主動可變剛度長臂式仿生軟體機器人的製作方法
2023-04-29 02:48:41
主動可變剛度長臂式仿生軟體機器人的製作方法
【專利摘要】一種主動可變剛度長臂式仿生軟體機器人，包括基節和尾節，基節包括第一彈性基體、第一通氣管、第一中心驅動腔和第一側驅動腔，第一彈性基體呈圓柱形，第一彈性基體的中部設有第一中心驅動腔，在第一中心驅動腔外的彈性基體的一圈上設有至少三個第一側驅動腔，第一中心驅動腔和第一側驅動腔的兩端均封閉，第一中心驅動腔、第一側驅動腔均與第一通氣管連通；在第一中心驅動腔的內壁和外壁安裝第一中心約束件，在第一側驅動腔的內壁和外壁安裝第一側約束件；尾節包括第二彈性基體、第二通氣管、第二中心驅動腔和第二側驅動腔，第二彈性基體呈圓臺形，第二通氣管與第一通氣管連通。本發明在抓持運動過程中有效實現剛度獨立可變和動態可控。
【專利說明】主動可變剛度長臂式仿生軟體機器人
【技術領域】
[0001]本發明涉及機器人領域，尤其是一種仿生軟體機器人。
【背景技術】
[0002]近年來，軟體機器人成為機器人領域的一個新興且極具前景的研宄方向。傳統的剛性機器人以其高剛度、高強度、高精度、高速度的特點在工業領域得到廣泛應用，然而，當眾多的科研和技術人員付出巨大努力試圖將剛性機器人從工業生產線應用擴展到其他領域(如家政服務、助老助殘、農業自動化、醫療康復等)時，卻發現嚴重依賴結構化環境和精確數學模型的剛性機器人在上述的非結構複雜環境中與難以用準確的數學模型加以描述的複雜多變對象進行交互作業時，剛性機器人的高剛度、高強度、高精度特點反而成為導致其不能勝任此類任務的缺點。在這種情況下，軟體機器人研宄逐漸興起，科研工作者和工程技術人員藉助於智能材料(如:矽橡膠、形狀記憶合金SMA、電活性聚合物EPA等)和新型驅動技術(如:SMA、氣動、磁流變、EPA等)，研宄開發完全不用或少用剛性機構的新型機器人結構，這類軟體機器人一般具有充分的柔順性、適應性、超冗餘或無限自由度，甚至可以任意改變自身形狀和尺寸以適應環境和目標。
[0003]仿生軟體機器人的設計靈感來源於自然界各色各樣的生物，即:研宄某一種動物或其肢體的結構特點和工作機理，以此為基礎進行相應的仿生軟體機器人研製，例如蛇形機器人、象鼻機器人、章魚機器人、蚯蚓機器人、海星機器人、仿毛蟲機器人、尺蠖機器人，等等。目前，普遍認為此類機器人研宄的主要難點在於智能材料的開發、結構的創新設計、本體的加工製造方法、準確的數學建模、與環境目標的交互作用機理與建模、工作狀態信息反饋技術、控制技術，等。其中模仿象鼻、章魚腕足等結構的長臂式仿生軟體機器人研宄主要目的是進行柔順、安全的目標抓持與操作任務，因此研宄象鼻、章魚腕足的抓持目標過程，尤其是抓持過程中的主動剛度可變控制是最為重要的基本問題，也是仿生軟體機器人設計與控制的根本原型，而文獻分析顯示目前學術界的研宄工作普遍集中在生物體結構形式的模仿設計上，鮮有關於象鼻或章魚腕足剛度分析建模及其機器人仿生控制研宄的文獻資料。
[0004]象鼻或章魚腕足等生物體的優點在於其具有充分的柔順性和無限自由度的彎曲變形能力，能夠適應各種異型結構目標物體的外形並實施穩定的抓持操作。尤其是在抓持及其運動過程中，象鼻或章魚腕足能夠根據目標物體的物理機械特性、受力/力矩狀態、位置姿態、運動參數等因素，實時調整其體內的肌肉收縮狀態、控制其抓持力大小及分布，動態調整自身的剛度以保持穩定的抓持操作。而目前學者研製的象鼻機器人、章魚機器人等僅僅是結構形式上的仿生，能夠實現結構外形模仿和運動形式仿生，還不能實現運動過程或抓持過程中的自身剛度可變及其動態控制、難以實施安全穩定的目標操控，即只能做到形似而非神似。所以，象鼻或章魚腕足等生物體的變剛度特性及其主動控制能力是長臂式軟體機器人研宄中應該重點關注的仿生目標，如何實現自身剛度的獨立可變且動態可控是此類仿生機器人走向實際應用道路上必須解決的關鍵問題。
【發明內容】
[0005]為了克服已有仿生軟體機器人在抓持運動過程中無法實現剛度獨立可變和動態可控的不足，本發明提供一種在抓持運動過程中有效實現剛度獨立可變和動態可控的主動可變剛度長臂式仿生軟體機器人。
[0006]本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:
[0007]一種主動可變剛度長臂式仿生軟體機器人，包括基節和尾節，所述基節的後端與所述尾結的前端連接，所述基節包括第一彈性基體、第一通氣管、第一中心驅動腔和第一側驅動腔，所述第一彈性基體呈圓柱形，所述第一彈性基體的中部設有第一中心驅動腔，在所述第一中心驅動腔外的彈性基體的一圈上等圓弧間隔地設有至少三個第一側驅動腔，所述第一中心驅動腔和第一側驅動腔的兩端均封閉，所述第一中心驅動腔、第一側驅動腔均與第一通氣管連通；在所述第一中心驅動腔的內壁和外壁安裝第一中心約束件，在所述第一側驅動腔的內壁和外壁安裝第一側約束件；
[0008]所述尾節包括第二彈性基體、第二通氣管、第二中心驅動腔和第二側驅動腔，所述第二彈性基體呈圓臺形，所述第二彈性基體的中部設有第二中心驅動腔，在所述第二中心驅動腔外的彈性基體的一圈上等圓弧間隔地設有至少三個第二側驅動腔，所述第二中心驅動腔和第二側驅動腔的兩端均封閉，所述第二中心驅動腔、第二側驅動腔均與第二通氣管連通；在所述第二中心驅動腔的內壁和外壁安裝第二中心約束件，在所述第二側驅動腔的內壁和外壁安裝第二側約束件；
[0009]所述第二通氣管與所述第一通氣管連通。
[0010]進一步，所述基節有至少兩個，前後基節之間級聯。可以根據仿生的需要，進行不同的設計。
[0011]再進一步，所述基節中，在所述第一中心驅動腔外的彈性基體的一圈上與所述第一側驅動腔錯位布置第一走管通道，所述第一通氣管位於所述第一走管通道內；所述尾節中，在所述第二中心驅動腔外的彈性基體的一圈上與所述第二側驅動腔錯位布置第二走管通道，所述第二通氣管位於所述第二走管通道內。
[0012]更進一步，所述基節中，所述第一中心約束件包括第一中心約束彈簧和第一中心約束環，所述第一中心驅動腔的內壁安裝第一中心約束彈簧，所述第一中心驅動腔的外壁安裝第一中心約束環，所述第一側約束件包括第一側約束彈簧和第一側約束環，所述第一側驅動腔的內壁安裝第一側約束彈簧，所述第一側驅動腔的外壁安裝第一側約束環；所述尾節中，所述第二中心約束件包括第二中心約束彈簧和第二中心約束環，所述第二中心驅動腔的內壁安裝第二中心約束彈簧，所述第二中心驅動腔的外壁安裝第二中心約束環，所述第二側約束件包括第二側約束彈簧和第二側約束環，所述第二側驅動腔的內壁安裝第二側約束彈簧，所述第二側驅動腔的外壁安裝第二側約束環。
[0013]或者是:所述第一中心約束件、第一側約束件、第二中心約束件、第二側約束件均為約束彈簧。
[0014]再或者是:所述第一中心約束件、第一側約束件、第二中心約束件、第二側約束件均為約束環。
[0015]所述第一彈性基體的後端設有槽口，所述第二彈性基體的前端設有與所述槽口配合的榫頭。該連接方式屬於一種優選的連接方式，當然，也可以採用其他的連接方式；另外，對於級聯的基節之間的連接，也可以採用榫槽式連接，當然，也可以採用其他連接方式。
[0016]本發明的技術構思為:本發明在項目組近年來柔性驅動結構與控制研宄的基礎上，提出一種剛度獨立可變的長臂式仿生軟體機器人結構，以實現軟體機器人在抓持運動過程中的剛度獨立可變和動態調控。
[0017]本發明著眼於目前軟體機器人研宄過多強調柔性而缺乏操作剛度適應性的問題，提出自身剛度獨立可變的長臂式仿生軟體機器人結構，是軟體機器人研宄的一種新探索，有望解決目前長臂式軟體機器人柔性有餘而操作剛度不足且難以動態調控的問題。
[0018]本發明的有益效果主要表現在:使軟體機器人具有很好的的柔軟性和彎曲性，能夠有效的抓取不同結構外形的目標物體，並且可以使軟體機器人能夠實時的控制和改變自身的剛度、保持穩定的抓取動作。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是本發明的基節結構圖。
[0020]圖2是圖1的側視圖。
[0021]圖3是本發明的尾節結構圖。
[0022]圖4是圖3的側視圖。
[0023]圖5是本發明的整體結構的伸直狀態。
[0024]圖6是本發明的整體結構的彎曲狀態。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發明作進一步描述。
[0026]參照圖1?圖6，一種主動可變剛度長臂式仿生軟體機器人，包括基節I和尾節2，所述基節I的後端與所述尾結2的前端連接，所述基節I包括第一彈性基體11、第一通氣管12、第一中心驅動腔14和第一側驅動腔13，所述第一彈性基體11呈圓柱形，所述第一彈性基體11的中部設有第一中心驅動腔14，在所述第一中心驅動腔14外的彈性基體的一圈上等圓弧間隔地設有至少三個第一側驅動腔13，所述第一中心驅動腔14和第一側驅動腔13的兩端均封閉，所述第一中心驅動腔14、第一側驅動腔13均與第一通氣管12連通；在所述第一中心驅動腔14的內壁和外壁安裝第一中心約束件，在所述第一側驅動腔13的內壁和外壁安裝第一側約束件；
[0027]所述尾節2包括第二彈性基體21、第二通氣管22、第二中心驅動腔24和第二側驅動腔23，所述第二彈性基體21呈圓臺形，所述第二彈性基體21的中部設有第二中心驅動腔24，在所述第二中心驅動腔24外的彈性基體的一圈上等圓弧間隔地設有至少三個第二側驅動腔23，所述第二中心驅動腔24和第二側驅動腔23的兩端均封閉，所述第二中心驅動腔24、第二側驅動腔23均與第二通氣管22連通；在所述第二中心驅動腔24的內壁和外壁安裝第二中心約束件，在所述第二側驅動腔23的內壁和外壁安裝第二側約束件；
[0028]所述第二通氣管22與所述第一通氣管12連通。
[0029]進一步，所述基節I有至少兩個，前後基節之間級聯。可以根據仿生的需要，進行不同的設計。
[0030]再進一步，所述基節I中，在所述第一中心驅動腔外的彈性基體的一圈上與所述第一側驅動腔13錯位布置第一走管通道17，所述第一通氣管12位於所述第一走管通道17內；所述尾節2中，在所述第二中心驅動腔外的彈性基體的一圈上與所述第二側驅動腔23錯位布置第二走管通道27，所述第二通氣管22位於所述第二走管通道27內。
[0031]更進一步，所述基節I中，所述第一中心約束件包括第一中心約束彈簧15和第一中心約束環16，所述第一中心驅動腔13的內壁安裝第一中心約束彈簧15，所述第一中心驅動腔13的外壁安裝第一中心約束環16，所述第一側約束件包括第一側約束彈簧和第一側約束環，所述第一側驅動腔的內壁安裝第一側約束彈簧，所述第一側驅動腔的外壁安裝第一側約束環；所述尾節2中，所述第二中心約束件包括第二中心約束彈簧25和第二中心約束環26，所述第二中心驅動腔23的內壁安裝第二中心約束彈簧25，所述第二中心驅動腔23的外壁安裝第二中心約束環26，所述第二側約束件包括第二側約束彈簧和第二側約束環，所述第二側驅動腔的內壁安裝第二側約束彈簧，所述第二側驅動腔的外壁安裝第二側約束環。
[0032]或者是:所述第一中心約束件、第一側約束件、第二中心約束件、第二側約束件均為約束彈簧。
[0033]再或者是:所述第一中心約束件、第一側約束件、第二中心約束件、第二側約束件均為約束環。
[0034]所述第一彈性基體11的後端設有槽口，所述第二彈性基體21的前端設有與所述槽口配合的榫頭。該連接方式屬於一種優選的連接方式，當然，也可以採用其他的連接方式；另外，對於級聯的基節之間的連接，也可以採用榫槽式連接，當然，也可以採用其他連接方式。
[0035]本實施例中，基節I的結構為:第一彈性基體11是由矽膠材料製成的，伸縮和彎曲性能很好，它是仿生軟體機器人最外層，把所述的基節I包含的其他結構全部包裹在一起，所述的第一彈性基體11的結構為模塊化結構，兩端設置連接結構，可多節串聯；所述的第一通氣管12是主動可變剛度長臂式仿生軟體機器人的驅動氣體傳輸的部分，在所述的第一彈性基體11內包含著很多根所述的第一通氣管12，所述的第一通氣管12分布在所述的第一中心驅動腔13、所述的第一側驅動腔14內；所述的第一中心驅動腔13起著實時控制軟體機器人的本體剛度的作用，所述的第一中心驅動腔13的兩端是封閉的，所述的第一通氣管12連接到所述的中心驅動腔內，通過所述的第一通氣管12內輸入不同壓力的壓縮氣體可以控制軟體機器人的本體剛度；所述的第一側驅動腔14起著控制軟體機器人的彎曲、抓持等動作的作用，同樣所述的第一側驅動腔14的兩端也是封閉的，許多根所述的第一通氣管12連接到所述的側驅動腔內，向所述的第一側驅動腔14內不同方向所述的第一通氣管12內輸入壓縮氣體，可以實現軟體機器人不同方向的彎曲和抓持等動作；所述的第一中心約束彈簧15或第一中心約束環16是埋置在所述的第一中心驅動腔13的內外壁上，所述的第一側約束彈簧或第一側約束環埋置在和所述的第一側驅動腔14內外壁上的，所述的第一中心約束彈簧15和第一中心約束環16的作用是一樣的，所述的第一通氣管12內輸入不同壓力的壓縮氣體會導致所述的第一中心驅動腔13和所述的第一側驅動腔14充氣後發生徑向變大，所述的第一中心約束彈簧15或第一中心約束環16的作用是為防止充氣後發生所述的第一彈性基體11發生徑向大變；所述的第一走管通道17把所述的第一通氣管12統一走到所述的基節I的一端，便於多個所述的基節I之間串聯後所述的第一通氣管12可以相互連接。
[0036]所述的尾節2的結構和所述的基節I的結構大體一致，同樣包括第二彈性基體21、第二通氣管22、第二中心驅動腔23、第二側驅動腔24、第二中心約束彈簧25或第二中心約束環26、第二走管通道27，不同之處在於所述的尾節2末端是逐漸縮小的(即:整個尾節呈圓臺形)。所述的尾節2和所述的基節I連接在一起構成主動可變剛度長臂式仿生軟體機器人的整體結構。
[0037]本實施例的工作原理:主動可變剛度長臂式仿生軟體機器人的基節和尾節相互連接在一起，向中心驅動腔輸入不同壓力的壓縮氣體，可以實時調節軟體機器人的本體剛度，使得機器人在完成抓持等動作的時候具有合適的剛度，向不同方向的側驅動腔輸入不同壓力的壓縮氣體，可以使得軟體機器人實現不同程度、不同方向的彎曲，由基節和尾節的中心驅動腔和側驅動腔相互配合，使得軟體機器人可以模仿章魚腕足完成各種複雜的動作。
[0038]本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現形式的列舉，本發明的保護範圍不應當被視為僅限於實施例所陳述的具體形式，本發明的保護範圍也包括本領域技術人員根據本發明構思所能夠想到的等同技術手段。
【權利要求】
1.一種主動可變剛度長臂式仿生軟體機器人，包括基節和尾節，所述基節的後端與所述尾結的前端連接，其特徵在於:所述基節包括第一彈性基體、第一通氣管、第一中心驅動腔和第一側驅動腔，所述第一彈性基體呈圓柱形，所述第一彈性基體的中部設有第一中心驅動腔，在所述第一中心驅動腔外的彈性基體的一圈上等圓弧間隔地設有至少三個第一側驅動腔，所述第一中心驅動腔和第一側驅動腔的兩端均封閉，所述第一中心驅動腔、第一側驅動腔均與第一通氣管連通；在所述第一中心驅動腔的內壁和外壁安裝第一中心約束件，在所述第一側驅動腔的內壁和外壁安裝第一側約束件； 所述尾節包括第二彈性基體、第二通氣管、第二中心驅動腔和第二側驅動腔，所述第二彈性基體呈圓臺形，所述第二彈性基體的中部設有第二中心驅動腔，在所述第二中心驅動腔外的彈性基體的一圈上等圓弧間隔地設有至少三個第二側驅動腔，所述第二中心驅動腔和第二側驅動腔的兩端均封閉，所述第二中心驅動腔、第二側驅動腔均與第二通氣管連通；在所述第二中心驅動腔的內壁和外壁安裝第二中心約束件，在所述第二側驅動腔的內壁和外壁安裝第二側約束件； 所述第二通氣管與所述第一通氣管連通。
2.如權利要求1所述的主動可變剛度長臂式仿生軟體機器人，其特徵在於:所述基節有至少兩個，前後基節之間級聯。
3.如權利要求1或2所述的主動可變剛度長臂式仿生軟體機器人，其特徵在於:所述基節中，在所述第一中心驅動腔外的彈性基體的一圈上與所述第一側驅動腔錯位布置第一走管通道，所述第一通氣管位於所述第一走管通道內；所述尾節中，在所述第二中心驅動腔外的彈性基體的一圈上與所述第二側驅動腔錯位布置第二走管通道，所述第二通氣管位於所述第二走管通道內。
4.如權利要求1或2所述的主動可變剛度長臂式仿生軟體機器人，其特徵在於:所述基節中，所述第一中心約束件包括第一中心約束彈簧和第一中心約束環，所述第一中心驅動腔的內壁安裝第一中心約束彈簧，所述第一中心驅動腔的外壁安裝第一中心約束環，所述第一側約束件包括第一側約束彈簧和第一側約束環，所述第一側驅動腔的內壁安裝第一側約束彈簧，所述第一側驅動腔的外壁安裝第一側約束環；所述尾節中，所述第二中心約束件包括第二中心約束彈簧和第二中心約束環，所述第二中心驅動腔的內壁安裝第二中心約束彈簧，所述第二中心驅動腔的外壁安裝第二中心約束環，所述第二側約束件包括第二側約束彈簧和第二側約束環，所述第二側驅動腔的內壁安裝第二側約束彈簧，所述第二側驅動腔的外壁安裝第二側約束環。
5.如權利要求1或2所述的主動可變剛度長臂式仿生軟體機器人，其特徵在於:所述第一中心約束件、第一側約束件、第二中心約束件、第二側約束件均為約束彈簧。
6.如權利要求1或2所述的主動可變剛度長臂式仿生軟體機器人，其特徵在於:所述第一中心約束件、第一側約束件、第二中心約束件、第二側約束件均為約束環。
7.如權利要求1或2所述的主動可變剛度長臂式仿生軟體機器人，其特徵在於:所述第一彈性基體的後端設有槽口，所述第二彈性基體的前端設有與所述槽口配合的榫頭。
【文檔編號】B25J9/08GK104440918SQ201410406336
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年8月18日 優先權日:2014年8月18日
【發明者】鮑官軍, 李昆, 馬小龍, 王志恆, 楊慶華, 胥芳, 張立彬 申請人:浙江工業大學