CN110900652A - 一种基于海绵的连续体变刚度机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于海绵的连续体变刚度机械臂。本发明稳压电源、电机驱动器和步进电机分别固定在外壳上；外壳通过框架与机械臂主体固定；变刚度海绵组成空心管，所述空心管内部预嵌入弹簧，镍钛合金丝固定在所述空心管的空心通道中，基座分别与变刚度海绵和镍钛合金丝的一端固定连接；所述气体交换系统包括高压水蒸气发生器、气泵和气体传输管路，高压水蒸气发生器和气泵分别连接气体传输管路的一端，气体传输管路的另一端连接位于机械臂主体的空心通道内的喷头部分。本发明能有效解决柔性机械臂刚度不足的问题，在医疗微创手术、震后救援、复杂设备维修等领域有着广泛的应用前景。

Description

一种基于海绵的连续体变刚度机械臂

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是一种连续体变刚度机械臂。

背景技术

近年来，机器人技术不断发展，机械臂作为一种常见的机器人被广泛地应用在人类生产生活的方方面面。根据机械臂组成构件的刚度特性，机械臂分为刚性机械臂和柔性机械臂两大类。刚性机械臂的工作精度和生产效率高，负载能力强，具备完善的控制理论，适合在稳定的环境中进行大负载的重复性工作，多用于工业生产领域。但相比于同尺寸柔性机械臂，刚性机械臂的工作范围小，环境适应能力差。并且刚性机械臂坚硬的本体容易对人类造成安全危害，人机交互性差。柔性机械臂以柔性材料为载体，柔顺性好，自由度多；可以通过多种复杂狭窄的环境，并安全、柔和地进行抓取等作业，具有广泛的应用前景。变刚度机械臂是柔性机械臂的一种，具备变刚度功能，可以在作业中随时调节自身刚度大小。但现有柔性机械臂不具备变刚度功能，大大限制其应用范围。例如：在经自然腔道的微创手术中，机械臂需要以较小的刚度通过人体复杂的肠道到达病变部位，也需要以较高的刚度满足手术时对操作力的需求。在灾后救援，发动机维修等工作场景中，机械臂同样需要变刚度功能来同时满足通过复杂地形所需要的柔顺性和进行工作作业所需要的负载能力。现有柔性机械臂不具备变刚度功能，如胃镜，只能进行病因检测和活检等简单工作。除此以外，也有含多个关节的离散体机械臂，但往往体积庞大，工作范围小，此类机械臂自由度有限，灵活性不足以达到连续体机械臂的水平。

发明内容

本发明目的在于解决现有柔性机械臂刚柔性质的不足，提出一种基于海绵的连续体变刚度机械臂，此机械臂的主体由变刚度海绵构成，通过局部施加刺激源可以实现任意位置处的刚柔转换，使机械臂具有足够高的柔顺性的同时也具备一定的负载能力，且刚柔转换速度快。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：

一种基于海绵的连续体变刚度机械臂包括驱动单元、机械臂的主体和气体交换系统，驱动单元包含稳压电源、电机驱动器和步进电机，稳压电源、电机驱动器和步进电机分别通过螺纹连接固定在外壳上；外壳通过框架与机械臂的主体固定；

所述机械臂的主体由基座、变刚度海绵、弹簧和镍钛合金丝组成，变刚度海绵组成空心管，所述空心管内部预嵌入弹簧，镍钛合金丝固定在所述空心管的空心通道中，基座分别与变刚度海绵和镍钛合金丝的一端固定连接；

所述气体交换系统包括高压水蒸气发生器、气泵和气体传输管路，高压水蒸气发生器和气泵分别连接气体传输管路的一端，气体传输管路的另一端连接位于机械臂的主体的空心通道内的喷头部分，

稳压电源与控制芯片连接，操控者通过个人电脑发出信号给控制芯片，控制芯片接收信号并传递信号给电机驱动器，电机驱动器控制步进电机转动；所述步进电机分别驱动第一段驱动丝和第二段驱动丝，第一段驱动丝连接机械臂的主体的前段和中段部分，第二段驱动丝连接机械臂末端，所述第一段驱动丝和第二段驱动丝分别由四根驱动丝组成。

所述喷头部分由遮挡板、防水透气膜、透气孔和塞子组成，防水透气膜包裹在气体传输管路与喷头部分连接处的外侧，遮挡板套在透气孔外侧。

丝鞘分别套在第一段驱动丝和第二段驱动丝外侧。

气体传输管路可用于传输高压水蒸气和高压干燥空气，来控制变刚度海绵的刚度变化。气体传输管路可以从机械臂的内部进行分别布置，以实现不同区域不同程度的变刚度操作。

本发明变刚度机械臂的变刚度功能通过改变海绵刚度来实现。位姿控制功能由驱动丝与控制系统实现。此机械臂长宽比较大，是一种细长型连续体机械臂，具有较大的工作空间，可以改变机械臂主体上任意位置处的刚度，即可以在任意位置处形成可弯曲结构，通过驱动单元改变机械臂位姿以穿过弯曲复杂的环境，在进行作业时保持机械臂为刚态，实现位姿锁定，提供充足的负载力。

一种基于海绵的连续体变刚度机械臂的使用方法包括以下步骤：S1：将气体传输管路深入机械臂内部，并对齐气体传输管路末端的喷头至预定位置；S2：通过气体传输管路向机械臂预定部位传输高压水蒸气，此时末端喷头所对应的预定位置变软；S3:控制电机拉动驱动丝使机械臂上软化部位弯曲合适的角度以穿越障碍物；S4：通过气体传输管路向机械臂预定部位传输高压干燥空气使预定位置变硬以固定机械臂位姿，进行负重作业；S5：作业完成后，喷入高压水蒸气使弯曲部位软化，移出机械臂。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明能有效解决柔性机械臂刚度不足的问题，在医疗微创手术、震后救援、复杂设备维修等领域有着广泛的应用前景。

2.本发明所用变刚度海绵对人体无毒无害，具有良好的生物相容性，可以应用在与人体有接触的领域。

3.本发明可以实现任意位置处的变刚度，能够适应复杂多变的环境。

4.本发明刚柔转换迅速，转换效率高，刚度变化范围大，可以缩短工作时间，提高机械臂在工作时的稳定性。

5.本发明可以使机械臂在柔态下进行大曲率弯曲径向承受挤压而不垮塌。

6.本发明制作成本较低，重量轻，维护简单。

附图说明

图1为本发明实施例中居于海绵的连续体变刚度机械臂系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中基于海绵的连续体变刚度机械臂主体的结构示意图；

图3为本发明实施例中基于海绵的连续体变刚度机械臂气体交换系统示意图；

图4为本发明实施例中驱动单元电路布置示意图；

图5为本发明实施例中的驱动丝布置图；

图6为本发明实施例中的驱动丝系统结构图；

图7为本发明实施例中基于海绵的连续体可变刚度机械臂主体结构变刚度操作流程图。

具体实施方式

为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的详细说明。

本发明的基于海绵的变刚度机械臂的结构主要由驱动单元、机械臂主体和框架组成，此变刚度海绵的刚度大小与含水量有关，机械臂主体以变刚度海绵为载体，故可以通过向机械臂主体喷射水蒸气的方式改变机械臂的刚度。机械臂主体内部嵌有弹簧，可以保证机械臂在大曲率变形或受到径向载荷时不发生垮塌。机械臂中性轴安装了镍钛合金丝，其作用是保证机械臂在弯曲时遵循常曲率弯曲规律。通过控制水蒸气喷射的面积和位置，可以改变机械臂上任意位置，任意长度部分的刚度变化，再通过丝驱动控制机械臂进行弯曲运动，运动完成后通过干燥空气降低机械臂中水含量，使机械臂刚度变大，实现形状锁定。反复进行上述过程可将机械臂调整成任意形状，以便通过复杂曲折的路径，机械臂在进行有负载工作时只需降低机械臂中水含量即可保证作业的稳定进行。

本发明实施例中基于海绵的连续体变刚度机械臂系统结构，整体为垂直布置方式，驱动单元1-1外壳由亚克力板加工装配而成，内部包含稳压电源、电机驱动器和步进电机，上述部件通过螺纹连接固定在外壳上。驱动单元1-1下方均匀布置了八个驱动丝通道。驱动单元1-1与机械臂的主体1-3通过框架1-2相连。

本发明实施例中基于海绵的连续体变刚度机械臂的主体由基座2-1、变刚度海绵2-2、弹簧2-3和镍钛合金丝2-5组成，机械臂以由变刚度海绵2-2组成的空心管为基体，在制作海绵空心管时内部预嵌入弹簧2-3，镍钛合金丝2-5固定在机械臂的空心通道2-4中，机械臂通过基座2-1与框架1-2固连。

本发明实施例中的基于海绵的连续体变刚度机械臂的刚度大小通过控制输入气体的含水量来改变。气体交换系统如图3所示，高压水蒸气发生器3-1可以提供高压水蒸气，气泵3-2可以提供高压干燥空气，产生的气体通过气体传输管路3-3传输至位于机械臂内部的喷头部分。喷头部分由遮挡板3-4、防水透气膜3-5、透气孔3-6和塞子3-7组成，透气孔3-6用来透过水蒸气，防水透气膜3-3包裹在气体传输管路3-2外侧，允许透过水蒸气，隔绝水滴，遮挡板3-4套在透气孔3-6外侧，透气孔3-6被遮挡的部分无法喷出水蒸气，通过改变遮挡板3-4遮挡的面积，即可控制喷出水蒸气部分的长度，从而控制变刚度部分的长度。喷头位于机械臂内部，通过改变喷头位置即可改变机械臂刚度变换的位置。利用变刚度海绵的溶胀原理来控制刚度大小。通入高压水蒸气时，海绵发生溶胀，分子间作用力下降，变刚度海绵刚度变小，进而机械臂刚度变小；通入高压干燥空气时，变刚度海绵内的水蒸气被吹出，使海绵发生反溶胀现象，进而变硬，使机械臂刚度变大。

基于海绵的连续体变刚度机械臂的电路布置图如图4所示，稳压电源4-1为控制芯片4-2提供稳定电压，操控者通过个人电脑4-3发出信号给控制芯片4-2，控制芯片4-2接收信号并传递信号给电机控制器4-4，电机控制器控制步进电机4-5转动，步进电机4-5通过拉动驱动丝带动机械臂4-6运动。

基于海绵的连续体变刚度机械臂的驱动丝布置方式如图5所示，驱动丝一5-1、驱动丝二5-2、驱动丝三5-3、驱动丝四5-4只控制机械臂的A段(前段和中段)，驱动丝五5-5、驱动丝六5-6、驱动丝七5-7、驱动丝八5-8控制机械臂除了A段以外的部分(末端部分)，也就是控制机械臂的末端；拉动每一根丝会使机械臂向该方向弯曲，驱动丝一5-1、驱动丝二5-2、驱动丝三5-3、驱动丝四5-4是同样的控制A段姿态的作用，驱动丝五5-5、驱动丝六5-6、驱动丝七5-7、驱动丝八5-8都是同样的控制机械臂末端的作用。

基于海绵的连续体变刚度机械臂的驱动系统结构布置如图6所示，步进电机6-1转动缠绕第一段驱动丝6-2和第二段驱动丝6-5，第一段驱动丝6-2控制机械臂第一段6-4的运动，第二段驱动丝6-5控制机械臂末端的运动；电机拉动驱动丝，使驱动丝长度变短，即位于机械臂一侧的长度发生收缩，进而机械臂向驱动丝被拉动侧弯曲，机械臂和电机之间的驱动丝容易互相耦合，故用丝鞘6-3套在驱动丝外侧起保护驱动丝作用。

本发明实施例提供一种基于海绵的连续体变刚度机械臂的使用流程，图7为基于海绵的连续体变刚度机械臂的使用流程图，包括以下步骤：

步骤S1：将气体传输管路深入机械臂内部，并对齐气体传输管路末端的喷头至预定位置；

步骤S2：通过气体传输管路向机械臂预定部位传输高压水蒸气，此时末端喷头所对应的预定位置变软；

步骤S3:控制电机拉动驱动丝使机械臂上软化部位弯曲合适的角度以穿越障碍物；

步骤S4：通过气体传输管路向机械臂预定部位传输高压干燥空气使预定位置变硬以固定机械臂位姿，进行负重作业；

步骤S5：作业完成后，喷入高压水蒸气使弯曲部位软化，移出机械臂。

由上述实施例可以看出，本发明的基于海绵的连续体变刚度机械臂具有良好的变刚度特性，解决了柔性机械臂刚度不足和刚性机械臂适应性差的问题，可以实现机械臂上任意位置处的刚度变化，且刚柔转化率高，转化速度快，刚度变化范围大；连续体结构可以在弯曲时弯曲角度更大，曲率更加连续，方便人们的控制；长宽比大，工作范围更广；在柔性状态下通过复杂曲折的路径，在刚性状态下进行作业，保证工作的稳定进行。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (3)

1.一种基于海绵的连续体变刚度机械臂，其特征是，包括驱动单元、机械臂主体和气体交换系统，驱动单元包含稳压电源、电机驱动器和步进电机，稳压电源、电机驱动器和步进电机分别通过螺纹连接固定在外壳上；外壳通过框架与机械臂主体固定；

所述机械臂主体由基座、变刚度海绵、弹簧和镍钛合金丝组成，变刚度海绵组成空心管，所述空心管内部预嵌入弹簧，镍钛合金丝固定在所述空心管的空心通道中，基座分别与变刚度海绵和镍钛合金丝的一端固定连接；

所述气体交换系统包括高压水蒸气发生器、气泵和气体传输管路，高压水蒸气发生器和气泵分别连接气体传输管路的一端，气体传输管路的另一端连接位于机械臂主体的空心通道内的喷头部分，

稳压电源与控制芯片连接，操控者通过个人电脑发出信号给控制芯片，控制芯片接收信号并传递信号给电机驱动器，电机驱动器控制步进电机转动；所述步进电机分别驱动第一段驱动丝和第二段驱动丝，第一段驱动丝连接机械臂主体的前段和中段部分，第二段驱动丝连接机械臂末端，所述第一段驱动丝和第二段驱动丝分别由四根驱动丝组成。

2.根据权利要求1所述的一种基于海绵的连续体变刚度机械臂，其特征是，所述喷头部分由遮挡板、防水透气膜、透气孔和塞子组成，防水透气膜包裹在气体传输管路与喷头部分连接处的外侧，遮挡板套在透气孔外侧。

3.根据权利要求1所述的一种基于海绵的连续体变刚度机械臂，其特征是，丝鞘分别套在第一段驱动丝和第二段驱动丝外侧。

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