[发明专利]主动可变刚度长臂式仿生软体机器人

说明书

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是一种仿生软体机器人。

背景技术

近年来，软体机器人成为机器人领域的一个新兴且极具前景的研究方向。传统的刚性机器人以其高刚度、高强度、高精度、高速度的特点在工业领域得到广泛应用，然而，当众多的科研和技术人员付出巨大努力试图将刚性机器人从工业生产线应用扩展到其他领域(如家政服务、助老助残、农业自动化、医疗康复等)时，却发现严重依赖结构化环境和精确数学模型的刚性机器人在上述的非结构复杂环境中与难以用准确的数学模型加以描述的复杂多变对象进行交互作业时，刚性机器人的高刚度、高强度、高精度特点反而成为导致其不能胜任此类任务的缺点。在这种情况下，软体机器人研究逐渐兴起，科研工作者和工程技术人员借助于智能材料(如：硅橡胶、形状记忆合金SMA、电活性聚合物EPA等)和新型驱动技术(如：SMA、气动、磁流变、EPA等)，研究开发完全不用或少用刚性机构的新型机器人结构，这类软体机器人一般具有充分的柔顺性、适应性、超冗余或无限自由度，甚至可以任意改变自身形状和尺寸以适应环境和目标。

仿生软体机器人的设计灵感来源于自然界各色各样的生物，即：研究某一种动物或其肢体的结构特点和工作机理，以此为基础进行相应的仿生软体机器人研制，例如蛇形机器人、象鼻机器人、章鱼机器人、蚯蚓机器人、海星机器人、仿毛虫机器人、尺蠖机器人，等等。 目前，普遍认为此类机器人研究的主要难点在于智能材料的开发、结构的创新设计、本体的加工制造方法、准确的数学建模、与环境目标的交互作用机理与建模、工作状态信息反馈技术、控制技术，等。其中模仿象鼻、章鱼腕足等结构的长臂式仿生软体机器人研究主要目的是进行柔顺、安全的目标抓持与操作任务，因此研究象鼻、章鱼腕足的抓持目标过程，尤其是抓持过程中的主动刚度可变控制是最为重要的基本问题，也是仿生软体机器人设计与控制的根本原型，而文献分析显示目前学术界的研究工作普遍集中在生物体结构形式的模仿设计上，鲜有关于象鼻或章鱼腕足刚度分析建模及其机器人仿生控制研究的文献资料。

象鼻或章鱼腕足等生物体的优点在于其具有充分的柔顺性和无限自由度的弯曲变形能力，能够适应各种异型结构目标物体的外形并实施稳定的抓持操作。尤其是在抓持及其运动过程中，象鼻或章鱼腕足能够根据目标物体的物理机械特性、受力/力矩状态、位置姿态、运动参数等因素，实时调整其体内的肌肉收缩状态、控制其抓持力大小及分布，动态调整自身的刚度以保持稳定的抓持操作。而目前学者研制的象鼻机器人、章鱼机器人等仅仅是结构形式上的仿生，能够实现结构外形模仿和运动形式仿生，还不能实现运动过程或抓持过程中的自身刚度可变及其动态控制、难以实施安全稳定的目标操控，即只能做到形似而非神似。所以，象鼻或章鱼腕足等生物体的变刚度特性及其主动控制能力是长臂式软体机器人研究中应该重点关注的仿生目标，如何实现自身刚度的独立可变且动态可控是此类仿生机器人走向实际应用道路上必须解决的关键问题。

发明内容

为了克服已有仿生软体机器人在抓持运动过程中无法实现刚度独立可变和动态可控的不足，本发明提供一种在抓持运动过程中有效实现刚度独立可变和动态可控的主动可变刚度长臂式仿生软体机器人。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种主动可变刚度长臂式仿生软体机器人，包括基节和尾节，所述基节的后端与所述尾结的前端连接，所述基节包括第一弹性基体、第一通气管、第一中心驱动腔和第一侧驱动腔，所述第一弹性基体呈圆柱形，所述第一弹性基体的中部设有第一中心驱动腔，在所述第一中心驱动腔外的弹性基体的一圈上等圆弧间隔地设有至少三个第一侧驱动腔，所述第一中心驱动腔和第一侧驱动腔的两端均封闭，所述第一中心驱动腔、第一侧驱动腔均与第一通气管连通；在所述第一中心驱动腔的内壁和外壁安装第一中心约束件，在所述第一侧驱动腔的内壁和外壁安装第一侧约束件；

所述尾节包括第二弹性基体、第二通气管、第二中心驱动腔和第二侧驱动腔，所述第二弹性基体呈圆台形，所述第二弹性基体的中部设有第二中心驱动腔，在所述第二中心驱动腔外的弹性基体的一圈上等圆弧间隔地设有至少三个第二侧驱动腔，所述第二中心驱动腔和第二侧驱动腔的两端均封闭，所述第二中心驱动腔、第二侧驱动腔均与第二通气管连通；在所述第二中心驱动腔的内壁和外壁安装第二中心约束件，在所述第二侧驱动腔的内壁和外壁安装第二侧约束件；

所述第二通气管与所述第一通气管连通。

进一步，所述基节有至少两个，前后基节之间级联。可以根据仿 生的需要，进行不同的设计。