Pneumatic bladder links with wide range of motion joints for articulated inflatable robots
作者: Katsu Uchiyama, Ryuma Niiyama
分类: cs.RO
发布日期: 2025-12-23
备注: Accepted at IROS2024 (IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems)
DOI: 10.1109/IROS58592.2024.10802836
💡 一句话要点
提出基于气动囊连接和Hillberry关节的可充气铰接机器人
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 可充气机器人 气动囊 Hillberry关节 铰接机器人 柔性机器人
📋 核心要点
- 可充气机器人的研究前沿在于探索其多样化的应用场景，但传统可充气关节的运动范围受限。
- 该论文提出了一种基于气动囊和Hillberry滚动接触关节的铰接机器人，旨在扩大可充气机器人的运动范围。
- 实验结果表明，该机器人能够实现大范围的运动，并成功地进行了有效载荷搬运和腿式运动的演示。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种铰接式可充气机器人，该机器人由多个气动囊连接件组成，这些连接件通过称为Hillberry关节的滚动接触关节连接。囊连接件由防水布和聚氨酯薄板的双层结构制成，既气密又具有形状上的灵活性。将Hilberry关节集成到可充气机器人中也是一种新方法。这种滚动接触关节允许高达±150°的运动范围，是传统可充气关节中最大的。使用所提出的可充气机器人机制，我们演示了使用3自由度手臂移动500克有效载荷，以及分别使用2自由度和1自由度手臂提升3.4千克和5千克有效载荷。我们还用连接到台车的单个3自由度可充气腿进行了实验，以表明所提出的结构适用于腿式运动。
🔬 方法详解
问题定义：现有可充气机器人的关节运动范围有限，限制了其在复杂环境中的应用能力。传统可充气关节的设计难以兼顾大范围运动和结构稳定性，导致机器人操作能力受限。
核心思路：该论文的核心思路是利用气动囊作为连接件，并结合Hillberry滚动接触关节，实现大范围的关节运动。气动囊提供结构支撑和灵活性，而Hillberry关节则允许关节进行大幅度的旋转。
技术框架：该可充气铰接机器人的整体架构包括：1）气动囊连接件，由双层材料（防水布和聚氨酯薄板）构成，保证气密性和柔韧性；2）Hillberry滚动接触关节，连接相邻的气动囊，实现关节运动；3）控制系统，用于调节气压和控制关节运动。
关键创新：该论文的关键创新在于将Hillberry滚动接触关节集成到可充气机器人中。这种关节设计能够实现高达±150°的运动范围，显著优于传统的可充气关节。此外，双层气动囊结构也保证了机器人的气密性和形状可控性。
关键设计：Hillberry关节的具体设计参数（如滚动接触面的曲率半径、材料选择等）对关节的运动范围和承载能力有重要影响。气动囊的充气压力需要根据负载和运动需求进行精确控制。控制算法的设计需要考虑气动系统的非线性特性，以实现精确的关节运动控制。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，该机器人能够实现大范围的关节运动（±150°）。3自由度手臂能够移动500克有效载荷，2自由度和1自由度手臂分别能够提升3.4千克和5千克有效载荷。此外，3自由度可充气腿的实验证明了该结构适用于腿式运动，为可充气机器人的移动能力提供了新的可能性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于搜索救援、医疗康复、太空探索等领域。可充气机器人的轻量化和柔性特性使其能够在狭小或危险环境中执行任务。例如，在灾难现场，可充气机器人可以进入倒塌建筑物内部进行搜索；在医疗领域，可充气机器人可以用于辅助康复训练。未来，该技术有望进一步发展，实现更复杂的功能和更广泛的应用。
📄 摘要（原文）
Exploration of various applications is the frontier of research on inflatable robots. We proposed an articulated robots consisting of multiple pneumatic bladder links connected by rolling contact joints called Hillberry joints. The bladder link is made of a double-layered structure of tarpaulin sheet and polyurethane sheet, which is both airtight and flexible in shape. The integration of the Hilberry joint into an inflatable robot is also a new approach. The rolling contact joint allows wide range of motion of $\pm 150 ^{\circ}$, the largest among the conventional inflatable joints. Using the proposed mechanism for inflatable robots, we demonstrated moving a 500 g payload with a 3-DoF arm and lifting 3.4 kg and 5 kg payloads with 2-DoF and 1-DoF arms, respectively. We also experimented with a single 3-DoF inflatable leg attached to a dolly to show that the proposed structure worked for legged locomotion.