主動可變剛度長臂式仿生軟體機器人的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及機器人領域，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域的一個新興且極具前景的研宄方向。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)領域得到廣泛應用，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)線應用擴展到其他領域(如家政服務、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(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)，研宄開發(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(huán)境和目標。
[0003]仿生軟體機器人的設計靈感來源于自然界各色各樣的生物，即:研宄某一種動物或其肢體的結(jié)構(gòu)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制，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于智能材料的開發(fā)、結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設計、本體的加工制造方法、準確的數(shù)學建模、與環(huán)境目標的交互作用機理與建模、工作狀態(tài)信息反饋技術(shù)、控制技術(shù)，等。其中模仿象鼻、章魚腕足等結(jié)構(gòu)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(shù)界的研宄工作普遍集中在生物體結(jié)構(gòu)形式的模仿設計上，鮮有關于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(yōu)點在于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(jié)構(gòu)目標物體的外形并實施穩(wěn)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(jù)目標物體的物理機械特性、受力/力矩狀態(tài)、位置姿態(tài)、運動參數(shù)等因素，實時調(diào)整其體內(nèi)的肌肉收縮狀態(tài)、控制其抓持力大小及分布，動態(tài)調(diào)整自身的剛度以保持穩(wěn)定的抓持操作。而目前學者研制的象鼻機器人、章魚機器人等僅僅是結(jié)構(gòu)形式上的仿生，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)外形模仿和運動形式仿生，還不能實現(xiàn)運動過程或抓持過程中的自身剛度可變及其動態(tài)控制、難以實施安全穩(wěn)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(xiàn)自身剛度的獨立可變且動態(tài)可控是此類仿生機器人走向?qū)嶋H應用道路上必須解決的關鍵問題。

【發(fā)明內(nèi)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(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)可控的主動可變剛度長臂式仿生軟體機器人。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)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(jié)和尾節(jié)，所述基節(jié)的后端與所述尾節(jié)的前端連接，所述基節(jié)包括第一彈性基體、第一通氣管、第一中心驅(qū)動腔和第一側(cè)驅(qū)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(qū)動腔，在所述第一中心驅(qū)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(cè)驅(qū)動腔，所述第一中心驅(qū)動腔和第一側(cè)驅(qū)動腔的兩端均封閉，所述第一中心驅(qū)動腔、第一側(cè)驅(qū)動腔均與第一通氣管連通；在所述第一中心驅(qū)動腔的內(nèi)壁和外壁安裝第一中心約束件，在所述第一側(cè)驅(qū)動腔的內(nèi)壁和外壁安裝第一側(cè)約束件；
[0008]所述尾節(jié)包括第二彈性基體、第二通氣管、第二中心驅(qū)動腔和第二側(cè)驅(qū)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(qū)動腔，在所述第二中心驅(qū)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(cè)驅(qū)動腔，所述第二中心驅(qū)動腔和第二側(cè)驅(qū)動腔的兩端均封閉，所述第二中心驅(qū)動腔、第二側(cè)驅(qū)動腔均與第二通氣管連通；在所述第二中心驅(qū)動腔的內(nèi)壁和外壁安裝第二中心約束件，在所述第二側(cè)驅(qū)動腔的內(nèi)壁和外壁安裝第二側(cè)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(jié)有至少兩個，前后基節(jié)之間級聯(lián)?？梢愿鶕?jù)仿生的需要，進行不同的設計。
[0011]再進一步，所述基節(jié)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)動腔錯位布置第一走管通道，所述第一通氣管位于所述第一走管通道內(nèi)；所述尾節(jié)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)動腔錯位布置第二走管通道，所述第二通氣管位于所述第二走管通道內(nèi)。
[0012]更進一步，所述基節(jié)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(huán)，所述第一中心驅(qū)動腔的內(nèi)壁安裝第一中心約束彈簧，所述第一中心驅(qū)動腔的外壁安裝第一中心約束環(huán)，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)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(huán)，所述第二中心驅(qū)動腔的內(nèi)壁安裝第二中心約束彈簧，所述第二中心驅(qū)動腔的外壁安裝第二中心約束環(huán)，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)。
[0013]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。
[0014]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)。
[0015]所述第一彈性基體的后端設有槽口，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。
[0016]本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為:本發(fā)明在項目組近年來柔性驅(qū)動結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)軟體機器人在抓持運動過程中的剛度獨立可變和動態(tài)調(diào)控。
[0017]本發(fā)明著眼于目前軟體機器人研宄過多強調(diào)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(jié)構(gòu)，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余而操作剛度不足且難以動態(tài)調(diào)控的問題。
[0018]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。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的基節(jié)結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖2是圖1的側(cè)視圖。
[0021]圖3是本發(fā)明的尾節(jié)結(jié)構(gòu)圖。
[0022]圖4是圖3的側(cè)視圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
[0024]參照圖1?圖4，一種主動可變剛度長臂式仿生軟體機器人，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；
[0025]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；
[0026]所述第二通氣管22與所述第一通氣管12連通。
[0027]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，進行不同的設計。