本發(fā)明屬于人工智能領(lǐng)域，尤其涉及多自由度軟體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體的是一種實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)控制的多腔體關(guān)節(jié)。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)機(jī)器人一般由剛性模塊通過(guò)運(yùn)動(dòng)副連接構(gòu)成，每個(gè)運(yùn)動(dòng)副提供一個(gè)或多個(gè)平動(dòng)自由度或轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，所有運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)組合形成機(jī)器人末端執(zhí)行器的工作空間，這種機(jī)器人具有運(yùn)動(dòng)精確的優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)的剛性使其環(huán)境適應(yīng)性較差。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展以及軍事、醫(yī)療康復(fù)、科學(xué)探測(cè)等領(lǐng)域?qū)C(jī)器人柔性需求的不斷增加，人們將目光投向自然界的生物體，模仿自然界中的軟體動(dòng)物，開(kāi)展可發(fā)生連續(xù)變形的軟體機(jī)器人研究。軟體機(jī)器人通常由可承受大應(yīng)變的柔軟材料制成，具有無(wú)限多自由度和連續(xù)變形能力，可任意改變自身形狀和尺寸。一般來(lái)說(shuō)，軟體機(jī)器人的致動(dòng)方式有兩大類(lèi)，其一是在柔性材料內(nèi)植入特殊物質(zhì)、材料，在受到光、電、熱等特殊信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生“刺激”使得該物質(zhì)發(fā)生形變，從而導(dǎo)致軟體部件進(jìn)行移動(dòng)；另一方式為流體致動(dòng)，自然界中的無(wú)脊椎軟體動(dòng)物(如蚯蚓等)體內(nèi)有許多呈環(huán)形的液腔，通過(guò)調(diào)節(jié)液腔內(nèi)液體體積分布實(shí)現(xiàn)身體蠕動(dòng)。

不同的致動(dòng)方式導(dǎo)致軟體機(jī)器人的控制方式及結(jié)構(gòu)的不同。如何通過(guò)柔性材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及新型傳感器、執(zhí)行器的應(yīng)用，來(lái)實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的多自由度控制，已經(jīng)成為當(dāng)前人工智能中特別是軟體機(jī)器人控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)及難點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，針對(duì)軟體機(jī)器人中流動(dòng)致動(dòng)方式，通過(guò)在柔性材料中設(shè)計(jì)空間對(duì)稱的多個(gè)腔體結(jié)構(gòu)，以流通壓力為動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)柔性材料在此處的空間移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的多自由度控制。本發(fā)明結(jié)構(gòu)方案具體如下：

一種實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)控制的多腔體關(guān)節(jié)，其特征在于，包括柔性材料，所述柔性材料中設(shè)置多個(gè)具有空間對(duì)稱結(jié)構(gòu)的腔體或腔體簇，所述腔體或腔體簇通過(guò)微通道或者微管與施壓裝置連接；所述腔體簇是聚集在一個(gè)集中的空間內(nèi)多個(gè)小腔體的總稱。

進(jìn)一步地，所述多個(gè)腔體或腔體簇根據(jù)所述關(guān)節(jié)移動(dòng)的方向確定其在所述柔性材料中的位置。

進(jìn)一步地，所述多個(gè)腔體或腔體簇在三維空間中均勻分布。

進(jìn)一步地，所述腔體或腔體簇為球形。

進(jìn)一步地，所述腔體或腔體簇的數(shù)量為偶數(shù)個(gè)。

進(jìn)一步地，所述腔體簇是由多個(gè)球形小腔體組成。

本發(fā)明在柔性材料中制備出多個(gè)腔體，然后將腔體或腔體簇通過(guò)微通道或者微管與施壓裝置連接與外界連接。通過(guò)微管或微通道分別向單個(gè)腔體進(jìn)行施壓壓力載荷，則所述關(guān)節(jié)將向其相反方向移動(dòng)。

本發(fā)明利用流動(dòng)致動(dòng)方式，通過(guò)設(shè)計(jì)空間對(duì)稱的多個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的腔體，以流通壓力為動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的多自由度控制。本發(fā)明所述的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性好，控制原理簡(jiǎn)單易行。該多腔體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以通過(guò)3d打印，或者吹塑工藝可以快捷方便的制備出本發(fā)明的多腔體結(jié)構(gòu)，易于制備。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)控制的多腔體關(guān)節(jié)一實(shí)施例的示意圖，以四個(gè)腔體為例，四個(gè)腔體的半徑均為sr。

圖2是圖1所示多腔體關(guān)節(jié)在xoy平面下的投影示意圖。

圖3是圖1所示多腔體關(guān)節(jié)在xoy平面運(yùn)動(dòng)控制示意圖。

圖中：

1-柔性體，2-球形腔體，q1、q2、q3、q4分別為四個(gè)腔體的編號(hào),腔體的半徑均為sr，p1、p2、p3、p4分別為四個(gè)p微管的編號(hào)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

圖1所示為本發(fā)明所述實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)控制的多腔體關(guān)節(jié)的一個(gè)實(shí)施例，在柔性材料中制備出四個(gè)球形腔體，四個(gè)球形腔體在三維空間對(duì)稱分布。四個(gè)球形腔體分別通過(guò)微通道或者微管與施壓裝置連接。由于腔體為球形且為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，那么在笛卡爾直角坐標(biāo)系中，不管是xoy平面，yoz平面還是xoz平面，投影結(jié)構(gòu)均為一致。圖2為xoy平面下的多腔體投影。

本發(fā)明的控制方案如下：

如果要實(shí)現(xiàn)在xoy平面內(nèi)驅(qū)動(dòng)，可以通過(guò)3-微管或微通道分別向單個(gè)腔體進(jìn)行施壓壓力載荷，那么此時(shí)，該結(jié)構(gòu)將向其相反方向移動(dòng)，以圖2為例，如果向q1施加壓力，則產(chǎn)生向±y方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，此時(shí)若通過(guò)施加壓力使得q2，q4腔體內(nèi)存在壓差，那么運(yùn)動(dòng)將向q2，q4中壓力小的方向移動(dòng)，形成偏移。假設(shè)想在+x方向形成移動(dòng)，那么需要對(duì)腔體q1，q3施加壓力載荷，且大于q2，q4腔體內(nèi)部的壓力載荷即可，反之，亦可成立。其關(guān)系為：

pi＝arctan(a)pj，其中a為0°，90°，180°，270°時(shí)，分別為+x,+y,-x,-y方向移動(dòng)；k為柔性材料的彈性系數(shù)，與材料的本身特性有關(guān)，i，j為對(duì)應(yīng)腔體序號(hào)。

如若在第一象限形成任意角度的偏移，只需要控制腔體q1，q2之間的壓力比值即可。如圖3所示，a為偏移角度，逆時(shí)針為正；可以看出，偏移角度與q1，q2腔體內(nèi)的壓力p1，p2之間的關(guān)系如下：

p2＝arctan(a)p1

因此，根據(jù)偏移角度的反正切值就是為腔體之間的壓力倍數(shù)。綜上所述，偏移量與腔體壓力之間的關(guān)系可以表述為：

其中，正±45°±135°時(shí)，只需將偏移兩端的腔體施加相同的壓力且大于其余兩個(gè)腔體的壓力即可；k為柔性材料的彈性系數(shù)。

在xoy平面，實(shí)現(xiàn)45°偏移，將相鄰的兩個(gè)腔體，q1，q2，施加相同的壓力p即可。

其他角度偏移控制時(shí)，只需要控制腔體內(nèi)部不同的壓力即可，例如偏移30°時(shí)，相鄰兩腔體的壓力之比：tan30°＝1/2。

另根據(jù)發(fā)明的辦法，根據(jù)控制需求，只需要在柔性體內(nèi)設(shè)置多個(gè)關(guān)于中心對(duì)稱的腔體結(jié)構(gòu)或腔體簇。因?yàn)?，?duì)稱性腔體在受壓力膨脹過(guò)程中，產(chǎn)生四周均勻的壓力，均可以實(shí)現(xiàn)在此處的多自由度控制，控制精度由腔體個(gè)數(shù)及壓力決定。腔體或腔體簇的數(shù)量最好為偶數(shù)個(gè)，當(dāng)2個(gè)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)的移動(dòng)控制；當(dāng)為大于4的偶數(shù)個(gè)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)三維控制，隨著數(shù)量的數(shù)量增加，控制精度提高。

所述實(shí)施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式，但本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見(jiàn)的改進(jìn)、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)控制的多腔體關(guān)節(jié)，軟體機(jī)器人中流動(dòng)致動(dòng)方式，通過(guò)在柔性材料中設(shè)計(jì)空間對(duì)稱的多個(gè)腔體結(jié)構(gòu)，以流通壓力為動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)柔性材料在此處的空間移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的多自由度控制。本發(fā)明具有對(duì)稱性好，控制原理簡(jiǎn)單易行，易于制備的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：張立強(qiáng);葛道晗;程廣貴;張忠強(qiáng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：江蘇大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.10
技術(shù)公布日：2017.08.04