CN105798896B - 一种基于气压锁定原理的变刚度连续型机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气压锁定原理的变刚度连续型机构，包括连续型机构、用于改变连续型机构刚柔状态的状态转换装置和用于控制连续型机构弯曲程度的位姿控制系统，连续型机构由基座和关节通过摩擦滑块串联构成，关节的一端设有带有方形轴孔的连接盘，另一端设有带有圆形轴孔的第一摩擦盘，摩擦滑块包括与第一摩擦盘相配合的第二摩擦盘；状态转换装置包括圆柱形的硅胶气囊、导气管和端口；位姿控制系统由钢丝和驱动电机组成，钢丝的一端连接有各个关节，另一端连接驱动电机。本发明机构采用正压控制，气囊锁死等技术，可使连续型机构在锁死状态达到很高的刚度，响应速度快，刚柔状态转换迅速，具有刚柔可变，响应速度快，定位刚度高等优点。

Description

一种基于气压锁定原理的变刚度连续型机构

技术领域

本发明涉及连续型机构设计领域，具体的说，是涉及一种基于气压锁定原理的变刚度连续型机构。

背景技术

连续型机构是一类新型的仿生机构，模仿蛇类、象鼻等生物器官，具有较高的运动灵活性，在复杂的环境中有很强的适应能力，尤其是在多障碍物的非结构环境和空间狭窄的环境中可以灵活地改变自身形状。但是由于连续性机构高灵活性的特点，又导致其表现出定位刚度差、控制精度低的缺点。在医疗等领域的应用中，往往需要连续型机构既要表现良好的柔顺性，又要在一定条件下具有一定的刚度。比如将连续型机构用于内窥镜机器人，其工作过程分为两个阶段，第一阶段需要机器人在柔性状态顺应人体腔道结构，将手术工具送入目标位置；第二阶段当手术工具在人体内操作时，这就要求机器人具备足够的刚度来为末端手术工具提供力学支撑。因此对连续型机构变刚度的研究具有很大意义。

近些年，人们利用Jamming，低熔点合金相变，钢丝拉紧，负压控制等方式发明了多种变刚度连续型机构，但多数表现出变化刚度不够大，响应速度不够快等缺陷。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于气压锁定原理的变刚度连续型机构，该机构采用正压控制，气囊锁死等技术，可以使连续型机构在锁死状态达到很高的刚度，同时响应速度很快，刚柔状态转换迅速，有效地解决了上述问题，具有刚柔可变，响应速度快，定位刚度高等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于气压锁定原理的变刚度连续型机构，包括连续型机构、用于改变所述连续型机构刚柔状态的状态转换装置和用于控制所述连续型机构弯曲程度的位姿控制系统，所述连续型机构由基座和关节通过摩擦滑块串联构成，所述关节中部设有中空结构，所述关节的一端设有带有方形轴孔的连接盘，另一端设有带有圆形轴孔的第一摩擦盘，所述方形轴孔的轴线与所述圆形轴孔的轴线成正交布置；所述摩擦滑块包括与所述第一摩擦盘相配合的第二摩擦盘，所述第二摩擦盘上相对称的设有带有勾型凸起的矩形凸块，基座与关节、关节与关节之间的每个连接处设有两个摩擦滑块，两个摩擦滑块之间通过橡皮绳与所述勾型凸起弹性连接，所述第二摩擦盘上还设有用于穿过所述圆形轴孔并与所述方形轴孔相配合的方形轴；

所述状态转换装置包括圆柱形的硅胶气囊、导气管和端口，所述硅胶气囊的中部设有圆形气道，所述圆形气道的一端封闭，另一端通过所述端口与所述导气管连接，所述硅胶气囊通过所述基座穿入所述中空结构中，所述端口与基座通过连接件相互连接；

所述位姿控制系统由钢丝和驱动电机组成，所述钢丝的一端连接有各个关节，另一端连接所述驱动电机。

所述第一摩擦盘和第二摩擦盘上均设有相互咬合的齿。

所述关节的外壁设有带有至少四个走丝孔的翼缘，所述走丝孔用于穿接所述钢丝。

所述硅胶气囊的外表面等间距的缠绕有尼龙线。

所述端口与导气管之间采用密封胶进行密封。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.在连续型机构中，各关节两端轴孔的轴线成正交布置，每两个关节可组成一个单元，每个单元可实现两个方向的弯曲。通过摩擦滑块的方形轴连接上、下相邻关节的轴孔，保证与下关节方形轴孔的配合，限制其与下关节的转动。摩擦滑块同时与上关节圆形轴孔配合，当硅胶气囊放气时，摩擦滑块与上、下关节解锁，上、下关节可相对转动，机构处于柔性状态；当硅胶气囊充气膨胀时，摩擦滑块与上关节锁定，从而使下关节与上关节锁定，达到整个机构锁定的目的；关节经过多级串联后，可以在三维空间中朝任意方向连续弯曲，具有高度的灵活性。

2.由于采用气压充放气方式，整个机构刚柔转换的响应速度很快，同时气泵可提供大小不同的气压，使硅胶气囊产生大小不同的膨胀推力，进而使机构产生可变的刚度。

3.硅胶气囊若整体膨胀，会导致处于弯曲状态的连续型机构在硅胶气囊回复力的作用下被迫“拉直”，这就需要控制硅胶气囊的膨胀区域，即只在各关节连接处与摩擦滑块对应的区域膨胀，同时限制其余区域的膨胀，因此本发明在其余区域外表面均匀缠绕有尼龙线从而达到该效果。

4.在位姿控制系统中，由多根钢丝和多个驱动电机组成，钢丝一端连接各关节，另一端连接各驱动电机，驱动电机和钢丝一一对应，通过控制驱动电机旋转轴来改变钢丝的长度，进而控制连续型机构的弯曲程度，操作简单，方便快捷。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是状态转换装置的结构示意图。

图3是关节的结构示意图。

图4是摩擦滑块的结构示意图。

附图标记：1-基座 2-关节 3-摩擦滑块 4-橡皮绳 5-硅胶气囊 6-尼龙线 7-圆形气道 8-端口 9-导气管 10-钢丝 20-中空结构 21-连接盘 22-方形轴孔 23-第一摩擦盘24-圆形轴孔 25-翼缘 26-走丝孔 30-第二摩擦盘 31-方形轴 32-矩形凸块 33-勾型凸起

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

如图1至图4所示，一种基于气压锁定原理的变刚度连续型机构，包括连续型机构、状态转换装置和位姿控制系统三部分组成，连续型机构由多段关节2串联而成，可在空间中向任意方向弯曲；状态转换装置通过气压锁定与弹性释放机制使连续型机构实现刚柔状态之间的转换；位姿控制系统用于控制所述连续型机构在不同方向上的弯曲程度。

本实施例中，连续型机构由一个基座1和四个关节2相互串联构成，关节2中部设有中空结构20，关节2的一端设有带有方形轴孔22的连接盘21，另一端设有带有圆形轴孔24的第一摩擦盘23，方形轴孔22的轴线与圆形轴孔24的轴线成正交布置；当上下相邻两个关节配合时，摩擦滑块3上的方形轴31穿过上关节圆形轴孔24并与下关节的方形轴孔22配合，则上、下关节之间可以发生相对转动。关节2经过多级串联后，可以在三维空间中朝任意方向连续弯曲，具有高度的灵活性。摩擦滑块3包括与所述第一摩擦盘23相配合的第二摩擦盘30，第一摩擦盘23和第二摩擦盘30上均设有相互咬合的齿。第二摩擦盘30上相对称的设有带有勾型凸起33的矩形凸块32，基座1与关节2、关节2与关节2之间的每个连接处设有两个摩擦滑块3，用以分别实现上、下关节连接处两对轴孔(每对包括一个上关节圆形轴孔与一个下关节方形轴孔)的配合。用橡皮绳4缠绕这两个摩擦滑块3上的勾型凸起33，使两个摩擦滑块3的矩形凸块32的端面互相贴近，此时两对关节轴孔上的第一摩擦盘23与第二摩擦盘30分离，不影响关节2的运动；由于摩擦滑块3上的方形轴31穿过上关节圆形轴孔24并与下关节的方形轴孔22配合，则上、下关节之间可以发生相对转动，下关节与摩擦滑块3之间可以发生沿方形轴孔22轴线方向的相对滑动，但无相对转动。摩擦滑块3若在外力(如气压)作用下向下关节的方形轴孔22滑动，其上的第二摩擦盘30将与上关节圆形轴孔24上的第一摩擦盘23咬合，则摩擦滑块3与上关节的相对转动也被锁定，加之摩擦滑块3与下关节无相对转动，可实现对上、下关节间的锁定。

状态转换装置包括圆柱形的硅胶气囊5、导气管9和端口8，硅胶气囊5的中部设有圆形气道7，圆形气道7的一端封闭，另一端通过端口8与导气管9连接，硅胶气囊5通过基座1穿入所述中空结构20中，端口8与基座1通过螺钉相互连接固定；当锁定关节2时，利用气泵对硅胶气囊5充气使其膨胀，推挤摩擦滑块3，使第一摩擦盘23与第二摩擦盘30接触直至锁定，导致关节2之间无法相对运动，从而增强机构整体刚度；当硅胶气囊5放气后，摩擦滑块3在橡皮绳4的弹性作用下脱离关节2的方形轴孔22和圆形轴孔24，使第一摩擦盘23与第二摩擦盘30分离，关节2之间可以相对运动，恢复机构的柔性。由于硅胶气囊5充气后若整体膨胀，会导致处于弯曲姿态的连续型机构在气压力的作用下产生回中趋势，降低了工作效率，为了使硅胶气囊5只在各关节2的连接处与摩擦滑块3相对应的区域膨胀，需要在硅胶气囊5其余区域的外表面均匀缠绕尼龙线6来限制这些区域的膨胀。

所述位姿控制系统由多根钢丝10和多个驱动电机组成，本实施例中每个关节2的外壁设有翼缘25，翼缘25上设置有四个走丝孔26，钢丝10的一端通过走丝孔26连接各个关节2，另一端连接各驱动电机，驱动电机和钢丝10一一对应，通过控制驱动电机旋转轴来改变钢丝的长度，进而控制连续型机构的三维弯曲角度。

本发明的工作过程如下：在柔顺状态下，通过驱动电机控制钢丝10的长度变化，使机构达到理想的位姿；在保持其形状不变的情况下，利用气泵向硅胶气囊5充入一定压力的空气，使各关节2连接处的硅胶气囊5膨胀，并推挤摩擦滑块3与关节2锁死，让整个机构达到刚性状态；之后对硅胶气囊5放气，利用橡皮绳4的弹性力使摩擦滑块3与关节2脱离，解除锁定，恢复机构的柔性。在气压锁定过程中，硅胶气囊5的膨胀力需要克服橡皮绳4弹性力。

本实施例中，机构的机体部分为3D打印件，材料为光敏树脂，包括基座1，各关节2，摩擦滑块3和端口8，各部分通过装配成一体。所述硅胶气囊5为粘弹性材料，通过液体硅胶浇注而成，其几何外形为长圆柱形，端口8和圆形气道7通过在浇注硅胶气囊5时使用型芯制作而成，端口8与导气管9利用密封胶进行密封。

Claims (5)

1.一种基于气压锁定原理的变刚度连续型机构，其特征在于，包括连续型机构、用于改变所述连续型机构刚柔状态的状态转换装置和用于控制所述连续型机构弯曲程度的位姿控制系统，所述连续型机构由基座和关节通过摩擦滑块串联构成，所述关节中部设有中空结构，所述关节的一端设有带有方形轴孔的连接盘，另一端设有带有圆形轴孔的第一摩擦盘，所述方形轴孔的轴线与所述圆形轴孔的轴线成正交布置；所述摩擦滑块包括与所述第一摩擦盘相配合的第二摩擦盘，所述第二摩擦盘上相对称的设有带有勾型凸起的矩形凸块，基座与关节、关节与关节之间的每个连接处设有两个摩擦滑块，两个摩擦滑块之间通过橡皮绳与所述勾型凸起弹性连接，所述第二摩擦盘上还设有用于穿过所述圆形轴孔并与所述方形轴孔相配合的方形轴；

所述状态转换装置包括圆柱形的硅胶气囊、导气管和端口，所述硅胶气囊的中部设有圆形气道，所述圆形气道的一端封闭，另一端通过所述端口与所述导气管连接，所述硅胶气囊通过所述基座穿入所述中空结构中，所述端口与基座通过连接件相互连接；

所述位姿控制系统由钢丝和驱动电机组成，所述钢丝的一端连接有各个关节，另一端连接所述驱动电机。

2.根据权利要求1所述一种基于气压锁定原理的变刚度连续型机构，其特征在于，所述第一摩擦盘和第二摩擦盘上均设有相互咬合的齿。

3.根据权利要求1所述一种基于气压锁定原理的变刚度连续型机构，其特征在于，所述关节的外壁设有带有至少四个走丝孔的翼缘，所述走丝孔用于穿接所述钢丝。

4.根据权利要求1所述一种基于气压锁定原理的变刚度连续型机构，其特征在于，所述硅胶气囊的外表面等间距的缠绕有尼龙线。

5.根据权利要求1所述一种基于气压锁定原理的变刚度连续型机构，其特征在于，所述端口与导气管之间采用密封胶进行密封。