可感知机器人关节位形和运动状态的仿生柔性关节约束体

本发明涉及仿生机器人领域，特别涉及一种可感知机器人关节位形和运动状态的仿生柔性关节约束体。

背景技术：

1、人形机器人由于其形态与人类接近，在复杂路面上移动能力强，环境适应性好，非常适合与人类协同工作，在国防军事、航空航天、医疗健康、家政服务等领域具有广阔应用前景，已成为国际机器人领域的学术前沿和热点。人形机器人的关节性能直接决定了机器人运动的稳定性、灵活性和柔顺性。目前，现有机器人关节连接方案多为刚性铰链或万向节连接，这类连接方式仅具有确定的1个或2个转动自由度，很难再现类人关节的多自由度灵活运动，且柔顺性不足。而以软体手为代表的柔性关节结构设计虽然在一定程度上提升了柔顺性，但承载能力弱，难以满足高负载需求。为此，业界提出了仿生拉压体等刚柔耦合设计方案，其关节采用人工韧带的连接方式，在一定程度上维持了关节运动的稳定性。目前这类关节结构在展现类人多自由度运动特征方面具有明显优势，但调研表明，该关节结构尚不具备对关节空间位形和运动状态的自感知能力。此外，要实现机器人关节的精准力位控制，必须实时获取关节的运动状态，而目前主要依赖的惯性测量单元、编码器等外置传感器方案，一定程度增加了机器人关节的体积和布线结构复杂度，因此亟需发展集成于机器人关节结构本体的可感知关节空间位形和运动状态的新一代机器人关节系统。

2、生物力学研究表明，人体关节除韧带外，还包含关节囊及其他复合软组织，上述组织协同作用，在关节静态承载及运动过程中提供非对称的柔性运动约束。具体而言，以人体膝关节为例，其前后交叉韧带在屈伸过程中表现出截然不同的张紧-松弛特性；再以手指近端指间关节为例，背侧及掌侧软组织弹性模量相差近二倍，表明该关节在屈伸过程中，掌侧与背侧软组织对其运动约束具有显著的非对称性。进一步地，关节囊表面分布有大量力学感受器，已有文献研究表明，仿生关节囊内的感受器可独立实现关节状态感知。由此可见，关节囊、韧带及周围软组织在提供柔性运动约束的同时，其内含的力学感受器还承担着本体感知功能，进而为仿生机器人关节运动约束与运动状态自感知的一体化提供了天然的蓝本。

3、综上，亟需一种集仿生柔性运动约束与感知能力于一体的关节连接方案，使关节系统本身即具备类似天然关节软组织的运动约束特性和本体感知功能，从而为人形机器人关节的运动稳定性、灵活性和柔顺性提供底层技术支撑。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中关节连接装置功能单一、无法在提供运动约束的同时实现本体感知的问题，而提供一种可感知机器人关节位形和运动状态的仿生柔性关节约束体。

2、可感知机器人关节位形和运动状态的仿生柔性关节约束体，包括弹性基体和三组智能柔性本体感知纤维；智能柔性本体感知纤维嵌设于弹性基体的内部；

3、所述的弹性基体包括二个轴向固定区、二个自适应包裹区和运动约束区；二个轴向固定区分别设置于弹性基体的轴向两端，二个轴向固定区的内侧分别设有径向向内凸起的第一卡扣和第二卡扣；在安装状态下，弹性基体被轴向拉伸，通过第一卡扣和第二卡扣向关节接触面施加持续的轴向预紧力；自适应包裹区在轴向固定区之间延伸，并被构造为以弹性预紧配合紧贴关节表面，且能随关节运动而拉伸变形。

4、所述的运动约束区设置在二个自适应包裹区之间，覆盖关节的屈伸和侧摆运动区域；运动约束区包括褶皱区域、弧形区域和数个加强筋；褶皱区域设置于关节的一侧，具有至少一个沿周向分布的波峰状褶皱；弧形区域设置于另一侧，呈无褶皱的平滑曲面；弧形区域的壁厚小于褶皱区域的壁厚；在关节向一侧弯曲时，褶皱区域受压，其波峰状褶皱结构通过轴向收缩容纳压缩位移，不产生压缩反力；同时弧形区域的壁厚较薄且弹性模量较低，其拉伸刚度小于褶皱区域的压缩刚度，二者协同允许关节向一侧实现更大的弯曲角度；在关节向另一侧弯曲时，弧形区域受压，其平滑薄壁曲面通过局部屈曲变形容纳压缩位移，不产生压缩反力；褶皱区域受拉，由于其壁厚大于弧形区域且弹性模量高于弧形区域，能够产生大于弧形区域压缩刚度的抗拉伸阻力，以限制关节向另一侧弯曲的最大角度和弯曲刚度，从而模拟天然关节的非对称运动约束特性；数个加强筋分别位于褶皱区域和弧形区域两侧，通过调节加强筋的直径和模量可以调节侧向和屈伸方向的运动约束范围。

5、所述的三根智能柔性本体感知纤维分别为第一感知纤维、第二感知纤维和第三感知纤维：

6、第一感知纤维嵌于褶皱区域所对应的弹性基体壁内，其所在区域构成第一感知区，以感知褶皱区域的拉压变形；

7、第二感知纤维嵌于弧形区域所对应的弹性基体壁内，其所在区域构成第二感知区，以感知弧形区域的拉压变形；

8、第三感知纤维嵌于加强筋所对应的弹性基体壁内，其所在区域构成第三感知区，以感知加强筋的拉压变形；

9、第一感知纤维、第二感知纤维和第三感知纤维分别感知各自所在区域的拉压变形，协同获取仿生柔性关节约束体的空间位形信息，空间位形信息用于解算关节的空间姿态和运动状态，从而实现关节状态的自感知。

10、所述的智能柔性本体感知纤维通过一体成型嵌设于弹性基体的内部。

11、所述的弹性基体具有包裹关节并弹性连接相邻肢体段的构型；智能柔性本体感知纤维的电阻值随自身变形而改变。

12、所述的第一卡扣和第二卡扣被构造为与对应肢体段上的固定结构相配合。

13、所述的弧形区域的弹性模量和壁厚均低于褶皱区域的弹性模量和壁厚，以使弧形区域的轴向拉伸刚度小于褶皱区域的轴向压缩刚度，且褶皱区域的轴向拉伸刚度大于弧形区域的轴向压缩刚度，从而实现关节屈曲方向与后伸方向的非对称运动约束。

14、所述的第一感知纤维、第二感知纤维和第三感知纤维均设有独立的电极和引线，用于连接外部测量电路和解算单元，并可独立输出各自的电阻变化信号。

15、所述的加强筋为二根；第三感知纤维为一根，嵌设于二根加强筋中任意一根所对应的弹性基体壁内。

16、本发明的可感知机器人关节位形和运动状态的仿生柔性关节约束体通过如下步骤制备：将三根智能柔性本体感知纤维分别预置在模具中，并使智能柔性本体感知纤维的定位对应于第一感知区、第二感知区和第三感知区，模具的型腔形状与褶皱区域、弧形区域、加强筋以及第一卡扣和第二卡扣的构型相对应；向模具的型腔中浇注液态弹性体材料；将模具置于60℃条件下固化1小时；待弹性体材料固化完成后，脱模得到本发明的仿生柔性关节约束体。

17、本发明的有益效果：

18、本发明受人体关节非对称运动约束与本体感知一体化特性启发，通过弹性基体与感知纤维的一体化设计，为人形机器人关节提供了一种集柔性运动约束与自感知于一体的系统化解决方案。

19、在运动约束方面，通过运动约束区中褶皱区域与弧形区域的差异化壁厚和模量设计，实现了关节屈伸方向的非对称柔性运动约束——屈曲时允许大角度运动，后伸时产生抗拉伸阻力以限制过度后伸；同时，侧向增强区通过调节加强筋的直径和模量可独立调控侧摆刚度，且对屈伸方向也具有一定的调节作用，但其影响幅度远小于侧摆方向，通过合理配置各区域的结构参数，仍可实现三个运动方向约束特性的独立定制。

20、在感知方面，本发明将三根感知纤维一体成型于弹性基体内部，随基体协同变形并独立输出电阻变化信号，经解算即可实时获取关节三维空间姿态，无需外置传感器，有效减小了关节体积、降低了布线复杂度。

21、此外，一体成型工艺使感知网络与约束体结构无缝集成，工序简单、成本低，且模具可定制以适配不同关节形态。