CN114179064B - 基于旋转模态变形驱动的软体旋转机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于旋转模态变形驱动的软体旋转机器人，包括：旋转多孔结构、驱动部件、支撑件；所述驱动部件提供驱动力并作用于旋转多孔结构；所示支撑件固定于旋转多孔结构，用于支撑其他器件；所述旋转多孔结构具有旋转模态，在驱动部件的驱动力作用下旋转变形，并带动支撑件转动，使得支撑件上的其他器件旋转工作。该旋转多孔结构的驱动方式简单，在单一驱动器的作用下便可实现软体运动，不需要设计复杂的控制系统，该软体旋转机器人实现简单，具有良好的环境适应能力；且由于旋转多孔结构通过3D打印的方式快速制造，使得软体旋转机器人制备成本较低，可以快速制造。

Description

基于旋转模态变形驱动的软体旋转机器人

技术领域

本发明属于软体机器人设计领域，具体涉及一种基于旋转模态变形驱动的软体旋转机器人。

背景技术

相比于传统机器人，软体机器人由于其组成材料为软体材料，在环境适应能力以及人与环境的交互方面有着巨大的优势。软体机器人在制造过程中通常使用硅胶作为其软体材料。对于一般的软体结构，通过设计合适的模具，然后用硅胶对模具进行浇筑得到最后的软体结构，这种方法快速简便。然而，这种浇筑方式很难制造出拥有复杂三维结构的模型或部件。

软体机器人的驱动方式可以归纳为形状记忆合金、磁力控制、气动控制等方式。得益于实施简单，被广泛应用与研究的是磁力驱动与气动控制。它们可以直接通过电控的方式借助于执行器实现伸缩动作。

在软体机器人的研究中，多集中于实现软体机器人的可控直线运动与转向运动等。借助于精细设计的控制系统，结合不同的运动方式，能够实现比较复杂的软体机器人运动。但是，在这些研究中，关于部件旋转功能的实现的研究是较少的。转向功能是与部件旋转功能接近的运动方式，在专利文献CN201910562308.8公开的气驱动软体爬行机器人及其制作和控制方法中，该机器人设计至少两根充气伸长型气动执行器，气动执行器在位置上并排连接。在不同执行器间的相互配合中可以稳定实现转向功能，适应复杂的环境。

目前，关于部件旋转功能的实现，传统形式的电机及转向环等技术已经很成熟，比如专利文献CN202120742310.6公开了一种智慧交通用可全方位转动抓拍的违章停车拍摄装置，在其拍摄过程中，需要部署能够实现平面转动功能的部件，在设计中引入转动电机的方式实现摄像头的转动进而实现拍摄视野的变化。

当前，在软体机器人领域，由于传统的旋转部件均为硬质材料组成，硬质材料和软质材料较难配合，这些传统部件难以继续在软体机器人中得到有效应用。关于如何在软体机器人中实现部件的旋转功能，在具体应用中实现摄像头的视角变化，仍然没有成熟可靠的技术。实现软体机器人的视角变化，这将在医疗手术以及一些特殊场景中具有重大意义。

发明内容

鉴于上述，本发明的目的在于提供一种基于旋转模态变形驱动的软体旋转机器人，通过具有旋转模态的结构作为旋转部件，且通过单一驱动就可以实现旋转。

为实现上述发明目的，实施例提供了一种基于旋转模态变形驱动的软体旋转机器人，包括旋转多孔结构、驱动部件、支撑件；

所述驱动部件提供驱动力并作用于旋转多孔结构；

所示支撑件固定于旋转多孔结构，用于支撑其他器件；

所述旋转多孔结构具有旋转模态，在驱动部件的驱动力作用下旋转变形，并带动支撑件转动，使得支撑件上的其他器件旋转工作。

在一个实施例中，所述旋转过孔结构的上下面连接有固定板，驱动部件作用于固定板上，以使驱动部件的驱动力通过固定板分散均匀作用于旋转过孔结构。

在一个实施例中，所述支撑件固定在固定板上。

在一个实施例中，所述旋转部件包括软体伸缩管，软体伸缩管在气动装置充气下，产生驱动力作用于旋转多孔结构。

在一个实施例中，还包括固定框架，所述固定框架支撑旋转多孔结构，并具有与其他设备配合的装配体。

在一个实施例中，所述旋转多孔结构的构建方式包括：

步骤1，构建由多个晶格元正交拼接形成的正交结构单元，该正交结构单元经阵列形成代表性结构单元，该代表性结构单元再经阵列形成阵列结构，以阵列结构中心为基准，从阵列结构中去除形状为正方体的核心部分结构，得到无核心的阵列结构，其中，晶格元为具有上底面和下底面的基础立体结构；

步骤2，对代表性结构单元进行三维屈曲模态变形得到具有三维负泊松比特性的核心结构；

步骤3，将核心结构作为无核心的阵列结构的核心部分，与无核心的阵列结构进行拼接后作为基础单元，该基础单元阵列形成旋转多孔结构；

其中，核心结构与代表性结构单元的体积比大于1.25，且无核心的阵列结构的晶格元的上底面和下底面的尺寸比为0.75-1.5。

在一个实施例中，六个晶格元沿着X,Y,Z,-X,-Y,-Z六个方向正交拼接成的整体结构作为正交结构单元，通过对正交结构单元阵列并拼接形成代表性结构单元，其中，阵列结构的体积是代表性结构单元的2的整数倍。

在一个实施例中，所述对代表性结构单元进行三维屈曲模态变形得到具有三维负泊松比特定的核心结构，包括：

(a)，对代表性结构单元进行三维屈曲模态变形分析，确定三维屈曲变形控制方程为：

其中，L为晶格元的高度，s_l和s_h分别为代表性体积单元的三维屈曲变形模态中，处于与坐标轴平行的同一平面内相邻4个结构单元的内部控制点形成的四边形的两条对角线长度的一半，该四边形为菱形；依据所述三维屈曲变形控制方程，定义三维屈曲模态变形的旋转参数

(b)，以代表性结构单元的中心为原点，依据三维屈曲变形控制方程确定代表性结构单元中一个正交结构所有端点的坐标，并对端点坐标进行缩放调整；

(c)，依据调整后端点坐标和晶格元尺寸生成正交结构单元，并以平面X＝0，Y＝0，Z＝0对正交结构单元做镜像操作，得到核心结构。

在一个实施例中，步骤(b)中，依据三维屈曲变形控制方程和输入的旋转参数/>以及已知的L，求解得到s_l和s_h，并以代表性结构单元的中心为原点，确定代表性结构单元中一个正交结构所有端点的坐标分别为：中心端点/>其他外部端点D₁(0，s_l，s_h)，D₂(-s_l，s_h，0)，D₃(-s_h，0，s_l)，/>

依据d(s_l+s_h)＝L计算缩放比例d，然后按照缩放比例d对所有端点进行缩放，缩放后坐标为：D₁(0，ds_l，ds_h)，D₂(-ds_l，ds_h，0)，D₃(-ds_h，0，ds_l)，/>

在一个实施例中，构建体积为阵列结构的1/2ⁿ的正方体，以阵列结构中心为基准，通过对阵列结构与正方体布尔运算求差集，从阵列结构中去除形状为正方体的核心部分结构，得到无核心的阵列结构,作为优选n＝3；

步骤3中，通过对核心结构和无核心的阵列结构布尔运算求并集，将与无核心的阵列结构进行拼接，形成核心点阵结构；

所述旋转多孔结构通过3D打印方式制造。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：

实施例提供的基于旋转模态变形驱动的软体旋转机器人，充分利用旋转多孔结构具有的旋转模态特性，在在驱动部件的驱动力作用下旋转变形，并带动支撑件转动，使得支撑件上的其他器件旋转工作，该旋转多孔结构的驱动方式简单，在单一驱动器的作用下便可实现软体运动，不需要设计复杂的控制系统，该软体旋转机器人实现简单，具有良好的环境适应能力；且由于旋转多孔结构通过3D打印的方式快速制造，使得软体旋转机器人制备成本较低，可以快速制造。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，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前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是实施例提供的基于旋转模态变形驱动的软体旋转机器人的结构示意图；

图2是实施例提供的旋转多孔结构的构建过程示意图；

图3是实施例提供的构建得到的旋转多孔结构；

图4是实施例提供的选转过程原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

图1是实施例提供的基于旋转模态变形驱动的软体旋转机器人的结构示意图。如图1所示，实施例提供的软体旋转机器人包括旋转多孔结构1、驱动部件2、支撑件3、固定框架4。

其中，固定框架4用于支撑旋转多孔结构1，该固定框架4四面镂空，底部内侧设有楔形的安装槽，便于安装旋转多孔结构1，底部外侧设有楔形装配体，例如可以为楔形接口，用于安装到其他设备上，与其他设备组合实现更加复杂的功能。固定框架4顶部设有通孔，用于穿过驱动部件。支撑件3固定在旋转多孔结构1上，用于支撑其他器件，如实现感知功能的摄像机等。驱动部件2用于提供驱动力并作用于旋转多孔结构1。旋转多孔结构2具有旋转模态，在驱动部件2的驱动力作用下旋转变形，并带动支撑件3转动，使得支撑件3上的其他器件旋转工作。

实施例中，旋转过孔结构1的上下面连接有固定板5，驱动部件2作用于固定板5上，以使驱动部件2的驱动力通过固定板5分散均匀作用于旋转过孔结构5，图1所示，驱动部件2作用于旋转过孔结构1上表面的固定板5上，旋转过孔结构1下面上的固定板5设有与固定框架4的安装槽配合的楔条，以固定到固定框架4上。当然还可以使驱动部件2作用于旋转过孔结构1下表面的固定板5上，此时，旋转过孔结构1上面上的固定板5设有与固定框架4的安装槽配合的楔条，以固定到固定框架4上。支撑件3通过固定框架4的镂空部分固定到固定板5上。

实施例中，旋转部件2可以软体伸缩管，该软体伸缩管穿过固定框架4上的通孔作用于固定板5。在气动装置充气和放气作用下，可实现伸长和缩短运动，以产生驱动力作用于旋转多孔结构1。其中，软体伸缩管可以为可伸缩波纹管，该伸缩波纹管的设计过程包括：设计锯齿形折线，并对锯齿形折线进行平面偏置，然后偏置结果绕中心轴线旋转得到具有厚度的中空的波纹管。设计好的波纹管由光固化工艺制造，光固化材料为柔性树脂，光固化层厚为0.05mm，每层固化时间7s/层。

实施例中，所述旋转多孔结构具有旋转模态，其构建方式包括：

步骤1，基于多个晶格元正交拼接形成的正交结构单元和正方体，构建无核心的阵列结构。

实施例中，以具有上底面和下底面的基础立体结构作为晶格元，该晶格元可以为圆台、棱台等。六个晶格元沿着X,Y,Z,-X,-Y,-Z六个方向正交拼接成的整体结构作为正交结构单元，并采用该正交结构单元的拓扑形式构建代表性结构单元，实施例中，对正交结构单元进行阵列拼接形成代表性结构单元，采用2×2×2的阵列方式，即通过对其2×2×2阵列得到代表性结构单元。

由于由圆台形成的圆台正交结构单元具有高比强度的优点，因此优选为圆台正交结构单元作为基本单元来构成阵列结构。具体地，圆台正交结构单元的构建过程包括：若以中心点为原点A，圆台正交架构单元的边长为L，沿着坐标轴的六个方向的固定长度为端点，固定长度为L/2，端点分别为P1(L/2,0,0)，P2(-L/2,0,0)，P3(0,L/2,0)，P4(0,-L/2,0)，P5(0,0,L/2)，P6(0,0,-L/2)，它们之间的连接关系为AP1，AP2，AP3，AP4，AP5，AP6。

然后，由圆台的方式按照拓扑关系连接不同端点，以中心点为圆台底面，底面半径为R，以其它端点为圆台顶面，顶面半径为r，半径比ratio_r＝r/R。在中心点，以半径R创建球体，在其它端点处，以半径r创建球体，使得圆台正交结构单元阵列时在连接处不产生空隙。将圆台正交结构单元先进行2×2×2阵列得到代表性结构单元，然后再对代表性结构单元进行2×2×2阵列，阵列间隔为圆台正交结构单元长度L。获得阵列结构，整体边长为4L。

实施例中，创建正方体结构，其体积为阵列结构的1/2ⁿ，当阵列结构边长为4L时，对应正方体结构的边长为2L，这样体积为阵列结构的1/8。在得到正方体结构后，以阵列结构中心为基准，将正方体结构中心与阵列结构中心重合，将正方体结构作为核心部分结构，从阵列结构中去除正方体结构，得到无核心的阵列结构。实际计算中，通过对阵列结构与正方体布尔运算求差集，得到无核心的阵列结构。

步骤2，对代表性结构单元进行三维屈曲模态变形得到具有三维负泊松比特性的核心结构；

实施例中，采用步骤1中的正交结构的拓扑形式构建代表性结构单元，该代表性结构单元通过变形变成核心结构。实施例中，对正交结构进行阵列拼接形成代表性结构单元，且阵列结构的体积是代表性结构单元的2的整数倍，以保证核心结构能够拼接到无核心的阵列结构中。

实施例中，同样选择圆台正交结构单元作为基础单元，通过对其2×2×2阵列得到代表性结构单元。然后对该代表性结构单元进行三维屈曲模态变形得到具有三维负泊松比特定的核心结构，具体包括以下过程：

(a)，对代表性结构单元进行三维屈曲模态变形分析，确定三维屈曲变形控制方程。

实施例中，在有限元软件Abaqus中对代表性结构单元进行三维屈曲模态变形，得到端点的变形坐标，然后结合端点的原坐标，通过集合确定代表性结构单元的三维屈曲变形控制方程为：

其中，L为晶格元的高度，s_l和s_h分别为代表性体积单元的三维屈曲变形模态中，处于与坐标轴平行的同一平面内相邻4个结构单元的内部控制点形成的四边形的两条对角线长度的一半，该四边形为菱形；依据所述三维屈曲变形控制方程，定义三维屈曲模态变形的旋转参数

(b)以代表性结构单元的中心为原点，依据三维屈曲变形控制方程确定代表性结构单元中一个正交结构所有端点的坐标，并对端点坐标进行缩放调整。

实施例中，依据三维屈曲变形控制方程和输入的旋转参数/>以及已知的L，求解得到s_l和s_h，并以代表性结构单元的中心为原点，确定代表性结构单元中一个正交结构所有端点的坐标分别为：中心端点其他外部端点D₁(0，s_l，s_h)，D₂(-S_l，S_h，0)，D₃(-S_h，0，S_l)，

如果不对坐标进行压缩转换，变形后的结构无法与无核心的阵列结构配合，因此，依据d(s_l+s_h)＝L计算缩放比例d，然后按照缩放比例d对所有端点进行缩放，缩放后坐标为：D₁(0，ds_l，ds_h)D₂(-ds_l，ds_h，0)D₃(-ds_h，0，dS_l)

(c)依据调整后端点坐标和晶格元尺寸生成正交结构单元，并以平面X＝0，Y＝0，Z＝0对正交结构单元做镜像操作，得到核心结构。

实施例中，根据调整后端点坐标，以晶格元为圆台为例，以中心点为圆台底面，底面半径R_core，以其它点为圆台顶面，顶面半径r_core，半径比ratio_{core_r}＝r_core/R_core进行不同端点的圆台形式连接。在中心点，以半径R_core创建球体，在其它控制点处，以半径r_core创建球体，使得正交结构单元阵列时在连接处不产生空隙，这样即可以得到边长为L的圆台正交结构单元，然后照以平面X＝0，Y＝0，Z＝0对圆台正交结构单元做镜像操作，得到核心结构。得到的核心结构的长度为2L，拥有8个圆台正交结构单元。

步骤3，将核心结构作为无核心的阵列结构的核心部分，与无核心的阵列结构进行拼接后作为基础单元，该基础单元阵列形成旋转多孔结构。

实施例中，通过对核心结构和无核心的阵列结构布尔运算求并集，将与无核心的阵列结构进行拼接，形成核心点阵结构。在构建核心结构时，核心结构与代表性结构单元的体积比大于1.25，且无核心的阵列结构的晶格元的上底面和下底面的尺寸比为0.75-1.5。

该旋转多孔结构设计好之后，通过3D打印方式制造，具体地，该旋转多孔结构由光固化工艺制造，光固化材料为柔性树脂，光固化层厚为0.05mm，每层固化时间7s/层，打印得到的旋转多孔结构如图3所示，该旋转多孔结构的上下面带有两个固定板。

实施例提供的基于旋转模态变形驱动的软体旋转机器人，具体地旋转实现过程包括2个阶段，如图4所示。

阶段1，驱动部件2处于原始状态，支撑件处于原始位置；

阶段2，使驱动部件2产生驱动力，如气动装置充气，使软体伸缩管伸长产生驱动力，在驱动力作用下旋转多孔结构1被压缩，旋转多孔结构1在压缩过程中发生屈曲变形，即发生平面旋转变形。在变形过程中带动支撑件3旋转，支撑件3带动置于其上的器件旋转，实现器件的视角变化，实现器件的多视角感知。

实施例提供的基于旋转模态变形驱动的软体旋转机器人，结构的合理设计使得可以通过3D打印的方式快速制造所设计软体机器人。并且借助与单一驱动器便可实现软体旋转机器人的实现，不需要设计复杂的控制系统。该软体旋转机器人实现简单，具有良好的环境适应能力，成本较低，可以快速制造。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种基于旋转模态变形驱动的软体旋转机器人，其特征在于，包括旋转多孔结构、驱动部件、支撑件；

所述驱动部件提供驱动力并作用于旋转多孔结构；

所示支撑件固定于旋转多孔结构，用于支撑其他器件；

所述旋转多孔结构具有旋转模态，在驱动部件的驱动力作用下旋转变形，并带动支撑件转动，使得支撑件上的其他器件旋转工作；

所述旋转多孔结构的构建方式包括：构建由多个晶格元正交拼接形成的正交结构单元，该正交结构单元经阵列形成代表性结构单元，该代表性结构单元再经阵列形成阵列结构，以阵列结构中心为基准，从阵列结构中去除形状为正方体的核心部分结构，得到无核心的阵列结构，其中，晶格元为具有上底面和下底面的基础立体结构；对代表性结构单元进行三维屈曲模态变形得到具有三维负泊松比特性的核心结构；将核心结构作为无核心的阵列结构的核心部分，与无核心的阵列结构进行拼接后作为基础单元，该基础单元阵列形成旋转多孔结构。

2.根据权利要求1所述的基于旋转模态变形驱动的软体旋转机器人，其特征在于，所述旋转过孔结构的上下面连接有固定板，驱动部件作用于固定板上，以使驱动部件的驱动力通过固定板分散均匀作用于旋转过孔结构。

3.根据权利要求2所述的基于旋转模态变形驱动的软体旋转机器人，其特征在于，所述支撑件固定在固定板上。

4.根据权利要求1所述的基于旋转模态变形驱动的软体旋转机器人，其特征在于，所述驱动部件包括软体伸缩管，软体伸缩管在气动装置充气下，产生驱动力作用于旋转多孔结构。

5.根据权利要求1所述的基于旋转模态变形驱动的软体旋转机器人，其特征在于，还包括固定框架，所述固定框架支撑旋转多孔结构，并具有与其他设备配合的装配体。

6.根据权利要求1所述的基于旋转模态变形驱动的软体旋转机器人，其特征在于，核心结构与代表性结构单元的体积比大于1.25，且无核心的阵列结构的晶格元的上底面和下底面的尺寸比为0.75-1.5。

7.根据权利要求6所述的基于旋转模态变形驱动的软体旋转机器人，其特征在于，六个晶格元沿着X,Y,Z,-X,-Y,-Z六个方向正交拼接成的整体结构作为正交结构单元，通过对正交结构单元阵列并拼接形成代表性结构单元，其中，阵列结构的体积是代表性结构单元的2的整数倍。

8.根据权利要求6所述的基于旋转模态变形驱动的软体旋转机器人，其特征在于，所述对代表性结构单元进行三维屈曲模态变形得到具有三维负泊松比特定的核心结构，包括：

(a)，对代表性结构单元进行三维屈曲模态变形分析，确定三维屈曲变形控制方程为：

其中，L为晶格元的高度，s_l和s_h分别为代表性体积单元的三维屈曲变形模态中，处于与坐标轴平行的同一平面内相邻4个结构单元的内部控制点形成的四边形的两条对角线长度的一半，该四边形为菱形；依据所述三维屈曲变形控制方程，定义三维屈曲模态变形的旋转参数

(b)，以代表性结构单元的中心为原点，依据三维屈曲变形控制方程确定代表性结构单元中一个正交结构所有端点的坐标，并对端点坐标进行缩放调整；

(c)，依据调整后端点坐标和晶格元尺寸生成正交结构单元，并以平面X＝0，Y＝0，Z＝0对正交结构单元做镜像操作，得到核心结构。

9.根据权利要求8所述的基于旋转模态变形驱动的软体旋转机器人，其特征在于，步骤(b)中，依据三维屈曲变形控制方程 和输入的旋转参数以及已知的L，求解得到s_l和s_h，并以代表性结构单元的中心为原点，确定代表性结构单元中一个正交结构所有端点的坐标分别为：中心端点/>其他外部端点D₁(0,s_l,s_h)，D₂(-s_l,s_h,0)，D₃(-s_h,0,s_l),/>

依据d(s_l+s_h)＝L计算缩放比例d，然后按照缩放比例d对所有端点进行缩放，缩放后坐标为：D₁(0,ds_l,ds_h),D₂(-ds_l,ds_h,0)，D₃(-ds_h,0,ds_l)，

10.根据权利要求6所述的基于旋转模态变形驱动的软体旋转机器人，其特征在于，构建体积为阵列结构的1/2ⁿ的正方体，以阵列结构中心为基准，通过对阵列结构与正方体布尔运算求差集，从阵列结构中去除形状为正方体的核心部分结构，得到无核心的阵列结构。

11.根据权利要求10所述的基于旋转模态变形驱动的软体旋转机器人，其特征在于，n＝3。

12.根据权利要求6所述的基于旋转模态变形驱动的软体旋转机器人，其特征在于，通过对核心结构和无核心的阵列结构布尔运算求并集，将与无核心的阵列结构进行拼接，形成核心点阵结构；

所述旋转多孔结构通过3D打印方式制造。