一种软体机器人臂及其控制系统的制作方法

[0001]
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种采用记忆合金作为驱动的软体机器人臂及对该软体机器人臂进行控制的控制系统。


背景技术：

[0002]
机器人是一种按照既定程序，执行相应任务的智能化机械设备，其可以接受协助或取代人类的一些工作，广泛应用于工业、民用、军事等技术领域。传统的机器人由于其本体具有非常庞大的机构，并且其组成部件往往采用刚性机构，使其难以通过狭窄空间，并难以进行复杂的作业环境。因此，亟需一种软体机器人，具有柔软性和变形性，适用于不宜人类工作的场合，如辐射、剧毒、地震、狭小管道等场所。


技术实现要素：

[0003]
本发明的主要目的在于提供一种软体机器人臂及其控制系统，从而克服现有技术的不足。
[0004]
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：一种软体机器人臂，所述软体机器人臂包括具有弹性形变特性的内部柔性支撑件、第一外部支撑件、第二外部支撑件和第三外部支撑件，所述内部柔性支撑件的外部套设有多个所述第一外部支撑件，多个所述第一外部支撑件沿内部柔性支撑件的长度方向间隔排布，相邻两个所述第一外部支撑件通过至少三个所述第二外部支撑件相连，每个所述第一外部支撑件通过至少两个第三外部支撑件与所述内部柔性支撑件相连，每个所述第二外部支撑件和第三外部支撑件上均设有至少一个由记忆合金材料制成的伸缩件。
[0005]
优选地，所述内部柔性支撑件为柔性弹簧或者柔性软管。
[0006]
优选地，所述第一外部支撑件、第二柔性外部支撑件和第三外部支撑件均为尼龙编织网或者为由聚酯材料制成的编织网。
[0007]
优选地，每个第二外部支撑件沿内部柔性支撑件的长度方向延伸设置，且非同段内的多个第二外部支撑件连接于一体。
[0008]
优选地，每个所述第一外部支撑件连接的第三外部支撑件上的伸缩件位于同一平面。
[0009]
优选地，所述伸缩件在通电时伸长或缩短。
[0010]
优选地，所述伸缩件在通入电流时伸长或缩短
[0011]
优选地，处于同一段内的第二外部支撑件上的伸缩件通电时软体机器人臂伸长或缩短，或者处于同一平面的第三外部支撑件上的伸缩件通电时软体机器人臂伸长或缩短，且软体机器人臂在伸长或缩短时体积不变。
[0012]
优选地，软体机器人臂还包括具有弹性形变特性的柔性保护套，所述柔性保护套将所述内部柔性支撑件、第一外部支撑件、第二外部支撑件和第三外部支撑件形成的软体机器人臂结构包覆在内部。
[0013]
本发明还揭示了一种软体机器人臂的控制系统，所述控制系统包括
[0014]
控制器，用于接收上位机发送的控制指令，并根据所述控制指令生成占空比可调的pwm信号；
[0015]
驱动放大电路模块，与所述控制器相连，用于对pwm信号进行放大处理；
[0016]
伸缩件控制电路模块，与所述驱动放大电路模块相连，用于根据所述pwm信号控制伸缩件的变形量。
[0017]
优选地，所述伸缩件控制电路模块根据pwm信号控制通入伸缩件的电流来控制伸缩件的变形量。
[0018]
与现有技术相比较，本发明的有益效果至少在于：
[0019]
本发明所述的软体机器人臂，由于具有自身的柔软性和变形性，因此可以产生无限自由度的运动，即实现无限自由度的柔性变形，其不仅可进入狭小空间进行作业，而且还可在环境复杂等非结构性环境中进行作业，可适用于地质勘探、水下搜救或军事领域的障碍扫除等等场合，具有广泛的应用前景。
附图说明
[0020]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021]
图1是软体机器人臂的结构示意图；
[0022]
图2是软体机器人臂的伸长、缩短及弯曲示意图；
[0023]
图3是软体机器人臂的控制系统的结构框图示意图。
具体实施方式
[0024]
通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本发明。本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。
[0025]
如图1所示，为本发明所揭示的一种软体机器人臂，可实现伸长、缩短及弯曲动作，并且具有在伸长或缩短时体积保持不变的静水骨骼特性，其包括内部柔性支撑件10、第一外部支撑件20、第二外部支撑件30和第三外部支撑件40。其中，内部柔性支撑件10作为主支撑结构，具有弹性形变特性，可在外力作用下伸长、缩短或者弯曲；第一外部支撑件20作为辅助支撑结构，整体呈环形，内部柔性支撑件10的外部套设有至少两个该第一外部支撑件20，多个第一外部支撑件20沿内部柔性支撑件10的长度方向间隔排布，第一外部支撑件20具有弹性形变特性，可在外力作用下改变内径尺寸，如扩大或者缩小内径尺寸；第二外部支撑件30作为辅助支撑结构，用于连接相邻的两个第一外部支撑件20，相邻两个第一外部支撑件20之间通过至少三个第二外部支撑件30连接，沿内部柔性支撑件10的长度方向设置的多个第二外部支撑件30连接于一体，第二外部支撑件30同样具有弹性形变特性，可在外力
作用下伸长、缩短或者弯曲；第三外部支撑件40作为辅助支撑结构，用于连接内部柔性支撑件10和第一外部支撑件20，每个第一外部支撑件20通过至少两个第三外部支撑件40与内部柔性支撑件10相连，也即第一外部支撑件20的内部设有至少两个第三外部支撑件40，第三外部支撑件40的一端与内部柔性支撑件10相连，相对端第一外部支撑件20相连，第三外部支撑件40同样具有弹性形变特性，可在外力作用下伸长、缩短或弯曲。
[0026]
本实施例中，内部柔性支撑件10为柔性弹簧，或者为柔性软管，当然，在其他实施例中，可也采用具有相同功能(柔性变形支撑功能)的支撑件；第一外部支撑件20、第二外部支撑件30和第三外部支撑件40均为具有一定弹性且能够恢复形状的尼龙编织网或者为由聚酯等材料制成的编织网。
[0027]
进一步地，每个第二外部支撑件30和第三外部支撑件40上均设有至少一个伸缩件50，其中，每个第一外部支撑件20内的多个第三外部支撑件40上的伸缩件50处于同一平面，伸缩件50可通过相应固定方式固定于相应的外部柔性支撑件上，如通过硅胶粘接至外部柔性支撑件的固定位置处。该伸缩件50由记忆合金材料制成，每个伸缩件50与控制系统相连，在控制系统的作用下，该伸缩件50可实现伸长或缩短，以使相应的外部柔性支撑件伸长或缩短，实现软体机器人臂的伸长或缩短或弯曲。每个伸缩件50具有两个接线端子，每个接线端子均连接有电连接线60，电连接线60包括但不限于漆包线、铜丝，每个伸缩件50通过电连接线60与控制系统相连，控制系统可通过电连接线60向相应的伸缩件50中通入电流，以使其变形。
[0028]
本实施例中，软体机器人臂通过多个第一外部支撑件20形成多段串联结构，如当设置3个第一外部支撑件20时，软体机器人臂整体可分为2段串联结构，每段结构中设置多个沿横向方向设置的伸缩件50和多个沿纵向方向设置的伸缩件50，伸缩件50的数量可根据实际需求进行设置，如相邻两个第一外部支撑件20之间设置四个沿纵向方向设置的伸缩件50，每个第一外部支撑件20内部设置四个沿横向方向设置且处于同一平面的伸缩件50。
[0029]
实施时，结合图1和图2所示，对于软体机器人臂伸长的情况，可为处于同一段内的第二外部支撑件30上的伸缩件50通电，使各个伸缩件50执行伸长动作，以使整个软体机器人臂呈现伸长状态，当然，也可以为处于同一平面的第三外部支撑件40上的伸缩件50通电，使各个伸缩件50执行伸长动作，以使整个软体机器人臂呈现伸长状态。对于软体机器人臂缩短的情况，可为处于同一段内的第二外部支撑件30上的伸缩件50通电，使各个伸缩件50执行缩短动作，以使整个软体机器人臂呈现缩短状态，当然，也可以为处于同一平面的第三外部支撑件40上的伸缩件50通电，使各个伸缩件50执行缩短动作，以使整个软体机器人臂呈现缩短状态。对于弯曲的情况，可先确定需要弯曲的外置，进一步选择弯曲外置附近的伸缩件50执行缩短或者伸长动作，如控制一个伸缩件50伸长，一个伸缩件50缩短，可使软体机器人臂执行弯曲动作。
[0030]
如图1所示，由于第一外部支撑件20、第二外部支撑件30和第三外部支撑件40为编织网结构，因此伸缩件50可设于相应外部柔性支撑件的内部，也即伸缩件50的外部采用编织网作为护套，伸缩件50通过胶粘等方式与编织网相连。
[0031]
本实施例中，伸缩件50为通电缩短型伸缩件，当处于同一段的第二外部支撑件30上的伸缩件50通电时，整个软体机器人臂呈现缩短状态，而当处于同一平面的第三外部支撑件40上的伸缩件50通电时，整个软体机器人臂呈现伸长状态，并且在伸长或缩短时，可通
过相应的控制算法控制伸缩件50，以使整个软体机器人臂的体积保持不变，具有如某些软体动物(如章鱼)的静水骨骼特性，这里的静水骨骼特性是指在软体机器人在伸长时，第一外部支撑件20的半径尺寸会相应减少，以使得整个软体机器人的体积保持不变，如以软体机器人整体呈圆柱体为例，其下底面直径为r，高为d，当上底面的直径为k
×
r时，其体积为：
[0032][0033]
当d减少变为d-δd，则相应的下底面直径为r-δr，且有
[0034][0035]
如图1所示，软体机器人臂还包括具有弹性形变特性的柔性保护套70，该柔性保护套70包覆于软体机器人臂的外部，也即将内部柔性支撑件10、第一外部支撑件20、第二外部支撑件30和第三外部支撑件40形成的软体机器人臂结构包覆在内部，以对其进行保护。
[0036]
如图3所示，本发明还揭示了一种软体机器人臂的控制系统，用于控制软体机器人臂执行伸长、缩短和弯曲动作。控制系统包括控制器、驱动放大电路模块和伸缩件控制电路模块，其中，控制器通过驱动放大电路模块与伸缩件控制电路模块相连，伸缩件控制电路模块通过电连接线连接每个伸缩件，控制器用于接收上位机发送的控制指令，如伸长、缩短或弯曲，并根据该控制指令生成占空比可调的pwm(pulse width modulation，脉冲宽度调制)信号；驱动放大电路模块用于对pwm信号进行放大处理，并输出至伸缩件控制电路模块中；伸缩件控制电路模块根据pwm信号控制伸缩件的变形量，实施时，伸缩件控制电路模块依据pwm信号控制通过伸缩件的电流来控制伸缩件的变形量(伸缩件伸长或缩短)，如可控制通过伸缩件的电流平均值来控制伸缩件的变形量，电流通过电连接线输入至伸缩件中，电连接线优选可通过最大电流为5a的漆包线。
[0037]
本实施例中，控制器优选dsp控制器，并且控制系统采用的是中央-本体控制方法，也即上位机(中央控制器)发送控制指令，如弯曲、缩短等，控制器(本地控制器)对控制指令进行处理，并对每个伸缩件采用pid(比例(proportion)、积分(integral)、微分(differential))控制策略，通过在伸缩件中通过的电流控制伸缩件的位移缩短量。
[0038]
进一步地，控制系统还包括通信模块，控制器通过通信模块与上位机相连，实施时，上位机通过该通信模块向控制器中发送控制命令。本实施例中，通信模块优选串行接口通信模块，当然，在其他实施例中，可根据实际需求选择相应的通信模块，如选择并行接口通信模块等。
[0039]
进一步地，控制系统还包括电源模块，用于为控制系统提供电能。
[0040]
本发明所述的软体机器人臂，由于具有自身的柔软性和可变形性，因此可以产生无限自由度的运动，即实现无限自由度的柔性变形，这是传统机器人所无法达到的，其不仅可进入狭小空间进行作业，而且还可在环境复杂等非结构性环境中进行作业，可适用于地质勘探、水下搜救或军事领域的障碍扫除等等场合，具有广泛的应用前景。
[0041]
本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。
[0042]
在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明
的任何方面、实施例或特征。
[0043]
除非另外具体陈述，否则术语“包含(include、includes、including)”、“具有(have、has或having)”的使用通常应理解为开放式的且不具限制性。
[0044]
尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。