一种复合硬度软体机器人模块单元
阅读说明：本技术 一种复合硬度软体机器人模块单元 (Composite hardness soft robot module unit ) 是由 张宇 董国琦 李东洁 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：一种复合硬度软体机器人模块单元,包含弹性变形体、非金属硬质主动体、非金属硬质被动体和直线型连接机构；非金属硬质主动体的外侧面和非金属硬质被动体的外侧面分别具有数量相一致的多个平面,非金属硬质主动体内布置有与所述平面数量相一致的直线型连接机构,直线型连接机构的输出部从非金属硬质主动体的平面的中部伸出和缩回,相邻模块单元对接时,输出部伸出与对接部相连锁紧,相邻模块单元断开时,输出部脱离对接部并缩回；弹性变形体内的中部设有向两端延伸的多个直内腔,多个直内腔沿同一圆周均布设置,弹性变形体内位于多个直内腔的两端分别设有双螺旋内腔。本发明模块单元结构紧凑,运动灵活性好,可完成多种机器人构型的重构。(A composite hardness soft robot module unit comprises an elastic deformation body, a non-metal hard driving body, a non-metal hard driven body and a linear type connecting mechanism; the outer side surface of the non-metal hard driving body and the outer side surface of the non-metal hard driven body are respectively provided with a plurality of planes with the same number, linear connecting mechanisms with the same number as the planes are arranged in the non-metal hard driving body, the output parts of the linear connecting mechanisms extend out of and retract back from the middle parts of the planes of the non-metal hard driving body, when adjacent module units are butted, the output parts extend out to be connected and locked with the butted parts, and when the adjacent module units are disconnected, the output parts are separated from the butted parts and retract back; the middle part in the elastic deformation body is provided with a plurality of straight inner chambers extending to two ends, the straight inner chambers are uniformly distributed along the same circumference, and two ends of the elastic deformation body, which are positioned in the straight inner chambers, are respectively provided with double-spiral inner chambers. The modular unit of the invention has compact structure and good movement flexibility, and can complete the reconstruction of various robot configurations.)
技术领域
本发明涉及一种机器人模块单元，具体涉及一种复合硬度软体机器人模块单元。
背景技术
模块化机器人由多个结构相同、功能相近的模块单元组成，通过改变模块间的相互连接，形成多样构型的机器人。随着新材料和3D打印技术的快速发展，推动了模块化机器人的发展，软体模块化机器人应运而生。利用软材料替代刚性材料，实现多自由度的运动和连续变形能力，然而，现有的机器人模块单元连接能力差，结构灵活欠佳，质量较大。
发明内容
本发明为克服现有技术，提供一种复合硬度软体机器人模块单元。该模块单元结构紧凑，运动灵活性好。
一种复合硬度软体机器人模块单元，包含弹性变形体、非金属硬质主动体、非金属硬质被动体和直线型连接机构；
非金属硬质主动体和非金属硬质被动体之间布置有与二者连接的弹性变形体，非金属硬质主动体的外侧面和非金属硬质被动体的外侧面分别具有数量相一致的多个平面，非金属硬质主动体内布置有与所述平面数量相一致的直线型连接机构，非金属硬质被动体的每个平面中部设有对接部，直线型连接机构的输出部从非金属硬质主动体的平面的中部伸出和缩回，相邻模块单元对接时，输出部伸出与对接部相连锁紧，相邻模块单元断开时，输出部脱离对接部并缩回；弹性变形体内的中部设有向两端延伸的多个直内腔，多个直内腔沿同一圆周均布设置，多个直内腔上各设有一个外接气管，弹性变形体内位于多个直内腔的两端分别设有双螺旋内腔，双螺旋内腔上设有外接气管，多个直内腔和双螺旋内腔不相通，非金属硬质主动体和非金属硬质被动体的硬度均大于弹性变形体的硬度。
本发明相比现有技术的有益效果是：
本发明采用硬质主动体和硬质被动体作为连接件基本结构，增强了连接性能和可靠性；采用弹性变形体作为变形主体，提升变形能力，对驱动内腔和双螺栓内腔提供气压，能实现弹性变形体的伸长、弯曲和扭转运动，使得模块单元运动灵活，能更好地适应非结构化环境；利用硬质主动体的输出部和硬质被动体的对接部实现相邻模块单元的连接锁紧，使得模块单元间连接更加可靠；能够自动形成多样性连接，完成多种机器人构型的重构。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
图1为从一个方向看的本发明的立体图；
图2为从另一个方向看的本发明的立体图；
图3为本发明的分解图；
图4为弹性变形体的立体透视图；
图5为弹性变形体的主视图；
图6为图5的侧视图；
图7为图5的A-A剖视图
图8为弹性变形体的主剖视图；
图9为从一个方向看的硬质主动体的立体图；
图10为从另一个方向看的硬质主动体的立体图；
图11为从一个方向看的硬质主动体的分解图；
图12为从另一个方向看的硬质主动体的分解图；
图13为实施例中从一个方向看的直线型连接机构与硬质主动连接件一布置关系爆炸图；
图14为实施例中从另一个方向看的直线型连接机构与硬质主动连接件二布置关系爆炸图；
图15为实施例中从另一个方向看的直线型连接机构与硬质主动连接件二布置关系爆炸图；
图16为实施例中硬质被动件的结构图；
图17为实施例中硬质被动连接件一和硬质被动连接二布置关系爆炸图；
图18为实施例中硬质被动连接件一的示意图；
图19为实施例中弹性变形体的内腔气压驱动分布示意图。
具体实施方式
如图1-图8所示，一种复合硬度软体机器人模块单元，包含弹性变形体1、非金属硬质主动体2、非金属硬质被动体3和直线型连接机构4；
非金属硬质主动体2和非金属硬质被动体3之间布置有与二者连接的弹性变形体1，非金属硬质主动体2的外侧面和非金属硬质被动体3的外侧面分别具有数量相一致的多个平面，非金属硬质主动体2内布置有与所述平面数量相一致的直线型连接机构4，非金属硬质被动体3的每个平面中部设有对接部C，直线型连接机构4的输出部B可从非金属硬质主动体2的平面的中部伸出和缩回，相邻模块单元对接时，输出部B伸出与对接部C相连锁紧，相邻模块单元断开时，输出部B脱离对接部C并缩回；弹性变形体1内的中部设有向两端延伸的多个直内腔1-1，多个直内腔1-1沿同一圆周均布设置，多个直内腔1-1上各设有一个外接气管，弹性变形体1内位于多个直内腔1-1的两端分别设有双螺旋内腔1-2，双螺旋内腔1-2上设有外接气管，多个直内腔1-1和双螺旋内腔1-2不相通，非金属硬质主动体2和非金属硬质被动体3的硬度均大于弹性变形体1的硬度。
通常，为保证相邻模块单元的对中，如图9和图16所示，非金属硬质主动体2的平面和非金属硬质被动体3的平面上分别镶嵌有相对应的磁性相反的磁铁5，如此设置，在输出部B与对接部C相连锁紧时，先采用磁性相反的磁铁5将非金属硬质主动体2和非金属硬质被动体3对中，实现相邻模块单元的对接锁紧。
弹性变形体1采用多个直内腔1-1和两套双螺栓内腔1-2，采用不同组合驱动直内腔1-1和双螺旋内腔1-2能够完成全方向弯曲和扭转运动，提高了这个模块单元的运动灵活性，更好地适应了非结构化环境的需要。采用简单的螺旋内腔结构，实现模块间的抗拉伸和抗剪切能力，使模块单元之间的连接更加可靠。
为便于说明：如图5-图8以及图19所示，定义结构相同的多个直内腔1-1为三个直内腔，分别为第一直内腔1-11、第二直内腔1-12和第三直内腔1-13；定义结构相同对称布置的两套双螺旋内腔1-2：第一螺旋内腔1-21和第二螺旋内腔1-22构成一组，第三螺旋内腔1-23和第四螺旋内腔1-24构成一组。
第一种情况：只驱动直内腔1-1，不驱动螺旋内腔1-2
(1)、驱动一个直气腔1-1：当只有一个直气腔1-1被驱动，由于两侧应产生的应变不同，硅胶主体产生单向的弯曲运动；
(2)、驱动两个直气腔1-1：当两个直内腔1-1同时被驱动，同样因为应变不同，产生弯曲；当两个气腔内部压强相同时，在两个直气腔1-1中心线弯曲运动，当两个直气腔1-1内部压强不同时，弹性变形体1可在两个内腔轴线之间产生弯曲运动；
(3)、驱动三个直气腔1-1：当三个直气腔1-1内部压强相同时，弹性变形体1不产生弯曲，而是产生轴向的身长运动；当三个直气腔1-1内部压强不同时，产生在三个直内腔1-1轴线间的弯曲运动，即能实现360全方向弯曲；
综上：弹性变形体1中部区域的直内腔1-1被驱动，主要产生大运动，即弯曲运动，或者伸长运动。
第二种情况：只驱动螺旋内腔1-2，不驱动直内腔1-1
(1)、只驱动一个螺旋内腔：以驱动第一螺旋内腔1-21为例，由于第一螺旋内腔1-21呈螺旋状，在压强的驱动下，会产生扭转力，主要展现扭转运动；
(2)、只驱动两个螺旋内腔：以驱动第一螺旋内腔1-21和第二螺旋内腔1-22为例，由于内腔呈螺旋状，在压强的驱动下，会产生一对扭转力，形成扭转力矩，弹性变形体1展现扭转运动；
综上：弹性变形体1左右两部分的螺旋内腔1-2被驱动，主要产生表面的扭转运动，适合精密的操作。
第三种情况：直气腔1-1和螺旋内腔1-2同时驱动
(1)、当驱动一个螺旋内腔和一个直气腔：以第一直气腔1-11、第一螺旋内腔1-21为例，第一直气腔1-11和第一螺旋内腔1-21可同时驱动，也可分别驱动，最终弹性变形体1达到的位姿是相同。当驱动第一直气腔1-11，弹性变形体1产生弯曲运动，再驱动第一螺旋内腔1-21，弹性变形体1末端产生扭转运动，两个运动配合，能够实现更精准的运动。
(2)、当驱动一个螺旋内腔和两个直气腔：以第一直内腔1-11、第二直内腔1-12和第一螺旋内腔1-21为例，当驱动第一直内腔1-11和第二直内腔1-12，弹性变形体1可以在两个气腔轴线间产生弯曲运动，再驱动第一螺旋内腔1-21，弹性变形体1末端产生扭转运动。
(3)、当驱动一个螺旋气腔和三个直内腔：以第一直内腔1-11、第二直内腔1-12、第三直内腔1-13和第一螺旋内腔1-21为例，当驱动第一直内腔1-11、第二直内腔1-12和第三直内腔1-13，可产生伸长运动或者全方向弯曲运动，再驱动第一螺旋内腔1-21，弹性变形体1末端产生扭转运动。
(4)、当驱动两个螺旋内腔和一个直内腔，与驱动一个螺旋内腔和一个直内腔运动相似，但是由于该两个螺旋内腔形成的扭转力矩更大，产生的扭转角也更大。
综上：弹性变形体1的直气腔1-1和两套螺旋内腔1-2相互配合，能通过直内腔1-1产生大角度的弯曲运动或大距离的伸长运动，螺旋内腔能够产生扭转，两种运动配合能够实现大运动后的弹性变形体1末端精准运动，同时，更能保证模块单元间的相互对接能力。
优选地，所述非金属弹性变形体1的材质为低硬度硅胶。所述非金属硬质主动体2和非金属硬质被动体3的材质均为高硬度硅胶。采用硅胶材质作为软体材料，质量轻，成本低，运动灵活，可更好地适应非结构化环境。通常，弹性变形体1的外形为圆柱形。非金属硬质主动体2和非金属硬质被动体3分别通过粘接的方式与非金属弹性变形体1相连。任意一侧的双螺旋内腔1-2单个或同时通入气压时，弹性变形体1呈扭转状态。任意两个直内腔1-1和任意一根螺旋内腔1-2组合通入气压时，且两个直内腔1-1的气压大小不相同时，弹性变形体1呈弯曲和扭转状态。
进一步地，如图1-图3、图9-图10和图16所示，每个所述直线型连接机构4包含基座4-1、电机4-2和外螺纹杆4-3；电机4-2安装在基座4-1上，电机4-2在周向被限位，基座4-1沿电机轴向可滑动地设置在硬质主动体2内，电机4-2的输出端连接的输出部B为外螺纹杆4-3，硬质主动体2内设置有指向平面的对接部C，对接部C为螺纹孔2-0，外螺纹杆4-3与螺纹孔2-1螺纹配合，外螺纹杆4-3在电机4-2的驱动下可缩回和伸出所述螺纹孔2-0，所述硬质被动体3的平面上的对接部为内螺纹孔3-0，相邻模块单元对接时，通过电机4-2驱动外螺纹杆4-3旋入内螺纹孔3-0中，相邻模块单元断开时，通过电机4-2驱动外螺纹杆4-3脱离内螺纹孔3-0。
此实施方式中，采用外螺纹杆4-3与内螺纹孔3-0的螺纹配合实现非金属硬质主动体2和非金属硬质被动体3的连接锁紧，实现相邻模块单元的连接。工作原理：电机4-2固定于基座4-1上，使得电机不转动；电机4-1输出端与外螺纹杆4-3相连，外螺纹杆4-3与螺纹孔2-0螺纹连接，电机4-2工作时，带动外螺纹杆4-3在螺纹孔2-0内转动，实现基座4-1在滑道6上的直线运动，使得外螺纹杆4-3边旋转边直线运动伸出或缩回，相邻模块单元之间对接时，外螺纹杆4-3直线伸出与非金属硬质被动体3中的内螺纹孔3-0螺纹连接，完成相邻模块单元之间的连接锁紧。电机4-2反转，外螺纹杆4-3从内螺纹孔3-0退出，直线移动缩回到螺纹孔2-0中，完成相邻模块单元的分离。
通常，基座4-1作成中间凸起两侧对称且呈扁平的结构，如此一来，基座4-1在非金属硬质主动体2和非金属硬质被动体3内相匹配的滑道6中只能轴向运动，周向被限位，移动时无法转动，这样在电机4-2驱动外螺纹杆4-3在螺纹孔2-0中直线移动，实现伸出和缩回，进而实现与非金属硬质被动体3中的内螺纹孔3-0的螺纹连接锁紧。
通常，如图1-图3所示，所述非金属硬质主动体2和非金属硬质被动体3上分别具有5个平面，非金属硬质主动体2中任意相邻两个平面垂直，非金属硬质被动体3中任意相邻两个平面垂直。如此设置，在非金属硬质被动体3上可对接5个非金属硬质主动体2，或者在非金属硬质主动体2上可对接5个非金属硬质被动体3。进而形成多样性的连接，完成多种机器人构型的重构。
基于上述结构的平面设计，如图9-图14所示，可选地，所述非金属硬质主动体2包含硬质主动连接件一2-1和硬质主动连接二2-2；硬质主动连接件一2-1和硬质主动连接件二2-2均为直平行六面体，硬质主动连接件二2-2的一个侧面与弹性变形体1相连，硬质主动连接件二2-2与硬质主动连接件一2-1相对接构成正六面体，硬质主动连接件二2-2内设置有指向其余平面的螺纹孔2-0，硬质主动连接件二2-2内布置有与其余平面数量相一致的直线型连接机构4，硬质主动连接件一2-1内布置有一个直线型连接机构4，硬质主动连接件一2-1上与弹性变形体1相对的侧面中部设置有螺纹孔2-0，直线型连接机构4的输出部B可从螺纹孔2-0伸出和缩回，硬质主动连接件二2-2上的其余平面和硬质主动连接件一2-1的其余平面上布置有磁铁5。如图10-图12所示，构建的正六面体形成1个单平面和4个共平面，共有5个平面，其中硬质主动连接件二2-2和硬质被动连接件一2-1有4个共平面具有螺纹孔2-0以及对应的4个直线型连接机构4，硬质主动连接件一2-1有1个平面具有螺纹孔2-0以及对应的1个直线型连接机构4，每个面上镶嵌有4个磁铁5，磁铁5在平面的拐角处设置。
基于上结构的平面设计，如图16-图18所示，所述非金属硬质被动体3包含硬质被动连接件一3-1和硬质被动连接二3-2；硬质被动连接件一3-1和硬质被动连接件二3-2均为直平行六面体，硬质被动连接件二3-2的一个侧面与弹性变形体1相连，硬质被动连接件二3-2与硬质被动连接件一3-1相对接构成正六面体，硬质被动连接件二3-2的其余侧面开有内螺纹孔3-0，硬质被动连接一3-1上的与弹性变形体1相对的侧面中部开有内螺纹孔3-0，硬质被动连接件一3-1的其余平面和硬质被动连接二3-2的其余平面上布置有磁铁5。
如图16所示，构建的正六面体形成1个单平面和4个共平面，共有5个平面，其中硬质被主动连接件二3-2和硬质被动连接件一3-1有4个共平面具有内螺纹孔3-0，硬质被动连接件一3-1有1个平面具有内螺纹孔3-0，每个面上镶嵌有4个磁铁5，磁铁5在平面的拐角处设置。上述正六面体的非金属硬质被动体3的内螺纹孔3-0和正六面体的非金属硬质主动体2的螺纹孔2-0匹配设置。
上述实施方式中，硬质主动连接件一2-1和硬质主动连接二2-2通过硅胶粘接剂连接在一起，硬质被动连接件一3-1和硬质被动连接二3-2通过硅胶粘接剂连接在一起。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。
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