CN118081826A - 一种基于外附关节变形的空间自生长软体机器人 - Google Patents

Abstract

一种基于外附关节变形的空间自生长软体机器人，属于机器人领域。为了解决现有的软体机器人弯折精度差、弯折力矩大、重心存在偏载以及快速生长的问题。本发明包括机器人本体、外附关节和尖端自生长机构；所述的外附关节套装在机器人本体上，所述的尖端自生长机构安装在机器人本体的尖端；机器人通过尖端自生长机构实现机器人本体的生长，并且通过外附关节可以驱动机器人实现空间三维变形，以适应工作环境的要求。本发明主要用于空间站的日常维护工作。

Description

一种基于外附关节变形的空间自生长软体机器人

技术领域

本发明属于机器人领域，涉及一种软体机器人，尤其涉及一种基于外附关节变形的空间自生长软体机器人。

背景技术

空间站内舱室设备仪器众多，管路纵横，形成许多狭小非结构化空间，宇航员难以通过身体甚至手臂进入这些空间中完成空间站的日常维护工作。空间机器人有利于帮助宇航员进入狭小空间中完成一些复杂操作，其中自生长软体机器人以其工作空间拓展性和环境适应性得到了广泛关注。其中生长以及变形能力是自生长软体机器人需要克服的重要问题。

现有的自生长软体机器人一般采用尖端外翻的方式实现尖端自生长，例如公开号CN114872082A公开的“一种自生长软体机器人及其硬化方法”，具体公开了密封盒体、储存卷筒和双层主体，双层主体由外层主体和内层主体构成，所述外层主体和内层主体之间设置有叠加支撑层，叠加层受压力叠加增加双层主体的刚性；所述双层主体内翻后收纳在储存卷筒上，双层主体固定连接在密封盒体上，密封盒体充气后气压驱动双层主体尖端外翻而生长。虽然此种结构可以实现尖端的自生长，但是仍然存在以下两个问题：一是，软体机器人的生长是由内翻到机械臂内部的部分伸出实现的，在自生长过程中，向机器人内充气，内翻部分产生外翻的动作，在机器人处于较大弯折角的状态下，内翻部分在经过机器人关节位置处时容易产生摩擦，不利于软体机器人通过外翻实现自生长；二是，一般机器人的操作工具是安装在机械臂的尖端的，通过调整机械臂的姿态改变尖端操作工具的位置，但是在上述方案中，随着尖端的自生长或者回缩，显然机械臂尖端的操作工具也需要随着尖端的生长或者回缩改变与机械臂本体连接处的相对位置，这就需要操作工具与软体机器人之间不能是固定连接，而只能是滑动连接，故无法保证操作工具与软体机器人连接的稳定性，且操作工具随着尖端的生长或者回缩产生的滑动运动需要更加复杂的操作。

虽然还可以通过软体机器人末端的收放机构实现机械臂长度的调整，例如公开号CN114084384A公开的“一种可大范围长距离作业的卷绕式充气伸缩臂”，具体公开了充气臂一端缠绕在收展装置上，收展装置实现充气臂的卷绕折叠及充气展开，充气臂另一端通过扩展端头，用于与不同核心舱末端执行机构进行连接，完成空间各项任务，收展装置内部安装有充气系统及抽气系统。虽然实现了机械臂长度的改变，但是仍然存在以下两个问题：一是，由于操作工具是安装在软体机器人尖端的，在确保目标位置的情况下，需要不断的调整机器人的长度、关节转向角度和弯折角度；如果将收展装置/机械臂伸长机构放置在末端，当外附关节姿态调整完成后，再进一步调整机器人长度的话，机器人上所有外附关节相对于目标的位置和姿态均发生改变，故每一个外附关节的姿态需要重新解算和调整，整体过程操作复杂，解算量比较大。二是，上述方案将充气系统及抽气系统安装在收展装置的内部，使得收展装置结构更加复杂。

另外，软体机器人的变形一般是通过关节实现，为了增加关节的自由度，公开号CN115781752B公开了“一种应用于软体机械臂的三自由度驱动关节”，具体公开了被动旋转基座和被动弯折基座同轴依次安装在支撑外壳的顶端，传动齿轮副和被动移动挤压副安装在支撑外壳内；主动驱动副安装在被动弯折基座上，主动驱动副的输出端与传动齿轮副的输入端连接，传动齿轮副的输出端与被动移动挤压副的输入端连接；换挡调节机构中的调节套筒套在传动齿轮副上，调节套筒由上至下移动过程中，在主动驱动副的驱动下和三组锁紧副的配合下可实现驱动关节在机械臂上的上下移动、机械臂的径向弯折和机械臂弯折方向的改变。虽然此关节具有三个自由度，但是仍然存在很多不足：

一是，同一时刻只能实现一个自由度的运动，难以实现多自由度复合运动。

二是，对软体机器人弯折处没有束缚并形成截面较小的弯折节点；导致软体机器人弯折时，关节机构对于机器人本体的约束不足，机器人弯折的精度差；另外由于软体机器人弯折节点的截面相对较大，局部刚度较大，增加了关节弯折时所需的扭矩。

三是，由于驱动关节仅具有一个弯折节点，弯折角度较大时（大于90°），机器人本体弯折处容易产生褶皱，阻碍关节处更大角度的弯折，增加了电机输出的负载。

四是，由于驱动关节的电机安装在弯折连杆上，与切换驱动电机非中心对称布置，电机重心偏载。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供一种基于外附关节变形的空间自生长软体机器人，以适应空间站中狭小环境的作业需求，该机器人主要由机器人本体、尖端自生长机构以及外附关节三部分组成，该机器人通过尖端自生长机构实现机器人本体的生长，并且通过外附关节可以驱动机器人实现空间三维变形，以适应工作环境的要求。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种基于外附关节变形的空间自生长软体机器人，包括机器人本体、外附关节和尖端自生长机构；所述的外附关节套装在机器人本体上，所述的尖端自生长机构安装在机器人本体的尖端；

所述的外附关节包括中间驱动机构、两个支撑座、两个弯折转向输出单元和两个制动单元；两个所述的支撑座对称布置在中间驱动机构径向的两侧，每个支撑座均与中间驱动机构的外壳转动连接，并绕中间驱动机构的中轴线旋转；所述的中间驱动机构包括安装座、动力输出部、动力传输部一、动力传输部二和爬行单元，所述安装座的中心位置具有贯穿于上下表面的中心安装口，所述的动力输出部和爬行单元的动力输出端安装在安装座内，所述爬行单元的动力执行端安装在中心安装口内；所述的动力传输部一和动力传输部二布置在安装座外，其中动力传输部一同轴安装在安装座的顶端，并与安装座为转动连接；所述的动力传输部二转动连接在其中一个支撑座上并与动力传输部一形成传动关系；两个所述的弯折转向输出单元对称布置在中间驱动机构轴向的两侧，每个弯折转向输出单元均与两个支撑座转动连接，且两个所述的弯折转向输出单元之间形成传动关系；所述中间驱动机构的动力传输部二与靠近动力传输部一的弯折转向输出单元固定连接，在动力输出部的驱动下以及两个弯折转向输出单元的传动关系下实现了两个弯折转向输出单元的同步反向摆动；两个所述的制动单元对称布置在中间驱动机构轴向的两侧，其中处于中间驱动机构上方的制动单元通电并将支撑座和中间驱动机构中的动力传输部一连接为一体，以实现软体机器人的转向，将处于上方的制动单元称为转向制动单元；处于中间驱动机构下方的制动单元通电并将支撑座和中间驱动机构连接为一体，以实现软体机器人的弯折，将处于下方的制动单元称为弯折制动单元；

所述的外附关节通过两个弯折转向输出单元和中间驱动机构的爬行单元套在机器人本体上，并通过爬行单元与机器人本体形成固定关系，保证中间驱动机构与机器人本体在转向、弯折和爬行运动模式下不会产生相对旋转运动。

进一步的，所述的动力输出部包括转向弯折电机和输出锥齿轮，所述转向弯折电机的旋转扭矩传递给输出锥齿轮；所述的动力传输部一为具有不完全上锥齿和完全下锥齿的环形锥齿轮，所述的输出锥齿轮部分伸出安装座，并与环形锥齿轮的完全下锥齿相啮合；所述的动力传输部二为锥齿轮，并与环形锥齿轮的不完全上锥齿相啮合。

进一步的，所述的爬行单元包括爬行电机、主动轮二、从动齿轮一、从动齿轮二和两个摩擦辊轮，所述的爬行电机和主动轮二安装在安装座内，爬行电机的输出轴与主动轮二固连，两个所述的摩擦辊轮作为爬行单元的动力执行端并排转动安装在中心安装口内，并对机器人本体产生径向挤压；所述的从动齿轮一和从动齿轮二分别与两个摩擦辊轮（1-5-5）固连，且处于两个摩擦辊轮的同一端，主动轮二与从动齿轮一相啮合，从动齿轮一与从动齿轮二相啮合。

进一步的，所述的爬行单元还包括两个并排且间隔设置的被动辊轮，两个所述的被动辊轮转动连接在中心安装口内，并处于两个摩擦辊轮之间，被动辊轮与摩擦辊轮围合出一个长方形的夹持区，机器人本体处于夹持区内。

进一步的，每个弯折转向输出单元包括一个引导环一和两根连杆；所述的引导环一套在机器人本体上；两根连杆对称布置在引导环一的左右两侧，并与两个支撑座一一对应设置；每根连杆的一端与引导环一对应的端部固定连接，每根连杆的另一端布置有一个扇形齿轮，所述的扇形齿轮通过销轴转动连接在对应的支撑座上；其中布置在同一个支撑座上的两个扇形齿轮啮合在一起，从而使得两个弯折转向输出单元之间通过扇形齿轮产生传动关系。

进一步的，每个支撑座上且处于两个扇形齿轮之间的位置处设置有两个相互啮合的传动齿轮，每个传动齿轮与其临近的扇形齿轮相互啮合。

进一步的，所述中间驱动机构轴向的两端分别布置有一个束型单元，所述的束型单元为环状结构，并套在机器人本体上；每个束型单元具有连接端和束型端；每个束型单元通过连接端与中间驱动机构的安装座固定连接；每个束型单元的束型端具有圆环形束型面，所述圆环形束型面的内径小于机器人本体的外径尺寸；且束型端的径向中分面与左右两侧相对应的扇形齿轮的铰接点的连线处于同一平面上。

进一步的，所述的制动单元为电磁离合器，所述的电磁离合器包括电磁发射端和吸合衔铁；其中转向制动单元中的电磁发射端连接在其中一个支撑座的顶端，转向制动单元中的吸合衔铁固定连接在中间驱动机构中的动力传输部一上；弯折制动单元中的电磁发射端连接在其中一个支撑座的底端，弯折制动单元中的吸合衔铁与中间驱动机构的安装座固连；所述电磁发射端与吸合衔铁距离能够调节。

进一步的，所述的尖端自生长机构包括尖端安装座、自缠绕卷轴、挤压驱动组件和引导环二；所述的自缠绕卷轴和挤压驱动组件安装在尖端安装座内，所述的引导环二固定安装在尖端安装座的前端面上；所述机器人本体的尖端依次穿过引导环二和挤压驱动组件并缠绕在自缠绕卷轴上，所述的机器人本体通过挤压驱动组件实现自生长和回缩；

所述的挤压驱动组件包括驱动电机、主动辊和被动辊；所述的驱动电机固定安装在尖端安装座内，并用于驱动主动辊的旋转；所述的主动辊和被动辊并排且转动安装在尖端安装座内，且主动辊与被动辊之间的轴间距能够调节；所述的主动辊和被动辊对机器人本体进行径向夹持。

进一步的，所述的自缠绕卷轴包括卷轴、恒拉力弹簧片和弹簧存储轴；所述的卷轴转动安装在尖端安装座内的两侧侧壁处，卷轴的一端伸出尖端安装座的一侧侧壁，所述的弹簧存储轴转动安装在尖端安装座外的侧壁处，并与卷轴的伸出端处于同一侧，其中卷轴与弹簧存储轴平行布置；所述恒拉力弹簧片的一端固定并缠绕在弹簧存储轴上，恒拉力弹簧片的另一端反向缠绕并固定在卷轴的伸出端上，同时对卷轴具有恒拉力。

本发明与现有技术相比产生的有益效果是：

1、本申请的外附关节为对称式结构，整体结构更加简单紧凑，防止外附关节出现偏载问题；且本申请利用两个电机驱动三种模式运动，由于爬行运动模式是由一个电机单独驱动实现，转向运动模式和弯折运动模式是由一个电机驱动实现，且爬行运动模式与转向和弯折运动模式不会产生干涉，故本申请的外附关节能够同时实现两自由度的复合运动。

2、本申请的中间驱动机构布置在外附关节的中间位置，并将动力输出部以及传动元件固定在外附关节的内部，可以有效保护传动元件。同时，中间驱动机构为一个多功能的集成元件，不仅是外附关节沿机器人本体轴线方向爬行的驱动元件，同时在两个制动单元的配合下还是外附关节实现转向与弯折功能的动力输出源，简化了驱动元件的复杂结构。

3、在机器人本体弯折过程中，本申请的两个弯折转向输出单元同时对机器人本体产生作用力，二者弯折角度的加和为机器人本体整体弯折的角度，不仅提高了机器人实现弯折运动的速率，还可以实现机器人大角度的弯折。

4、本申请的爬行单元围合出一个长方形的夹持区，机器人本体处于夹持区的部分受到径向挤压并呈现长方形状态，在机器人本体仅设置有一个弯折节点的情况下，机器人本体处于长方形夹持区的部分可以作为弯折节点，当机器人本体进行弯折运动时，可以选择弯折节点的长度方向与y轴方向相同，此时弯折节点直径的收缩有利于降低局部刚度，降低外附关节弯折所需的扭矩。另外，由于爬行单元与机器人本体之间为夹持作用，在爬行电机处于关闭/待机的状态下，爬行单元与机器人本体之间形成固定关系，从而使得中间驱动机构与机器人本体之间形成固定关系，在机器人本体做转向运动时，可以避免中间驱动机构受自身的反向作用力而使得爬行单元与机器人本体之间产生转向，进而保证了机器人本体转向的精度。

5、本申请通过两个弯折转向输出单元中传动组件的设计以及两个束型单元的设计增加了弯折节点的数量，且更加有利于创造机器人本体的弯折节点，使得机器人本体的弯折中心与外附关节的弯折中心等高，提高机器人本体弯折的精度，且不会在单一的弯折节点处产生较多的褶皱，影响软体机器人弯折角度的最大化。另外，由于束型单元的束形面为圆环形，且束形面的内径小于机器人本体的外径尺寸，故机器人本体的弯折节点处于均匀的收缩状态，降低了机器人本体弯折节点的局部刚度，进而降低外附关节弯折所需的扭矩，同时利用了圆周的同向性，使得软体机器人在进行弯折运动时，无论向哪一侧弯折输出的扭矩均相同。

6、由于本申请的制动单元为电磁离合器，且电磁离合器中的电磁发射端与吸合衔铁之间为分离式设计，在电磁离合器断电时，电磁发射端与吸合衔铁之间留有微小间隙，以保证电磁发射端与吸合衔铁可以相对转动；由于电磁离合器的制动效果是通过电磁对衔铁产生吸合力实现的，电磁发射端与吸合衔铁的距离越小制动效果越好，在电磁离合器通电时，通过橡胶垫片的弹性变形可调整电磁发射端和吸合衔铁之间的距离，使电磁发射端和吸合衔铁贴合，进而增加制动效果。

7、在确保目标位置的情况下，本申请将软体机器人的生长布置在尖端，机器人尖端的生长过程不会影响机器人其他部位（靠近末端和中间段等）的姿态，只需要改变靠近尖端的外附关节的弯折角度或者转向角度即可，其他部位的外附关节无需做出调整，可以简化关节部位的操作过程和尖端达到目标位置的解算过程，保证机器人尖端达到目标位置的精度。

8、本申请中的挤压驱动组件是机器人本体伸长或者回缩的动力源，同时在回缩时也将机器人本体中的气体尽量挤压出去，减小尖端薄管材料缠绕在自缠绕卷轴上的存储体积，和避免尖端自生长机构内的薄管由于内部充气导致体积较大，在缠绕或者释放过程产生卡死现象。

9、由于主动辊和被动辊的挤压，使得二者间隙处的薄管形状突变，刚度降低极易发生随机弯折，本申请通过引导环二避开低刚度区域，使新生长的充气式薄管的轴线方向与尖端自生长机构平行。

10、恒拉力弹簧片的设计，使多余的薄管承受拉力而张紧，能够在无驱动情况下使多余的薄管卷在卷轴上，减少尖端薄管材料的存储体积，同时薄管张紧有利于尖端自生长机构释放薄管材料，防止薄管折叠进入主动辊与被动辊的间隙之间而卡死，且尖端自生长机构可以为后续尖端负载提供安装平台，保证尖端负载连接的稳定性，和避免了尖端负载与机器人本体的相对移动所带来的复杂性运动。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解。

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为外附关节的主视图。

图3为外附关节的剖视图。

图4为外附关节的轴测图。

图5为中间驱动机构的结构示意图。

图6为中间驱动机构、支撑座和制动单元的布置关系示意图。

图7为束型单元和爬行单元与机器人本体之间布置关系轴测图。

图8为束型单元和爬行单元与机器人本体之间布置关系主视图。

图9为外附关节的转向示意图。

图10为外附关节弯折前的状态示意图。

图11为外附关节弯折后的状态示意图。

图12为尖端自生长机构的结构示意图。

图13为尖端自生长机构的内部结构示意图。

图14为尖端自生长机构的内部传动示意图。

图15为尖端安装座侧壁的结构示意图。

图16为恒拉力弹簧片的结构示意图。

附图标记说明：1-中间驱动机构；1-1-安装座；1-1-1-上环形座；1-1-2-下环形座；1-1-3-中心安装口；1-1-4-左安装腔；1-1-5-右安装腔；1-1-6-环形安装槽；1-2-动力输出部；1-2-1-转向弯折电机；1-2-2-主动轮一；1-2-3-传动轮一；1-2-4-传动轮二；1-2-5-输出锥齿轮；1-3-动力传输部一；1-3-1-不完全上锥齿；1-3-2-完全下锥齿；1-4-动力传输部二；1-6-中间支撑座；1-5-爬行单元；1-5-1-爬行电机；1-5-2-主动轮二；1-5-3-从动齿轮一；1-5-4-从动齿轮二；1-5-5-摩擦辊轮；1-5-6-被动辊轮；2-束型单元；2-1-滚轮支撑座；2-2-滚轮；3-支撑座；4-弯折转向输出单元；4-1-引导环一；4-2-连杆；4-2-1-扇形齿轮；4-3-传动齿轮；5-制动单元；5-1-电磁发射端；5-2-吸合衔铁；5-3-制动器固定座；5-4-橡胶垫片；7-尖端安装座；7-1-滑动窗口；7-2-连接横梁；7-3-滑块；7-4-调节组件；7-4-1-导向柱；7-4-2-调节螺栓；8-自缠绕卷轴；8-1-卷轴；8-2-恒拉力弹簧片；8-3-弹簧存储轴；8-4-轴盖；9-挤压驱动组件；9-1-驱动电机；9-2-主动轮三；9-3-从动轮；9-4-主动辊；9-5-被动辊；10-引导环二；11-旋转环；100-机器人本体；200-外附关节；300-尖端自生长机构。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

参见图1至图11，本实施例提供一种应用于软体机器人的外附关节，所述的外附关节包括中间驱动机构1、两个支撑座3、两个弯折转向输出单元4和两个制动单元5；

两个所述的支撑座3对称布置在中间驱动机构1径向的两侧，每个支撑座3均与中间驱动机构1的外壳转动连接，并绕中间驱动机构1的中轴线旋转；为了更加方便清楚的描述支撑座3与其他部件的安装关系，以图3中两个支撑座3布置的方位对二者进行划分，其中处于左侧的支撑座3称为左支撑座，处于右侧的支撑座3称为右支撑座；

所述的中间驱动机构1包括安装座1-1、动力输出部1-2、动力传输部一1-3、动力传输部二1-4、爬行单元1-5和中间支撑座1-6，这里所述的安装座1-1即为中间驱动机构1的外壳，所述的动力输出部1-2和爬行单元1-5通过中间支撑座1-6连接为一体，并布置在安装座1-1内，所述的动力传输部一1-3和动力传输部二1-4布置在安装座1-1外，其中动力传输部一1-3同轴安装在安装座1-1的顶端，并与安装座1-1为转动连接，动力传输部一1-3在动力输出部1-2的驱动下绕安装座1-1的中轴线旋转；所述的动力传输部二1-4转动连接在其中一个支撑座3上且靠近端部的位置，具体连接在右支撑座的顶端，动力传输部二1-4与动力传输部一1-3形成传动关系；

两个所述的弯折转向输出单元4对称布置在中间驱动机构1轴向的两侧，为了更加方便清楚的描述两个弯折转向输出单元4与其他部件的连接关系，以图3中两个弯折转向输出单元4布置的方位对二者进行划分，其中处于上方的弯折转向输出单元4称为上弯折转向输出单元，处于下方的弯折转向输出单元4称为下弯折转向输出单元；每个弯折转向输出单元4均与两个支撑座3为转动连接，且两个所述的弯折转向输出单元4之间形成传动关系；所述中间驱动机构1的动力传输部二1-4与靠近动力传输部一1-3的弯折转向输出单元4固定连接，即连接在上弯折转向输出单元上，在动力输出部1-2的驱动下以及两个弯折转向输出单元4的传动关系下以实现两个弯折转向输出单元4的同步反向摆动；

两个所述的制动单元5对称布置在中间驱动机构1轴向的两侧，其中处于中间驱动机构1上方的制动单元5通电并将支撑座3和中间驱动机构1中的动力传输部一1-3连接为一体，以实现支撑座3相对机器人本体100的转向；处于中间驱动机构1下方的制动单元5通电并将支撑座3和中间驱动机构1连接为一体，以实现机器人本体100的弯折；为了更好的区分两个制动单元5，将处于上方的制动单元5称为转向制动单元，处于下方的制动单元5称为弯折制动单元。

为了更好的说明外附关节的运动方位，本实施例中，以中间驱动机构1为中心建立三维坐标系，其中两个支撑座3的连线方向与y轴方向相同，中间驱动机构1的轴线方向与z轴方向相同，垂直于两个支撑座3连线的方向为x轴方向。

需要说明的是，本实施例中软体机器人的机器人本体100为柔性的、具有一定长度且可多方位变形的薄管结构，优选为多层气体阻隔薄膜制成的充气式薄管。所述的外附关节为环状结构，并套装在充气式薄管上，外附关节设置的个数可以根据需要进行调整。

本实施例中，所述的外附关节为对称式结构，且整体结构更加简单、紧凑，防止外附关节出现偏载问题；同时在机器人本体100弯折过程中，两个弯折转向输出单元4同时对机器人本体100产生作用力，二者弯折角度的加和为机器人本体100整体弯折的角度，不仅提高了机器人实现弯折运动的速率，还可以实现机器人大角度的弯折。

本实施例中，所述的中间驱动机构1布置在外附关节的中间位置，并将动力输出部1-2以及传动元件固定在外附关节的内部，可以有效保护传动元件。同时，所述的中间驱动机构1为一个多功能的集成元件，不仅是外附关节沿机器人本体100轴线方向爬行的驱动元件，同时在两个制动单元5的配合下还是外附关节实现转向与弯折功能的动力输出源，简化了驱动元件的复杂结构。

本实施例在具体实施中，机器人本体100在外附关节的作用下实现三种运动模式的过程如下：

爬行运动：爬行单元1-5附着在机器人本体100上，爬行单元1-5在运转下沿着机器人本体100的轴线方向进行移动，实现了外附关节在机器人本体100上位置的改变。

弯折运动：如图9所示，由于中间驱动机构1的安装座1-1与两个支撑座3之间为转动连接的关系，转向制动单元不工作，弯折制动单元对中间驱动机构1中的安装座1-1产生制动，使得中间驱动机构1与两个支撑座3之间间接形成固定连接的关系，中间驱动机构1的动力输出部1-2输出旋转的扭矩，并通过动力传输部一1-3传输给动力传输部二1-4，由于动力传输部二1-4与支撑座3为转动连接，且与上弯折转向输出单元为固定连接，故动力传输部二1-4带动上弯折转向输出单元绕y轴摆动，上弯折转向输出单元带动下弯折转向输出单元4向反方向同时摆动，两个弯折转向输出单元4带动机器人本体100以弯折节点为轴向一侧摆动，实现了机器人本体100的弯折运动。

转向运动：如图10和图11所示，由于动力传输部一1-3与两个支撑座3之间为转动连接的关系，转向制动单元对动力传输部一1-3产生制动，使得动力传输部一1-3与支撑座3之间间接形成固定连接的关系，而弯折制动单元与中间驱动机构1解除制动关系，两个支撑座3可以相对于中间驱动机构1旋转；中间驱动机构1的动力输出部1-2输出旋转的扭矩，动力传输部一1-3绕z轴旋转，同时动力传输部一1-3通过转向制动单元带动支撑座3和两个弯折转向输出单元4绕z轴旋转，实现了机器人本体100的转向运动；需要强调的是，由于动力传输部二1-4是安装在支撑座3上，所以动力传输部二1-4与动力传输部一1-3产生同步的旋转运动，且二者之间相对而言是处于静止的，不发生传动效果。

本实施例利用两个电机驱动三种模式运动，由于爬行运动模式是由一个电机单独驱动实现，转向运动模式和弯折运动模式是由一个电机驱动实现，且爬行运动模式与转向和弯折运动模式不会产生干涉，故本实施例的外附关节能够还可以同时实现两自由度的复合运动。

优选地，为了实现动力输出部1-2、动力传输部一1-3和爬行单元1-5的支撑，如图3所示，本实施例中所述的安装座1-1包括上环形座1-1-1和下环形座1-1-2，所述的上环形座1-1-1和下环形座1-1-2上下同轴布置并在中心位置形成贯穿于上下表面的中心安装口1-1-3，且在中心安装口1-1-3的左右两侧分别形成一个左安装腔1-1-4和一个右安装腔1-1-5；同时在上环形座1-1-1和下环形座1-1-2的外圆周壁处形成一个环形安装槽1-1-6；所述爬行单元1-5的动力执行端安装在中心安装口1-1-3内。

本实施例中，所述爬行单元1-5的动力执行端安装在中心安装口1-1-3内，与穿过中心安装口1-1-3的机器人本体100之间产生作用力，动力执行端在运转过程中，实现爬行动作。

其中，为了实现两个支撑座3与安装座1-1的转动连接，本实施例中两个所述的支撑座3通过一个旋转环11进行连接，即两个所述的支撑座3对称设置在旋转环11的两侧，并分别与旋转环11的外圆周壁固定连接；所述的旋转环11同轴套在安装座1-1上，并被夹持在环形安装槽1-1-6内，旋转环11与环形安装槽1-1-6为转动连接，且旋转环11在Z轴方向上被上环形座1-1-1和下环形座1-1-2约束。

本实施例中，所述的旋转环11相当于轴承，可以实现支撑座3与中间驱动机构1之间的旋转运动，以进一步实现外附关节相对机器人本体100的转向运动。

优选地，如图4、图5、图6所示，所述的动力输出部1-2、动力传输部一1-3和动力传输部二1-4为齿轮传动结构；具体的，所述的动力输出部1-2包括转向弯折电机1-2-1和输出锥齿轮1-2-5，所述的转向弯折电机1-2-1安装在右安装腔1-1-5内，转向弯折电机1-2-1的旋转扭矩传递给输出锥齿轮1-2-5；所述的动力传输部一1-3为具有不完全上锥齿1-3-1和完全下锥齿1-3-2的环形锥齿轮，所述的输出锥齿轮1-2-5部分伸出上环形座1-1-1，并与环形锥齿轮的完全下锥齿1-3-2相啮合，以实现传动关系；所述的动力传输部二1-4为锥齿轮，并与环形锥齿轮的不完全上锥齿1-3-1相啮合，以实现传动关系。

本实施例中，为了实现减速效果，本实施例中所述的动力输出部1-2还包括传动齿轮系，具体包括主动轮一1-2-2、传动轮一1-2-3和传动轮二1-2-4，转向弯折电机1-2-1的输出轴与主动轮一1-2-2连接，主动轮一1-2-2与传动轮一1-2-3相啮合，传动轮一1-2-3与传动轮二1-2-4相啮合，传动轮二1-2-4与输出锥齿轮1-2-5同轴固连并同步旋转；其中，所述的传动轮二1-2-4和输出锥齿轮1-2-5的外径尺寸大于主动轮一1-2-2和传动轮一1-2-3的外径尺寸，进而实现减速效果。

本实施例中，所述的主动轮一1-2-2、传动轮一1-2-3、传动轮二1-2-4和输出锥齿轮1-2-5构成传动齿轮系，将转向弯折电机1-2-1的旋转扭矩传递给环形锥齿轮，再由环形锥齿轮传递给锥齿轮或两个支撑座3，进而实现机器人本体100的弯折或者转向。

优选地，为了实现爬行功能，如图5所示，本实施例中所述的爬行单元1-5包括爬行电机1-5-1、主动轮二1-5-2、从动齿轮一1-5-3、从动齿轮二1-5-4和两个摩擦辊轮1-5-5，所述的爬行电机1-5-1安装在左安装腔1-1-4内，爬行电机1-5-1的输出轴与主动轮二1-5-2固连，两个所述的摩擦辊轮1-5-5作为爬行单元1-5的动力执行端并排安装在中心安装口1-1-3内，并对机器人本体100产生径向挤压；每个摩擦辊轮1-5-5与中间支撑座1-6转动连接，其中摩擦辊轮1-5-5的轴线方向与x轴方向相同；所述的从动齿轮一1-5-3和从动齿轮二1-5-4分别与两个摩擦辊轮1-5-5固连，且处于两个摩擦辊轮1-5-5的同一端，主动轮二1-5-2与从动齿轮一1-5-3相啮合，以实现传动关系；从动齿轮一1-5-3与从动齿轮二1-5-4相啮合，以实现传动关系。

本实施例中，所述的机器人本体100穿过两个摩擦辊轮1-5-5并受到径向挤压，机器人本体100的外壁与两个摩擦辊轮1-5-5之间形成正压力；在具体实施中，爬行电机1-5-1转动时，爬行电机1-5-1的输出轴带动主动轮二1-5-2转动，主动轮二1-5-2带动从动齿轮一1-5-3转动，从动齿轮一1-5-3带动从动齿轮二1-5-4反向转动，进而实现两个摩擦辊轮1-5-5的反向转动，两个摩擦辊轮1-5-5与机器人本体100的外壁之间产生同向的滚动摩擦力，摩擦辊轮1-5-5依靠摩擦力沿着机器人本体100的轴线方向移动，进而实现外附关节在机器人本体100上位置的改变。

本实施例中，为了增加摩擦辊轮1-5-5与机器人本体100之间的摩擦力，所述的摩擦辊轮1-5-5外可以溅射摩擦涂层。

其中，为了避免机器人本体100的外壁与齿轮系和安装座之间的干涉，如图5所示，本实施例中所述的爬行单元1-5还包括两个并排且间隔设置的被动辊轮1-5-6，两个所述的被动辊轮1-5-6转动连接在中间支撑座1-6上，并处于两个摩擦辊轮1-5-5之间，被动辊轮1-5-6与摩擦辊轮1-5-5围合出一个长方形的夹持区。

本实施例中，两个被动辊轮1-5-6的设计可有效约束机器人本体100由于摩擦辊轮1-5-5的挤压而产生的径向形变，避免径向变形过大，使得机器人本体100与安装座1-1的内壁和齿轮系产生较大摩擦，影响外附关节的爬行运动和机器人本体100的使用寿命。本实施例中，两个所述的被动辊轮1-5-6和摩擦辊轮1-5-5围合出一个长方形的夹持区，机器人本体100处于夹持区的部分受到径向挤压并呈现长方形状态，在机器人本体100仅设置有一个弯折节点的情况下，机器人本体100处于长方形夹持区的部分可以作为弯折节点，当机器人本体100进行弯折运动时，可以选择弯折节点的长度方向与y轴方向相同，此时弯折节点直径的收缩有利于降低局部刚度，降低外附关节弯折所需的扭矩。另外，由于爬行单元1-5与机器人本体100之间为夹持作用，在爬行电机1-5-1处于关闭/待机的状态下，爬行单元1-5与机器人本体100之间形成固定关系，从而使得中间驱动机构1与机器人本体100之间形成固定关系，在机器人本体100做转向运动时，可以避免中间驱动机构1受自身的反向作用力而使得爬行单元1-5与机器人本体100之间产生转向，进而保证了机器人本体100转向的精度。

优选地，为了实现弯折转向输出单元4对软体机器人的作用关系，如图4所示，本实施例中每个弯折转向输出单元4包括一个引导环一4-1和两根连杆4-2；所述的引导环一4-1套在机器人本体100上；两根连杆4-2沿y轴方向对称布置在引导环一4-1的左右两侧，并与两个支撑座3一一对应设置；每根连杆4-2的一端与引导环一4-1对应的端部固定连接，每根连杆4-2的另一端与对应的支撑座3的端部转动连接，即左侧连杆4-2的一端与引导环一4-1的左端固定连接，左侧连杆4-2的另一端与左侧支撑座3的顶端转动连接，同理，右侧连杆4-2的一端与引导环一4-1的右端固定连接，右侧连杆4-2的另一端与右侧支撑座3的顶端转动连接。

本实施例在具体实施中，弯折转向输出单元4对软体机器人实现转向作用力的过程如下：在支撑座3与中间驱动机构1可以相对转动的情况下，中间驱动机构1中的环形锥齿轮做旋转运动，并通过转向制动单元带动支撑座3转动，由于支撑座3与两根连杆4-2连接在一起，在两个支撑座3绕中间驱动机构1做旋转运动时，两根连杆4-2和引导环一4-1在支撑座3的带动下也绕中间驱动机构1的中轴线做旋转运动，故实现了机器人本体100在引导环一4-1的带动下产生转向运动。

弯折转向输出单元4对机器人本体100实现弯折作用力的过程如下：在支撑座3与中间驱动机构1通过弯折制动单元保持固定连接关系的情况下，中间驱动机构1中的环形锥齿轮做旋转运动，由于锥齿轮与处于上方的弯折转向输出单元4的其中一根连杆4-2为固定连接，所以处于上方的弯折转向输出单元4在锥齿轮的带动下发生摆动，下方的弯折转向输出单元4在上方的弯折转向输出单元4的带动下发生同步的摆动，故机器人本体100在弯折转向输出单元4中的引导环一4-1的作用下向一侧摆动。

其中，为了实现两个弯折转向输出单元4之间的传动关系，如图4所示，本实施例中每根连杆4-2与支撑座3所连接的一端均设置有一体的扇形齿轮4-2-1，所述的扇形齿轮4-2-1与相应的支撑座3之间通过销轴转动连接；由于两个弯折转向输出单元4具有4根连杆4-2，故一共设置有4个扇形齿轮4-2-1，其中布置在同一个支撑座3上的两个扇形齿轮4-2-1为一组，并啮合在一起，即两个弯折转向输出单元4中处于左侧的两根连杆4-2之间通过各自端部的扇形齿轮4-2-1啮合在一起，处于右侧的两根连杆4-2之间通过各自端部的扇形齿轮4-2-1啮合在一起，从而使得两个弯折转向输出单元4之间通过扇形齿轮4-2-1产生传动关系。

本实施例中，在上方的弯折转向输出单元4受到中间驱动机构1向一侧偏摆的作用力时，上方的弯折转向输出单元4会通过扇形齿轮4-2-1带动下方的弯折转向输出单元4产生向同一侧的偏摆，其中两个弯折转向输出单元4摆动的角度和为机器人本体100整体弯折的角度，而每个弯折转向输出单元4摆动的角度与扇形齿轮4-2-1的总圆周角有关，为了实现机器人本体100大角度的弯折，本实施例中所述扇形齿轮4-2-1的总圆周角为150°~180°。

其中，为了增加外附关节弯折节点的数量，从而降低机器人本体100弯折所需的扭矩；如图4所示，本实施例中在每个支撑座3上且处于两个扇形齿轮4-2-1之间的位置处设置有两个相互啮合的传动齿轮4-3，每个传动齿轮4-3与其临近的扇形齿轮4-2-1相互啮合，实现传动作用。

本实施例中，机器人本体100弯折的位置与同一个弯折转向输出单元4中两根连杆4-2上两个扇形齿轮4-2-1与支撑座铰接点连线的位置有关，在两个扇形齿轮4-2-1直接啮合时，二者铰接点的距离较近，故可以等同于仅有一个弯折节点，且弯折节点处于爬行单元1-5与机器人本体100所连接的位置处，机器人本体100弯折所需的力矩较大；本实施例中通过两个传动齿轮4-3的设置，使得两个扇形齿轮4-2-1的铰接点的距离拉开，故外附关节在进行弯折运动时形成两个弯折节点，不会在单一的弯折节点处产生较多的褶皱，影响软体机器人弯折角度的最大化，降低了弯折所需的扭矩；同时两个传动齿轮4-3的设置，仍然会保证两个弯折转向输出单元4之间的传动关系，保证二者向同一侧的摆动。

需要说明的是，两个传动齿轮4-3中心点的连线与两个扇形齿轮4-2-1中心点的连线处于同一条直线上，这样可以增加两个扇形齿轮4-2-1之间的距离，进而增加两个弯折节点之间的距离，避免机器人本体100弯折节点的集中，使得弯折节点两侧的机器人本体100干涉接触阻碍进一步弯折，增加弯折所需的扭矩。

此外，为了提高机器人本体100弯折的精度，如图7和图8所示，本实施例中所述中间驱动机构1轴向的两端分别布置有一个束型单元2，所述的束型单元2为环状结构，并套在机器人本体100上；每个束型单元2具有连接端和束型端；每个束型单元2通过连接端与中间驱动机构1的安装座1-1固定连接；且束型端的径向中分面与左右两侧相对应的扇形齿轮4-2-1的铰接点的连线处于同一平面上。

本实施例中，通过两个束型单元2的设计更加有利于创造机器人本体100的弯折节点，使得机器人本体100的弯折中心与外附关节的弯折中心等高，提高机器人本体100弯折的精度。

再者，为了降低关节弯折所需的扭矩，如图7和图8所示，本实施例中每个束型单元2的束型端具有圆环形束型面，所述圆环形束型面的内径小于机器人本体100的外径尺寸；具体的，所述的束型单元2包括滚轮支撑座2-1和周向均匀设置在滚轮支撑座2-1上的多个滚轮2-2，所述的滚轮支撑座2-1作为束型单元2的连接端使用，多个所述的滚轮2-2作为束型单元2的束型端使用，并围合出束型单元2的圆环形束型面，所述的滚轮2-2与滚轮支撑座2-1之间为转动连接，且滚轮2-2的轴线方向与机器人本体100的径向方向相同。

本实施例利用圆周的同向性，使得束型单元2的束型面采用近似于圆环型的形式（滚轮2-2个数设置的越多，束形面越接近于圆环形），进而使得软体机器人在进行弯折运动时，无论向哪一侧弯折输出的扭矩均相同，且不会在弯折处产生较多的褶皱，影响软体机器人弯折角度的最大化。同时，由于圆环形束型面的内径小于机器人本体100的外径尺寸，故机器人本体100的弯折节点处于收缩状态，降低了机器人本体100弯折节点的局部刚度，进而降低外附关节弯折所需的扭矩。

本实施例中，所述的圆环形束型面是利用滚轮2-2围合而成，在外附关节沿着机器人本体100爬行时，束型单元2中的滚轮2-2与机器人本体100之间形成滚动运动，减小束型单元2与机器人本体100之间产生的摩擦力。

本实施例中，处于中间驱动机构1上端面上的束型单元2与中间驱动机构1的安装座1-1之间形成环形凹槽；所述的动力传输部一1-3转动安装在环形凹槽上，以实现动力传输部一1-3与中间驱动机构1的同轴转动连接。

本实施例中，为了实现弯折制动单元与中间驱动机构1连接为一体，处于下方的制动单元5与处于中间驱动机构1下端面上的束型单元2的滚轮支撑座2-1连接。

优选地，为了简化制动单元5的结构，如图3所示，本实施例中所述的制动单元5为电磁离合器，所述的电磁离合器包括电磁发射端5-1和吸合衔铁5-2；其中转向制动单元中处于上方的制动单元5的电磁发射端5-1的外壳固定连接在左支撑座的顶端，转向制动单元中的吸合衔铁5-2固定连接在中间驱动机构1中的环形锥齿轮上；弯折制动单元中处于下方的制动单元5的电磁发射端5-1的外壳固定连接在左支撑座的底端，弯折制动单元中的吸合衔铁5-2固定连接在中间驱动机构1下端的束型单元2的滚轮支撑座2-1上。

本实施例中，两个制动单元5的设计实现了外附关节弯折运动与转向运动的切换；在实现弯折运动的过程中，用于机器人本体100转向的电磁离合器断电，用于机器人本体100弯折的电磁离合器通电，此时支撑座3通过电磁离合器与中间驱动机构1间接实现固定连接关系，在中间驱动机构1输出旋转扭矩的情况下，旋转扭矩传递给锥齿轮，实现了机器人本体100的弯折运动。

在实现转向运动的过程中，用于机器人本体100弯折的电磁离合器断电，用于机器人本体100转向的电磁离合器通电，此时支撑座3通过电磁离合器与中间驱动机构1的环形锥齿轮间接实现固定连接关系，进而与中间驱动机构1的安装座之间为转动连接，在中间驱动机构1输出旋转扭矩的情况下，旋转扭矩传递给支撑座3，实现了机器人本体100的转向运动。

本实施例中，所述的制动单元5采用电磁离合器，整体结构简单，安装方便，且转向与弯折运动切换过程便捷。

本实施例中，用于机器人本体100弯折的电磁离合器可以为两个，两个电磁离合器对称布置在中间驱动机构1径向的两侧，且每个电磁离合器对应一个支撑座3设置，即处于左侧的电磁离合器固定安装在左侧的支撑座3上，处于右侧的电磁离合器固定安装在右侧的支撑座3上，在两个电磁离合器的联合作用下，可以更好的保证制动效果。由于支撑座3仅有两个，处于右侧的支撑座3顶部安装有锥齿轮，故用于机器人本体100转向的电磁离合器仅为一个。

其中，为了更好的实现电磁离合器的制动效果，如图3所示，本实施例中每个电磁离合器通过一个制动器固定座5-3和一块橡胶垫片5-4安装在支撑座3上，所述的橡胶垫片5-4安装在电磁发射端5-1背向吸合衔铁5-2的一侧，且电磁发射端5-1通过橡胶垫片5-4与制动器固定座5-3固定连接。

本实施例中，由于电磁离合器的电磁发射端5-1与吸合衔铁5-2之间为分离式设计，在电磁离合器断电时，电磁发射端与吸合衔铁5-2之间留有微小间隙，以保证电磁发射端与吸合衔铁5-2可以相对转动；由于电磁离合器的制动效果是通过电磁对衔铁产生吸合力实现的，电磁发射端与吸合衔铁5-2的距离越小制动效果越好，在电磁离合器通电时，通过橡胶垫片5-4的弹性变形可调整电磁发射端和吸合衔铁5-2之间的距离，使电磁发射端和吸合衔铁贴合，进而增加制动效果。

实施例2

参见图1，本申请实施例提供一种基于外附关节变形的空间软体机器人，包括机器人本体100和如前所述的外附关节200，所述的机器人本体100依次穿过处于中间驱动机构1一侧的弯折转向输出单元4中的引导环一4-1和束型单元2，再穿过摩擦辊轮1-5-5与被动辊轮1-5-6所围合的夹持区，最后穿过中间驱动机构1另一侧的束型单元2和弯折转向输出单元4中的引导环一4-1，机器人本体100与外附关节200之间通过摩擦辊轮1-5-5与被动辊轮1-5-6的夹持和两个束型单元2的夹持实现固定。

本实施例中，所述的机器人本体100为充气式薄管结构，并具有相对的两端，机器人本体100的其中一端连接气体调节机构，实现充气与抽气，另一端处于封闭状态，保证充气式薄管结构的刚性。

本实施例中所述的外附关节200套在机器人本体100上，并实现机器人本体100空间三维的变形，实现了机器人本体100的弯折、转向和机器人本体100关节位置的改变。该软体机器人相对于现有技术的其他优势与该外附关节200的优势相同，此处不做赘述。

实施例3

参见图12至图16，本实施例提供一种应用于软体机器人的尖端自生长机构，包括尖端安装座7、自缠绕卷轴8和挤压驱动组件9；所述的自缠绕卷轴8和挤压驱动组件9安装在尖端安装座7内，机器人本体100的尖端穿过挤压驱动组件9并缠绕在自缠绕卷轴8上，所述的机器人本体100通过挤压驱动组件9实现自生长和回缩。

本实施例中，所述的机器人本体100为充气式薄管结构，机器人本体100在进行一些复杂操作过程中，需要关节部位与机械臂生长部位的配合，机器人的末端才能达到目标位置；本实施例将机械臂的生长布置在尖端，在确保目标位置的情况下，本申请将软体机器人的生长布置在尖端，机器人尖端的生长过程不会影响机器人其他部位（靠近末端和中间段等）的姿态，只需要改变靠近尖端的外附关节的弯折角度或者转向角度即可，其他部位的外附关节无需做出调整，可以简化关节部位的操作过程和尖端达到目标位置的解算过程，保证机器人尖端达到目标位置的精度。

本实施例中，挤压驱动组件9是机器人本体100伸长或者回缩的动力源，同时在回缩时也将机器人本体100中的气体尽量挤压出去，减小尖端薄管材料缠绕在自缠绕卷轴8上的存储体积，和避免尖端自生长机构内的薄管由于内部充气导致体积较大，在缠绕或者释放过程产生卡死现象。优选地，为了实现机器人本体100在回缩过程的自缠绕功能，如图13所示，本实施例中所述的自缠绕卷轴8包括卷轴8-1、恒拉力弹簧片8-2和弹簧存储轴8-3；所述的卷轴8-1转动安装在尖端安装座7内的两侧侧壁处，卷轴8-1的一端伸出尖端安装座7的一侧侧壁，所述的弹簧存储轴8-3转动安装在尖端安装座7的侧壁处，并与卷轴8-1的伸出端处于同一侧，其中卷轴8-1与弹簧存储轴8-3平行布置；所述恒拉力弹簧片8-2的一端固定并缠绕在弹簧存储轴8-3上，恒拉力弹簧片8-2的另一端反向缠绕并固定在卷轴8-1的伸出端上，同时对卷轴8-1具有恒拉力。

需要说明的是，本实施例中机器人本体100缠绕在卷轴8-1上的方向与恒拉力弹簧片8-2缠绕在卷轴8-1上的方向相反，即如图14和16所示，机器人本体100的尖端是顺时针缠绕在卷轴8-1上的，而恒拉力弹簧片8-2与卷轴8-1的连接端是逆时针缠绕在卷轴8-1上的，恒拉力弹簧片8-2与弹簧存储轴8-3的连接端是顺时针缠绕在弹簧存储轴8-3上的；具体实施中，充气式薄管在挤压驱动组件9的作用下从卷轴8-1上拉出时，卷轴8-1在充气式薄管的作用下绕自身的中轴线顺时针旋转，并将恒拉力弹簧片8-2缠绕在卷轴8-1的端部位置，恒拉力弹簧片8-2蓄满拉力，并对卷轴8-1产生反方向旋转的拉力；当充气式薄管在挤压驱动组件9的作用下回收时，卷轴8-1不再受到充气式薄管的拉力，恒拉力弹簧片8-2在自身的弹力作用下对卷轴8-1产生逆时针旋转的作用力，卷轴8-1逆时针转动，并将充气式薄管缠绕在卷轴8-1上，实现充气式薄管的收回；在此过程中，恒拉力弹簧片8-2从卷轴8-1上脱落下来，释放弹力。

本实施例中，恒拉力弹簧片的设计，使多余的薄管承受拉力而张紧，能够在无驱动情况下使多余的薄管卷在卷轴上，减少尖端薄管材料的存储体积，同时薄管张紧有利于尖端自生长机构释放薄管材料，防止薄管折叠进入主动辊与被动辊的间隙之间而卡死，且尖端自生长机构可以为后续尖端负载提供安装平台。

本实施例中，为了防止恒拉力弹簧片8-2从卷轴8-1和弹簧存储轴8-3上脱落下来，所述卷轴8-1的端部和弹簧存储轴8-3的端部各安装有一个同轴布置的轴盖8-4。

优选地，为了实现充气式薄管的伸出或者回缩，如图13所示，本实施例中所述的挤压驱动组件9包括驱动电机9-1、主动辊9-4和被动辊9-5；所述的驱动电机9-1固定安装在尖端安装座7内，并用于驱动主动辊9-4的旋转；所述的主动辊9-4和被动辊9-5并排安装在尖端安装座7内，主动辊9-4的两端和被动辊9-5的两端分别与尖端安装座7的两侧侧壁转动连接，所述的主动辊9-4和被动辊9-5对充气式薄管进行径向夹持。

需要说明的是，本实施例中的主动辊9-4、被动辊9-5、驱动电机9-1和卷轴8-1的轴线方向一致，以保证穿过主动辊9-4和被动辊9-5的充气式薄管在缠绕在卷轴8-1上时不会产生褶皱的问题。

本实施例中，由于主动辊9-4和被动辊9-5对充气式薄管产生夹持挤压作用，所以在充气式薄管回收过程中，可以将薄管内的气体压出。

本实施例中，所述的驱动电机9-1与主动辊9-4之间采用齿轮副实现传动关系，所述的齿轮副包括主动轮三9-2和从动轮9-3，驱动电机9-1的输出轴与主动轮三9-2同轴固定连接，从动轮9-3同轴安装在主动辊9-4的一端，并与主动轮三9-2处于同一侧，从动轮9-3与主动轮三9-2相互啮合，实现传动关系；具体的，所述的驱动电机9-1驱动主动轮三9-2旋转，主动轮三9-2驱动从动轮9-3转动，从动轮9-3带动主动辊9-4旋转，由于主动辊9-4与被动辊9-5对充气式薄管产生径向的夹持力，在主动辊9-4旋转的情况下对充气式薄管产生摩擦力，充气式薄管在此摩擦力下进行轴向移动，进而通过挤压驱动组件9实现了充气式薄管的自生长或者回缩。

优选地，为了更好的实现主动辊9-4和被动辊9-5对充气式薄管产生的挤压效果，如图13所示，本实施例中所述的被动辊9-5与尖端安装座7的侧壁之间为滑动连接，且向主动辊9-4侧移动；具体的，所述尖端安装座7的两侧侧壁上且被动辊9-5端部所对应的位置处分别开有一个滑动窗口7-1，在滑动窗口7-1靠近主动辊9-4端部的一侧设置有一个连接横梁7-2，每个滑动窗口7-1内设置有一个滑块7-3，所述的滑块7-3与对应的连接横梁7-2通过调节组件7-4进行连接；所述被动辊9-5的两端分别通过一个轴承转动连接在对应的滑块7-3上。

本实施例中，被动辊9-5与尖端安装座7采用分离式设计，被动辊9-5两端的滑块7-3与滑动窗口7-1上方的连接横梁7-2之间在调节组件7-4的调节下，实现距离的改变，进而实现被动辊9-5与主动辊9-4轴间距的调节，从而调节两轴对薄管的挤压力以及将管内得多余得气体挤出尖端自生长机构；本实施例为了更好的挤出充气式薄管内的气体，在不影响充气式薄管伸出和回缩运动的情况下，尽量使得被动辊9-5与主动辊9-4之间的轴间距最小。

其中，所述的调节组件7-4包括两个导向柱7-4-1和一个调节螺栓7-4-2，所述的滑块7-3上开有一个通孔，两个所述的导向柱7-4-1固定安装在滑块7-3的上端面上，且处于通孔的两侧，所述的连接横梁7-2上并排开有三个通孔，两个导向柱7-4-1分别插在连接横梁7-2处于两端的通孔内，所述的调节螺栓7-4-2穿过滑块7-3上的通孔和连接横梁7-2上处于中间的通孔，并将滑块7-3和连接横梁7-2连接在一起。

本实施例中所述主动辊9-4和被动辊9-5之间的轴间距通过调节螺栓7-4-2的螺紧程度来实现，当调节螺栓7-4-2中的螺母将连接横梁7-2和滑块7-3拧紧时，主动辊9-4和被动辊9-5之间的轴间距最小。

本实施例中所述的导向柱7-4-1具有导向作用，保证主动辊9-4和被动辊9-5之间的轴间距在调节过程中，被动辊9-5是沿着充气式薄管的径向方向移动的。

优选地，为了避免挤压驱动组件9对充气式薄管的挤压而发生随机弯折，如图12所示，本实施例中所述的尖端自生长机构还包括有一个引导环二10，所述的引导环二10固定安装在尖端安装座7的前端面上，并套在充气式薄管上。

本实施例中，由于主动辊9-4和被动辊9-5的挤压，使得二者间隙处的薄管形状突变，刚度降低极易发生随机弯折，通过引导环二10避开低刚度区域，使新生长的充气式薄管的轴线方向与尖端机构平行。

以下对本实施例的工作过程做进一步的说明，以进一步展示本发明的工作原理和优点：

步骤1，首先通过调节螺栓7-4-2调节连接横梁7-2与滑块7-3之间的距离，进而实现主动辊9-4和被动辊9-5之间轴间距的调节；

步骤2，尖端自生长模式：所述的驱动电机9-1驱动主动轮三9-2逆时针旋转，主动轮三9-2驱动从动轮9-3顺时针转动，从动轮9-3带动主动辊9-4顺时针旋转，由于主动辊9-4与被动辊9-5对充气式薄管产生径向的夹持力，在主动辊9-4顺时针旋转的情况下对充气式薄管产生朝外的摩擦力，充气式薄管在此摩擦力下从卷轴8-1上被拉出并充气，实现尖端自生长；在此过程中，卷轴8-1在充气式薄管的作用下绕自身的中轴线旋转，并将恒拉力弹簧片8-2缠绕在卷轴8-1的端部位置，恒拉力弹簧片8-2上产生反方向的拉力。

步骤3，尖端回缩模式：所述的驱动电机9-1驱动主动轮三9-2顺时针旋转，主动轮三9-2驱动从动轮9-3逆时针转动，从动轮9-3带动主动辊9-4逆时针旋转，由于主动辊9-4与被动辊9-5对充气式薄管产生径向的夹持力，并将充气式薄管内的气体挤压出去，在主动辊9-4逆时针旋转的情况下对充气式薄管产生朝内的摩擦力，充气式薄管在此摩擦力下向内运动；同时，充气式薄管在挤压驱动组件9的作用下回收时，卷轴8-1不再受到充气式薄管的拉力，恒拉力弹簧片8-2在自身的弹力作用下对卷轴8-1产生反向旋转的作用力，卷轴8-1反向转动，并将充气式薄管缠绕在卷轴8-1上，实现充气式薄管的收回；在此过程中，恒拉力弹簧片8-2从卷轴8-1上脱落下来，释放弹力。

实施例4

本申请实施例提供一种尖端自生长的软体机器人，包括机器人本体100和如实施例3所述的尖端自生长机构300，所述的机器人本体100为充气式薄管结构，机器人本体100的尖端依次穿过尖端自生长机构300中的引导环二10和主动辊9-4与被动辊9-5之间的间隙，并缠绕在卷轴8-1上。

本实施例中该软体机器人相对于现有技术的优势与该尖端自生长机构300的优势相同，此处不做赘述。

实施例5

本申请实施例提供一种基于外附关节变形的空间自生长软体机器人，包括机器人本体100、外附关节200和尖端自生长机构300，所述的机器人本体100为充气式薄管结构，所述的外附关节200套装在机器人本体100上，所述的尖端自生长机构300安装在机器人本体100的尖端。

本实施例中该软体机器人相对于现有技术的优势与外附关节200和尖端自生长机构300的优势相同，此处不做赘述。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种基于外附关节变形的空间自生长软体机器人，其特征在于：包括机器人本体（100）、外附关节（200）和尖端自生长机构（300）；所述的外附关节（200）套装在机器人本体（100）上，所述的尖端自生长机构（300）安装在机器人本体（100）的尖端；

所述的外附关节（200）包括中间驱动机构（1）、两个支撑座（3）、两个弯折转向输出单元（4）和两个制动单元（5）；两个所述的支撑座（3）对称布置在中间驱动机构（1）径向的两侧，每个支撑座（3）均与中间驱动机构（1）的外壳转动连接，并绕中间驱动机构（1）的中轴线旋转；所述的中间驱动机构（1）包括安装座（1-1）、动力输出部（1-2）、动力传输部一（1-3）、动力传输部二（1-4）和爬行单元（1-5），所述安装座（1-1）的中心位置具有贯穿于上下表面的中心安装口（1-1-3），所述的动力输出部（1-2）和爬行单元（1-5）的动力输出端安装在安装座（1-1）内，所述爬行单元（1-5）的动力执行端安装在中心安装口（1-1-3）内；所述的动力传输部一（1-3）和动力传输部二（1-4）布置在安装座（1-1）外，其中动力传输部一（1-3）同轴安装在安装座（1-1）的顶端，并与安装座（1-1）为转动连接；所述的动力传输部二（1-4）转动连接在其中一个支撑座（3）上并与动力传输部一（1-3）形成传动关系；两个所述的弯折转向输出单元（4）对称布置在中间驱动机构（1）轴向的两侧，每个弯折转向输出单元（4）均与两个支撑座（3）转动连接，且两个所述的弯折转向输出单元（4）之间形成传动关系；所述中间驱动机构（1）的动力传输部二（1-4）与靠近动力传输部一（1-3）的弯折转向输出单元（4）固定连接，在动力输出部（1-2）的驱动下以及两个弯折转向输出单元（4）的传动关系下实现了两个弯折转向输出单元（4）的同步反向摆动；两个所述的制动单元（5）对称布置在中间驱动机构（1）轴向的两侧，其中处于中间驱动机构（1）上方的制动单元（5）通电并将支撑座（3）和中间驱动机构（1）中的动力传输部一（1-3）连接为一体，以实现软体机器人的转向，将处于上方的制动单元（5）称为转向制动单元；处于中间驱动机构（1）下方的制动单元（5）通电并将支撑座（3）和中间驱动机构（1）连接为一体，以实现软体机器人的弯折，将处于下方的制动单元（5）称为弯折制动单元；

所述的外附关节（200）通过两个弯折转向输出单元（4）和中间驱动机构（1）的爬行单元（1-5）套在机器人本体（100）上，并通过爬行单元（1-5）与机器人本体（100）形成固定关系，保证中间驱动机构（1）与机器人本体（100）在转向、弯折和爬行运动模式下不会产生相对旋转运动。

2.根据权利要求1所述的一种基于外附关节变形的空间自生长软体机器人，其特征在于：所述的动力输出部（1-2）包括转向弯折电机（1-2-1）和输出锥齿轮（1-2-5），所述转向弯折电机（1-2-1）的旋转扭矩传递给输出锥齿轮（1-2-5）；所述的动力传输部一（1-3）为具有不完全上锥齿（1-3-1）和完全下锥齿（1-3-2）的环形锥齿轮，所述的输出锥齿轮（1-2-5）部分伸出安装座（1-1），并与环形锥齿轮的完全下锥齿（1-3-2）相啮合；所述的动力传输部二（1-4）为锥齿轮，并与环形锥齿轮的不完全上锥齿（1-3-1）相啮合。

3.根据权利要求1所述的一种基于外附关节变形的空间自生长软体机器人，其特征在于：所述的爬行单元（1-5）包括爬行电机（1-5-1）、主动轮二（1-5-2）、从动齿轮一（1-5-3）、从动齿轮二（1-5-4）和两个摩擦辊轮（1-5-5），所述的爬行电机（1-5-1）和主动轮二（1-5-2）安装在安装座（1-1）内，爬行电机（1-5-1）的输出轴与主动轮二（1-5-2）固连，两个所述的摩擦辊轮（1-5-5）作为爬行单元（1-5）的动力执行端并排转动安装在中心安装口（1-1-3）内，并对机器人本体（100）产生径向挤压；所述的从动齿轮一（1-5-3）和从动齿轮二（1-5-4）分别与两个摩擦辊轮（1-5-5）固连，且处于两个摩擦辊轮（1-5-5）的同一端，主动轮二（1-5-2）与从动齿轮一（1-5-3）相啮合，从动齿轮一（1-5-3）与从动齿轮二（1-5-4）相啮合。

4.根据权利要求3所述的一种基于外附关节变形的空间自生长软体机器人，其特征在于：所述的爬行单元（1-5）还包括两个并排且间隔设置的被动辊轮（1-5-6），两个所述的被动辊轮（1-5-6）转动连接在中心安装口（1-1-3）内，并处于两个摩擦辊轮（1-5-5）之间，被动辊轮（1-5-6）与摩擦辊轮（1-5-5）围合出一个长方形的夹持区，机器人本体（100）处于夹持区内。

5.根据权利要求1所述的一种基于外附关节变形的空间自生长软体机器人，其特征在于：每个弯折转向输出单元（4）包括一个引导环一（4-1）和两根连杆（4-2）；所述的引导环一（4-1）套在机器人本体（100）上；两根连杆（4-2）对称布置在引导环一（4-1）的左右两侧，并与两个支撑座（3）一一对应设置；每根连杆（4-2）的一端与引导环一（4-1）对应的端部固定连接，每根连杆（4-2）的另一端布置有一个扇形齿轮（4-2-1），所述的扇形齿轮（4-2-1）通过销轴转动连接在对应的支撑座（3）上；其中布置在同一个支撑座（3）上的两个扇形齿轮（4-2-1）啮合在一起，从而使得两个弯折转向输出单元（4）之间通过扇形齿轮（4-2-1）产生传动关系。

6.根据权利要求5所述的一种基于外附关节变形的空间自生长软体机器人，其特征在于：每个支撑座（3）上且处于两个扇形齿轮（4-2-1）之间的位置处设置有两个相互啮合的传动齿轮（4-3），每个传动齿轮（4-3）与其临近的扇形齿轮（4-2-1）相互啮合。

7.根据权利要求6所述的一种基于外附关节变形的空间自生长软体机器人，其特征在于：所述中间驱动机构（1）轴向的两端分别布置有一个束型单元（2），所述的束型单元（2）为环状结构，并套在机器人本体（100）上；每个束型单元（2）具有连接端和束型端；每个束型单元（2）通过连接端与中间驱动机构（1）的安装座（1-1）固定连接；每个束型单元（2）的束型端具有圆环形束型面，所述圆环形束型面的内径小于机器人本体（100）的外径尺寸；且束型端的径向中分面与左右两侧相对应的扇形齿轮（4-2-1）的铰接点的连线处于同一平面上。

8.根据权利要求1所述的一种基于外附关节变形的空间自生长软体机器人，其特征在于：所述的制动单元（5）为电磁离合器，所述的电磁离合器包括电磁发射端（5-1）和吸合衔铁（5-2）；其中转向制动单元中的电磁发射端（5-1）连接在其中一个支撑座（3）的顶端，转向制动单元中的吸合衔铁（5-2）固定连接在中间驱动机构（1）中的动力传输部一（1-3）上；弯折制动单元中的电磁发射端（5-1）连接在其中一个支撑座（3）的底端，弯折制动单元中的吸合衔铁（5-2）与中间驱动机构（1）的安装座（1-1）固连；所述电磁发射端（5-1）与吸合衔铁（5-2）距离能够调节。

9.根据权利要求1所述的一种基于外附关节变形的空间自生长软体机器人，其特征在于：所述的尖端自生长机构（300）包括尖端安装座（7）、自缠绕卷轴（8）、挤压驱动组件（9）和引导环二（10）；所述的自缠绕卷轴（8）和挤压驱动组件（9）安装在尖端安装座（7）内，所述的引导环二（10）固定安装在尖端安装座（7）的前端面上；所述机器人本体（100）的尖端依次穿过引导环二（10）和挤压驱动组件（9）并缠绕在自缠绕卷轴（8）上，所述的机器人本体（100）通过挤压驱动组件（9）实现自生长和回缩；

所述的挤压驱动组件（9）包括驱动电机（9-1）、主动辊（9-4）和被动辊（9-5）；所述的驱动电机（9-1）固定安装在尖端安装座（7）内，并用于驱动主动辊（9-4）的旋转；所述的主动辊（9-4）和被动辊（9-5）并排且转动安装在尖端安装座（7）内，且主动辊（9-4）与被动辊（9-5）之间的轴间距能够调节；所述的主动辊（9-4）和被动辊（9-5）对机器人本体（100）进行径向夹持。

10.根据权利要求9所述的一种基于外附关节变形的空间自生长软体机器人，其特征在于：所述的自缠绕卷轴（8）包括卷轴（8-1）、恒拉力弹簧片（8-2）和弹簧存储轴（8-3）；所述的卷轴（8-1）转动安装在尖端安装座（7）内的两侧侧壁处，卷轴（8-1）的一端伸出尖端安装座（7）的一侧侧壁，所述的弹簧存储轴（8-3）转动安装在尖端安装座（7）外的侧壁处，并与卷轴（8-1）的伸出端处于同一侧，其中卷轴（8-1）与弹簧存储轴（8-3）平行布置；所述恒拉力弹簧片（8-2）的一端固定并缠绕在弹簧存储轴（8-3）上，恒拉力弹簧片（8-2）的另一端反向缠绕并固定在卷轴（8-1）的伸出端上，同时对卷轴（8-1）具有恒拉力。