CN108555883B - 一种仿生象鼻软体机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及软体机器人技术领域，特指一种仿生象鼻软体机械臂。其包括头部底盘，伸缩臂，弯曲臂A，弯曲臂B，密封盘A，密封盘B，卡塞，固定底座，导气管，微型气泵，电动开关。通过PLC控制微型气泵对机械臂的伸缩部分及弯曲部分进行充放气来控制机械臂形状的改变，从而控制机械臂前头位置的变化。

Description

一种仿生象鼻软体机械臂

技术领域

本发明涉及软体机器人技术领域，特指一种仿生象鼻软体机械臂。

背景技术

机器人已广泛应用于军事、工业、科学探测等诸多领域。传统机器人一般由刚性模块通过运动副连接构成，每个运动副提供一个(或多个)平动自由度或转动自由度。所有运动副的运动组合形成机器人末端执行器的工作空间，这种机器人具有运动精确的优点，但结构的刚性使其环境适应性较差，在狭窄空间内的运动受到限制。为提高机器人的柔性，研究者为其增加更多的自由度，形成超冗余度机器人，使其具有一定的连续变形能力，例如蛇形机器人、仿象鼻机械臂等。

机械臂作为一个多输入多输出、高度非线性、强耦合的复杂系统。因其独特的操作灵活性,已在工业装配、安全防爆、医学等领域得到广泛应用。发明专利公布号为CN103895012A的“一种仿象鼻机械臂单元装置”采用多个人工肌肉组件、多个中间件、多个弹簧、末端件和柔性罩，具有自重轻、体积小、结构紧凑的特点，但过多的零部件使得该仿象鼻机械臂单元装置存在整体结构偏复杂的缺点。软体机器人模仿自然界中的软体动物，由可承受大应变的柔软材料制成，具有无限多自由度和连续变形能力，可在大范围内任意改变自身形状和尺寸。软体机器人具有无限多自由度，所以它具有无限种构型使其末端执行器到达工作空间内的任意一点。相对于无数个极小刚性环节构成的伪软体机器人，通过气体进行气动控制的新型柔韧机器人将会更加柔软，适应各种特殊的姿态要求，良好的完成拉伸与收缩，与环境进行安全高效地交互，同时对于当前姿态的保持方面做到稳定、稳固且不易破坏。综合软体机械人以上的优点，再结合机械臂在如今的工业装配、医学等领域具有重要的应用，因此，设计出一种具有多自由度，能自由弯曲伸长，对机械臂末端的位置能够精确控制的软体机械臂将会对工业装配、医学等领域产生一定的有益影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿生象鼻软体机械臂。该软体机械臂能够实现对软体机械臂前头位置的精准控制，从而可以通过在软体机械臂前头添加特定装置来完成特定的任务。

本发明解决其关键问题所采用的技术方案为：一种仿生象鼻软体机械臂，其特征在于：包括头部底盘，伸缩臂，弯曲臂A，弯曲臂B，密封盘A，密封盘B，卡塞，固定底座，导气管，微型气泵，电动开关。

所述弯曲臂A是个波纹管的结构，具有6个腔室，每个腔室互不相通，中间有一个通气孔，弯曲臂A直径较小的一端与头部底盘密封连接，直径较大的一端与密封盘A密封连接。所述密封盘A是圆盘状，其上分布6个通气孔，在与弯曲臂A连接时，每个通气孔分别与弯曲臂A的6个腔室一一对应连通。所述伸缩臂是个波纹管结构，当对其进行充放气时能够相应的产生伸缩变形，伸缩臂直径较小的一端与密封盘A密封连接，较大的一端与密封盘B密封连接。所述卡塞与密封盘B的中间通气孔联结方式是过盈联结，同时保证两者之间联结紧固。在卡塞上分布1个大的通气孔和6个小通气孔，均用于通过导气管。所述弯曲臂B的直径较小一端与密封盘B通过密封方式连接在一起，较大一端与固定底座密封连接，弯曲臂B的内部结构与弯曲臂A的内部结构相同，具有6个彼此独立的腔室，中间有一个通气孔。所述固定底座上设有6个通气孔，且6个通气孔与弯曲臂B的6个腔室一一对应连通，在固定底座的中间有一个大的通气孔，用以通过导气管。所述微型气泵装置共有两种类型，6个蠕动泵和1个单孔气泵，7个气泵均固定在机械臂外部平台，其中蠕动泵具有两个气孔，一个气孔吸气的同时，另一个气孔出气，通过控制电机的正反转来控制气孔吸气与出气状态的转换，主要用于为弯曲臂A和弯曲臂B提供驱动；另一个单孔气泵也是通过控制电机的正反转来控制气孔的吸气或出气，主要是为伸缩臂提供驱动。所述电动开关的主要作用是通过接收PLC控制中心的信号，控制微型气泵内部电机的转动与转向，继而控制微型气泵对机械臂的充放气。

本发明优点是：

本发明的主体结构是用硅胶制造而成，具有的更好灵活性和安全性，在非结构化的环境中，具有更强的适应性。通过PLC控制微型气泵对各部分结构充放气，来控制机械臂的伸长缩短以及弯曲变形，以此使机械臂前头可以到达目标位置。

附图说明

图1为本发明的一种仿生象鼻软体机械臂的整体结构爆炸图。

图2为本发明的一种仿生象鼻软体机械臂的导气管连接分布概略图。

图3为本发明的一种仿生象鼻软体机械臂的弯曲状态概略图。

图4为本发明的一种仿生象鼻软体机械臂的弯曲臂B的结构图。

图5为本发明的一种仿生象鼻软体机械臂的卡塞的结构示意图。

图中：

1-头部底盘；2-弯曲臂A；3-密封盘A；4-伸缩臂；5-卡塞；6-密封盘B；7-弯曲臂B；8-固定底座。

具体实施方式

下面结合附图实施例对本发明做进一步详细描述。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供的一种仿生象鼻软体机械臂，通过PLC控制微型气泵对机械臂的伸缩部分及弯曲部分进行充放气来控制机械臂形状的改变，从而控制机械臂前头位置的变化。弯曲臂B7与固定底座8密封连接在一起，且弯曲臂B7的6个腔室与固定底座8的6个小通气孔一一对应连通，6根导气管又分别与固定底座8的6个小通气孔连通，继而间接与弯曲臂B7的6个腔室连通。当需要控制弯曲臂B7进行弯曲动作时，通过PLC控制电动开关控制蠕动泵的电机转动，再通过导气管对与期望弯曲方向相对的一个腔室进行充气，该腔室会相对伸长，对与该腔室相对的一个腔室进行抽气，该腔室会相对缩短，这样由于充气腔室的伸长和抽气腔室的缩短会导致整个弯曲臂B7向缩短腔室方向弯曲，通过控制对腔室充气与抽气量的大小来控制弯曲臂B7的弯曲程度。密封盘B6分别与弯曲臂B7和伸缩臂4密封连接，密封盘B6中间通气孔与弯曲臂B7的中间通气孔相连通。卡塞5与密封盘B6的中间通气孔通过过盈连接方式连接，并且保证连接之后不会产生松动现象。密封盘A3的两个端面分别与伸缩臂4和弯曲臂A2通过密封方式连接，密封盘A3的6个通气孔分别与弯曲臂A2的6个腔室一一对应连通。见图2，6根细导气管和1根粗导气管在依次通过固定底座8及弯曲臂B7的中间通气孔之后，粗导气管与卡塞5的大通气孔密封连接，从而与伸缩臂4的腔体连通；6根细导气管分别各自穿过卡塞5上的6个小通气孔，继而从伸缩臂4的腔体内部通过，最后分别与密封盘A3上的6个通气孔密封连接，达到与弯曲臂A2的6个腔室连通的目的；6根细导气管与卡塞5上的6个小通气孔之间空隙需要密封，防止伸缩臂4的腔体出现漏气状况。每个蠕动泵的两个气孔分别连接弯曲臂部分相对的两个腔室。例如:若弯曲臂A2的一个腔室通过导气管与一个蠕动泵的一个气孔连接，则相对的另一个腔室会通过导气管与这个蠕动泵的另一个气孔相连接，这样在控制蠕动泵对弯曲臂A2一个腔室充气时，会同时对相对的另一个腔室抽气。

下面，结合上述的机械臂的各种装置，对其可实现的功能进行描述。

本实施实例提供的一种功能是可以通过控制使机械臂前头到达指定位置。如果指定位置在机械臂的正前方，可以通过控制气泵对伸缩臂进行充气，伸缩臂伸长从而使得机械臂的头部能够到达指定位置；如果指定位置在机械臂的侧面，则先需要控制对应的蠕动泵对弯曲臂B7靠近期望方向的一个腔室进行抽气，同时对相对的另一个腔室充气，控制弯曲臂B7弯向指定位置方向，之后控制气泵对伸缩臂4进行充气，带动机械臂头部进一步靠近指定位置，最后再通过控制其他对应的蠕动泵控制弯曲臂A2弯曲，使机械臂头部最终到达指定位置。

本实施例提供的另外一种功能是通过在机械臂头部添加部件来实现更多的拓展功能。可以依据需要在机械臂头部添加特定的部件来达到某种特定操作。如在机械臂头部添加机械手来抓取、搬运物体；可以在机械臂头部添加摄像头到达指定位置来观察该部位的情况等。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (2)

1.一种仿生象鼻软体机械臂，其特征在于：包括头部底盘，伸缩臂，弯曲臂A，弯曲臂B，密封盘A，密封盘B，卡塞，固定底座，导气管，微型气泵，电动开关；

所述弯曲臂A是个波纹管的结构，具有6个腔室，每个腔室互不相通，中间有一个通气孔，弯曲臂A直径较小的一端与头部底盘密封连接，直径较大的一端与密封盘A密封连接；所述密封盘A是圆盘状，其上分布6个通气孔，在与弯曲臂A连接时，每个通气孔分别与弯曲臂A的6个腔室一一对应连通；所述伸缩臂是个波纹管结构，当对其进行充放气时能够相应的产生伸缩变形，伸缩臂直径较小的一端与密封盘A密封连接，较大的一端与密封盘B密封连接；所述卡塞与密封盘B的中间通气孔联结方式是过盈联结，同时保证两者之间联结紧固；在卡塞上分布1个大的通气孔和6个小通气孔，均用于通过导气管；所述弯曲臂B的直径较小一端与密封盘B通过密封方式连接在一起，较大一端与固定底座密封连接，弯曲臂B的内部结构与弯曲臂A的内部结构相同，具有6个彼此独立的腔室，中间有一个通气孔；所述固定底座上设有6个通气孔，且6个通气孔与弯曲臂B的6个腔室一一对应连通，在固定底座的中间有一个大的通气孔，用以通过导气管；所述微型气泵装置共有两种类型，6个蠕动泵和1个单孔气泵，7个气泵均固定在机械臂外部平台，其中蠕动泵具有两个气孔，一个气孔吸气的同时，另一个气孔出气，通过控制电机的正反转来控制气孔吸气与出气状态的转换，主要用于为弯曲臂A和弯曲臂B提供驱动；另一个单孔气泵也是通过控制电机的正反转来控制气孔的吸气或出气，主要是为伸缩臂提供驱动；所述电动开关的主要作用是通过接收PLC控制中心的信号，控制微型气泵内部电机的转动与转向，继而控制微型气泵对机械臂的充放气；弯曲臂B与固定底座密封连接在一起，且弯曲臂B的6个腔室与固定底座的6个小通气孔一一对应连通，6根导气管又分别与固定底座的6个小通气孔连通，继而间接与弯曲臂B的6个腔室连通；当需要控制弯曲臂B进行弯曲动作时，通过PLC控制电动开关控制蠕动泵的电机转动，再通过导气管对与期望弯曲方向相对的一个腔室进行充气，该腔室会相对伸长，对与该腔室相对的一个腔室进行抽气，该腔室会相对缩短，这样由于充气腔室的伸长和抽气腔室的缩短会导致整个弯曲臂B向缩短腔室方向弯曲，通过控制对腔室充气与抽气量的大小来控制弯曲臂B的弯曲程度；密封盘B分别与弯曲臂B和伸缩臂密封连接，密封盘B中间通气孔与弯曲臂B的中间通气孔相连通，卡塞与密封盘B的中间通气孔通过过盈连接方式连接，并且保证连接之后不会产生松动现象；密封盘A的两个端面分别与伸缩臂和弯曲臂A通过密封方式连接，密封盘A的6个通气孔分别与弯曲臂A的6个腔室一一对应连通； 6根细导气管和1根粗导气管在依次通过固定底座及弯曲臂B的中间通气孔之后，粗导气管与卡塞的大通气孔密封连接，从而与伸缩臂的腔体连通；6根细导气管分别各自穿过卡塞上的6个小通气孔，继而从伸缩臂的腔体内部通过，最后分别与密封盘A上的6个通气孔密封连接，达到与弯曲臂A的6个腔室连通的目的；6根细导气管与卡塞( 5) 的6个小通气孔之间空隙需要密封，防止伸缩臂的腔体出现漏气状况；每个蠕动泵的两个气孔分别连接弯曲臂部分相对的两个腔室；若弯曲臂中的一个腔室通过导气管与一个蠕动泵的一个气孔连接，则相对的另一个腔室会通过导气管与这个蠕动泵的另一个气孔相连接，这样在控制蠕动泵对弯曲臂一个腔室充气时，会同时对相对的另一个腔室抽气；如果指定位置在机械臂的正前方，可以通过控制气泵对伸缩臂进行充气，伸缩臂伸长从而使得机械臂的头部能够到达指定位置；如果指定位置在机械臂的侧面，则先需要控制对应的蠕动泵对弯曲臂B靠近期望方向的一个腔室进行抽气，同时对相对的另一个腔室充气，控制弯曲臂B弯向指定位置方向，之后控制气泵对伸缩臂（4）进行充气，带动机械臂头部进一步靠近指定位置，最后再通过控制其他对应的蠕动泵控制弯曲臂A弯曲，使机械臂头部最终到达指定位置。

2.如权利要求1所述的一种仿生象鼻软体机械臂，其特征在于：在机械臂头部添加机械手来抓取、搬运物体；或在机械臂头部添加摄像头到达指定位置来观察该部位的情况。

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