一种吞咽机器人

本发明属于仿生机械技术领域，具体涉及一种吞咽机器人。

背景技术：

目前现有的吞咽机器人主要有两类：

一类以气体或液体驱动柔性材料变形实现吞咽动作，如气动控制硅橡胶内腔表面收缩或扩张，或利用气动肌肉做端面驱动件和中间连接件带动机器人弯曲和伸缩模仿蛇吞咽过程等；此类机器人常需要外加大量的气动管道，通过控制各管道的进出气量来实现复杂的吞咽运动，因此，机器人的结构和算法均较为复杂，且由于存在外加的气动管道，机器人需要有较好的气密性，则机器人无法很好的应用到郊外环境中。此外，这些机器人在设计时便确定了其整机长度，在使用过程中一般不可改变，这同样限制了机器人的应用。

另一类以弹性材料作为端面结构，利用中间的连接结构来连接相邻端面，在端面机构和中间连接结构的配合下完成吞咽运动。如中国专利cn110495301a中公开了一种环抱吞咽式的脐橙采摘器，其吞咽机构是利用多个弹性环状绳作为端面结构，四条弹性绳子作为中间连接，塑料框作为底部，可实现对不同直径大小脐橙的收集工作；此类机器人作为一种被动的收集装置，并无法作为主动的抓捕机构，尤其对于一些异型的猎物更是束手无策。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种吞咽机器人，可实现在轴向和径向上的同步伸缩，并可以通过改变可折展节段的个数来控制仿生吞咽机器人的作用长度，以用于捕捉和吞咽不同的猎物及适应不同的应用场景。

为了实现上述目的，本发明提供了一种吞咽机器人，其包括柔性通道和多个可折展节段，多个可折展节段依次设置于柔性通道的轴向外周，可折展节段包括：

端面机构，包括多个弧形杆和多个四向连接块；

其中弧形杆的近端设有第一孔，弧形杆的中部设有第二孔，弧形杆的远端设有第三孔；

其中两个弧形杆的朝向相对形成一个弧形杆组，多个弧形杆两两一组所形成所弧形杆组均匀分布于柔性通道的轴向外周；

其中该弧形杆组中的弧形杆的远端通过第三孔相铰接、近端分别铰接在不同的四向连接块上，或该弧形杆组中的弧形杆的近端通过第一孔相铰接、远端分别铰接在不同的四向连接块上，并且任意两组该弧形杆组中相邻的两个弧形杆通过第二孔相铰接；

连接机构，包括中间连杆、用于连接的四个连接连杆单元、用作推进的推进连杆单元，中间连杆与柔性通道同方向设置；

其中连接连杆单元为3r1p机构，连接连杆单元包括第一连接连杆和第二连接连杆，第一连接连杆的中部设有槽，槽内设有能够沿第一连接连杆的杆长方向滑移的滑块，第一连接连杆的一端铰接在中间连杆上，第二连接连杆的一端铰接在中间连杆上，第一连接连杆的另一端铰接在四向连接块上，第二连接连杆的另一端铰接在滑块上；

其中四个连接连杆单元分别连接在中间连杆上并且分别与两个端面机构中位于同一平面内的四个四向连接块相连接；

其中在柔性通道上设有穿孔，主推进连杆单元包括第一推进连杆、第二推进连杆、第三推进连杆和第四推进连杆，第一推进连杆的一端和第二推进连杆的一端相铰接并形成v形结构，该v形结构穿过穿孔并伸入柔性通道内，第一推进连杆的另一端与一个四向连接块相铰接，第二推进连杆的另一端与第三推进连杆的一端相铰接，第三推进连杆的另一端铰接在中间连杆上，第四推进连杆的一端铰接在滑块上，第四推进连杆的另一端铰接在第三推进连杆的中部；

以及

作用于两个四向连接块上的驱动机构，驱动机构驱动两个四向连接块对向或背向直线运动，以带动端面机构径向闭合或张开，并同时带动连接机构轴向收缩或伸展。

作为本发明的另一种具体实施方案，连接机构还包括辅推进连杆单元，辅推进连杆单元还包括第五推进连杆、第六推进连杆、第七推进连杆和第八推进连杆；

第五推进连杆的一端和第六推进连杆的一端相铰接并形成v形结构，该v形结构能够穿过穿孔并伸入柔性通道内，第五推进连杆的另一端与一个四向连接块相铰接，第六推进连杆的另一端与第七推进连杆的一端相铰接，第七推进连杆的中部铰接在其中一个第一连接连杆的滑块上，第八推进连杆的一端连接在另一个第一连接连杆的滑块上，第七推进连杆的另一端与第八推进连杆的另一端相铰接。

作为本发明的另一种具体实施方案，每一端面机构中具有六个四向连接块，六个四向连接块两两一组形成三组四向连接块组。

作为本发明的另一种具体实施方案，弧形杆的数目是6n(n≥1，n∈n)。

作为本发明的另一种具体实施方案，每一弧形杆的圆心角为：240°/n。

作为本发明的另一种具体实施方案，四向连接块具有四个连接环，两个连接环的旋转轴线位于柔性通道的轴向，另外两个连接环的旋转轴线垂直于柔性通道的径向。

作为本发明的另一种具体实施方案，槽内还设有弹簧，弹簧与滑块相连接。

作为本发明的另一种具体实施方案，驱动机构为丝杆螺母驱动机构或绳驱动机构。

作为本发明的另一种具体实施方案，柔性通道内设有若干用于感知物体的压力传感器。

作为本发明的另一种具体实施方案，可折展节段的数目在三个以上。

本发明具备以下有益效果：

本发明将具有径向伸缩功能的端面结构和具有轴向伸缩功能的中间连接机构作为主体框架，不仅消除了传统气动吞咽机器人多驱动、高密闭性要求的缺点，还弥补了结构式吞咽机器人难驱动、刚度低的缺陷，使得吞咽机器人可以在少驱动的情况下完成吞咽的任务，且具有较大的吞咽力。

本发明基于动物吞咽运动机理而设计，利用其柔性通道各截面处直径的变化实现抓捕和吞咽猎物的目的，具有适应性好，不易损坏猎物的特点。

本发明采用节段式的设计方式，可以改变可折展节段的个数来控制仿生吞咽机器人的作用长度以适应不同的应用场景，使吞咽机器人和吞咽机器人具备了在不同环境下抓捕与吞咽的功能，可以应用于各场景下的捕捉任务，如农作物采摘，狭窄管道清洁，太空垃圾清除等场景。

本发明模拟动物实现吞咽动作的食道结构，通过端面机构和连接机构的配合操作，在运动过程可以实现轴向和径向的同步伸缩，且每个端面机构只需要一个驱动机构，实现了在少数驱动的情况下完成复杂的吞咽运动，降低了设计要求，节约了成本，同时由于整体机构以刚体机构组成，具有较大的吞咽力，提高了吞咽运动的稳定性。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明吞咽机器人的结构示意图；

图2是本发明单个可折展节段的结构示意图；

图3是图2的轴测示意图；

图4是本发明单个端面机构的结构示意图；

图5是本发明连接机构的一种形式的结构示意图；

图6是本发明连接机构的另一种形式的结构示意图；

图7是本发明驱动机构的结构示意图；

图8是本发明吞咽机器人遇到猎物的初始状态示意图；

图9是本发明吞咽机器人抓捕猎物的状态示意图；

图10是本发明吞咽机器人吞咽球状猎物的状态示意图a；

图11是本发明吞咽机器人吞咽球状猎物的状态示意图b；

图12是本发明吞咽机器人吞咽球状猎物的状态示意图c。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。

实施例1

本实施例提供了一种吞咽机器人，如图1所示，包括柔性通道100和多个可折展节段200，多个可折展节段200依次设置于柔性通道100的轴向外周；其中可折展节段200的数目在三个以上，可以根据需要进行数目的适应性调整，本实施例以三个可折展阶段进行说明。

柔性通道100具有可供被抓捕物通过的内腔，其中柔性通道100具有一定弹性，内壁光滑，其材料包括但不限于尼龙、化纤织物等弹性材料。

如图2－7所示，可折展节段200包括端面机构210、连接机构220和驱动机构230。

本实施例中的端面机构有四个，从左到右依次为第一个端面机构210－1、第二个端面机构210－2、第三个端面机构210－3、第四个端面机构210－4，本实施例中以第一个端面机构210－1为例进行介绍其结构：

端面机构210包括多个弧形杆211和多个四向连接块212；

其中四向连接块212的数目为6个，六个四向连接块212两两一组形成三组四向连接块组；具体的，四向连接块212具有四个连接环213，两个连接环213的旋转轴线位于柔性通道100的轴向，另外两个连接环213的旋转轴线垂直于柔性通道100的径向，如图3所示。

进一步的，弧形杆211的数目是6n(n≥1，n∈n)，本实施例中，弧形杆211的数目为12(n＝2)个，每一弧形杆211的圆心角为120°。

其中弧形杆211的近端设有第一孔2111，弧形杆211的中部设有第二孔2112，弧形杆211的远端设有第三孔2113，两个弧形杆211的朝向相对形成一个弧形杆组，多个弧形杆211两两一组所形成所弧形杆组均匀分布于柔性通道100的轴向外周；

如图4所示，每一组弧形杆组中的弧形杆211的远端通过第三孔2113相铰接、近端分别铰接在不同的四向连接块212上，或该弧形杆组中的弧形杆211的近端通过第一孔2111相铰接、远端分别铰接在不同的四向连接块212上，并且任意两组该弧形杆组中相邻的两个弧形杆211通过第二孔2112相铰接以形成剪叉连接结构；

本实施例中的端面机构210能够沿柔性通道100的径向展开或者收缩，实现柔性通道100各截面处直径的变化以进行抓捕和吞咽猎物。

连接机构220沿着柔性通道100的轴向布置，能够驱动柔性通道100进行轴向展开或者收缩，其中连接机构220的数目和四向连接块组的数目相同，即每一可折展节段200设置有三个连接机构220，如图5－6所示，本实施例中的连接机构220包括中间连杆221、用于连接的四个连接连杆单元222、用作推进的推进连杆单元223；

中间连杆221与柔性通道100同方向设置，用作连接四个连接连杆单元222；

连接连杆单元222为3r1p机构，连接连杆单元222包括第一连接连杆2221和第二连接连杆2222，第一连接连杆2221的中部设有槽2223，槽2223内设有能够沿第一连接连杆2221的杆长方向滑移的滑块2224，第一连接连杆2221的一端铰接在中间连杆221上，第二连接连杆2222的一端铰接在中间连杆221上，第一连接连杆2221的另一端铰接在一个四向连接块212上，第二连接连杆2222的另一端铰接在滑块2224上；

其他三个连接连杆单元222的连接方式相同，四个连接连杆单元222之间对称分布在中间连杆221的四个方向上，如图5－6所示，其具体连接关系这里不再重复赘述。

具体的，四个连接连杆单元222分别连接在中间连杆221上并且分别与两个端面机构210中位于同一平面内的四个四向连接块212相连接，如图2所示；

再具体的，槽2223内还设有弹簧2225，弹簧2225与滑块2224相连接，初始状态下弹簧2225处于松弛状态，滑块2224的滑动会将弹簧2225拉紧，以提高连接机构220整体的推动力，进而使得端面机构210沿轴向运动。

其中通过槽2223壁进行限位以限制滑块2224的滑动距离，进而控制第二连接连杆2222的转动角度。

推进连杆单元223用作驱动被抓捕进入柔性通道100内的猎物进行轴向移动，在柔性通道100上设有若干沿其轴向分布的穿孔101，不同的推进连杆单元223具有不同的能够穿过穿孔101的作用点以分别通过该作用点驱动猎物进行移动。

推进连杆单元223具有两种形式，即包括主推进连杆单元和辅推进连杆单元，图5示出的是主推进连杆单元的结构，图6示出的是辅推进连杆单元的结构。

如图5所示的推进连杆单元223为四连杆机构，其包括第一推进连杆223－1、第二推进连杆223－2、第三推进连杆223－3和第四推进连杆223－4；

第一推进连杆223－1的一端和第二推进连杆223－2的一端相铰接并形成v形结构，该v形结构穿过穿孔101并伸入柔性通道100内，第一推进连杆223－1的另一端与第一连接连杆2221的另一端相铰接(同时与其中一个四向连接块212相铰接)，第二推进连杆223－2的另一端与第三推进连杆223－3的一端相铰接，第三推进连杆223－3的另一端铰接在中间连杆221上，第四推进连杆223－4的一端铰接在滑块2224上，第四推进连杆223－4的另一端铰接在第三推进连杆223－3的中部；

如图6所示的推进连杆单元223也为四连杆机构，其包括第五推进连杆223－5、第六推进连杆223－6、第七推进连杆223－7和第八推进连杆223－8；

第五推进连杆223－5的一端和第六推进连杆223－6的一端相铰接并形成v形结构，该v形结构能够穿过穿孔101并伸入柔性通道100内，第五推进连杆223－5的另一端与第一连接连杆2221的另一端相铰接(同时与其中一个四向连接块212相铰接)，第六推进连杆223－6的另一端与第七推进连杆223－7的一端相铰接，第七推进连杆223－7的中部铰接在其中一个第一连接连杆2221的滑块2224－1上，第八推进连杆223－8的一端连接在另一个第一连接连杆2221的滑块2224－2上，第七推进连杆223－7的另一端与第八推进连杆223－8的另一端相铰接。

本实施例中设置主推进连杆单元和辅推进连杆单元的主要目的是，改变穿过穿孔101并伸入柔性通道100内的v形结构的具体位置，形成沿着柔性通道100的轴向分布的形式，以便于在连接机构220同步展开或收缩时，能够通过v形结构推动猎物产生相应位移。

驱动机构230作用于两个四向连接块212上，如图7所示，驱动机构230驱动同一四向连接块组中的两个四向连接块212对向或背向直线运动，以带动端面机构210径向闭合或张开，并同时带动连接机构220轴向收缩或伸展。

其中，驱动机构230可以为丝杆螺母驱动机构230，也可以为绳驱动机构230，其他能够产生相应动作的机构亦可，这里不再进行举例。

一种驱动机构230的具体结构为：包括丝杆231、螺母232、联轴器233、电机234；

丝杆231布置于一组四向连接块组上，并且贯穿外侧的四向连接块212，螺母232与四向连接块212经螺丝固连在一起，电机234作为动力源，通过联轴器233与丝杆231连接在一起，螺母232沿丝杆231的直线运动带动外侧的四向连接块212向与柔性通道100连接的四向连接块212做靠近或远离运动，进而实现端面机构11的收缩或展开运动。

如图8－12所示，柔性通道100内设有若干用于感知物体的压力传感器，用以感知吞咽猎物过程的压力和猎物运动的位置，初始状态下，柔性通道100处于松弛状态，进行抓捕时，端面机构210和连接机构220同步扩展时，柔性通道100展开，通过控制不同的可折展节段200的异步运动，以进行猎物的抓捕、吞咽操作，如图10－12所示，由于柔性通道100具有较好的弹性，因此在吞咽过程中，柔性通道100可以贴合猎物外表面，对猎物的运动有导向的作用。

本实施例中，由于连接机构220中存在两种结构形式的推进连杆单元，在在吞咽状态中，在端面机构210扩展过程中，图5所示的推进连杆单元中的v形结构中的第一推进连杆223－1能够以一定角速度转向猎物所在位置，并与猎物接触，产生推进的作用力，其作用是在端面机构210扩展时，防止猎物在端面间出现往复运动，从而保证猎物运动的单向性；在端面机构210扩展过程中，图6所示推进连杆单元中的v形结构中的第五推进连杆223－5能够以一定角速度远离猎物所在位置，即在端面机构210收缩时第五推进连杆223－5逐步贴近猎物，其作用是在端面机构210向内压缩以带动两个四向连接块212向内收缩推动猎物的过程中，给猎物提供向内的推进力。

本实施例具体抓捕和吞咽过程为：

初始状态：

吞咽机器人的四个端面机构210均保持着最小内径状态，此时连接机构220的轴向长度最短，整个机构保持着最小外体积的状态，如图8所示。

抓捕运动：

当吞咽机器人通过外感知部件感知到猎物时，位于首端的第一个端面机构210－1在驱动机构230的驱动下将其内腔直径增加至最大，即带动柔性通道100展开，其余的三个端面机构210根据其圆心与猎物外接圆圆心的位置差值调整内腔半径值；

由于端面机构210在伸缩过程中会使连接机构220做同步的伸缩运动，所以在端面机构210调整其内腔直径的过程中，连接机构220的轴向长度也逐渐增大，使得端面机构210逐步靠近猎物，直至端面机构210的圆心与猎物的外接圆圆心重合，如图9所示。

此时，端面机构210在驱动机构230作用下收缩其内腔直径直至与猎物外接圆重合，即将猎物捕捉。

吞咽运动：

在猎物被抓捕固定在第一个端面机构210－1的内腔处后，吞咽机器人开始实施吞咽运动，此时，第一个端面机构210－1上的三个四向连接块212和与猎物产生点接触，柔性通道100贴合猎物的表面，起固定导向的作用。

第一个端面机构210－1上的三个四向连接块212在驱动机构230的作用下，进行周向的往复运动，即先与猎物接触直至压力传感器检测到压力超过阈值后，三个四向连接块212同时松开猎物，利用其上的接触力和摩擦力一步一步地向内推动猎物；

同时位于首端的第一个端面机构210－1的内腔直径逐步缩小，连接机构220的轴向长度也逐步减小，此时靠近首端的第二个端面机构210－2的内腔直径则是逐步增大至最大直径状态，如图10所示，柔性通道100在在两个端面机构210之间形成锥形状，使猎物在推动力和重力的共同作用下滑向第二个端面机构210所在位置。

在猎物到达第二个端面机构210所在位置后，图5所示的推进连杆单元中的第一推动连杆223－1会顶住猎物，防止猎物往吞咽反方向运动；接着，第二个端面机构210的内腔直径开始收缩，直至与猎物外径相同，此时第一推动连杆223－1与猎物的表面不接触，而图6所示的推进连杆单元中的第五推动连杆223－5开始接触猎物，并在摆动过程中提供一个作用在猎物上的向内推动力；同时，第二个端面机构210上的三个四向连接块212仍会与猎物接触并挤压猎物，当压力传感器检测到压力超过阈值后第二个端面机构210上的三个四向连接块212会同时松开猎物，继续做内外伸展的往复运动，直至将猎物推离端面机构210所在位置；

此时，第二个端面机构210的内腔直径为最小直径状态，第三个端面机构210的内腔直径为最大直径状态，柔性通道100在第二个端面机构210和第三个端面机构210之间形成锥状，如图11所示，使猎物在推动力和重力的共同作用下滑向端面机构210所在位置。

如此重复至如图12所示的状态位置，吞咽运动完成。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。