多自由度变刚度的模块化柔性驱动器及仿生机器人

技术领域

本发明涉及软体机器人技术领域，具体地，涉及多自由度变刚度的模块化柔性驱动器及仿生机器人。

背景技术

仿生机器人通常模仿自然界中生物的外形特征和运动方式，具有运动效率高、机动性能强、环境适应性强、隐蔽性好等特点，在环境勘测、科学探索、军事侦察等领域具有广阔的应用。而柔性机器人因为其良好的环境适应性、灵活性和安全性，在非结构化环境中具有独特的优势，为仿生领域开辟了新的可能。现有的柔性机器人往往采用硅胶制造，工艺复杂，制造周期长，器件质量大，在实际的应用中受到很大限制；此外，单个的柔性驱动器往往只能实现单一的功能，不满足于仿生领域复杂多变的要求。

经现有技术专利文献检索发现，中国发明专利公开号为CN106859770B，公开了一种多自由度刚度可变气动手术操作臂及制作方法，属于多自由度微创手术操作臂领域，具有高度灵活的运动能力和刚度可变的特性，并且体积小、质量轻，对人体刚性损伤少，气路更少易于控制。气动驱动器单元包括圆柱型驱动器，驱动器两端连接有基座，驱动器包括外部的刚度调节层，刚度调节层内部设置有驱动层。驱动层包括具有通孔的圆环柱形硅橡胶层，硅橡胶层上开设有若干腔体，硅橡胶层内表面覆盖有PDMS层，硅橡胶层外表面覆盖有双螺旋尼龙纤维。基座上设置有与腔体相对应的气孔，以及与刚度调节层相对应的抽真空口。因此，该文献与本发明所介绍的方法是属于不同的发明构思。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多自由度变刚度模块化柔性驱动器及仿生机器人。

根据本发明提供的一种多自由度变刚度模块化柔性驱动器，包括快连上基座、伸缩单元、变刚度单元以及快连下基座，变刚度单元圆周分布在快连上基座和快连下基座之间上；伸缩单元竖直固定在快连上基座和快连下基座圆周中心；

当伸缩单元处于真空状态时，伸缩单元伸缩，向快连上基座和快连下基座施加拉力，驱使模块整体压缩，带动变刚度单元进一步弯曲，储备弹性势能；

将变刚度单元一侧抽真空，使变刚度单元向另一侧进行变形，带动模块整体进行弯曲；停止抽气后，伸缩单元和变刚度单元接通大气，伸缩单元不再产生拉力，变刚度单元瞬间释放能量，使模块产生一个跳跃的动作，从而完成一个动作循环。

一些实施例中，伸缩单元包括人工肌肉导管、人工肌肉折纸式骨架、人工肌肉柔性外表皮以及人工肌肉快连器，人工肌肉柔性外表皮包覆在人工肌肉折纸式骨架上，人工肌肉折纸式骨架的两端连接人工肌肉快连器，人工肌肉柔性外表皮插入到人工肌肉快连器的深槽中，人工肌肉导管一端插入到人工肌肉柔性外表皮中，人工肌肉导管另一端连接气泵；

当伸缩单元处于自然状态时，人工肌肉折纸式骨架撑开，人工肌肉柔性外表皮铺展，驱使伸缩单元整体长度伸长；

当伸缩单元处于真空状态时，人工肌肉柔性外表皮在大气压的作用下向内收缩，同时推动人工肌肉折纸式骨架压缩，且人工肌肉柔性外表皮收到人工肌肉折纸式骨架的限制，向折现的凹处皱缩，驱使伸缩单元整体长度缩短。

一些实施例中，变刚度单元包括变刚度弹性元件导管、变刚度弹性元件外表皮、变刚度弹性元件内层摩擦片，变刚度弹性元件内层摩擦片层叠排列，变刚度弹性元件外表皮包裹于变刚度弹性元件内层摩擦片的外侧，变刚度弹性元件导管连接于变刚度弹性元件外表皮的一端。

一些实施例中，快连上基座上分别设有第一凸字形卡槽、纵向快连卡槽、第一弹性元件卡槽、第一横向快连卡槽以及第一气管导孔；

第一气管导孔分布于快连上基座的圆心，第一凸字形卡槽呈圆周对称分布于第一气管导孔的外侧，纵向快连卡槽和第一弹性元件卡槽呈圆周对称分布于第一凸字形卡槽的外侧，且纵向快连卡槽和第一弹性元件卡槽间隔分布，第一横向快连卡槽分布于纵向快连卡槽的外侧。

一些实施例中，快连下基座上分别设于第二凸字形卡槽、纵向快连卡扣、第二弹性元件卡槽、第二横向快连卡槽以及第二气管导孔；

第二气管导孔分布于快连下基座的圆心，第二凸字形卡槽呈圆周对称分布于第二气管导孔的外侧，纵向快连卡扣和第二弹性元件卡槽呈圆周对称分布于第二凸字形卡槽的外侧，且纵向快连卡扣和第二弹性元件卡槽间隔分布，第二横向快连卡槽分布于纵向快连卡扣的外侧。

一些实施例中，人工肌肉快连器通过第一凸字形卡槽和第二凸字形卡槽分别连接于快连上基座、快连下基座上；

一些实施例中，变刚度单元的两端设有楔形凸起，楔形凸起与第一弹性元件卡槽和第二弹性元件卡槽匹配连接；

将楔形凸起分别插入第一弹性元件卡槽、第二弹性元件卡槽中，实现变刚度单元与快连上基座和快连下基座的连接。

一些实施例中，纵向快连卡槽和纵向快连卡扣一一对应；

当模块之间纵向连接时，相邻两个模块通过纵向快连卡槽和纵向快连卡扣配合连接。

一些实施例中，第一横向快连卡槽和第二横向快连卡槽一一对应；

当模块之间横向连接时，相邻两个模块通过第一横向快连卡槽、第二横向快连卡槽与快联器配合连接。

本发明还提供了一种仿生机器人，包括多自由度变刚度模块化柔性驱动器。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明基于负压驱动和气动变刚度的原理，设计出一种多自由度变刚度模块化柔性驱动器，并基于仿生学原理，组合成外形及运动方式接近实际生物的仿生机器人，可实现高效的推进与运动，具有良好的环境适应性和灵活性；

(2)本发明中驱动器采用模块化设计，制作成本低，组装维护方便，便于集群布置；驱动器采用的材料均为薄板或薄膜材料，实现了整体的轻质化，相较于现有的驱动器具有更高的能质比；

(3)本发明中驱动器采用基于负压驱动的变刚度设计，使刚度自由可控，并在此基础上实现了驱动器的一个伸缩自由度和两个弯曲自由度，使其模块化组合后可实现更复杂的运动；

(4)本发明中驱动器的各部件均可采用透明材料，能够在不影响生物正常活动的前提下进行科学探索活动，或者用于隐蔽性要求较高的工作任务。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为模块化驱动器自然状态下的示意图；

图2为伸缩单元自然状态下的示意图；

图3为模块化驱动器压缩状态下的示意图；

图4为伸缩单元压缩状态下的示意图；

图5为模块化驱动器弯曲状态下的示意图；

图6为快连上基座的结构示意图；

图7为快连下基座的结构示意图；

图8为人工肌肉快连器和快连基座的连接方式示意图；

图9为变刚度弹性元件的结构示意图以及爆炸图；

图10为模块化驱动器的变形随驱动气压变化的曲线图；

图11为模块化驱动器的拉力随驱动气压变化的曲线图；

图12为模块化驱动器的变形随驱动频率的变化图；

图13为模块化驱动器的拉力随驱动频率的变化图；

图14为实例3：模块化驱动器串联组合而成的仿蠕虫机器人；

图15为实例4：模块化驱动器并联组合而成的平面全向移动机器人；

图16为模块间横向快连器的示意图；

图17为实例5：模块化驱动器串联组合而成的空间多自由度机械臂；

图中标注：

1快连上基座、101第一人工肌肉快连器卡槽、102第一纵向快连卡槽、103第一变刚度弹性元件卡槽、104第一横向快连卡槽、105第一气管导孔、2变刚度单元、201变刚度弹性元件导管、202变刚度弹性元件外表皮、203变刚度弹性元件内层摩擦片、3伸缩单元、301人工肌肉导管、302人工肌肉折纸式骨架、303人工肌肉柔性外表皮、304人工肌肉快连器、4快连下基座、401第二人工肌肉快连器卡槽、402第二纵向快连卡扣、403第二变刚度弹性元件卡槽、404第二横向快连卡槽、405第二气管导孔、5模块间横向快连器、6驱动器模块、7驱动器模块、8驱动器模块、9驱动器模块、10控制系统、11驱动器模块、12驱动器模块、13驱动器模块、14驱动器模块、15驱动器模块、16驱动器模块。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供的一种多自由度变刚度模块化柔性驱动器，如图1-9所示，包括快连上基座1、伸缩单元3、变刚度单元2以及快连下基座4，变刚度单元2圆周分布在快连上基座1和快连下基座之间4上；伸缩单元竖3直固定在快连上基座1和快连下基座4圆周中心，采用卡槽卡扣连接。

如图1-5所示，伸缩单元3包括人工肌肉导管301、人工肌肉折纸式骨架302、人工肌肉柔性外表皮303以及人工肌肉快连器304，人工肌肉折纸式骨架302为折线形结构，由人工肌肉柔性外表皮303包覆，人工肌肉导管301插入到人工肌肉柔性外表皮303中，再由热封工艺封口。人工肌肉柔性外表皮303插入到人工肌肉快连器304的深槽中，利用胶粘固定。当伸缩单元3处于自然状态时，人工肌肉折纸式骨架302撑开，人工肌肉柔性外表皮303铺展，伸缩单元3整体为伸长状态；当用负压泵抽内部为真空时，人工肌肉柔性外表皮303在大气压的作用下向内收缩，同时推动人工肌肉折纸式骨架302压缩，另一方面，人工肌肉柔性外表皮303受到人工肌肉折纸式骨架302的限制，向折线的凹处皱缩，使得伸缩单元3整体的长度缩短。

如图6-7所示，快连上基座1、快连下基座4与人工肌肉快连器304之间、与变刚度弹性元件2之间、各个单独的模块之间均采用卡扣卡槽方式连接。快连上基座1上分别设有第一凸字形卡槽101、纵向快连卡槽102、第一弹性元件卡槽103、第一横向快连卡槽104以及第一气管导孔105。快连下基座4上分别设于第二凸字形卡槽401、纵向快连卡扣402、第二弹性元件卡槽403、第二横向快连卡槽104以及第二气管导孔405。

第一气管导孔105分布于快连上基座1的圆心，第一凸字形卡槽101呈圆周对称分布于第一气管导孔105的外侧，纵向快连卡槽102和第一弹性元件卡槽103呈圆周对称分布于第一凸字形卡槽101的外侧，且纵向快连卡槽102和第一弹性元件卡槽103间隔分布，第一横向快连卡槽104分布于纵向快连卡槽102的外侧。第二气管导孔405分布于快连下基座4的圆心，第二凸字形卡槽401呈圆周对称分布于第二气管导孔405的外侧，纵向快连卡扣402和第二弹性元件卡槽403呈圆周对称分布于第二凸字形卡槽401的外侧，且纵向快连卡扣402和第二弹性元件卡槽403间隔分布，第二横向快连卡槽104分布于纵向快连卡扣402的外侧。

如图8所示，人工肌肉快连器304通过第一凸字形卡槽101和第二凸字形卡槽401分别连接于快连上基座1、快连下基座4上。将楔形凸起分别插入第一弹性元件卡槽103、第二弹性元件卡槽403中，实现变刚度单元2与快连上基座1和快连下基座4的连接。纵向快连卡槽102和纵向快连卡扣402一一对应；当模块之间纵向连接时，相邻两个模块通过纵向快连卡槽102和纵向快连卡扣402配合连接。第一横向快连卡槽104和第二横向快连卡槽104一一对应；当模块之间横向连接时，相邻两个模块通过第一横向快连卡槽104、第二横向快连卡槽104与快联器5配合连接。

人工肌肉快连器304的卡扣插入到快连上基座1的第一凸字形卡槽101的大孔端，再旋转至小孔端，使卡扣的颈部完全卡入小孔，完成快连上基座1和人工肌肉快连器304的连接。快连下基座4和人工肌肉快连器304采用相同的方式连接。

如图9所示，变刚度单元2由多层PET薄板和柔性薄膜封装而成，一端连接变刚度弹性元件导管201。变刚度单元2包括变刚度弹性元件导管201、变刚度弹性元件外表皮202、变刚度弹性元件内层摩擦片203，变刚度弹性元件内层摩擦片203层叠排列，变刚度弹性元件外表皮202包裹于变刚度弹性元件内层摩擦片203的外侧，变刚度弹性元件导管201连接于变刚度弹性元件外表皮202的一端。变刚度单元2的两端为突起的楔形，中间则是宽度最大的主体部分，由宽度略小的颈部连接。如图1所示，利用变刚度单元2本身固有的弹性变形特性，将变刚度单元2两端的楔形突起插入快连上基座1和快连下基座4的第一弹性元件卡槽103、第二弹性元件卡槽403中，使变刚度单元2的颈部完全卡入第一弹性元件卡槽103、第二弹性元件卡槽403，两端插入到上下快连基座的细长槽内，主体限制在两快连基座之间，楔形突起在快连基座之外，变刚度单元2在快连上基座1和快连下基座4的限制作用下向外侧弯曲。如图3所示，若快连上基座1和快连下基座4的距离缩小，则变刚度单元2进一步压缩，积蓄弹性势能。如图5所示，若对变刚度单元2内部抽真空，使内侧多层摩擦片203之间的相互作用力增大，则变刚度单元2整体的刚度增加，相同条件下的弯曲程度减小。

如图1至图5所示，驱动器模块具有z轴上的伸缩自由度和x轴、y轴上的弯曲自由度。如图1所示，此时驱动器模块处于自然状态，伸缩单元3舒张，变刚度单元2向外预弯曲。由导管201连接负压泵和变刚度单元2，由导管301连接负压泵和伸缩单元3。如图3所示，当负压泵抽取伸缩单元3为真空时，伸缩单元3收缩，通过快连器304向快连上基座1和快连下基座4施加拉力，使驱动器模块整体压缩，同时压缩变刚度单元2进一步弯曲，储存弹性势能。如图5所示，当负压泵抽取左侧两个变刚度单元2为真空时，这两个变刚度单元2的刚度增大，变形程度减小，而右侧自然状态下的变刚度单元2保持较大的变形，使得整个驱动器模块向右弯曲。当负压泵停止抽气时，伸缩单元3和变刚度单元2接通大气，伸缩单元3不再产生拉力，变刚度单元2恢复较小的刚度并瞬间释放能量，使驱动器模块产生一个跳跃的动作。此时，驱动器模块回到图1的状态，完成一个动作循环。

如图10至图13所示，驱动器模块的伸缩单元3依靠负压驱动，改变驱动气压的大小和驱动频率，对驱动器模块的伸缩位移和力均会产生影响。采用激光测位仪和测力计对不同变刚度单元2长度的驱动器模块进行测试，测试不同负压下模块的位移和力。如图10和图11所示，对伸缩单元3施加0～-80kPa的负压，对于长度分别为135mm、150mm、165mm的变刚度单元2，整个驱动器模块产生的位移分别是0～37.5mm、0～41mm、0～44mm，产生的力分别是0～14.5N、0～15N、0～15.9N。整个驱动器模块的质量约为25g，计算可得该驱动器的负重比可以达到60。如图12和图13所示，对135mm长变刚度单元2的驱动器模块施加-40kPa的负压，分别施加1Hz、5Hz、10Hz的驱动频率，位移的幅值分别可以达到13mm、8mm、11mm，力的幅值分别可以达到8N、5N、5N。因此低频驱动更加适合仿蠕虫机器人和空间多自由度机械臂，高频驱动更加适合平面全向移动机器人。

本发明还提供了一种仿生机器人，如图14-17所示，包括实施例中的多自由度变刚度模块化柔性驱动器。

更为具体的，仿生机器人包括仿蠕虫机器人、仿蛇行机器人、平面全向移动机器人和空间多自由度机械臂。仿蠕虫机器人和仿蛇行机器人由控制系统和三个驱动器模块串联而成，控制系统和驱动器模块之间由快连基座上的卡槽卡扣连接。平面全向移动机器人由三个驱动器模块并联而成，三个驱动器模块之间由快连基座上的卡槽和模块间横向快连器5连接固定。空间多自由度机械臂由三个驱动器模块串联而成，并可以根据需要增加驱动器模块数量，驱动器模块之间由快连基座上的卡槽卡扣连接，机械臂的一端固定于控制平台上，另一端连接末端执行器。

本实施例3是在实施例1或实施例2的基础上完成的，具体的：

如图14所示，本实例是一种由控制系统10和驱动器模块11、驱动器模块12、驱动器模块13组合而成的仿蠕虫机器人。其中，控制系统10包括微型气泵、电池、开关、稳压模块、继电器和电磁阀。驱动器模块11、驱动器模块12、驱动器模块13中的人工肌肉导管301和变刚度弹性元件导管201，均通过快连上基座1的气管导孔105和快连下基座4的气管导孔405汇总到控制系统10上，并连接电磁阀。控制系统10的封装外壳和驱动器模块11之间采用卡扣卡槽的方式连接，驱动模块11、驱动器模块12、驱动器模块13之间通过快连上基座1的模块间纵向快连卡槽102和快连下基座4的模块间纵向快连卡扣402首尾相连。

如图14所示，本实例可以应用于狭窄管道中的运动。控制系统10驱动模块11的伸缩单元3收缩，模块12压缩并使变刚度单元2向外侧弯曲，变刚度单元2与管道内壁接触产生作用力，使模块Ⅱ固定在该位置。控制系统10依次驱动模块13、驱动器模块13收缩，此时，机器人头部位置固定，尾部向前移动了一段距离。而后，驱动器模块11、驱动器模块12恢复自然状态，此时，机器人尾部固定，头部向前移动了一段距离。最后，模块13恢复自然状态，机器人完成一个动作周期，并实现了整体向前移动。

若该仿蠕虫机器人要在弯曲的管道中完成转弯的动作，则需要驱动模块11、驱动器模块12、驱动器模块13在进行上述运动的同时，控制变刚度单元2的刚度。如机器人需要向右侧转弯，则需要对左侧的变刚度单元2抽真空，增大其刚度，使单个驱动器模块在压缩时向右侧弯曲。每个驱动器均执行该操作，实现整个机器人的右转。

如图14所示，本实例也可以应用于平地上的蜿蜒前进。驱动器模块11、驱动器模块12、驱动器模块13在压缩和恢复的同时，控制变刚度单元2的刚度交错变化，使相邻的驱动器模块11、驱动器模块12、驱动器模块13向左右交错弯曲，实现整个机器人的蜿蜒前进。

本实施例4是在实施例1或实施例2的基础上完成的，具体的：

如图15-16所示，本实例是由三个驱动器模块14、驱动器模块15、驱动器模块16并联而成的平面全向移动机器人。其中，模块间横向快连器5通过卡扣连接相邻两个模块快连上基座1的模块间横向快连卡槽104，以及快连下基座4的模块间横向快连卡槽404，实现三个模块的横向固连。

如图15所示，三个驱动器模块14、驱动器模块15、驱动器模块16的伸缩模块3通过导孔105、405连接到控制系统。控制系统控制单个或多个模块高频率振动，实现全向的运动。例如，控制驱动器模块14高频率地压缩、恢复，使驱动器模块14与地面发生作用，带动整个机器人向驱动器模块14的方向运动；控制驱动器模块15、驱动器模块16同时高频率地压缩、恢复，使驱动器模块15、驱动器模块16与地面发生作用，带动整个机器人向相反于驱动器模块14的方向运动。通过不同模块间的组合，可以实现机器人的平面全向移动。

本实施例4是在实施例1或实施例2的基础上完成的，具体的：

如图17所示，本实例是由四个驱动器模块6、驱动器模块7、驱动器模块8、驱动器模块9串联而成的空间多自由度机械臂。驱动器模块6、驱动器模块7、驱动器模块8、驱动器模块9通过快连上基座1的模块间纵向快连卡槽102和快连下基座4的模块间纵向快连卡扣402首尾相连。该机械臂可根据需要任意增加或减少驱动器模块。

如图17所示，驱动器模块6、驱动器模块7、驱动器模块8、驱动器模块9可通过压缩和恢复实现整个机械臂长度的缩短和伸长。驱动器模块6、驱动器模块7、驱动器模块8、驱动器模块9可通过改变变刚度单元2的刚度实现整个机械臂的弯曲，从而扩大机械臂端部的可达性。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“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的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。