CN108326833A - 超冗余柔性机械臂及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超冗余柔性机械臂及其使用方法，该机械臂包括自上而下依次连接并由柔性材料制成的第一节活动臂、第二节活动臂和第三节活动臂，所述第一节活动臂、第二节活动臂和第三节活动臂分别由三个互成120°并可分别独立控制运动的气腔组成，位于第三节活动臂的下端设置有用于夹取物品的末端执行机构，位于第一节活动臂的上端还设置有用于分别驱动各个气腔及末端执行机构的动力机构。结构紧凑，具有高灵活性，并可变形性可在狭小的空间内完成复杂的任务。

Description

超冗余柔性机械臂及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种超冗余柔性机械臂及其使用方法。

背景技术

1）.哈尔滨工业大学徐文福实验室的超冗余柔性蛇形机械臂：该机械臂由刚性材料连接组成，共有十节，机械臂末端装有传感器，可用于管道检测。但因机械臂由刚性材料组成，在与物体碰撞的时候既可能会损伤物体也可能会损伤机械臂，每一节的长度较长，使得机械臂显得笨重，灵活性不足，且该机械臂体积较大，需占用较多的空间。

2）.清华大学杨韵芳的ET ARM：该机械臂有两节，由3D打印材料和弹簧组成弹性骨骼，机械臂采用螺纹传动，结构简单，成本低廉。但在控制机械臂第一节运动时，因机械臂长度较长，整个机械臂会产生很大的扭转，使得机械臂的末端执行机构产生很大的震动，精准度较低。

3）.麻省理工学院的水凝胶机器人：由水凝胶制成的透明软体机器人，在水中运动能够不被水中的生物察觉，经过紫外线处理后的水凝胶能够保持足够的韧性和柔软性使得其在抓取生物时不会伤害到生物。机器人采用液压驱动。但目前看来仅仅将水凝胶运用在了机械爪上，且仅有抓取的动作，运动方式单一，实用性不高，在材料的安全性和执行的精准度还需要做进一步的提升。

4）.英国Shadow机器人公司研制的灵巧手Shadow Hand：是当今世界上最接近人手的机械手之一，共有24个关节，每个手指指尖装有高精度传感器，机械手采用线驱动。线绳的可靠性难以保证，在高频率的使用下容易产生伸长变形，使得机械手的精准度会慢慢降低。因机械手采用的是Maxon118608电机，电机转速不够使得机械手的动态响应速度较慢。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超冗余柔性机械臂及其使用方法，结构紧凑，具有高灵活性，并可变形性可在狭小的空间内完成复杂的任务，操作简便。

本发明的技术方案在于：一种超冗余柔性机械臂，机械臂包括自上而下依次连接并由柔性材料制成的第一节活动臂、第二节活动臂和第三节活动臂，所述第一节活动臂、第二节活动臂和第三节活动臂分别由三个互成120°并可分别独立控制运动的气腔组成，位于第三节活动臂的下端设置有用于夹取物品的末端执行机构，位于第一节活动臂的上端还设置有用于分别驱动各个气腔及末端执行机构的动力机构。

进一步地，所述驱动机构包括气泵，所述气泵的下侧设置有汇流板，所述汇流板经进气总管及快插接头与气泵的出气口相连接，汇流板上安装有若干个用于控制气腔或末端执行机构的三位五通电磁阀。

进一步地，所述第一节活动臂包括顶板，所述顶板的下侧间隔设置有三个互成120°的第一节气腔，所述第一节气腔分别由自上而下依次叠加并连通的七个气囊组成，第一节气腔的上端分别设置有穿过顶板与动力机构相连接的第一节气管。

进一步地，所述第一节气管包括进气管，所述进气管的下端经硅胶与对应设置于顶板上的气孔相连接，进气管的上端分别与动力机构上对应输出的气管相连接。

进一步地，所述顶板由硅胶和包裹在硅胶内3mm厚的PLA板组成，顶板的中部还设置有穿管通孔，所述第一节活动臂内设置有第一约束块，所述第一约束块的周部间隔设有用于与第一节气腔的第四块气囊相连接的弧形凹部，第一约束块的中部设置有穿管通孔。

进一步地，所述第二节活动臂包括连接在第一节活动臂下端的第一进气联接板，所述第一进气联接板的下侧间隔设置有三个互成120°的第二节气腔，所述第二节气腔分别由自上而下依次叠加并连通的七个气囊组成，第二节气腔的顶部分别设置有经第一进气联接板与动力机构相连接的第二节气管。

进一步地，所述第三活动臂包括连接在第二活动臂下端的第二进气联接板，所述第二进气联接板的下侧间隔设置有三个互成120°的第三节气腔，所述第三节气腔分别由自上而下依次叠加并连通的三个气囊组成，第三节气腔的顶部分别设置有经第二进气联接板与动力机构相连接的第三节气管。

进一步地，所述第一进气联接板和第二进气联接板上分别间隔设置有用于与第二节气腔或第三节气腔的上端相连接的凹槽，第一进气联接板和第二进气联接板的中部还分别设置有穿管圆孔，所述穿管圆孔的侧壁横向间隔设置有三个互成120°并与对应的凹槽相连通的穿管通道；所述第二节活动臂内设置有第二约束块，所述第二约束块的周部间隔设有用于与第二节气腔的第四块气囊相连接的弧形凹部，第二约束块的中部设置有穿管通孔。

进一步地，所述末端执行机构包括夹爪盘，所述夹爪盘的上端面经支撑块与第三节活动臂的下端相连接，夹爪盘上设置有横向长槽，所述横向长槽的两侧部分别设置有横向滑道，横向长槽内设置有一对夹爪，所述夹爪上部的前后侧分别与横向滑槽滑动配合，所述横向长槽的两侧端还分别设置有穿出夹爪盘的气孔，所述气孔的一端经控制气管与驱动机构相连接，气孔的另一端连接有用于驱动夹爪的夹爪气腔。

一种应用于超冗余柔性机械臂的使用方法，包括以下步骤：

1）开启气泵；

2）当向第一节活动臂的其中一气腔内供气，该受气的气腔推动超冗余柔性机械臂向第一节活动臂中另外两个气腔的中间方向弯曲；

当向第一节活动臂的其中两个气腔内同时供气，受气的两个气腔推动超冗余柔性机械臂向第一节活动臂中第三个气腔的方向弯曲；

当向第一节活动臂的三个气腔内同时供气，超冗余柔性机械臂沿气腔长度方向伸长；

3）当向第二节活动臂的其中一气腔内供气，该受气的气腔推动超冗余柔性机械臂向第二节活动臂中另外两个气腔的中间方向弯曲；

当向第二节活动臂的其中两个气腔内同时供气，受气的两个气腔推动超冗余柔性机械臂向第一节活动臂中第三个气腔的方向弯曲；

当向第二节活动臂的三个气腔内同时供气，超冗余柔性机械臂沿气腔长度方向伸长；

4）当向第三节活动臂的其中一气腔内供气，该受气的气腔推动超冗余柔性机械臂向第三节活动臂中另外两个气腔的中间方向弯曲；

当向第三节活动臂的其中两个气腔内同时供气，受气的两个气腔推动超冗余柔性机械臂向第三节活动臂中第三个气腔的方向弯曲；

当向第三节活动臂的三个气腔内同时供气，超冗余柔性机械臂沿气腔长度方向伸长；

5）当向末端执行机构内供气时，控制末端执行机构运动。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：柔性机械臂具有高灵活性与可变形性可在狭小的空间内完成复杂的任务、低能耗、灵活方便、重量轻、用材少但具有更大的工作空间等优点。该柔性机械臂有三节，每节有七个运动方向比起现有技术更加灵活、且由于主体部分使用硅胶制作，在与物体碰撞的时候既不会损伤物体也不会损伤机械臂，同时具有很轻的结构，较高的载重-自重比；机械臂在未使用状态下体积较小，方便收纳，由于硅胶有较大的弹性变形在使用时向同一节的三个气腔同时供气能产生沿机械臂方向的运动，即在相同的工作空间下，该柔性机械臂有更小的体积，占据更小的空间；机械臂的驱动方式为气压驱动，由气泵提供动力，连续稳定的供气使机械臂平顺运动，末端执行机构受到的影响较小，精准度较高；机械臂三节且每节七个运动方向的组合可以产生较为多样性的运动，灵活性高；使用的硅胶为无毒、无气味、使用寿命长、耐寒（-40℃）耐高温（330℃）的环保产品保证了材料的安全性。可用于流水线生产中易损坏、体积较小的物品的夹取；可装设在家用机器人上。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的图1的左视图；

图3为本发明的图1的仰视图；

图4为本发明的图1的A-A剖视图；

图5为本发明的图1的B-B剖视图；

图6为本发明的顶板结构示意图；

图7为本发明的第一气腔或第二气腔的结构示意图；

图8为本发明的图7的俯视图图；

图9为本发明的图7的A-A剖视图；

图10为本发明的第一进气联接板或第二进气联接板的结构示意图一；

图11为本发明的第一进气联接板或第二进气联接板的结构示意图二；

图12为本发明的第一进气联接板或第二进气联接板的剖视示意图；

图13为本发明的第三气腔的结构示意图；

图14为本发明的图13的俯视图；

图15为本发明的图13的A-A剖视图；

图16为本发明的夹爪盘的结构示意图；

图17为本发明的夹爪盘的剖视图；

图18为本发明的夹爪气腔的结构示意图一；

图19为本发明的夹爪气腔的结构示意图二；

图20为本发明的夹爪气腔的剖视图；

图21为本发明的夹爪的结构示意图一；

图22为本发明的夹爪的结构示意图二；

图23为本发明的约束块的结构示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。

参考图1至图23

一种超冗余柔性机械臂，机械臂包括自上而下依次连接并由柔性材料制成的第一节活动臂100、第二节活动臂200和第三节活动臂300，所述第一节活动臂、第二节活动臂和第三节活动臂分别由三个互成120°并可分别独立控制运动的气腔组成，位于第三节活动臂的下端设置有用于夹取物品的末端执行机构400，位于第一节活动臂的上端还设置有用于分别驱动各个气腔及末端执行机构的动力机构500。

本实施例中，所述驱动机构包括气泵501，所述气泵的下侧设置有汇流板502，所述汇流板经进气总管503及快插接头与气泵的出气口相连接，汇流板的上安装有11个连接在汇流板上用于控制气腔或末端执行机构的三位五通电磁阀504，DC12V。通过汇流板的功能是将所有的三位五通电磁阀同时接在气泵的出气口上，减少了所需气泵的数量。通过三位五通电磁阀的功能是控制每个气腔的进气、排气和停止。

本实施例中，所述第一节活动臂包括顶板110，所述顶板的下侧间隔设置有三个互成120°的第一节气腔120a、120b、120c，所述第一节气腔分别由自上而下依次叠加并连通的七个气囊121组成，第一节气腔的上端分别设置有穿过顶板与动力机构相连接的第一节气管。

本实施例中，所述第一节气管包括进气管122，所述进气管的下端经硅胶与对应设置于顶板上的气孔111相连接，进气管的上端分别与动力机构上对应输出的气管相连接，所述动力机构上设置有用于通入第一节气腔的气管123、124、125。所述气管为硅胶软管，内径4毫米、外径6毫米。气管的上端经快插接头连接三位五通电磁阀。气管的功能是为气腔供气，使气腔产生特定的运动。通过进气管固定气管，使气管更好的给气腔供气。

本实施例中，所述顶板由硅胶和包裹在硅胶内3mm厚的PLA板组成，顶板的中部还设置有穿管通孔112。增加PLA板是为了增加顶板的强度和硬度。通过顶板固定第一节气腔和进气管，以便在机械臂被提起时臂身不至于变形，使气管能够正常的供气，气腔能够垂直于地面正常工作，也起到了固定的作用。

本实施例中，所述第一节活动臂内设置有第一约束块130，所述第一约束块的周部间隔设有用于与第一节气腔的第四块气囊相连接的弧形凹部131，第一约束块的中部设置有穿管通孔132，以便第二节气管穿过。约束块的功能是约束气腔的位置，保证机械臂正常工作，约束气管的位置，避免气管对机械臂的运动产生影响。

本实施例中，所述第二节活动臂包括连接在第一节活动臂下端的第一进气联接板210，所述第一进气联接板的下侧间隔设置有三个互成120°的第二节气腔220a、220b、220c，所述第二节气腔分别由自上而下依次叠加并连通的七个气囊组成，第二节气腔的顶部分别设置有经第一进气联接板与动力机构相连接的第二节气管221、222、223，所述第二节气管的的下端经硅胶粘合连接到第一进气联接板上，第二节气管的上端经快插接头连接三位五通电磁阀。

本实施例中，所述第三活动臂包括连接在第二活动臂下端的第二进气联接板310，所述第二进气联接板的下侧间隔设置有三个互成120°的第三节气腔320a、320b、320c，所述第三节气腔分别由自上而下依次叠加并连通的三个气囊321组成，第三节气腔的顶部分别设置有经第二进气联接板与动力机构相连接的第三节气管322、323、324，所述第三节气管的的下端经硅胶粘合连接到第二进气联接板上，第三节气管的上端经快插接头连接三位五通电磁阀。

本实施例中，所述第一进气联接板间隔设置有用于与第二节气腔的上端相连接的凹槽211，第二进气联接板上间隔设置有用于与第三节气腔的上端相连接的凹槽，所述凹槽的孔径为13mm。第一进气联接板和第二进气联接板的中部还分别设置有直径20mm的穿管圆孔212，所述穿管圆孔的侧壁横向间隔设置有三个互成120°并与对应的凹槽相连通的穿管通道213，穿管通道的直径6mm。以便通过硅胶与第二节气管或第三节气管的下端相连接。

本实施例中，第一进气联接板的功能是连接第一节气腔和第二节气腔，固定第二节气腔的位置，固定气管，使第二节气腔能够正常充放气。第二进气联接板的功能是连接第二节气腔和第三节气腔，固定第三节气腔的位置，固定气管，使第三节气腔能够正常充放气。第一进气联接板和第二进气联接板分别是硅胶倒入3D打印的模具中固化后形成的。第一进气联接板和第二进气联接板的上侧面分别间隔设置有对应用于封堵第一节气腔和第二节气腔下端的凸块214。

本实施例中，所述第二节活动臂内设置有第二约束块230，所述第二约束块的周部间隔设有用于与第二节气腔的第四块气囊相连接的弧形凹部，第二约束块的中部设置有穿管通孔，以便第三节气管穿过。约束块的功能是约束气腔的位置，保证机械臂正常工作，约束气管的位置，避免气管对机械臂的运动产生影响。

本实施例中，所述末端执行机构包括夹爪盘410，所述夹爪盘的上端面经支撑块420与第三节活动臂的下端相连接，支撑块经硅胶胶合在夹爪盘上。夹爪盘上设置有横向长槽411，所述横向长槽的两侧部分别设置有长54mm的横向滑道412，横向长槽内设置有一对夹爪430，所述夹爪上部设置有转轴431，转轴的前后侧分别与横向滑槽滑动配合，通过转轴约束夹爪的运动，保障夹爪不脱离夹爪盘。所述横向长槽的两侧端还分别设置有径向穿入夹爪盘并由夹爪盘上端面穿出的气孔413，所述气孔一端连接有控制气管414，所述控制气管的上端经快速插头与动力机构中的三位五通电磁阀相连接，所述气孔的另一端连接有用于驱动夹爪横向运动实现开合的夹爪气腔440。

本实施例中，所述夹爪气腔由若干个横向依次连接的气囊441组成，夹爪气腔的外侧端设置有与控制气管相连接的进气孔442，夹爪气腔的另一端设置有定位凹部443，所述定位凹部经硅胶与设置于夹爪上部外侧的凸部432相粘合，所述夹爪的下部内侧设置有防滑凸部433。

本实施例中，夹爪盘是硅胶倒入3D打印的模具中固化后形成的，中间夹入3毫米厚的PLA板，增加强度和硬度；夹爪盘的功能是固定夹爪，改变夹爪的运动方向，固定气管，保证夹爪气腔的充放气。夹爪是硅胶倒入3D打印的模具中固化后形成的，中间夹入2毫米厚的PLA板增加强度和硬度。支撑块是硅胶倒入3D打印的模具中固化后形成的，支撑块的功能是支撑、固定夹爪盘，并将气腔的运动传递给夹爪盘。

本实施例中，每个气囊单独利用3D打印的模具制作，等气囊彻底固化再用硅胶粘合成一个气腔。气腔的功能是储气和产生运动，同一节的三个气腔内储气量不同使得机械臂向不同的方向运动。

本实施例中，该机械臂的主体部分由硅胶（硅胶与塑化剂比例为100：2）倒入3D打印的零件模具中产生，等硅胶彻底固化后再将气腔、气管、夹爪等各部分粘合形成完整的机械臂。机械臂中共有11个气腔需要进行充放气动作，将气管的一端与气腔粘合，另一端与三位五通电磁阀连接，再将电磁阀装设在汇流板上，由气泵供气。

一种应用于超冗余柔性机械臂的使用方法，包括以下步骤：

1）开启气泵；

2）当向第一节活动臂的其中一气腔内供气，该受气的气腔推动超冗余柔性机械臂向第一节活动臂中另外两个气腔的中间方向弯曲；

当向第一节活动臂的其中两个气腔内同时供气，受气的两个气腔推动超冗余柔性机械臂向第一节活动臂中第三个气腔的方向弯曲；

当向第一节活动臂的三个气腔内同时供气，超冗余柔性机械臂沿气腔长度方向伸长；

3）当向第二节活动臂的其中一气腔内供气，该受气的气腔推动超冗余柔性机械臂向第二节活动臂中另外两个气腔的中间方向弯曲；

当向第二节活动臂的其中两个气腔内同时供气，受气的两个气腔推动超冗余柔性机械臂向第一节活动臂中第三个气腔的方向弯曲；

当向第二节活动臂的三个气腔内同时供气，超冗余柔性机械臂沿气腔长度方向伸长；

4）当向第三节活动臂的其中一气腔内供气，该受气的气腔推动超冗余柔性机械臂向第三节活动臂中另外两个气腔的中间方向弯曲；

当向第三节活动臂的其中两个气腔内同时供气，受气的两个气腔推动超冗余柔性机械臂向第三节活动臂中第三个气腔的方向弯曲；

当向第三节活动臂的三个气腔内同时供气，超冗余柔性机械臂沿气腔长度方向伸长；

5）当向末端执行机构的夹爪气腔内内供气时，两夹爪气腔受气推动夹爪沿滑道方向运动，实现夹爪开合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的超冗余柔性机械臂并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种超冗余柔性机械臂，其特征在于，机械臂包括自上而下依次连接并由柔性材料制成的第一节活动臂、第二节活动臂和第三节活动臂，所述第一节活动臂、第二节活动臂和第三节活动臂分别由三个互成120°并可分别独立控制运动的气腔组成，位于第三节活动臂的下端设置有用于夹取物品的末端执行机构，位于第一节活动臂的上端还设置有用于分别驱动各个气腔及末端执行机构的动力机构。

2.根据权利要求1所述的超冗余柔性机械臂，其特征在于，所述驱动机构包括气泵，所述气泵的下侧设置有汇流板，所述汇流板经进气总管及快插接头与气泵的出气口相连接，汇流板上安装有若干个用于控制气腔或末端执行机构的三位五通电磁阀。

3.根据权利要求1或2所述的超冗余柔性机械臂，其特征在于，所述第一节活动臂包括顶板，所述顶板的下侧间隔设置有三个互成120°的第一节气腔，所述第一节气腔分别由自上而下依次叠加并连通的七个气囊组成，第一节气腔的上端分别设置有穿过顶板与动力机构相连接的第一节气管。

4.根据权利要求3所述的超冗余柔性机械臂，其特征在于，所述第一节气管包括进气管，所述进气管的下端经硅胶与对应设置于顶板上的气孔相连接，进气管的上端分别与动力机构上对应输出的气管相连接。

5.根据权利要求3所述的超冗余柔性机械臂，其特征在于，所述顶板由硅胶和包裹在硅胶内3mm厚的PLA板组成，顶板的中部还设置有穿管通孔，所述第一节活动臂内设置有第一约束块，所述第一约束块的周部间隔设有用于与第一节气腔的第四块气囊相连接的弧形凹部，第一约束块的中部设置有穿管通孔。

6.根据权利要求1、2、4或5所述的超冗余柔性机械臂，其特征在于，所述第二节活动臂包括连接在第一节活动臂下端的第一进气联接板，所述第一进气联接板的下侧间隔设置有三个互成120°的第二节气腔，所述第二节气腔分别由自上而下依次叠加并连通的七个气囊组成，第二节气腔的顶部分别设置有经第一进气联接板与动力机构相连接的第二节气管。

7.根据权利要求6所述的超冗余柔性机械臂，其特征在于，所述第三活动臂包括连接在第二活动臂下端的第二进气联接板，所述第二进气联接板的下侧间隔设置有三个互成120°的第三节气腔，所述第三节气腔分别由自上而下依次叠加并连通的三个气囊组成，第三节气腔的顶部分别设置有经第二进气联接板与动力机构相连接的第三节气管。

8.根据权利要求7所述的超冗余柔性机械臂，其特征在于，所述第一进气联接板和第二进气联接板上分别间隔设置有用于与第二节气腔或第三节气腔的上端相连接的凹槽，第一进气联接板和第二进气联接板的中部还分别设置有穿管圆孔，所述穿管圆孔的侧壁横向间隔设置有三个互成120°并与对应的凹槽相连通的穿管通道；所述第二节活动臂内设置有第二约束块，所述第二约束块的周部间隔设有用于与第二节气腔的第四块气囊相连接的弧形凹部，第二约束块的中部设置有穿管通孔。

9.根据权利要求1、2、4、5、7或8所述的超冗余柔性机械臂，其特征在于，所述末端执行机构包括夹爪盘，所述夹爪盘的上端面经支撑块与第三节活动臂的下端相连接，夹爪盘上设置有横向长槽，所述横向长槽的两侧部分别设置有横向滑道，横向长槽内设置有一对夹爪，所述夹爪上部的前后侧分别与横向滑槽滑动配合，所述横向长槽的两侧端还分别设置有穿出夹爪盘的气孔，所述气孔的一端经控制气管与驱动机构相连接，气孔的另一端连接有用于驱动夹爪的夹爪气腔。

10.一种应用于权利要求2所述的超冗余柔性机械臂的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）开启气泵；

2）当向第一节活动臂的其中一气腔内供气，该受气的气腔推动超冗余柔性机械臂向第一节活动臂中另外两个气腔的中间方向弯曲；

当向第一节活动臂的其中两个气腔内同时供气，受气的两个气腔推动超冗余柔性机械臂向第一节活动臂中第三个气腔的方向弯曲；

当向第一节活动臂的三个气腔内同时供气，超冗余柔性机械臂沿气腔长度方向伸长；

3）当向第二节活动臂的其中一气腔内供气，该受气的气腔推动超冗余柔性机械臂向第二节活动臂中另外两个气腔的中间方向弯曲；

当向第二节活动臂的其中两个气腔内同时供气，受气的两个气腔推动超冗余柔性机械臂向第一节活动臂中第三个气腔的方向弯曲；

当向第二节活动臂的三个气腔内同时供气，超冗余柔性机械臂沿气腔长度方向伸长；

4）当向第三节活动臂的其中一气腔内供气，该受气的气腔推动超冗余柔性机械臂向第三节活动臂中另外两个气腔的中间方向弯曲；

当向第三节活动臂的其中两个气腔内同时供气，受气的两个气腔推动超冗余柔性机械臂向第三节活动臂中第三个气腔的方向弯曲；

当向第三节活动臂的三个气腔内同时供气，超冗余柔性机械臂沿气腔长度方向伸长；

5）当向末端执行机构内供气时，控制末端执行机构运动。