技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及軟體機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及一種仿章魚觸手彎曲和扭轉(zhuǎn)的柔性關(guān)節(jié)。

背景技術(shù)：

仿章魚觸手類的軟體機(jī)器人是一類由單段或多段柔性關(guān)節(jié)聯(lián)接構(gòu)成且不具有任何離散關(guān)節(jié)和剛性連桿的機(jī)器人，其依靠柔性關(guān)節(jié)的連續(xù)變形來實現(xiàn)自身運動。仿章魚觸手類的軟體機(jī)器人可以柔順而靈活地改變自身形狀，適用于空間狹窄和多障礙物環(huán)境下的作業(yè)，能勝任傳統(tǒng)的剛性工業(yè)機(jī)器人難以完成的任務(wù)，如核電站冷卻管道維修，地震現(xiàn)場人員搜救、人體消化道或血管檢查等任務(wù)。

彎曲和扭轉(zhuǎn)是章魚觸手運動中較為重要的兩種運動，而在現(xiàn)有軟體機(jī)器人技術(shù)中，對章魚觸手產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)的肌肉群進(jìn)行仿生類比的研究還較為少見，相關(guān)的可在同一柔性關(guān)節(jié)上同時實現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種運動的結(jié)構(gòu)設(shè)計也鮮見到實物報道。若組成軟體機(jī)器人的柔性關(guān)節(jié)缺少彎曲和扭轉(zhuǎn)運動，軟體機(jī)器人的運動空間和運動能力將受到很大的影響。

傳統(tǒng)電機(jī)和齒輪等剛性傳動結(jié)構(gòu)相對于軟體機(jī)器人而言體積較大、質(zhì)量過重，若采用此類方法實現(xiàn)仿章魚觸手類的軟體機(jī)器人的彎曲和扭轉(zhuǎn)運動，在運動過程中，大而重的傳統(tǒng)電機(jī)和齒輪等剛性結(jié)構(gòu)會給軟體機(jī)器人帶來額外的負(fù)擔(dān)。此外，大而重的傳統(tǒng)電機(jī)和齒輪等剛性傳動結(jié)構(gòu)剛度高，在運動時具有較大的慣性和動能，容易對軟體機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境（如人體）造成一定的損害。由此，有必要針對軟體機(jī)器人開發(fā)出一種仿章魚觸手肌肉生物結(jié)構(gòu)和致動機(jī)理的、可實現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)二自由度運動的新型仿生柔性關(guān)節(jié)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種仿章魚觸手彎曲和扭轉(zhuǎn)的柔性關(guān)節(jié)，該柔性關(guān)節(jié)模擬了章魚觸手產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)動作的肌肉群的生物結(jié)構(gòu)和致動機(jī)理，包括章魚觸手的縱向肌和斜向肌兩類肌肉群，其可驅(qū)動仿章魚觸手類的軟體機(jī)器人完成彎曲、扭轉(zhuǎn)這兩種對軟體機(jī)器人的運動空間和運動能力有很大影響的動作，是一種簡單、高效、低能耗、控制方便的新型仿生柔性關(guān)節(jié)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：包括柔性的中空管材、密封中空管材兩端的支撐端面、設(shè)置在中空管材上用于仿縱向肌的第一致動結(jié)構(gòu)及用于仿斜向肌的第二致動結(jié)構(gòu)，所述的第一致動結(jié)構(gòu)處于通電加熱狀態(tài)時產(chǎn)生收縮的彎曲形變，以帶動中空管材實現(xiàn)彎曲運動，所述的第二致動結(jié)構(gòu)處于通電加熱狀態(tài)時產(chǎn)生收縮的彎曲形變，以帶動中空管材的一端相對于另一端實現(xiàn)順時針或逆時針的扭轉(zhuǎn)運動。

所述的中空管材呈圓筒狀，由硅膠類且體積不可壓縮的柔性材料構(gòu)成，所述的中空管材具有彈性和變形后的回復(fù)能力。

所述的第一致動結(jié)構(gòu)設(shè)置在中空管材的內(nèi)部，且第一致動結(jié)構(gòu)的兩端分別與支撐端面相固定，所述的第一致動結(jié)構(gòu)包括在中空管材內(nèi)部呈上下左右方向?qū)ΨQ設(shè)置的上致動結(jié)構(gòu)、下致動結(jié)構(gòu)、左致動結(jié)構(gòu)及右致動結(jié)構(gòu)，所述的上致動結(jié)構(gòu)、下致動結(jié)構(gòu)、左致動結(jié)構(gòu)及右致動結(jié)構(gòu)均由多個直線運動副依次串聯(lián)而成。

所述的直線運動副包括內(nèi)推桿、外推桿以及設(shè)置在內(nèi)推桿與外推桿之間的Z型形狀記憶合金，所述內(nèi)推桿的一端與外推桿構(gòu)成插接配合，所述內(nèi)推桿的另一端與相鄰的外推桿構(gòu)成插接配合。

所述的外推桿包括第一碟形連接部、與第一碟形連接部相連的第一圓形柱狀連接部以及與第一圓形柱狀連接部相連的第二圓形柱狀連接部，所述的第二圓形柱狀連接部的直徑小于第一圓形柱狀連接部的直徑，且第二圓形柱狀連接部與相鄰的內(nèi)推桿構(gòu)成插接配合，所述外推桿的內(nèi)部設(shè)有方形的通孔；所述的內(nèi)推桿包括與外推桿內(nèi)部的通孔相配合的方形柱狀連接部、與方形柱狀連接部相連的第二碟形連接部以及與第二碟形連接部相連的第三圓形柱狀連接部，所述的第三圓形柱狀連接部的內(nèi)部設(shè)有與第二圓形柱狀連接部相配合的插接孔。

所述的Z型形狀記憶合金設(shè)置在第一碟形連接部與第二碟形連接部之間，且Z型形狀記憶合金的兩端分別與第一碟形連接部及第二碟形連接部相固定，所述的Z型形狀記憶合金沿方形柱狀連接部的周向均勻設(shè)置四個。

所述的Z型形狀記憶合金處于通電加熱狀態(tài)時，Z型形狀記憶合金受熱后發(fā)生收縮的彎曲形變，以驅(qū)動直線運動副沿其長度方向產(chǎn)生收縮運動。

所述的第二致動結(jié)構(gòu)包括仿右螺旋外層斜向肌的外致動結(jié)構(gòu)以及仿左螺內(nèi)層斜向肌的內(nèi)致動結(jié)構(gòu)，所述的外致動結(jié)構(gòu)按右螺旋狀斜向布置在中空管材的外壁上，所述的內(nèi)致動結(jié)構(gòu)按左螺旋狀斜向布置在中空管材的內(nèi)壁上。

所述的外致動結(jié)構(gòu)與內(nèi)致動結(jié)構(gòu)分別由截面呈方形的形狀記憶合金構(gòu)成，所述的外致動結(jié)構(gòu)連續(xù)彎折成鋸齒狀布置在中空管材的外壁上，且外致動結(jié)構(gòu)的兩端與中空管材的外壁相固定；所述的內(nèi)致動結(jié)構(gòu)連續(xù)彎折成鋸齒狀布置在中空管材的內(nèi)壁上，且內(nèi)致動結(jié)構(gòu)的兩端與中空管材的內(nèi)壁相固定。

所述外致動結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金處于通電加熱狀態(tài)時，該形狀記憶合金受熱后發(fā)生收縮的彎曲形變，使中空管材的一端相對于另一端做逆時針扭轉(zhuǎn)運動；所述內(nèi)致動結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金處于通電加熱狀態(tài)時，該形狀記憶合金受熱后發(fā)生收縮的彎曲形變，使中空管材的一端相對于另一端做順時針扭轉(zhuǎn)運動。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明通過對章魚觸手的縱向肌、斜向肌的生物結(jié)構(gòu)和致動機(jī)理進(jìn)行仿生類比，發(fā)明出一種可驅(qū)動仿章魚觸手類的軟體機(jī)器人完成彎曲、扭轉(zhuǎn)動作的柔性關(guān)節(jié)；該柔性關(guān)節(jié)不具有任何電機(jī)齒輪等剛性傳動部件，避免了采用剛性傳動部件給軟體機(jī)器人帶來的額外負(fù)擔(dān)，降低了軟體機(jī)器人對其應(yīng)用環(huán)境（如人體）造成損害的風(fēng)險，是一種簡單、高效、低能耗、控制方便的新型仿生柔性關(guān)節(jié)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明直線運動副的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明直線運動副的分解結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明直線運動副的剖面圖；

圖5是本發(fā)明直線運動副處于正常狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明直線運動副處于加熱狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明下致動結(jié)構(gòu)處于加熱狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是本發(fā)明外致動結(jié)構(gòu)與內(nèi)致動結(jié)構(gòu)處于正常狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9是本發(fā)明外致動結(jié)構(gòu)處于加熱狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10是本發(fā)明內(nèi)致動結(jié)構(gòu)處于加熱狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明：

如圖1所示的一種仿章魚觸手彎曲和扭轉(zhuǎn)的柔性關(guān)節(jié)，包括柔性的中空管材1、密封中空管材1兩端的支撐端面2、設(shè)置在中空管材1上用于仿縱向肌的第一致動結(jié)構(gòu)及用于仿斜向肌的第二致動結(jié)構(gòu)，支撐端面2設(shè)置在中空管材1的兩端，起到密封中空管材1和保護(hù)中空管材1內(nèi)各結(jié)構(gòu)的作用；第一致動結(jié)構(gòu)處于通電加熱狀態(tài)時產(chǎn)生收縮的彎曲形變，以帶動中空管材1實現(xiàn)彎曲運動，第二致動結(jié)構(gòu)處于通電加熱狀態(tài)時產(chǎn)生收縮的彎曲形變，以帶動中空管材1的一端相對于另一端實現(xiàn)順時針或逆時針的扭轉(zhuǎn)運動。

進(jìn)一步的，中空管材1呈圓筒狀，由硅膠類且體積不可壓縮的柔性材料構(gòu)成，中空管材1具有彈性和變形后的回復(fù)能力。即中空管材1具有一定的變形和回彈能力，中空管材1可以承載其他部件，同時也是受力變形的載體。

進(jìn)一步的，第一致動結(jié)構(gòu)設(shè)置在中空管材1的內(nèi)部，且第一致動結(jié)構(gòu)的兩端分別與支撐端面2相固定，第一致動結(jié)構(gòu)包括在中空管材1內(nèi)部呈上下左右方向?qū)ΨQ設(shè)置的上致動結(jié)構(gòu)3、下致動結(jié)構(gòu)4、左致動結(jié)構(gòu)5及右致動結(jié)構(gòu)6，上致動結(jié)構(gòu)3、下致動結(jié)構(gòu)4、左致動結(jié)構(gòu)5及右致動結(jié)構(gòu)6均由多個直線運動副7依次串聯(lián)而成，直線運動副7的具體數(shù)量可根據(jù)實際需要進(jìn)行設(shè)置。

進(jìn)一步的，如圖2、圖3、圖4所示，直線運動副7包括內(nèi)推桿71、外推桿72以及設(shè)置在內(nèi)推桿71與外推桿72之間的Z型形狀記憶合金73，內(nèi)推桿71的一端與外推桿72構(gòu)成插接配合，內(nèi)推桿71的另一端與相鄰的外推桿72構(gòu)成插接配合，內(nèi)推桿71與外推桿72的配合，構(gòu)建了一對可完成伸縮運動的直線運動副。

具體地說，外推桿72包括第一碟形連接部721、與第一碟形連接部721相連的第一圓形柱狀連接部722以及與第一圓形柱狀連接部722相連的第二圓形柱狀連接部723，也就是第一圓形柱狀結(jié)構(gòu)部722與第二圓形柱狀連接部723形成一個類似階梯軸的結(jié)構(gòu)，第二圓形柱狀連接部723的直徑小于第一圓形柱狀連接部722的直徑，且第二圓形柱狀連接部723與相鄰的內(nèi)推桿71構(gòu)成插接配合，也就是外推桿的一端是第一碟形連接部721，外推桿的另一端是與相鄰內(nèi)推桿構(gòu)成插接配合的第二圓形柱狀連接部；外推桿72的內(nèi)部設(shè)有方形的通孔724，也就是外推桿72的內(nèi)部設(shè)有貫穿第一碟形連接部721、第一圓形柱狀連接部722以及第二圓形柱狀連接部723的方形通孔724。內(nèi)推桿71包括與外推桿72內(nèi)部的通孔724相配合的方形柱狀連接部711、與方形柱狀連接部711相連的第二碟形連接部712以及與第二碟形連接部712相連的第三圓形柱狀連接部713，第三圓形柱狀連接部713的內(nèi)部設(shè)有與第二圓形柱狀連接部723相配合的插接孔714，也就是內(nèi)推桿的一端是方形柱狀連接部711，該方形柱狀連接部711直接插入至外推桿內(nèi)部的方形通孔724中，方形柱狀連接部711與通孔724的配合，一方面保證了兩者在內(nèi)推桿的長度方向上靈活地運動，不受其他方向上力和力矩的干擾，另一方面限制了兩者之間不必要的移動，防止錯位現(xiàn)象的發(fā)生；內(nèi)推桿的另一端是第三圓形柱狀連接部713，該第三圓形柱狀連接部713內(nèi)設(shè)有與外推桿中第二圓形柱狀連接部723相配合的插接孔714，也就是第二圓形柱狀連接部723直接插入至相鄰的內(nèi)推桿的插接孔714中，以此實現(xiàn)相鄰直線運動副的串聯(lián)。

進(jìn)一步的，Z型形狀記憶合金73設(shè)置在第一碟形連接部721與第二碟形連接部712之間，且Z型形狀記憶合金73的兩端分別與第一碟形連接部721及第二碟形連接部712相固定，Z型形狀記憶合金73沿方形柱狀連接部711的周向均勻設(shè)置四個。Z型形狀記憶合金73的作用是驅(qū)動內(nèi)推桿71及外推桿72構(gòu)成的直線運動副完成伸縮運動。

進(jìn)一步的，Z型形狀記憶合金73處于通電加熱狀態(tài)時，Z型形狀記憶合金73受熱后發(fā)生收縮的彎曲形變，以驅(qū)動直線運動副7沿其長度方向產(chǎn)生收縮運動。

進(jìn)一步的，第二致動結(jié)構(gòu)包括仿右螺旋外層斜向肌的外致動結(jié)構(gòu)8以及仿左螺內(nèi)層斜向肌的內(nèi)致動結(jié)構(gòu)9，外致動結(jié)構(gòu)8按右螺旋狀斜向布置在中空管材1的外壁上，內(nèi)致動結(jié)構(gòu)9按左螺旋狀斜向布置在中空管材1的內(nèi)壁上。優(yōu)選的，外致動結(jié)構(gòu)8及內(nèi)致動結(jié)構(gòu)9的兩端應(yīng)位于中空管材1外壁或內(nèi)壁的兩個端部。

進(jìn)一步的，外致動結(jié)構(gòu)8與內(nèi)致動結(jié)構(gòu)9分別由截面呈方形的形狀記憶合金構(gòu)成，外致動結(jié)構(gòu)8連續(xù)彎折成鋸齒狀布置在中空管材1的外壁上，且外致動結(jié)構(gòu)8的兩端與中空管材1的外壁相固定；內(nèi)致動結(jié)構(gòu)9連續(xù)彎折成鋸齒狀布置在中空管材1的內(nèi)壁上，且內(nèi)致動結(jié)構(gòu)9的兩端與中空管材1的內(nèi)壁相固定。

進(jìn)一步的，外致動結(jié)構(gòu)8的形狀記憶合金處于通電加熱狀態(tài)時，該形狀記憶合金受熱后發(fā)生收縮的彎曲形變，使中空管材1的一端相對于另一端做逆時針扭轉(zhuǎn)運動；內(nèi)致動結(jié)構(gòu)9的形狀記憶合金處于通電加熱狀態(tài)時，該形狀記憶合金受熱后發(fā)生收縮的彎曲形變，使中空管材1的一端相對于另一端做順時針扭轉(zhuǎn)運動。

本發(fā)明的工作原理及工作過程如下：

一、仿章魚觸手的彎曲動作：

對構(gòu)成下致動結(jié)構(gòu)的直線運動副中的Z型形狀記憶合金的兩端進(jìn)行通電加熱，Z型形狀記憶合金受熱后發(fā)生收縮的彎曲形變，以驅(qū)動直線運動副沿其長度方向產(chǎn)生收縮運動，如圖6所示，進(jìn)而驅(qū)動仿縱向肌的下致動結(jié)構(gòu)沿其長度方向產(chǎn)生收縮運動，變?yōu)槭湛s的仿縱向肌的致動結(jié)構(gòu)，收縮的仿縱向肌的致動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的收縮力作用在中空管材上，中空管材將向下彎曲，以實現(xiàn)柔性關(guān)節(jié)向下方的彎曲運動，如圖7所示。停止對Z型形狀記憶合金的兩端進(jìn)行通電加熱，Z型形狀記憶合金逐漸冷卻，其收縮力消失，在中空管材的彈性回復(fù)力的作用下，柔性關(guān)節(jié)恢復(fù)到向下方彎曲之前的狀態(tài)，布置在中空管材內(nèi)的下致動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生伸長運動，恢復(fù)到通電之前的狀態(tài)，如圖5所示。

與此類似，收縮上致動結(jié)構(gòu)而放松下致動結(jié)構(gòu)、左致動結(jié)構(gòu)和右致動結(jié)構(gòu)時，中空管材將向上彎曲，以實現(xiàn)柔性關(guān)節(jié)向上方的彎曲運動；收縮左致動結(jié)構(gòu)3而放松其他方向的致動結(jié)構(gòu)時，中空管材將向左彎曲，以實現(xiàn)柔性關(guān)節(jié)向左方的彎曲運動；收縮右致動結(jié)構(gòu)而放松其他方向的致動結(jié)構(gòu)時，中空管材將向右彎曲，以實現(xiàn)柔性關(guān)節(jié)向右方的彎曲運動。

二、仿章魚觸手的扭轉(zhuǎn)動作：

如圖9所示，對外致動結(jié)構(gòu)中的形狀記憶合金的兩端進(jìn)行通電加熱，該形狀記憶合金受熱后發(fā)生收縮的彎曲形變，此時，外致動結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金處于收縮狀態(tài)，而左致動結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金處于放松狀態(tài)，中空管材的一端相對另一端做逆時針扭轉(zhuǎn)，實現(xiàn)柔性關(guān)節(jié)的一端相對另一端做逆時針扭轉(zhuǎn)；停止對該形狀記憶合金的兩端進(jìn)行通電加熱，該形狀記憶合金逐漸冷卻，其收縮力消失，在中空管材的彈性回復(fù)力的作用下，柔性關(guān)節(jié)恢復(fù)到做逆時針扭轉(zhuǎn)之前的狀態(tài)，如圖8所示。

如圖10所示，對內(nèi)致動結(jié)構(gòu)中的形狀記憶合金的兩端進(jìn)行通電加熱，該形狀記憶合金受熱后發(fā)生收縮的彎曲形變，此時，內(nèi)致動結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金處于收縮狀態(tài)，而外致動結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金處于放松狀態(tài)，中空管材的一端相對另一端做順時針扭轉(zhuǎn)，實現(xiàn)柔性關(guān)節(jié)的一端相對另一端做順時針扭轉(zhuǎn)；停止對該形狀記憶合金的兩端進(jìn)行通電加熱，該形狀記憶合金逐漸冷卻，其收縮力消失，在中空管材的彈性回復(fù)力的作用下，柔性關(guān)節(jié)恢復(fù)到做順時針扭轉(zhuǎn)之前的狀態(tài)，如圖8所示。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明的仿章魚觸手彎曲和扭轉(zhuǎn)的柔性關(guān)節(jié)模擬了章魚觸手的縱向肌、斜向肌的生物結(jié)構(gòu)和致動機(jī)理，采用特殊形狀的形狀記憶合金作為致動器，驅(qū)動柔性關(guān)節(jié)完成彎曲和扭轉(zhuǎn)這兩種對軟體機(jī)器人的運動空間和運動能力有很大影響的動作。該柔性關(guān)節(jié)不具有任何電機(jī)齒輪等剛性傳動部件，避免了采用剛性傳動部件給軟體機(jī)器人帶來的額外負(fù)擔(dān)，降低了軟體機(jī)器人對其應(yīng)用環(huán)境（如人體）造成損害的風(fēng)險，是一種簡單、高效、低能耗、控制方便的新型仿生柔性關(guān)節(jié)。該柔性關(guān)節(jié)增加了軟體機(jī)器人的實際運動空間和運動能力，拓展了軟體機(jī)器人的應(yīng)用范圍，可完成傳統(tǒng)剛性機(jī)器人無法完成的柔順性任務(wù)。

以上所述的實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進(jìn)行描述，并非對本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。