CN204913919U - 运动和刚度独立可控软体机器人 - Google Patents
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Abstract
一种运动和刚度独立可控软体机器人，包括基体和尾体，基体的后部与尾体的前部相连接，基体中，第一硅胶体中间设有的第一刚度控制腔，在第一刚度控制腔的外侧周围的硅胶体一圈上等弧度间隔地设有第一钢丝驱动腔，第一刚度控制腔为封闭腔，的第一刚度控制腔与第一通气导管相连接，第一通气管与用于动态调节刚度的外接气源连接；第一钢丝驱动腔里面设有第一驱动钢丝，第一驱动钢丝的尾端固定在固定底盘上，第一驱动钢丝的首端固定在用于缠绕所述第一驱动钢丝的第一卷筒上，第一卷筒的转轴与基体驱动电机的电机轴联接，基体驱动电机安装在电机安装盘上；尾体的尾端逐渐缩小。本实用新型兼顾柔性和刚性、有效进行动态调节。
Description
技术领域
本实用新型涉及软体机器人领域，尤其是一种仿生软体机器人。
技术背景
随着机器人产业的不断壮大，传统的机器人由于其拥有的很大的刚性，局限了其与环境相互作用的能力，例如在非结构化和相对拥挤的空间内，刚性机器人的末端执行器就会遇到很多困难，所以传统的刚性机器人已经不能满足复杂多变的工作环境。然而软体机器人具有很大的柔性，是柔性机器人的更高级的形式，它在复杂多变的环境下可以改变自身的形状尺寸，与传统的刚性机器人相比，仿生软体机器人具有更多的新功能和新特性。
仿生软体机器人的运动是冗余的，它具有非常灵活的运动特性，由于它的变形的方式，使得仿生软体机器人在理论上可以达到无限的自由度。相对于传统的刚性机器人，仿生软体机器人对外界输出的压力载荷更低，不会对环境中的施加对象造成损坏。
2009年2月由意大利、瑞士、以色列、英国、希腊5个国家的7所研究机构成立的欧洲章鱼项目组正式启动，研究了章鱼传感器和驱动原理，进而建立仿生章鱼软体机器人模型，提出了基于EAP人工肌肉的章鱼触手结构，其结构由4个圆柱形轴向EPA肌肉和4个弧形EPA肌肉组成的横向肌肉构成，当施加2000V的电压时，仿生章鱼触手可以形成约20％收缩量的运动；这种仿生软体机器人可以模仿章鱼触手的运动和简单的抓持运动，但是其收缩量只有20％，运动的可控性不好，不适合弯曲要求高且运动复杂的环境中，且其刚度也是不可控的。
对于刚度可变的软体机器人，国家实用新型专利申请号CN201210546744.4公开了上海交通大学研究了刚度可变的柔性内窥镜机器人，其本体结构成圆柱形，材料为硅胶，驱动结构由若干根驱动绳线控制，当驱动不同的绳线或者绳线组合时，机器人可以完成相应的变形动作，其声称的刚度可变仅仅是依靠着拉着某一根或者多根绳线来控制的，且软体机器人刚度可变是运动过程中伴随产生的，与运动的驱动结构强耦合形成的，难以对软体机器人的刚度进行独立的控制。
对于刚度可变的软体机器人国家实用新型专利申请号CN201220258024.3公开了一种磁流变连续体机器人操作器，它是基于模仿象鼻运动的原理，本体是长管型结构，外层通过4节圆柱形弹簧串联而成，分别由4根线绳独立驱动，线绳引入到电机驱动的滑轮上，从而带动机器人运动，弹簧之间通过脊骨盘连接，每个脊骨盘的中间连接通有磁流变液的软管，软管外绕有线圈，通过改变线圈的电流控制磁流变液磁场的强度，从而实现磁流变液的固液之间转换，起到调节机器人刚度的作用；但是由于此结构外层是弹簧，本身刚度就比较大，达不到一些软体机器人特有材料的柔性的要求，且磁流变液在不通电的情况下本身就有一点的粘度，使得机器人柔性又减少许多，磁流变液在液固的转化性能较好，但是其很难保证软体机器人在拥有很好的刚度的情况下又保持很好柔性。
对于刚度可变的软体机器人国家实用新型专利申请号CN201410406336.8公开了浙江工业大学研究的主动可变刚度长臂式仿生软体机器人，软体机器人本体由基节和尾节组成，基节的基体由硅胶材料制成，设置3个侧驱动腔和1个中心驱动腔，各驱动腔两端封闭，由通气管输入高压气体以驱动机器人伸长或弯曲，为防止充气后发生径向变形，在各驱动腔内外壁埋置约束弹簧，同时可增大整体刚度。该结构为模块化结构，两端设置连接结构，可多节串联，各节的通气管可由走管通道统一走到基节的一端；尾节的结构和基节类似，但是尾节是逐渐缩小的；该结构在运动过程中可实现刚度独立可调，但是该结构驱动控制和刚度控制全部是由气压来控制的，在抓持物体的时候运动控制和刚度控制会有耦合，很难对于软体机器人的运动进行控制。
发明内容
为了克服已有软体机器人的无法兼顾柔性和刚度、无法实现动态调控的不足，本实用新型提供一种兼顾柔性和刚性、有效进行动态调节的运动和刚度独立可控软体机器人。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种运动和刚度独立可控软体机器人，包括基体和尾体，所述基体的后部与所述尾体的前部相连接，所述基体包括第一硅胶体、第一刚度控制腔和第一钢丝驱动腔，所述第一硅胶体呈圆柱形，所述第一硅胶体中间设有所述的第一刚度控制腔，在所述第一刚度控制腔的外侧周围的硅胶体一圈上等弧度间隔地设有所述第一钢丝驱动腔，所述第一刚度控制腔为封闭腔，所述的第一刚度控制腔与第一通气导管相连接，所述第一通气管与用于动态调节刚度的外接气源连接；所述第一钢丝驱动腔里面设有第一驱动钢丝，所述第一驱动钢丝的尾端固定在固定底盘上，所述的第一驱动钢丝的首端固定在用于缠绕所述第一驱动钢丝的第一卷筒上，所述第一卷筒的转轴与基体驱动电机的电机轴联接，所述基体驱动电机安装在电机安装盘上，所述固定底盘安装在所述第一硅胶体的后部，所述电机安装盘安装在所述第一硅胶体的前部；
所述尾体包括第二硅胶体、第二刚度控制腔和第二钢丝驱动腔，所述第二硅胶体的尾端逐渐缩小，所述第二硅胶体的前部安装在所述固定底盘上，所述第二硅胶体中间设有所述第二刚度控制腔，所述二刚度控制腔为封闭腔，所述的第二刚度控制腔与第二通气导管相连接，所述第二通气管与所述外接气源连接；在所述第二刚度控制腔的外侧周围的硅胶体一圈上等弧度间隔地设有所述第二钢丝驱动腔，所述的第二刚度控制腔与所述第一刚度控制腔连通，所述第二钢丝驱动腔里面设有第二驱动钢丝，所述第二驱动钢丝的前端固定在所述第二钢丝驱动腔内，所述第二驱动钢丝的后端穿过所述固定底盘与固定在用于缠绕所述第二驱动钢丝的第二卷筒上，所述第二卷筒的转轴与尾部驱动电机的输出轴连接，所述尾部驱动电机安装在电机安装盘上。
进一步，所述基体有至少两个，前后基体之间连接。该处的基体可以为模块化，两两相邻的模块之间通过固定底板连接，硅胶体、刚度控制腔和钢丝驱动腔的结构与基体是相同的。
优选的，所述第一刚度控制腔和第二刚度控制腔的内外壁设有约束弹簧。
更进一步，在所述第一刚度控制腔的外侧周围的硅胶体一圈上设有供所述第二驱动钢丝穿过的走钢丝通道。对于基体有至少两个的情况，位于后部的基体上设有位于前部的基体和尾体的走钢丝通道。
本实用新型的技术构思为：本实用新型运用气压来独立控制软体机器人的刚度，电机-绳索来使得机器人拥有很好的运动性能，软体硅胶保证软体机器人的柔性。
本实用新型的有益效果主要表现在：兼顾柔性和刚性、有效进行动态调节。
附图说明
图1是本实用新型的基体结构图。
图2是图1的侧视图。
图3是本实用新型的尾体结构图。
图4是图3的侧视图。
图5是本实用新型的整体结构的伸直状态。
图6是本实用新型的整体结构的弯曲状态。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述。
参照图1～图6，一种运动和刚度独立可控软体机器人，包括基体1和尾体2，所述基体1的后部与所述尾体2的前部相连接，所述基体1包括第一硅胶体6、第一刚度控制腔10和第一钢丝驱动腔12，所述第一硅胶体6呈圆柱形，所述第一硅胶体中间设有所述的第一刚度控制腔10，在所述第一刚度控制腔10的外侧周围的硅胶体一圈上等弧度间隔地设有所述第一钢丝驱动腔12，所述第一刚度控制腔10为封闭腔，所述的第一刚度控制腔10与第一通气导管4相连接，所述第一通气管4与用于动态调节刚度的外接气源连接；所述第一钢丝驱动腔12里面设有第一驱动钢丝8，所述第一驱动钢丝8的尾端固定在固定底盘9上，所述的第一驱动钢丝8的首端固定在用于缠绕所述第一驱动钢丝的第一卷筒上，所述第一卷筒的转轴与基体驱动电机5的电机轴联接，所述基体驱动电机5安装在电机安装盘3上，所述固定底盘9安装在所述第一硅胶体6的后部，所述电机安装盘3安装在所述第一硅胶体6的前部；
所述尾体2包括第二硅胶体16、第二刚度控制腔18和第二钢丝驱动腔17，所述第二硅胶体16的尾端逐渐缩小，所述第二硅胶体16的前部安装在所述固定底盘9上，所述第二硅胶体16中间设有所述第二刚度控制腔18，所述二刚度控制腔18为封闭腔，所述的第二刚度控制腔18与第二通气导管13相连接，所述第二通气管13与所述外接气源连接；在所述第二刚度控制腔18的外侧周围的硅胶体一圈上等弧度间隔地设有所述第二钢丝驱动腔17，所述第二钢丝驱动腔17里面设有第二驱动钢丝14，所述第二驱动钢丝14的前端固定在所述第二钢丝驱动腔17内，所述第二驱动钢丝14的后端穿过所述固定底盘9与固定在用于缠绕所述第二驱动钢丝的第二卷筒上，所述第二卷筒的转轴与尾部驱动电机的输出轴连接，所述尾部驱动电机安装在电机安装盘3上。
进一步，所述基体1有至少两个，前后基体1之间连接。该处的基体1可以为模块化，两两相邻的模块之间通过固定底板连接，各个基体中，硅胶体、刚度控制腔和钢丝驱动腔的结构均是相同的。
优选的，所述第一刚度控制腔12和第二刚度控制腔18的内外壁设有约束弹簧，分别为第一约束弹簧7和第二约束弹簧14。
更进一步，在所述第一刚度控制腔10的外侧周围的硅胶体一圈上设有供所述第二驱动钢丝穿过的走钢丝通道11。对于基体有至少两个的情况，位于后部的基体上设有位于前部的基体和尾体的走钢丝通道。
本实施例中，所述的基体中，第一通气管通入不同压力的气体使得机器人的刚度是动态可调的；不同的所述驱动电机拉动不同的所述的驱动钢丝驱动机器人不同方向和不同程度的弯曲变形，即基体驱动电机5转动所述第一卷筒，使得第一驱动钢丝8伸长或缩短；尾部驱动电机转动所述第二卷筒，使得第二驱动钢丝14伸长或缩短；为了防止软体机器人的第一刚度控制腔在充入高压气体后发生径向变形，在第一刚度控制腔的内外壁内设有约束弹簧，且所述的约束弹簧可增大机器人整体的刚度。该机器人的结构为模块化结构，可多节串联，各节的所述的驱动钢丝通过所述的钢丝驱动腔统一走到基体的驱动电机轴上。
所述尾体的设计思路和基体的一致，不同之处是其尾端逐渐缩小。基体和尾体串联连接在一起之后，可实现模仿章鱼腕足的伸长、弯曲、抓握等功能，同时通过调节刚度控制腔的压缩气体压力，可以实时控制机器人的本体刚度。
Claims (4)
1.一种运动和刚度独立可控软体机器人，包括基体和尾体，所述基体的后部与所述基体的前部相连接，其特征在于：所述基体包括第一硅胶体、第一刚度控制腔和第一钢丝驱动腔，所述第一硅胶体呈圆柱形，所述第一硅胶体中间设有所述的第一刚度控制腔，在所述第一刚度控制腔的外侧周围的硅胶体一圈上等弧度间隔地设有所述第一钢丝驱动腔，所述第一刚度控制腔为封闭腔，所述的第一刚度控制腔与第一通气导管相连接，所述第一通气管与用于动态调节刚度的外接气源连接；所述第一钢丝驱动腔里面设有第一驱动钢丝，所述第一驱动钢丝的尾端固定在固定底盘上，所述的第一驱动钢丝的首端固定在用于缠绕所述第一驱动钢丝的第一卷筒上，所述第一卷筒的转轴与基体驱动电机的电机轴联接，所述基体驱动电机安装在电机安装盘上，所述固定底盘安装在所述第一硅胶体的后部，所述电机安装盘安装在所述第一硅胶体的前部；
所述尾体包括第二硅胶体、第二刚度控制腔和第二钢丝驱动腔，所述第二硅胶体的尾端逐渐缩小，所述第二硅胶体的前部安装在所述固定底盘上，所述第二硅胶体中间设有所述第二刚度控制腔，所述二刚度控制腔为封闭腔，所述的第二刚度控制腔与第二通气导管相连接，所述第二通气管与所述外接气源连接；在所述第二刚度控制腔的外侧周围的硅胶体一圈上等弧度间隔地设有所述第二钢丝驱动腔，所述第二钢丝驱动腔里面设有第二驱动钢丝，所述第二驱动钢丝的前端固定在所述第二钢丝驱动腔内，所述第二驱动钢丝的后端穿过所述固定底盘与固定在用于缠绕所述第二驱动钢丝的第二卷筒上，所述第二卷筒的转轴与尾部驱动电机的输出轴连接，所述尾部驱动电机安装在电机安装盘上。
2.如权利要求1所述的运动和刚度独立可控软体机器人，其特征在于：所述基体有至少两个，前后基体之间连接。
3.如权利要求1或2所述的运动和刚度独立可控软体机器人，其特征在于：所述第一刚度控制腔和第二刚度控制腔的内外壁设有约束弹簧。
4.如权利要求1或2所述的运动和刚度独立可控软体机器人，其特征在于：在所述第一刚度控制腔的外侧周围的硅胶体一圈上设有供所述第二驱动钢丝穿过的走钢丝通道。
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