CN109159148B - 一种自锁式变刚度柔性机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自锁式变刚度柔性机器人，伺服电机通过螺栓连接固定在工作架上工作台，法兰通过螺栓连接固定在工作架下工作台，工作架底部通过螺栓连接固定在安装平台上，牵引绳以穿针引线方式有序地穿过圆柱状口袋上的圆孔，牵引绳头部插入绳轮槽口与绳轮固定连接，绳轮通过销与伺服电机连接，牵引绳尾部插入圆柱状口袋下端孔内与圆柱状口袋固定连接，通气管道与折叠气囊通过密封胶紧密贴合连通，折叠气囊底部与圆柱状口袋内的磨砂球接触，内螺纹圆筒通过密封胶与圆柱状口袋上端内壁紧密贴合，内螺纹圆筒通过螺纹与法兰连接，法兰通过螺栓连接与工作架下工作台固定。本发明结构简单能够实现全向弯曲的同时改变刚度，具有自锁性，使用性能强。

Description

一种自锁式变刚度柔性机器人
技术领域
本发明涉及机器人领域，特别是一种自锁式变刚度柔性机器人。
背景技术
随着机器人技术的发展，机器人的应用范围越来越广，机器人由原来的工厂隔离区逐渐走进人类生活。随着人机交互程度不断加深，机器人在工作时不仅要和人类协作，而且还要和人类发生肢体接触，工作环境复杂，这就对机器人的要求越来越高。
传统的工业机器人大多是刚性机器人，其中典型的有ABB机器人，该机器人工作范围大，精度高，灵活性强。但该操作臂动作幅度较大，关节响应速度慢，在工作过程中难以保证人机协作的安全进行。
针对于刚性机器人存在的安全性、响应速度慢等问题，采用的大多数解决方法是设计一种柔性机构，即为软体机器人。软体机器人对环境有更好的适应性，具有更好的柔韧度，可以根据不同的环境改变自身的结构，较好地完成部分工作。但软体机器人不能承受大负载。
然而，在部分人机协作的工作环境中，机器人不仅需要具有柔软性，而且还需要具有承受大负载的性能。为解决此类问题，一种可软硬变换的机器人应运而生，即为变刚度机器人。
目前，申请号为CN201711202607.8的实用新型专利公开了一种变刚度柔性机械臂，包括顶座、两块刚度可变支撑板、中央支撑板、长槽、底座、两个十字形驱动件和八根连接杆，该机械臂可实现机械臂在刚性和柔性之间的动态变换，但难以做到小型化，且不可弯曲；申请号为CN201711090875.5的实用新型专利公开了一种结构简单的柔性机械臂，包括若干组前关节和后关节、连接前关节和后关节的十字轴、控制前关节和后关节之间相对转角的动力件，该机械臂能够方便的实现多个角度的转动，其原理简单、结构轻巧、成本低廉，能够适用于工业、军事、航空、娱乐、服务等多种领域，但它只能实现柔性机械臂全角度的转动，无法调节刚度的变化，不能承受大负载；申请号为CN201810080583.1的实用新型专利公开了一种刚度可调多自由度全柔性机械臂结构，包括玻璃纤维棒、气囊、金属节片、U形扣、基座和节气阀，该装置能实现伸缩、弯曲、调节刚度，并且末端位置可达到360°上任意一点。这个装置虽刚度可调，但实际控制较麻烦，操作较繁琐。
为解决上述问题，本发明设计一种自锁式可变刚度柔性机器人，它既具有刚性机械臂的高精准度又具有柔性机械臂的高适应性，还能够满足人机交互安全性的要求。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种自锁式变刚度柔性机器人，本发明可自锁、全向弯曲、刚度无级可控、满足共融机器人要求。
为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：
一种自锁式变刚度柔性机器人，其特征在于，包括：伺服电机(1)、自锁变刚度装置、工作架(6)，所述自锁变刚度装置包括绳轮(2)、牵引绳(3)、法兰(4)、圆柱状口袋(5)、通气管道(7)、内螺纹圆筒(8)、折叠气囊(9)、磨砂球(10)、安装平台(11)，其中，工作架(6)为Z形金属架，伺服电机(1)和法兰(4)分别通过螺栓连接固定在工作架垂直设置的上、下两个工作台，工作架(6)底部通过螺栓连接固定在安装平台(11)上；牵引绳(3)以穿针引线方式有序地穿过圆柱状口袋，牵引绳(3)的头部插入绳轮(2)的槽口与绳轮(2)固定连接，绳轮(2)通过销与伺服电机(1)连接，牵引绳(3)尾部插入圆柱状口袋(5)下端孔内与圆柱状口袋(5)固定连接，其中，所述圆柱状口袋(5)是不可伸缩的，折叠气囊(9)的底部与圆柱状口袋(5)内的磨砂球(10)接触，内螺纹圆筒(8)通过密封胶与圆柱状口袋(5)的上端内壁紧密贴合连接，内螺纹圆筒(8)通过螺纹与法兰(4)连接，法兰(4)通过螺栓连接与工作架(6)的下工作台固定。
上述技术方案中，所述牵引绳(3)为可伸缩比例小于0.5％的牵引绳，选择包括但不仅限于玉线或者金属丝这两种材料。
上述技术方案中，所述圆柱状口袋(5)选择包括但不仅限于聚丙烯编织袋或者帆布布袋这两种材料，其中圆柱状口袋(5)上钻有多个圆孔，牵引绳(3)从圆孔中穿过。
上述技术方案中，所述工作架(6)通过钣金冲压或者焊接方式制成，工作架(6)的下工作台通过焊接与工作架(6)连为一体。
上述技术方案中，所述通气管道(7)为双向进出气的通用管道，选择包括但不仅限于聚氟乙烯或者聚碳酸酯的材料制成。
上述技术方案中，所述折叠气囊(9)为伸缩型的圆柱柔性气囊，所述折叠气囊(9)包括囊体、顶圈、顶盖和通气管道，顶圈套在囊体底部，顶盖扣在顶圈上与囊体连接，通气管道(7)与折叠气囊(9)通过密封胶紧密贴合连通而成。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明结构简单、制造工艺性好，能够在复杂的环境中工作，在实现全向弯曲的同时可以改变刚度。
本发明为变刚度机构，柔软度和硬度都能达到很好的效果，利用磨砂球间相互作用力改变的现象实现刚度无级可控。
本发明具有自锁性，能够在工作时形成自锁，实现在特定的工作环境中符合的特定形状，使用性能强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明的轴测图；
图2是本发明的右视图；
图3是本发明的全向弯曲示意图；
图4是本发明的自锁变刚度装置结构示意图。
图中，1-伺服电机、2-绳轮、3-牵引绳、4-法兰、5-圆柱状口袋、6-工作架、7-通气管道、8-内螺纹圆筒、9-折叠气囊、10-磨砂球、11-安装平台。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在图1至图4所示的本发明的示意简图中，本发明的工作架(6)为Z形金属架，伺服电机(1)通过螺栓连接固定在工作架(6)上工作台，法兰(4)通过螺栓连接固定在工作架(6)下工作台，工作架(6)底部通过螺栓连接固定在安装平台(11)上。
自锁变刚度装置包括绳轮(2)、牵引绳(3)、法兰(4)、圆柱状口袋(5)、内螺纹圆筒(8)、折叠气囊(9)、磨砂球(10)、安装平台(11)，牵引绳(3)为可伸缩比例小的牵引绳，牵引绳以穿针引线方式有序地穿过圆柱状口袋上的圆孔，牵引绳(3)的头部插入绳轮(2)的槽口与绳轮(2)固定连接，绳轮(2)通过销与伺服电机(1)连接，牵引绳(3)尾部插入圆柱状口袋(5)下端孔内与圆柱状口袋(5)固定连接，其中，所述圆柱状口袋(5)是不可伸缩的，折叠气囊(9)的底部与圆柱状口袋(5)内的磨砂球(10)接触，内螺纹圆筒(8)通过密封胶与圆柱状口袋(5)的上端内壁紧密贴合连接，内螺纹圆筒(8)通过螺纹与法兰(4)连接，法兰(4)通过螺栓连接与工作架(6)的下工作台固定。
本发明的牵引绳(3)为可伸缩比例小于0.5％的牵引绳，选择包括但不仅限于玉线或者金属丝这两种材料。圆柱状口袋(5)选择包括但不仅限于聚丙烯编织袋或者帆布布袋这两种材料，其中圆柱状口袋(5)上钻有多个圆孔，牵引绳(3)从圆孔中穿过。
工作架(6)通过钣金冲压或者焊接方式制成，工作架(6)的下工作台通过焊接与工作架(6)连为一体。
本发明的通气管道(7)为双向进出气的通用管道，选择包括但不仅限于聚氟乙烯或者聚碳酸酯的材料制成，还可以选择其他优质材料。
本发明的折叠气囊(9)为伸缩型的圆柱柔性气囊，所述折叠气囊(9)包括囊体、顶圈、顶盖和通气管道，顶圈套在囊体底部，顶盖扣在顶圈上与囊体连接，通气管道(7)与折叠气囊(9)通过密封胶紧密贴合连通而成。
本发明在使用时，当四根牵引绳都不受伺服电机的驱动力时，圆柱状口袋处于自然伸直状态，通过通气管道向折叠气囊内进气，折叠气囊将以一定速率膨胀伸开，使得圆柱状口袋内的磨砂球之间的摩擦力增大，从而会实现本发明的刚度变化。在折叠气囊压缩的情况下，当四根牵引绳所受到的驱动力不同时，圆柱状口袋各部位所受拉力不同，根据不同拉力，从而可实现本发明的全向弯曲，改变圆柱状口袋的外部形状，保持驱动力不变，进而实现本发明的自锁性，此时由通气管道向折叠气囊内进气，折叠气囊将以一定速率膨胀伸开，使得圆柱状口袋内的磨砂球的相互作用力增大，实现本发明的自锁性及刚度的改变。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种自锁式变刚度柔性机器人，其特征在于，包括：伺服电机(1)、自锁变刚度装置、工作架(6)，所述自锁变刚度装置包括绳轮(2)、牵引绳(3)、法兰(4)、圆柱状口袋(5)、通气管道(7)、内螺纹圆筒(8)、折叠气囊(9)、磨砂球(10)、安装平台(11)，其中，工作架(6)为Z形金属架，伺服电机(1)和法兰(4)分别通过螺栓连接固定在工作架垂直设置的上、下两个工作台，工作架(6)底部通过螺栓连接固定在安装平台(11)上；牵引绳(3)以穿针引线方式有序地穿过圆柱状口袋，牵引绳(3)的头部插入绳轮(2)的槽口与绳轮(2)固定连接，绳轮(2)通过销与伺服电机(1)连接，牵引绳(3)尾部插入圆柱状口袋(5)下端孔内与圆柱状口袋(5)固定连接，其中，圆柱状口袋(5)的径向是不可伸缩的，折叠气囊(9)的底部与圆柱状口袋(5)内的磨砂球(10)接触，内螺纹圆筒(8)通过密封胶与圆柱状口袋(5)的上端内壁紧密贴合连接，内螺纹圆筒(8)通过螺纹与法兰(4)连接，法兰(4)通过螺栓连接与工作架(6)的下工作台固定。
2.根据权利要求1所述的一种自锁式变刚度柔性机器人，其特征在于，所述牵引绳(3)为可伸缩比例小于0.5％的牵引绳，选择玉线或者金属丝这两种材料。
3.根据权利要求1所述的一种自锁式变刚度柔性机器人，其特征在于，所述圆柱状口袋(5)选择聚丙烯编织袋或者帆布布袋这两种材料，其中圆柱状口袋(5)上钻有多个圆孔，牵引绳(3)从圆孔中穿过。
4.根据权利要求1所述的一种自锁式变刚度柔性机器人，其特征在于，所述工作架(6)通过钣金冲压或者焊接方式制成，工作架(6)的下工作台通过焊接与工作架(6)连为一体。
5.根据权利要求1所述的一种自锁式变刚度柔性机器人，其特征在于，所述通气管道(7)为双向进出气的通用管道，选择聚氟乙烯或者聚碳酸酯的材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种自锁式变刚度柔性机器人，其特征在于，所述折叠气囊(9)为伸缩型的圆柱柔性气囊，所述折叠气囊(9)包括囊体、顶圈、顶盖和通气管道，顶圈套在囊体底部，顶盖扣在顶圈上与囊体连接，通气管道(7)与折叠气囊(9)通过密封胶紧密贴合连通而成。
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