多自由度变刚度的模块化柔性驱动器及仿生机器人制造技术

本发明专利技术提供了一种多自由度变刚度模块化柔性驱动器及仿生机器人，包括快连上基座、伸缩单元、变刚度单元以及快连下基座，变刚度单元圆周分布在快连上基座和快连下基座之间上；伸缩单元竖直固定在快连上基座和快连下基座圆周中心；本发明专利技术实现了软体驱动器的多自由度变刚度、高度的模块化可重构以及整体的轻质化，并采用易得材料和适用于工业生产的制作工艺，大大降低了成本。本发明专利技术利用仿生原理，结合驱动器模块的变形和拉力随压强变化性能，通过模块间的自由组合，实现了管道内蠕动前进、平地蜿蜒前进、平面全向移动、机械臂空间运动等多种运动模式，具备广阔的潜力和应用空间。具备广阔的潜力和应用空间。具备广阔的潜力和应用空间。

Modular flexible actuator with multiple degrees of freedom and variable stiffness and bionic robot

【技术实现步骤摘要】
多自由度变刚度的模块化柔性驱动器及仿生机器人


[0001]本专利技术涉及软体机器人
，具体地，涉及多自由度变刚度的模块化柔性驱动器及仿生机器人。

技术介绍

[0002]仿生机器人通常模仿自然界中生物的外形特征和运动方式，具有运动效率高、机动性能强、环境适应性强、隐蔽性好等特点，在环境勘测、科学探索、军事侦察等领域具有广阔的应用。而柔性机器人因为其良好的环境适应性、灵活性和安全性，在非结构化环境中具有独特的优势，为仿生领域开辟了新的可能。现有的柔性机器人往往采用硅胶制造，工艺复杂，制造周期长，器件质量大，在实际的应用中受到很大限制；此外，单个的柔性驱动器往往只能实现单一的功能，不满足于仿生领域复杂多变的要求。
[0003]经现有技术专利文献检索发现，中国专利技术专利公开号为CN106859770B，公开了一种多自由度刚度可变气动手术操作臂及制作方法，属于多自由度微创手术操作臂领域，具有高度灵活的运动能力和刚度可变的特性，并且体积小、质量轻，对人体刚性损伤少，气路更少易于控制。气动驱动器单元包括圆柱型驱动器，驱动器两端连接有基座，驱动器包括外部的刚度调节层，刚度调节层内部设置有驱动层。驱动层包括具有通孔的圆环柱形硅橡胶层，硅橡胶层上开设有若干腔体，硅橡胶层内表面覆盖有PDMS层，硅橡胶层外表面覆盖有双螺旋尼龙纤维。基座上设置有与腔体相对应的气孔，以及与刚度调节层相对应的抽真空口。因此，该文献与本专利技术所介绍的方法是属于不同的专利技术构思。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种多自由度变刚度模块化柔性驱动器及仿生机器人。
[0005]根据本专利技术提供的一种多自由度变刚度模块化柔性驱动器，包括快连上基座、伸缩单元、变刚度单元以及快连下基座，变刚度单元圆周分布在快连上基座和快连下基座之间上；伸缩单元竖直固定在快连上基座和快连下基座圆周中心；
[0006]当伸缩单元处于真空状态时，伸缩单元伸缩，向快连上基座和快连下基座施加拉力，驱使模块整体压缩，带动变刚度单元进一步弯曲，储备弹性势能；
[0007]将变刚度单元一侧抽真空，使变刚度单元向另一侧进行变形，带动模块整体进行弯曲；停止抽气后，伸缩单元和变刚度单元接通大气，伸缩单元不再产生拉力，变刚度单元瞬间释放能量，使模块产生一个跳跃的动作，从而完成一个动作循环。
[0008]一些实施例中，伸缩单元包括人工肌肉导管、人工肌肉折纸式骨架、人工肌肉柔性外表皮以及人工肌肉快连器，人工肌肉柔性外表皮包覆在人工肌肉折纸式骨架上，人工肌肉折纸式骨架的两端连接人工肌肉快连器，人工肌肉柔性外表皮插入到人工肌肉快连器的深槽中，人工肌肉导管一端插入到人工肌肉柔性外表皮中，人工肌肉导管另一端连接气泵；
[0009]当伸缩单元处于自然状态时，人工肌肉折纸式骨架撑开，人工肌肉柔性外表皮铺
展，驱使伸缩单元整体长度伸长；
[0010]当伸缩单元处于真空状态时，人工肌肉柔性外表皮在大气压的作用下向内收缩，同时推动人工肌肉折纸式骨架压缩，且人工肌肉柔性外表皮收到人工肌肉折纸式骨架的限制，向折现的凹处皱缩，驱使伸缩单元整体长度缩短。
[0011]一些实施例中，变刚度单元包括变刚度弹性元件导管、变刚度弹性元件外表皮、变刚度弹性元件内层摩擦片，变刚度弹性元件内层摩擦片层叠排列，变刚度弹性元件外表皮包裹于变刚度弹性元件内层摩擦片的外侧，变刚度弹性元件导管连接于变刚度弹性元件外表皮的一端。
[0012]一些实施例中，快连上基座上分别设有第一凸字形卡槽、纵向快连卡槽、第一弹性元件卡槽、第一横向快连卡槽以及第一气管导孔；
[0013]第一气管导孔分布于快连上基座的圆心，第一凸字形卡槽呈圆周对称分布于第一气管导孔的外侧，纵向快连卡槽和第一弹性元件卡槽呈圆周对称分布于第一凸字形卡槽的外侧，且纵向快连卡槽和第一弹性元件卡槽间隔分布，第一横向快连卡槽分布于纵向快连卡槽的外侧。
[0014]一些实施例中，快连下基座上分别设于第二凸字形卡槽、纵向快连卡扣、第二弹性元件卡槽、第二横向快连卡槽以及第二气管导孔；
[0015]第二气管导孔分布于快连下基座的圆心，第二凸字形卡槽呈圆周对称分布于第二气管导孔的外侧，纵向快连卡扣和第二弹性元件卡槽呈圆周对称分布于第二凸字形卡槽的外侧，且纵向快连卡扣和第二弹性元件卡槽间隔分布，第二横向快连卡槽分布于纵向快连卡扣的外侧。
[0016]一些实施例中，人工肌肉快连器通过第一凸字形卡槽和第二凸字形卡槽分别连接于快连上基座、快连下基座上；
[0017]一些实施例中，变刚度单元的两端设有楔形凸起，楔形凸起与第一弹性元件卡槽和第二弹性元件卡槽匹配连接；
[0018]将楔形凸起分别插入第一弹性元件卡槽、第二弹性元件卡槽中，实现变刚度单元与快连上基座和快连下基座的连接。
[0019]一些实施例中，纵向快连卡槽和纵向快连卡扣一一对应；
[0020]当模块之间纵向连接时，相邻两个模块通过纵向快连卡槽和纵向快连卡扣配合连接。
[0021]一些实施例中，第一横向快连卡槽和第二横向快连卡槽一一对应；
[0022]当模块之间横向连接时，相邻两个模块通过第一横向快连卡槽、第二横向快连卡槽与快联器配合连接。
[0023]本专利技术还提供了一种仿生机器人，包括多自由度变刚度模块化柔性驱动器。
[0024]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0025](1)本专利技术基于负压驱动和气动变刚度的原理，设计出一种多自由度变刚度模块化柔性驱动器，并基于仿生学原理，组合成外形及运动方式接近实际生物的仿生机器人，可实现高效的推进与运动，具有良好的环境适应性和灵活性；
[0026](2)本专利技术中驱动器采用模块化设计，制作成本低，组装维护方便，便于集群布置；驱动器采用的材料均为薄板或薄膜材料，实现了整体的轻质化，相较于现有的驱动器具有
更高的能质比；
[0027](3)本专利技术中驱动器采用基于负压驱动的变刚度设计，使刚度自由可控，并在此基础上实现了驱动器的一个伸缩自由度和两个弯曲自由度，使其模块化组合后可实现更复杂的运动；
[0028](4)本专利技术中驱动器的各部件均可采用透明材料，能够在不影响生物正常活动的前提下进行科学探索活动，或者用于隐蔽性要求较高的工作任务。
附图说明
[0029]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0030]图1为模块化驱动器自然状态下的示意图；
[0031]图2为伸缩单元自然状态下的示意图；
[0032]图3为模块化驱动器压缩状态下的示意图；
[0033]图4为伸缩单元压缩状态下的示意图；
[0034]图5为模块化驱动器弯曲状态下的示意图；
[0035]图6为快连上基座的结构示意图；
[0036]图7为快连下基座的结构示意图；
[0037]图8为人工肌肉快连器和快连基座的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多自由度变刚度模块化柔性驱动器，其特征在于，包括快连上基座(1)、伸缩单元(3)、变刚度单元(2)以及快连下基座(4)，所述变刚度单元(2)圆周分布在快连上基座(1)和快连下基座之间(4)上；所述伸缩单元竖(3)直固定在快连上基座(1)和快连下基座(4)圆周中心；当所述伸缩单元(3)处于真空状态时，所述伸缩单元(3)伸缩，向所述快连上基座(1)和所述快连下基座(4)施加拉力，驱使模块整体压缩，带动所述变刚度单元(2)进一步弯曲，储备弹性势能；将所述变刚度单元(2)一侧抽真空，使所述变刚度单元(2)向另一侧进行变形，带动模块整体进行弯曲；停止抽气后，所述伸缩单元(3)和所述变刚度单元(2)接通大气，所述伸缩单元(3)不再产生拉力，所述变刚度单元(2)瞬间释放能量，使模块产生一个跳跃的动作，从而完成一个动作循环。2.根据权利要求1所述的多自由度变刚度模块化柔性驱动器，其特征在于，所述伸缩单元(3)包括人工肌肉导管(301)、人工肌肉折纸式骨架(302)、人工肌肉柔性外表皮(303)以及人工肌肉快连器(304)，所述人工肌肉柔性外表皮(303)包覆在所述人工肌肉折纸式骨架(302)上，所述人工肌肉折纸式骨架(302)的两端连接所述人工肌肉快连器(304)，所述人工肌肉柔性外表皮(303)插入到人工肌肉快连器(304)的深槽中，所述人工肌肉导管(301)一端插入到人工肌肉柔性外表皮(303)中，所述人工肌肉导管(301)另一端连接气泵；当所述伸缩单元(3)处于自然状态时，所述人工肌肉折纸式骨架(302)撑开，所述人工肌肉柔性外表皮(303)铺展，驱使所述伸缩单元(3)整体长度伸长；当所述伸缩单元(3)处于真空状态时，所述人工肌肉柔性外表皮(303)在大气压的作用下向内收缩，同时推动所述人工肌肉折纸式骨架(302)压缩，且所述人工肌肉柔性外表皮(303)收到人工肌肉折纸式骨架(302)的限制，向折现的凹处皱缩，驱使所述伸缩单元(3)整体长度缩短。3.根据权利要求2所述的多自由度变刚度模块化柔性驱动器，其特征在于，所述变刚度单元(2)包括变刚度弹性元件导管(201)、变刚度弹性元件外表皮(202)、变刚度弹性元件内层摩擦片(203)，所述变刚度弹性元件内层摩擦片(203)层叠排列，所述变刚度弹性元件外表皮(202)包裹于所述变刚度弹性元件内层摩擦片(203)的外侧，所述变刚度弹性元件导管(201)连接于所述变刚度弹性元件外表皮(202)的一端。4.根据权利要求3所述的多自由度变刚度模块化柔性驱动器，其特征在于，所述快连上基座(1)上分别设有第一凸字形卡槽(101)、纵向快连卡槽(102)、第一弹性元件卡槽(103)、第一横向...

【专利技术属性】
技术研发人员：房付熠，李汶柏，易子琛，邓达鹏，赵天昊，王艺霖，张文明，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：