CN113305850A - 一种柔性机器人及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性机器人及其设计方法，所述柔性机器人包括柔性薄膜、浮力躯干、控制单元、电机、动力传递装置和多个固定环，所述浮力躯干作为所述柔性薄膜的骨架，用于支撑所述柔性薄膜，并且其上设置有所述控制单元和所述电机，所述电机与所述控制单元连接，多个所述固定环均布于所述柔性薄膜的外围，所述动力传递装置依次穿设于多个所述固定环设置。本发明提供的柔性机器人，能够解决现有的机器人体积大、控制自由度多的问题。

Description

一种柔性机器人及其设计方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种柔性机器人及其设计方法。

背景技术

软体机器人由于其自适应性、重量轻、成本低等优点，成为众多研究学者关注的热点领域。目前，大多数软体机器人的设计灵感来自于自然界中的生物，通过模仿自然界中生物的生理特性和外表特征，制造出更加优越的结构来实现不同的功能，如行走、抓握、跳跃、飞行等。按照结构可将软体机器人划分为蠕虫类和头足类动物，其驱动方式包括物理驱动、流体驱动(气动和液动)、电磁驱动。例如：受到章鱼结构的启发，可以通过绳索调节或者加入SMA(形状记忆合金)线圈，来驱动软机械臂的弯曲、伸长等动作。目前已有相关研究者提供了一种通过气压驱动的橡胶制动器，开发了一种形状类似蝠鲼的软体机器人。Robert K等人制作了由液压驱动的软体机器鱼，以水为传动液的闭路驱动系统来驱动软体，水通过体内通道的循环控制着鱼的尾鳍推进力和偏航运动。对于应用场景的不同，所适用的软体机器人的驱动方式也不尽相同。上述的驱动方式是目前常采用的驱动类型，虽然各有优势，但也存在其适用的机构设计和控制复杂等不足。目前软体机器人还处于初期探索阶段，随着研究的不断深入，未来软体机器人的驱动方式将会朝着体积小、结构简单、控制自由度少的趋势发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性机器人，以解决现有的机器人体积大、控制自由度多的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明提供一种柔性机器人，所述柔性机器人包括柔性薄膜、浮力躯干、控制单元、电机、动力传递装置和多个固定环，所述浮力躯干作为所述柔性薄膜的骨架，用于支撑所述柔性薄膜，并且其上设置有所述控制单元和所述电机，所述电机与所述控制单元连接，多个所述固定环均布于所述柔性薄膜的外围，所述动力传递装置依次穿设于多个所述固定环设置。

可选择地，所述浮力躯干包括安装端和与所述安装端相对的闲置端，所述浮力躯干自所述安装端至所述闲置端逐渐变细，所述安装端用于设置所述电机和所述控制单元。

可选择地，所述柔性薄膜包括第一分膜和第二分膜，所述第一分膜和所述第二分膜关于所述浮力躯干对称设置。

可选择地，所述动力传递装置构造为环形弹性杆。

可选择地，所述柔性机器人还包括防水外壳，所述防水外壳用于包裹所述柔性薄膜、所述浮力躯干、所述控制单元、所述电机、所述动力传递装置和多个所述固定环。

可选择地，所述电机为双出轴电机。

基于上述技术方案，本发明还提供一种基于上述的柔性机器人的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：

S1：设计动力传递装置；

S2：根据所述动力传递装置，设计所述柔性机器人。

可选择地，所述步骤S1包括以下分步骤：

S11：建立环形弹性杆的力学模型，其中，所述力学模型包括驱动端和释放端；

S12：对所述力学模型的驱动端或释放端施加连续扭转载荷，得到扭转结果；

S13：建立所述环形弹性杆的几何模型；

S14：将所述几何模型输入模型分析软件中，得到分析结果；

S15：对比所述扭转结果和所述分析结果，确定所述环形弹性杆为所述动力传递装置。

可选择地，所述模型分析软件为有限元分析软件。

本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的柔性机器人，一方面，柔性机器人的设计方法和设计结构均简单，由此便可节约时间成本和生产成本；另一方面，本发明所提供的柔性机器人的设计方法，能够减少控制自由度，从而能够增大机器人的灵活性。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的柔性机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的柔性机器人的设计方法的流程图；

图3为图2中步骤S1的分步骤流程图；

图4为本发明实施例所提供的柔性机器人的力学模型图；

图5为本发明实施例所提供的柔性机器人的角位移曲线图；

图6为本发明实施例所提供的柔性机器人的驱动端在不同载荷下的变形图；

图7为本发明实施例所提供的柔性机器人在不同初始形状下的变形图。

附图标记说明

1-电机；2-控制单元；3-柔性薄膜；4-浮力躯干；5-环形弹性杆；6-固定环。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明提供一种柔性机器人，所述柔性机器人包括柔性薄膜3、浮力躯干4、控制单元2、电机1、动力传递装置和多个固定环6，所述浮力躯干4作为所述柔性薄膜3的骨架，用于支撑所述柔性薄膜3，并且其上设置有所述控制单元2和所述电机1，所述电机1与所述控制单元2连接，多个所述固定环6均布于所述柔性薄膜3的外围，所述动力传递装置依次穿设于多个所述固定环6设置。

本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的柔性机器人，一方面，柔性机器人的设计方法和设计结构均简单，由此便可节约时间成本和生产成本；另一方面，本发明所提供的柔性机器人的设计方法，能够减少控制自由度，从而能够增大机器人的灵活性。

可选择地，所述浮力躯干4包括安装端和与所述安装端相对的闲置端，所述浮力躯干4自所述安装端至所述闲置端逐渐变细，所述安装端用于设置所述电机1和所述控制单元2。这里，由于安装端相对较粗，因此可以设置足有的安装空间，以用于安装控制单元2，为了使得电机1能够与控制单元2相连接，以使得控制单元2驱动电机1转动，因此设计电机1位于安装端的端部。当然，本发明对于控制单元2的具体型号以及其他连接设备不做具体限制，本领域技术人员可根据实际需求进行设计。例如在一些实施例中，可以设计控制单元2为单片机和/或PLC。此外，为了使得柔性机器人有一些功能，本领域技术人员也可选择性设置控制单元2连接一些模块，例如定位模块和/或语音模块和/或通信模块等等。

除此之外，为了使柔性机器人受力均匀，并确保在使用过程中不发生单方向偏颇，可选择地，所述柔性薄膜3包括第一分膜和第二分膜，所述第一分膜和所述第二分膜关于所述浮力躯干4对称设置。

在本发明所提供的实施例中，由于环形弹性杆5具有将连续均匀的输入转化为周期性、脉冲似的输出的特性，因此所述动力传递装置构造为环形弹性杆5。这样，当电机1连续的转动时，动力通过弹性杆传递，弹性杆在固定环6中上下翘曲，带动着柔性薄膜3运动,最终实现在水中的运动。另外，环形弹性杆5可以是任意材料的弹性杆，本发明不做限制，例如在一些实施例中，环形弹性杆5可以是橡胶材料的弹性杆，也可以是弹簧等可以传递扭矩的软轴，在环形弹性杆5为软轴的情况下，软轴的横截面并不限定为定值，可以根据设计目标相应改变。

由于本发明所提供的柔性机器人适用于水下作业，因此为了防止柔性机器人内部的电机1和控制单元2进水造成柔性机器人损坏，所述柔性机器人还包括防水外壳，所述防水外壳用于包裹所述柔性薄膜3、所述浮力躯干4、所述控制单元2、所述电机1、所述动力传递装置和多个所述固定环6。当然，为了实现电机1的防水，也可以在电机1轴上设置密封圈等常规防水操作。

可选择地，所述电机1为双出轴电机1。

基于上述技术方案，参考图2所示，本发明还提供一种基于上述的柔性机器人的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：

S1：设计动力传递装置；

可选择地，参考图3所示，所述步骤S1包括以下分步骤：

S11：建立环形弹性杆5的力学模型，其中，所述力学模型包括驱动端和释放端；

S12：对所述力学模型的驱动端或释放端施加连续扭转载荷，得到扭转结果；

具体地，参考图4所示，当固定环6形弹性杆5驱动端和释放端的距离且驱动端和释放端只能旋转时，在驱动端或释放端的其中一端施加连续扭转载荷时，另一端会出现突跳现象，这种现象是周期性的、脉冲似的。

S13：建立所述环形弹性杆5的几何模型；

S14：将所述几何模型输入模型分析软件中，得到分析结果；

参考图5所示，环形弹性杆5在扭转作用下，连续性的输入转化为周期性、脉冲似的输出。实现了动能的传输。其中环形弹性杆5的杨氏模量为2.1e5MPa，泊松比为0.47。

其次，如图6所示，环形弹性杆5的驱动端在不同载荷下的变形图。在环形弹性杆5失稳的过程中，弹性杆轴心线会发生面外的翘曲，由于环形弹性杆5的结构特殊，当施加连续载荷时，这个动作是周期周期性、持续性的。翘曲的幅度与弹性杆的初始形状有关，图7显示了环形弹性杆5在不同约束条件下(即环形弹性杆5初始形状不同)的变形过程图，a/R₀用于表征其初始形状，其中a＝R₀-x，R₀是环形弹性杆5轴心线的半径，x是沿X轴正方向的伸缩量。从图中可以看出，a/R₀的值越大，翘曲的幅度越大。

S15：对比所述扭转结果和所述分析结果，确定所述环形弹性杆5为所述动力传递装置。

由此可以看出，扭转结果和分析结果相吻合。

S2：根据所述动力传递装置，设计所述柔性机器人。

在本发明中，由于设计动力传递装置为环形弹性杆，且因为环形弹性杆的特性(即在驱动端或释放端的其中一端施加连续扭转载荷时，另一端会出现突跳现象，这种现象是周期性的、脉冲似的)，由此，增设柔性薄膜、电机、浮力躯干等部件以实现完整的柔性机器人的设计。当然，本发明对于柔性机器人的具体部件选择不做限定，本领域技术人员可结合本申请和实际情况进行具体设计。

可选择地，所述模型分析软件为有限元分析软件。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种柔性机器人，其特征在于，所述柔性机器人包括柔性薄膜、浮力躯干、控制单元、电机、动力传递装置和多个固定环，所述浮力躯干作为所述柔性薄膜的骨架，用于支撑所述柔性薄膜，并且其上设置有所述控制单元和所述电机，所述电机与所述控制单元连接，多个所述固定环均布于所述柔性薄膜的外围，所述动力传递装置依次穿设于多个所述固定环设置。

2.根据权利要求1所述的柔性机器人，其特征在于，所述浮力躯干包括安装端和与所述安装端相对的闲置端，所述浮力躯干自所述安装端至所述闲置端逐渐变细，所述安装端用于设置所述电机和所述控制单元。

3.根据权利要求1所述的柔性机器人，其特征在于，所述柔性薄膜包括第一分膜和第二分膜，所述第一分膜和所述第二分膜关于所述浮力躯干对称设置。

4.根据权利要求1所述的柔性机器人，其特征在于，所述动力传递装置构造为环形弹性杆。

5.根据权利要求1所述的柔性机器人，其特征在于，所述柔性机器人还包括防水外壳，所述防水外壳用于包裹所述柔性薄膜、所述浮力躯干、所述控制单元、所述电机、所述动力传递装置和多个所述固定环。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的柔性机器人，其特征在于，所述电机为双出轴电机。

7.一种基于权利要求1-6中任意一项所述的柔性机器人的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：

S1：设计动力传递装置；

S2：根据所述动力传递装置，设计所述柔性机器人。

8.根据权利要求7所述的柔性机器人的设计方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下分步骤：

S11：建立环形弹性杆的力学模型，其中，所述力学模型包括驱动端和释放端；

S12：对所述力学模型的驱动端或释放端施加连续扭转载荷，得到扭转结果；

S13：建立所述环形弹性杆的几何模型；

S14：将所述几何模型输入模型分析软件中，得到分析结果；

S15：对比所述扭转结果和所述分析结果，确定所述环形弹性杆为所述动力传递装置。

9.根据权利要求8所述的柔性机器人的设计方法，其特征在于，所述模型分析软件为有限元分析软件。

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