CN108422418A - 一种变刚度气囊式全向弯曲柔性机器人 - Google Patents
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Abstract
一种变刚度气囊式全向弯曲柔性机器人，气囊两端部为连接头和连接卡槽，连通式多通道通气气管的第一通气气管端与一个气囊环相连通，连通式多通道通气气管的第二通气气管端与相邻的气囊环相连通，相邻连通式多通道通气气管之间连通，两端的连通式多通道通气气管一端开口一端封闭，连通式多通道通气气管与气囊环之间通过第一密封环相连，在多层气囊组的中部设变刚度装置，超弹性薄膜袋的袋口通过第二密封环固定在刚度控制气囊的一端通气气管上，超弹性薄膜袋与气囊环内环紧密连接。本发明工艺性好，能够适用于各种复杂环境，在弯曲拉伸变形过程中无级调控刚度。保证工作人员和机器的安全，具有更大输出力，拉伸和弯曲的延展性能良好，可应用于搬运。
Description
技术领域
本发明涉及一种柔性机器人领域，特别是共融机器人领域。
背景技术
在现代工业生产、装配和载运过程中机器人有着重要的作用，机器人是智能化机械领域中最广泛而实用的自动化机械装置，最为典型的机器人有ABB机械臂。该机器人工作范围大，精度高，但是随着共融机器人的发展，机器人整体为刚性，在工作过程中，难以保证机-机协作和人-机协作的安全进行，因此，柔性机器人由此应运而生。
哈尔滨工业大学夏严峰的《轻型机械臂柔性关节设计与实验研究》介绍了一种串联弹性驱动器优化设计以及传感器系统设计，该设计提供了一种将刚性关节变为柔性关节的一种方法，但是只有关节为柔性，机械臂整体还是为刚性，不能完全满足共融机器人的需求。
目前，申请号为201520111229.2的实用新型专利公开了一种柔性杆螺旋驱动全向弯曲机器人手臂装置，包括基座、三个肌肉组件、多个中间板、弹簧和末端板。该装置能够实现多个方向弯曲，可以沿轴向进行伸缩，能够将末端工具送达到特定工作位置，输送能力较强。意大利的A Sadeghi,A Mondini,E Del Dottore等发表的《具有柔性差分弯曲能力的植物型机器人》介绍了一种柔性可全向弯曲而且能够伸缩的机器人，该机器人由弹簧控制方向，适应能力和力的传递能力强，但是以上两种设计发明无法在运动过程中改变自身刚度。在多任务环境下，特别是在人机交互的复杂环境下，对机械臂的刚度有着更加严格的要求，以确保工作人员的安全。
Iris De Falco的《变刚度柔性多臂微创手术机器人》设计了一种变刚度柔性机器人，利用气腔膨胀相互作用进行弯曲拉伸，利用真空作用下的阻塞现象实现变刚度，但是该机器人弯曲能力有限，而且输出力小，实用性较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种全向弯曲、可伸缩、刚度可无级调控、输出力大、满足共融机器人要求的变刚度气囊式全向弯曲柔性机器人。
本发明主要包括刚度控制气囊、第二密封环、多层气囊组、超弹性薄膜袋、磨粒小球、第一密封环、连通式多通道通气气管、气囊、连接头、连接卡槽、膨胀气囊、耐弯曲柔性气管、通气气管。
其中，气囊为120°扇形硅胶气囊，气囊两端部为连接头和连接卡槽。气囊环是由三个结构相同的气囊环形首尾相接而成。多层气囊组是由若干个气囊环轴向垛堞固定连接而成。连通式多通道通气气管的第一通气气管端与一个气囊环相连通，连通式多通道通气气管的第二通气气管端与相邻的气囊环相连通，相邻的连通式多通道通气气管之间相互连通，两端的连通式多通道通气气管一端开口一端封闭。连通式多通道通气气管与气囊环之间通过第一密封环相连。在多层气囊组的中部设有变刚度装置，变刚度装置由超弹性薄膜袋、磨粒小球、第二密封环以及刚度控制气囊组成，刚度控制气囊是由膨胀气囊和耐弯曲柔性气管交替连接而成，在刚度控制气囊的一端设有通气气管，在刚度气囊的外部套接超弹性薄膜袋，在超弹性薄膜袋的内部设有若干磨粒小球，超弹性薄膜袋的袋口通过第二密封环固定在刚度控制气囊的一端的通气气管上。超弹性薄膜袋与气囊环内环紧密连接。
优选地，气囊采用3D打印模具，然后利用硅胶浇筑，最后用密封胶连接而成。
优选地，超弹性薄膜袋采用的是0.3mm的超弹性橡胶，超弹性薄膜袋上钻有多个0.1mm的透气孔。
优选地，气囊环是由三个相同结构的气囊环形连接而成，气囊间的连接采用的是胶水连接，也可采用铆接或热融后挤压连接。
优选地，通气管道为定制的连通式多通道通气气管，材料使用的是聚四氟乙烯，这里也可以采用三通气阀进行连接。
本发明在使用时，当三条连通式多通道通气气管同时进气或吸气且气压相同时，所有气囊同时以同一速率膨胀，本发明会产生伸长或收缩的直线运动；当其中一个或两个管道气压较大时，气囊的膨胀速率不同，本发明会向一侧进行弯曲，根据不同的气压配比，能够实现本发明的全向弯曲。中间变刚度机构利用阻塞现象实现本发明刚度的改变，当连通式多通道通气气管充入气体，环形气囊也会向内侧膨胀挤压超弹性薄膜袋内的磨粒小球和刚度控制气囊，通过控制刚度控制气囊的气体压强可以保证磨粒小球相互的作用力的大小，即可控制阻塞现象的强弱，从而达到控制整体刚度大小的目的。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.结构简单，工艺性好，能够适用于各种复杂环境，能够在弯曲拉伸变形过程中无级调控刚度。
2.本发明为全柔性机构，在共融机器人领域更能保证工作人员和机器的安全，利用充气式挤压阻塞现象可实现遇软则柔，遇硬则刚。
3.本发明具有更大的输出力，拉伸和弯曲的延展性能良好，可应用于搬运，实用性强。
附图说明
图1是本发明的轴测图；
图2是本发明的正视图；
图3是本发明的右视图；
图4是本发明的气囊的结构示意图；
图5是本发明的刚度控制气囊的结构示意图。
图中，1-刚度控制气囊、2-第二密封环、3-多层气囊组、4-超弹性薄膜袋、5-磨粒小球、6-第一密封环、7-连通式多通道通气气管、8-气囊、9-连接头、10-连接卡槽、11-膨胀气囊、12-耐弯曲柔性气管、13-通气气管。
具体实施方式
在图1至图5所示的本发明的示意简图中，气囊8为120°扇形硅胶气囊，气囊两端部为连接头9和连接卡槽10。气囊环是由三个结构相同的气囊环形首尾相接而成。多层气囊组3是由若干个气囊环轴向垛堞固定连接而成。连通式多通道通气气管7的第一通气气管端与一个气囊环相连通，连通式多通道通气气管的第二通气气管端与相邻的气囊环相连通，相邻的连通式多通道通气气管之间相互连通，两端的连通式多通道通气气管一端开口一端封闭。连通式多通道通气气管与气囊环之间通过第一密封环6相连。在多层气囊组的中部设有变刚度装置，变刚度装置由超弹性薄膜袋4、磨粒小球5、第二密封环2以及刚度控制气囊1组成，刚度控制气囊是由膨胀气囊11和耐弯曲柔性气管12交替连接而成，在刚度控制气囊的一端设有通气气管13，在刚度气囊的外部套接超弹性薄膜袋，在超弹性薄膜袋的内部设有磨粒小球，超弹性薄膜袋的袋口通过第二密封环固定在刚度控制气囊的一端的通气气管上。超弹性薄膜袋与气囊环内环紧密连接。气囊采用3D打印模具，然后利用硅胶浇筑，最后用密封胶连接而成。超弹性薄膜袋采用的是0.3mm的超弹性橡胶，超弹性薄膜袋上钻有多个0.1mm的透气孔。气囊环是由三个相同结构的气囊环形连接而成，气囊间的连接采用的是胶水连接，也可采用铆接或热融后挤压连接。通气管道为定制的连通式多通道通气气管，材料使用的是聚四氟乙烯，这里也可以采用三通气阀进行连接。
Claims (5)
1.一种变刚度气囊式全向弯曲柔性机器人，主要包括有刚度控制气囊、第二密封环、多层气囊组、超弹性薄膜袋、磨粒小球、第一密封环、连通式多通道通气气管、气囊、连接头、连接卡槽、膨胀气囊、耐弯曲柔性气管和通气气管，其特征在于：气囊为120°扇形硅胶气囊，气囊两端部为连接头和连接卡槽，气囊环是由三个结构相同的气囊环形首尾相接而成，多层气囊组是由气囊环轴向垛堞固定连接而成，连通式多通道通气气管的第一通气气管端与一个气囊环相连通，连通式多通道通气气管的第二通气气管端与相邻的气囊环相连通，相邻的连通式多通道通气气管之间相互连通，两端的连通式多通道通气气管一端开口一端封闭，连通式多通道通气气管与气囊环之间通过第一密封环相连，在多层气囊组的中部设有变刚度装置，变刚度装置由超弹性薄膜袋、磨粒小球、第二密封环以及刚度控制气囊组成，刚度控制气囊是由膨胀气囊和耐弯曲柔性气管交替连接而成，在刚度控制气囊的一端设有通气气管，在刚度气囊的外部套接超弹性薄膜袋，在超弹性薄膜袋的内部设有磨粒小球，超弹性薄膜袋的袋口通过第二密封环固定在刚度控制气囊的一端的通气气管上，超弹性薄膜袋与气囊环内环紧密连接。
2.根据权利要求1所述的一种变刚度气囊式全向弯曲柔性机器人，其特征在于：气囊采用3D打印模具，通过硅胶浇筑，用密封胶连接而成。
3.根据权利要求1所述的一种变刚度气囊式全向弯曲柔性机器人，其特征在于：超弹性薄膜袋采用的是0.3mm的超弹性橡胶，超弹性薄膜袋上钻有多个0.1mm的透气孔。
4.根据权利要求1所述的一种变刚度气囊式全向弯曲柔性机器人，其特征在于：气囊环是由三个相同结构的气囊环形连接而成，气囊间的连接采用的是胶水连接，或采用铆接或热融后挤压连接。
5.根据权利要求1所述的一种变刚度气囊式全向弯曲柔性机器人，其特征在于：通气管道为定制的连通式多通道通气气管，材料使用的是聚四氟乙烯，或采用三通气阀进行连接。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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