[實用新型]主動可變剛度長臂式仿生軟體機器人

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201420466949.6
• 申請日: 2014-08-18
• 公開（公告）號: CN204322083U
• 公開（公告）日: 2015-05-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鮑官軍;李昆;馬小龍;王志恒;楊慶華;胥芳;張立彬
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學
• 主分類號: B25J11/00
• 分類號: B25J11/00;B25J9/08;B25J19/00
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務(wù)所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機器人領(lǐng)域，尤其是一種仿生軟體機器人。

背景技術(shù)

近年來，軟體機器人成為機器人領(lǐng)域的一個新興且極具前景的研究方向。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(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(yīng)用擴展到其他領(lǐng)域(如家政服務(wù)、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(wù)的缺點。在這種情況下，軟體機器人研究逐漸興起，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)，研究開發(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(yīng)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(yīng)環(huán)境和目標。

仿生軟體機器人的設(shè)計靈感來源于自然界各色各樣的生物，即：研究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(chǔ)進行相應(yīng)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究的主要難點在于智能材料的開發(fā)、結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)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究主要目的是進行柔順、安全的目標抓持與操作任務(wù)，因此研究象鼻、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(shè)計與控制的根本原型，而文獻分析顯示目前學術(shù)界的研究工作普遍集中在生物體結(jié)構(gòu)形式的模仿設(shè)計上，鮮有關(guān)于象鼻或章魚腕足剛度分析建模及其機器人仿生控制研究的文獻資料。

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(yīng)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究中應(yīng)該重點關(guān)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(yīng)用道路上必須解決的關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容

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。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

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(shè)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(shè)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；

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(shè)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(shè)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；

所述第二通氣管與所述第一通氣管連通。

進一步，所述基節(jié)有至少兩個，前后基節(jié)之間級聯(lián)。可以根據(jù)仿?生的需要，進行不同的設(shè)計。