CN213859341U - 一种气动仿蠕虫软体操纵臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种气动仿蠕虫软体操纵臂，属于流体驱动及软体机器人领域。本实用新型模仿蠕虫的纤维膜设计了双向对称交叉螺旋缠绕的固定线，能够在对弹性体臂加气压时使其长度随体积增加而伸长，限制其径向膨胀和扭转趋势，实现了一个腔道输入只对应一个弯曲运动并且完全没有耦合扭转的全驱动系统，从而在实现弹性体臂三维空间内的弯曲、伸长动作的同时，减小了弹性体臂的异常膨胀和扭转，有效提升了软体操纵臂的稳定性；本实用新型模仿自然界中广泛存在的流体静力骨骼(章鱼臂、象鼻、变色龙舌头)设置弹性体外层，从结构本身上实现了对蠕虫纵向肌肉束、纤维膜和表皮的仿生，更符合生物机理。

Description

一种气动仿蠕虫软体操纵臂

技术领域

本实用新型属于流体驱动及软体机器人领域，更具体地，涉及一种气动仿蠕虫软体操纵臂。

背景技术

传统机器人是由刚性段和连接件组成的机器，运动主要基于刚体段之间的关节角度或者位置的变化。这类机器具有运动控制精准的特点，广泛用于军事、工业、物流等领域。但随着人类对机器人工作环境的需求日益复杂，对机器人的应用要求也提高。而传统机器人受到刚性结构对工作空间的限制，更适应在自由空间内进行作业，对于复杂的非结构化受限环境适应性差。比如，海洋探索中难以通过狭窄的礁石缝隙对生物进行观察，地震救援中难以进入废墟对环境进行勘探。并且刚性机器人的结构刚性会在一定程度上对作业环境进行破坏，比如，刚性的手术机器人进入人体会对脏器造成压迫；刚性的水下机器人检查河道和河床会对河床造成破坏，并且捕捞生物难以避免对生物组织造成损伤。

软体机器人学是一门融合了柔性结构设计、软体材料研发和加工、非刚性连接驱动、柔性传感器感知以及弹性力学建模和控制等学科的相关知识的科学。研究者们通过模仿自然界中的软体生物以及部分有脊椎动物的软体器官的支撑和运动机理，让软体机器人在一定范围内改变自身的尺寸从而实现连续的柔性曲线运动。软体机器人的构型灵活性和运动柔顺性让其具有广泛的应用前景，比如，在海洋探索中对活体生物进行跟踪和观察或进行柔性抓取，在手术中进入人体并且在各种人体环境中进行相关探测或进行治疗等。

气动软体机器人通常是选用硅橡胶、PDMS和尼龙布等材质，在没有约束时增加气压，就会像气球一样有膨胀现象。膨胀现象会限制软体机器人的工作区域在较小的气压范围内，并且会让软体机器人难以实现伸长、弯曲等运动。没有约束的气动软体机器人在加气压时也会伴随着异常的耦合扭转，这种单一驱动下的耦合扭转意味着该软体机器人是欠驱系统，在实际控制中难以对耦合扭转进行建模从而导致欠驱系统的控制精度低。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种气动仿蠕虫软体操纵臂，其目的在于提供一种能够实现三维空间内的弯曲、伸长动作，同时不会出现异常膨胀和扭转的软体机器人。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种气动仿蠕虫软体操纵臂，包括：弹性体臂和弹性体外层；

所述弹性体臂中心设置有圆柱腔，用于布置气路；所述弹性体臂内部与所述圆柱腔同轴的周向均匀分布有至少三个扇形气腔，用于灌输气体以驱动弹性体臂运动；弹性体臂外表面均匀缠绕有双向对称交叉螺旋缠绕的固定线，用于限制弹性体臂的径向膨胀和扭转；

所述固定线表面覆盖有弹性体外层，用于限制固定线的位置，防止固定线移位。

进一步地，所述固定线的纤维角度大于55度。

进一步地，所述软体操纵臂还包括分布于两端的密封部件；所述密封部件用于对软体操纵臂的每个气路进行密封。

进一步地，所述弹性体外层和弹性体臂的材料相同。

进一步地，所述弹性体臂的弹性模量为0.1-1Mpa，硬度为邵氏A00-30。

进一步地，所述弹性体臂的材料为硅胶。

进一步地，所述固定线采用尼龙线。

进一步地，所述软体操纵臂由多个弹性体臂连接构成。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

(1)本实用新型模仿蠕虫的纤维膜设计了双向对称交叉螺旋缠绕的固定线，能够在对弹性体臂加气压时使其长度随体积增加而伸长，限制其径向膨胀和扭转趋势，实现了一个腔道输入只对应一个弯曲运动并且完全没有耦合扭转的全驱动系统，从而在实现弹性体臂三维空间内的弯曲、伸长动作的同时，减小了弹性体臂的异常膨胀和扭转，有效提升了软体操纵臂的稳定性。

(2)本实用新型模仿自然界中广泛存在的流体静力骨骼(章鱼臂、象鼻、变色龙舌头)设置弹性体外层，从结构本身上实现了对蠕虫纵向肌肉束、纤维膜和表皮的仿生，更符合生物机理。

(3)本实用新型的软体操纵臂可由多个弹性体臂连接构成，可以实现复杂的连续曲线运动。

附图说明

图1是本实用新型提供的气动仿蠕虫软体操纵臂的完整结构构型；

图2(a)是本实用新型提供的弹性体臂的完整结构构型；

图2(b)是本实用新型提供的未绕制纤维线的弹性体臂结构构型；

图2(c)是本实用新型提供的纤维线缠绕结构构型；

图2(d)是本实用新型提供的覆盖有弹性体外层的软体操纵臂结构构型；

图3本实用新型提供的多个弹性体臂连接构成的软体操纵臂；

图4是本实用新型提供的弹性体臂的密封装置结构图；

图5是本实用新型提供的弹性体臂模具结构图；

图6是本实用新型提供的弹性体外层模具结构图；

图7是本实用新型提供的密封圈模具结构图；

图8是本实用新型提供的密封层模具结构图；

其中，201为夹紧件，202为连接件，301为弹性体臂内部，302为圆柱腔，303为扇形气腔，304为固定线，305为纤维角角度，306为弹性体外层，401为密封圈，402为通孔螺钉，403为气路快接头，404为硅胶垫圈，405为上密封层，406为下密封层。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型提供的一种气动仿蠕虫软体操纵臂，其设计原理为，蠕虫、蚯蚓这类无脊椎动物以及软体器官比如章鱼臂、象鼻、变色龙舌头都是基于流体静力骨骼结构支撑和完成各种复杂动作的。流体静力骨骼的特点是有一个圆柱体的空腔，空腔内是作为“骨骼”支撑的流体，空腔外覆盖的是肌肉组织和作为增强的纤维膜，通过空腔、肌肉组织和纤维的相互作用，让这类软体生物和软体器官实现复杂精确的连续运动。以蠕虫状动物为例，蠕虫的肌肉组织为纵向肌肉，缺少作为拮抗的径向、环向、轴向纤维，但在它们的表皮结构中有排列成交叉的纤维螺旋结缔组织阵列。当蠕虫的纵向肌肉收缩时，会产生缩短身体的力并且试图缩小空腔的封闭体积，但由于封闭的流体具有不可压缩性而且也不能流出，所以抵抗身体缩短的压力增加，从而产生使身体弯曲的运动，实现爬行运动。

具体地，该气动仿蠕虫软体操纵臂，整体结构如图1所示，其核心部件包括，弹性体臂和弹性体外层；其中，弹性体臂如图2(a)所示，其中心设置有圆柱腔302，用于布置气路；

现有气动软体机器人广泛使用较硬的橡胶材质气管作为驱动的气路通道，并且出于制作过程和密封简便的考虑将气路布置在本体外面，但这种布置会导致气路成为软体机器人作业过程中的障碍物。本实用新型将气路布置在弹性体臂内部的圆柱腔里，通过选用聚四氟乙烯这种柔性材质倒模制作了合适刚度的气管，克服了嵌入式气路材料刚度大会对弹性体臂的运动控制造成扰动的技术问题。本实用新型将气路布置在弹性体臂内部，有效避免了气路成为操作空间障碍物的情况，并且实现了完全独立的弹性臂单元，使得本实用新型可以有效扩展成多单元弹性臂组合的气动软体机器人。

如图2(b)所示，弹性体臂内部301与圆柱腔同轴的周向均匀分布有至少三个扇形气腔303，用于灌输气体以驱动弹性体臂运动；通过分别对任意驱动气路增加气压可以实现操纵臂的弯曲、伸长运动；

弹性体臂外表面均匀缠绕有双向对称交叉螺旋缠绕的固定线304，如图2(c)所示，用于限制弹性体臂的径向膨胀和扭转；本实用新型设置的固定线模仿了蠕虫的纤维膜结构，通过对纤维角角度的设计，可以实现对弹性体内壁直径的限制和操纵臂扭转的控制，设置的纤维角角度305大于55度；固定线一般采取纤维线，为节约成本，本实用新型实施例采用的是尼龙线。

如图2(d)所示，固定线表面覆盖有弹性体外层306，弹性体壁外层模仿了蠕虫的表皮，对纤维线进行了位置和纤维角角度的限制，以防止固定线脱离原来的位置，影响弹性体臂的性能。

其中，弹性体外层和弹性体臂的材料相同，采用的材料应满足弹性模量为0.1-1Mpa，硬度为邵氏A00-30，以实现较大的弯曲角度，比如可以采用硅胶。

本实用新型还采用了橡胶垫片、螺帽和3D打印连接件的方式对每一段软体操纵臂进行了气体密封处理，保证在施加较大气压时每个气路都不会出现漏气的情况。

本实用新型中，弹性体臂各个部件的尺寸根据有限元分析确定相应的比例限制，作为一个可选地实例，弹性体内部301的外圆直径为60mm；圆柱腔302的直径为15mm；扇形气腔303的内弧半径为21mm，外弧半径为24mm；交叉螺旋纤维线的螺距为50mm，纤维角为75^°30^′；弹性体外层306的内圆直径为60mm，外圆直径为64mm。

为了实现复杂的连续曲线运动，本实用新型的软体操纵臂也可由多个上述弹性体臂连接构成，连接方式不限，例如可采用如图3所示的连接方式。

本实用新型实施例采用倒模的方式来制作上述气动仿蠕虫软体操纵臂，制作过程分为三个部分：第一部分是弹性体臂的制作，第二部分是密封部件的制作，第三部分是连接件的制作与整体组装。第一个部分包含三个步骤：1)制作弹性体臂的内层；2)缠绕纤维线；3)制作弹性体臂的外层。第二个部分包括四个步骤：1)制作密封圈；2)制作上密封层；3)制作下密封层；4)粘连密封层和弹性体臂。第三部分包含两个步骤：1)制作连接件；2)整体组装。

具体的，第一部分弹性体臂的制作过程如下：

第一步，制作弹性体臂的内层。首先，使用SOLIDWORKS设计内层的三维模具，如图5所示；其次，使用3D打印机打印设计好的三维模具，其中，3D打印机可采用启庞fdm(熔融沉积成型)3D打印机，打印材料可选用pla(聚乳酸)；然后，浇注硅胶材料，其中硅胶材料可选用ECOFLEX00-30，其A、B组分按质量比1：1混合，均匀搅拌3分钟之后，放入真空室进行5分钟的脱泡处理，脱泡完成后将硅胶浇注到模具中；最后，60°恒温处理，将浇注硅胶后的模具放入恒温箱进行60°恒温处理30分钟，其中恒温箱可选用尚诚仪器的恒温箱，待硅胶固化后取出硅胶，得到的硅胶如图2(b)所示。

第二步，缠绕纤维线。在第一步得到的硅胶上，采用双向交叉螺旋缠绕的方法缠绕纤维，如图2(c)所示，其中，纤维线可选用川作的9编pe线。

第三步，制作弹性体臂的外层。首先，使用SOLIDWORKS设计外层的三维模具，如图6所示；然后，使用3D打印机打印设计好的三维模具，3D打印机和打印材料同第一步；最后，将第二步缠绕好纤维线的弹性体臂的内层放入模具当中，浇注与第二步相同的硅胶材料，同样60°恒温处理30分钟，待硅胶固化后，取出硅胶，得到的硅胶如图2(d)所示。

具体的，第二部分密封部件的制作过程如下：

第一步，制作密封圈401。首先，使用SOLIDWORKS设计密封圈的三维模具，如图7所示，密封圈的作用是给扇形气腔充气的气路和扇形气腔进行密封的固件进行加固，使密封结构紧凑从而密封效果更好；然后，使用3D打印机打印设计好的三维模具，3D打印机和打印材料同上；最后，浇注硅胶材料，其中硅胶材料选用smooth-on smooth-Sil 940，其A，B组分按质量比10：1混合，均匀搅拌3分钟之后，放入真空室进行5分钟的脱泡处理，脱泡完成后将硅胶浇注到模具中，室温放置2小时，待硅胶固化后，取出硅胶。

第二步，制作上密封层405。首先，使用SOLIDWORKS设计密封层的三维模具，如图8所示，密封层是和弹性体臂连接的圆柱形结构，内部嵌有3个气腔对应的气路密封固件；然后，使用3D打印机打印设计好的三维模具，3D打印机和打印材料同上；最后，将三根通孔螺钉402竖直插入第一步制作的密封圈401中心，并将它们沿轴向均匀分布放置在模具当中，再浇注硅胶材料ECOFLEX 00-30，混合比例和处理方式同第一部分，待硅胶固化后，取出硅胶，在通孔螺钉402的另一侧套上硅胶垫圈404，再拧上气路快接头403，如图4的上部分所示。用于给驱动气腔充气的聚四氟乙烯气管首先通过密封圈401，然后会从通孔螺钉402中间穿过并被气路快接头403进行后续加固密封。

第三步，制作下密封层406。使用第二步制作的模具，浇注硅胶材料ECOFLEX 00-30，混合比例和处理方式同第一部分，待硅胶固化后，取出硅胶，如图4的下部分所示。

第四步，粘连密封层和弹性体臂。将硅胶材料smooth-on smooth-Sil 940均匀涂抹在弹性体臂的上下表面，硅胶的混合比例和处理方式同第二部分第一步，由下到上依次放置下密封层、弹性体臂、上密封层，注意保持三者轴线重合，如图4所示，待硅胶固化后，密封层粘连完成。

具体的，第三部分的制作过程如下：

第一步，首先，使用SOLIDWORKS设计弹性体臂圆台形夹紧件201和圆环形连接件202，201和202均位于单段弹性体臂的头和尾两处，作用是弹性体臂的气路密封。然后，使用3D打印机打印设计好的三维模具，3D打印机和打印材料同上。

第二部，使用螺钉将弹性体臂和夹紧件201连接到一起，再用螺钉将夹紧件和连接件连接到一起，完成一段弹性体臂的整个制作，如图1所示。两端臂通过连接件以及螺钉连接到一起，如图3所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种气动仿蠕虫软体操纵臂，其特征在于，包括：弹性体臂和弹性体外层；

所述弹性体臂中心设置有圆柱腔，用于布置气路；所述弹性体臂内部与所述圆柱腔同轴的周向均匀分布有至少三个扇形气腔，用于灌输气体以驱动弹性体臂运动；弹性体臂外表面均匀缠绕有双向对称交叉螺旋缠绕的固定线，用于限制弹性体臂的径向膨胀和扭转；

所述固定线表面覆盖有弹性体外层，用于限制固定线的位置，防止固定线移位。

2.根据权利要求1所述的一种气动仿蠕虫软体操纵臂，其特征在于，所述固定线的纤维角度大于55度。

3.根据权利要求1所述的一种气动仿蠕虫软体操纵臂，其特征在于，所述软体操纵臂还包括分布于两端的密封部件；所述密封部件用于对软体操纵臂的每个气路进行密封。

4.根据权利要求1所述的一种气动仿蠕虫软体操纵臂，其特征在于，所述弹性体外层和弹性体臂的材料相同。

5.根据权利要求4所述的一种气动仿蠕虫软体操纵臂，其特征在于，所述弹性体臂的弹性模量为0.1-1Mpa，硬度为邵氏A00-30。

6.根据权利要求5所述的一种气动仿蠕虫软体操纵臂，其特征在于，所述弹性体臂的材料为硅胶。

7.根据权利要求2所述的一种气动仿蠕虫软体操纵臂，其特征在于，所述固定线采用尼龙线。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种气动仿蠕虫软体操纵臂，其特征在于，所述软体操纵臂由多个弹性体臂连接构成。

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