本發(fā)明屬于人工智能領(lǐng)域，尤其涉及多自由度軟體機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，具體的是一種實現(xiàn)軟體機器人空間運動控制的多腔體關(guān)節(jié)。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)機器人一般由剛性模塊通過運動副連接構(gòu)成，每個運動副提供一個或多個平動自由度或轉(zhuǎn)動自由度，所有運動副的運動組合形成機器人末端執(zhí)行器的工作空間，這種機器人具有運動精確的優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)的剛性使其環(huán)境適應(yīng)性較差。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展以及軍事、醫(yī)療康復(fù)、科學(xué)探測等領(lǐng)域?qū)C器人柔性需求的不斷增加，人們將目光投向自然界的生物體，模仿自然界中的軟體動物，開展可發(fā)生連續(xù)變形的軟體機器人研究。軟體機器人通常由可承受大應(yīng)變的柔軟材料制成，具有無限多自由度和連續(xù)變形能力，可任意改變自身形狀和尺寸。一般來說，軟體機器人的致動方式有兩大類，其一是在柔性材料內(nèi)植入特殊物質(zhì)、材料，在受到光、電、熱等特殊信號時，產(chǎn)生“刺激”使得該物質(zhì)發(fā)生形變，從而導(dǎo)致軟體部件進行移動；另一方式為流體致動，自然界中的無脊椎軟體動物(如蚯蚓等)體內(nèi)有許多呈環(huán)形的液腔，通過調(diào)節(jié)液腔內(nèi)液體體積分布實現(xiàn)身體蠕動。

不同的致動方式導(dǎo)致軟體機器人的控制方式及結(jié)構(gòu)的不同。如何通過柔性材料結(jié)構(gòu)設(shè)計及新型傳感器、執(zhí)行器的應(yīng)用，來實現(xiàn)軟體機器人的多自由度控制，已經(jīng)成為當前人工智能中特別是軟體機器人控制領(lǐng)域的研究熱點及難點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，針對軟體機器人中流動致動方式，通過在柔性材料中設(shè)計空間對稱的多個腔體結(jié)構(gòu)，以流通壓力為動力源，實現(xiàn)柔性材料在此處的空間移動，進而實現(xiàn)軟體機器人的多自由度控制。本發(fā)明結(jié)構(gòu)方案具體如下：

一種實現(xiàn)軟體機器人空間運動控制的多腔體關(guān)節(jié)，其特征在于，包括柔性材料，所述柔性材料中設(shè)置多個具有空間對稱結(jié)構(gòu)的腔體或腔體簇，所述腔體或腔體簇通過微通道或者微管與施壓裝置連接；所述腔體簇是聚集在一個集中的空間內(nèi)多個小腔體的總稱。

進一步地，所述多個腔體或腔體簇根據(jù)所述關(guān)節(jié)移動的方向確定其在所述柔性材料中的位置。

進一步地，所述多個腔體或腔體簇在三維空間中均勻分布。

進一步地，所述腔體或腔體簇為球形。

進一步地，所述腔體或腔體簇的數(shù)量為偶數(shù)個。

進一步地，所述腔體簇是由多個球形小腔體組成。

本發(fā)明在柔性材料中制備出多個腔體，然后將腔體或腔體簇通過微通道或者微管與施壓裝置連接與外界連接。通過微管或微通道分別向單個腔體進行施壓壓力載荷，則所述關(guān)節(jié)將向其相反方向移動。

本發(fā)明利用流動致動方式，通過設(shè)計空間對稱的多個對稱結(jié)構(gòu)的腔體，以流通壓力為動力源，實現(xiàn)關(guān)節(jié)的驅(qū)動，進而實現(xiàn)軟體機器人的多自由度控制。本發(fā)明所述的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)對稱性好，控制原理簡單易行。該多腔體結(jié)構(gòu)簡單，可以通過3d打印，或者吹塑工藝可以快捷方便的制備出本發(fā)明的多腔體結(jié)構(gòu)，易于制備。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述實現(xiàn)軟體機器人空間運動控制的多腔體關(guān)節(jié)一實施例的示意圖，以四個腔體為例，四個腔體的半徑均為sr。

圖2是圖1所示多腔體關(guān)節(jié)在xoy平面下的投影示意圖。

圖3是圖1所示多腔體關(guān)節(jié)在xoy平面運動控制示意圖。

圖中：

1-柔性體，2-球形腔體，q1、q2、q3、q4分別為四個腔體的編號,腔體的半徑均為sr，p1、p2、p3、p4分別為四個p微管的編號。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明，但本發(fā)明的保護范圍并不限于此。

圖1所示為本發(fā)明所述實現(xiàn)軟體機器人空間運動控制的多腔體關(guān)節(jié)的一個實施例，在柔性材料中制備出四個球形腔體，四個球形腔體在三維空間對稱分布。四個球形腔體分別通過微通道或者微管與施壓裝置連接。由于腔體為球形且為對稱結(jié)構(gòu)，那么在笛卡爾直角坐標系中，不管是xoy平面，yoz平面還是xoz平面，投影結(jié)構(gòu)均為一致。圖2為xoy平面下的多腔體投影。

本發(fā)明的控制方案如下：

如果要實現(xiàn)在xoy平面內(nèi)驅(qū)動，可以通過3-微管或微通道分別向單個腔體進行施壓壓力載荷，那么此時，該結(jié)構(gòu)將向其相反方向移動，以圖2為例，如果向q1施加壓力，則產(chǎn)生向±y方向的運動趨勢，此時若通過施加壓力使得q2，q4腔體內(nèi)存在壓差，那么運動將向q2，q4中壓力小的方向移動，形成偏移。假設(shè)想在+x方向形成移動，那么需要對腔體q1，q3施加壓力載荷，且大于q2，q4腔體內(nèi)部的壓力載荷即可，反之，亦可成立。其關(guān)系為：

pi＝arctan(a)pj，其中a為0°，90°，180°，270°時，分別為+x,+y,-x,-y方向移動；k為柔性材料的彈性系數(shù)，與材料的本身特性有關(guān)，i，j為對應(yīng)腔體序號。

如若在第一象限形成任意角度的偏移，只需要控制腔體q1，q2之間的壓力比值即可。如圖3所示，a為偏移角度，逆時針為正；可以看出，偏移角度與q1，q2腔體內(nèi)的壓力p1，p2之間的關(guān)系如下：

p2＝arctan(a)p1

因此，根據(jù)偏移角度的反正切值就是為腔體之間的壓力倍數(shù)。綜上所述，偏移量與腔體壓力之間的關(guān)系可以表述為：

其中，正±45°±135°時，只需將偏移兩端的腔體施加相同的壓力且大于其余兩個腔體的壓力即可；k為柔性材料的彈性系數(shù)。

在xoy平面，實現(xiàn)45°偏移，將相鄰的兩個腔體，q1，q2，施加相同的壓力p即可。

其他角度偏移控制時，只需要控制腔體內(nèi)部不同的壓力即可，例如偏移30°時，相鄰兩腔體的壓力之比：tan30°＝1/2。

另根據(jù)發(fā)明的辦法，根據(jù)控制需求，只需要在柔性體內(nèi)設(shè)置多個關(guān)于中心對稱的腔體結(jié)構(gòu)或腔體簇。因為，對稱性腔體在受壓力膨脹過程中，產(chǎn)生四周均勻的壓力，均可以實現(xiàn)在此處的多自由度控制，控制精度由腔體個數(shù)及壓力決定。腔體或腔體簇的數(shù)量最好為偶數(shù)個，當2個時，可以實現(xiàn)平面內(nèi)的移動控制；當為大于4的偶數(shù)個時，可以實現(xiàn)三維控制，隨著數(shù)量的數(shù)量增加，控制精度提高。

所述實施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式，但本發(fā)明并不限于上述實施方式，在不背離本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種實現(xiàn)軟體機器人空間運動控制的多腔體關(guān)節(jié)，軟體機器人中流動致動方式，通過在柔性材料中設(shè)計空間對稱的多個腔體結(jié)構(gòu)，以流通壓力為動力源，實現(xiàn)柔性材料在此處的空間移動，進而實現(xiàn)軟體機器人的多自由度控制。本發(fā)明具有對稱性好，控制原理簡單易行，易于制備的優(yōu)點。

技術(shù)研發(fā)人員：張立強;葛道晗;程廣貴;張忠強
受保護的技術(shù)使用者：江蘇大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.10
技術(shù)公布日：2017.08.04