一种刚柔软耦合关节及软体机器人制造技术

本发明专利技术提供一种刚柔软耦合关节及软体机器人，包括内刚性骨架（1）和若干组柔性气动肌肉（2），内刚性骨架包括两对分别沿X向和Y向设置的连接骨（3），两对连接骨通过变刚万向轴（4）铰接固定，变刚万向轴内设有气囊组件，当气囊组件充气时，变刚万向轴与连接骨的铰接接触面过盈配合，连接骨相对固定；当气囊组件排气时，变刚万向轴与连接骨的铰接接触面间隙配合，连接骨相对转动；所述连接骨与变刚万向轴的铰接处设有角度传感器（6）。本发明专利技术的刚柔软耦合关节以柔性气动肌肉作为驱动元件带动内刚性骨架发生运动，内刚性骨架通过气囊组件的状态调节刚度，角度传感器可以实时采集转动角度，精确感知运动位置，实现精确控制。实现精确控制。实现精确控制。

【技术实现步骤摘要】
一种刚柔软耦合关节及软体机器人


[0001]本专利技术涉及机器人
，特别是涉及一种刚柔软耦合关节及软体机器人。

技术介绍

[0002]传统刚性机器人历经半个多世纪发展，技术日趋成熟，传统刚性臂因其结构与材料特性，具有较高的精确性与可操控性，已实际应用在多种场合。但随着机器人的应用环境日益复杂，由工业拓展到医疗、勘探、服务等各行业，传统刚性机械臂暴露出来的人机交互安全性差，自由度低、对复杂环境适应性差等特性，局限了刚性机械臂的使用场景。而软体臂由于使用软体材料或柔性材料加工制作，由于自身材料的特性，具备传统刚性机器人无法具备的柔性、更高的灵活性、无损的操作性和人机交互安全性，且在受到一定程度的拉伸或挤压的情况下，仍能保持较好的工作性能，从而使其可以应用在许多特殊的场合。
[0003]软体机器人的设计灵感来源于自然界中形态各异的软体动物或是软体器官，例如蠕虫、章鱼触手、象鼻、蛇身等。科学家从仿生学角度出发，研制了诸多基于软材料的仿生软体机器人，其中仿象鼻、仿章鱼手结构的臂式软体机器人，由于能实现高柔顺性和鲁棒性抓取和操作，值得进行深入的研究。但是，现有的软体机器人多侧重于柔性及灵活性设计，其在抓取物品时由于刚度不足容易掉落，灵活性还带来无法精确控制的问题，导致软体机器人无法在实际生活中得到广泛的应用。因此，如何能够让软体机器人在不改变其高柔性和无限自由特点的同时可以快速的提高其刚度，且可以精确感知位置，具有重要的研究意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决现有软体机器人具有高柔性和无限自由特点，刚度低，以及无法精准控制的问题，提供一种兼具高柔性和刚度可调节、具有精确感知位置的刚柔软耦合关节。
[0005]本专利技术还提供给了一种内部嵌有上述刚柔软耦合关节的软体机器人。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种刚柔软耦合关节，包括内刚性骨架和环绕在内刚性骨架外的若干组柔性气动肌肉，所述内刚性骨架包括两对分别沿X向和Y向设置的连接骨，两对连接骨通过变刚万向轴铰接固定，所述变刚万向轴内沿X向和Y向分别设有两对气囊组件，当所述气囊组件充气时，所述变刚万向轴与连接骨的铰接接触面过盈配合，两对连接骨相对固定；当所述气囊组件排气时，所述变刚万向轴与连接骨的铰接接触面间隙配合，两对连接骨相对转动；两对连接骨远离变刚万向轴的一端分别设有气动肌肉固定管，所述柔性气动肌肉的两端分别与两个气动肌肉固定管固定连接，分别沿X向和Y向，至少有一个所述连接骨与变刚万向轴的铰接处设有角度传感器。
[0007]在本申请的上述技术方案中，柔性气动肌肉作为驱动元件带动内刚性骨架发生运动，内刚性骨架通过气囊组件的状态调节刚度，所述气囊组件充气时，所述变刚万向轴与连接骨的铰接接触面过盈配合，两对连接骨相对固定，呈锁紧状态，表现为刚度高；当所述气囊组件排气时，所述变刚万向轴与连接骨的铰接接触面间隙配合，两对连接骨相对转动，呈
活动状态，表现为刚度低；内刚性骨架在未变刚时对外部柔性气动肌肉的运动没有任何的影响；在变刚时不改变刚柔软耦合关节的实际运动状态，并且该变刚度的过程有效且高效的。角度传感器可以实时采集连接骨的转动角度，精确感知刚柔软耦合关节的运动位置，实现精确控制。
[0008]优选地，两对连接骨靠近变刚万向轴的一端分别设有一对锁紧套环，所述变刚万向轴包括轴套，所述轴套沿X向和Y向分别设有两对变刚锥台，所述气囊组件设于所述变刚锥台内；所述锁紧套环与变刚锥台相适配。通过调整气囊组件的状态，改变变刚锥台的锥面与锁紧套环内壁的锁紧力矩，从而高效变刚。气囊组件在充气状态下，挤压变刚锥台，变刚锥台发生形变后锥面与锁紧套环内壁过盈配合，由于锥面为斜面，相对于平面接触具有更高的压紧力，抗扭刚度大，能实现高效提高刚柔软耦合关节的刚度。
[0009]优选地，所述变刚锥台与轴套插接固定，且可相对于轴套轴向移动。变刚锥台在气囊组件为充气状态时，沿轴向发生移动，进一步挤压锁紧套环内壁，使得变刚锥台的锥面与锁紧套环内壁的锁紧力，变刚强度更高。
[0010]优选地，沿锁紧套环圆周方向，所述锁紧套环内壁间隔设有防滑凸起，进一步增大变刚锥台与锁紧套环内壁的锁紧力，增大变刚强度。
[0011]优选地，沿X向和Y向，分别至少有一个所述变刚锥台的端面设有凹槽，所述凹槽内设有磁铁，所述角度传感器设于锁紧套环的外表面，所述角度传感器采用霍尔传感器。霍尔传感器可以感应到连接骨旋转时的磁场变化，只有沿X向和Y向均至少有一个磁铁和霍尔传感器，才可以有效读取角度值，捕捉两对连接骨发生相对转动时各自的旋转角度信息，精确感知刚柔软耦合关节的运动位置，实现精确控制。
[0012]优选地，所述锁紧套环形成有与变刚锥台的锥面相适配的圆锥孔，圆锥孔与锥面具有更大的接触面积，可以进一步增大变刚锥台与锁紧套环内壁的锁紧力，增大变刚强度。
[0013]优选地，所述柔性气动肌肉包括硅胶气管和套设在硅胶器管外的编织波纹管，所述柔性气动肌肉的一端开口形成进气端，另一端封闭形成封闭端。进气端与外接充气泵相连接，通过调节柔性气动肌肉内的气压，产生驱动力，带动内刚性骨架发生运动。本申请采用压缩后的编织波纹管套设在硅胶器管外组装形成柔性气动肌肉，高密度褶皱的编织波纹管一定程度上缓解了刚柔软耦合关节自身刚度的不足，提高了刚柔软耦合关节的整体刚度，又能保持一定的柔软性。
[0014]优选地，每组柔性气动肌肉的两端分别设有气管接头座，所述气管接头座上设有若干个气管接头，所述气管接头与柔性气动肌肉的管径相适配，所述管接头座与气动肌肉固定管固定连接。多个与柔性气动肌肉相对应设置的气管接头集成在一个气管接头座上，结构紧凑，便于装配。
[0015]优选地，每组柔性气动肌肉至少包括两个，所述柔性气动肌肉相互并联，且沿内刚性骨架的周向间隔分布。均匀分布可以使得内刚性骨架受到柔性气动肌肉的驱动力均匀，提高运动的控制性。
[0016]优选地，所述气囊组件包括气囊和内部中空的气管连接件，所述轴套沿X向和Y向分别设有两对螺纹连接孔，所述气管连接件的一端设有凸台，另一端与螺纹连接孔螺接密封固定；所述气囊套接于所述凸台的外表面并与气管连接件连通；所述气管连接件靠近套接凸台处设有旋转卡套，所述旋转卡套与气管连接件卡接固定，所述旋转卡套的外径大于
气囊套接凸台的外径。
[0017]优选地，所述气囊的材质为硅胶。
[0018]本申请通过将气管连接件与螺纹连接孔螺接密封固定，相对于插接固定可以提高接口的密封性，确保变刚稳定性。但是，由于气囊为柔性材料，装配时无法直接受力，本申请通过旋转卡套设计，借助旋转卡套带动气管连接件旋转，操作方便，实现螺纹连接的装配密封性。
[0019]优选地，所述轴套内形成有气腔，所述轴套沿Y向至少设有一个充气孔，所述螺纹连接孔和充气孔与气腔相连通。
[0020]更优选地，当多个刚柔软耦合关节串联时，轴套沿Y向设有两个充气孔，由此使得相邻轴套可以共用一个通气装置，结构紧凑。
[0021]在本申本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种刚柔软耦合关节，其特征在于，包括内刚性骨架（1）和环绕在内刚性骨架外的若干组柔性气动肌肉（2），所述内刚性骨架包括两对分别沿X向和Y向设置的连接骨（3），两对连接骨通过变刚万向轴（4）铰接固定，所述变刚万向轴内沿X向和Y向分别设有两对气囊组件，当所述气囊组件充气时，所述变刚万向轴与连接骨的铰接接触面过盈配合，两对连接骨相对固定；当所述气囊组件排气时，所述变刚万向轴与连接骨的铰接接触面间隙配合，两对连接骨相对转动；两对连接骨远离变刚万向轴的一端分别设有气动肌肉固定管，所述柔性气动肌肉的两端分别与两个气动肌肉固定管（5）固定连接，分别沿X向和Y向，至少有一个连接骨与变刚万向轴的铰接处设有角度传感器（6）。2.根据权利要求1所述的刚柔软耦合关节，其特征在于：两对连接骨靠近变刚万向轴的一端分别设有一对锁紧套环（7），所述变刚万向轴包括轴套（8），所述轴套沿X向和Y向分别设有两对变刚锥台（9），所述气囊组件设于所述变刚锥台内；所述锁紧套环与变刚锥台相适配。3.根据权利要求2所述的刚柔软耦合关节，其特征在于：所述变刚锥台与轴套插接固定，且可相对于轴套轴向移动；沿锁紧套环圆周方向，所述锁紧套环内壁间隔设有防滑凸起（10）。4.根据权利要求2所述的刚柔软耦合关节，其特征在于：所述变刚锥台的端面设有凹槽（11），所述凹槽内设有磁铁（12），所述角度传感器设于锁紧套环的外表面；所述角度传感器采用霍尔传感器；所述锁紧套环形成有与变刚锥...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍官军，王文彪，赵家东，
申请(专利权)人：杭州闻名智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：