CN106313034B - 刚柔耦合的柔性机械臂 - Google Patents

Abstract

一种刚柔耦合的柔性机械臂，它包括机座、执行装置以及连接他们的多个结构相同并依次串联的驱动单元，在整个机械臂外设有柔性防护罩；所述的驱动单元主要包括4个气动肌腱、4个轻质连杆、两个连接盘、两个支座、小气动肌腱，气动肌腱的两端分别与连接盘连接，在连接盘上分别设有支座，连杆两两一组，其一端分别通过设置支座上的十字轴与连接盘连接，每一组连杆的另一端相交与另一组连杆的另一端分别通过连接件上的圆柱销轴连接，小气动肌腱的两端分别通过螺纹孔与上述连接件连接，相邻两个驱动单元的气动肌腱的大端和小端共用一个连接盘。本发明重量轻、柔顺性好、负载能力强、机动性好、能够同时实现伸缩运动和各向弯曲运动。

Description

刚柔耦合的柔性机械臂

技术领域

本发明属于机器人领域，特别涉及一种机械臂。

背景技术

1962年，由美国Unimation公司设计生产的第一台工业机器人Unimate在通用汽车公司投入使用，标志着第一代机器人的诞生。随后的几十年里，随着计算机技术、制造技术、传感器、控制技术的发展，机器人的性能在大幅度提高，深入到人类的多个领域，在今后机器人将继续沿着横向和纵向发展。横向上，应用的范围越来越广。从空间上看机器人正从地面向太空、深海、地下扩展，从各个领域上讲，机器人将深入到工业、军事、航空、娱乐、服务；纵向上，机器人的种类将越来越多。微型机器人将会成为机器人的新秀，它能进入人体直接对细胞、病毒进行操作。总之，机器人将会变得更加智能，对人类的贡献越来越大。

机械臂是机器人的一种，传统的机械臂均为刚性连杆组成，通常有串联、并联或串并混联三种结构。这类机械臂的特点是具有离散关节和刚性连接，还有一类基于章鱼臂、象鼻等生物器官仿生的连续体机械臂。由于连续体机械臂可在任意部位产生柔性变形，所以具有很强的避障能力，能够更好的适应非结构环境，更好的抓取不规则物体。这类机械臂既可以像传统机械臂那样在末端装上夹持装置抓取物体，也可以利用机械臂本身卷起物体。从这类机械臂的结构上看，其功能强大，具有良好的柔顺性和适应性；从这类机器人的应用角度看，这些机械臂的操作对象往往是一些柔软、脆弱且有生命的目标，而传统的机械臂则不容易做到。

1995年，Immega等设计制作的KSI触手型机械手，该机械手主要有气囊、伺服电机、6根绳索组成，采用柔绳和气体混合驱动；2001年，Hannan和Walker等人研发了超冗余度象鼻型机器人，该机器人由16个2自由度U型关节组成,总长82.32cm,可被分为长度不等的4个部分,其中每个部分包括4个关节。每个关节由绳索与弹簧混合实现混合控制；2003年,Peirs等人研制了一种用于内窥镜机器人外科手术的柔性弯曲关节段。该连续机器人由微机电超弹性NiTi合金管构成,采用4根肌腱驱动,具有2个自由度,可在任意反方向弯曲90度；2007年,Harada等人研制了一种可弯曲的激光操作手,该操作手最大直径2.4mm,可向任意方向弯曲,最大弯曲角度为90度；2011年,德国费斯托公司研制根据大象鼻子的特点设计出来的新型仿生机器处理系统“仿生操作助手”,它可以平稳地搬运重负载,原理在于它的每一节椎骨可以通过气囊的压缩和充气进行扩展和收缩；2014年，中国专利CN203804991U,公开了一种弹簧线控柔性象鼻机械臂，该实用新型包括安装在机座上的多段串联的关节，其中串联的关节中第一关节的一端固定在机座上，第一关节的另一端和第二关节的一端固定连接在一起，其后依次类推，机座上固定有弹性支柱和驱动单元，驱动单元上有驱动弹簧，所述串联关节固定在弹性支柱上，并且驱动弹簧穿过串联关节。

以上所提到的这些类柔性机械臂按照驱动方式划分，可以分为三类：内驱动型、外驱动型和混合型。内驱动型一般采用波纹管内充流体驱动的方式，外驱动型采用轻质连续体加远程驱动的方式,混合型驱动是综合采纳了内、外两种驱动的混合方案。外驱动或混合驱动型方案中的轻质连续体的可能用弹性杆作为脊椎或用圆柱弹簧实现无脊椎。目前，这些类型都存在一些不足，内驱动方式的机械臂自身重量轻，动作顺畅，柔顺性好，但其驱动元件受拉能力和受压能力差别大，导致该类机械臂负载能力较差。外驱动和混合驱动方式的机械臂，虽然在负载能力上有所提升，但其自身重量大，柔顺性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种重量轻、柔顺性好、负载能力强、机动性好、能够同时实现伸缩运动和各向弯曲运动的刚柔耦合的柔性机械臂。

本发明包括机座、执行装置以及连接他们的多个结构相同并依次串联的驱动单元，在整个机械臂外设有柔性防护罩。

所述的驱动单元包括四个具有柔性特征的大气动肌腱、四个具有刚性特征的轻质连杆、两个连接盘、小紧固螺母、大紧固螺母、两个支座、小气动肌腱，连接盘上沿圆周方向均布四个大通孔和四个小通孔，大小通孔相错设置，四个大气动肌腱的大端通过两两一组，每一组的两个连杆一端分别通过十字轴与固定在连接盘上的支座连接，十字轴与两个连杆构成两个转动副，与支座构成一个转动副；连接件为圆柱销轴的一端与带内螺纹的圆环外壁相连的结构，其圆柱销轴的轴线与圆环的母线垂直，每一组连杆的另一端与另一组连杆的另一端分别通过连接件上的圆柱销轴连接，每个连杆和圆柱销轴之间形成一个转动副，四个连杆为平行四边形机构的形式；所述的小气动肌腱的两端分别通过连接件的带内螺纹的圆环与上述连接件连接，通过小气动肌腱的充放气伸缩运动来实现连杆之间的角度变换；相邻两个驱动单元的气动肌腱的大端和小端共用一个连接盘。

所述的连接盘、两个支座、四个连杆、小紧固螺母和大紧固螺母的材质均为轻质的铝合金。

所述的防护罩为柔性镶嵌金属丝的波纹管，并采用多级安装固定的方式，每一级驱动单元都配有一节柔性防护罩，防护罩的两端分别固定在驱动单元的连接盘上。这种多级安装防护罩的方式，一方面可以使防护罩牢固地固定在机械臂上，另一方面，如果防护罩某一部分损坏只需更换所涉及的这级防护罩即可，而不必更换机械臂的整个防护罩。

所述四个大气动肌腱和小气动肌腱均为大端带轴向气接口的气动肌腱，气动肌腱的充放气过程的气体都经过此轴向气接口。

本发明的基本运动原理是通过每一级驱动单元的各自运动来实现整个机械臂的复杂运动，驱动单元主要通过四根大气动肌腱的各自充放气一起做复合运动，从而实现驱动单元整体的伸缩和弯曲运动，气动肌腱主要承受拉力，驱动单元受到的压力主要由小气动肌腱驱动平行四边形连杆提供，这样既利用了气动肌腱质量轻、柔顺性好、抗拉性好的优点，又弥补了气动肌腱抗压性弱的不足。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、运用气动肌腱和连杆机构，既保证了气动肌腱柔软度好、质量轻的优点，又增加了机械臂的负载能力。

2、具有多个自由度，能够实现伸缩和多个方向的弯曲运动，实现各种弯曲的空间形状，机动性好，在与人交互的过程中安全性高。

附图说明

图1为本发明结构的立体示意简图。

图2为本发明带防护罩的示意简图。

图3为本发明的驱动单元结构示意简图。

图4为本发明连接件一和连接件二的立体示意图。

图5为本发明的驱动单元弯曲状态示意图。

图中：1-第一级驱动单元、2-第二级驱动单元、3-第三级驱动单元、4-第四级驱动单元、5-第五级驱动单元、6-手爪、7-防护罩、8-机座、、9-小通孔、10-紧固螺钉、11-大气动肌腱、12十字轴、13-支座、14-连杆一、15-小气动肌腱、16-连接件一、17-连杆二、18-连接盘、19-小紧固螺母、20-大通孔、21-连杆三、22-连接件二、23-连杆四、24-大紧固螺母。

具体实施方式

在图1和图2所述的刚柔耦合的柔性机械臂示意图中，第一级驱动单元1一端固定在机座8上，其另一端与第二级驱动单元2的一端固连，第二级驱动单元的另一端与第三级驱动单元3的一端固连，第四级驱动单元4，第五级驱动单元5依次连接，第五级驱动单元的另一端与末端执行装置气动手爪6连接，在驱动单元外设有柔性的防护罩7；

相邻的两个驱动单元共用一个连接盘，并且绕机械臂中轴线方向错开45度布置。本发明一种刚柔耦合的柔性机械臂在示例中为五级机械臂，但不局限于五级，该柔性机械臂装置包括至少两个串联布置的驱动单元，各个所述的机械臂驱动单元依然以上述方式进行连接，根据需要可以灵活变换两级机械臂，三级机械臂，四级机械臂,示例的五级机械臂，以及更多级的机械臂。

如图3所示，所述的驱动单元中的轻质铝合金连接盘18上沿圆周方向均布四个大通孔20和四个小通孔9，大小通孔相错设置，四个大气动肌腱11的大端通过大通孔和大紧固螺母24与连接盘连接，其小端通过小通孔和小紧固螺母19与相对的另一个连接盘连接；在上述两个连接盘相对的中心面上分别设有一个两侧带支耳的支座13，该支座通过紧固螺钉10固定在连接盘上，连杆一14和连杆四23的一端分别通过十字轴12与支座13连接，十字轴与连杆一、连杆四和支座分别构成一个转动副，连杆二17和连杆三21的一端分别通过驱动单元另一端的十字轴与支座连接，十字轴与连杆二、连杆三和支座分别构成一个转动副；如图4所示，连接件为圆柱销轴的一端与带内螺纹的圆环外壁相连的结构，并且圆柱销轴的轴线与圆环的母线垂直，连杆一和连杆二的另一端通过连接件一16上的圆柱销轴连接，形成一个转动副，该连接件一的一端通过带内螺纹的圆环与小气动肌腱15的大端螺纹连接，连杆三和连杆四的另一端通过连接件二22上的圆柱销轴连接，形成一个转动副，该连接件二的一端通过带内螺纹的圆环与小气动肌腱的小端螺纹连接，四个连杆形成平行四边形机构，通过小气动肌腱的充放气伸缩运动来实现连杆之间的角度变换；相邻两个驱动单元的气动肌腱的大端和小端共用一个连接盘。

所述的驱动单元的驱动方式为并联耦合方式，四根大气动肌腱作为四个分支，驱动单元中心起支撑作用的平行四边形连杆也看做一个分支。如图4所示，气动肌腱自身具有柔性，无需添加其他的运动副便能实现自身弯曲，所以气动肌腱和连接盘之间无需添加辅助运动副，并且四根大气动肌腱组成的四个分支均可通过自身的充放气实现伸缩运动，四个分支相互耦合能够实现驱动单元整体的伸缩和各向弯曲运动。气动肌腱的抗拉性好，抗压性能不足，用驱动单元中心的平行四边形连杆承受压力。所述的平行四边形连杆机构由一个小气动肌腱驱动，通过充放气可以实现小气动肌腱的伸长和缩短，从而带动平行四边形的连杆的运动，通过与四根大气动肌腱的协调配合，起到支撑的作用。

Claims (3)

1.一种刚柔耦合的柔性机械臂，它包括机座、执行装置以及连接他们的多个结构相同并依次串联的驱动单元，在整个机械臂外设有柔性防护罩，所述的驱动单元包括四个具有柔性特征的大气动肌腱、四个具有刚性特征的轻质连杆、两个连接盘、小紧固螺母、大紧固螺母、两个支座、小气动肌腱，连接盘上沿圆周方向均布四个大通孔和四个小通孔，大小通孔相错设置，四个大气动肌腱的大端通过大通孔和大紧固螺母与连接盘连接，其小端通过小通孔和小紧固螺母与相对的另一个连接盘连接，其特征在于：在上述两个连接盘相对的中心面上分别设有一个两侧带支耳的支座，四个连杆两两一组，每一组的两个连杆一端分别通过十字轴与固定在连接盘上的支座连接，十字轴与两个连杆构成两个转动副，与支座构成一个转动副；连接件为圆柱销轴的一端与带内螺纹的圆环外壁相连的结构，其圆柱销轴的轴线与圆环的母线垂直，每一组连杆的另一端与另一组连杆的另一端分别通过连接件上的圆柱销轴连接，每个连杆和销轴之间形成一个转动副，四个连杆为平行四边形机构的形式；小气动肌腱的两端分别通过连接件的内螺纹的圆环与上述连接件连接，相邻两个驱动单元的气动肌腱的大端和小端共用一个连接盘。

2.根据权利要求1所述的刚柔耦合的柔性机械臂，其特征在于：所述的连接盘、两个支座、四个连杆、小紧固螺母和大紧固螺母的材质均为轻质的铝合金。

3.根据权利要求1所述的刚柔耦合的柔性机械臂，其特征在于：所述的防护罩为柔性镶嵌金属丝的波纹管，并采用多级安装固定的方式，每一级驱动单元都配有一节柔性防护罩，防护罩的两端分别固定在驱动单元的连接盘上。