CN114700936A - 一种基于模块化折纸型气动人工肌肉的软连续型机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械臂领域，具体地说是一种基于模块化折纸型气动人工肌肉的软连续型机器人，包括基座及多层结构相同、串联连接的关节，基座与首层的关节连接；关节包括连接板及可更换充气模块，每层的可更换充气模块为多个，沿周向均布，每层的各可更换充气模块的两端均连接有连接板，相邻两层的关节之间通过连接板相连；可更换充气模块包括气囊及折纸结构，折纸结构与气囊相连，对气囊的变形过程进行约束，每个可更换充气模块的折纸结构均与同层的两个连接板连接。本发明使用折纸结构对气囊进行变形约束，避免了离散性；本发明采用可更换充气模块实现了对气动驱动器的灵活配置，方便安装拆卸，较传统气动软体机械臂而言，制作简单，更具灵活性。

Description

一种基于模块化折纸型气动人工肌肉的软连续型机器人

技术领域

本发明属于机械臂领域，具体地说是一种基于模块化折纸型气动人工肌肉的软连续型机器人。

背景技术

随着机器人技术的发展，各个领域将成为机器人应用的广阔天地，其中机械臂应用更为广泛。目前，气动软体机械臂由于其高灵活性、内在顺应性和安全交互性在医疗、操作、探索、可穿戴领域显示出巨大发展潜力。但气动软体机器人气囊容易漏气，若出现制动器问题，拆装特别不便利；而且安装新的气囊也容易把气囊损坏掉，这给气动软体机械臂的安装工作带来了极大的麻烦。基于折纸结构可更换充气模块的软连续机械臂扩充着软体机械臂的应用领域，基于折纸结构可更换充气模块的软连续机械臂的研究与应用使得软体机械臂装拆更加便利，更加模块化，是软体机械臂发展的主要趋势之一。

发明内容

为了适应软体机械臂的发展，本发明的目的在于提供一种基于模块化折纸型气动人工肌肉的软连续型机器人。该软连续型机械人可以便捷地更换可更换充气模块，而且气囊由刚性折纸结构包裹，装拆只需对外面的折纸刚性结构进行固定即可，此种设计对软体机械臂的可持续、高效应用具有非常重要意义。本发明总体结构轻盈紧凑，控制精巧，应用场所广泛，连续变形能力强，解决了现有软体机械臂驱动器配置复杂，拆卸麻烦，气囊驱动过程离散，只能进行小范围空间工作的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括基座及多层结构相同、串联连接的关节，其中基座与首层的关节连接；所述关节包括连接板及可更换充气模块，每层的所述可更换充气模块为多个，沿周向均布，每层的各所述可更换充气模块的两端均连接有连接板，相邻两层的所述关节之间通过连接板相连；所述可更换充气模块包括气囊及折纸结构，所述折纸结构与气囊相连，对所述气囊的变形过程进行约束，每个所述可更换充气模块的折纸结构均与同层的两个连接板连接；任意一层所述关节通过各可更换充气模块中的气囊同步充入气压相同的气体形成伸展关节，任意一层所述关节通过各可更换充气模块中的气囊同步吸出气压相同的气体形成收缩关节，任意一层所述关节通过各可更换充气模块中的气囊充入或吸出气压不同的气体形成弯曲关节或通过各可更换充气模块中的气囊非同步工作形成弯曲关节。

其中：所述连接板沿周向均匀设置有与可更换充气模块数量相同、一一对应的安装限位空间，所述折纸结构的上下两端分别容置于同层的两个连接板上对应的安装限位空间中，并通过所述连接板上开设的销孔A与连接板固定。

所述安装限位空间的空间壁上开设有供折纸结构插接的键槽，所述销孔A与键槽相连通；所述连接板上分别开设有用于与相邻层关节连接板相连的安装孔及用于与气囊充气或吸气的气动管路布线孔。

所述安装限位空间为U型，U型开口两侧的所述连接板上均开设有销孔A；所述气动管路布线孔开设于连接板的中间位置，所述气动管路布线孔外围的连接板上沿周向均匀开设有多个安装孔。

所述折纸结构包括气囊约束板A及单点六折痕结构，所述气囊约束板A为两个，两个所述气囊约束板A之间的左右两侧均通过结构相同的单点六折痕结构连接；所述单点六折痕结构包括两个气囊约束板B及四个气囊约束板C，两个所述气囊约束板B的一端分别与两个气囊约束板A铰接，每个所述气囊约束板B另一端的两侧对称设有两个气囊约束板C，两个所述气囊约束板B及四个气囊约束板C的一面连接有约束层、另一面分别与所述气囊相连。

所述气囊约束板B与气囊约束板A铰接的一端为方形、另一端为V字型，所述气囊约束板C为直角三角形；所述气囊约束板BV字型的尖端抵接，所述气囊约束板C直角三角形的斜边与气囊约束板B的V字型抵接，且斜边与直角边的夹角尖端与V字型的尖端抵接，所述气囊约束板C直角三角形的一条直角边与相邻气囊约束板C直角三角形的同一条直角边抵接，进而形成所述单点六折痕结构。

所述气囊约束板B及气囊约束板C上分别设有沉头螺栓孔，所述气囊约束板B及气囊约束板C的一面与约束层粘接，并通过插入所述沉头螺栓孔内的螺栓与约束层固接，所述气囊约束板B及气囊约束板C的另一面与气囊粘接。

所述气囊约束板A为方形板，下表面的左右两侧均设有铰接块A；所述气囊约束板B的一端设有铰接块B，所述气囊约束板B的一端与气囊约束板A之间通过铰接块A、铰接块B铰接；所述气囊约束板A的左右两侧均设有半圆形的用于与连接板相连的销孔B。

所述气囊朝向软连续型机器人内侧的一面开设有充气孔。

所述软连续型机器人的空间运动范围通过伸展关节、收缩关节及弯曲关节的数量实现。

本发明的优点与积极效果为：

1．本发明提供的软连续机械臂驱动器装拆便利，结构简单，运动灵活，可对单个关节进行模块化扩展，从而实现空间的大范围运动；与其他软体机械臂相比，能够实现可更换充气模块的随时便捷更换，而且不需要借助任何工具，这是目前解决气动软体机械臂驱动器故障问题最有前途的方式。

2．本发明使用折纸结构对气囊进行变形约束，避免了离散性。

附图说明

图1为本发明的结构主视图；

图2为本发明的立体结构示意图；

图3为本发明连接板的结构示意图；

图4为本发明可更换充气模块的结构示意图；

图5为本发明可更换充气模块与连接板的装拆过程示意图；

图6为本发明气囊的结构示意图；

图7为本发明气囊约束板A的结构示意图；

图8为本发明气囊约束板B的结构示意图；

图9为本发明气囊约束板C的结构示意图；

图10为本发明伸展关节的结构示意图；

图11为本发明收缩关节的结构示意图；

图12为本发明弯曲关节的结构示意图；

其中：1为基座，2为连接板，3为可更换充气模块，4为伸展关节，5为收缩关节，6为弯曲关节，7为键槽，8为安装孔，9为气囊，10为气囊约束板A，11为气囊约束板B，12为气囊约束板C，13为单点六折痕结构，14为铰接块A，15为铰接块B，16为充气孔，17为气动管路布线孔，18为沉头螺栓孔，19为销孔A，20为安装限位空间，21为销孔B。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～12所示，本发明包括基座1及多层结构相同、串联连接的关节，其中基座1与首层的关节连接，关节的安装层数视运动空间范围灵活确定；关节包括连接板2及可更换充气模块3，每层的可更换充气模块3为多个（本实施例为三个），沿周向均布，每层的各可更换充气模块3的两端均连接有连接板2，相邻两层的关节之间通过连接板2相连，基座1与首层关节中位于上方的连接板2连接；可更换充气模块3包括气囊9及折纸结构，折纸结构与气囊9相连，对气囊9的变形过程进行约束，克服了现有气囊只能离散型承受负载的特性，每个可更换充气模块3的折纸结构均与同层的两个连接板2连接；任意一层关节通过各可更换充气模块3中的气囊9同步充入气压相同的气体形成伸展关节4，任意一层关节通过各可更换充气模块3中的气囊9同步吸出气压相同的气体形成收缩关节5，任意一层关节通过各可更换充气模块3中的气囊充入或吸出气压不同的气体形成弯曲关节6或通过各可更换充气模块3中的气囊非同步工作形成弯曲关节6。本实施例的伸展关节4、收缩关节5及弯曲关节6均由相同的可更换充气模块3形成，简单方便。

如图1～3及图5所示，本实施例的连接板2沿周向均匀设置有与可更换充气模块3数量相同、一一对应的安装限位空间20，折纸结构的上下两端分别容置于同层的两个连接板2上对应的安装限位空间20中，并通过连接板2上开设的销孔A19与连接板2固定。本实施例的安装限位空间20为U型，U型的安装限位空间结构连接稳定，U型开口两侧的连接板2上均开设有销孔A19，用于折纸结构的固定，方便装拆；U型的安装限位空间20的空间壁上开设有供折纸结构插接的键槽7，销孔A19与键槽7连通，连接板2上分别开设有用于与相邻层关节连接板2相连的安装孔8及用于与气囊9充气或吸气的气动管路布线孔17，气动管路布线孔17开设于连接板2的中间位置，气动管路布线孔17外围的连接板2上沿周向均匀开设有多个（本实施例为三个）安装孔8，可连接扩展下一层关节的连接板2。

可更换充气模块3可以实现平行伸展、收缩以及倾斜伸展、收缩；可更换充气模块3可以在连接板2上方便灵活地装拆；折纸结构的上下两端分别与连接板2通过螺栓连接，即可得到软连续型机械人的一个关节，结构简单。如图1～4及图7～9所示，本实施例的折纸结构包括气囊约束板A10及单点六折痕结构13，气囊约束板A10为两个、作为折纸结构的上下面，两个气囊约束板A10之间的左右两侧均通过结构相同的单点六折痕结构13连接；本实施例的单点六折痕结构13包括两个气囊约束板B1及四个气囊约束板C12，两个气囊约束板B11的一端分别与两个气囊约束板A10铰接，每个气囊约束板B11另一端的两侧对称设有两个气囊约束板C12，两个气囊约束板B11及四个气囊约束板C12的一面连接有约束层、另一面分别与气囊9相连。

本实施例的气囊约束板A10为方形板，下表面的左右两侧均设有铰接块A14，气囊约束板A10的左右两侧均设有半圆形的销孔B21，气囊约束板A10插设于安装限位空间20的键槽7中，气囊约束板A10两侧的销孔B21与连接板2上安装限位空间20的U型开口两端的销孔A19上下对应，再通过销轴实现折纸结构与连接板2的连接。

本实施例的气囊约束板B11与气囊约束板A10铰接的一端为方形、另一端为V字型，气囊约束板B11的一端设有两个铰接块B15，气囊约束板B11的一端与气囊约束板A10之间通过气囊约束板A10上的铰接块A14插入气囊约束板B11上的两个铰接块B15中，再通过销轴铰接。

本实施例的气囊约束板C12为直角三角形。两个气囊约束板B11的V字型尖端抵接，气囊约束板C12直角三角形的斜边与气囊约束板B11的V字型抵接，且斜边与直角边的夹角尖端与V字型的尖端抵接，气囊约束板C12直角三角形的一条直角边与相邻气囊约束板C12直角三角形的同一条直角边抵接，两个气囊约束板B11与四个气囊约束板C12通过螺栓机械连接与粘合剂物理贴合混合方式组成单点六折痕结构13。具体为：

气囊约束板B11及气囊约束板C12上分别设有沉头螺栓孔18，气囊约束板B11及气囊约束板C12的一面用粘合剂与约束层粘接，并通过插入沉头螺栓孔18内的螺栓与约束层固接，气囊约束板B11及气囊约束板C12的另一面用粘合剂与气囊9粘接。

如图6所示，本实施例的气囊9根据折纸结构设计，采用弹性的热塑性聚氨酯橡胶热压制作，气囊9朝向软连续型机器人内侧的一面开设有充气孔16。

本发明的粘合剂采用现有技术的油性原胶。本发明的约束层及气囊9的材质均可采用嘉兴市颖诚纺织有限公司生产的热塑性聚氨酯橡胶。

如图1～2及图10所示，本实施例的伸展关节4通过同一层三个可更换充气模块3中折纸结构里面的气囊9同时充气，即可实现伸展；伸展关节4里面的气囊9若出现问题，可以很方便地更换可更换充气模块3，避免了对气囊的复杂拆卸与安装。

如图1～2及图11所示，本实施例的收缩关节5通过同一层三个可更换充气模块3中折纸结构里面的气囊9同时抽真空，即可实现收缩；收缩关节5里面的气囊9若出现问题，可以很方便地更换可更换充气模块3，避免了对气囊的复杂拆卸与安装。

如图1～2及图12所示，本实施例的弯曲关节6通过同一层三个可更换充气模块3中折纸结构里面的其中一个气囊9抽真空，另外两个气囊9充气，即可实现弯曲关节6向抽真空一侧弯曲；弯曲关节6里面的气囊9若出现问题，可以很方便地更换可更换充气模块3，避免了对气囊的复杂拆卸与安装。

如图1～2及图10、图11、图12所示，本实施例的软连续型机器人的空间运动范围可以通过伸展关节4、收缩关节5、弯曲关节6的数量来实现；伸展关节4、收缩关节5、弯曲关节6的连接通过连接板2上的安装孔8内插入螺栓连接。

Claims (10)

1.一种基于模块化折纸型气动人工肌肉的软连续型机器人，其特征在于：包括基座（1）及多层结构相同、串联连接的关节，其中基座（1）与首层的关节连接；所述关节包括连接板（2）及可更换充气模块（3），每层的所述可更换充气模块（3）为多个，沿周向均布，每层的各所述可更换充气模块（3）的两端均连接有连接板（2），相邻两层的所述关节之间通过连接板（2）相连；所述可更换充气模块（3）包括气囊（9）及折纸结构，所述折纸结构与气囊（9）相连，对所述气囊（9）的变形过程进行约束，每个所述可更换充气模块（3）的折纸结构均与同层的两个连接板（2）连接；任意一层所述关节通过各可更换充气模块（3）中的气囊（9）同步充入气压相同的气体形成伸展关节（4），任意一层所述关节通过各可更换充气模块（3）中的气囊（9）同步吸出气压相同的气体形成收缩关节（5），任意一层所述关节通过各可更换充气模块（3）中的气囊充入或吸出气压不同的气体形成弯曲关节（6）或通过各可更换充气模块（3）中的气囊非同步工作形成弯曲关节（6）。

2.根据权利要求1所述基于模块化折纸型气动人工肌肉的软连续型机器人，其特征在于：所述连接板（2）沿周向均匀设置有与可更换充气模块（3）数量相同、一一对应的安装限位空间（20），所述折纸结构的上下两端分别容置于同层的两个连接板（2）上对应的安装限位空间（20）中，并通过所述连接板（2）上开设的销孔A（19）与连接板（2）固定。

3.根据权利要求2所述基于模块化折纸型气动人工肌肉的软连续型机器人，其特征在于：所述安装限位空间（20）的空间壁上开设有供折纸结构插接的键槽（7），所述销孔A（19）与键槽（7）相连通；所述连接板（2）上分别开设有用于与相邻层关节连接板（2）相连的安装孔（8）及用于与气囊（9）充气或吸气的气动管路布线孔（17）。

4.根据权利要求3所述基于模块化折纸型气动人工肌肉的软连续型机器人，其特征在于：所述安装限位空间（20）为U型，U型开口两侧的所述连接板（2）上均开设有销孔A（19）；所述气动管路布线孔（17）开设于连接板（2）的中间位置，所述气动管路布线孔（17）外围的连接板（2）上沿周向均匀开设有多个安装孔（8）。

5.根据权利要求1所述基于模块化折纸型气动人工肌肉的软连续型机器人，其特征在于：所述折纸结构包括气囊约束板A（10）及单点六折痕结构（13），所述气囊约束板A（10）为两个，两个所述气囊约束板A（10）之间的左右两侧均通过结构相同的单点六折痕结构（13）连接；所述单点六折痕结构（13）包括两个气囊约束板B（11）及四个气囊约束板C（12），两个所述气囊约束板B（11）的一端分别与两个气囊约束板A（10）铰接，每个所述气囊约束板B（11）另一端的两侧对称设有两个气囊约束板C（12），两个所述气囊约束板B（11）及四个气囊约束板C（12）的一面连接有约束层、另一面分别与所述气囊（9）相连。

6.根据权利要求5所述基于模块化折纸型气动人工肌肉的软连续型机器人，其特征在于：所述气囊约束板B（11）与气囊约束板A（10）铰接的一端为方形、另一端为V字型，所述气囊约束板C（12）为直角三角形；所述气囊约束板B（11）V字型的尖端抵接，所述气囊约束板C（12）直角三角形的斜边与气囊约束板B（11）的V字型抵接，且斜边与直角边的夹角尖端与V字型的尖端抵接，所述气囊约束板C（12）直角三角形的一条直角边与相邻气囊约束板C（12）直角三角形的同一条直角边抵接，进而形成所述单点六折痕结构（13）。

7.根据权利要求5所述基于模块化折纸型气动人工肌肉的软连续型机器人，其特征在于：所述气囊约束板B（11）及气囊约束板C（12）上分别设有沉头螺栓孔（18），所述气囊约束板B（11）及气囊约束板C（12）的一面与约束层粘接，并通过插入所述沉头螺栓孔（18）内的螺栓与约束层固接，所述气囊约束板B（11）及气囊约束板C（12）的另一面与气囊（9）粘接。

8.根据权利要求5所述基于模块化折纸型气动人工肌肉的软连续型机器人，其特征在于：所述气囊约束板A（10）为方形板，下表面的左右两侧均设有铰接块A（14）；所述气囊约束板B（11）的一端设有铰接块B（15），所述气囊约束板B（11）的一端与气囊约束板A（10）之间通过铰接块A（14）、铰接块B（15）铰接；所述气囊约束板A（10）的左右两侧均设有半圆形的用于与连接板（2）相连的销孔B（21）。

9.根据权利要求1所述基于模块化折纸型气动人工肌肉的软连续型机器人，其特征在于：所述气囊（9）朝向软连续型机器人内侧的一面开设有充气孔（16）。

10.根据权利要求1所述基于模块化折纸型气动人工肌肉的软连续型机器人，其特征在于：所述软连续型机器人的空间运动范围通过伸展关节（4）、收缩关节（5）及弯曲关节（6）的数量实现。

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