CN108673558A - 变刚度柔性操作臂 - Google Patents

Abstract

变刚度柔性操作臂，它涉及一种柔性操作臂，它包括控制组件和连续体；控制组件包括三个电机和气泵；连续体包括空心柔性可充气导管、引线盘、引线固定座和头部固定座；气泵安装在头部固定座中部，气泵外侧的头部固定座上沿其周向固定有三个电机，每个电机的输出端连接有连线盘；空心柔性可充气导管的两端封闭，空心柔性可充气导管一端固定在头部固定座上且布置有连接气泵的进气孔和出气孔，空心柔性可充气导管另一端固定在引线固定座上。本发明结构灵活，环境适应能力强和应用范围广。

Description

变刚度柔性操作臂

技术领域

本发明涉及一种柔性操作臂，具体涉及一种基于电机、气动混合驱动的可变刚度柔性连续体结构操作臂。

背景技术

目前已有的操作臂大多是以刚性结构设计为主，笨重、运动范围有限且灵活性差，刚度不可变导致环境适应性差。因此很有必要设计一款可变刚度柔性操作臂。

发明内容

本发明为克服现有技术不足，提供一种结构灵活、运动形式多样及环境适应性好的变刚度柔性操作臂。

本发明的技术方案是：变刚度柔性操作臂，包括控制组件和连续体；控制组件包括三个电机和气泵；连续体包括空心柔性可充气导管、引线盘、引线固定座和头部固定座；

气泵安装在头部固定座中部，气泵外侧的头部固定座上沿其周向固定有三个电机，每个电机的输出端连接有连线盘；空心柔性可充气导管的两端封闭，空心柔性可充气导管一端固定在头部固定座上且布置有连接气泵的进气孔和出气孔，空心柔性可充气导管另一端固定在引线固定座上；

空心柔性可充气导管上固定有多个引线盘，多个引线盘上沿周向均布开有三组过绳孔，每组过绳孔同心且位于相应电机的轴线上，每组过绳孔内布置有两根绳，两根绳一端打结固定在引线固定座底部，另一端穿过绳孔与对应电机的连线盘固定，电机转动能使绳扭转而带动空心柔性可充气导管弯曲。

进一步地，空心柔性可充气导管为空心波纹管。

进一步地，电机为直流无刷电机。

进一步地，连线盘为阶梯式圆柱形连接盘，连线盘的小圆柱段为空心柱段，电机的输出轴插装在空心柱段内，连线盘的大圆柱段上开有对称的两个穿绳孔，两根绳的另一端分别固定在两个穿绳孔上。

进一步地，连线盘为外周面带有绕绳螺旋槽的空心圆柱，电机的输出轴插装在空心圆柱内，空心圆柱上开有两个固定孔，两根绳穿出过绳孔后反向缠绕在绕绳螺旋槽上，两根绳另一端分别固定在相应的固定孔上。

进一步地，多个引线盘等间距布置。

本发明的有益效果是：本发明是一种基于电机、气动混合驱动的连续体结构的柔性操作臂。操作臂以空心柔性可充气导管作为中心骨架，空心波纹管上面等间距固定有变直径的引线盘用于引导电机驱动的绳。电机驱动的绳用于控制操作臂的整体长度，当长度固定时，改变空心波纹管内的气压就可以改变操作臂的整体刚度，刚度大小与波纹管内压强大小正相关。变刚度操作臂可以实现伸长、缩短、弯曲和扭转等多种运动形式，具有更强的环境适应能力和应用范围。本发明具有结构简单灵活多变的特点。

附图说明

图1为本发明变刚度柔性操作臂的整体结构立体图；

图2为本发明变刚度柔性操作臂的主视图；

图3为电机、绕线盘、头部固定座和空心波纹管连接布置关系图；

图4为一种连线盘的结构图；

图5为空心波纹管初始状态图；

图6为空心波纹管弯曲状态图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明。

参见图1-图4说明，本实施方式的变刚度柔性操作臂，包括控制组件1和连续体；控制组件1包括三个电机1-1和气泵；连续体包括空心柔性可充气导管2、引线盘3、引线固定座4和头部固定座5；

气泵安装在头部固定座5中部，气泵外侧的头部固定座5上沿其周向固定有三个电机1-1，每个电机1-1的输出端连接有绕线盘6；空心柔性可充气导管2的两端封闭，空心柔性可充气导管2一端固定在头部固定座上且布置有连接气泵的进气孔和出气孔，空心柔性可充气导管2另一端固定在引线固定座4上；

空心柔性可充气导管2上固定有多个引线盘3，多个引线盘3上沿周向均布开有三组过绳孔3-1，每组过绳孔3-1同心且位于相应电机的轴线上，每组过绳孔3-1内布置有两根绳，两根绳一端打结固定在引线固定座4底部，另一端穿过绳孔与对应电机1-1的绕线盘6固定，电机1-1转动能使绳7扭转而带动空心柔性可充气导管2弯曲。

作为一种优选，空心柔性可充气导管2为空心波纹管。电机1-1为直流无刷电机，每个直流无刷电机分别通过引线盘3连接绳，通过电机的旋转驱动绳的运动(伸长或者缩短)。头部固定座5中还有气泵，可以实现对空心波纹管2的抽气与充气。

每两根绳为一组，共3组，绳为细线，一端穿过连续体并固定在引线固定座4的外侧。然后，这两根绳通过每个引线盘3上的过绳孔3-1，并与电机1-1上的连线盘6固定。引线盘3旋入空心波纹管并固定在空心波纹管上。上述方案中，绳7为镍钛合金丝。

作为一种方式，参见图4所示，连线盘6为阶梯式圆柱形连接盘，连线盘6的小圆柱段为空心柱段，电机1-1的输出轴插装在空心柱段内，连线盘6的大圆柱段上开有对称的两个穿绳孔6-1，两根绳7的另一端分别穿过两个穿绳孔6-1上并打结。

作为另一种方式，连线盘6为外周面带有绕绳螺旋槽的空心圆柱，电机1-1的输出轴插装在空心圆柱内，空心圆柱上开有两个固定孔，两根绳7穿出固定孔后反向缠绕在绕绳螺旋槽上，两根绳7另一端分别固定在相应的固定孔上。通常，连线盘6为带有螺旋槽的卷线盘。

参图2所示，引线盘3的外径不一致，与该引线盘3离头部固定座5的距离有关，距离越近引线盘3直径越大。引线盘3上每隔120度开有过绳孔3-1是驱动绳的通道。

参见图5-图6所示，空心柔性可充气导管2采用空心波纹管作为该连续体的中心骨架。在空心波纹管的头部是两个凸起的气孔2-1，其中一个为打气孔，另一个为抽气孔。分别连接连续体中的气泵。气泵对空心波纹管的打气与抽气，可以使空心波纹管伸长与缩短，改变其刚度，以及承受一定载荷。多个引线盘3的外径沿头部固定座至引线固定座4方向逐渐减小。多个引线盘3等间距布置。多个引线盘3形成的外形轮廓为倒截顶圆锥外形。如此设置，有利于空心波纹管2弯曲等多种运动形式变化。空心波纹管可以在外力的作用下实现弯曲。直流无刷电机缠绕绳，使绳伸长与缩短，从而带动中心骨架(空心波纹管)的弯曲。气泵对空心波纹管的充气、打气实现空心波纹管的伸长与收缩。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (9)

1.变刚度柔性操作臂，它包括控制组件(1)和连续体；控制组件(1)包括三个电机(1-1)和气泵；连续体包括柔性可充气导管(2)、引线盘(3)、引线固定座(4)和头部固定座(5)；

气泵安装在头部固定座(5)中部，气泵外侧的头部固定座(5)上沿其周向固定有三个电机(1-1)，每个电机(1-1)的输出端连接有连线盘(6)；柔性可充气导管(2)的两端封闭，柔性可充气导管(2)一端固定在头部固定座上且布置有连接气泵的进气孔和出气孔，柔性可充气导管(2)另一端固定在引线固定座(4)上；

柔性可充气导管(2)上固定有多个引线盘(3)，多个引线盘(3)上沿周向均布开有三组过绳孔(3-1)，每组过绳孔(3-1)同心且位于相应电机的轴线上，每组过绳孔(3-1)内布置有两根绳(7)，两根绳(7)一端打结固定在引线固定座(4)底部，另一端穿过绳孔(3-1)与对应电机(1-1)的连线盘(6)固定，电机(1-1)转动能使绳(7)扭转而带动柔性可充气导管(2)弯曲。

2.根据权利要求1所述变刚度柔性操作臂，其特征在于：柔性可充气导管(2)为空心波纹管。

3.根据权利要求2所述变刚度柔性操作臂，其特征在于：电机(1-1)为直流无刷电机。

4.根据权利要求1、2或3所述变刚度柔性操作臂，其特征在于：所述绳(7)为镍钛合金丝。

5.根据权利要求4所述变刚度柔性操作臂，其特征在于：连线盘(6)为阶梯式圆柱形连接盘，连线盘(6)的小圆柱段为空心柱段，电机(1-1)的输出轴插装在空心柱段内，连线盘(6)的大圆柱段上开有对称的两个穿绳孔(6-1)，两根绳(7)的另一端分别固定在两个穿绳孔(6-1)上并打结。

6.根据权利要求4所述变刚度柔性操作臂，其特征在于：连线盘(6)为外周面带有绕绳螺旋槽的空心圆柱，电机(1-1)的输出轴插装在空心圆柱内，空心圆柱上开有两个固定孔，两根绳(7)穿出固定孔后反向缠绕在绕绳螺旋槽上，两根绳(7)另一端分别固定在相应的固定孔上。

7.根据权利要求5或6所述变刚度柔性操作臂，其特征在于：多个引线盘(3)等间距布置。

8.根据权利要求7所述变刚度柔性操作臂，其特征在于：多个引线盘(3)的外径沿头部固定座至引线固定座(4)方向逐渐减小。

9.根据权利要求8所述变刚度柔性操作臂，其特征在于：多个引线盘(3)形成的外形轮廓为倒截顶圆锥外形。