CN108582033B - 一种变刚度软体机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变刚度软体机器人系统，包括软体机器人和真空抽气装置和粒子输送装置，其中，所述软体机器人具有由弹性变形腔壁围成的容腔，所述弹性变形腔壁上设有抽真空通道和输送通道；所述真空抽气装置与抽真空通道连接，用于将容腔内部空气抽出实现容腔内部真空或负压；所述粒子输送装置与输送通道连接，向容腔内输送软体机器人的致变形介质。本发明的软体机器人系统保留了软体机器人易实现复杂运动，环境适应能力强的特点，同时还可以增强机器人在静止状态下刚度，大大增强了机器人的承载能力，增强了软体机器人的实用性，扩了软体机器人的应用范围。

Description

一种变刚度软体机器人系统

技术领域

本发明属于软体机器人技术，具体涉及一种变刚度软体机器人系统。

背景技术

传统机器人为了获得较高的精度和刚度，通常采用弹性模量较大的材料制造,并通过若干运动副联结而成。软体机器人是指采用弹性模量较小的材料制成的机器人，如橡胶、树脂等。软体机器人与刚体机器人相比，具有无穷多自由度，运动形式更加多样化，同时由于弹性模量小，能够根据环境改性形状，适应性很强，尤其是在与人接触的场合，软体机器人具备内禀的安全性，具有很广阔的应用前景。

软体机器人根据动作机理不同，可分为流体驱动、形状记忆合金驱动、介电高弹体驱动和场驱动软体机器人等，其中采用压缩空气或高压液体驱动的软体机器人由于结构简单，控制方便，应用最为广泛。

流体驱动软体机器人一般由一种或多种高弹体材料制成，内部设有流体腔室，当压缩空气或高压液体流入腔室时，由于腔室在软体机器人中的不对称布置或者不同材料属性导致的刚度不对称分布，软体机器人可实现伸长、弯曲、螺旋等多种运动形式。当高压流体介质去除后，软体机器人由于弹性可恢复到自然状态。合理设计软体机器人的结构，并选用恰当的材料，可使软体机器人主动实现丰富多样的变形状态。

然而由于软体机器人材料的低刚度，现有的软体机器人承载能力很弱，实用性不强。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有软体机器人由于材料刚度不够，导致的承载能力低的缺陷，提供一种具备主动变形能力，并且能够改变其刚度的变刚度软体机器人系统。机器人在变形时具备较小的刚度，保留软体机器人环境适应能力强的优点，同时，当机器人需要静止承载时，机器人又具备较大的刚度。

本发明采用如下技术方案实现：

一种变刚度软体机器人系统，包括软体机器人1和真空抽气装置2和粒子输送装置3，其中，

所述软体机器人1具有由弹性变形腔壁101围成的容腔102，所述弹性变形腔壁101上设有抽真空通道104和输送通道105；

所述真空抽气装置2与抽真空通道104连接，用于将容腔102内部空气抽出实现容腔102内部真空或负压；

所述粒子输送装置3与输送通道105连接，向容腔102内输送软体机器人的致变形介质。

进一步的，所述致变形介质为具有稳定结构形态的固态粒子，所述抽真空通道104内设有防止致变形介质通过的粒子滤网103。

优选的，所述固态粒子为直径在0.1mm-1.5mm之间的微球颗粒。

进一步的，所述真空抽气装置2包括气管201、换向阀203和真空泵204，所述气管201一端与抽真空通道104连通，另一端通过换向阀203与真空泵204 连接。

优选的，所述换向阀203为U型中位机能的三位四通电磁换向阀。

进一步的，所述致变形介质内混合有润滑液，所述气管201上还设有润滑液收集器202。

进一步的，所述粒子输送装置3包括粒子管道301、活塞套302、柱塞组件 303和粒子推送动力单元304；

所述粒子管道301的一端与输送通道105连通，另一端与活塞套302的出口连通，所述活塞套302的内腔充填致变形介质，所述柱塞组件303密封滑动装配在活塞套302内，并与粒子推送动力单元304连接，柱塞组件303在粒子推送动力单元304的驱动下，推动活塞套302内的致变形介质经过粒子管道301 进入到容腔102内。

进一步的，所述粒子推送动力单元304为直线运动的电机丝杠组件或直线电机或电动缸或液压缸。

在本发明的一种变刚度软体机器人系统中，所述软体机器人1还包括与弹性变形腔壁101紧贴设置的背衬106。

优选的，所述弹性变形腔壁101采用硅橡胶材质，所述背衬106采用PP材质。

本发明中首先在自由状态下，使软体机器人的容腔及粒子输送装置的管道内充满微球颗粒，同时真空抽气装置中的换向阀使软体机器人容腔与大气联通，当粒子输送装置的容积泵组件向软体机器人容腔内增加一定容积的微球颗粒时，微球颗粒均匀地向软体机器人容腔和弹性变形腔壁施加各处近似相等压力，起到与流体介质相同的作用，软体机器人开始变形运动，变形的形式与软体机器人的截面和材料分布有关，变形量的大小受向软体机器人泵送微球颗粒容积控制。

软体机器人此变形过程中，机器人刚度较小，在受到环境阻碍时，还能发生被动的形变，具有一定环境适应能力；当机器人需要在静止状态下承载时，真空抽气装置的换向阀使软体机器人容腔与大气隔绝，同时真空泵开始工作，外部大气压透过软体机器人弹性变形腔壁向微球颗粒施压，使微球颗粒之间的摩擦力增加，从而使软体机器人具备较强的抵抗外力的能力，承载能力显著加强；当需要软体机器人回到初始状态时，真空泵停止工作，换向阀使软体机器人容腔与大气相连，同时粒子输送装置的容积泵组件反向工作，软体机器人腔内微球颗粒在软体机器人弹性变形腔壁的弹性回复力作用下，又从容腔内流回粒子输送装置内，软体机器人回复最初始状态。

本发明的软体机器人系统保留了软体机器人易实现复杂运动，环境适应能力强的特点，同时还可以增强机器人在静止状态下刚度，大大增强了机器人的承载能力，增强了软体机器人的实用性，扩了软体机器人的应用范围。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明

附图说明

图1为实施例中的变刚度软体机器人系统的总体结构示意图。

图2为实施例中的软体机器人结构示意图。

图3为实施例中的真空抽气装置结构示意图。

图4为实施例中的粒子输送装置结构示意图。

图中标号：

1-软体机器人，101-弹性变形腔壁，102-容腔，103-粒子滤网，104-抽真空通道，105-输送通道，106-背衬；

2-真空抽气装置，201-气管，202-润滑液收集器，203-换向阀，204-真空泵；

3-粒子输送装置，301-粒子管道，302-活塞套，303-柱塞组件，304-粒子推送动力单元。

具体实施方式

实施例

参见图1，图示中的一种变刚度软体机器人系统为本发明的优选方案，具体包括能实现变形的软体机器人1、实现软体机器人内部容腔抽真空的真空抽气装置2、向软体机器人内部容腔输送致变形介质的粒子输送装置3。

具体如图2所示，软体机器人可实现弯曲动作，主要由弹性变形腔壁101、容腔102以及背衬106组成，其中，弹性变形腔壁101采用具有较低弹性模量的硅橡胶制成，背衬106沿轴向方向与弹性变形腔壁101的外壁紧贴设置，采用具有较高弹性模量PP制成，用以降低软体机器人的轴向伸长，并为软体机器人提供主要回复力。

容腔102由弹性变形腔壁101围成，为实现软体机器人的变形，需要向软体机器人内部的容腔102内输送致变形介质，在弹性变形腔壁101上设有出口通道，其中一个管径较大，为输送通道105，与粒子输送装置3相连，可供致变形介质的微球颗粒出入，另一个管径较小，为抽真空通道104，与真空抽气装置 2相连，当软体机器人的容腔腔内致变形介质增多时，弹性变形腔壁101开始发生完全变形，变形量的大小受软体机器人内部容腔容积的增量控制。

为实现软体机器人的变刚度调节，需要软体机器人在致变形介质作用下实现变形后，通过抽真空通道104将软体机器人容腔内部抽真空，使得软体机器人具有一定刚度。

本实施例的致变形介质为具有稳定结构形态的固态粒子，具体可选择直径在0.1mm-1.5mm之间的微球颗粒，为了防止在抽真空时微球颗粒从抽真空通道 104进入到真空抽气装置内，在抽真空通道104内设有防止致变形介质通过的粒子滤网103。

具体如图3所示，本实施例的真空抽气装置包括气管201、润滑液收集器 202、换向阀203和真空泵204。气管201在抽真空时形成气体的流道，一端与抽真空通道104连通，另一端通过换向阀203与真空泵204连接，真空泵204 为抽真空的动力源。

当由于致变形介质的微球颗粒流动性差需要使用润滑剂时，为防止抽真空时将微球颗粒内的润滑液抽入真空泵内导致真空泵的损坏，在气管201上还设有润滑液收集器202。

本实施例的软体机器人变刚度控制包括三种状态：1、柔性至刚性；2、维持刚性；3、刚性至柔性。为实现软体机器人在变刚度的三种状态之间切换操作，本实施例的换向阀203采用U型中位机能的三位四通电磁换向阀实现软体机器人的变刚度。

具体如图4所示，粒子输送装置3包括粒子管道301、活塞套302，柱塞组件303、粒子推送动力装置304，其中，粒子管道301的一端与输送通道105连通，另一端与活塞套302出口连通，粒子管道301主要功能是储存一定的粒子并提供粒子流动的通道，活塞套302和柱塞组件303构成一种容积泵结构。活塞套302的内腔充填作为致变形介质的微球颗粒，柱塞组件303滑动装配在活塞套302内，柱塞组件303包括柱塞和柱塞杆，柱塞与活塞套302的内壁通过橡胶环密封滑动装配，柱塞杆与柱塞同轴固连，柱塞组件303通过柱塞杆与粒子推送动力单元304连接，柱塞组件303在粒子推送动力单元304的作用下起到向软体机器人容腔输送粒子的作用，实际应用中，粒子推送单元可以是直线运动的电机丝杠组合也可以是直线电机或者电动缸、液压缸，将粒子输送装置与柱塞及柱塞杆相连。柱塞组件303在粒子推送动力单元304的驱动下，推动活塞套302内的致变形介质经过粒子管道301进入到容腔102内。

柱塞组件303的柱塞和活塞套302之间通过橡胶环密封滑动装配，起到将粒子管道301、软体机器人的容腔102、真空抽气装置2与大气隔绝的作用，防止真空抽气装置在抽真空过程中，因粒子输送装置的泄露导致工作失效。

以下详细说明本实施例的变刚度软体机器人的工作过程：

1、首先将在自由状态下的软体机器人容腔102内部以及粒子管道301内充满微球颗粒(若粒子流动性差则需要向粒子内部加入润滑剂)，连接并密封气管201及粒子管道301，防止粒子管道301的接口、软体机器人的容腔102与大气直接相连，在初始状态下，真空抽气装置2中三位四通电磁换向阀处于中位，真空泵204与大气相连；

2、软体机器人弯曲变形。启动粒子输送装置3，粒子输送装置3的柱塞组件303在活塞套302内移动，柱塞推动活塞套及粒子管道内的微球颗粒向软体机器人内部容腔102流动，容腔102体积增加，致使软体机器人产生弯曲变形，当软体机器人变形到预定变形程度，粒子输送装置3停止粒子输送；

3、刚性增强过程。将真空抽气装置2的三位四通电磁换向阀置于右位，真空泵204工作，将软体机器人内部容腔内的空气抽出，实现软体机器人内部真空或负压，使得软体机器人容腔内部的微球颗粒之间、微球颗粒与软体机器人的弹性变形腔壁内壁接触更紧密，达到软体机器人刚性增强的转变，刚性程度由真空度、微球颗粒粒子直径、微球颗粒粒子间摩擦力、微球颗粒粒子与软体机器人内壁摩擦力决定；

4、刚性保持状态。将真空抽气装置2的三位四通电磁换向阀置于中位，真空泵204关闭，软体机器人内部微球颗粒形成一个稳定的刚性状态；

5、柔化过程。将真空抽气装置2的三位四通电磁换向阀置于左位，软体机器人的容腔102与大气相连，软体机器人容腔内部的微球颗粒之间、微球颗粒与软体机器人弹性变形腔壁内壁间接触恢复常态，软体机器人的刚性下降，软体机器人恢复到第一次弯曲的状态，软体机器人实现柔化过程；

6、软体机器人弯曲恢复。粒子输送装置3的柱塞组件303在活塞套302内反向移动，软体机器人容腔内部微球颗粒在软体机器人弹性变形腔壁101与背衬106的弹性作用下被推出软体机器人容腔，回流至粒子输送装置的粒子管道和活塞套302内，直到软体机器人恢复到自由状态。

以上为变刚度软体机器人的一个完整的变形过程。

以上实施例描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的具体工作原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种变刚度软体机器人系统，包括软体机器人(1)和真空抽气装置(2)，其特征在于还包括粒子输送装置(3)，其中，

所述软体机器人(1)具有由弹性变形腔壁(101)围成的容腔(102)，所述弹性变形腔壁(101)上设有抽真空通道(104)和输送通道(105)；

所述真空抽气装置(2)与抽真空通道(104)连接，用于将容腔(102)内部空气抽出实现容腔(102)内部真空或负压；

所述粒子输送装置(3)与输送通道(105)连接，向容腔(102)内输送软体机器人的致变形介质。

2.根据权利要求1所述的一种变刚度软体机器人系统，所述致变形介质为具有稳定结构形态的固态粒子，所述抽真空通道(104)内设有防止致变形介质通过的粒子滤网(103)。

3.根据权利要求2所述的一种变刚度软体机器人系统，所述固态粒子为直径在0.1mm-1.5mm之间的微球颗粒。

4.根据权利要求2所述的一种变刚度软体机器人系统，所述真空抽气装置(2)包括气管(201)、换向阀(203)和真空泵(204)，所述气管(201)一端与抽真空通道(104)连通，另一端通过换向阀(203)与真空泵(204)连接。

5.根据权利要求4所述的一种变刚度软体机器人系统，所述换向阀(203)为U型中位机能的三位四通电磁换向阀。

6.根据权利要求4所述的一种变刚度软体机器人系统，所述致变形介质内混合有润滑液，所述气管(201)上还设有润滑液收集器(202)。

7.根据权利要求2所述的一种变刚度软体机器人系统，所述粒子输送装置(3)包括粒子管道(301)、活塞套(302)、柱塞组件(303)和粒子推送动力单元(304)；

所述粒子管道(301)的一端与输送通道(105)连通，另一端与活塞套(302)的出口连通，所述活塞套(302)的内腔充填致变形介质，所述柱塞组件(303)密封滑动装配在活塞套(302)内，并与粒子推送动力单元(304)连接，柱塞组件(303)在粒子推送动力单元(304)的驱动下，推动活塞套(302)内的致变形介质经过粒子管道(301)进入到容腔(102)内。

8.根据权利要求7所述的一种变刚度软体机器人系统，所述粒子推送动力单元(304)为直线运动的电机丝杠组件或直线电机或电动缸或液压缸。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种变刚度软体机器人系统，所述软体机器人(1)还包括与弹性变形腔壁(101)紧贴设置的背衬(106)。

10.根据权利要求9所述的一种变刚度软体机器人系统，所述弹性变形腔壁(101)采用硅橡胶材质，所述背衬(106)采用PP材质。

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