CN110712198A - 一种预充式软体机械臂及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预充式软体机械臂及其驱动方法。软体机器人驱动一般都需要提供气压源，这会严重影响机器人的灵活性。本发明一种预充式软体机械臂，包括端座、弯曲机构、变刚度机构和拉绳驱动机构。弯曲机构包括中心管、波形气囊和单向阀。中心管的内端与端座固定。四个波形气囊的内侧与中心管的四个侧面分别固定。拉绳驱动机构包括壳体、端部关节驱动组件和中间关节驱动组件。端部关节驱动组件包括第一滑块、第二滑块、第一环形电磁铁、第二环形电磁铁、第一拉绳和第二拉绳。中间关节驱动组件包括第三滑块、第三拉绳和第三环形电磁铁。本发明采用阻塞原理，将电磁力转化为气压力，可改变软机械手指的刚度。

Description

一种预充式软体机械臂及其驱动方法

技术领域

本发明属于软机器人驱动技术领域，具体涉及一种预充式软体机械臂及其驱动方法。

背景技术

近年来，软体机器人是机器人领域的研究热点。相比于传统刚性机器人，软体机器人对复杂环境的适应性更强，但其应用范围受到自身低刚度和精确度特性的限制。目前，软体机械手的驱动方法主要分为两类：通过致动器来控制，包括气动弯曲和机械驱动(如拉绳)；通过改变自身刚度产生弯曲，其中又以利用阻塞原理为研究热点。这两种驱动方法一般都需要提供气压源，这会严重影响机器人的灵活性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种预充式软体机械臂及其驱动方法。

本发明一种预充式软体机械臂，包括端座、弯曲机构、变刚度机构和拉绳驱动机构。所述的弯曲机构包括中心管、波形气囊和单向阀。中心管的内端与端座固定。四个波形气囊的内侧与中心管的四个侧面分别固定。四个波形气囊的外侧由依次相连的三段弧形段组成。

所述的拉绳驱动机构共四个。四个拉绳驱动机构分别设置在相邻两个弯曲机构之间。拉绳驱动机构包括壳体、端部关节驱动组件和中间关节驱动组件。壳体与相邻的两个波形气囊的中部固定。壳体内固定有隔板。隔板将壳体的内腔分隔为第一安置腔和第二安置腔。

所述的端部关节驱动组件设置在第一安置腔内，包括第一滑块、第二滑块、第一环形电磁铁、第二环形电磁铁、第一拉绳和第二拉绳。第一环形电磁铁、第二环形电磁铁分别固定在第一安置腔的两端。第一滑块、第二滑块均与第一安置腔构成滑动副。第一拉绳、第二拉绳分别穿过与第一环形电磁铁、第二环形电磁铁的中心孔，一端与第一滑块、第二滑块分别固定，另一端与中心管的外端、端座分别固定。第一滑块朝向第一环形电磁铁的侧面固定有第一永磁体。第二滑块朝向第二环形电磁铁的侧面固定有第二永磁体。

所述的中间关节驱动组件设置在第二安置腔内，包括第三滑块、第三拉绳和第三环形电磁铁。两个第三环形电磁铁分别固定在第二安置腔的两端。两个第三滑块均与第一安置腔构成滑动副。两根第三拉绳的一端与两个第三滑块分别固定，另一端与壳体内腔的两端分别固定。两个第三滑块的相背侧面均固定有第三永磁体。

作为优选，所述的中心管由柔性管段和刚性管段组成。柔性管段的一端开口与刚性管的一端开口密封对接。柔性管段的另一端封闭。刚性管段的另一端与端座的内侧面固定。所述的弯曲机构还包括变刚度组件。变刚度组件包括滤网、刚度调节电磁铁、滑移块和介质颗粒。滤网固定在柔性管段与刚性管段的连接处。中心管的柔性管段内填充有多颗介质颗粒。滑移块由活塞板、连接杆和刚度调节永磁体组成。连接杆的两端与活塞板、刚度调节永磁体的相对侧面分别固定。连接杆与端座构成滑动副。活塞板设置在中心管的刚性管段内，且与中心管的刚性管段构成滑动副。活塞板位于端座的内腔中。端座的内腔靠近中心板的侧面固定有两个刚度调节电磁铁。

作为优选，本发明一种预充式软体机械臂还包括控制器和蓄电池。所述的控制器和蓄电池均固定在端座上。每个电磁铁均对应一个滤波电路和MOS管。MOS管的源极与蓄电池的正极连接，漏极与滤波电路的输出接线端连接。漏极与对应电磁铁的一个接线端连接。对应电磁铁的另一个接线端蓄电池的负极。各MOS管的栅极与控制器的多个PWM波输出接口分别连接。

作为优选，所述的拉绳驱动机构还包括第一保护管和第二保护管。第一保护管、第二保护管均为软管，一端与壳体的两端分别固定，另一端与中心管的外端、端座分别固定。第一保护管套置在第一拉绳的外侧。第二保护管套置在第二拉绳的外侧。

作为优选，所述的端座上开设有四个进气孔和四个出气孔。四个进气孔的内端与四个波形气囊的内腔分别连通，外端与外界环境连通。四个进气孔内均设置有单向阀。单向阀的输出端有对应的波形气囊内腔连接。四个出气孔的内端与四个波形气囊的内腔分别连通，外端与外界环境连通。四个出气孔的外端均设置有通断阀。

作为优选，所述的端部关节驱动组件还包括第一隔离块。第一隔离块固定在第一安置腔的中部。第一滑块、第二滑块分别位于第一隔离块的两侧。

作为优选，所述的中间关节驱动组件还包括第二隔离块。第二隔离块固定在第二安置腔的中部。两个第三滑块分别位于第二隔离块的两侧。

作为优选，所述波形气囊的材质为硅橡胶。

作为优选，所述的壳体采用弹性材料。

该预充式软体机械臂的驱动方法具体如下：

步骤一、向相邻两个弯曲机构内的波形气囊充入气体，使该两个波形气囊膨胀，带动中心管预弯曲。以被充入气体的两个弯曲机构之间的拉绳驱动机构，作为工作驱动机构。

步骤二、刚度调节电磁铁通电，刚度调节电磁铁对滑移块上的刚度调节永磁体产生斥力，滑移块向远离滤网的一侧滑动，中心管的柔性管段内气压降低，柔性管段发生收缩，介质颗粒之间的间隙减小，使得中心管的柔性管的刚度增大。

步骤三、按照距离端座由远至近，将弯曲机构的三段关节分别称为前关节、中关节、后关节。

当需要前关节作伸直运动时，工作驱动机构内第一环形电磁铁通电，使得第一滑块收到推力，拉动第一拉绳，使得中心管外端到工作驱动机构内第一环形电磁铁的距离减小，前关节受到第一拉绳的拉力作伸直运动。通过调节输入第一环形电磁铁的电压，来调节前关节的伸直程度。

当需要中关节作伸直运动时，工作驱动机构内两个第三环形电磁铁同时通电，使得两个第三滑块分别远离对应的第三环形电磁铁，相向滑动，两根第三拉绳分别拉动壳体的两端距离减小，使得壳体的两端带动中关节做伸直运动。控制器通过调节输入中间电磁铁的电压，来调节中关节的伸直程度。

当需要后关节作伸直运动时，工作驱动机构内第二环形电磁铁通电，使得第二滑块收到推力，拉动第二拉绳，使得端座到工作驱动机构内第二环形电磁铁的距离减小，后关节受到第二拉绳的拉力作伸直运动。控制器通过调节输入第二环形电磁铁的电压，来调节后关节的伸直程度。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明采用阻塞原理，将电磁力转化为气压力，可改变软机械手指的刚度。

2、本发明能够通过向不同波形气囊预充气体，使得中心管预弯曲，从而能够实现不同方向的弯曲与伸直，对复杂环境的适应性高。

3、本发明能够独立控制三个关节，具有较高的控制精度。

4、本发明只需要预充气体，在驱动的过程中不需要借助气压源，这提高了本发明的无约束性。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的剖面示意图；

图3是本发明未充气状态下的示意图；

图4是本发明充气后的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，一种预充式软体机械臂，包括端座5、弯曲机构1、变刚度机构、拉绳驱动机构、控制器和蓄电池。端座5呈十字的柱体状，内部设置有空腔。端座5的内端开设有方形滑孔。弯曲机构1包括中心管、波形气囊7、单向阀和变刚度组件。波形气囊7的材质为硅橡胶，膨胀时产生弯曲。中心管由柔性管段和刚性管段组成。柔性管段的一端开口与刚性管的一端开口密封对接。柔性管段的另一端封闭。刚性管段的另一端与端座5的内侧面固定。

四个波形气囊7的内侧与中心管的四个侧面分别固定。四个波形气囊7的外侧由依次相连的三段弧形段组成。三段弧形段曲率不相同。波形气囊7的三个波形段，使得弯曲机构1形成三个关节(应当注意弧形段本身形成一个关节，而非两个弧形段的连接处形成一个关节)。当其中一个波形气囊7充入气体时，该波形气囊7的三个弧形段分别膨胀，使得弯曲机构1的上的三个关节分别向远离该波形气囊7的一侧弯曲。

端座5上开设有四个进气孔8和四个出气孔。四个进气孔8的内端与四个波形气囊7的内腔分别连通，外端与外界环境连通。四个进气孔8内均设置有单向阀。单向阀的输出端有对应的波形气囊7内腔连接。四个出气孔的内端与四个波形气囊7的内腔分别连通，外端与外界环境连通。四个出气孔的外端均设置有通断阀。

变刚度组件包括滤网18、刚度调节电磁铁9、滑移块和介质颗粒11。滤网18固定在柔性管段与刚性管段的连接处。中心管的柔性管段内填充有多颗介质颗粒11。滤网18能够将介质颗粒11阻挡在柔性管段内。滑移块由活塞板10、连接杆和刚度调节永磁体6组成。连接杆的两端与活塞板10、刚度调节永磁体6的相对侧面分别固定。连接杆与端座5上的方形滑孔构成滑动副。活塞板10设置在中心管的刚性管段内，且与中心管的刚性管段构成滑动副。活塞板10位于端座5的内腔中。端座5的内腔靠近中心板的侧面固定有两个刚度调节电磁铁9。当刚度调节电磁铁9通电时，刚度调节电磁铁9与刚度调节永磁体6的相对端磁极不同，相互产生斥力，从而推动滑移块向远离柔性管段的一侧滑动。滑移块向刚度调节电磁铁9滑动时，中心管的柔性管段内的气压降低，柔性管段发生收缩，介质颗粒11之间的间隙减小，从而使得中心管的柔性管的刚度增大，达到调节预充式软体机械臂刚度的效果。

如图1、3和4所示，拉绳驱动机构共四个。四个拉绳驱动机构分别设置在相邻两个弯曲机构1之间(即四个拉绳驱动机构、两个弯曲机构1沿着中心管的周向依次交替排列)。拉绳驱动机构包括壳体3、第一保护管2、第二保护管4、端部关节驱动组件和中间关节驱动组件。壳体3采用弹性材料，具体为橡胶。壳体3能够随着波形气囊7的变形而发生变形。壳体3与相邻的两个波形气囊7的中部通过粘接固定。壳体3内固定有隔板。隔板将壳体3的内腔分隔为靠近中心管的第一安置腔和远离中心管的第二安置腔。

端部关节驱动组件设置在第一安置腔内，包括第一滑块20、第二滑块21、第一环形电磁铁16、第二环形电磁铁17、第一隔离块22、第一拉绳12和第二拉绳15。第一隔离块22固定在第一安置腔的中部。第一环形电磁铁16、第二环形电磁铁17分别固定在第一安置腔的两端。第一滑块20、第二滑块21均与第一安置腔构成滑动副，且分别位于第一隔离块22的两侧。壳体的两端端壁在与第一环形电磁铁16、第二环形电磁铁17对应的位置分别开设有让位孔。第一拉绳12、第二拉绳15分别穿过与第一环形电磁铁16、第二环形电磁铁17的中心孔，一端与第一滑块20、第二滑块21分别固定，另一端与中心管的外端、端座5分别固定。第一滑块20朝向第一环形电磁铁16的侧面固定有第一永磁体。第一永磁体与第一环形电磁铁16的相对端磁极极性相同。当第一环形电磁铁16通电时，将对第一永磁体产生斥力。第二滑块21朝向第二环形电磁铁17的侧面固定有第二永磁体。第二永磁体与第二环形电磁铁17的相对端磁极极性相同。当第二环形电磁铁17通电时，将对第二永磁体产生斥力。第一保护管2、第二保护管4均为软管，一端与壳体3的两端分别固定，另一端与中心管的外端、端座5分别固定。第一保护管2套置在第一拉绳12的外侧。第二保护管4套置在第二拉绳15的外侧。

中间关节驱动组件设置在第二安置腔内，包括第二隔离块13、第三滑块19、第三拉绳14和第三环形电磁铁23。第二隔离块13固定在第二安置腔的中部。两个第三环形电磁铁23分别固定在第二安置腔的两端。两个第三滑块19均与第一安置腔构成滑动副，且分别位于第二隔离块13的两侧。两根第三拉绳14的一端与两个第三滑块19分别固定，另一端与壳体内腔的两端分别固定。由于壳体才橡胶，故第三拉绳14能够拉动伸长后的壳体，使得波形气囊7的中间段变形。两个第三滑块19的相背侧面均固定有第三永磁体。第三永磁体与对应的第三环形电磁铁23的相对端磁极极性相同。当第三环形电磁铁23通电时，将对对应的第三永磁体产生斥力。

控制器和蓄电池均固定在端座5上。每个电磁铁均对应一个滤波电路和MOS管。MOS管的源极与蓄电池的正极连接，漏极与滤波电路的输出接线端连接。漏极与对应电磁铁的一个接线端连接。对应电磁铁的另一个接线端蓄电池的负极。各MOS管的栅极与控制器的多个PWM波输出接口分别连接。控制器通过调节各个PWM波输出接口输出信号的占空比，即可调节各电磁铁的输入电压，从实现对电磁铁磁性的无极调节。控制器采用单片机。

该预充式软体机械臂的驱动方法具体如下：

步骤一、使用气压源从单向阀向相邻两个弯曲机构1内的波形气囊7充入气体，使该两个波形气囊7膨胀，带动中心管预弯曲。以被充入气体的两个弯曲机构1之间的拉绳驱动机构，作为工作驱动机构。

步骤二、控制器控制刚度调节电磁铁9通电，刚度调节电磁铁对滑移块上的刚度调节永磁体6产生斥力，滑移块向远离滤网的一侧滑动，中心管的柔性管段内气压降低，柔性管段发生收缩，介质颗粒11之间的间隙减小，使得中心管的柔性管的刚度增大，控制器通过调节输入刚度调节电磁铁9的电压，能够改变滑移块的位置，从而调节中心管柔性管段的刚度。

步骤三、按照距离端座5由远至近，将弯曲机构1的三段关节分别称为前关节、中关节、后关节。

当需要前关节作伸直运动时，控制器控制工作驱动机构内第一环形电磁铁16通电，使得第一滑块20收到推力，拉动第一拉绳12，使得中心管外端到工作驱动机构内第一环形电磁铁16的距离减小，前关节受到第一拉绳12的拉力作伸直运动。控制器通过调节输入第一环形电磁铁16的电压，调节前关节的伸直程度。

当需要中关节作伸直运动时，控制器控制工作驱动机构内两个第三环形电磁铁23同时通电，使得两个第三滑块19分别远离对应的第三环形电磁铁23，相向滑动，两根第三拉绳分别拉动壳体的两端距离减小，使得壳体的两端带动中关节做伸直运动。控制器通过调节输入中间电磁铁的电压，调节中关节的伸直程度。

当需要后关节作伸直运动时，控制器控制工作驱动机构内第二环形电磁铁17通电，使得第二滑块21收到推力，拉动第二拉绳15，使得端座5到工作驱动机构内第二环形电磁铁17的距离减小，后关节受到第二拉绳15的拉力作伸直运动。控制器通过调节输入第二环形电磁铁17的电压，调节后关节的伸直程度。

当需要更换完全方向时，只需对原先充气的波形气囊进行放气，并对所需的两个波形气囊重新充气即可，操作十分方便。

Claims (10)

1.一种预充式软体机械臂，，包括端座、弯曲机构、变刚度机构和拉绳驱动机构；其特征在于：所述的弯曲机构包括中心管、波形气囊和单向阀；中心管的内端与端座固定；四个波形气囊的内侧与中心管的四个侧面分别固定；四个波形气囊的外侧由依次相连的三段弧形段组成；

所述的拉绳驱动机构共四个；四个拉绳驱动机构分别设置在相邻两个弯曲机构之间；拉绳驱动机构包括壳体、端部关节驱动组件和中间关节驱动组件；壳体与相邻的两个波形气囊的中部固定；壳体内固定有隔板；隔板将壳体的内腔分隔为第一安置腔和第二安置腔；

所述的端部关节驱动组件设置在第一安置腔内，包括第一滑块、第二滑块、第一环形电磁铁、第二环形电磁铁、第一拉绳和第二拉绳；第一环形电磁铁、第二环形电磁铁分别固定在第一安置腔的两端；第一滑块、第二滑块均与第一安置腔构成滑动副；第一拉绳、第二拉绳分别穿过与第一环形电磁铁、第二环形电磁铁的中心孔，一端与第一滑块、第二滑块分别固定，另一端与中心管的外端、端座分别固定；第一滑块朝向第一环形电磁铁的侧面固定有第一永磁体；第二滑块朝向第二环形电磁铁的侧面固定有第二永磁体；

所述的中间关节驱动组件设置在第二安置腔内，包括第三滑块、第三拉绳和第三环形电磁铁；两个第三环形电磁铁分别固定在第二安置腔的两端；两个第三滑块均与第一安置腔构成滑动副；两根第三拉绳的一端与两个第三滑块分别固定，另一端与壳体内腔的两端分别固定；两个第三滑块的相背侧面均固定有第三永磁体。

2.根据权利要求1所述的一种预充式软体机械臂，其特征在于：所述的中心管由柔性管段和刚性管段组成；柔性管段的一端开口与刚性管的一端开口密封对接；柔性管段的另一端封闭；刚性管段的另一端与端座的内侧面固定；所述的弯曲机构还包括变刚度组件；变刚度组件包括滤网、刚度调节电磁铁、滑移块和介质颗粒；滤网固定在柔性管段与刚性管段的连接处；中心管的柔性管段内填充有多颗介质颗粒；滑移块由活塞板、连接杆和刚度调节永磁体组成；连接杆的两端与活塞板、刚度调节永磁体的相对侧面分别固定；连接杆与端座构成滑动副；活塞板设置在中心管的刚性管段内，且与中心管的刚性管段构成滑动副；活塞板位于端座的内腔中；端座的内腔靠近中心板的侧面固定有两个刚度调节电磁铁。

3.根据权利要求1所述的一种预充式软体机械臂，其特征在于：还包括控制器和蓄电池；所述的控制器和蓄电池均固定在端座上；每个电磁铁均对应一个滤波电路和MOS管；MOS管的源极与蓄电池的正极连接，漏极与滤波电路的输出接线端连接；漏极与对应电磁铁的一个接线端连接；对应电磁铁的另一个接线端蓄电池的负极；各MOS管的栅极与控制器的多个PWM波输出接口分别连接。

4.根据权利要求1所述的一种预充式软体机械臂，其特征在于：所述的拉绳驱动机构还包括第一保护管和第二保护管；第一保护管、第二保护管均为软管，一端与壳体的两端分别固定，另一端与中心管的外端、端座分别固定；第一保护管套置在第一拉绳的外侧；第二保护管套置在第二拉绳的外侧。

5.根据权利要求1所述的一种预充式软体机械臂，其特征在于：所述的端座上开设有四个进气孔和四个出气孔；四个进气孔的内端与四个波形气囊的内腔分别连通，外端与外界环境连通；四个进气孔内均设置有单向阀；单向阀的输出端有对应的波形气囊内腔连接；四个出气孔的内端与四个波形气囊的内腔分别连通，外端与外界环境连通；四个出气孔的外端均设置有通断阀。

6.根据权利要求1所述的一种预充式软体机械臂，其特征在于：所述的端部关节驱动组件还包括第一隔离块；第一隔离块固定在第一安置腔的中部；第一滑块、第二滑块分别位于第一隔离块的两侧。

7.根据权利要求1所述的一种预充式软体机械臂，其特征在于：所述的中间关节驱动组件还包括第二隔离块；第二隔离块固定在第二安置腔的中部；两个第三滑块分别位于第二隔离块的两侧。

8.根据权利要求1所述的一种预充式软体机械臂，其特征在于：所述波形气囊的材质为硅橡胶。

9.根据权利要求1所述的一种预充式软体机械臂，其特征在于：所述的壳体采用弹性材料。

10.如权利要求2所述的一种预充式软体机械臂的驱动方法，其特征在于：步骤一、向相邻两个弯曲机构内的波形气囊充入气体，使该两个波形气囊膨胀，带动中心管预弯曲；以被充入气体的两个弯曲机构之间的拉绳驱动机构，作为工作驱动机构；

步骤二、刚度调节电磁铁通电，刚度调节电磁铁对滑移块上的刚度调节永磁体产生斥力，滑移块向远离滤网的一侧滑动，中心管的柔性管段内气压降低，柔性管段发生收缩，介质颗粒之间的间隙减小，使得中心管的柔性管的刚度增大；

步骤三、按照距离端座由远至近，将弯曲机构的三段关节分别称为前关节、中关节、后关节；

当需要前关节作伸直运动时，工作驱动机构内第一环形电磁铁通电，使得第一滑块收到推力，拉动第一拉绳，使得中心管外端到工作驱动机构内第一环形电磁铁的距离减小，前关节受到第一拉绳的拉力作伸直运动；通过调节输入第一环形电磁铁的电压，来调节前关节的伸直程度；

当需要中关节作伸直运动时，工作驱动机构内两个第三环形电磁铁同时通电，使得两个第三滑块分别远离对应的第三环形电磁铁，相向滑动，两根第三拉绳分别拉动壳体的两端距离减小，使得壳体的两端带动中关节做伸直运动；控制器通过调节输入中间电磁铁的电压，来调节中关节的伸直程度；

当需要后关节作伸直运动时，工作驱动机构内第二环形电磁铁通电，使得第二滑块收到推力，拉动第二拉绳，使得端座到工作驱动机构内第二环形电磁铁的距离减小，后关节受到第二拉绳的拉力作伸直运动；控制器通过调节输入第二环形电磁铁的电压，来调节后关节的伸直程度。

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