CN116587317A - 一种模块化的可重构气动软体机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种模块化的可重构气动软体机器人，涉及软体机器人技术领域。其包括：柔性外壳，所述柔性外壳内放置有气囊，所述气囊固定连接有T型尼龙垫圈，所述T型尼龙垫圈固定连接有第一柔性导管，所述第一柔性导管另一端固定连接有气动三通接头，所述气动三通接头其余接口固定连接有第二柔性导管，所述第二柔性导管另一端固定连接有相邻气动三通接头或气动控制器。与现有技术相比，本发明的模块化可重构气动软体机器人能够在非结构化环境中实现人机安全交互；在狭小空间和易变环境下作业具有不可比拟的优势；在复杂易碎品的仿生抓持和患者的医疗康复等领域有着巨大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及软体机器人技术领域，尤其涉及一种模块化的可重构气动软体机器人。
背景技术
人工智能是我国的国家发展战略之一，而机器人是人工智能的重要载体。随着科学技术的发展，机器人在人类社会中发挥着越来越重要的作用。但目前机器人面临的一项核心挑战是如何在非结构化环境下实现人机安全交互。
传统刚性机器人由离散的刚性构件通过运动副联结而成，再对运动副进行伺服控制以实现机器人在工作空间内的任意移动。然而这类通过电机驱动连杆和齿轮等刚性部件的机器人所获得成功应用的场景却非常有限，绝大部分都局限于工厂的结构化环境中，遵循固定指令执行重复动作。而在我们日常生活的不能够完全感知且无法精确建模的非结构化环境中，由于构成机器人本体的刚性材料不能随外界环境被动变形且自适应不足，一旦出现机械疲劳、传感器失效或环境突变等事先没有考虑到的意外情况时，若机器人依然按照机械预编程执行任务势必对机器人自身结构或周围环境造成破坏。
源自软体动物仿生的软体机器人技术的出现，为上述难题带来了全新的解决方案。软体机器人技术是一门集成了仿生学研究、柔性材料和智能控制的新兴学科。来源于自然界的仿生灵感再加上智能材料的不断突破，现如今软体机器人较少甚至完全不使用刚性材料。而是采用新型复合硅胶、水凝胶、形状记忆合金、电活性聚合物等智能材料作为本体。其驱动形式也不仅仅局限于电机液压等，一些形式多样、特性各异的新型智能驱动器为软体机器人提供了丰富的选择，也为软体机器人的各种特殊结构设计提供了可能性。软体机器人本体材料和自身驱动的特殊性使其拥有与生俱来的柔顺性与大变形能力，可高效安全地在非结构化环境中与自然界生物进行安全交互，有效弥补了传统刚性机器人在这方面的不足。从技术本身来看，软体机器人的柔性对传统刚性机器人技术是一种颠覆和冲击。软体机器人拥有着全新的机器形态，这种颠覆性原理级的创新为很多传统行业解决了“卡脖子”的技术难题，支持多个传统行业实现从手工生产到自动化生产的跨越式发展，将全球机器人技术应用推向更广阔场景,未来酝酿着无限可能。然而基于水凝胶的软体机器人应用环境容易受限，基于形状记忆合金的软体机器人控制相对困难，基于电活性聚合物的软体机器人加工相对困难。
鉴于上述原因，本发明提出一种模块化的可重构气动软体机器人，能够在非结构化环境中实现人机安全交互；在狭小空间和易变环境下作业具有不可比拟的优势；在复杂易碎品的仿生抓持和患者的医疗康复等领域有着巨大的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种模块化的可重构气动软体机器人，具有被动柔顺性、连续变形性、交互友好性等性质的软体机器人可以在非结构化环境中实现人机安全交互；并且软体机器人所拥有的这种自我重组功能使其末端执行器可以更加灵活便捷的到达三维作业空间的任意位置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种模块化的可重构气动软体机器人，包括：柔性外壳，所述柔性外壳内放置有气囊，所述气囊固定连接有T型尼龙垫圈，所述T型尼龙垫圈固定连接有第一柔性导管，所述第一柔性导管另一端固定连接有气动三通接头，所述气动三通接头另一接口固定连接有第二柔性导管，所述第二柔性导管另一端固定连接有相邻气动三通接头或气动控制器。
更进一步，所述柔性外壳为具有几何可变能力的空间立体结构，该空间立体结构由等厚度壁面及其内部空腔构成。第一柔性外壳俩相邻侧面及斜角处固定连接有第二、第三、第四柔性外壳，构成软体机器人本体的第一平面层，第一平面层上方固定连接有第二平面层，多个平面层的紧密交错连接共同组成软体机器人本体。
更进一步，所述气囊放置于柔性外壳内部的空腔中，作为软体机器人的驱动单元。气囊通过气动网络系统与气动控制器相连接，由所述气动控制器经气动网络系统实现全部气囊的充气或放气以完成软体机器人的驱动控制。
更进一步，全部所述第一柔性导管、全部所述气动三通接头、全部所述第二柔性导管共同组成气动网络系统。
更进一步，所述同一气动控制器经气动网络系统可固定连接不同数量且处于任意位置的气囊。同一气动控制器连接的一组气囊内部压强相等，压强相等的一组驱动单元可以由任意数量任意位置的气囊组成，从而实现软体机器人的可重构功能。
更加进一步，所述柔性外壳及气囊在固定位置有直径相等的圆形通孔。
更加进一步，所述柔性外壳的空腔中只放置一个气囊。
更加进一步，所述第一柔性外壳与第二、第三、第四柔性外壳以及第一平面层与第二平面层之间均通过软胶固定连接。
更加进一步，所述T型尼龙垫圈通过软胶与气囊固定连接。
更加进一步，所述气囊采用可灵活变形且柔软的薄膜制成。
更加进一步，所述柔性外壳采用可灵活变形且柔软的材料制成。
更加进一步，所述气动控制器包括依次连接的上位机、下位机以及空气比例阀。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，柔性外壳的设计使得常规柔性材料可以用于软体机器人的设计制造，且基于柔性材料的软体机器人具有良好的环境适应性和交互友好性，能够在非结构化环境中实现人机安全交互；在狭小空间和易变环境下作业具有不可比拟的优势；在复杂易碎品的仿生抓持和患者的医疗康复等领域有着巨大的应用前景。此外，通过气动网络系统驱动软体机器人可实现不同柔性外壳的不同变形。通过改变同一气动控制器经气动网络系统所连接的气囊数量或位置，最终实现了软体机器人本体的可重构功能。软体机器人在三维空间的连续变形能力得到进一步体现，使其末端执行器可以更加灵活便捷的到达三维作业空间的任意位置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
图1为本发明实施例1提供的一种模块化可重构气动软体机器人整体结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的柔性外壳、气囊、T型尼龙垫圈拆分和组装状态示意图；
图3为本发明实施例1提供的相邻平面层的拆分和组装状态示意图；
图4为本发明实施例1提供的气动网络系统的拆分和组装状态示意图；
图5为本发明实施例2提供的软体机器人驱动单元重构示意图；
图6为本发明实施例3提供的柔性外壳与T型尼龙垫圈拆分和组装状态示意图；
图7为本发明实施例1提供的软体机器人结构在三维空间中受力弯曲的示意图；其中7-a为三维空间中软体机器人结构示意图；7-b为所述软体机器人结构沿z轴伸长示意图；7-c为所述软体机器人结构在x-z平面中受力弯曲示意图；7-d为所述软体机器人结构在x-y平面中受力弯曲示意图；
上述附图中，1-柔性外壳，2-柔性外壳通孔，3-气囊，4-气囊通孔，5-T型尼龙垫圈，6-第一柔性导管，7-气动三通接头，8-第二柔性导管，9-气动网络系统，10-第一柔性外壳，11-第二柔性外壳，12-第三柔性外壳，13-第四柔性外壳，14-第一平面层，15-第二平面层；
具体实施方式
下面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实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
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一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供一种模块化的可重构气动软体机器人，如图1所示，其主要包括：柔性外壳1，气囊3(图1未示出)，第一柔性导管6，气动三通接头7，第二柔性导管8与气动控制器(图1未示出)；所述柔性外壳1内放置有气囊3，所述气囊固定连接有T型尼龙垫圈5，所述T型尼龙垫圈固定连接有第一柔性导管6，所述第一柔性导管另一端固定连接有气动三通接头7，所述气动三通接头其余接口固定连接有第二柔性导管8，所述第二柔性导管另一端固定连接有相邻气动三通接头或气动控制器。
如图2所示，所述柔性外壳1有圆形通孔2，所述气囊3有圆形通孔4。柔性外壳为具有几何可变能力的空间立体结构，其内部空腔放置有气囊3，外表面固定连接有T型尼龙垫圈5。
如图3所示，最小单元的第一柔性外壳10俩相邻侧面及斜角处固定连接有第二柔性外壳11、第三柔性外壳12、第四柔性外壳13构成软体机器人本体的第一平面层14，第一平面层上方固定连接有第二平面层15，多个平面层的紧密交错连接组成软体机器人本体。
如图4所示，全部所述第一柔性导管6、全部所述气动三通接头7、全部所述第二柔性导管8共同组成气动网络系统9。
如图5所示，所述同一气动控制器(图中未示出)经气动网络系统固定连接不同数量且处于任意位置的柔性外壳内部气囊，同一气动控制器控制的一组气囊内部压强相等，压强相等的一组驱动单元可以由任意数量任意位置的气囊组成，从而实现软体机器人的可重构功能。
所述同一气动控制器(图中未示出)固定连接有第二柔性导管8，第二柔性导管另一端固定连接有气动三通接头7，气动三通接头可通过第二柔性导管固定连接不同数量的相邻气动三通接头，不同数量的相邻气动三通接头可固定连接任意数量的第一柔性导管6，不同数量的第一柔性导管另一端可固定连接任意数量且处于任意位置的柔性外壳内部气囊3，同一气动控制器控制的一组气囊内部压强相等，也可认为压强相等的一组驱动单元可以由任意数量任意位置的气囊组成，从而实现软体机器人的可重构功能。
在一种具体实施方式中，所述柔性外壳使用可灵活变形且柔软的材料制成，例如硅胶、橡胶、PVC、TPU等。
在一种具体实施方式中，所述柔性外壳1的空腔中只放置一个气囊3。
在一种具体实施方式中，所述气囊使用可灵活变形且柔软的薄膜制成，例如PET薄膜、聚丙烯薄膜、聚乙烯薄膜等。
在一种具体实施方式中，柔性外壳1内部空腔中的气囊3均依次通过T型尼龙垫圈5、第一柔性导管6、气动三通接头7、第二柔性导管8与气动控制器相连。
在一种具体实施方式中，柔性外壳圆形通孔2、气囊圆形通孔4及T型尼龙垫圈直径相等且同轴安装。
在一种具体实施方式中，软体机器人本体内部的固定连接均为软胶连接。
在一种具体实施方式中，气动控制器包括依次连接的上位机、下位机及空气比例阀等，可通过常规方式实现。
在一种具体实施方式中，所述T型尼龙垫圈5、第一柔性导管6、气动三通接头7、第二柔性导管8均可通过常规渠道获得。
为了便于理解，下面结合具体示例进行说明。
实施例1
所述柔性外壳使用3D打印加工成型；具体过程为：先使用solidworks(或其他机械设计软件)对柔性外壳进行建模，在建模过程中控制壁厚、空腔以及圆形通孔大小为合适值。然后导出为stl格式并导入3D打印机，最后使用硅胶材料进行打印。
所述气囊使用聚乙烯高分子薄膜加工成型，边缘处用塑封机加热密封，圆形通孔使用冲孔器手工加工。
所述气动控制器使用空气压缩机、气源稳定器加空气比例阀的解决方案。
所述软体机器人使用的上位机是一个计算部件(通常为笔记本或工控机，满足cpuinteli3及以上，内存4G左右)即可。
所述软体机器人使用的下位机是arduinouno单片机。
如图7所示，为本发明实施例1提供的软体机器人在三维空间中的受力弯曲示意图；其中7-a为三维空间中软体机器人结构示意图；7-b为所述软体机器人结构沿z轴伸长示意图；7-c为所述软体机器人结构在x-z平面中受力弯曲示意图；7-d为所述软体机器人结构在x-y平面中受力弯曲示意图；
实施例2
如图5所示，本发明实施例提供一种模块化的可重构气动软体机器人，根据具体实施例1中的内容进行进一步扩充：
所述同一气动控制器固定连接有第二柔性导管8，第二柔性导管另一端固定连接有气动三通接头7，气动三通接头可通过第二柔性导管固定连接不同数量的相邻气动三通接头，不同数量的相邻气动三通接头可固定连接任意数量的第一柔性导管6，不同数量的第一柔性导管另一端可固定连接任意数量且处于任意位置的气囊3，同一气动控制器控制的一组气囊内部压强相等，也可认为压强相等的一组驱动单元可以由任意数量任意位置的气囊组成，从而实现软体机器人的可重构功能。
实施例3
如图6所示，本发明实施例提供一种模块化的可重构气动软体机器人，根据具体实施例1中的内容进行进一步扩充：
一种模块化的可重构气动软体机器人在所有驱动压强较小或柔性外壳材料密度以及壁厚均匀时(输入控制气压以后柔性外壳不会发生“鼓包”)可不使用气囊结构。
本发明实施例的上述方案中，柔性外壳的设计使得常规材料可以用于软体机器人的设计制造，且基于柔性材料的软体机器人能够在非结构化环境中实现人机安全交互。此外，通过驱动单元的可重构，实现整体结构的超高自由度运动，使得软体机器人在三维空间的连续变形能力得到充分体现。不同于现有的软体机器人设计，该软体机器人在狭小空间和易变环境下作业具有不可比拟的优势；在复杂易碎品的仿生抓持和患者的医疗康复等领域有着巨大的应用前景。此外，通过气动网络系统驱动软体机器人可实现不同柔性外壳的不同变形。通过改变同一气动控制器经气动网络系统所连接的气囊数量或位置，最终实现了软体机器人本体的可重构功能。软体机器人在三维空间的连续变形能力得到进一步体现，使其末端执行器可以更加灵活便捷的到达三维作业空间的任意位置。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种模块化的可重构气动软体机器人，其特征在于，包括：柔性外壳，所述柔性外壳内放置有气囊，所述气囊固定连接有T型尼龙垫圈，所述T型尼龙垫圈固定连接有第一柔性导管，所述第一柔性导管另一端固定连接有气动三通接头，所述气动三通接头其余接口固定连接有第二柔性导管，所述第二柔性导管另一端固定连接有相邻气动三通接头或气动控制器。
2.根据权利要求1所述的一种模块化可重构气动软体机器人，其特征在于，所述柔性外壳内部压强较小或柔性外壳材料密度以及壁厚均匀时(输入驱动气压以后柔性外壳不会发生“鼓包”)可不使用气囊结构。
3.根据权利要求1所述的一种模块化可重构气动软体机器人，其特征在于，所述柔性外壳为具有几何可变能力的空间立体结构，该空间立体结构由等厚度壁面及其内部空腔构成；第一柔性外壳俩相邻侧面及斜角处固定连接有第二、第三、第四柔性外壳，构成软体机器人本体的第一平面层，第一平面层上方固定连接有第二平面层，多个平面层的紧密交错连接共同组成软体机器人本体。
4.根据权利要求1所述的一种模块化可重构气动软体机器人，其特征在于，所述气囊放置于柔性外壳内部的空腔中，作为软体机器人的驱动单元，气囊通过气动网络系统与气动控制器相连接，由所述气动控制器经气动网络系统实现全部气囊的充气或放气以完成软体机器人的驱动控制。
5.根据权利要求4所述的一种模块化可重构气动软体机器人，其特征在于，全部所述第一柔性导管、全部所述气动三通接头、全部所述第二柔性导管共同组成气动网络系统。
6.根据权利要求4、5所述的一种模块化可重构气动软体机器人，其特征在于，所述同一气动控制器经气动网络系统可固定连接不同数量且处于任意位置的气囊，同一气动控制器连接的一组气囊内部压强相等，压强相等的一组驱动单元可以由任意数量任意位置的气囊组成，从而实现软体机器人的可重构功能。
7.根据权利要求1所述的一种模块化可重构气动软体机器人，其特征在于，所述柔性外壳及气囊在固定位置有直径相等的圆形通孔。
8.根据权利要求1所述的一种模块化可重构气动软体机器人，其特征在于，所述T型尼龙垫圈通过软胶与气囊固定连接。
9.根据权利要求3所述的一种模块化可重构气动软体机器人，其特征在于，所述第一柔性外壳与第二、第三、第四柔性外壳以及第一与第二平面层之间均通过软胶固定连接。
10.根据权利要求1所述的一种模块化可重构气动软体机器人，其特征在于，所述气囊与所述柔性外壳均采用可灵活变形且柔软的材料制成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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