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关节的可动充气机器人
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 充气机器人 气动囊 Hillberry关节 滚动接触 大范围运动
📋 核心要点
- 充气机器人的研究前沿在于探索各种应用，但传统充气关节的运动范围受限。
- 论文提出了一种基于气动囊连接和Hillberry关节的充气机器人，旨在扩大运动范围。
- 实验结果表明，该机器人能够实现大范围运动，并成功搬运一定重量的有效载荷，验证了其可行性。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种由多个气动囊连接件组成的可动充气机器人，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关节集成到充气机器人中也是一种新的尝试。该滚动接触关节允许高达±150°的运动范围，是传统充气关节中最大的。使用所提出的充气机器人机制，我们演示了使用3自由度手臂移动500克的有效载荷，以及分别使用2自由度和1自由度手臂提升3.4公斤和5公斤的有效载荷。我们还用连接到小车上的单个3自由度充气腿进行了实验，表明所提出的结构适用于腿式运动。
🔬 方法详解
问题定义：现有充气机器人的关节运动范围有限，制约了其在复杂环境中的应用能力。传统充气关节难以实现大角度的弯曲和旋转，限制了机器人的灵活性和操作空间。因此，需要设计一种新型的充气关节，以扩大运动范围，提高机器人的适应性。
核心思路：论文的核心思路是采用气动囊连接件和Hillberry滚动接触关节相结合的方式，实现充气机器人的大范围运动。气动囊提供驱动力，而Hillberry关节则允许连接件之间进行滚动接触，从而实现大角度的弯曲和旋转。这种设计借鉴了传统机械关节的优点，并将其与充气结构的轻量化和柔性化特点相结合。
技术框架：该充气机器人的整体架构由多个气动囊连接件和Hillberry关节组成。每个气动囊连接件由防水布和聚氨酯薄板的双层结构制成，保证气密性和柔韧性。Hillberry关节连接相邻的囊连接件，允许它们之间进行滚动接触。通过控制气动囊的充气和放气，可以实现关节的弯曲和旋转，从而控制机器人的运动。
关键创新：该论文最重要的技术创新点在于将Hillberry滚动接触关节集成到充气机器人中。与传统的充气关节相比，Hillberry关节能够实现更大的运动范围（±150°），从而显著提高了机器人的灵活性和操作能力。此外，采用双层结构的囊连接件也保证了气密性和柔韧性，为机器人的稳定运行提供了保障。
关键设计：Hillberry关节的设计是关键。具体参数未知，但其核心在于实现滚动接触，从而避免传统充气关节的摩擦和变形问题。囊连接件的双层结构，外层防水布保证气密性，内层聚氨酯薄板提供柔韧性，具体材料选择和厚度需要根据实际应用进行优化。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，该充气机器人能够实现大范围运动，并且具有一定的负载能力。3自由度手臂能够移动500克的有效载荷，2自由度和1自由度手臂分别能够提升3.4公斤和5公斤的有效载荷。此外，腿式运动实验也验证了该结构在移动机器人上的可行性。±150°的关节运动范围是该研究的一大亮点。
🎯 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。充气机器人的轻量化和柔性化特点使其能够在狭小空间或复杂地形中进行操作。例如，在灾难现场，充气机器人可以进入废墟中搜寻幸存者；在医疗领域，可以用于辅助手术或康复训练；在太空探索中，可以用于探测未知环境。
📄 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.