例中，软体机器人为气驱动型的机器人。软体机器人还包括气体输送机构和封堵件(均未示出)，封堵件用于封堵第二工作部103的开口104，具体来说封堵件可呈板状，封堵件能够覆盖开口104。气体输送机构可以设置为气体泵。参照图4和图6，一种比较基础的设置方式为，封堵件封堵软体机械结构的前端的两个开口104，气体输送机构与软体机械结构的后端连接，气体输送机构通过软体机械结构的后端的两个开口104将气体输送进空腔501中，或通过这两个开口104将空腔501内的气体。当气体输送机构保持抽取气体时，空腔501内的气压减小，外界大气压将软体机械结构沿前后方向压缩。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术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。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.软体机械结构，其特征在于，包括：

基体，所述基体包括第一工作部和第二工作部，所述第一工作部位于所述基体的端部，所述第二工作部位于所述基体的侧部；所述第一工作部包括多个连接面，相邻的所述连接面连接形成连接棱；所述第二工作部设有多个，相邻的所述第二工作部相互连接，所述连接棱的其中一端与所述第二工作部连接，多条所述连接棱远离所述第二工作部的一端汇聚形成尖端。

2.根据权利要求1所述的软体机械结构，其特征在于，所述第二工作部的其中一个边角与相邻的所述第二工作部的其中一个边角连接。

3.根据权利要求1所述的软体机械结构，其特征在于，所述连接棱的一端与所述第二工作部的其中一个边角连接。

4.根据权利要求1所述的软体机械结构，其特征在于，所述第二工作部具有开口。

5.根据权利要求4所述的软体机械结构，其特征在于，所述第二工作部和所述开口均呈四边形。

6.根据权利要求4所述的软体机械结构，其特征在于，所述基体内部具有空腔，所述开口与所述空腔连通。

7.根据权利要求1所述的软体机械结构，其特征在于，所述软体机械结构包括两个拼接件，两个所述拼接件相互连接形成所述基体，所述拼接件的中心相对于所述拼接件的两端朝所述拼接件的侧方凸出，两个所述拼接件的凹陷侧相互贴合。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的软体机械结构，其特征在于，所述基体设有多个，所述软体机械结构的长度、宽度和高度不完全相同。

9.根据权利要求8所述的软体机械结构，其特征在于，沿所述软体机械结构的长度方向、宽度方向和高度方向上，所述基体的数量不完全相同。

10.软体机器人，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的软体机械结构。

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