软体模块机器人单元模块的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种软体模块机器人单元模块。

背景技术：

软体机器人研究来源于人们对自然界中的软体动物(如章鱼、象鼻、蚯蚓等)的一些运动行为的模仿。软体机器人以其具有的柔顺性、适应性、超冗余或无限自由度等特性，克服了高度依赖结构化环境和精确数学模型进行控制等问题。通过软体机器人模块化，可以根据工作任务及工作环境的变化而改变自身的模块配置，构成与环境相适应的最佳构型，完成不同操作任务。由于单元模块的均一性和互换性，使得软体模块机器人的制造和维护成本也大大降低。对于复杂未知环境的探测，如：海底资源勘探、星球地形探索、矿难及震灾救援等，软体模块机器人其运动灵活性的优势则更加明显。

目前，对于软体机器人研究大多集中在如何利用某些特殊材料的性能或者特殊的物理化学过程来模仿自然界中软体动物的运动行为。为了能在狭小的空间内进行有效侦查，2007年美国国防部高级研究局提出研制一种小型化学机器人ChemBots。它能通过比自身常态尺寸小的通道，还可重构自身形状和尺寸，是一种中尺寸软体机器人(Dynamic Model of a Special Robot From First Principles.Schroll,G.C.2010,Colorado State University.)。麻省理工学院、哈佛大学和韩国汉城国立大学联合研发的Meshmorm机器人(Design of the Shape Memory Alloy Coil Spring Actuator for the Soft Deformable Wheel Robot,9th URAI,26 November 2012)，通过在聚合管周围环绕网格状形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)来模拟蚯蚓蠕动并能抵抗强大的冲击。日本早稻田大学Shingo Maeda等利用Belousov-Zhabotinskii(B-Z)化学反应实现了仿生尺蠖的伸缩运动(Self-oscillating gel as novel biomimetic materials,Journal of Controlled Release,Volume 14,Issue 3,16 December 2009,Pages 186-193)。国内目前对于软体机器人研究相对较少，主要包括：北京航空航天大学研制的一款基于SMA、自反馈和SSMA驱动的软体机器人系统，浙江大学的刘伟庭等研制的基于SMA驱动、硅胶表皮的仿生蚯蚓。在软体模块机器人方面，瑞士联邦理工大学Germann J等人研制了一种基于电胶合技术，运用静电力连接的机器人模块(Stretchable electroadhesion for soft robots,IROS 2014,September 2014,Pages 3933-3938)。美国麻省理工学院的Sehyuk Yim等人研制了一种依靠外部磁场改变自身形状的胶囊机器人(Magnetically Actuated Soft Capsule With the Multimodal Drug Release Function,IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,Volume 18,Issue 4,March 2013)。国内上海交通大学的费燕琼于2013年设计了一种模块化软体机器人，它由多个可变形的球形单元模块组成，具体结构公开在专利CN104924305A中。

然而由于目前研制的软体机器人的单元模块的运动自由度少、连接机构复杂、柔性差，因而普遍都会存在着运动缓慢、负载能力弱、可扩展性差等问题，这导致软体机器人的运动空间小、模块之间的连接不够稳定，所以很难应用于现实中。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种利用纯刚性的机械结构及气动驱动装置，并且模仿章鱼触手的运动行为，使软体模块机器人在非结构作业环境中能迅速适应环境并执行相应的任务的软体模块机器人单元模块。

为此，本发明技术方案如下：

一种软体模块机器人单元模块，包括伸缩动力机构和转向机构，所述伸缩动力机构和所述转向机构通过球连接副保持座活动链接；

所述伸缩动力机构包括竖直设置在气缸固定槽座上且沿圆周方向均布的至少三个气缸，所述气缸上设置有至少一个用于与供气系统连通的气孔，所述气缸的活塞杆顶端均螺纹连接有一球形构件；

所述转向机构包括设有导轨的上基座和由设有滑块的伸缩杆和球连接副保持座构成的多套球连接副补偿机构，所述球连接副补偿机构的数量与所述气缸的数量一致；其中：

所述导轨为由多个H形构件围成的框架结构，H形构件的个数与所述气缸的个数一致，所述H形构件包括横部和固定在横部两端的竖部，所述竖部固定在所述圆柱形基盘上；

所述设有滑块的伸缩杆包括一个具有多级伸缩运动功能的伸缩杆和设置在所述伸缩杆一端的滑套，所述滑套设有通孔，使每个所述滑套通过方形通孔分别套装在所述上基座的不同H形构件的横部上，使所述伸缩杆能够通过所述滑套在其所对应套装的H形构件的横部上往复运动；

所述球连接副保持座包括内球连接副保持座和外球连接副保持座，所述内球连接副保持座和所述外球连接副保持座上均开设有一1/4球形槽，所述内球连接副保持座能够插装并固定在所述外球连接副保持座内形成一整体且所述内球连接副保持座和所述外球连接副保持座上的1/4球形槽形成1/2球形槽；所述伸缩杆的另一端固定在所述外球连接副保持座上。

其中，所述伸缩动力机构的气缸的个数、所述伸缩动力机构中构成导轨的H形构件的个数和球连接副补偿机构的个数一致，具体个数可以为3个、4个、5个等；使每个所述伸缩动力机构的气缸带动所述伸缩动力机构的球连接副补偿机构发生伸缩运动和相应的多方向偏移或转动等。

进一步地，所述气缸固定槽座包括圆柱形基底和四根竖直设置且沿圆周方向均布在所述圆柱形基底上的具有凹槽条形架；所述条形架朝向外侧的一侧设为开口部、顶面开设有固定通孔，使所述气缸设置在所述条形架内，活塞杆自所述固定通孔穿出，并通过螺栓和套装于螺栓外侧螺母将所述气缸固定在所述条形架内。

进一步地，在所述条形架开口部两侧侧壁上开设有对称设置有两组豁口，使所述气缸通过设置在所述豁口内的皮筋或尼龙扎固定在所述条形架内。

进一步地，所述1/2球形槽槽深略大于所述球形构件的半径，使所述球连接副保持座和所述球形构件连接时，所述球形构件能够被锁定在所述球连接副保持座的1/2球形槽内。

一种柔性臂，由多个软体模块机器人单元模块依次连接形成，具体地，在所述伸缩动力机构和所述转向机构上分别设有上连接机构和下连接机构，且在所述上基座和所述气缸固定槽座上开设有位于同一轴线上的至少一个销孔；所述上连接机构和所述下连接机构为多个沿圆周方向设置的弧形卡槽，且在所述卡槽一侧设有相互配合的阻挡壁，使多个软体模块机器人单元模块之间依次通过所述上连接机构和所述下连接机构之间对向旋转扣装并通过过盈配合设置在销孔内的销钉连接固定形成柔性臂。

与现有技术相比，该软体模块机器人单元模块不仅可以实现伸缩运动，而且单个模块能在实现伸缩运动的同时实现360°的范围内任意方向的转向运动，正是因为单个模块具有出色的运动性能，使得由多个模块组成的软体模块机器人具有丰富的运动构型，使得软体模块机器人能够完成在非结构环境下传统的刚性机器人难以完成的复杂的操作任务。而且机器人的模块化的设计使得软体模块机器人可以根据任务的复杂程度的不同分配不同的模块个数，以最低的成本代价最大限度地完成所需的任务，使得软体模块机器人针对不同的任务都有最优的经济效益。

附图说明

图1是本发明的软体模块机器人单元模块的后侧面结构示意图；

图2是本发明的软体模块机器人单元模块的前侧面结构示意图；

图3是本发明的软体模块机器人单元模块的伸缩动力机构的结构示意图；

图4是本发明的软体模块机器人单元模块的气缸固定槽座的结构示意图；

图5是本发明的软体模块机器人单元模块的气缸的结构示意图；

图6是本发明的软体模块机器人单元模块的球形构件的结构示意图；

图7是本发明的软体模块机器人单元模块的气缸固定螺母的结构示意图；

图8是本发明的软体模块机器人单元模块的气管接头的结构示意图；

图9是本发明的软体模块机器人单元模块的转向机构(滑块在中部，伸缩杆伸长)的结构示意图；

图10是本发明的软体模块机器人单元模块的转向机构(滑块在中部，伸缩杆收缩)的结构示意图；

图11是本发明的软体模块机器人单元模块的转向机构(滑块在一侧，伸缩杆伸长)的结构示意图；

图12是本发明的软体模块机器人单元模块的球连接副补偿机构装配图；

图13是本发明的软体模块机器人单元模块的球连接副补偿机构爆炸图；

图14是本发明的软体模块机器人单元模块的球连接副保持座；

图15是本发明的软体模块机器人单元模块的带导轨组的上基座；

图16是本发明的软体模块机器人单元模块的带滑块的伸缩杆；

图17是本发明的软体模块机器人单元模块的球连接副固定螺钉；

图18是本发明的软体模块机器人单元模块的上连接机构；

图19是本发明的软体模块机器人单元模块的下连接机构；

图20是本发明的软体模块机器人单元模块的销钉；

图21是本发明的软体模块机器人单元模块的伸缩构型；

图22是本发明的软体模块机器人单元模块的转向构型；

图23是由五个本发明的软体模块机器人单元模块组成的柔性臂装配模型；

图24是由五个本发明的软体模块机器人单元模块组成的柔性臂的螺旋向前运动构型；

图25是由五个本发明的软体模块机器人单元模块组成的柔性臂的前倾弯曲运动构型；

图26为五个本发明的软体模块机器人单元模块依次串联形成柔性臂先做弯曲运动再在弯曲的构型下再做旋转运动的包络图；

图27为五个本发明的软体模块机器人单元模块依次串联形成柔性臂在处于螺旋扭曲的构型下做旋转运动的运动空间的包络图；

图28为五个本发明的软体模块机器人单元模块依次串联形成柔性臂在前后左右四个方向上做螺旋上升运动时的运动空间的包络图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1～2所示，该软体模块机器人单元模块包括伸缩动力机构、转向机构和连接机构；其中：

如图3所示，所述伸缩动力机构包括气缸固定槽座9、气缸8、球形构件4和气管接头5；具体地，

如图4所示，所述气缸固定槽座9包括圆柱形基底901和四根竖直设置且沿圆周方向均布在所述圆柱形基底901上的具有凹槽条形架902，所述条形架用于容置所述气缸8，所述条形架902朝向外侧的一侧设为开口部、顶面开设有固定通孔903；在每个所述条形架902槽口的两边上对称开设有四个长方形的豁口，所述豁口用于将所述气缸8径向固定时对尼龙扎带进行定位和导向，每个所述气缸8均用两条尼龙扎带对所述气缸8进行径向固定；

如图5～8所示，所述气缸8两端各设有一个气孔801，所述气孔801上均螺纹连接有一气管弯接头7，所述气管弯接头7弯曲向下并与供气系统连通，用于向所述气缸8供气，以提供气缸上下往复伸缩运动的动力；所述气缸8竖直设置在所述条形架902内，其活塞杆上部穿出所述固定通孔903，并通过螺栓和套装于螺栓外侧螺母5将所述气缸8固定在所述条形架902内；所述活塞杆顶端螺纹连接有球形构件4；所述球形构件4为中心设有通孔的球体；

该伸缩动力机构采用了四个气缸呈圆形分布的布局，不仅使得伸缩动力机构能够提供强大的动力完成伸缩的平移运动，而且当伸缩动力机构的四个气缸的气缸活塞杆的位移量不同时，伸缩动力机构能够驱动转向机构做360度的任意范围内的转向运动；

如图9～11所示，所述转向机构包括设有导轨的上基座1和由设有滑块的伸缩杆2和球连接副保持座3构成的四套球连接副补偿机构，具体地，

如图15所示，所述上基座1包括圆柱形基盘101和由四个H形构件围成的正方向框架102；四个H形构件包括横部和固定在横部两端的竖部，形成H形，竖部底面固定在所述圆柱形基盘101上，横部与间隔所述圆柱形基盘101一定距离设为导轨，使所述四个H形构件围成一个方形导轨；

如图12～13和图18所示，所述设有滑块的伸缩杆2包括一个具有二级伸缩运动功能的伸缩杆201和设置在所述伸缩杆一端的滑套202，所述滑套202具有方形通孔，使所述滑套202通过方形通孔套装在所述上基座1的一个H形构件102的横部上，使所述伸缩杆2能够通过所述滑套202在其所对应套装的H形构件102的横部上往复运动；同时，由于所述设有滑块的伸缩杆2包括一个具有二级伸缩运动功能的伸缩杆201，因此，所述设有滑块的伸缩杆2能够通过伸缩杆201收缩至全部位于所述圆柱形基盘101上也可以通过伸缩杆201依次进行一级、二级伸展，延伸出所述圆柱形基盘101外部；

如图12～14和图16～17所示，所述球连接副保持座3包括内球连接副保持座301和外球连接副保持座302，所述内球连接副保持座301和所述外球连接副保持座302上均开设有一1/4球形槽，所述内球连接副保持座301能够插装在所述外球连接副保持座302内形成一矩形块整体，且所述矩形块整体一侧表面上形成有一个1/2球形槽，所述1/2球形槽深略大于所述球形构件4的半径，使所述球连接副保持座3和所述球形构件4连接时，所述球形构件4能够被锁定在所述球连接副保持座3的1/2球形槽内；所述内球连接副保持座301和所述外球连接副保持座302通过设置在两侧的固定螺钉303连接固定为一个整体；

所述球连接副保持座3连接固定在所述设有滑块的伸缩杆2的另一端，组成四套球连接副补偿机构；每个所述球连接副补偿机构通过滑套202与相应的方形导轨连接，使每个球所述球连接副补偿机构在平面内具有两个移动的自由度，以补偿转向机构在做360°任意方向的转向过程中带导轨组的上基座相对于伸缩动力机构的气缸中心轴线的径向偏移量，同时，由于方形导轨在基座上处于前、后、左、右四个方向上分布的布局结构，因此在每个转向机构中有四个球连接副补偿机构，而又由于每个球连接副补偿机构在平面内有两个平移的自由度，因此每个转向机构共有八个自由度；所述球连接副保持座3通过所述球形构件4与所述伸缩动力机构连接；

如图20和图21所示，连接机构包括上连接机构11和下连接机构10；具体地，

如图20所示，所述上连接机构11为设置在所述气缸固定槽座9的圆柱形基底901上的三个第一弧形部件，所述三个第一弧形部件位于设置有所述凹槽条形架902的对侧侧面上且沿所述圆柱形基底901的圆周方向均布，使三个所述第一弧形部件依次收尾连线能够形成一个与所述圆柱形基底901同心的圆环；所述三个第一弧形部件包括竖直设置在所述圆柱形基底901的第一条形部和水平设置在所述第一条形部顶面上的第二条形部，使所述第一弧形部件的轴向截面呈L形，在所述三个第一弧形部件的同侧还设有阻挡壁，使所述三个第一弧形部件形成开口向外侧的卡槽式结构；在所述圆柱形基底901中心处开设有三个销孔，三个销孔同样沿所述圆柱形基底901的圆周方向均布，且分别位于三个所述三个第一弧形部件的径向平分线上；

如图21所示，所述下连接机构10为设置在所述上基座1的圆柱形基盘101上的三个第二弧形部件，所述三个第二弧形部件位于设置有所述圆柱形基盘101的对侧侧面上且沿所述圆柱形基盘101的圆周方向均布，使三个所述第二弧形部件依次收尾连线能够形成一个与所述圆柱形基盘101同心的圆环；所述三个第二弧形部件包括竖直设置在所述圆柱形基盘101的第一条形部和水平设置在所述第一条形部顶面上的第二条形部，使所述第一弧形部件的轴向截面呈L形，在所述三个第二弧形部件的同侧还设有阻挡壁，使所述三个第二弧形部件形成开口向外侧的卡槽式结构；在所述圆柱形基盘101中心处开设有三个销孔，三个销孔同样沿所述圆柱形基盘101的圆周方向均布，且分别位于三个所述三个第二弧形部件的径向平分线上；

其中，所述第一弧形部件的第一条形部设置在所述圆柱形基底901内侧，所述第二弧形部件的第一条形部设置在所述圆柱形基盘101边沿处，且设置在所述第一弧形部件侧的阻挡壁和设置在所述第二弧形部件侧的阻挡壁方向相反，另外，所述第一弧形部件高度略低于所述第二弧形部件的高度，使两个软体模块机器人单元模块进行连接时，通过所述第一弧形部件和所述第二弧形部件之间能够错位设置并对向旋转使所述第一弧形部件和所述第二弧形部件之间相扣，同时位于所述圆柱形基底901和所述圆柱形基盘101上的三个销孔轴向一一对应，通过以过盈配合的方式插装销孔实现两个软体模块机器人单元模块之间的连接。

采用上述设计的上连接机构11和下连接机构10实现两个软体模块机器人单元模块之间的连接能够保证连接后机构的稳定性和可靠性，即当两个单元模块进行连接时，首先将上连接机构11的第一弧形部件和下连接机构10的第二弧形部件调整到错开的位置，并使第一弧形部件的第二条形部和第二弧形部件的第二条形部处于相互平行状态，然后让上连接机构11和下连接机构10沿着其上的类长方体构件的分布面的圆心处的轴线对向旋转至碰到阻挡壁位置，这样两个模块之间的轴向和径向的位移便得到了固定，当两个模块旋合到不能进一步旋合的位置时，两个连接机构之间的销钉孔的轴线就重合了，最后在销钉孔中插入销钉，这样便完成了两个单元模块之间的连接，使得软体模块机器人单元模块之间的连接不仅牢固可靠而且具有建立连接和解除连接简单方便的特点，这非常有利于根据任务的需要分配软体模块机器人单元模块的个数。

如图21和图22所示，该软体模块机器人单元模块的运动方式是伸缩运动和转向运动相结合的方式，且伸缩运动和转向运动都是靠转向机构来实现的。转向机构能同时实现伸缩运动和360°的范围内的任意方向上的转向运动是其最大的特征。

如图23～25所示为将五个软体模块机器人单元模块依次串联形成柔性臂发生单纯螺旋向前或前倾弯曲的运动构型，可以看出当单个软体模块机器人单元模块通过伸缩或转向运动在五个模块连接的情况下产生叠加效应，使得由多个模块组成的软体模块机器人能很好地模仿章鱼触手的运动行为。

如图26～28所示为五个软体模块机器人单元模块依次串联形成柔性臂通过Creo软件模拟做三种不同的运动时所具有的运动空间的包络图，由于单个模块不仅可以实现360°的转弯运动，而且单个模块在处于转弯的构型下，还可以实现360°的旋转运动，因此当五个软体模块机器人单元模块在连接情况下产生叠加效应时完全可以产生非常复杂的运控空间构型，这对于其完成在复杂环境的下任务所需的操作是非常有利的。