[发明专利]多自由度变刚度的模块化柔性驱动器及仿生机器人

说明书

本发明提供了一种多自由度变刚度模块化柔性驱动器及仿生机器人，包括快连上基座、伸缩单元、变刚度单元以及快连下基座，变刚度单元圆周分布在快连上基座和快连下基座之间上；伸缩单元竖直固定在快连上基座和快连下基座圆周中心；本发明实现了软体驱动器的多自由度变刚度、高度的模块化可重构以及整体的轻质化，并采用易得材料和适用于工业生产的制作工艺，大大降低了成本。本发明利用仿生原理，结合驱动器模块的变形和拉力随压强变化性能，通过模块间的自由组合，实现了管道内蠕动前进、平地蜿蜒前进、平面全向移动、机械臂空间运动等多种运动模式，具备广阔的潜力和应用空间。

技术领域

本发明涉及软体机器人技术领域，具体地，涉及多自由度变刚度的模块化柔性驱动器及仿生机器人。

背景技术

仿生机器人通常模仿自然界中生物的外形特征和运动方式，具有运动效率高、机动性能强、环境适应性强、隐蔽性好等特点，在环境勘测、科学探索、军事侦察等领域具有广阔的应用。而柔性机器人因为其良好的环境适应性、灵活性和安全性，在非结构化环境中具有独特的优势，为仿生领域开辟了新的可能。现有的柔性机器人往往采用硅胶制造，工艺复杂，制造周期长，器件质量大，在实际的应用中受到很大限制；此外，单个的柔性驱动器往往只能实现单一的功能，不满足于仿生领域复杂多变的要求。

经现有技术专利文献检索发现，中国发明专利公开号为CN106859770B，公开了一种多自由度刚度可变气动手术操作臂及制作方法，属于多自由度微创手术操作臂领域，具有高度灵活的运动能力和刚度可变的特性，并且体积小、质量轻，对人体刚性损伤少，气路更少易于控制。气动驱动器单元包括圆柱型驱动器，驱动器两端连接有基座，驱动器包括外部的刚度调节层，刚度调节层内部设置有驱动层。驱动层包括具有通孔的圆环柱形硅橡胶层，硅橡胶层上开设有若干腔体，硅橡胶层内表面覆盖有PDMS层，硅橡胶层外表面覆盖有双螺旋尼龙纤维。基座上设置有与腔体相对应的气孔，以及与刚度调节层相对应的抽真空口。因此，该文献与本发明所介绍的方法是属于不同的发明构思。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多自由度变刚度模块化柔性驱动器及仿生机器人。

根据本发明提供的一种多自由度变刚度模块化柔性驱动器，包括快连上基座、伸缩单元、变刚度单元以及快连下基座，变刚度单元圆周分布在快连上基座和快连下基座之间上；伸缩单元竖直固定在快连上基座和快连下基座圆周中心；

当伸缩单元处于真空状态时，伸缩单元伸缩，向快连上基座和快连下基座施加拉力，驱使模块整体压缩，带动变刚度单元进一步弯曲，储备弹性势能；

将变刚度单元一侧抽真空，使变刚度单元向另一侧进行变形，带动模块整体进行弯曲；停止抽气后，伸缩单元和变刚度单元接通大气，伸缩单元不再产生拉力，变刚度单元瞬间释放能量，使模块产生一个跳跃的动作，从而完成一个动作循环。

一些实施例中，伸缩单元包括人工肌肉导管、人工肌肉折纸式骨架、人工肌肉柔性外表皮以及人工肌肉快连器，人工肌肉柔性外表皮包覆在人工肌肉折纸式骨架上，人工肌肉折纸式骨架的两端连接人工肌肉快连器，人工肌肉柔性外表皮插入到人工肌肉快连器的深槽中，人工肌肉导管一端插入到人工肌肉柔性外表皮中，人工肌肉导管另一端连接气泵；

当伸缩单元处于自然状态时，人工肌肉折纸式骨架撑开，人工肌肉柔性外表皮铺展，驱使伸缩单元整体长度伸长；

当伸缩单元处于真空状态时，人工肌肉柔性外表皮在大气压的作用下向内收缩，同时推动人工肌肉折纸式骨架压缩，且人工肌肉柔性外表皮收到人工肌肉折纸式骨架的限制，向折现的凹处皱缩，驱使伸缩单元整体长度缩短。

一些实施例中，变刚度单元包括变刚度弹性元件导管、变刚度弹性元件外表皮、变刚度弹性元件内层摩擦片，变刚度弹性元件内层摩擦片层叠排列，变刚度弹性元件外表皮包裹于变刚度弹性元件内层摩擦片的外侧，变刚度弹性元件导管连接于变刚度弹性元件外表皮的一端。