CN114986489A - 一种柔性机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性机器人，包括柔性臂以及用于驱动所述柔性臂进行转向的转向机构，所述柔性臂包括位于内侧的内收缩部以及位于所述内收缩部外侧的外伸展部；所述柔性臂上设置有热收缩膜，所述热收缩膜均匀间隔贴合在所述柔性臂的周向上，所述热收缩膜的延伸方向与所述柔性臂的延伸方向相同；所述转向机构包括设置在所述柔性臂端部的第一夹持组件、第二夹持组件以及加热组件，所述第一夹持组件和加热组件设置在所述腔体内，所述第二夹持组件设置在所述的腔体外，所述加热组件与所述热收缩膜对应设置并用于对所述热收缩膜进行加热，所述热收缩膜用于受热之后收缩并带动所述柔性臂进行转向。

Description

一种柔性机器人

技术领域

本发明涉及机器人和管道内窥技术领域，尤其涉及一种柔性机器人。

背景技术

现有技术中，针对长距离、多支路管路系统的内部视觉检测，一直没有很好的解决方案，难以实现检测，或设备结构复杂、造价高昂，且无法通过变截面通道，难以实现管道内部转向。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种能够在管道内部实现转向的柔性机器人。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种柔性机器人，包括柔性臂以及用于驱动所述柔性臂进行转向的转向机构，所述柔性臂包括位于内侧的内收缩部以及位于所述内收缩部外侧的外伸展部，所述内收缩部和外伸展部之间形成腔体，向所述腔体内充入介质后使得所述内收缩部的端部向外伸展后形成所述外伸展部；所述柔性臂上设置有热收缩膜，所述热收缩膜均匀间隔贴合在所述柔性臂的周向上，所述热收缩膜的延伸方向与所述柔性臂的延伸方向相同；

所述转向机构包括设置在所述柔性臂端部的第一夹持组件、第二夹持组件以及加热组件，所述第一夹持组件和加热组件设置在所述腔体内，所述第二夹持组件设置在所述的腔体外，所述加热组件与所述热收缩膜对应设置并用于对所述热收缩膜进行加热，所述热收缩膜用于受热之后收缩并带动所述柔性臂进行转向。

根据本发明的一些优选实施方面，所述第一夹持组件靠近第二夹持组件的一侧设置有第一永磁体，所述第二夹持组件靠近所述第一夹持组件的一侧设置有第二永磁体，所述第一永磁体和第二永磁体用于相互吸引进而使得所述第一夹持组件和第二夹持组件相互连接；所述内收缩部的端部从所述第一永磁体和第二永磁体之间穿过之后向外伸展后形成所述外伸展部。

根据本发明的一些优选实施方面，所述第一夹持组件和第二夹持组件之间用于形成供所述柔性臂的端部向外伸展的通道；所述第一夹持组件包括弧形部、用于容纳所述第一永磁体的容纳部和第一夹持部；所述第二夹持组件包括压部和第二夹持部；所述第二永磁体设置在所述压部和第二夹持部之间的连接处朝向所述容纳部的位置；所述第二夹持部插入在所述第一夹持部内。所述第二夹持部的长度大于所述第一夹持部的长度。

根据本发明的一些优选实施方面，所述第一夹持部上设置有弹片，所述弹片的一端固定在所述第一夹持部的周向上，所述弹片的另一端固定有所述加热组件，所述弹片用于驱动所述加热组件与所述柔性臂贴合。

根据本发明的一些优选实施方面，所述第一夹持组件为一体成型设置，和/或，所述第二夹持组件为一体成型设置；所述第一永磁体为环形设置，和/或，所述第二永磁体为环形设置。

根据本发明的一些优选实施方面，所述压部上设置有朝向所述弧形部凸出的压环。所述压环对应所述弧形部的最顶端。

根据本发明的一些优选实施方面，包括用于向所述腔体内充入介质的填充机构，所述填充机构用于使得所述腔体的压力大于外部的环境压力，并使得所述内收缩部沿其长度方向向外伸展。通常情况下优选介质为气体，则填充机构用于向腔体内填充气体以使得内部的气压大于外部的气压，提供内收缩部向前延伸的动力以形成外伸展部。本发明中的机器人也可用于水下探测和监测环境下，此时，介质可以优选为液体，但同时需要加强部件的密封效果。

根据本发明的一些优选实施方面，包括控制模块，所述控制模块包括用于对对应的加热组件进行加热的温度控制组件以及第一线缆，和/或重力检测组件以及第二线缆。控制模块还需要控制电机的启停、填充机构的启停、数据的收集等。

根据本发明的一些优选实施方面，所述外伸展部的端部设置有筒体，所述筒体内设置有用于对所述内收缩部和/或第一线缆、第二线缆进行释放或收卷的驱动机构，所述填充机构用于向所述筒体内充入介质。

根据本发明的一些优选实施方面，所述驱动机构包括用于释放或收卷所述内收缩部的第一卷筒、用于带动所述第一卷筒转动的第一电机、用于收卷或释放所述第一线缆和/或第二线缆的第二卷筒、用于带动所述第二卷筒转动的第二电机。

根据本发明的一些优选实施方面，所述外伸展部的端部设置有法兰，所述筒体与所述法兰连接，所述内收缩部穿过所述法兰并进入所述外伸展部内。外伸展部的一端固定在筒体与法兰之间，当第一电机启动，第一卷筒转动，将内收缩部向前输送，同时，填充机构向筒体内充入气体并进入内收缩部与外伸展部之间的空间，进而使得内收缩部的端部不断外翻形成外伸展部。

根据本发明的一些优选实施方面，所述第一卷筒和第二卷筒上分别设置有第一过电滑环和第二过电滑环，所述控制模块与所述第一过电滑环和第二过电滑环电性连接。

根据本发明的一些优选实施方面，所述控制模块包括视觉检测组件，所述视觉检测组件包括设置在所述第二夹持组件上的摄像头以及连接至所述控制模块的第三线缆，第三线缆可以位于内收缩部的内部进而连接至控制模块上。

根据本发明的一些优选实施方面，所述填充机构包括压缩机以及管道，所述管道与外部环境连通或与气源连通。

在本发明的一些优选实施例，所述柔性膜的材质的玻璃态转变温度大于150℃，优选聚丙烯PP(玻璃态转变温度为170℃)、聚苯乙烯PS(玻璃态转变温度为212℃)、聚四氟乙烯PTFE(分解温度为450℃，无熔点)、聚对苯二甲酸乙二酯PET(玻璃态转变温度为255℃)等高分子材料。

由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的有益之处在于：本发明的柔性机器人，通过在柔性臂上贴合热收缩膜并对应设置加热组件，通过加热组件加热热收缩膜，使得热收缩膜收缩，进而带动柔性臂进行转向。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明优选实施例中柔性机器人的结构示意图；

图2为本发明优选实施例中柔性机器人驱动机构的结构放大示意图；

图3为本发明优选实施例中柔性机器人转向机构的结构放大示意图；

图4为对应图3中的俯视图；

图5为本发明优选实施例中第一夹持组件的结构示意图；

图6为本发明优选实施例中第一夹持组件的界面示意图；

图7为本发明优选实施例中第二夹持组件的结构示意图；

图8为本发明优选实施例中第二夹持组件的界面示意图；

附图中，柔性机器人-1，柔性臂-2，内收缩部-21，外伸展部-22，热收缩膜-23，填充机构-3，转向机构-4，第一夹持组件-41，弧形部-411，容纳部-412，第一夹持部-413，第二夹持组件-42，压部-421，第二夹持部-422，压环-423，弹片-43，加热组件-44，第一永磁体-451，第二永磁体-452，驱动机构-5，第一卷筒-51，第二卷筒-52，第一电机-53，第二电机-54，筒体-55，第一过电滑环-56，第二过电滑环-57，法兰-6，控制模块-7，第一线缆-81，第二线缆-82，第三线缆-83，温度控制组件-9，重力检测组件-10，摄像头-11，腔体-12。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1-8所示，本实施例中的柔性机器人1，包括柔性臂2、用于驱动柔性臂2进行转向的转向机构4、用于向柔性臂2内充入介质以使得柔性臂2向前伸展的填充机构3、用于对柔性臂2进行收卷或释放的驱动机构5以及控制模块7。

柔性臂2包括位于内侧的内收缩部21以及位于内收缩部21外侧的外伸展部22，内收缩部21和外伸展部22之间形成腔体12，通过填充机构3向腔体12内充入介质后使得内收缩部21的端部向外伸展后形成外伸展部22。填充机构3用于使得腔体12的压力大于外部的环境压力，并使得内收缩部21沿其长度方向向外伸展。通常情况下优选介质为气体，则填充机构3用于向腔体12内填充气体以使得内部的气压大于外部的气压，提供内收缩部21向前延伸的动力以形成外伸展部22。本发明中的机器人也可用于水下的探测和监测环境下，此时，介质可以优选为液体。

如图3-4所示，本实施例中的转向机构4包括设置在柔性臂2端部的第一夹持组件41、第二夹持组件42以及加热组件44，第一夹持组件41和加热组件44设置在腔体12内，第二夹持组件42设置在腔体12外，第一夹持组件41和第二夹持组件42之间用于形成供柔性臂2的端部向外伸展的通道。柔性臂2上设置有热收缩膜23，热收缩膜23均匀间隔贴合在柔性臂2的周向上，热收缩膜23的延伸方向与柔性臂2的延伸方向相同。加热组件44与热收缩膜23对应设置并用于对热收缩膜23进行加热，热收缩膜23用于受热之后收缩并带动柔性臂2进行转向。加热组件44可以使用(80℃)中温型电伴热带。

第一夹持组件41靠近第二夹持组件42的一侧设置有第一永磁体451，第二夹持组件42靠近第一夹持组件41的一侧设置有第二永磁体452，第一永磁体451和第二永磁体452用于相互吸引进而使得第一夹持组件41和第二夹持组件42相互连接；内收缩部21的端部从第一永磁体451和第二永磁体452之间穿过之后向外伸展后形成外伸展部22。

如图3-6所示，本实施例中的第一夹持组件41包括弧形部411、用于容纳第一永磁体451的容纳部412和第一夹持部413。如图7-8所示，第二夹持组件42包括压部421和第二夹持部422；第二永磁体452设置在压部421和第二夹持部422之间的连接处朝向容纳部412的位置；第二夹持部422插入在第一夹持部413内，且第二夹持部422的长度大于第一夹持部413的长度。压部421上设置有朝向弧形部411凸出的压环423，且压环423对应弧形部411的最顶端。第一夹持部413上设置有弹片43，弹片43的一端固定在第一夹持部413的周向上，弹片43的另一端固定有加热组件44，弹片43用于驱动加热组件44与柔性臂2贴合。如图3-4所示，弹片43为弧形设置，且由第一夹持部413向外伸展部22和加热组件44延伸，且朝向弧形部411凸起，使得加热组件44具有朝向外侧张开的趋势且不会阻挡外伸展部22的运动。

本实施例中的第一夹持组件41和第二夹持组件42均为一体成型设置；第一永磁体451和第二永磁体452为环形设置，或间隔设置。第一永磁体451和第二永磁体452可固定或可拆卸的分别设置在第一夹持组件41和第二夹持组件42上。夹持组件可以采用3D打印成型，同时因为没有额外的运动执行机构，因此结构简单轻便，运动灵活，适用于探测环境下的柔性机器人。

本实施例中的控制模块7包括用于对对应的加热组件44进行加热的温度控制组件9、第一线缆81和进行重力检测的重力检测组件10以及第二线缆82。同时，控制模块7还需要控制电机的启停、填充机构3的启停、数据的收集等。重力检测组件10的作用在于检测第一夹持组件41的位姿并反馈给控制模块7，控制模块7接收位姿信息后，在柔性臂2需要转向的时候能够精准控制对应的加热组件44进行升温，进而使得对应的热收缩膜23收缩带动柔性臂2进行转向。

如图1-2所示，外伸展部22的端部设置有筒体55，筒体55内设置有驱动机构5，填充机构3用于向筒体55内充入介质。具体的，驱动机构5包括用于释放或收卷内收缩部21的第一卷筒51、用于带动第一卷筒51转动的第一电机53、用于收卷或释放第一线缆81和第二线缆82的第二卷筒52、用于带动第二卷筒52转动的第二电机54。也可以优选设置分别对应第一线缆81和第二线缆82的多个第二卷筒52和第二电机54以实现对第一线缆81和第二线缆82的分别控制。

如图1-2所示，外伸展部22的端部设置有法兰6，筒体55与法兰6连接，内收缩部21穿过法兰6并进入外伸展部22内。外伸展部22的一端固定在筒体55与法兰6之间，当第一电机53启动，第一卷筒51转动，将内收缩部21向前输送，同时，填充机构3向筒体55内充入气体并进入内收缩部21与外伸展部22之间的腔体12，进而使得内收缩部21的端部不断外翻形成外伸展部22。

填充机构3包括压缩机、管道以及压力计、流量计等，管道与外部环境连通向空气压缩机内输送空气，空气压缩机对空气进行压缩后输送至筒体55内并填充至腔体12内，使得内部腔体12的气压大于外部的环境压力，驱动内收缩部21向前伸展、翻转形成外伸展部22。压力计和流量计用于控制腔体12内压力的稳定。第一卷筒51和第二卷筒52上分别设置有第一过电滑环56和第二过电滑环57，控制模块7与第一过电滑环56和第二过电滑环57电性连接。

控制模块7还包括视觉检测组件，视觉检测组件包括设置在第二夹持组件42上的摄像头11以及连接至控制模块7的第三线缆83，第三线缆83可以位于内收缩部21的内部进而连接至控制模块7上。

本实施例中的柔性膜的材质的玻璃态转变温度大于150℃，优选耐温性较好的聚四氟乙烯薄膜。

以下简述本实施例中的柔性机器人1的工作过程：

控制模块7控制填充机构3启动，并向筒体55内充入气体并进入内收缩部21与外伸展部22之间的腔体12，同时控制第一电机53和第一卷筒51、第二电机54和第二卷筒52启动，进而使得内收缩部21的端部不断外翻形成外伸展部22。

通过摄像头11实时观察柔性臂2的前端环境，当判定需要进行转向时，通过重力检测组件10(重力芯片)判断第一夹持组件41的姿态，并反馈位姿信号至控制模块7，由控制模块7计算正确转向需要进行加热的区域，并发出加热信号给温度控制组件9(温控芯片)，由温控芯片对目标的电伴热带进行通电致热。电伴热带发热后，对应区域的热收缩膜23收缩，牵连迫使柔性臂2薄膜同时收缩。通过可控的热缩和充气进给两个运动的结合，最终顺利完成转向。

本实施例中的转向原理基于热熔收缩转向结构，采用的是局部形状控制方法。方案大致为：在柔性臂的一侧(内侧或外侧)沿其长度延伸方向贴合有8组条状热收缩膜23，对应在第一夹持组件41上设置8组加热组件44，并通过弹片43使得加热组件44与热收缩膜23贴合。采用重力检测组件10对第一夹持组件41和第二夹持组件42的位姿进行检测和反馈，并由控制模块7控制温度控制组件9对对应的加热组件44进行控制，实现对应区域热收缩膜的收缩，进而实现目标转向。

柔性机器人1的柔性臂2前端不断外翻生长是其最显著的工作特点，但由于臂端的不稳定性，使前端夹持设备成为一个技术难题。本发明设计了一种采用磁吸固定的专用夹持组件，以解决这个技术问题。夹持组件包括第一夹持组件41和配合插入在第一夹持组件41中的第二夹持组件42，第一夹持组件41和第二夹持组件42之间形成用于供柔性臂2穿过的通道。第一夹持组件41和第二夹持组件42上对应设置有永磁体。第二夹持组件42的后部伸出段插入未反转的柔性臂内，可以增加夹持稳定性。第二夹持组件42采用特氟龙材料，摩擦系数小，外廓为弧形，能够提高通过的顺滑性。摄像头11可以嵌入式安装在第二夹持组件42上，外侧覆盖透明有机玻璃护板。第二夹持组件42的第二夹持部422上具有供与摄像头11连接的第三线缆83贯通的通孔。第二夹持组件42的压部421上设置有压环423，压环423对应第一夹持组件41的弧形部411的最高点设置，使得内外的夹持组件仅在压环423处紧密配合，夹紧柔性臂2的薄膜，其余部位间隙相对较大，允许柔性臂薄膜自由通过。

本实施例中的柔性机器人1的夹持组件可以采用3D打印成型，同时因为没有额外的运动执行机构，结构简单轻便，特别适用于柔性机器人；柔性臂的制造成本低，制造难度很小，除发生了热缩变形的热缩薄膜无法回收重复利用外，其余部件均可二次使用；机器人经过一段时间的运行后，柔性臂可能存在一定程度的扭曲，通过重力检测芯片能够快速精确的判断柔性臂端部此时的实际位姿，配合环向分布的8组电伴热带和热收缩膜23，能够适应任意扭曲的位姿，控制进行任意方向的准确转向。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种柔性机器人，其特征在于，包括柔性臂以及用于驱动所述柔性臂进行转向的转向机构，所述柔性臂包括位于内侧的内收缩部以及位于所述内收缩部外侧的外伸展部，所述内收缩部和外伸展部之间形成腔体，向所述腔体内充入介质后使得所述内收缩部的端部向外伸展后形成所述外伸展部；所述柔性臂上设置有热收缩膜，所述热收缩膜均匀间隔贴合在所述柔性臂的周向上，所述热收缩膜的延伸方向与所述柔性臂的延伸方向相同；

所述转向机构包括设置在所述柔性臂端部的第一夹持组件、第二夹持组件以及加热组件，所述第一夹持组件和加热组件设置在所述腔体内，所述第二夹持组件设置在所述的腔体外，所述加热组件与所述热收缩膜对应设置并用于对所述热收缩膜进行加热，所述热收缩膜用于受热之后收缩并带动所述柔性臂进行转向。

2.根据权利要求1所述的柔性机器人，其特征在于，所述第一夹持组件靠近第二夹持组件的一侧设置有第一永磁体，所述第二夹持组件靠近所述第一夹持组件的一侧设置有第二永磁体，所述第一永磁体和第二永磁体用于相互吸引进而使得所述第一夹持组件和第二夹持组件相互连接；所述内收缩部的端部从所述第一永磁体和第二永磁体之间穿过之后向外伸展后形成所述外伸展部。

3.根据权利要求2所述的柔性机器人，其特征在于，所述第一夹持组件和第二夹持组件之间用于形成供所述柔性臂的端部向外伸展的通道；所述第一夹持组件包括弧形部、用于容纳所述第一永磁体的容纳部和第一夹持部；所述第二夹持组件包括压部和第二夹持部；所述第二永磁体设置在所述压部和第二夹持部之间的连接处朝向所述容纳部的位置；所述第二夹持部插入在所述第一夹持部内。

4.根据权利要求3所述的柔性机器人，其特征在于，所述第一夹持部上设置有弹片，所述弹片的一端固定在所述第一夹持部的周向上，所述弹片的另一端固定有所述加热组件，所述弹片用于驱动所述加热组件与所述柔性臂贴合。

5.根据权利要求3所述的柔性机器人，其特征在于，所述第一夹持组件为一体成型设置，和/或，所述第二夹持组件为一体成型设置；所述第一永磁体为环形设置，和/或，所述第二永磁体为环形设置。

6.根据权利要求3所述的柔性机器人，其特征在于，所述压部上设置有朝向所述弧形部凸出的压环。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的柔性机器人，其特征在于，包括用于向所述腔体内充入介质的填充机构，所述填充机构用于使得所述腔体的压力大于外部的环境压力，并使得所述内收缩部沿其长度方向向外伸展。

8.根据权利要求7所述的柔性机器人，其特征在于，包括控制模块，所述控制模块包括用于对对应的加热组件进行加热的温度控制组件以及第一线缆，和/或重力检测组件以及第二线缆。

9.根据权利要求8所述的柔性机器人，其特征在于，所述外伸展部的端部设置有筒体，所述筒体内设置有用于对所述内收缩部和/或第一线缆、第二线缆进行释放或收卷的驱动机构，所述填充机构用于向所述筒体内充入介质。

10.根据权利要求9所述的柔性机器人，其特征在于，所述驱动机构包括用于释放或收卷所述内收缩部的第一卷筒、用于带动所述第一卷筒转动的第一电机、用于收卷或释放所述第一线缆和/或第二线缆的第二卷筒、用于带动所述第二卷筒转动的第二电机。

11.根据权利要求9所述的柔性机器人，其特征在于，所述外伸展部的端部设置有法兰，所述筒体与所述法兰连接，所述内收缩部穿过所述法兰并进入所述外伸展部内。

12.根据权利要求10所述的柔性机器人，其特征在于，所述第一卷筒和第二卷筒上分别设置有第一过电滑环和第二过电滑环，所述控制模块与所述第一过电滑环和第二过电滑环电性连接。

13.根据权利要求8所述的柔性机器人，其特征在于，所述控制模块包括视觉检测组件，所述视觉检测组件包括设置在所述第二夹持组件上的摄像头以及连接至所述控制模块的第三线缆。

14.根据权利要求7所述的柔性机器人，其特征在于，所述填充机构包括压缩机以及管道，所述管道与外部环境连通或与气源连通。

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