CN116442204B - 一种体素型机器人及包含其的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种体素型机器人及包含其的系统，包括柔性体及柔性体轴向两侧端面；侧端面内部设有驱动及支承装置，且均可以轴线为中心相对柔性体旋转运动；所述柔性体为具有柔性结构的驱动器，具有至少一个特定方向的致动能力；所述侧端面上均设有若干轴向外耦合器和轴向内耦合器，柔性体的圆周面上设有若干径向耦合器。本发明的单个体素机器人具有独立自主的运动能力和复杂的运动模式，拓扑后的机器人系统复杂程度高，其驱动能力远高于单体素或多个非耦合的体素，具备极高的环境及场景适应能力。

Description

一种体素型机器人及包含其的系统

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种体素型机器人及包含其的系统。

背景技术

随着科技的发展，机器人技术也呈现爆炸式的增长，并且逐渐向着智能化、集成化、模块化的方向发展。目前，单一种类的机器人适应场景的局限性比较高，尤其是特殊场景下，往往需要设计专用的机器人，这样使机器人对环境适应性大打折扣。所以，相较于现有机器人技术中功能部件的模块化，具有足够高的自主驱动能力的体素型集群机器人系统拥有更高的通用性及适应性。

专利CN110561388A公开了一种模块化网状机器人，其特点是组成机器人的若干单元均为相同的，通过多个单元之间的连杆相互伸缩，从而使机器人产生各种运动模式。其不足点为：由于单元间只依靠连杆的伸缩相对运动，整体灵活性较差，所谓的模块化只能扩大机器人的规模，而不能依靠单元叠加实现功能拓展。

专利CN109050698A公开了一种模块化柔性爬行机器人，可通过支撑模块、伸缩模块、连接模块三种模块组成具备爬行能力的柔性机器人，其特点为全部采用柔性材料制作能实现前进、后退、转向等功能。其不足点为：由于机器人全部由软材料组成，造成自身的刚度和负载都较小，所以驱动系统无法集成在单元体上，每增加一个单元即需要增加一条控制气管，无法组成复杂的系统。

专利CN109676598B公开了一种自组装的模块化机器人，包括一个头部模块和可任意增减的相同的身体模块，模块和模块之间通过钩爪-插销机构连接。其不足点为：由于其单元只能在单一方向上连接，所以只能组成串行的机器人体，灵活性大打折扣，且单元体全部由刚体组成，整体质量大，造成驱动力浪费。

专利CN105172932A公开了一种基于细胞机器人单体的四足机器人，采用模块化设计思想，在结构上前后左右完全对称，可实现前进、后退、左移、右移等多种行走模式，各模块间便于拆卸、更换、组成。其不足点为：需要独立的供电模块，各单元体内不具备自供电能力，且各单元体不具备自主移动能力，所述的拆卸、更换、组装均需要人力介入。

因此，现有的机器人的灵活性、通用性及环境适应性均有所欠缺，亟需一种自主性强、灵活性高、通用性好的体素型机器人。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种体素型机器人及包含其的系统，具有独立自主的运动能力，以及极高的环境及场景适应能力。

为此，本发明的技术方案是：一种体素型机器人，包括柔性体及柔性体轴向两侧端面；侧端面内部设有驱动及支承装置，且均可以轴线为中心相对柔性体旋转运动；所述柔性体为具有柔性结构的驱动器，具有至少一个特定方向的致动能力；所述侧端面上均设有若干轴向外耦合器和轴向内耦合器，柔性体的圆周面上设有若干径向耦合器。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述柔性体具有沿轴向伸长和缩短的致动能力，和/或具备向任意方向摇摆的致动能力，并可以在任意角度停止或启动；所述摇摆包括正交方向上的前后左右摆动，以及圆周上任意角度的弯曲形变。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述柔性体包括但不限于由连续刚体关节组成、由柔性材料制成、由柔性材料与刚性材料混合制成。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：同一端面上的轴向外耦合器、轴向内耦合器数量一致，均为2的倍数，且所有轴向外耦合器、轴向内耦合器均匀分布在同一圆周线上，轴向内耦合器与轴向外耦合器对称分布。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述柔性体外侧的径向耦合器两两一组，同组两个径向耦合器分布在柔性体两端，且同组两个径向耦合器沿轴向中心距长度与轴向外耦合器所在圆周线的直径一致。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述径向耦合器与轴向外耦合器或轴向内耦合器结构一致。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述轴向外耦合器、轴向内耦合器、径向耦合器均为机械式耦合器，或均为电磁式耦合器。

本发明的另一个技术方案是：一种包含上述体素型机器人的系统，由若干个耦合节点组成，每个耦合节点由至少1个体素型机器人构成，且任一耦合节点均可耦合不同方向设置的其他耦合节点。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：相邻体素型机器人之间的耦合为径向耦合和/或轴向耦合，即：轴向外耦合器与轴向内耦合器耦合，或者，轴向外耦合器与径向耦合器耦合，或者，径向耦合器与轴向内耦合器耦合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、单个体素机器人具有独立自主的运动能力和复杂的运动模式，端面可相对柔性体旋转，柔性体可沿轴向伸缩、在任意方向摇摆，或者同时伸缩摇摆，使得单个体素机器人具有很强的自主性和灵活性。

2、体素机器人的端面和圆周面上均设有配套的耦合器，每个体素机器人均可在轴向、径向等多方向来耦合其他体素机器人，从而形成不同类型的耦合节点；

3、每个耦合节点都在多方向进行拓展，实现机器人系统的无限可能，拓扑后的机器人系统复杂程度高，其驱动能力远高于单体素或多个非耦合的体素，具备极高的环境及场景适应能力。

附图说明

以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明

图1为本发明中单个体素型机器人的结构示意图；

图2为本发明中单个体素型机器人侧端面的驱动结构，(a)为第一种结构、(b)为第二种结构、(c)为第三种结构；

图3、图4、图5是本发明中单个体素型机器人的致动状态示意图；

图6为本发明中单个体素型机器人柔性体的第一种驱动结构；(a)为初始状态，(b)为形变状态；

图7为本发明中单个体素型机器人柔性体的第二种驱动结构；(a)为初始状态、(b)为第一形变状态、(c)为第二种形变状态；

图8为本发明中多体素型机器人耦合模式示意图；

图9为本发明中体素型机器人系统的耦合节点结构示意图；

图10为本发明中体素型机器人系统的构成示意图；

图11为本发明中体素型机器人系统的串行拓扑结构示意图；

图12为本发明中体素型机器人系统的串并行混合拓扑结构示意图。

图中标记为：

图1中：体素型机器人2、第一侧端面21、柔性体22、第二侧端面23、轴向外耦合器211、轴向内耦合器212、径向耦合器221。

图2中：第一驱动及支承装置21a、第一动子21a1、第一定子21a2、第一支承21a3、第一驱动电机21a4、第一位置传感器21a5；

第二驱动及支承装置21b、第二动子21b1、第二定子21b2、第二支承21b3、第二驱动电机21b4、第二位置传感器21b5、动子内侧齿轮21b6、齿轮21b7；

第三驱动及支承装置21c、第三动子21c1、第三定子21c2、第三支承21c3、磁体21c4、线圈21c5、码盘21c6、第三位置传感器21c7。

图3、图4、图5中：体素型机器人2、柔性体22。

图6中：第一柔性体22a、第一骨架22a1、铰节22a2、弹簧22a3、绳索22a4、驱动电机22a5、绳索22a6。

图7中：第二柔性体22b、第二骨架22b1、气囊22b2、泵阀系统22b3。

图8中：第1体素30、第一轴向外耦合器3011、第一轴向内耦合器3012、第一径向耦合器3021、第2体素31、第二轴向外耦合器3131、第二轴向内耦合器3132、第3体素32、第三轴向内耦合器3212。

图9中：耦合节点11、第4体素110、第5体素111、第6体素112、第7体素113、第8体素114、第9体素115、第10体素116。

图10中：体素型机器人系统1、体素型机器人2、耦合节点11、第一耦合节点11a、第二耦合节点11b、第三耦合节点11c、第四耦合节点11d。

图11中：串行拓扑系统4、第五耦合节点41、第六耦合节点42、第七耦合节点43、第11体素410、第12体素411、第13体素420、第14体素421、第15体素422、第16体素430、第17体素431。

图12中：串并行混合拓扑系统5、第八耦合节点511、第九耦合节点512、第十耦合节点513、第十一耦合节点521、第十二耦合节点522、第十三耦合节点523、第十四耦合节点524、第十五耦合节点525、第十六耦合节点526、第十七耦合节点527、第十八耦合节点528。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向(X)”、“纵向(Y)”、“竖向(Z)”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，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、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“数个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参见图1，单个体素型机器人2(以下简称“体素”)由第一侧端面21、柔性体22、第二侧端面23三部分构成，其中第一侧端面21与第二侧端面23分别沿轴线方向布置于柔性体22的两侧。第一侧端面21内部布置有驱动及支承装置，使第一侧端面21可以以轴线为中心相对于柔性体22旋转运动。第二侧端面23内部布置有驱动及支承装置，使第二侧端面23可以以轴线为中心相对于柔性体22旋转运动。

侧端面内的驱动及支承装置有多种结构形式，只要能带动侧端面相对于柔性体旋转运动即可。侧端面的驱动方式包含但不限于以下几种示例：

示例1：参见图2(a)，侧端面内设有第一驱动及支承装置21a，第一驱动及支承装置21a包括第一动子21a1、第一定子21a2、第一支承21a3、第一驱动电机21a4和第一位置传感器21a5。

第一定子21a2与第一动子21a1通过第一支承21a3连接并可相对转动，第一驱动电机21a4安装在第一定子21a2上，第一位置传感器21a5安装在第一动子21a1上，第一驱动电机21a4轴端与第一位置传感器21a5相互连接。第一驱动电机21a4轴端转动，可驱动第一动子21a1转动，从而使得侧端面可相对于柔性体进行旋转运动。

示例2：参见图2(b)，侧端面内设有第二驱动及支承装置21b，第二驱动及支承装置21b包括第二动子21b1、第二定子21b2、第二支承21b3、第二驱动电机21b4、第二位置传感器21b5、动子内侧齿轮21b6、齿轮21b7。

第二定子21b2与第二动子21b1通过第二支承21b3连接并可相对转动，第二位置传感器21b5安装在第二定子21b2上，并通过凸起轴与第二动子21b1相互连接，第二驱动电机21b4安装在定子偏侧，其轴端安装有齿轮21b7，与动子内侧齿轮21b6相啮合。第二驱动电机21b4轴端转动，通过齿轮21b7驱动动子内侧齿轮21b6转动，从而驱动第二动子21b1转动。

示例3：参见图2(c)，侧端面内设有第三驱动及支承装置21c，第三驱动及支承装置21c包括第三动子21c1、第三定子21c2、第三支承21c3、磁体21c4、线圈21c5、码盘21c6、第三位置传感器21c7；

第三定子21c2与第三动子21c1通过第三支承21c3连接并可相对转动，码盘21c6沿圆周分布于第三动子21c1内侧，与之对应的位置，第三位置传感器21c7沿圆周分布于第三定子21c2外侧。磁体21c4沿圆周分布于第三动子21c1内侧，线圈21c5沿圆周分布于定子外侧，当线圈21c5内通入交变电流时，磁体21c4受定向的磁场力做用定向转动，驱动第三动子21c1转动。

所述柔性体22为具有柔性结构的驱动器，柔性体22包括但不限于使用连续刚体关节组成的柔性驱动器、使用柔性材料直接制造的柔性驱动器、使用柔性材料与刚性材料混合制造的柔性驱动器。

所述柔性体22具备至少一个特定方向的致动能力。参见图3，柔性体22具备沿轴向伸长和缩短的致动能力。参见图4，柔性体22具备向任意方向摇摆的致动能力，并可以在任意角度停止或启动，特别的所述摆动不局限于正交方向上的前后左右，其包括向圆周上的任意角度的弯曲形变，图4所示为其中一种特例，仅为说明其摆动致动的形式。参见图5，柔性体22同时具备沿轴向伸缩和向任意方向摆动的致动能力，所述两个方向上的致动不存在关联，皆具有独立性，其摆动特性同前文所述。

所述柔性体22的结构形式包括但不限于以下两种结构：

结构一：参见图6，第一柔性体22a由多个第一骨架22a1通过铰节22a2串联而成，每段第一骨架22a1之间通过若干个弹簧22a3相连接，第一绳索22a4和第二绳索22a6分别从第一骨架22a1的两侧串过，连接到驱动电机22a5上，驱动电机22a5安装在第一骨架22a1内部。驱动电机22a5拉动第一绳索22a4使之缩短，同时放松第二绳索22a6使之伸长，使第一柔性体22a向第一绳索22a4侧弯曲致动，反之则向第二绳索22a6侧弯曲致动。

结构二：参见图7，第二柔性体22b由多组第二骨架22b1和气囊22b2串联组成，泵阀系统22b3安装在靠近端面一侧的气囊中，其中泵阀系统22b3具备流体输送能力，所述流体包含气体和液体。泵阀系统22b3从气囊22b2一侧抽取流体，向对应的气囊22b2另一侧注入流体，从而使整个第二柔性体22b向抽取流体一侧弯曲致动。泵阀系统22b3从所有气囊22b2中同时抽取或注入流体，使整个第二柔性体22b产生伸缩致动。

参见图1，第一侧端面21表面沿圆周方向均匀布置有若干个轴向外耦合器211，轴向外耦合器211的数量必须是至少为2的偶数，在轴向外耦合器211的分布圆周线上，同时均匀分布有相同数量的轴向内耦合器212，与轴向外耦合器211对称分布。同样的，在第二侧端面23表面有同样的耦合器分布，在此不再赘述。

所述柔性体的外圆周上设有若干径向耦合器，径向耦合器221必须成对布置，其数量必须是至少为2的偶数。径向耦合器两两一组，同组的两个径向耦合器分布在柔性体两端，且同组两个径向耦合器沿轴向中心距长度与轴向外耦合器所在圆周线的直径一致，以达到可互相耦合的作用。

所述径向耦合器221结构形式可以与轴向外耦合器211一致，也可以与轴向内耦合器212一致。所述耦合器可以使用机械式耦合，也可以使用电磁式耦合。

参见图8，多个体素机器人具有径向耦合、轴向耦合两种耦合方式，以第1体素30为节点核心，沿其轴向拓展出第2体素31与之耦合，沿其径向拓展出第3体素32与之耦合。在轴向拓展时第1体素30的第一轴向外耦合器3011与第二体素31的第二轴向内耦合器3132相互耦合，第1体素30的第一轴向内耦合器3012与第2体素31的第二轴向外耦合器3131相互耦合。在径向拓展时第1体素30的第一径向耦合器3021与第3体素32的第三轴向内耦合器3212相互耦合。在径向耦合时，第1体素30的第一径向耦合器3021的具体结构形式与第3体素32的轴向外耦合器或轴向内耦合器径向耦合。

参见图9，单一耦合节点由至多7个体素构成，每个体素均为一个体素型机器人2。耦合节点11以第4体素110为节点核心，其余体素沿着沿着X+Y+Z+X-Y-Z-六个方向进行延伸，第5体素111为X+方向延伸，第6体素112为Y+方向延伸，第7体素113为Z+方向延伸，第8体素114为X-方向延伸，第9体素115为Y-方向延伸，第10体素116为Z-方向延伸。单一耦合节点11以节点核心向外延伸，每个方向仅限一个延伸体素。对于第4体素110而言，所有六个方向上均有延伸的，则称其为全节点，若只在部分方向上延伸，则称其为半节点。单一耦合节点的构成体素数量最少为一个，最多为七个，根据实际需求进行布设。

参见图10，体素型机器人系统1由若干个耦合节点11组成，任意一个耦合节点11均可沿着X+Y+Z+X-Y-Z-六个方向进行拓展，以第一耦合节点11a为例，第二耦合节点11b为其向Y-方向的拓展，第三耦合节点11c为其向X-方向的拓展，第四耦合节点11d为其向Z+方向的拓展，其中任意一个被拓展出来的耦合节点11仍然可以向其余未被占用的方向拓展，除去拓展至与另一耦合节点耦合，理论上拓扑关系可无限扩展。在此系统中，一个耦合节点11在六个方向上均存在拓展，则称其为全耦合，若只在部分方向上拓展，则称为半耦合。为了保证拓扑关系具有足够高的自由度，所述系统的节点关系可同时存在全耦合和半耦合。

体素型机器人系统1具有多样性拓扑关系，包括但不限于以下两种拓扑系统：

参见图11，串行拓扑系统4由第五耦合节点41、第六耦合节点42、第七耦合节点43沿单一方向串行拓扑而成。其中第五耦合节点41由核心的第11体素410向单侧径向拓展第12体素411组成，第六耦合节点42由核心的第13体素420向双侧轴向拓展第14体素421和第15体素422组成，第七耦合节点43由核心的第16体素430向单侧径向拓展第17体素431组成。在此系统中，各耦合节点均为半耦合半节点。此结构只为机器人系统的一种拓扑实例，串行拓扑结构包括但不限于所述的这一种。

参见图12，串并行混合拓扑系统5包括沿单一方向串行拓扑的第八耦合节点511、第九耦合节点512、第十耦合节点513，以及向外并行拓扑的第十一耦合节点521、第十二耦合节点522、第十三耦合节点523、第十四耦合节点524、第十五耦合节点525、第十六耦合节点526、第十七耦合节点527、第十八耦合节点528，在此系统中，各耦合节点均为半耦合半节点。此结构只为机器人系统的一种拓扑实例，串并行混合拓扑结构包括但不限于所述的这一种。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种体素型机器人，其特征在于：包括柔性体及柔性体轴向两侧端面；侧端面内部设有驱动及支承装置，且均可以轴线为中心相对柔性体旋转运动；所述柔性体为具有柔性结构的驱动器，具有至少一个特定方向的致动能力；所述侧端面上均设有若干轴向外耦合器和轴向内耦合器，柔性体的圆周面上设有若干径向耦合器。

2.如权利要求1所述的一种体素型机器人，其特征在于：所述柔性体具有沿轴向伸长和缩短的致动能力，和/或具有向任意方向摇摆的致动能力，并可以在任意角度停止或启动；所述摇摆包括正交方向上的前后左右摆动，以及圆周上任意角度的弯曲形变。

3.如权利要求1所述的一种体素型机器人，其特征在于：所述柔性体包括但不限于由连续刚体关节组成、由柔性材料制成、由柔性材料与刚性材料混合制成。

4.如权利要求1所述的一种体素型机器人，其特征在于：同一端面上的轴向外耦合器、轴向内耦合器数量一致，均为2的倍数，且所有轴向外耦合器、轴向内耦合器均匀分布在同一圆周线上，轴向内耦合器与轴向外耦合器对称分布。

5.如权利要求4所述的一种体素型机器人，其特征在于：所述柔性体外侧的径向耦合器两两一组，同组两个径向耦合器分布在柔性体两端，且同组两个径向耦合器沿轴向中心距长度与轴向外耦合器所在圆周线的直径一致。

6.如权利要求1所述的一种体素型机器人，其特征在于：所述径向耦合器与轴向外耦合器或轴向内耦合器结构一致。

7.如权利要求1所述的一种体素型机器人，其特征在于：所述轴向外耦合器、轴向内耦合器、径向耦合器均为机械式耦合器，或均为电磁式耦合器。

8.一种包含权利要求1～7任一项所述体素型机器人的系统，其特征在于：由若干个耦合节点组成，每个耦合节点由至少1个体素型机器人构成，且任一耦合节点均可耦合不同方向设置的其他耦合节点。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于：相邻体素型机器人之间的耦合为径向耦合和/或轴向耦合，即：轴向外耦合器与轴向内耦合器耦合，或者，轴向外耦合器与径向耦合器耦合，或者，径向耦合器与轴向内耦合器耦合。