CN116442207A - 一种软体驱动单元及具有其的模块化软体机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软体驱动单元及具有其的模块化软体机械臂，软体驱动单元包括中空结构的弹性结构体和设置在其内的至少一个驱动气囊，驱动气囊的两端通过固定端与弹性结构体固定，通过改变驱动气囊的内压使其产生形变从而带动弹性结构体产生形变以实现软体驱动单元的驱动变形。当弹性结构体内仅设置一个驱动气囊时，软体驱动单元可根据变形模式分为伸长、扭转和弯曲变形单元。弹性结构体内设置多个驱动气囊时，可实现具有多种变形模式的多功能软体驱动器单元，通过改变不同驱动气囊的内压以实现软体驱动单元的多模式驱动变形。本发明机械臂的驱动臂由多种软体驱动单元组成，可实现多种变形模式以适应更加复杂的工况。

Description

一种软体驱动单元及具有其的模块化软体机械臂

技术领域

本发明涉及软体机器人技术领域，尤其涉及一种软体驱动单元及具有其的模块化软体机械臂。

背景技术

相较于传统的刚性机器人，软体机器人具有较轻的重量、更好的抗冲击能力、更强的环境适应性以及更安全的人机交互环境，因此近年来受到了广泛研究和关注。软体机器人主要依靠软体驱动器结构的变形与环境进行相互作用，软体驱动器的变形设计是软体机器人运动及控制的重要环节。软体驱动器的基本变形模式包括拉伸、压缩、弯曲、扭转。将不同变形模式的驱动器单元组合拼接在一起可以实现不同功能的软体机器人。软体机械臂是最受关注的软体机器人之一，因其固有的柔性结构而具有更安全的环境交互能力。目前软体驱动器单元及软体机械臂的制备和控制较为复杂。因此，有必要提出一种制备及控制简单的软体驱动单元及具有其的模块化软体机械臂。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的实施例提出一种软体驱动单元及具有其的模块化软体机械臂。

一方面，本发明提出了一种软体驱动单元，包括：

中空结构的弹性结构体；

设置在所述弹性结构体内的至少一个驱动气囊，所述驱动气囊的两端通过固定端与所述弹性结构体固定，通过改变所述驱动气囊的内压使其产生形变从而带动所述弹性结构体产生形变以实现软体驱动单元的驱动变形，具有一个所述驱动气囊的所述软体驱动单元分为伸长变形单元、扭转变形单元和弯曲变形单元，具有多个所述驱动气囊的所述软体驱动单元同时具备多种不同的变形模式。

在一些实施例中，所述驱动气囊由杨氏模量在1GPa以上的塑料薄膜密封而成，所述驱动气囊的一端设置气管。

在一些实施例中，所述弹性结构体为长条形状。

在一些实施例中，所述弹性结构体为软质材料。

在一些实施例中，所述固定端为刚性材质。

在一些实施例中，所述伸长变形单元的驱动气囊为长度为L_A的长条形，增大内压后所述伸长变形单元的驱动气囊变为长度为L_A的圆柱体形，所述弹性结构体的长度记为L_S，其中，L_A>L_S，在增压过程中驱动气囊带动所述弹性结构体发生伸长变形，通过改变驱动气囊的长度使得所述伸长变形单元产生不同的伸长变形。

在一些实施例中，所述扭转变形单元的驱动气囊为长条形，将所述扭转变形单元的驱动气囊扭转角度θ_T后至于弹性结构体内部，并用固定端固定，增大内压后驱动气囊倾向于变形至无扭转的圆柱形，驱动气囊在预制扭转变形恢复时带动弹性结构体发生形变，所述扭转变形单元的最大扭转角为θ_T，通过改变驱动气囊的初始扭转的方向及扭转角度θ_T以实现具有不同扭转方向及不同最大扭转角的扭转变形单元。

在一些实施例中，所述弯曲变形单元的驱动气囊为圆心角为θ_B的弧形驱动气囊，增大内压后弧形驱动气囊带动弹性结构体产生弯曲变形，最终所述弯曲变形单元变形为圆心角为θ_B的弧形，通过调整弧形驱动气囊在弹性结构体内部的方向及初始圆心角θ_B以实现不同方向及不同最大弯曲角的弯曲变形。

另一方面，本发明提出了一种模块化软体机械臂，包括：

驱动臂，所述驱动臂本发明提出的多个软体驱动单元组成；

固定件，所述固定件设置在所述驱动臂的一端，通过所述固定件将所述驱动臂一端固定；

作业端，所述作业端设置在所述驱动臂远离所述固定件的一端，通过所述作业端实现机械臂的作业功能。

在一些实施例中，根据作业端的作业位点驱动所述驱动臂的变形。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明的软体驱动单元具有多种变形模式，通过改变所述驱动气囊的内压使其产生形变从而带动所述弹性结构体产生形变以实现软体驱动单元的驱动变形，可以实现不同的形变功能。

本发明机械臂的驱动臂由多种软体驱动单元组成，可实现多种变形模式以适应更加复杂的工况。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为驱动气囊的示意图；

图2为软体驱动单元的结构分解示意图；

图3为驱动伸长变形单元变形前后的示意图；

图4为驱动扭转变形单元变形前后的示意图；

图5为驱动弯曲变形单元变形前后的示意图；

图6为一种实施例中机械臂的结构示意图；

图7为图6所示机械臂的一种驱动模式示意图；

图8为图6所示机械臂的另一种驱动模式示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的软体驱动单元及具有其的模块化软体机械臂。

如图1-5所示，本发明的软体驱动单元，包括弹性结构体、驱动气囊和固定端，其中，固定端用于将驱动气囊固定在弹性结构体内。

如图1所示，驱动气囊由杨氏模量在1GPa以上的塑料薄膜密封而成，驱动气囊的一端设置有气管，气管穿出固定端设置，通过气管改变驱动气囊的内压，对驱动气囊进行充气或抽气，可以理解的是，在工作过程中可以利用气泵给驱动气囊充气，利用真空泵给驱动气囊抽气。当驱动气囊内部无气压时，其抗弯刚度非常低，容易产生较大变形；当驱动气囊内部的气压增大后，整体结构膨胀的同时刚度增大，难以发生变形。

弹性结构体为中空结构，优选地，弹性结构体为中空结构的长条形状，例如中空结构的圆柱体或中空结构的长方体等。弹性结构体为软质材料，在一些实施例中，弹性结构体使用硅胶等软材料制备而成，具有较低的刚度。

驱动气囊放置于弹性结构体的内部，驱动气囊的两端通过固定端与弹性结构体固定，其中，固定端为刚性材质。在工作过程中，通过改变驱动气囊的内压使其产生形变从而带动弹性结构体产生形变以实现软体驱动单元的驱动变形。在驱动气囊内部无气体时，驱动气囊的刚度远小于弹性结构体的刚度，弹性结构体几乎没有变形，因此整体结构的形状由弹性结构体决定。增大驱动气囊内部的气压后，驱动气囊带动弹性结构体一起发生主动变形，并且变形后的结构因高刚度的驱动气囊而可以保持稳定的变形构型。

另外，将不同软体驱动单元的固定端连接起来即可以实现多个软体驱动单元的连接。在一些实施例中，可以在固定端设置卡扣，通过卡扣实现不同固定端之间的卡接。在一些实施例中，还可以通过粘接的方式实现多个固定端间的连接。可以理解的是，当多个软体驱动单元的固定端连接时，软体驱动单元中驱动气囊的气管可以从固定端的侧面伸出以方便驱动。

当弹性结构体内仅设置一个驱动气囊时，软体驱动单元可根据变形模式分为伸长变形单元、扭转变形单元和弯曲变形单元。通过改变驱动气囊和弹性结构体的形状，以及驱动气囊与弹性结构体的配合方式，利用驱动气囊在气压驱动作用下的变形，可以实现软体驱动器单元的伸缩、弯曲、扭转变形模式。当弹性结构体内设置多个驱动气囊时，软体驱动单元同时具备多种不同的变形模式，即具有多个驱动气囊的软体驱动单元可以同时具备由伸长变形模式、不同方向扭转变形模式和不同方向弯曲变形模式组合而成的多种不同的变形模式。

伸长变形单元的驱动气囊为长度为L_A的长条形，增大内压后伸长变形单元的驱动气囊变为长度为L_A的圆柱体形，弹性结构体的长度记为L_S，其中，L_A>L_S，在增压过程中驱动气囊带动弹性结构体发生伸长变形，通过改变驱动气囊的长度使得伸长变形单元产生不同的伸长变形。

具体为，如图3所示，在制备伸长变形单元时，制备初始长度为L_A(L_A>L_S)的长条驱动气囊，该驱动气囊无内压时为长条形薄片。使用气泵给驱动气囊充气，增大其内部气压后会变成长圆柱体形状，充气前后驱动气囊的长度认为不变。将这种长条驱动气囊嵌入弹性结构体的内部，驱动气囊和弹性结构体的端部用固定端固定。驱动气囊内部无气压时，其刚度很低且很容易发生变形。因为驱动气囊的初始长度大于弹性结构体，可将其以压缩或折叠等方式固定于弹性结构体内部。由于无内压的驱动气囊刚度远小于弹性结构体刚度，因此其在弹性结构体内部发生一定适应性变形的同时，弹性结构体的形状不变。增大驱动气囊内部的气压后，驱动气囊变为长圆柱体的同时会带动弹性结构体发生伸长变形。由于弹性结构的变形约束，随着内压的增大，整体结构的长度也逐渐增加。当驱动气囊内部的气压足够大时，驱动气囊带动弹性结构体完全伸长至L_A，此时驱动器达到最大伸长变形，最大伸长比为λ_max＝L_A/L_S。释放驱动气囊内部气体，恢复其内部气压后，弹性结构体变形恢复的同时压缩低刚度的驱动气囊，整体结构恢复初始状态。通过改变驱动气囊的初始长度L_A可以实现软体驱动器在内压驱动作用下发生具有不同最大伸长比的伸长变形。优选地，L_A小于1.5倍的L_S。

扭转变形单元的驱动气囊为长条形，将扭转变形单元的驱动气囊扭转角度θ_T后至于弹性结构体内部，增大内压后驱动气囊倾向于变形至无扭转的圆柱形，驱动气囊在预制扭转变形恢复时带动弹性结构体发生形变，扭转变形单元的最大扭转角为θ_T，通过改变驱动气囊的初始扭转方向及扭转角度θ_T以实现具有不同扭转方向及不同最大扭转角的扭转变形单元。

具体为，如图4所示，制备一长度为L_A的长条形驱动气囊，将该驱动气囊扭转角度θ_T后至于弹性结构体内部，两端用固定端固定。驱动气囊内部无气压时候处于低刚度状态，其扭转变形会被弹性结构体约束，弹性结构体的变形可以忽略。充气增大驱动气囊内部的气压后，驱动气囊倾向于变形至无扭转的长圆柱形，其预制扭转变形恢复的同时会带动弹性结构体发生扭转变形。由于弹性结构的变形约束，随着内压的增大，整体结构的扭转角度也逐渐增加。当气压足够大时候，驱动气囊预制扭转变形完全恢复，软体驱动器扭转变形的扭转角达到最大值θ_T。整体结构在高压驱动后的扭转变形方向与驱动气囊预扭转反向相反。

释放驱动气囊内部气体，恢复其内部气压后，弹性结构体的弹性变形恢复的同时扭转低刚度的驱动气囊，整体结构恢复初始状态。通过改变驱动气囊的初始扭转方向及扭转角度θ_T，可以实现具有不同扭转方向及不同最大扭转角的扭转变形单元。

弯曲变形单元的驱动气囊为圆心角为θ_B的弧形驱动气囊，增大内压后弧形驱动气囊带动弹性结构体产生弯曲变形，最终弯曲变形单元变形为圆心角为θ_B的弧形，通过调整弧形驱动气囊在弹性结构体内部的方向及初始圆心角θ_B以实现不同方向及不同最大弯曲角的弯曲变形。

具体为，如图5所示，为了实现弯曲变形模式的软体驱动器单元，需要制备一中心长度为L_A圆心角为θ_B的弧形驱动气囊。弧形驱动气囊无内压时为弧形条状，充气增大其内部气压后可以变为弧形圆柱体的形状，且驱动变形前后驱动气囊的中心线长度及圆心角几乎不变。

将上述弧形驱动气囊拉直并装到弹性结构体的内部，并用固定端固定两端。由于该弧形驱动气囊的刚度远小于弹性结构体的刚度，因此驱动气囊无内压时，弹性结构体无变形，整体结构无变形。充气增大驱动气囊的内压后，驱动气囊带动弹性结构体变为弧形圆柱体，整体结构发生弯曲变形。由于弹性结构体的变形约束，随着内压的增大，整体结构的弯曲角也逐渐增加。当驱动气囊内压足够大时，整体结构会变形为中心线对应圆心角为θ_B的弧形。

释放驱动气囊内部气体，恢复其内部气压后，弹性结构体的弹性变形恢复的同时弯曲低刚度的驱动气囊，整体结构恢复初始状态。通过设计圆弧形气囊的圆心角θ_B可以实现具有不同最大弯曲角的驱动单元。整体结构弯曲变形的方向与驱动气囊的变形方向一致，因此可以通过调整驱动气囊在弹性结构体内部的方向及初始圆心角θ_B实现整体结构不同方向及不同最大弯曲角的弯曲变形。

可以理解的是，在一个弹性结构体中至少可以放置一个驱动气囊，当放置一个驱动气囊时，弹性结构体可以实现一种固定模式的变形；当放置多个驱动气囊时，弹性结构体可以实现多种形式的变形，控制不同驱动气囊内的气压，可以实现整体结构不同方向及角度的弯曲及扭转变形，实现多功能软体驱动器单元。

如图6-8所示，本发明的模块化软体机械臂包括驱动臂、固定件和作业端。其中，固定件(图中未显示)设置在驱动臂的一端，通过固定件将驱动臂一端固定，例如，通过固定件将驱动臂的一端固定在墙体。作业端设置在驱动臂远离固定件的一端，利用驱动臂将作业端驱动至合适的位置，通过作业端实现机械臂的作业功能。其中，作业端可以为用于抓取物体的抓取端、用于焊接的焊枪、用于散热的风扇等功能模块，可以理解的是，作业端还可以为其他种类的功能模块。当作业端为用于抓取物体的抓取端时，可以将弯曲变形单元作为抓取端使用，在抓取物体时，驱动驱动臂到达指定位点，然后驱动抓取端的弯曲变形单元变形以抓取物体。抓取完成后，驱动驱动臂将抓取端移动至目标位置，并驱动弯曲变形单元释放抓取物。另外，可以理解的是，当组成驱动臂的软体驱动单元的弹性结构体内设置一个驱动气囊时，该驱动臂具有一种固定的变形模式；当组成驱动臂的软体驱动单元的弹性结构体内设置多个驱动气囊时，通过改变不同驱动气囊的内压以实现软体驱动单元的多模式驱动变形，使得驱动臂具有多种变形模式。如图6所示的机械臂的驱动臂由多个软体驱动单元连接组成，软体驱动单元的弹性结构体内设置多个驱动气囊，该驱动臂可以实现多种模式的变形。该驱动臂的驱动模式一和驱动模式二分别如图7和图8所示。可以理解的是，该驱动臂还可以有其他的驱动模式以适应不同的应用需求。

本发明的驱动臂由多个软体驱动单元组成，将多个软体驱动单元连接在一起，可以实现具有更多变形模式的软体机械臂，以适应更加复杂的工况。在驱动过程中，根据作业端的作业位点驱动驱动臂实现不同的变形。当驱动臂所包含的软体驱动单元足够多时，其末端可以到达周围几乎所有空间位置，从而实现在不同位置的作业。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述可以针对不同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种软体驱动单元，其特征在于，包括：

中空结构的弹性结构体；

设置在所述弹性结构体内的至少一个驱动气囊，所述驱动气囊的两端通过固定端与所述弹性结构体固定，通过改变所述驱动气囊的内压使其产生形变从而带动所述弹性结构体产生形变以实现软体驱动单元的驱动变形，具有一个所述驱动气囊的所述软体驱动单元分为伸长变形单元、扭转变形单元和弯曲变形单元，具有多个所述驱动气囊的所述软体驱动单元同时具备多种不同的变形模式。

2.如权利要求1所述的软体驱动单元，其特征在于，所述驱动气囊由杨氏模量在1GPa以上的塑料薄膜密封而成，所述驱动气囊的一端设置气管。

3.如权利要求1所述的软体驱动单元，其特征在于，所述弹性结构体为长条形状。

4.如权利要求1所述的软体驱动单元，其特征在于，所述弹性结构体为软质材料。

5.如权利要求1所述的软体驱动单元，其特征在于，所述固定端为刚性材质。

6.如权利要求1-5任一所述的软体驱动单元，其特征在于，所述伸长变形单元的驱动气囊为长度为L_A的长条形，增大内压后所述伸长变形单元的驱动气囊变为长度为L_A的圆柱体形，所述弹性结构体的长度记为L_S，其中，L_A>L_S，在增压过程中驱动气囊带动所述弹性结构体发生伸长变形，通过改变驱动气囊的长度使得所述伸长变形单元产生不同的伸长变形。

7.如权利要求1-5任一所述的软体驱动单元，其特征在于，所述扭转变形单元的驱动气囊为长条形，将所述扭转变形单元的驱动气囊扭转角度θ_T后至于弹性结构体内部，并用固定端固定，增大内压后驱动气囊倾向于变形至无扭转的圆柱形，驱动气囊在预制扭转变形恢复时带动弹性结构体发生形变，所述扭转变形单元的最大扭转角为θ_T，通过改变驱动气囊的初始扭转的方向及扭转角度θ_T以实现具有不同扭转方向及不同最大扭转角的扭转变形单元。

8.如权利要求1-5任一所述的软体驱动单元，其特征在于，所述弯曲变形单元的驱动气囊为圆心角为θ_B的弧形驱动气囊，增大内压后弧形驱动气囊带动弹性结构体产生弯曲变形，最终所述弯曲变形单元变形为圆心角为θ_B的弧形，通过调整弧形驱动气囊在弹性结构体内部的方向及初始圆心角θ_B以实现不同方向及不同最大弯曲角的弯曲变形。

9.一种模块化软体机械臂，其特征在于，包括：

驱动臂，所述驱动臂由1-8任一所述的多个软体驱动单元组成；

固定件，所述固定件设置在所述驱动臂的一端，通过所述固定件将所述驱动臂一端固定；

作业端，所述作业端设置在所述驱动臂远离所述固定件的一端，通过所述作业端实现机械臂的作业功能。

10.如权利要求9所述的模块化软体机械臂，其特征在于，根据作业端的作业位点驱动所述驱动臂的变形。