CN110293581B - 一种仿生软体机械臂及抓持系统 - Google Patents

Abstract

本申请属于机器人设计领域，特别涉及一种仿生软体机械臂及抓持系统。仿生软体机械臂包括：至少两根平行设置的波纹管；两个端板，分别位于至少两根波纹管的两端端部，每根波纹管的端部固定连接至对应端的端板；支板，在至少两根波纹管之间，每个管体上最小直径处设置有一个支板。本申请的仿生软体机械臂及抓持系统控制方便，只需改变波纹管空腔内的气压，即可改变仿生软体机械臂及抓持系统的姿态。

Description

一种仿生软体机械臂及抓持系统

技术领域

本申请属于机器人设计领域，特别涉及一种仿生软体机械臂及抓持系统。

背景技术

传统机械臂大都由刚性材料制成，有着惯量大，成本高，安全性低等不足。现有机械臂大多是多刚体系统，在狭小复杂地形环境下缺乏被动适应性。此外，在水下环境下，如何对传统机械臂进行防锈和密封也是令人困扰的问题。

章鱼、乌贼等软体动物有着独特的生理结构，章鱼的触手兼具柔软性与灵活性，其解剖结构有明显的分段特点，触手的每一段由多条肌肉并联驱动，使其能够摆动出十分复杂的姿态。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种仿生软体机械臂及抓持系统。

本申请公开了一种仿生软体机械臂仿生软体机械臂，包括：

至少两根由柔性材料制成的波纹管，至少两根所述波纹管平行且均匀排布，每根所述波纹管具有内腔以及与所述内腔连通的通气口；

两个端板，两个所述端板分别位于至少两根所述波纹管的两端端部，每根所述波纹管的端部固定连接至对应端的所述端板上，且所述端板上开设有安装孔，所述波纹管的通气口适配安装在对应端的所述端板的安装孔内；

支板，所述支板的外缘上与至少两根所述波纹管相对应的位置处，开设有与每根所述波纹管管体上最小直径处的外圆周面相适配的弧形凹槽，在至少两根所述波纹管之间，每个管体上最小直径处设置有一个所述支板。

根据本申请的至少一个实施方式，所述波纹管是管壁呈波纹样的周期变径回转体。

根据本申请的至少一个实施方式，所述波纹管的两端端部设置有圆筒状的缩径段，所述通气口开设在对应端的所述缩径段上，且所述波纹管通过两端的所述缩径段固定设置在对应端的所述端板的安装孔内。

根据本申请的至少一个实施方式，所述端板包括：

内夹板，所述内夹板的外缘上与至少两根所述波纹管相对应的位置处，开设有与每根所述波纹管上缩径段处筒径相同的第一半圆凹槽；

外夹板，所述外夹板的数量与所述波纹管数量相同，在所述内夹板具有第一半圆凹槽的每一侧分别设置一个所述外夹板，所述外夹板的外缘上开设有与每根所述波纹管上缩径段处筒径相同的第二半圆凹槽，其中，所述第一半圆凹槽与所述第二半圆凹槽适配构成所述安装孔。

根据本申请的至少一个实施方式，所述外夹板与所述内夹板之间通过沿平行板面方向的螺栓进行固定连接。

根据本申请的至少一个实施方式，所述波纹管的数量为3个，沿同一个正三角形顶点位置进行平行排布，其中

所述内夹板呈近似正三角形，三条边的外缘处分别开设所述第一半圆凹槽，且在靠近所述三角形顶点位置处的所述内夹板上，沿平行板面方向贯穿开设有第一固定孔；

所述外夹板呈劣弧弓形，其直线边缘处开设所述第二半圆凹槽，一个所述内夹板与三个所述外夹板构成圆形的端板，且在所述外夹板直线边缘方向上两侧，分别开设有与所述内夹板上对应侧的第一固定孔相适配的第二固定孔，所述内夹板与所述外夹板通过分别贯穿对应侧第一固定孔和第二固定孔的螺栓进行固定。

根据本申请的至少一个实施方式，所述端板的背向所述波纹管的一侧面上开设有串接螺栓孔，用于通过相适配的螺栓将两个所述仿生软体机械臂进行连接。

根据本申请的至少一个实施方式，所述波纹管由硅胶材料制成；

所述支板由碳纤维材料制成。

第二方面，本申请还公开了一种仿生软体抓持系统，包括气动软体机械臂以及设置在所述气动软体机械臂端部的气动软体手爪，其中，所述气动软体机械臂包括至少一个上述任一项所述的仿生软体机械臂，在所述气动软体机械臂的一端端部通过接头模块连接所述气动软体手爪；

所述仿生软体抓持系统还包括：

气动驱动系统，所述气动驱动系统分别通过管道与所述气动软体机械臂的通气口以及所述气动软体手爪的驱动气孔连通，用于为所述气动软体机械臂以及所述气动软体手爪提供驱动力。

根据本申请的至少一个实施方式，所述仿生软体机械臂的数量大于两个时，相邻两个所述仿生软体机械臂之间通过螺栓同轴连接，且相邻两个所述仿生软体机械臂在圆周方向上错开预定角度。

本申请至少存在以下有益技术效果：

1)本申请的仿生软体机械臂及抓持系统控制方便，只需改变波纹管空腔内的气压，即可改变仿生软体机械臂及抓持系统的姿态；

2)仿生软体机械臂及抓持系统结构简单、整机质量小，特别是应用于水下操作时，可减小驱动负担，且对水下航行器等平台的反作用力影响小；

3)仿生软体机械臂及抓持系统更灵活，其单段弯曲角度大，并具有被动变形适应环境的能力；

4)采用模块化设计，可根据任务需求，调整软体臂单段的接入数量，现场配置软体臂系统。

附图说明

图1是本申请仿生软体机械臂的立体图；

图2是本申请仿生软体机械臂的主视图；

图3是图2中A-A剖视图；

图4是图2中B-B剖视图；

图5是图2中C-C剖视图；

图6是本申请抓持系统一实施例中包含的3个仿生软体机械臂部分的立体图；

图7是本申请抓持系统包含3个仿生软体机械臂实施例的立体图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1-图7对本申请的仿生软体机械臂及抓持系统进一步详细说明。

第一方面，本申请公开了一种仿生软体机械臂，可以包括波纹管1、端板2以及支板3。

具体地，波纹管1数量为至少两根，且由柔性材料制成；至少两根波纹管1平行且均匀排布；如图4所示，每根波纹管1具有内腔11以及与内腔连通的通气口12。进一步地，本实施例中，优选波纹管1是管壁呈波纹样的周期变径回转体，且由硅胶材料制成。另外需要说明的是，波纹管1的结构特点是其刚度存在明显的各向异性，可以通过定向改变波纹管的厚度，从而改变或强化软体臂在某方向上的运动性能。

两个端板2可以为多种适合形式在板；参见图1、图2以及图4所示，两个端板2分别位于至少两根波纹管1的两端端部，其中，每根波纹管1的端部固定连接至对应端的端板2上，从而通过两个端板2将它们之间的至少两根波纹管1进行夹持；并且，端板2开设有与波纹管1的通气口12相适配的安装孔21，波纹管1的通气口12适配安装在对应端的端板2的安装孔21内，从而方便对波纹管1进行充气或放气。

如图5所示，在支板3的外缘上与至少两根波纹管1相对应的位置处，开设有与每根波纹管1管体上最小直径处的外圆周面相适配的弧形凹槽31，在至少两根波纹管1之间，每个管体上最小直径处设置有一个支板3，从而至少两根波纹管1之间均匀设置多个支板3。进一步，本实施例中，优选支板3由碳纤维材料制成，碳纤维支板3能够大幅加强了软体臂单段的抵抗剪切变形的能力，使得软体臂可以承受横向力，并近似有等曲率的变形特点。

可以理解的是，波纹管1数量为至少两根；例如数量为两根时，通过气动驱动系统(例如气泵及管路)给第一根波纹管1进行充气，而第二根波纹管1不进行操作或者进行放气，此时第一根波纹管1伸长，第二根波纹管1长度不变或者缩短，使得由两根波纹管1、两个端板2以及多个支板3构成的仿生软体机械臂能够朝向第二根波纹管1方向弯曲，从而达到控制方向的目的。并且，当第一根波纹管1和第二根波纹管1同时进行充气或放气时，还能够调节仿生软体机械臂的伸缩长度。

对应地，当波纹管1数量为4根、5根(3根的结构后续将会详细描述)甚至更多时，通过参照上述不同波纹管1的充气、放气组合；需要说明的是，当波纹管1数量为多根(3根或3根以上时)，多根波纹管1的充气、放气组合可以为更多种类，从而可以实现仿生软体机械臂伸长以及多角度的弯曲运动形式；并且，通过多个仿生软体机械臂的组合，能够进一步合成出更为复杂的空间姿态，以满足使用要求。

进一步地，为更方便波纹管1与端板2的连接以及增强连接稳定性，优选在波纹管1的两端端部设置有圆筒状的缩径段；其中，通气口12开设在波纹管1对应端的所述缩径段上，且波纹管1是通过两端的缩径段固定设置在对应端的端板2的安装孔21内。

进一步地，本申请的仿生软体机械臂中，端板2可以根据需要设置成多种适合形状结构；本实施例中，如图3所示，端板2可以包括内夹板22和外夹板23。

具体地，内夹板22的外缘上与至少两根波纹管1相对应的位置处，开设有与每根波纹管1上缩径段处筒径相同的第一半圆凹槽。

外夹板23的数量与波纹管1数量相同，在内夹板22具有第一半圆凹槽的每一侧分别设置一个外夹板23，外夹板23的外缘上开设有与每根波纹管1上缩径段处筒径相同的第二半圆凹槽，其中，第一半圆凹槽与第二半圆凹槽适配构成安装孔21。进一步地，优选外夹板23与内夹板22之间通过沿平行板面方向的螺栓进行固定连接。

需要说明的是，内夹板22与外夹板23的形状根据波纹管1的数量进行适合的选择；如图1、图3所示，优选波纹管1的数量为3个；3个波纹管1时沿同一个正三角形顶点位置进行平行排布，其中，内夹板22可以呈近似正三角形(三角形的三个顶角是圆弧形)，三条边的外缘处分别开设第一半圆凹槽，且在靠近三角形顶点位置处的内夹板22上，沿平行板面方向贯穿开设有第一固定孔221。

对应地，外夹板23可以呈劣弧弓形，其直线边缘处开设第二半圆凹槽；其中，一个内夹板22与三个外夹板23能够构成一个圆形的端板2(相当于形成软体机械臂单段的刚性接头)，且在外夹板23直线边缘方向上两侧，分别开设有与内夹板22上对应侧的第一固定孔221相适配的第二固定孔231，内夹板22与外夹板23通过分别贯穿对应侧第一固定孔221和第二固定孔231的螺栓进行固定。这样的结构使得4个部件(一个内夹板22与三个外夹板23)在安装时仅需要3根螺栓就能固定，安装更加快捷方便。

进一步地，当波纹管1的数量为3个时，支板3同样可以呈近似三角形。

进一步地，本申请的仿生软体机械臂中，可以在每个端板2的背向波纹管1的一侧面上开设有串接螺栓孔24，用于通过相适配的螺栓将两个仿生软体机械臂进行连接，通过这样的方式也即可以将多个仿生软体机械臂进行依次连接。

综上，本申请的仿生软体机械臂的控制方便，只需改变波纹管1内腔11内的气压，即可改变仿生软体机械臂的姿态。

第二方面，本申请还公开了一种仿生软体抓持系统；如图6、图7所示，仿生软体抓持系统包括气动软体机械臂4以及设置在气动软体机械臂4端部的气动软体手爪5；其中，气动软体机械臂4包括至少一个上述第一方面中任一项的仿生软体机械臂，优选在气动软体机械臂4的一端端部通过接头模块6连接气动软体手爪5。其中，接头模块6用于安装载荷，其典型为抓持器。

进一步地，仿生软体抓持系统还可以包括气动驱动系统，气动驱动系统分别通过管道(例如PU气管)与气动软体机械臂4的通气口12以及气动软体手爪5的驱动气孔连通；气动驱动系统用于为气动软体机械臂4以及气动软体手爪5提供驱动力，相当于共享气动驱动系统。

进一步地，仿生软体机械臂的数量大于两个时，相邻两个仿生软体机械臂之间通过螺栓同轴连接，且相邻两个仿生软体机械臂在圆周方向上错开预定角度。

以上述3根波纹管1为例，仿生软体机械臂单段共有3个控制自由度，两端均设置有对外螺栓孔，从而可以根据任务需要，通过段间串联构成各种长度和灵活程度的软体臂。进一步，如图7所示，此处优选仿生软体机械臂的数量为3个，从而形成3段布局共有9个控制自由度，可以满足大多数场合下的软体臂的姿态控制。

综上所述，本申请的仿生软体机械臂及仿生软体抓持系统相对于现有技术具有如下优点：

1)仿生软体机械臂整机(多个仿生软体机械臂构成)质量小，特别是应用于水下操作时，其所受浮力与重力近似相等，可减小驱动负担。由于惯量小，仿生软体机械臂工作时对水下航行器等平台的反作用力影响很小。

2)仿生软体机械臂十分灵活，其单段弯曲角度可达180°，且其有被动变形适应环境的能力。

3)在水下不存在防锈蚀问题，在浅海作业时无需考虑密封问题。

4)模块化设计，可根据任务需求，调整仿生软体机械臂单段的接入数量，现场配置仿生软体机械臂系统。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种仿生软体机械臂，其特征在于，包括：

三根由柔性材料制成的波纹管（1），三根所述波纹管（1）平行且均匀排布，每根所述波纹管（1）具有内腔（11）以及与所述内腔连通的通气口（12）；

两个端板（2），两个所述端板（2）分别位于三根所述波纹管（1）的两端端部，每根所述波纹管（1）的端部固定连接至对应端的所述端板（2）上，且所述端板（2）上开设有安装孔（21），所述波纹管（1）的通气口（12）适配安装在对应端的所述端板（2）的安装孔（21）内；

支板（3），所述支板（3）的外缘上与三根所述波纹管（1）相对应的位置处，开设有与每根所述波纹管（1）管体上最小直径处的外圆周面相适配的弧形凹槽（31），在三根所述波纹管（1）之间，每个管体上最小直径处设置有一个所述支板（3）；

三根所述波纹管（1）沿同一个正三角形顶点位置进行平行排布；

所述端板（2）包括：

内夹板（22），所述内夹板（22）呈近似正三角形，三条边的外缘处与三根所述波纹管（1）相对应的位置处，开设有与每根所述波纹管（1）上缩径段处筒径相同的第一半圆凹槽, 且在靠近所述三角形顶点位置处的所述内夹板（22）上，沿平行板面方向贯穿开设有第一固定孔（221）；

外夹板（23），所述外夹板（23）的数量与所述波纹管（1）数量相同，在所述内夹板（22）具有第一半圆凹槽的每一侧分别设置一个所述外夹板（23），所述外夹板（23）呈劣弧弓形，其直线边缘处开设有与每根所述波纹管（1）上缩径段处筒径相同的第二半圆凹槽，其中，一个所述内夹板（22）与三个所述外夹板（23）构成圆形的端板（2），所述第一半圆凹槽与所述第二半圆凹槽适配构成所述安装孔（21），且在所述外夹板（23）直线边缘方向上两侧，分别开设有与所述内夹板（22）上对应侧的第一固定孔（221）相适配的第二固定孔（231），所述内夹板（22）与所述外夹板（23）通过分别贯穿对应侧第一固定孔（221）和第二固定孔（231）的螺栓进行固定。

2.根据权利要求1所述的仿生软体机械臂，其特征在于，所述波纹管（1）是管壁呈波纹样的周期变径回转体。

3.根据权利要求1所述的仿生软体机械臂，其特征在于，所述波纹管（1）的两端端部设置有圆筒状的缩径段，所述通气口（12）开设在对应端的所述缩径段上，且所述波纹管（1）通过两端的所述缩径段固定设置在对应端的所述端板（2）的安装孔（21）内。

4.根据权利要求1所述的仿生软体机械臂，其特征在于，所述端板（2）的背向所述波纹管（1）的一侧面上开设有串接螺栓孔（24），用于通过相适配的螺栓将两个所述仿生软体机械臂进行连接。

5.根据权利要求1所述的仿生软体机械臂，其特征在于，所述波纹管（1）由硅胶材料制成；

所述支板（3）由碳纤维材料制成。

6.一种仿生软体抓持系统，其特征在于，包括气动软体机械臂（4）以及设置在所述气动软体机械臂（4）端部的气动软体手爪（5），其中，所述气动软体机械臂（4）包括至少一个上述权利要求1-5任一项所述的仿生软体机械臂，在所述气动软体机械臂（4）的一端端部通过接头模块（6）连接所述气动软体手爪（5）；

所述仿生软体抓持系统还包括：

气动驱动系统，所述气动驱动系统分别通过管道与所述气动软体机械臂（4）的通气口（12）以及所述气动软体手爪（5）的驱动气孔连通，用于为所述气动软体机械臂（4）以及所述气动软体手爪（5）提供驱动力。

7.根据权利要求6所述的仿生软体抓持系统，其特征在于，所述仿生软体机械臂的数量大于两个时，相邻两个所述仿生软体机械臂之间通过螺栓同轴连接，且相邻两个所述仿生软体机械臂在圆周方向上错开预定角度。

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