一种基于万向节的仿脊椎变刚度结构

1.本实用新型涉及软体机器人技术领域，更具体的说是涉及气动驱动的软连续体机器人、软体机械臂和软体手的刚度调节。


背景技术：

2.气动驱动软体机器人出色的环境适应性和安全性已经得到了相关领域研究人员的认可，在这一基础上设计出了诸多性能优秀的机器人，和刚性机器人形成了较好地互补。
3.现有的软体机器人，可以归为两类，一类整体结构均为柔性材料构成，另一类只有主要功能部件为柔性材料构成。整体结构均由柔性材料制成的软体机器人一体性高、环境适应能力强、安全性更高，但是存在整体刚度低、运动控制难度高等问题。针对刚度问题，研究人员提出了各种新型聚合物材料、新型合金、电流变、磁流变、负压干扰等变刚度方式用于调节软体机器人部分或者整体的刚度变化。但是在目前的变刚度方式中，除了干扰方式，其它方式都需要外部磁场或者电流进行激活，并且反应时间较长，因此干扰方式是目前较为实用的软体机器人刚度调节方式。
4.干扰变刚度方式多采用颗粒、纤维、纸层等方式作为干扰材料，在实际的使用过程，虽然能够实现数倍的刚度调节，但是其初始刚度较低。并且这些干扰材料在运动过程中被软体机器人挤压，干扰材料间易发生相对滑动，整体发生变形，不仅削弱整体的变刚度效果，还会影响软体机器人的运动效果。
5.因此，有必要提出一种不影响软体机器人运动，具有较高初始刚度和刚度调节能力的变刚度结构，是有较大研究意义和实用价值的。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本实用新型提供了一种基于万向节的仿脊椎变刚度结构，旨在解决上述技术问题。
7.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
8.一种基于万向节的仿脊椎变刚度结构，用于与软体驱动器连接；包括：
9.蛇形链本体；所述蛇形链本体包括多个串联连接的万向节；
10.固定座；所述固定座与所述蛇形链本体的一端固定连接；所述固定座上开设有线孔和气孔；
11.锁定线组；所述锁定线组包括均匀环绕所述蛇形链本体轴线的至少三根锁定线；所述锁定线一端与远离所述固定座的万向节固定，所述锁定线依次穿过多个所述万向节，另一端穿过所述线孔；
12.柔性包裹囊；所述柔性包裹囊为一端开口的圆柱型气囊，且套设在所述蛇形链本体外侧；所述柔性包裹囊的开口端与所述固定座密封连接，且与所述气孔连通。
13.通过上述技术方案，本实用新型基于万向节结构灵活的相对转动运动，结合对蛇类脊椎结构的仿生设计，提出了一种适用于实现全向弯曲运动的气动软体机械臂或软连续
体机器人的变刚度结构，以仿万向节模块形成的脊椎链作为主体结构，采用线锁定与负压干扰混合变刚度方式，能够伴随软体机器人一起运动时且不会因为压力产生变形或相对运动，降低对于软体机器人的运动影响，同时提高软体机器人的初始刚度和最大刚度。
14.优选的，在上述一种基于万向节的仿脊椎变刚度结构中，所述万向节为十字轴万向节、球叉式万向节或球笼式万向节。以能够满足蛇形运动条件为主。
15.优选的，在上述一种基于万向节的仿脊椎变刚度结构中，所述万向节包括壳体和固定在壳体端头的球头；所述壳体侧壁沿其轴向方向开设有用于所述锁定线穿过的控制孔。结构能够伴随搭载的软体机器人实现除伸缩外的弯曲、扭转等运动。
16.优选的，在上述一种基于万向节的仿脊椎变刚度结构中，所述锁定线为表面光滑的金属线。锁定线采用不可伸长、易弯曲、表面光滑的金属线，可以有效提升变刚度结构的刚度调节时的稳定性，同时确保链结构上万向节结构的反向一致。
17.优选的，在上述一种基于万向节的仿脊椎变刚度结构中，所述软体驱动器为筒状的气动软体结构，所述软体驱动器套设在所述柔性包裹囊的外侧。能够带动变刚度结构运动。
18.优选的，在上述一种基于万向节的仿脊椎变刚度结构中，所述锁定线的数量为3根。可以根据实际需求进行添加或者减少。
19.优选的，在上述一种基于万向节的仿脊椎变刚度结构中，所述锁定线穿出所述线孔后与电机的动力输出轴连接，且通过所述电机的正反转动控制所述锁定线的长度控制。便于控制。
20.优选的，在上述一种基于万向节的仿脊椎变刚度结构中，所述气孔连接有真空泵。能够实现抽真空和充气处理。
21.优选的，在上述一种基于万向节的仿脊椎变刚度结构中，所述万向节间以头尾相连形成链，一端通过机械锁定或者螺栓螺母与所述固定座相连，另一端为自由端。
22.本实用新型提供的基于万向节的仿脊椎变刚度结构的使用方法为：当所述软体驱动器运行到位后，依次通过收紧锁定线和对所述柔性包裹囊内部进行抽真空的方式进行两次刚度调节。
23.通过上述技术方案，本实用新型在刚度调节过程中，通过外部电机锁住锁定线实现第一级刚度调节，后抽离柔性包裹囊内空气利用干扰的方式实现第二级刚度调节。
24.完成两次刚度调节后，所述软体驱动器的工作端完成操作后，先向所述柔性包裹囊内通入气体，使其恢复原状，再释放锁紧的锁定线使其处于自由状态，最后释放所述软体驱动器中的压缩气体令其恢复初始形状。通过控制软体机械臂和仿脊椎变刚度结构间歇性运动的配合，实现软体机械臂穿越障碍物搜索、抓取物体等运动的稳定实施。
25.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基于万向节的仿脊椎变刚度结构，具有以下有益效果：
26.1、本实用新型针对现有干扰变刚度方式中干扰材料被挤压产生相对滑动削弱性能的问题，提出了一种基于万向节的仿脊椎变刚度结构，采用刚性万向节链作为主体结构，不仅能够伴随软体机器人一起运动时而不会因为压力产生变形，而且对于软体机器人的运动和刚度调节的影响降到了最低。
27.2、本实用新型提出的线锁定与干扰混合变刚度结构的二级变刚度方式，比现有的
干扰方式具备更高的初始刚度和更大的刚度调节范围。
附图说明
28.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。
29.图1附图为本实用新型提供的实施例1的基于万向节的仿脊椎变刚度结构的示意图；
30.图2附图为本实用新型提供的万向节的结构示意图；
31.图3附图为本实用新型提供的实施例1的基于万向节的仿脊椎变刚度结构控制方法的示意图；
32.图4附图为本实用新型提供的实施例2的基于万向节的仿脊椎变刚度结构的示意图；
33.图5附图为本实用新型提供的实施例2的基于万向节的仿脊椎变刚度结构控制方法的示意图。
34.其中：
35.1-软体驱动器；
36.2-蛇形链本体；
37.21-万向节；211-壳体；2111-控制孔；212-球头；
38.3-固定座；
39.31-线孔；32-气孔；
40.4-锁定线组；
41.41-锁定线；
42.5-柔性包裹囊。
具体实施方式
43.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。
44.实施例1：
45.参见附图1至附图3，本实用新型实施例公开了一种基于万向节的仿脊椎变刚度结构，包括：
46.蛇形链本体2；蛇形链本体2包括多个串联连接的万向节21；
47.固定座3；固定座3与蛇形链本体2的一端固定连接；固定座3上开设有线孔31和气孔32；
48.锁定线组4；锁定线组4包括均匀环绕蛇形链本体2轴线的至少三根锁定线41；锁定线41一端与远离固定座3的万向节21固定，锁定线41依次穿过多个万向节21，另一端穿过线
孔31；
49.柔性包裹囊5；柔性包裹囊5为一端开口的圆柱型气囊，且套设在蛇形链本体2外侧；柔性包裹囊5的开口端与固定座3密封连接，且与气孔32连通。
50.为了进一步优化上述技术方案，万向节21为十字轴万向节、球叉式万向节或球笼式万向节。
51.为了进一步优化上述技术方案，万向节21包括壳体211和固定在壳体211端头的球头212；壳体211侧壁沿其轴向方向开设有用于锁定线41穿过的控制孔2111。
52.为了进一步优化上述技术方案，锁定线41为表面光滑的金属线。
53.为了进一步优化上述技术方案，软体驱动器1为筒状的气动软体结构，软体驱动器1套设在柔性包裹囊5的外侧。
54.为了进一步优化上述技术方案，锁定线41的数量为3根。
55.为了进一步优化上述技术方案，锁定线41穿出线孔31后与电机的动力输出轴连接，且通过电机的正反转动控制锁定线41的长度控制。
56.为了进一步优化上述技术方案，气孔32连接有真空泵。
57.本实用新型提供的基于万向节的仿脊椎变刚度结构的使用方法为：当软体驱动器1运行到位后，依次通过收紧锁定线41和对柔性包裹囊5内部进行抽真空的方式进行两次刚度调节。
58.完成两次刚度调节后，软体驱动器1的工作端完成操作后，先向柔性包裹囊5内通入气体，使其恢复原状，再释放锁紧的锁定线41使其处于自由状态，最后释放软体驱动器1中的压缩气体令其恢复初始形状。
59.实施例2：
60.参见附图4和附图5，将实施例1中的变刚度结构安装在软体机械臂的轴心腔室内，利用腔室柔软的硅胶壁作为负压干扰变刚度的包裹囊。
61.软体机械臂的腔室内充入气体，通过弯曲与直线运动穿越物体障碍物，此运动过程中的锁定线41是自由状态，轴心腔室内的万向节21随机械臂的运动产生相同的弯曲变形。
62.当运动完成后，控制所有外接电机同时运动逐步拉紧锁定线21，使万向节21保持紧绷提高整体刚度。在万向节21进行线锁定后，使用气泵抽离轴心腔内的空气，轴心腔硅胶壁在内外压差的作用下紧密贴合在表面，限制万向节21间的相对位移，再次提高整体的刚度。
63.完成两次刚度调节后，机械臂完成运动后，先向包裹囊内通入气体，使其恢复原状，再释放锁紧的锁定线41使其处于自由状态，最后释放软体机械臂中的压缩气体令其恢复初始形状。通过控制软体机械臂和仿脊椎变刚度结构间歇性运动的配合，实现软体机械臂穿越障碍物搜索、抓取物体等运动的稳定实施。
64.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。
65.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。