一种气动仿蠕虫软体操纵臂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种气动仿蠕虫软体操纵臂及其制备方法，属于流体驱动及软体机器人领域。本发明专利技术模仿蠕虫的纤维膜设计了双向对称交叉螺旋缠绕的固定线，能够在对弹性体臂加气压时使其长度随体积增加而伸长，限制其径向膨胀和扭转趋势，实现了一个腔道输入只对应一个弯曲运动并且完全没有耦合扭转的全驱动系统，从而在实现弹性体臂三维空间内的弯曲、伸长动作的同时，减小了弹性体臂的异常膨胀和扭转，有效提升了软体操纵臂的稳定性；本发明专利技术模仿自然界中广泛存在的流体静力骨骼(章鱼臂、象鼻、变色龙舌头)设置弹性体外层，从结构本身上实现了对蠕虫纵向肌肉束、纤维膜和表皮的仿生，更符合生物机理。符合生物机理。符合生物机理。

【技术实现步骤摘要】
一种气动仿蠕虫软体操纵臂及其制备方法


[0001]本专利技术属于流体驱动及软体机器人领域，更具体地，涉及一种气动仿蠕虫软体操纵臂及其制备方法。

技术介绍

[0002]传统机器人是由刚性段和连接件组成的机器，运动主要基于刚体段之间的关节角度或者位置的变化。这类机器具有运动控制精准的特点，广泛用于军事、工业、物流等领域。但随着人类对机器人工作环境的需求日益复杂，对机器人的应用要求也提高。而传统机器人受到刚性结构对工作空间的限制，更适应在自由空间内进行作业，对于复杂的非结构化受限环境适应性差。比如，海洋探索中难以通过狭窄的礁石缝隙对生物进行观察，地震救援中难以进入废墟对环境进行勘探。并且刚性机器人的结构刚性会在一定程度上对作业环境进行破坏，比如，刚性的手术机器人进入人体会对脏器造成压迫；刚性的水下机器人检查河道和河床会对河床造成破坏，并且捕捞生物难以避免对生物组织造成损伤。
[0003]软体机器人学是一门融合了柔性结构设计、软体材料研发和加工、非刚性连接驱动、柔性传感器感知以及弹性力学建模和控制等学科的相关知识的科学。研究者们通过模仿自然界中的软体生物以及部分有脊椎动物的软体器官的支撑和运动机理，让软体机器人在一定范围内改变自身的尺寸从而实现连续的柔性曲线运动。软体机器人的构型灵活性和运动柔顺性让其具有广泛的应用前景，比如，在海洋探索中对活体生物进行跟踪和观察或进行柔性抓取，在手术中进入人体并且在各种人体环境中进行相关探测或进行治疗等。
[0004]气动软体机器人通常是选用硅橡胶、PDMS和尼龙布等材质，在没有约束时增加气压，就会像气球一样有膨胀现象。膨胀现象会限制软体机器人的工作区域在较小的气压范围内，并且会让软体机器人难以实现伸长、弯曲等运动。没有约束的气动软体机器人在加气压时也会伴随着异常的耦合扭转，这种单一驱动下的耦合扭转意味着该软体机器人是欠驱系统，在实际控制中难以对耦合扭转进行建模从而导致欠驱系统的控制精度低。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种气动仿蠕虫操纵臂及其制备方法，其目的在于提供一种能够实现三维空间内的弯曲、伸长动作，同时不会出现异常膨胀和扭转的软体机器人。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种气动仿蠕虫软体操纵臂，包括：弹性体臂和弹性体外层；
[0007]所述弹性体臂中心设置有圆柱腔，用于布置气路；所述弹性体臂内部与所述圆柱腔同轴的周向均匀分布有至少三个扇形气腔，用于灌输气体以驱动弹性体臂运动；弹性体臂外表面均匀缠绕有双向对称交叉螺旋缠绕的固定线，用于限制弹性体臂的径向膨胀和扭转；
[0008]所述固定线表面覆盖有弹性体外层，用于限制固定线的位置，防止固定线移位。
[0009]进一步地，所述固定线的纤维角度大于55度。
[0010]进一步地，所述软体操纵臂还包括分布于两端的密封部件；所述密封部件用于对软体操纵臂的每个气路进行密封。
[0011]进一步地，所述弹性体外层和弹性体臂的材料相同。
[0012]进一步地，所述弹性体臂的弹性模量为0.1-1Mpa，硬度为邵氏A00-30。
[0013]进一步地，所述弹性体臂的材料为硅胶。
[0014]进一步地，所述固定线采用尼龙线。
[0015]进一步地，所述软体操纵臂由多个弹性体臂连接构成。
[0016]按照本专利技术的另一方面提供了一种上述气动仿蠕虫软体操纵臂的制备方法，包括：
[0017]S1.制作弹性体臂：
[0018]3D打印设计好的弹性体臂三维模具，并浇注硅胶材料；
[0019]在浇注得到的硅胶上，采用双向对称交叉螺旋缠绕的方法缠绕纤维；
[0020]3D打印设计好的弹性体外层三维模具，并将绕好纤维线的弹性体臂放入模具当中，浇注硅胶材料；
[0021]S2.制作密封部件并与弹性体臂粘连；
[0022]S3.将夹紧件与弹性体臂连接，再将夹紧件与连接件连接。
[0023]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
[0024](1)本专利技术模仿蠕虫的纤维膜设计了双向对称交叉螺旋缠绕的固定线，能够在对弹性体臂加气压时使其长度随体积增加而伸长，限制其径向膨胀和扭转趋势，实现了一个腔道输入只对应一个弯曲运动并且完全没有耦合扭转的全驱动系统，从而在实现弹性体臂三维空间内的弯曲、伸长动作的同时，减小了弹性体臂的异常膨胀和扭转，有效提升了软体操纵臂的稳定性。
[0025](2)本专利技术模仿自然界中广泛存在的流体静力骨骼(章鱼臂、象鼻、变色龙舌头)设置弹性体外层，从结构本身上实现了对蠕虫纵向肌肉束、纤维膜和表皮的仿生，更符合生物机理。
[0026](3)本专利技术的软体操纵臂可由多个弹性体臂连接构成，可以实现复杂的连续曲线运动。
附图说明
[0027]图1是本专利技术提供的气动仿蠕虫软体操纵臂的完整结构构型；
[0028]图2(a)是本专利技术提供的弹性体臂的完整结构构型；
[0029]图2(b)是本专利技术提供的未绕制纤维线的弹性体臂结构构型；
[0030]图2(c)是本专利技术提供的纤维线缠绕结构构型；
[0031]图2(d)是本专利技术提供的覆盖有弹性体外层的软体操纵臂结构构型；
[0032]图3是本专利技术提供的多个弹性体臂连接构成的软体操纵臂；
[0033]图4是本专利技术提供的弹性体臂的密封装置结构图；
[0034]图5是本专利技术提供的弹性体臂模具结构图；
[0035]图6是本专利技术提供的弹性体外层模具结构图；
[0036]图7是本专利技术提供的密封圈模具结构图；
[0037]图8是本专利技术提供的密封层模具结构图；
[0038]其中，201为夹紧件，202为连接件，301为弹性体臂内部，302为圆柱腔，303为扇形气腔，304为固定线，305为纤维角角度，306为弹性体外层，401为密封圈，402为通孔螺钉，403为气路快接头，404为硅胶垫圈，405为上密封层，406为下密封层。
具体实施方式
[0039]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0040]本专利技术提供的一种气动仿蠕虫软体操纵臂，其设计原理为，蠕虫、蚯蚓这类无脊椎动物以及软体器官比如章鱼臂、象鼻、变色龙舌头都是基于流体静力骨骼结构支撑和完成各种复杂动作的。流体静力骨骼的特点是有一个圆柱体的空腔，空腔内是作为“骨骼”支撑的流体，空腔外覆盖的是肌肉组织和作为增强的纤维膜，通过空腔、肌肉组织和纤维的相互作用，让这类软体生物和软体器官实现复杂精确的连续运动。以蠕虫状动物为例，蠕虫的肌肉组织为纵向肌肉，缺少作为拮抗的径向、环向、轴向纤维，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气动仿蠕虫软体操纵臂，其特征在于，包括：弹性体臂和弹性体外层；所述弹性体臂中心设置有圆柱腔，用于布置气路；所述弹性体臂内部与所述圆柱腔同轴的周向均匀分布有至少三个扇形气腔，用于灌输气体以驱动弹性体臂运动；弹性体臂外表面均匀缠绕有双向对称交叉螺旋缠绕的固定线，用于限制弹性体臂的径向膨胀和扭转；所述固定线表面覆盖有弹性体外层，用于限制固定线的位置，防止固定线移位。2.根据权利要求1所述的一种气动仿蠕虫软体操纵臂，其特征在于，所述固定线的纤维角度大于55度。3.根据权利要求1所述的一种气动仿蠕虫软体操纵臂，其特征在于，所述软体操纵臂还包括分布于两端的密封部件；所述密封部件用于对软体操纵臂的每个气路进行密封。4.根据权利要求1所述的一种气动仿蠕虫软体操纵臂，其特征在于，所述弹性体外层和弹性体臂的材料相同。5.根据权利要求4所述的一种气动仿蠕虫软体操纵臂，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁烨，沈逸，邓礼楠，董云龙，唐秀川，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：