CN108638046A - 一种基于等容积变化原理的软体变刚度机器人 - Google Patents
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Abstract
一种基于等容积变化原理的软体变刚度机器人，可充气外壳的两端分别设有圆形均匀分布的三个充气膨胀孔，在可充气外壳的两端的内部设有螺纹，前固定端和后固定端外壁设有螺纹，前固定端、后固定端分别与可充气外壳的两端通过螺纹连接，弯曲装置包括可充气外壳、防径向膨胀线圈和内圈隔离鞘，刚度调控装置由输电线圈、C形薄膜、可伸缩金属管、磁流变液组成，输电线圈的两端分别延伸至前固定端、后固定端的外部，C形薄膜嵌在可伸缩金属管内侧槽口内，磁流变液设在C形薄膜内部。本发明整体为柔性，实现机器人连续的刚度控制，通过控制电流的大小能够实现机器人的锁定，能够实现柔性和刚性之间的灵活调节，用于定位和固定物体等操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种变刚度机器人领域，特别是共融机器人领域。
背景技术
随着科技的发展，机器人在各个场合都有充分的运用，根据不同的工况需求，机器人可辅助进行搬运、分拣、定位、测量等一系列操作。相较于刚性机器人，柔性或软体机器人则有很多与众不同的优势，工作空间大，空间占有率小，能够变化多种不同的姿态。
德国的费斯托(FESTO)的专利CN201080057286.7公开了一种气力驱动的仿象鼻柔性机器人手臂，该手臂结构复杂，体积庞大，成本高，而且整体结构为半柔性，即关节处为柔性，其他地方为刚性。
陈松盛在2017年11月8日提出专利CN201711090873.6，该专利公开了一种基于万向节的柔性机械臂，包括有万向节、经万向节转动连接的前关节和后关节、控制前关节和后关节之间相对转角的动力单元，该机械臂结构原理较为简单，能够实现全向转动，但难以做到小型化，弯曲能力有限，而且无法调节刚度。
天津大学康荣杰提出专利CN201710386114.8，公开了一种基于机械锁定的丝牵引变刚度机构，该机构能够进行弯曲、刚度调节及锁定，其变刚度锁紧机构是以每个中间连接盘为机架，由滑动斜齿轮、弹簧、不完全齿轮等刚性连接件构成的单自由度机构，但是该发明无法进行拉伸，机构的连接件为刚性且体积较大，控制比较繁琐。
近年来，随着共融机器人的发展，对机器人的要求越来越多，特别是在人机协作时，为确保人的安全，需要机器人能够整体为柔性，刚度可控，可完成弯曲拉伸等一系列操作。
发明内容
本发明的目的是提供可弯曲和伸缩、刚度可控、能够自锁、满足共融机器人要求的基于等容积变化原理的软体变刚度机器人。
本发明主要包括前固定端、输电线圈、可充气外壳、防径向膨胀线圈、内圈隔离鞘、C形薄膜、可伸缩金属管、磁流变液、后固定端、充气膨胀孔和金属管。
其中，可充气外壳为中空的柱形壳体，可充气外壳使用模具成型后利用软体材料浇筑而成，接口处利用连接胶和密封胶连接。可充气外壳的两端分别设有圆形均匀分布的三个充气膨胀孔。在可充气外壳的两端的内部设有螺纹，前固定端与后固定端结构相同，前固定端与后固定端为圆柱体，在前固定端与后固定端中部设有径向通孔，前固定端和后固定端外壁设有螺纹，前固定端、后固定端分别与可充气外壳的两端通过螺纹连接。弯曲装置包括可充气外壳、防径向膨胀线圈和内圈隔离鞘。防径向膨胀线圈嵌在可充气外壳内部，内圈隔离鞘通过粘合与可充气外壳内表面连在一起，将内部的刚度调节装置外圈与充气外壳分隔开来。刚度调控装置由输电线圈、C形薄膜、可伸缩金属管、磁流变液组成。可伸缩金属管的主体部分由S形金属片卷制而成，可伸缩金属管的主体部分呈螺旋状，可伸缩金属管主体部分的两端分别固定连接带螺纹的金属管。输电线圈卡在可伸缩金属管S形口外侧、与磁流变液相邻的槽口内，输电线圈的两端分别延伸至前固定端、后固定端的外部。C形薄膜嵌在可伸缩金属管内侧槽口内，磁流变液设在C形薄膜内部。
优选的，可伸缩金属管内侧槽口是等容积变化的，弯曲装置在发生弯曲或伸缩变化时装有磁流变液的槽口的容积是不变的。
优选的，内圈隔离鞘由普通橡胶制成，可以有效的防止可充气外壳内部径向膨胀对变刚度装置的影响。
优选的，输电线圈放在与磁流变液相邻的槽内，通过外部控制改变通过输电线的电流大小从而影响管道的磁场强弱，电流越大其管道内产生的磁场强度就越大，磁场强度越大，磁流变液的粘度就越大，即可调控机器人整体的刚度。
优选的，可充气外壳利用3D打印制作模具，通过软体硅橡胶浇筑制成，接口处利用连接胶和密封胶连接，通过调节孔内气压的大小能够实现弯曲和伸缩，防径向膨胀线圈为金属线圈，线圈嵌在可充气外壳内部，可以防止可充气外壳发生径向膨胀，加强了机器人的延展特性。
优选的，可伸缩金属管由合金钢片制成，然后将其进行卷制，此时其结构可以实现横轴向伸缩，类似弹簧。同时，S形金属片的每个槽口在弯曲和伸缩时的容积是不变的，这就可以保证可伸缩金属管在各种变化后，磁流变液的体积还是一定的，不需要再外来增加或减少磁流变液，从而避免了增加磁流变液带来的不必要的麻烦。
本发明在使用时，通过对3个充气膨胀孔充不同压强的气压或液压，使得图2中的可充气外壳3发生弯曲，从而可以控制机器人向不同方向弯曲，到达需要的位置或运动过程中都可以通过改变电流的大小来改变磁流变液的粘度，从而实现对机器人整体刚度调节。当向3个充气膨胀孔通有相同压力的气体后，机器人可以沿轴向伸长。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.本发明整体为柔性，可进行全向弯曲，可拉伸，增加了机器人的工作空间，还能够实现机器人连续的刚度控制，从而用于刚度要求不同的工况。本发明结构紧凑，易于小型化。
2.本发明为电磁调节刚度，通过控制电流的大小能够实现机器人的锁定，能够实现柔性和刚性之间的灵活调节，可以用于定位和固定物体等操作。
3.本发明驱动方式为气体驱动，可充气外壳为软体硅橡胶材料，在人机交互空间里能够保证与人体接触时人员与机器的安全，应用领域比较广泛，可以用于按摩机器人，人机交互康复机器人等。
附图说明
图1是本发明的轴测图；
图2是本发明的正剖视图；
图3是本发明的右视图。
图中：1-前固定端、2-输电线圈、3-可充气外壳、4-防径向膨胀线圈、5-内圈隔离鞘、6-C形薄膜、7-可伸缩金属管、8-磁流变液、9-后固定端、10-充气膨胀孔、11-金属管。
具体实施方式
在图1至图3所示的本发明的示意简图中，可充气外壳3为中空的柱形壳体，可充气外壳使用模具成型后利用软体材料浇筑而成，接口处利用连接胶和密封胶连接。可充气外壳的两端分别设有圆形均匀分布的三个充气膨胀孔10。在可充气外壳的两端的内部设有螺纹，前固定端与后固定端结构相同，前固定端1与后固定端9为圆柱体，在前固定端与后固定端中部设有径向通孔，前固定端和后固定端外壁设有螺纹，前固定端、后固定端分别与可充气外壳的两端通过螺纹连接。弯曲装置包括可充气外壳3、防径向膨胀线圈4和内圈隔离鞘5。防径向膨胀线圈嵌在可充气外壳内部，内圈隔离鞘通过粘合与可充气外壳内表面连在一起，将内部的刚度调节装置外圈与充气外壳分隔开来。刚度调控装置由输电线圈2、C形薄膜6、可伸缩金属管7、磁流变液8组成。可伸缩金属管的主体部分由S形金属片卷制而成，可伸缩金属管的主体部分呈螺旋状，可伸缩金属管主体部分的两端分别固定连接带螺纹的金属管11。输电线圈卡在可伸缩金属管S形口外侧、与磁流变液相邻的槽口内，输电线圈的两端分别延伸至前固定端、后固定端的外部。C形薄膜嵌在可伸缩金属管内侧槽口内，磁流变液设在C形薄膜内部。
可伸缩金属管内侧槽口是等容积变化的，弯曲装置在发生弯曲或伸缩变化时装有磁流变液的槽口的容积是不变的。
内圈隔离鞘由普通橡胶制成，可以有效的防止可充气外壳内部径向膨胀对变刚度装置的影响。
输电线圈放在与磁流变液相邻的槽内，通过外部控制改变通过输电线的电流大小从而影响管道的磁场强弱，电流越大其管道内产生的磁场强度就越大，磁场强度越大，磁流变液的粘度就越大，即可调控机器人整体的刚度。
可充气外壳利用3D打印制作模具，通过软体硅橡胶浇筑制成，接口处利用连接胶和密封胶连接，通过调节孔内气压的大小能够实现弯曲和伸缩，防径向膨胀线圈为金属线圈，线圈嵌在可充气外壳内部，可以防止可充气外壳发生径向膨胀，加强了机器人的延展特性。
可伸缩金属管由合金钢片制成，然后将其进行卷制，此时其结构可以实现横轴向伸缩，类似弹簧。同时，S形金属片的每个槽口在弯曲和伸缩时的容积是不变的，这就可以保证可伸缩金属管在各种变化后，磁流变液的体积还是一定的，不需要再外来增加或减少磁流变液，从而避免了增加磁流变液带来的不必要的麻烦。
Claims (6)
1.一种基于等容积变化原理的软体变刚度机器人，主要包括前固定端、输电线圈、可充气外壳、防径向膨胀线圈、内圈隔离鞘、C形薄膜、可伸缩金属管、磁流变液、后固定端、充气膨胀孔和金属管，其特征在于：可充气外壳为中空的柱形壳体，可充气外壳使用模具成型后利用软体材料浇筑而成，接口处利用连接胶和密封胶连接，可充气外壳的两端分别设有圆形均匀分布的三个充气膨胀孔，在可充气外壳的两端的内部设有螺纹，前固定端与后固定端结构相同，前固定端与后固定端为圆柱体，在前固定端与后固定端中部设有径向通孔，前固定端和后固定端外壁设有螺纹，前固定端、后固定端分别与可充气外壳的两端通过螺纹连接，弯曲装置包括可充气外壳、防径向膨胀线圈和内圈隔离鞘，防径向膨胀线圈嵌在可充气外壳内部，内圈隔离鞘通过粘合与可充气外壳内表面连在一起，将内部的刚度调节装置外圈与充气外壳分隔开来，刚度调控装置由输电线圈、C形薄膜、可伸缩金属管、磁流变液组成，可伸缩金属管的主体部分由S形金属片卷制而成，可伸缩金属管的主体部分呈螺旋状，可伸缩金属管主体部分的两端分别固定连接带螺纹的金属管，输电线圈卡在可伸缩金属管S形口外侧、与磁流变液相邻的槽口内，输电线圈的两端分别延伸至前固定端、后固定端的外部，C形薄膜嵌在可伸缩金属管内侧槽口内，磁流变液设在C形薄膜内部。
2.根据权利要求1所述的一种基于等容积变化原理的软体变刚度机器人，其特征在于：可伸缩金属管内侧槽口是等容积变化的，弯曲装置在发生弯曲或伸缩变化时装有磁流变液的槽口的容积是不变的。
3.根据权利要求1所述的一种基于等容积变化原理的软体变刚度机器人，其特征在于：内圈隔离鞘由普通橡胶制成，防止可充气外壳内部径向膨胀对变刚度装置的影响。
4.根据权利要求1所述的一种基于等容积变化原理的软体变刚度机器人，其特征在于：输电线圈放在与磁流变液相邻的槽内，通过外部控制改变通过输电线的电流大小从而影响管道的磁场强弱，电流越大其管道内产生的磁场强度就越大，磁场强度越大，磁流变液的粘度就越大，即可调控机器人整体的刚度。
5.根据权利要求1所述的一种基于等容积变化原理的软体变刚度机器人，其特征在于：可充气外壳利用3D打印制作模具，通过软体硅橡胶浇筑制成，接口处利用连接胶和密封胶连接，通过调节孔内气压的大小能够实现弯曲和伸缩，防径向膨胀线圈为金属线圈，线圈嵌在可充气外壳内部，防止可充气外壳发生径向膨胀，加强了机器人的延展特性。
6.根据权利要求1所述的一种基于等容积变化原理的软体变刚度机器人，其特征在于：可伸缩金属管由合金钢片制成，然后将其进行卷制，S形金属片的每个槽口在弯曲和伸缩时的容积不变，保证可伸缩金属管在各种变化后，磁流变液的体积一定，不需要再外来增加或减少磁流变液。
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