一种适用于狭小复杂环境的软连续体机器人

1.本实用新型涉及软体机器人运动控制技术领域，更具体的说是涉及在狭小复杂环境下软连续体机器人和软体机械臂的运动控制。


背景技术：

2.软体机械臂/软连续体机器人这一类自由度高、运动灵活、控制要求高的软体机器人，需要比机器人本体庞大的外部设备来进行动力的供应和运动的控制，只能在固定区域进行工作，一体化集成难以实现。同时柔性材料限制了软体机器人不能够像刚性的机械臂一样实现搬运重物和大体积的物体，因此利用柔性材料的固有柔顺性，将软体机械臂/软连续体机器人应用到微创手术、管道检修、灾后救援、环境搜索等狭小环境是未来的应用趋势。
3.在软连续体机器人/软体机械臂中，气动、电动、线驱动是主要的驱动方式，在弯曲运动的过程中，需要一个较大的空间进行弯曲变形，在狭小环境进行应用时存在较大的限制，
4.因此，提出一种能够令软体机器人实现在狭小复杂环境下灵活运动的机器人，对于软体机器人的应用具有重要意义。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型提供了一种适用于狭小复杂环境的软连续体机器人，旨在解决上述技术问题。
6.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
7.一种适用于狭小复杂环境的软连续体机器人，包括软体机器人；所述软体机器人呈长条状结构，且一端为动力端，另一端为工作端；所述动力端连接有推拉机构，所述推拉机构能够对所述动力端施加推力或拉力，以及对所述动力端施加周向的转动力。
8.通过上述技术方案，本实用新型针对软体机械臂/软连续体机器人在狭小复杂环境中，操作不便、运动受限的问题，基于软体机器人柔性材料的柔软和易变形的特性，提出了一种适用于狭小复杂环境的软连续体机器人，通过被动挤压、擦碰、扭转等方式，在不对软体机器人施加气压主动使其产生较大弯曲变形的情况下，利用小变形即可穿越狭小复杂空间环境或者障碍物。
9.优选的，在上述一种适用于狭小复杂环境的软连续体机器人中，所述软体机器人上安装有驱动机构，能够驱动所述软体机器人进行弯曲和扭转运动。推拉机构的被动运动控制下可以穿越软体机器人轴线通过夹角角度为
±
50
°
的障碍物面，利用驱动机构的主动控制进行辅助可以实现更大范围的运动。
10.优选的，在上述一种适用于狭小复杂环境的软连续体机器人中，所述驱动机构为气动驱动结构、电动驱动结构或线驱动结构。控制方式通过气动、电动、线驱动等主动控制方式，控制软体机器人进行主动地弯曲变形，使软体机器人满足被动控制的工作要求，解决
被动控制下的机器人在运动时无法穿越大夹角(》50
°
，《-50
°
)障碍的问题。
11.优选的，在上述一种适用于狭小复杂环境的软连续体机器人中，所述工作端连接有夹持机构。能够在软体机器人到达目标位置时进行夹持。
12.本实用新型提供的适用于狭小复杂环境的软连续体机器人的控制方法为：将所述软体机器人的工作端送入狭小空间内，通过推拉机构在动力端施加推力和/或转动力，持续推进所述软体机器人在狭小空间内前进；当所述软体机器人到达目标位置并完成工作后，通过推拉机构在动力端施加拉力，将所述软体机器人拉出。
13.通过上述技术方案，本实用新型的运动控制方式是指利用软体机器人材料柔顺且具有高弹性的材料特性，通过被动挤压、擦碰、扭转等方式，在不对软体机器人施加气压主动使其产生较大弯曲变形的情况下，利用小变形即可穿越狭小复杂空间环境或者障碍物。
14.通过推拉机构在动力端施加推力和/或转动力，使得所述软体机器人的工作端与狭小空间的内表面或切面产生通过夹角而继续前进。在该种被动控制下的软体机器人，给机器人轴向方向上施加一定大小的力/位移，或周向方向上施加顺/逆时针的力/位移，通过被动挤压、擦碰、扭转等方式使软体机器人产生一定角度的偏转越过障碍。
15.所述狭小空间的内表面为平面或阶梯面，所述狭小空间的切面为曲面或连续曲面。能够满足不同表面的运动需求。
16.所述通过夹角为[-50
°
，50
°
]的扇形面。扇形面与机器人与障碍物表面类型、软体机器人表面摩擦系数以及软体机器人的材料有关，在一定范围内，接触面越平滑、机器人表面越光滑、材料硬度越高、弹性越高，能够越过更多的障碍物和更复杂的环境。
[0017]
所述软体机器人上安装有驱动机构，能够驱动所述软体机器人进行弯曲和扭转运动。推拉机构的被动运动控制下可以穿越机器人模块轴线夹角角度为
±
50
°
的障碍物面，利用驱动机构的主动控制进行辅助可以实现更大范围的运动。
[0018]
当所述软体机器人在运动时无法穿越(》50
°
，《-50
°
)的所述通过夹角的障碍时，所述驱动机构启动，缩小所述通过夹角的角度。控制方式以被动控制方式为主，以主动控制为辅，在满足控制要求的前提下降低对于软体机器人的控制要求，通过这一控制方式降低软体机器人工作过程中的气压或电流等动力需求，减小控制设备体积方便机器人的一体化集成。
[0019]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了一种适用于狭小复杂环境的软连续体机器人，具有以下有益效果：
[0020]
1、本实用新型针对现有软体机械臂/软连续体机器人在狭小复杂环境中运动受限的问题，基于柔性材料固有的柔顺与弹性，提出了一种通过被动挤压、擦碰、扭转等方式，利用与障碍物接触反弹产生的变形，被动地适应障碍的形状，从而穿越狭小复杂空间环境或者障碍物的方法，比现有的主动控制方式具有更高的适应性。
[0021]
2、本实用新型被动控制为主，主动控制为辅的控制方法与思路，能够降低软体机器人对输入动力与控制的要求，以较低的动力源和较低精度的控制实现对机器人在特殊环境下的运动控制，可以减小设备体积，方便一体化集成。
附图说明
[0022]
为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0023]
图1附图为本实用新型提供的软体机器人在被动的方式下越过曲面障碍的示意图；
[0024]
图2附图为本实用新型提供的软体机器人在被动的方式下越过平面障碍的示意图；
[0025]
图3附图为本实用新型提供的软体机器人在施加力的作用下越过障碍的示意图；
[0026]
图4附图为本实用新型提供的软体机器人在施加位移的作用下越过障碍的示意图；
[0027]
图5附图为本实用新型提供的体机器人工作端在通过连续曲面障碍物时，其与障碍面的接触和运动变化的示意图；
[0028]
图6附图为本实用新型提供的软体机器人在超出被动控制范围时，使用主动控制激活外侧的腔室使其伸长，令整体向内侧弯曲的示意图；
[0029]
图7附图为本实用新型提供的软体机器人工作端使用被动控制穿越平面障碍的示意图；
[0030]
图8附图为本实用新型提供的软体机器人工作端使用主动控制穿越平面障碍的示意图；
[0031]
图9附图为本实用新型提供的软体机器人工作端使用被动控制穿越曲面障碍，并成功抓取物体的示意图；
[0032]
图10附图为本实用新型提供的软体机器人工作端在外界拉力作用下顺应障碍形状直接脱离障碍环境的示意图。
[0033]
其中：
[0034]
1-软体机器人；
[0035]
11-动力端；12-工作端；
[0036]
2-驱动机构；
[0037]
3-夹持机构；
[0038]
4-狭小空间。
具体实施方式
[0039]
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0040]
参见附图1至附图6，本实用新型实施例公开了一种适用于狭小复杂环境的软连续体机器人，包括软体机器人1；软体机器人1呈长条状结构，且一端为动力端11，另一端为工作端12；动力端11连接有推拉机构，推拉机构能够对动力端11施加推力或拉力，以及对动力端11施加周向的转动力。
[0041]
为了进一步优化上述技术方案，软体机器人1上安装有驱动机构2，能够驱动软体
机器人1进行弯曲和扭转运动。
[0042]
为了进一步优化上述技术方案，驱动机构2为气动驱动结构、电动驱动结构或线驱动结构。
[0043]
为了进一步优化上述技术方案，工作端12连接有夹持机构3。
[0044]
如图7所示，给软体机器人1轴向上施加一定的位移使软体机器人1的工作端12进入狭小空间4，在遇到第一道口时，由于轴线与平面夹角在[-50
°
，50
°
]的范围内，继续施加一定位移，使其与道口面接触，在弹力作用下，软体机器人1向侧面偏转，通过道口；
[0045]
如图8所示，软体机器人1进入第二道口，软体机器人1轴线与平面夹角在[-50
°
，50
°
]外，无法通过被动擦碰的方式通过，此时驱动机构2启动，使其向右偏转一定角度，使轴线与平面夹角落入[-50
°
，50
°
]内，继续施加位移，使其通过第二道口；
[0046]
如图9所示，软体机器人1进入第三道口，软体机器人1轴线与内圆面的切面夹角在在[-50
°
，50
°
]的范围内，继续施加一定位移，软体机器人1在弹力作用下，向内侧圆心处偏转，顺利通过第三道口；
[0047]
如图10所示，软体机器人1的夹持机构3夹取物体后，利用柔性材料柔顺的特点，通过推拉机构给软体机器人1施加一个反向的位移，软体机器人1自动适应贴合障碍物表面，成功将目标物取出。
[0048]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0049]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。