一种整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块

摘要

本发明提供一种整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块，包括软体扭转结构，包括弹性扭转主体，以及设置于所述弹性扭转主体两端的顶部连接板和底部连接板，所述底部连接板、所述顶部连接板及所述弹性扭转主体共同包围形成一个驱动空腔；其中，所述弹性扭转主体为中空管状结构，所述弹性扭转主体的外壁表面或者内壁表面形成有多线螺纹槽。本发明机器人模块可以实现模块的扭转运动并具有较大的扭矩，而且制作简单，能够整体成型，保证机器人关节运动的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块。

背景技术

近几年，随着新材料的出现以及加工制造技术的提高，世界范围内掀起了软体机器人研究的热潮，软体机器人是机器人研究的一种新的思路，受自然的启发，研究人员开始探索由柔性材料组成的软体机器人的设计和控制。模块化已在软机器人中证明了实用性，可简化控制并增加系统冗余。对于有质量要求及复杂环境的机器人应用领域，如深海领域、康复机器人领域等，用软体气动扭转关节可以在一定程度上替代传统的机械扭转关节。软体致动模块可以通过相对简单的控制来实现复杂的运动，与传统的机电系统相比具有优势。软体致动模块由于与各种流体和气体产生的气压和液压兼容，因此也很实用，并且已被证明是一种适用于恶劣环境的坚固耐用的解决方案。

目前大量的工作用于研制弯曲致动器的结构和控制，而只有较少的研究机构采用传统的纤维增强的软促动器，这种纤维增强的软促动器可以通过改变纤维排列来实现各种运动，例如弯曲，扭曲，膨胀，伸展和收缩。但是其制作难度较大，而且扭矩较小，需要精细的进行纤维的绑定，所以对制作产生较大的难度，不能够整体加工。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块，以解决现有软体机器人的扭转模块制作复杂，不能够整体成型，扭转力矩较小的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块，所述整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块包括：

软体扭转结构，所述软体扭转结构包括弹性扭转主体；

顶部连接板，设置于所述软体扭转结构的一端；

底部连接板，设置于所述软体扭转结构的另一端；以及

所述底部连接板、所述顶部连接板及所述弹性扭转主体共同包围形成的驱动空腔；

其中，所述弹性扭转主体为中空管状结构，所述弹性扭转主体的外壁表面或者内壁表面形成有多线螺纹凸起结构。

在一可选实施例中，所述多线螺纹凸起结构包括以所述整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块的中轴线为轴等间距均匀布置于所述弹性扭转主体的外壁表面或者内壁表面的圆周方向上的至少两条螺纹凸起。

在一可选实施例中，所述螺纹凸起与所述软体扭转结构的径向平面呈一第一预设旋转角度。

在一可选实施例中，所述第一预设旋转角度大于0而小于90°。

在一可选实施例中，所述第一预设旋转角度大于等于15°而小于等于45°。

在一可选实施例中，所述弹性扭转主体的外壁表面或者内壁表面的多线螺纹的牙型包括三角形、梯形、矩形、锯齿形或圆弧螺纹。

在一可选实施例中，所述顶部连接板与所述软体扭转结构一体成型，或者所述顶部连接板与所述软体扭转结构单独成型后连接固定在一起。

在一可选实施例中，所述整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块还包括设置于所述弹性扭转主体中心的中心限制柱，所述中心限制柱的两端分别与所述底部连接板和所述顶部连接板连接。

在一可选实施例中，所述整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块还包括依次贯通所述底部连接板、所述中心限制柱及所述顶部连接板的中心通孔。

在一可选实施例中，所述整体式扭转软体机器人模块还包括若干外接气管，若干所述外接气管与所述驱动空腔连通。

在一可选实施例中，所述底部连接板的远离所述软体扭转结构的表面的周向方向均匀设置若干气管连接头，每个所述外接气管通过一所述气管连接头与所述驱动空腔连通。

在一可选实施例中，所述软体扭转结构的材料包括弹性材料；所述顶部连接板和所述底部连接板的材料包括弹性材料或非弹性材料。

本发明的整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块为弹性结构，不含刚性元件，结构简洁，能够整体成型，易于加工制造，并且所输出扭矩较大，动作执行效率较高。

本发明的整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块能够整体成型，保证机器人关节运动的稳定性。

本发明采用一种在外壁表面或者内壁表面设置螺纹加强筋的软体扭转结构，通过控制软体扭转结构的驱动空腔内的压力即可控制其扭转的角度和扭矩，并且可通过采用不同特征参数的螺纹结构，能够实现不同的扭转效果。

本发明的整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块能够实现软体机器人模块的扭转运动，可进一步与其他功能组件(例如弯曲和伸长模块)一起操作，以实现多种复杂的运动。

本发明的整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块与包括多个串联弯曲模块以增加自由度的超冗余操纵器相比，可以更方便地在较小的空间内执行扭转操作，并且更易于控制。

本发明的整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块应用范围广泛，本发明的整体式扭转软体机器人模块应用范围广泛，可用于环境复杂的领域，例如深海领域、康复机器人领域、微创手术领域、康复医疗设备领域等。

附图说明

图1显示为本发明的整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块的立体结构示意图。

图2显示为本发明的整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块的主视图。

图3显示为沿图2中A-A剖面图。

图4显示为沿图2中B-B剖面图。

图5显示为本发明的整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块的底部连接板的立体结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1-5，图1示出了本发明的整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块的立体结构示意图，图2示出了本发明的整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块的主视图，图3示出了图2中A-A剖面图，图4示出了图2中B-B剖面图，图5示出了本发明的整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块的底部连接板3的立体结构示意图。请参阅图1-5，本发明的所述整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块包括软体扭转结构2、分别设置于所述软体扭转结构2两端的顶部连接板1和底部连接板3以及气管连接头32；所述软体扭转结构2包括中心限制柱22和环绕设置于所述中心限制柱22的外围的弹性扭转主体21，所述底部连接板3、所述顶部连接板1、所述中心限制柱22及所述弹性扭转主体21共同包围形成一个封闭的驱动空腔23；所述气管连接头32设置于所述底部连接板3的远离所述软体扭转结构2的表面上，并且所述气管连接头32与所述驱动空腔23连通，通过气管连接头32可向所述驱动空腔23中充入或者抽出流体等来驱动整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块工作。

请参阅图1-4，在本发明中，所述软体扭转结构2包括中心限制柱22和环绕设置于所述中心限制柱22外围的弹性扭转主体21，所述弹性扭转主体21的内壁与所述中心限制柱22的外壁之间预留有环形间隙，从而所述底部连接板3、所述顶部连接板1、所述中心限制柱22及所述弹性扭转主体21共同包围形成一个封闭的驱动空腔23，该驱动空腔23可通过充入气体或者液体进行驱动，也可以选择充入其他能够实现致动变形的流体进行驱动。所述弹性扭转主体21为中空管状结构，所述弹性扭转主体21的外壁表面21a形成有多线螺纹凸起结构，换句话说，所述弹性扭转主体21的外壁表面21a形成有多线螺纹槽。作为示例，所述弹性扭转主体21的外壁表面21a的多线螺纹凸起结构的牙型包括三角形、梯形、矩形、锯齿形或圆弧螺纹。

请参阅图1-4，在本发明中，所述多线螺纹凸起结构包括以所述中心限制柱22为轴等间距均匀布置于所述弹性扭转主体21的外壁表面21a的圆周方向上的至少两条螺纹凸起211,换言之，所述多线螺纹槽包括以所述中心限制柱22为轴等间距均匀布置于所述弹性扭转主体21的外壁表面21a的圆周方向上的至少两条螺纹凹槽，每条螺纹凸起211位于相邻的两个螺纹凹槽之间；通过设置多线螺纹凸起结构的特征参数能实现0-180°范围的扭转，并且能实现较大的力矩。需要说明的是，采用多线螺纹凸起结构可以避免采用单线螺纹凸起结构在加载扭转时出现扭转轴线偏离所述整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块的轴线问题，这可能会引起弹性扭转主体21出现弯曲或者波动的情形，影响整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块的性能。

请参阅图1-4，在本发明中，所述螺纹凸起211与所述软体扭转结构2的径向平面呈一第一预设旋转角度；所述第一预设旋转角度大于0而小于90°。作为示例，所述第一预设旋转角度例如可以大于等于15°而小于等于45°，例如15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°等。需要说明的是，预设旋转角度可定义为弹性扭转主体21沿圆周面展开以后，螺纹凸起211的螺纹线呈直线后与软体扭转结构2的径向平面的夹角。

需要说明的是，所述多线螺纹凸起结构包含的螺纹凸起211的个数可以根据实际需要进行灵活调整。例如为了实现更大的扭转角度，在同样的加载情况下，具有更大的扭矩，带动更大的负载进行工作，所述多线螺纹凸起结构包含的螺纹凸起211的个数与所述弹性扭转主体21的外径正相关，所述弹性扭转主体21的外径越大，所述多线螺纹凸起结构包含的螺纹凸起211的个数也越多。这是因为，所述弹性扭转主体21的外径越大，所述弹性扭转主体21的周长越长，在同样螺纹尺寸下，所述弹性扭转主体21的外壁表面21a可以容纳更多的螺纹凸起211，从而能更好的实现扭转动作。在一具体示例中，请参阅图4，所述弹性扭转主体21的外壁直径例如可以为46mm，布置于所述弹性扭转主体21的外壁表面21a上的多线螺纹凸起结构为24线螺纹槽，该24线螺纹槽包括以所述中心限制柱22为轴等间距均匀布置于所述弹性扭转主体21的外壁表面21a的圆周方向上的24条螺纹凸起211；换句话说，布置于所述弹性扭转主体21的外壁表面21a上的多线螺纹凸起结构为24线螺纹，该24线螺纹包括以所述中心限制柱22为轴等间距均匀布置于所述弹性扭转主体21的外壁表面21a的圆周方向上的24条螺纹。

在本发明中，请参阅图1-4，所述软体扭转结构2的中心限制柱22例如可以是中心位置设置有第一中心通孔221的中空圆柱状，所述弹性扭转主体21发生扭转时，所述中心限制柱22可以防止所述弹性扭转主体21在扭转过程中沿其轴向的拉伸或者收缩，能够起到加强模块刚度和过载保护的作用；所述第一中心通孔221及后文将要介绍的第二中心通孔11和第三中心通孔31可用于与其他模块进行串联时放置连接气管及其他通信设备。可以理解的是，在一可选实施例中，所述软体扭转结构2的中心限制柱22也可以不设置中心通孔，也即所述中心限制柱22可以采用实心圆柱状结构。

在本发明中，请参阅图1-4，所述顶部连接板1例如可以是中心位置设置有第二中心通孔11的圆形板；所述顶部连接板1与所述软体扭转结构2例如可以是一体成型，或者所述顶部连接板1与所述软体扭转结构2也可单独成型，然后采用粘贴、绑定等方式将两者固定连接在一起。

在本发明中，请参阅图1-5，所述底部连接板3同轴设置于软体扭转结构2的远离顶部连接板1的一端，所述底部连接板3例如可以采用粘贴或者卡在所述软体扭转结构2的远离顶部连接板1的一端，所述底部连接板3例如可以是在中心位置设置有第三中心通孔31的圆盘型板；为了实现底部连接板3和所述软体扭转结构2的配合，在所述底部连接板3的靠近所述软体扭转结构2的表面上分别设置有与所述驱动空腔23的端部配合的环形凸起34和与所述第一中心通孔221的端部配合的中心凸起33；当将所述底部连接板3粘贴或者卡在所述软体扭转结构2的端部时，所述环形凸起34和所述中心凸起33分别插入所述驱动空腔23的端部和所述第一中心通孔221的端部，从而增加接触面积，提高底部连接板3和软体扭转结构2的连接强度。该第三中心通孔31与上述的第一中心通孔221和第二中心通孔11相互贯通共同构成依次贯通所述底部连接板3、所述中心限制柱22及所述顶部连接板1的中心通孔。

在本发明中，请参阅图1-5，在所述底部连接板3的远离所述软体扭转结构2的表面上设置有至少一个(当然也可以是例如1个、2个、3个、4个、5个……)与所述驱动空腔23连通的气管连接头32；所述整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块还包括至少一个外接气管4，每个所述外接气管4通过一所述气管连接头32与所述驱动空腔连通，所述外接气管4的一端与所述气管连接头32连接，所述外接气管4的另一端与外部设置相连接，流体(包括气体、液体或者其他能够实现致动变形的流体)可经过所述外接气管4、所述气管连接头32充入或者抽出驱动空腔23。作为示例，所述气管连接头32例如可以包括多个(图1-3，5中示出了包含4个的情形)，多个所述气管连接头32沿所述底部连接板3的远离所述软体扭转结构2的表面的周向方向均匀设置，从而可以通过多个外接气管4同时均匀的向驱动空腔23中充入或者抽出流体，提高所述整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块的扭转控制精度。

在本发明中，所述软体扭转结构2的材料包括弹性材料，从而更容易在加载情况下发生扭转；所述顶部连接板1和所述底部连接板3的材料包括弹性材料或非弹性材料。

本发明的整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块采用压力驱动软体扭转结构2，不需额外的传动元件即可实现不同角度的扭转变形运动，利用加压状态下弹性扭转主体21的内壁表面21b和多线螺纹之间的应变差来实现扭转。具体地，当软体扭转结构2膨胀时，其弹性扭转主体21在垂直于多线螺纹凸起结构分布的方向进行延伸，从而扭转运动可以根据多线螺纹凸起结构或者多线螺纹的排列而进行偏转，通过配置不同的螺纹个数和驱动空腔23内的压力大小可以实现不同的扭转角度。

需要说明的是，在一变形实施例中，所述多线螺纹凸起结构也可以只设置于所述弹性扭转主体21的内壁表面21b，所述多线螺纹凸起结构包括以所述中心限制柱22为轴等间距均匀布置于所述弹性扭转主体21的内壁表面21b的圆周方向上的至少两条螺纹凸起211，换句话说所述弹性扭转主体21的内壁表面21b形成有多线螺纹，同理，所述弹性扭转主体21的内壁表面21b的多线螺纹的牙型也可以选自三角形、梯形、矩形、锯齿形或圆弧螺纹。其工作原理是利用加压状态下弹性扭转主体21的外壁表面21a和多线螺纹之间的应变差，当软体扭转结构2膨胀时，其弹性扭转主体21在垂直于多线螺纹凸起结构分布的方向进行延伸，从而扭转运动可以根据多线螺纹凸起结构或者多线螺纹的排列而进行偏转。

本发明的整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块为弹性结构，不含刚性元件，结构简洁，能够整体成型，易于加工制造，并且所输出扭矩较大，动作执行效率较高；本发明的整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块能够整体成型，保证机器人关节运动的稳定性；本发明采用一种在外壁表面或者内壁表面设置螺纹加强筋的软体扭转结构，通过控制软体扭转结构的驱动空腔内的压力即可控制其扭转的角度和扭矩，并且可通过采用不同特征参数的螺纹结构，能够实现不同的扭转效果；本发明的整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块能够实现软体机器人模块的扭转运动，可进一步与其他功能组件(例如弯曲和伸长模块)一起操作，以实现多种复杂的运动；本发明的整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块与包括多个串联弯曲模块以增加自由度的超冗余操纵器相比，可以更方便地在较小的空间内执行扭转操作，并且更易于控制；本发明的整体式螺旋状凸起扭转软体机器人模块应用范围广泛，本发明的整体式扭转软体机器人模块应用范围广泛，可用于环境复杂的领域，例如深海领域、康复机器人领域、微创手术领域、康复医疗设备领域等。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

在本文的描述中，提供了许多特定细节，诸如部件和/或方法的实例，以提供对本发明实施例的完全理解。然而，本领域技术人员将认识到可以在没有一项或多项具体细节的情况下或通过其他设备、系统、组件、方法、部件、材料、零件等等来实践本发明的实施例。在其他情况下，未具体示出或详细描述公知的结构、材料或操作，以避免使本发明实施例的方面变模糊。

在整篇说明书中提到“一个实施例”、“实施例”或“具体实施例”意指与结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中，并且不一定在所有实施例中。因而，在整篇说明书中不同地方的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”或“在具体实施例中”的各个表象不一定是指相同的实施例。此外，本发明的任何具体实施例的特定特征、结构或特性可以按任何合适的方式与一个或多个其他实施例结合。应当理解本文所述和所示的发明实施例的其他变型和修改可能是根据本文教导的，并将被视作本发明精神和范围的一部分。

还应当理解还可以以更分离或更整合的方式实施附图所示元件中的一个或多个，或者甚至因为在某些情况下不能操作而被移除或因为可以根据特定应用是有用的而被提供。

另外，除非另外明确指明，附图中的任何标志箭头应当仅被视为示例性的，而并非限制。此外，除非另外指明，本文所用的术语“或”一般意在表示“和/或”。在术语因提供分离或组合能力是不清楚的而被预见的情况下，部件或步骤的组合也将视为已被指明。

如在本文的描述和在下面整篇权利要求书中所用，除非另外指明，“一个”、和“该”包括复数参考物。同样，如在本文的描述和在下面整篇权利要求书中所用，除非另外指明，“在…中”的意思包括“在…中”和“在…上”。

本发明所示实施例的上述描述(包括在说明书摘要中所述的内容)并非意在详尽列举或将本发明限制到本文所公开的精确形式。尽管在本文仅为说明的目的而描述了本发明的具体实施例和本发明的实例，但是正如本领域技术人员将认识和理解的，各种等效修改是可以在本发明的精神和范围内的。如所指出的，可以按照本发明所述实施例的上述描述来对本发明进行这些修改，并且这些修改将在本发明的精神和范围内。

本文已经在总体上将系统和方法描述为有助于理解本发明的细节。此外，已经给出了各种具体细节以提供本发明实施例的总体理解。然而，相关领域的技术人员将会认识到，本发明的实施例可以在没有一个或多个具体细节的情况下进行实践，或者利用其它装置、系统、配件、方法、组件、材料、部分等进行实践。在其它情况下，并未特别示出或详细描述公知结构、材料和/或操作以避免对本发明实施例的各方面造成混淆。

因而，尽管本发明在本文已参照其具体实施例进行描述，但是修改自由、各种改变和替换意在上述公开内，并且应当理解，在某些情况下，在未背离所提出发明的范围和精神的前提下，在没有对应使用其他特征的情况下将采用本发明的一些特征。因此，可以进行许多修改，以使特定环境或材料适应本发明的实质范围和精神。本发明并非意在限制到在下面权利要求书中使用的特定术语和/或作为设想用以执行本发明的最佳方式公开的具体实施例，但是本发明将包括落入所附权利要求书范围内的任何和所有实施例及等同物。因而，本发明的范围将只由所附的权利要求书进行确定。