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(qū)動腔和側(cè)驅(qū)動腔，所述彈性基體的截面呈圓形，所述彈性基體的中部設(shè)有中心驅(qū)動腔，在所述中心驅(qū)動腔外的彈性基體的一圈上等圓弧間隔地設(shè)有至少三個側(cè)驅(qū)動腔，所述中心驅(qū)動腔和側(cè)驅(qū)動腔的兩端均封閉，所述中心驅(qū)動腔、側(cè)驅(qū)動腔均與通氣管連通；在所述中心驅(qū)動腔的內(nèi)壁和外壁安裝中心約束件，在所述側(cè)驅(qū)動腔的內(nèi)壁和外壁安裝側(cè)約束件。本發(fā)明在抓持運動過程中有效實現(xiàn)剛度獨立可變和動態(tài)可控。
【專利說明】仿生軟體機器人的可變剛度模塊

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機器人領(lǐng)域，尤其是一種仿生軟體機器人。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，軟體機器人成為機器人領(lǐng)域的一個新興且極具前景的研究方向。傳統(tǒng)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(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，然而，當眾多的科研和技術(shù)人員付出巨大努力試圖將剛性機器人從工業(yè)生產(chǎn)線應(yīng)用擴展到其他領(lǐng)域(如家政服務(wù)、助老助殘、農(nóng)業(yè)自動化、醫(yī)療康復等)時，卻發(fā)現(xiàn)嚴重依賴結(jié)構(gòu)化環(huán)境和精確數(shù)學模型的剛性機器人在上述的非結(jié)構(gòu)復雜環(huán)境中與難以用準確的數(shù)學模型加以描述的復雜多變對象進行交互作業(yè)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(wù)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(shù)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(qū)動技術(shù)(如:SMA、氣動、磁流變、EPA等)，研究開發(fā)完全不用或少用剛性機構(gòu)的新型機器人結(jié)構(gòu)，這類軟體機器人一般具有充分的柔順性、適應(yīng)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(yīng)環(huán)境和目標。
[0003]然而工業(yè)機器人在設(shè)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(wù)要求比較明確的情況下，我們可以根據(jù)任務(wù)要求來設(shè)計我們需要的機器人，但是對于一些不可預(yù)知的工作任務(wù)，我們就無法完成一個機器人的最佳設(shè)計，在這種情況下如果能有一個機器人模塊，它能夠根據(jù)工作任務(wù)及工作環(huán)境的變化而自動改變自身的結(jié)構(gòu)配置，構(gòu)成與其相適應(yīng)的最佳構(gòu)形，完成操作任務(wù)，不但擴大了機器人的應(yīng)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(fā)明內(nèi)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(xiàn)剛度獨立可變和動態(tài)可控的不足，本發(fā)明提供一種在抓持運動過程中有效實現(xiàn)剛度獨立可變和動態(tài)可控的仿生軟體機器人的可變剛度模塊。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)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(qū)動腔和側(cè)驅(qū)動腔，所述彈性基體的截面呈圓形，所述彈性基體的中部設(shè)有中心驅(qū)動腔，在所述中心驅(qū)動腔外的彈性基體的一圈上等圓弧間隔地設(shè)有至少三個側(cè)驅(qū)動腔，所述中心驅(qū)動腔和側(cè)驅(qū)動腔的兩端均封閉，所述中心驅(qū)動腔、側(cè)驅(qū)動腔均與通氣管連通；在所述中心驅(qū)動腔的內(nèi)壁和外壁安裝中心約束件，在所述側(cè)驅(qū)動腔的內(nèi)壁和外壁安裝側(cè)約束件。
[0007]進一步，所述模塊的前端和后端分別設(shè)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(qū)動腔外的彈性基體的一圈上與所述側(cè)驅(qū)動腔錯位布置走管通道，所述通氣管位于所述走管通道內(nèi)。
[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(huán)，所述中心驅(qū)動腔的內(nèi)壁安裝中心約束彈簧，所述中心驅(qū)動腔的外壁安裝中心約束環(huán)，所述側(cè)約束件包括側(cè)約束彈簧和側(cè)約束環(huán)，所述側(cè)驅(qū)動腔的內(nèi)壁安裝側(cè)約束彈簧，所述側(cè)驅(qū)動腔的外壁安裝側(cè)約束環(huán)。
[0010]或者是:所述中心約束件、側(cè)約束件均為約束彈簧。
[0011]再或者是:所述中心約束件、側(cè)約束件均為約束環(huán)。
[0012]所述彈性基體的前端設(shè)有榫頭，后端設(shè)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(jié)。
[0014]所述彈性基體為圓臺形，所述可變剛度模塊為尾節(jié)。
[0015]本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為:可重構(gòu)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(fā)明提出的仿生軟體機器人的可變剛度模塊可以根據(jù)工作任務(wù)的需求組合成各種最佳的構(gòu)形。仿生軟體機器人的可變剛度模塊本身是一種集控制、驅(qū)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(tǒng)的組合。
[0016]本發(fā)明在著眼于目前軟體機器人的結(jié)構(gòu)只是能夠完成某種單一的任務(wù)，面對復雜多變且不可預(yù)知的任務(wù)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(wù)比較單一，設(shè)計成本過高、結(jié)構(gòu)復雜且不具有可組合性的問題。
[0017]本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)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(jié)構(gòu)外形的目標物體，并且可以使軟體機器人能夠?qū)崟r的控制和改變自身的剛度、保持穩(wěn)定的抓取動作。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的仿生軟體機器人的可變剛度模塊的結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖2是圖1的側(cè)視圖。
[0020]圖3是本發(fā)明的可變剛度形成的尾節(jié)結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖4是圖3的側(cè)視圖。
[0022]圖5是本發(fā)明的仿生軟體機器人的伸直狀態(tài)。
[0023]圖6是本發(fā)明的仿生軟體機器人的彎曲狀態(tài)。

【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)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(qū)動腔和側(cè)驅(qū)動腔，所述彈性基體的截面呈圓形，所述彈性基體的中部設(shè)有中心驅(qū)動腔，在所述中心驅(qū)動腔外的彈性基體的一圈上等圓弧間隔地設(shè)有至少三個側(cè)驅(qū)動腔，所述中心驅(qū)動腔和側(cè)驅(qū)動腔的兩端均封閉，所述中心驅(qū)動腔、側(cè)驅(qū)動腔均與通氣管連通；在所述中心驅(qū)動腔的內(nèi)壁和外壁安裝中心約束件，在所述側(cè)驅(qū)動腔的內(nèi)壁和外壁安裝側(cè)約束件。
[0026]進一步，所述模塊的前端和后端分別設(shè)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(qū)動腔外的彈性基體的一圈上與所述側(cè)驅(qū)動腔錯位布置走管通道，所述通氣管位于所述走管通道內(nèi)。
[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(huán)，所述中心驅(qū)動腔的內(nèi)壁安裝中心約束彈簧，所述中心驅(qū)動腔的外壁安裝中心約束環(huán)，所述側(cè)約束件包括側(cè)約束彈簧和側(cè)約束環(huán)，所述側(cè)驅(qū)動腔的內(nèi)壁安裝側(cè)約束彈簧，所述側(cè)驅(qū)動腔的外壁安裝側(cè)約束環(huán)。
[0029]或者是:所述中心約束件、側(cè)約束件均為約束彈簧。
[0030]再或者是:所述中心約束件、側(cè)約束件均為約束環(huán)。
[0031]所述彈性基體的前端設(shè)有榫頭，后端設(shè)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(jié)I。
[0033]所述彈性基體為圓臺形，所述可變剛度模塊為尾節(jié)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(jié)I和尾節(jié)2，所述基節(jié)I的后端與所述尾節(jié)2的前端連接，所述基節(jié)I包括第一彈性基體11、第一通氣管
12、第一中心驅(qū)動腔14和第一側(cè)驅(qū)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(shè)有第一中心驅(qū)動腔14，在所述第一中心驅(qū)動腔14外的彈性基體的一圈上等圓弧間隔地設(shè)有至少三個第一側(cè)驅(qū)動腔13，所述第一中心驅(qū)動腔14和第一側(cè)驅(qū)動腔13的兩端均封閉，所述第一中心驅(qū)動腔14、第一側(cè)驅(qū)動腔13均與第一通氣管12連通；在所述第一中心驅(qū)動腔14的內(nèi)壁和外壁安裝第一中心約束件，在所述第一側(cè)驅(qū)動腔13的內(nèi)壁和外壁安裝第一側(cè)約束件；
[0035]所述尾節(jié)2包括第二彈性基體21、第二通氣管22、第二中心驅(qū)動腔24和第二側(cè)驅(qū)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(shè)有第二中心驅(qū)動腔24，在所述第二中心驅(qū)動腔24外的彈性基體的一圈上等圓弧間隔地設(shè)有至少三個第二側(cè)驅(qū)動腔23，所述第二中心驅(qū)動腔24和第二側(cè)驅(qū)動腔23的兩端均封閉，所述第二中心驅(qū)動腔24、第二側(cè)驅(qū)動腔23均與第二通氣管22連通；在所述第二中心驅(qū)動腔24的內(nèi)壁和外壁安裝第二中心約束件，在所述第二側(cè)驅(qū)動腔23的內(nèi)壁和外壁安裝第二側(cè)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(jié)I有至少兩個，前后基節(jié)之間級聯(lián)?？梢愿鶕?jù)仿生的需要，進行不同的設(shè)計。
[0038]再進一步，所述基節(jié)I中，在所述第一中心驅(qū)動腔外的彈性基體的一圈上與所述第一側(cè)驅(qū)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(nèi)；所述尾節(jié)2中，在所述第二中心驅(qū)動腔外的彈性基體的一圈上與所述第二側(cè)驅(qū)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(nèi)。
[0039]更進一步，所述基節(jié)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(huán)16，所述第一中心驅(qū)動腔13的內(nèi)壁安裝第一中心約束彈簧15，所述第一中心驅(qū)動腔13的外壁安裝第一中心約束環(huán)16，所述第一側(cè)約束件包括第一側(cè)約束彈簧和第一側(cè)約束環(huán)，所述第一側(cè)驅(qū)動腔的內(nèi)壁安裝第一側(cè)約束彈簧，所述第一側(cè)驅(qū)動腔的外壁安裝第一側(cè)約束環(huán)；所述尾節(jié)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(huán)26，所述第二中心驅(qū)動腔23的內(nèi)壁安裝第二中心約束彈簧25，所述第二中心驅(qū)動腔23的外壁安裝第二中心約束環(huán)26，所述第二側(cè)約束件包括第二側(cè)約束彈簧和第二側(cè)約束環(huán)，所述第二側(cè)驅(qū)動腔的內(nèi)壁安裝第二側(cè)約束彈簧，所述第二側(cè)驅(qū)動腔的外壁安裝第二側(cè)約束環(huán)。
[0040]或者是:所述第一中心約束件、第一側(cè)約束件、第二中心約束件、第二側(cè)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(cè)約束件、第二中心約束件、第二側(cè)約束件均為約束環(huán)。
[0041]所述第一彈性基體11的后端設(shè)有槽口，所述第二彈性基體21的前端設(shè)有與所述槽口配合的榫頭。該連接方式屬于一種優(yōu)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(lián)的基節(jié)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(jié)I的結(jié)構(gòu)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(jié)I包含的其他結(jié)構(gòu)全部包裹在一起，所述的第一彈性基體11的結(jié)構(gòu)為模塊化結(jié)構(gòu)，兩端設(shè)置連接結(jié)構(gòu)，可多節(jié)串聯(lián)；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(qū)動氣體傳輸?shù)牟糠?，在所述的第一彈性基體11內(nèi)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(qū)動腔13、所述的第一側(cè)驅(qū)動腔14內(nèi)；所述的第一中心驅(qū)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(qū)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(qū)動腔內(nèi)，通過所述的第一通氣管12內(nèi)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(cè)驅(qū)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(cè)驅(qū)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(cè)驅(qū)動腔內(nèi)，向所述的第一側(cè)驅(qū)動腔14內(nèi)不同方向所述的第一通氣管12內(nèi)輸入壓縮氣體，可以實現(xiàn)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(huán)16是埋置在所述的第一中心驅(qū)動腔13的內(nèi)外壁上，所述的第一側(cè)約束彈簧或第一側(cè)約束環(huán)埋置在和所述的第一側(cè)驅(qū)動腔14內(nèi)外壁上的，所述的第一中心約束彈簧15和第一中心約束環(huán)16的作用是一樣的，所述的第一通氣管12內(nèi)輸入不同壓力的壓縮氣體會導致所述的第一中心驅(qū)動腔13和所述的第一側(cè)驅(qū)動腔14充氣后發(fā)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(huán)16的作用是為防止充氣后發(fā)生所述的第一彈性基體11發(fā)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(tǒng)一走到所述的基節(jié)I的一端，便于多個所述的基節(jié)I之間串聯(lián)后所述的第一通氣管12可以相互連接。
[0043]所述的尾節(jié)2的結(jié)構(gòu)和所述的基節(jié)I的結(jié)構(gòu)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(qū)動腔23、第二側(cè)驅(qū)動腔24、第二中心約束彈簧25或第二中心約束環(huán)26、第二走管通道27，不同之處在于所述的尾節(jié)2末端是逐漸縮小的(即:整個尾節(jié)呈圓臺形)。所述的尾節(jié)2和所述的基節(jié)I連接在一起構(gòu)成主動可變剛度長臂式仿生軟體機器人的整體結(jié)構(gòu)。
[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(jié)和尾節(jié)相互連接在一起，向中心驅(qū)動腔輸入不同壓力的壓縮氣體，可以實時調(diào)節(jié)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(cè)驅(qū)動腔輸入不同壓力的壓縮氣體，可以使得軟體機器人實現(xiàn)不同程度、不同方向的彎曲，由基節(jié)和尾節(jié)的中心驅(qū)動腔和側(cè)驅(qū)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(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護范圍不應(yīng)當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護范圍也包括本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
【權(quán)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(qū)動腔和側(cè)驅(qū)動腔，所述彈性基體的截面呈圓形，所述彈性基體的中部設(shè)有中心驅(qū)動腔，在所述中心驅(qū)動腔外的彈性基體的一圈上等圓弧間隔地設(shè)有至少三個側(cè)驅(qū)動腔，所述中心驅(qū)動腔和側(cè)驅(qū)動腔的兩端均封閉，所述中心驅(qū)動腔、側(cè)驅(qū)動腔均與通氣管連通；在所述中心驅(qū)動腔的內(nèi)壁和外壁安裝中心約束件，在所述側(cè)驅(qū)動腔的內(nèi)壁和外壁安裝側(cè)約束件。
2.如權(quán)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(shè)有連接件，前后相連的模塊之間通過連接件連接。
3.如權(quán)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(qū)動腔外的彈性基體的一圈上與所述側(cè)驅(qū)動腔錯位布置走管通道，所述通氣管位于所述走管通道內(nèi)。
4.如權(quán)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(huán)，所述中心驅(qū)動腔的內(nèi)壁安裝中心約束彈簧，所述中心驅(qū)動腔的外壁安裝中心約束環(huán)，所述側(cè)約束件包括側(cè)約束彈簧和側(cè)約束環(huán)，所述側(cè)驅(qū)動腔的內(nèi)壁安裝側(cè)約束彈簧，所述側(cè)驅(qū)動腔的外壁安裝側(cè)約束環(huán)。
5.如權(quán)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(cè)約束件均為約束彈簧。
6.如權(quán)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(cè)約束件均為約束環(huán)。
7.如權(quán)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(shè)有榫頭，后端設(shè)有與所述榫頭配合的槽口。
8.如權(quán)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(jié)。
9.如權(quán)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(jié)。
【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(yōu)先權(quán)日:2014年8月18日
【發(fā)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(yè)大學