CN115091490B - 一种可以实现刚度与转向解耦的仿植物生长软体机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于植物尖端生长机制的仿生软体机器人，具体的说是一种可以实现刚度与转向解耦的仿植物生长软体机械臂，控制生长结构外部的尾端与外壳上的输出口密封连接，内部设有控制方向结构，控制生长结构的内部与控制生长结构伸缩装置连接，控制方向结构与控制方向结构伸缩装置连接；控制生长结构的外表面上分布有加热冷却管，加热冷却管内设有相变材料；控制生长结构的尖端内部设有球面支撑，球面支撑的一端始终与尖端的内表面接触，另一端设有方向定位结构，控制方向结构与方向定位结构连接。本发明不仅能够实现仿植物软生长机械臂的实时主动转向，还可以实现刚度与转向解耦，此种设计使转向摆脱环境约束，末端负载能力提升。

Description

一种可以实现刚度与转向解耦的仿植物生长软体机械臂

技术领域

本发明涉及基于植物尖端生长机制的仿生软体机器人，具体的说是一种可以实现刚度与转向解耦的仿植物生长软体机械臂。

背景技术

软连续体机器人由于其固有的顺应性和灵活性，它们在微创手术、搜救和检查等领域越来越受欢迎。然而，大多数传统的软连续体机器人仍然缺乏显著改变大小和长度的能力。生长作为机器人运动的一种新颖的驱动方法，可用于克服这一缺点，让软连续体机器人在受限的环境中运动更加灵活，可以给人类带来极大的工作效益和安全保障。基于植物尖端生长机制的仿生软体机器人不断地扩充着软连续体机器人的应用领域，为软连续体机器人的发展提供一种新的思路。

现有的仿植物生长软连续体机器人存在预埋折痕、肌腱预设卡扣不能实时主动转向，末端负载小等问题。

发明内容

针对现有软连续体机器人存在的上述问题，为了实现仿植物生长软体机械臂可以在受限的三维空间不依靠环境支撑而不断前进，就必须解决转向问题与刚度问题，本发明的目的在于提供一种可以实现刚度与转向解耦的仿植物生长软体机械臂。该仿植物生长软体机械臂的生长以及方向控制均基于外翻原理运动，多个控制方向结构通过各自的输入气压的多少实现实时转向；同时在转弯位置通过相变材料来实现刚度的变化，进而实现在非结构化环境的主动连续转弯；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。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括外壳、控制生长结构伸缩装置、控制方向结构伸缩装置、控制生长结构气动控制装置、控制方向结构气动控制装置、相变材料、控制生长结构、控制方向结构、球面支撑及方向定位结构，其中控制生长结构外部的尾端与外壳上的输出口密封连接，所述控制生长结构的首端为尖端，所述控制生长结构内部沿圆周方向均匀设有多个控制方向结构，所述外壳内分别安装有控制生长结构伸缩装置及控制方向结构伸缩装置，所述控制生长结构的内部与控制生长结构伸缩装置连接，由所述控制生长结构伸缩装置及安装于外壳内的控制生长结构气动控制装置共同作用实现外翻或内缩；所述控制方向结构伸缩装置的数量与控制方向结构的数量相等，且一一对应，所述控制方向结构伸缩装置内安装有控制方向结构气动控制装置，每个所述控制方向结构均通过对应的控制方向结构伸缩装置及内部安装的控制方向结构气动控制装置的作用实现外翻或内缩；所述控制生长结构的外表面上分布有加热冷却管，所述加热冷却管内设有实现转变状态刚度变化的相变材料；所述控制生长结构的尖端内部设有球面支撑，所述球面支撑的一端始终与尖端的内表面接触，所述球面支撑的另一端沿圆周方向均匀设有与控制方向结构数量相等、一一对应的方向定位结构，每个所述控制方向结构分别与对应的方向定位结构连接；所述控制生长结构与各控制方向结构同步动作、进行外翻或内缩，当需要转弯时，各所述控制方向结构中充入的气体存在压差，实现所述球面支撑倾斜，进而带动所述控制生长结构转弯，转弯的所述控制生长结构通过相变材料实现刚度变化。

其中：所述控制生长结构包括一体结构的本体A及内部中心管A，所述本体A为控制生长结构的外部，所述内部中心管A为控制生长结构的内部，所述内部中心管A位于本体A内部；所述本体A为两端开口的中空结构，所述本体A一个开口端为密封连接于输出口的尾端，所述本体A的另一个开口端向内弯折并沿本体A的轴向延伸，即形成了所述内部中心管A，所述本体A的另一个开口端即为尖端，所述内部中心管A由输出口穿过，并与所述控制生长结构伸缩装置相连。

所述控制生长结构伸缩装置为步进电机A，所述内部中心管A由输出口穿过后与步进电机A相连。

所述控制方向结构包括一体结构的本体B及内部中心管B，所述内部中心管B位于本体B内部，所述本体B为两端开口的中空结构，所述本体B远离外壳的开口端向内弯折并沿本体B的轴向延伸，即形成了所述内部中心管B。

所述控制方向结构伸缩装置包括壳体、步进电机B及控制方向结构气动控制装置，所述壳体安装于外壳的内部，所述步进电机B及控制方向结构气动控制装置分别固定在壳体的内部，所述壳体上开设有接口，所述本体B靠近外壳的开口端密封连接于接口上；所述内部中心管B由接口穿过，并与所述步进电机B相连；所述接口外围的壳体上开设有气孔，所述壳体内部通过气孔与内部中心管B和本体B之间的空间相连通，所述控制方向结构气动控制装置通过气孔向内部中心管B和本体B之间的空间充气，或由所述内部中心管B和本体B之间的空间抽气。

所述球面支撑的一端为圆弧面，所述圆弧面始终与尖端的内表面接触，所述球面支撑的另一端为圆柱状，所述球面支撑上沿厚度方向开设有贯通的豁口，所述控制生长结构的内部由豁口穿过；所述球面支撑的另一端在豁口的外围沿圆周方向均匀开设有多个限位孔，所述限位孔的数量与控制方向结构的数量相同、且一一对应，每个所述限位孔内均安装有方向定位结构。

所述方向定位结构包括本体C及内部中心管C，所述内部中心管C位于本体C内的一侧，且在所述本体C的同侧设有圆弧凹槽，所述本体C的另一侧开设有平凹槽，所述平凹槽内容置有永磁铁A，所述控制方向结构远离外壳的一端内部设有永磁铁B，所述永磁铁B及控制方向结构远离外壳的一端均容置于圆弧凹槽内，所述内部中心管C由控制方向结构远离外壳的一端穿入。

所述永磁铁A为圆盘状，所述永磁铁B为开设中心孔的圆盘状，所述永磁铁A与永磁铁B相互作用，保持所述控制方向结构与控制生长结构同步动作。

所述加热冷却管呈网状布置，或所述加热冷却管为平行布置的多根，每根所述加热冷却管均为内外两层的套管，所述加热冷却管上均开设有进水口及出水口。

本发明的优点与积极效果为：

1．本发明结构简单，总体结构轻盈紧凑，运动灵活，控制精巧，应用场所广泛，可在非结构化环境中不借助环境的支撑即可实现连续性灵活运动，应用领域广泛。

2．本发明采用气体驱动，具有重量轻、柔韧性好、适应性强、输出功率大、抗电磁干扰等特点，与之前仿植物生长软连续机械臂相比，实现了仿植物生长软体机械臂刚度与转向解耦的问题，摆脱了环境对转向约束，末端负载能力极大提升。

附图说明

图1为本发明的整体结构剖视图；

图2为本发明的立体结构示意图之一；

图3为本发明的左视剖视图；

图4为本发明的立体结构示意图之二；

图5为本发明控制方向结构外翻时的结构原理图；

图6为本发明外壳的立体结构示意图；

图7为本发明控制方向结构缩回装置的立体结构示意图；

图8为本发明控制生长结构的立体结构示意图；

图9为本发明控制方向结构的立体结构示意图；

图10为本发明方向定位结构的立体结构示意图；

图11为本发明方向定位结构的内部结构剖视图；

图12为本发明球面支撑的立体结构示意图；

图13为本发明永磁铁B的立体结构示意图；

图14为本发明永磁铁A的立体结构示意图；

其中：1为外壳，2为控制生长结构伸缩装置，3为相变材料，4为控制生长结构，5为控制方向结构A，6为控制方向结构B，7为控制方向结构C，8为永磁铁B，9为永磁铁A，10为球面支撑，11为方向定位结构，12为输出口，13为内部中心管A，14为豁口，15为圆弧面，16为本体A，17为平面端，18为限位孔，19为平凹槽，20为圆弧凹槽，21为本体C，22为尖端，23为尾端，24为加热冷却管，25为内部中心管C，26为中心孔，27为壳体，28为步进电机B，29为接口，30为控制生长结构气动控制装置，31为控制方向结构气动控制装置，32为控制方向结构伸缩装置，33为气孔，34为本体B，35为内部中心管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1～14所示，本发明包括外壳1、控制生长结构伸缩装置2、控制方向结构伸缩装置32、控制生长结构气动控制装置30、控制方向结构气动控制装置31、相变材料3、控制生长结构4、控制方向结构、球面支撑10及方向定位结构11，其中控制生长结构4外部的尾端23与外壳1上的输出口12密封连接，控制生长结构4的首端为尖端22，控制生长结构4内部沿圆周方向均匀设有多个控制方向结构，外壳1内分别安装有控制生长结构伸缩装置2及控制方向结构伸缩装置32，控制生长结构4的内部与控制生长结构伸缩装置2连接，由控制生长结构伸缩装置2及安装于外壳1内的控制生长结构气动控制装置30共同作用实现外翻或内缩；控制方向结构伸缩装置32的数量与控制方向结构的数量相等，且一一对应，控制方向结构伸缩装置32内安装有控制方向结构气动控制装置31，每个控制方向结构均通过对应的控制方向结构伸缩装置32及内部安装的控制方向结构气动控制装置31的作用实现外翻或内缩；控制生长结构4的外表面上分布有加热冷却管24，加热冷却管24内设有实现转变状态刚度变化的相变材料3；控制生长结构4的尖端22内部设有球面支撑10，球面支撑10的一端始终与尖端22的内表面接触，球面支撑10的另一端沿圆周方向均匀设有与控制方向结构数量相等、一一对应的方向定位结构11，每个控制方向结构分别与对应的方向定位结构11连接；控制生长结构4与各控制方向结构同步动作、进行外翻或内缩，当需要转弯时，各控制方向结构充入的气体存在压差，实现球面支撑10倾斜，进而带动控制生长结构4转弯，转弯的控制生长结构4通过相变材料3实现刚度变化。

本实施例的控制生长结构伸缩装置2为步进电机A，本实施例的控制生长结构4包括一体结构的本体A16及内部中心管A13，本体A16为控制生长结构4的外部，内部中心管A13为控制生长结构4的内部，内部中心管A13位于本体A16内部；本体A16为两端开口的中空结构，本体A16一个开口端为密封连接于输出口12的尾端23，本体A16的另一个开口端向内弯折并沿本体A16的轴向延伸，即形成了内部中心管A13，本体A16的另一个开口端即为尖端22，内部中心管A13由输出口12穿过后缠绕在步进电机A上。

本实施例的控制方向结构为三个，分别为控制方向结构A5、控制方向结构B6、控制方向结构C7，相应地，本实施例的控制方向结构伸缩装置32也为三个，控制方向结构A5、控制方向结构B6、控制方向结构C7分别连接一个控制方向结构伸缩装置32。本实施例的控制方向结构包括一体结构的本体B34及内部中心管B35，内部中心管B35位于本体B34内部。本实施例的控制方向结构伸缩装置32包括壳体27、步进电机B28及控制方向结构气动控制装置31，壳体27安装于外壳1的内部，步进电机B28及控制方向结构气动控制装置31分别固定在壳体27的内部，壳体27上开设有接口29；本体B34为两端开口的中空结构，本体B34靠近外壳1的一个开口端密封连接于接口29上，本体B34远离外壳1的另一个开口端向内弯折并沿本体B34的轴向延伸，即形成了内部中心管B35。内部中心管B35由接口29穿过，并缠绕在步进电机B28上；接口29外围的壳体27上开设有气孔33，壳体27内部通过气孔33与内部中心管B35和本体B34之间的空间相连通，控制方向结构气动控制装置31通过气孔33向内部中心管B35和本体B34之间的空间充气，或由内部中心管B35和本体B34之间的空间抽气。

本实施例的控制生长结构气动控制装置30及控制方向结构气动控制装置31结构相同，为现有技术，采用空压机与真空泵提供气源，通过STM32（单片机）控制气压。

本实施例的控制生长结构4及各控制方向结构均采用柔软的PE材料制作，通过气体驱动实现外翻，从而促使生长软体机械臂不断生长。

本实施例的球面支撑10的一端为圆弧面15，圆弧面15始终与尖端22的内表面接触，球面支撑10被控制生长结构4包裹，球面支撑10的另一端为圆柱状，球面支撑10上沿厚度方向开设有贯通的豁口14，控制生长结构4的内部中心管A13由豁口14穿过；球面支撑10的另一端在豁口14的外围沿圆周方向均匀开设有多个限位孔18，限位孔18的数量与控制方向结构的数量相同、且一一对应，即本实施例的限位孔18为三个，每个限位孔18内均安装有方向定位结构11，以此对控制方向结构的尖端进行定位。球面支撑10可以用来保持尖端22形状，有利于生长与缩回。

本实施例的方向定位结构11包括本体C21及内部中心管C25，本体C21为圆柱状，内部中心管C25位于本体C21内的一侧，且在本体C21的同侧设有圆弧凹槽20，本体C21的另一侧开设有平凹槽19，平凹槽19一侧的端面为平面端17，平面端17在方向定位结构11安装于限位孔18内后，与限位孔18的底面连接；圆弧凹槽20一侧的端面外缘为圆滑过渡。平凹槽19内容置有永磁铁A9，控制方向结构远离外壳1的另一个开口端内部设有永磁铁B8，永磁铁A9为圆盘状，永磁铁B8为开设中心孔26的圆盘状，控制方向结构的内部中心管B35由永磁铁B8的中心孔26穿过，永磁铁B8及控制方向结构远离外壳1的另一个开口端均容置于圆弧凹槽20内，内部中心管C25穿入内部中心管B35的内部。本实施例的永磁铁A9与永磁铁B8各有三个，每个永磁铁A9与对应的永磁铁B8相互作用，保持控制方向结构与控制生长结构4同步动作，同时也保持各控制方向结构可以在充气状态下生长，在控制方向结构伸缩装置32的作用下不发生屈曲的缩回。

本实施例的加热冷却管24可为硅胶管，加热冷却管24呈网状布置（如图2所示），或加热冷却管24为平行布置的多根（如图4所示），每根加热冷却管24均为内外两层的套管，加热冷却管24上均开设有进水口及出水口。本实施例的相变材料3可为金属镓，初始状态时，加热冷却管24内通入水的水温为30～35℃，金属镓的状态为液态；当需要相变时，向加热冷却管24通入液氮或干冰做冷却剂，金属镓的状态改变为固态，进而实现生长软体机械臂的刚度变化，为生长软体机械臂在非结构化环境中持续运动提供刚度支撑，这不仅实现刚度与转向解耦，而且使生长软体机械臂末端负载能力提升。而生长尖端部分暂时不考虑。因此仿植物生长软体机械臂就可通过相变材料3的支持力去保持根部稳定性，支撑其继续生长，而通入相变材料3的部分则由于气压作用，保持自由直线生长。

本发明的工作原理为：

本发明的控制生长结构4与各控制方向结构的中间变化部分由自身结构不断外翻来实现尖端22与尾端23的相对运动，解决了现有生长机器人预埋折痕不能实时转向，肌腱需要借助障碍物接触转向，末端负载小的问题。具体为：

通过控制生长结构气动控制装置30驱动采用PE材料制作的控制生长结构4、通过三个控制方向结构气动控制装置31分别驱动采用PE材料制作的控制方向结构A5、控制方向结构B6、控制方向结构C7，使控制生长结构4、控制方向结构A5、控制方向结构B6、控制方向结构C7采用外翻原理不断地在非结构化环境中运动；通过采用相变材料3实现生长软体机械臂的刚度提升，摆脱了之前环境提供支撑，运动受限的问题。相变材料3通过控制生长结构4外表面的加热冷却管24实现合金的相变，对转角位置提升刚度，而生长尖端部分暂时不考虑。因此仿植物生长软体机械臂就可通过相变材料3的支持力去保持根部稳定性，支撑生长软体机械臂继续生长，而通入相变材料3的部分则由于气压作用，保持自由直线生长；通过步进电机A及步进电机B28的驱动，从而实现生长软体机械臂的撤回，使生长软体机械臂在非结构化环境中来去自如，更具灵活性以及负载性。

Claims (9)

1.一种可以实现刚度与转向解耦的仿植物生长软体机械臂，其特征在于：包括外壳（1）、控制生长结构伸缩装置（2）、控制方向结构伸缩装置（32）、控制生长结构气动控制装置（30）、控制方向结构气动控制装置（31）、相变材料（3）、控制生长结构（4）、控制方向结构、球面支撑（10）及方向定位结构（11），其中控制生长结构（4）外部的尾端（23）与外壳（1）上的输出口（12）密封连接，所述控制生长结构（4）的首端为尖端（22），所述控制生长结构（4）内部沿圆周方向均匀设有多个控制方向结构，所述外壳（1）内分别安装有控制生长结构伸缩装置（2）及控制方向结构伸缩装置（32），所述控制生长结构（4）的内部与控制生长结构伸缩装置（2）连接，由所述控制生长结构伸缩装置（2）及安装于外壳（1）内的控制生长结构气动控制装置（30）共同作用实现外翻或内缩；所述控制方向结构伸缩装置（32）的数量与控制方向结构的数量相等，且一一对应，所述控制方向结构伸缩装置（32）内安装有控制方向结构气动控制装置（31），每个所述控制方向结构均通过对应的控制方向结构伸缩装置（32）及内部安装的控制方向结构气动控制装置（31）的作用实现外翻或内缩；所述控制生长结构（4）的外表面上分布有加热冷却管（24），所述加热冷却管（24）内设有实现转变状态刚度变化的相变材料（3）；所述控制生长结构（4）的尖端（22）内部设有球面支撑（10），所述球面支撑（10）的一端始终与尖端（22）的内表面接触，所述球面支撑（10）的另一端沿圆周方向均匀设有与控制方向结构数量相等、一一对应的方向定位结构（11），每个所述控制方向结构分别与对应的方向定位结构（11）连接；所述控制生长结构（4）与各控制方向结构同步动作、进行外翻或内缩，当需要转弯时，各所述控制方向结构中充入的气体存在压差，实现所述球面支撑（10）倾斜，进而带动所述控制生长结构（4）转弯，转弯的所述控制生长结构（4）通过相变材料（3）实现刚度变化。

2.根据权利要求1所述可以实现刚度与转向解耦的仿植物生长软体机械臂，其特征在于：所述控制生长结构（4）包括一体结构的本体A（16）及内部中心管A（13），所述本体A（16）为控制生长结构（4）的外部，所述内部中心管A（13）为控制生长结构（4）的内部，所述内部中心管A（13）位于本体A（16）内部；所述本体A（16）为两端开口的中空结构，所述本体A（16）一个开口端为密封连接于输出口（12）的尾端（23），所述本体A（16）的另一个开口端向内弯折并沿本体A（16）的轴向延伸，即形成了所述内部中心管A（13），所述本体A（16）的另一个开口端即为尖端（22），所述内部中心管A（13）由输出口（12）穿过，并与所述控制生长结构伸缩装置（2）相连。

3.根据权利要求2所述可以实现刚度与转向解耦的仿植物生长软体机械臂，其特征在于：所述控制生长结构伸缩装置（2）为步进电机A，所述内部中心管A（13）由输出口（12）穿过后与步进电机A相连。

4.根据权利要求1所述可以实现刚度与转向解耦的仿植物生长软体机械臂，其特征在于：所述控制方向结构包括一体结构的本体B（34）及内部中心管B（35），所述内部中心管B（35）位于本体B（34）内部，所述本体B（34）为两端开口的中空结构，所述本体B（34）远离外壳（1）的开口端向内弯折并沿本体B（34）的轴向延伸，即形成了所述内部中心管B（35）。

5.根据权利要求4所述可以实现刚度与转向解耦的仿植物生长软体机械臂，其特征在于：所述控制方向结构伸缩装置（32）包括壳体（27）、步进电机B（28）及控制方向结构气动控制装置（31），所述壳体（27）安装于外壳（1）的内部，所述步进电机B（28）及控制方向结构气动控制装置（31）分别固定在壳体（27）的内部，所述壳体（27）上开设有接口（29），所述本体B（34）靠近外壳（1）的开口端密封连接于接口（29）上；所述内部中心管B（35）由接口（29）穿过，并与所述步进电机B（28）相连；所述接口（29）外围的壳体（27）上开设有气孔（33），所述壳体（27）内部通过气孔（33）与内部中心管B（35）和本体B（34）之间的空间相连通，所述控制方向结构气动控制装置（31）通过气孔（33）向内部中心管B（35）和本体B（34）之间的空间充气，或由所述内部中心管B（35）和本体B（34）之间的空间抽气。

6.根据权利要求1所述可以实现刚度与转向解耦的仿植物生长软体机械臂，其特征在于：所述球面支撑（10）的一端为圆弧面（15），所述圆弧面（15）始终与尖端（22）的内表面接触，所述球面支撑（10）的另一端为圆柱状，所述球面支撑（10）上沿厚度方向开设有贯通的豁口（14），所述控制生长结构（4）的内部由豁口（14）穿过；所述球面支撑（10）的另一端在豁口（14）的外围沿圆周方向均匀开设有多个限位孔（18），所述限位孔（18）的数量与控制方向结构的数量相同、且一一对应，每个所述限位孔（18）内均安装有方向定位结构（11）。

7.根据权利要求1所述可以实现刚度与转向解耦的仿植物生长软体机械臂，其特征在于：所述方向定位结构（11）包括本体C（21）及内部中心管C（25），所述内部中心管C（25）位于本体C（21）内的一侧，且在所述本体C（21）的同侧设有圆弧凹槽（20），所述本体C（21）的另一侧开设有平凹槽（19），所述平凹槽（19）内容置有永磁铁A（9），所述控制方向结构远离外壳（1）的一端内部设有永磁铁B（8），所述永磁铁B（8）及控制方向结构远离外壳（1）的一端均容置于圆弧凹槽（20）内，所述内部中心管C（25）由控制方向结构远离外壳（1）的一端穿入。

8.根据权利要求7所述可以实现刚度与转向解耦的仿植物生长软体机械臂，其特征在于：所述永磁铁A（9）为圆盘状，所述永磁铁B（8）为开设中心孔（26）的圆盘状，所述永磁铁A（9）与永磁铁B（8）相互作用，保持所述控制方向结构与控制生长结构（4）同步动作。

9.根据权利要求1所述可以实现刚度与转向解耦的仿植物生长软体机械臂，其特征在于：所述加热冷却管（24）呈网状布置，或所述加热冷却管（24）为平行布置的多根，每根所述加热冷却管（24）均为内外两层的套管，所述加热冷却管（24）上均开设有进水口及出水口。

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