仿生軟體機器人的可變剛度模塊的制作方法
【專利摘要】一種仿生軟體機器人的可變剛度模塊，所述可變剛度模塊包括彈性基體、通氣管、中心驅動腔和側驅動腔，所述彈性基體的截面呈圓形，所述彈性基體的中部設有中心驅動腔，在所述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側驅動腔，所述中心驅動腔和側驅動腔的兩端均封閉，所述中心驅動腔、側驅動腔均與通氣管連通；在所述中心驅動腔的內壁和外壁安裝中心約束件，在所述側驅動腔的內壁和外壁安裝側約束件。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】仿生軟體機器人的可變剛度模塊
【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究方向。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復雜環境中與難以用準確的數學模型加以描述的復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，軟體機器人研究逐漸興起，科研工作者和工程技術人員借助于智能材料(如:硅橡膠、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)，研究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、超冗余或無限自由度，甚至可以任意改變自身形狀和尺寸以適應環境和目標。
[0003]然而工業機器人在設計的過程中為了滿足某種特定的功能，往往需要耗費巨大的時間和精力，在任務要求比較明確的情況下，我們可以根據任務要求來設計我們需要的機器人，但是對于一些不可預知的工作任務，我們就無法完成一個機器人的最佳設計，在這種情況下如果能有一個機器人模塊，它能夠根據工作任務及工作環境的變化而自動改變自身的結構配置，構成與其相適應的最佳構形，完成操作任務，不但擴大了機器人的應用范圍，更由于模塊的均一性和互換性降低了制造及維護成本，提高了操作的可靠性。
【發明內容】
[0004]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仿生軟體機器人的可變剛度模塊。
[0005]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0006]一種仿生軟體機器人的可變剛度模塊，所述可變剛度模塊包括彈性基體、通氣管、中心驅動腔和側驅動腔，所述彈性基體的截面呈圓形，所述彈性基體的中部設有中心驅動腔，在所述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側驅動腔，所述中心驅動腔和側驅動腔的兩端均封閉，所述中心驅動腔、側驅動腔均與通氣管連通；在所述中心驅動腔的內壁和外壁安裝中心約束件，在所述側驅動腔的內壁和外壁安裝側約束件。
[0007]進一步，所述模塊的前端和后端分別設有連接件，前后相連的模塊之間通過連接件連接。
[0008]更進一步，在所述中心驅動腔外的彈性基體的一圈上與所述側驅動腔錯位布置走管通道，所述通氣管位于所述走管通道內。
[0009]再進一步，所述中心約束件包括中心約束彈簧和中心約束環，所述中心驅動腔的內壁安裝中心約束彈簧，所述中心驅動腔的外壁安裝中心約束環，所述側約束件包括側約束彈簧和側約束環，所述側驅動腔的內壁安裝側約束彈簧，所述側驅動腔的外壁安裝側約束環。
[0010]或者是:所述中心約束件、側約束件均為約束彈簧。
[0011]再或者是:所述中心約束件、側約束件均為約束環。
[0012]所述彈性基體的前端設有榫頭，后端設有與所述榫頭配合的槽口。
[0013]所述彈性基體為圓柱形，所述可變剛度模塊為基節。
[0014]所述彈性基體為圓臺形，所述可變剛度模塊為尾節。
[0015]本發明的技術構思為:可重構模塊機器人可以隨著人們的意愿來進行各種形狀的變換，本發明提出的仿生軟體機器人的可變剛度模塊可以根據工作任務的需求組合成各種最佳的構形。仿生軟體機器人的可變剛度模塊本身是一種集控制、驅動、通訊、傳動一體化的單元，所以各個模塊的組合并不是簡單的機械組合，還包括運動學和動力學組合，以及控制系統的組合。
[0016]本發明在著眼于目前軟體機器人的結構只是能夠完成某種單一的任務，面對復雜多變且不可預知的任務往往不能夠達到最佳的效果，提出了仿生軟體機器人的可變剛度模塊，是軟體機器人研究的一種新探索，有望解決目前仿生軟體機器人目標任務比較單一，設計成本過高、結構復雜且不具有可組合性的問題。
[0017]本發明的有益效果主要表現在:使軟體機器人具有很好的柔軟性和彎曲性，能夠有效的抓取不同結構外形的目標物體，并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】
[0018]圖1是本發明的仿生軟體機器人的可變剛度模塊的結構圖。
[0019]圖2是圖1的側視圖。
[0020]圖3是本發明的可變剛度形成的尾節結構圖。
[0021]圖4是圖3的側視圖。
[0022]圖5是本發明的仿生軟體機器人的伸直狀態。
[0023]圖6是本發明的仿生軟體機器人的彎曲狀態。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖對本發明作進一步描述。
[0025]參照圖1?圖6，一種仿生軟體機器人的可變剛度模塊，包括彈性基體、通氣管、中心驅動腔和側驅動腔，所述彈性基體的截面呈圓形，所述彈性基體的中部設有中心驅動腔，在所述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側驅動腔，所述中心驅動腔和側驅動腔的兩端均封閉，所述中心驅動腔、側驅動腔均與通氣管連通；在所述中心驅動腔的內壁和外壁安裝中心約束件，在所述側驅動腔的內壁和外壁安裝側約束件。
[0026]進一步，所述模塊的前端和后端分別設有連接件，前后相連的模塊之間通過連接件連接。
[0027]更進一步，在所述中心驅動腔外的彈性基體的一圈上與所述側驅動腔錯位布置走管通道，所述通氣管位于所述走管通道內。
[0028]再進一步，所述中心約束件包括中心約束彈簧和中心約束環，所述中心驅動腔的內壁安裝中心約束彈簧，所述中心驅動腔的外壁安裝中心約束環，所述側約束件包括側約束彈簧和側約束環，所述側驅動腔的內壁安裝側約束彈簧，所述側驅動腔的外壁安裝側約束環。
[0029]或者是:所述中心約束件、側約束件均為約束彈簧。
[0030]再或者是:所述中心約束件、側約束件均為約束環。
[0031]所述彈性基體的前端設有榫頭，后端設有與所述榫頭配合的槽口。
[0032]所述彈性基體為圓柱形，所述可變剛度模塊為基節I。
[0033]所述彈性基體為圓臺形，所述可變剛度模塊為尾節2。
[0034]本實施例的仿生軟體機器人由至少兩塊可變剛度模塊形成，包括基節I和尾節2，所述基節I的后端與所述尾節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；
[0035]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；
[0036]所述第二通氣管22與所述第一通氣管12連通。
[0037]進一步，所述基節I有至少兩個，前后基節之間級聯。可以根據仿生的需要，進行不同的設計。
[0038]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位于所述第一走管通道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位于所述第二走管通道27內。
[0039]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。
[0040]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。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。
[0041]所述第一彈性基體11的后端設有槽口，所述第二彈性基體21的前端設有與所述槽口配合的榫頭。該連接方式屬于一種優選的連接方式，當然，也可以采用其他的連接方式；另外，對于級聯的基節之間的連接，也可以采用榫槽式連接，當然，也可以采用其他連接方式。
[0042]本實施例中，基節I的結構為:第一彈性基體11是由硅膠材料制成的，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充氣后發生徑向變大，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后發生所述的第一彈性基體11發生徑向變大；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，便于多個所述的基節I之間串聯后所述的第一通氣管12可以相互連接。
[0043]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，不同之處在于所述的尾節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。
[0044]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復雜的動作。
[0045]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，本發明的保護范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發明的保護范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】
1.一種仿生軟體機器人的可變剛度模塊，其特征在于:所述可變剛度模塊包括彈性基體、通氣管、中心驅動腔和側驅動腔，所述彈性基體的截面呈圓形，所述彈性基體的中部設有中心驅動腔，在所述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側驅動腔，所述中心驅動腔和側驅動腔的兩端均封閉，所述中心驅動腔、側驅動腔均與通氣管連通；在所述中心驅動腔的內壁和外壁安裝中心約束件，在所述側驅動腔的內壁和外壁安裝側約束件。
2.如權利要求1所述的仿生軟體機器人的可變剛度模塊，其特征在于:所述模塊的前端和后端分別設有連接件，前后相連的模塊之間通過連接件連接。
3.如權利要求1或2所述的仿生軟體機器人的可變剛度模塊，其特征在于:在所述中心驅動腔外的彈性基體的一圈上與所述側驅動腔錯位布置走管通道，所述通氣管位于所述走管通道內。
4.如權利要求1或2所述的仿生軟體機器人的可變剛度模塊，其特征在于:所述中心約束件包括中心約束彈簧和中心約束環，所述中心驅動腔的內壁安裝中心約束彈簧，所述中心驅動腔的外壁安裝中心約束環，所述側約束件包括側約束彈簧和側約束環，所述側驅動腔的內壁安裝側約束彈簧，所述側驅動腔的外壁安裝側約束環。
5.如權利要求1或2所述的仿生軟體機器人的可變剛度模塊，其特征在于:所述中心約束件、側約束件均為約束彈簧。
6.如權利要求1或2所述的仿生軟體機器人的可變剛度模塊，其特征在于:所述中心約束件、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，其特征在于:所述彈性基體的前端設有榫頭，后端設有與所述榫頭配合的槽口。
8.如權利要求1或2所述的仿生軟體機器人的可變剛度模塊，其特征在于:所述彈性基體為圓柱形，所述可變剛度模塊為基節。
9.如權利要求1或2所述的仿生軟體機器人的可變剛度模塊，其特征在于:所述彈性基體為圓臺形，所述可變剛度模塊為尾節。
【文檔編號】B25J11/00GK104227721SQ201410406261
【公開日】2014年12月24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, 王志恒, 楊慶華, 胥芳, 張立彬 申請人:浙江工業大學