CN111085989A - 一种具有多自由度的变刚度仿生象鼻软体手臂 - Google Patents

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李健
闫杰
王敏
许雪洁
王元震
聂宏宇
戴楚彦
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Abstract

本发明的目的在于提供一种具有多自由度的变刚度仿生象鼻软体手臂,其特征在于包括绝缘固定装置、形状记忆合金丝、供给装置、软体腔室、控制单元、微型气泵以及相应组件构成。该软体手臂具备多自由度和变刚度特性，能够实现对软体手臂末端位置的精准控制和手臂变形姿态的精确控制,从而可以通过在软体手臂末端位置添加特定装置来完成不同工况环境下的特定任务。

Description

一种具有多自由度的变刚度仿生象鼻软体手臂
技术领域：
本发明涉及软体机器人技术领域，尤其是软体仿生手臂，具体为一种具有多自由度的变刚度仿生象鼻软体手臂。
背景技术：
在大自然中存在着许多巧妙的设计，作为一种解决问题的新思路，大自然一直是发明家们和工程师们的灵感之源。随着计算机技术的发展，由计算机控制的机械臂也越来越复杂和灵巧，开始逐步向伸缩性和柔韧度的方向发展，因此受大自然和生物学启发的仿生机器人相关研究正如火如茶的开展，并在近几年取得巨大的成果和进展。
象鼻，因其独特的结构和灵活的动作受到了研究人员的广泛关注，希望能够模仿自然界中象鼻的外部形状、运动原理和行为方式，从而设计出能够跟象鼻一样灵活工作的机器人或者手臂，使其具有较高的运动灵活性，能够在不同工况环境下具有良好的适应性。德国费斯托公司研制的仿生大象鼻子可以平稳地搬运重负载，且具有良好的灵活性。目前,仿生象鼻机器人多为采用气囊、人工肌肉、形状记忆合金等驱动方式实现机器人的运动及动力学特性，如增加灵活性、躲避障碍、回避奇异、优化关节速度等，从而提高机器人的灵活性和柔韧性。仿生象鼻机器人或者手臂可以在未知环境、危险环境下作业，能够提高人类操作的安全系数，并且可以在机械自动化生产中完成较为复杂的高精度操作，是现有的仿生象鼻机器人结构比较复杂，价格较为昂贵且没有将各种特性结合在一起，导致整体上机械结构的刚度和稳定性偏弱、负载能力较低。
软体机器人模仿自然界中的软体动物,由可承受大应变的柔软材料制成，具有多自由度和连续变形能力,可在较大大范围内任意改变自身形状和尺寸。
综合软体机械人的优点和机械臂在如今的工业装配、医学等领域的重要性，本发明提出一种具有多自由度的变刚度仿生象鼻软体手臂，该手臂可以具有多自由特性、变刚度特性和自适应性，能够精确控制手臂姿态和自由弯曲伸长。本发明提出的一种具有多自由度的变刚度仿生象鼻软体手臂在工业装配、医学等领域具有广泛的应用前景。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种具有多自由度的变刚度仿生象鼻软体手臂。该软体手臂具备多自由度和变刚度特性，能够实现对软体手臂末端位置的精准控制和手臂变形姿态的精确控制,从而可以通过在软体手臂末端位置添加特定装置来完成不同工况环境下的特定任务。
本发明解决其关键问题所采用的技术方案为一种具有多自由度的变刚度仿生象鼻软体手臂,其特征在于包括绝缘固定装置、形状记忆合金丝、供给装置、软体腔室、控制单元、微型气泵以及相应组件构成。
所述形状记忆合金丝，将形状记忆合金制成直径为0.1～0.2mm的圆柱形状，分别等距离的嵌套到手臂单元模块本体结构中，形状记忆合金丝折回形成一个回路。
所述手臂单元模块本体由软体材料制成，本体内部中轴线上有腔室。
本发明提供的一种具有多自由度的变刚度仿生象鼻软体手臂，驱动方式为气动或者液动和形状记忆合金丝复合驱动方式实现软体手臂的多自由度和变刚度特性。在软体手臂单元模块中，当不同方位的形状记忆合金丝加热收缩或者长度受到约束时，该处的形状记忆合金丝形成整个手臂单元模块的约束层，另一侧为变形层，执行器在受到气液激励时会朝向约束层方向变形。通过对20根形状记忆合金丝进行编号，对其精确控制可以实现软体手臂单元模块的变形姿态精确控制和变刚度特性。
本发明提供的一种具有多自由度的变刚度仿生象鼻软体手臂，通过模块化的串联拼接，可以实现手臂复杂的运动和变形，以满足不同工况环境。每个软体手臂单元模块单独控制，通过整体的变形协调和运动控制，可以实现软体手臂的变形姿态精确控制，从而实现手臂末端位置的精确控制和手臂运动路径的精确控制。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明可以实现每个软体手臂单元模块多自由度的万向变形控制。通过不同位置记忆合金的长度约束或者加热收缩，使相应部位变为约束层，在受到气液激励时，可以实现变形姿态的精确控制。
本发明实现变刚度特性，通过对约束层和变形层的形状记忆合金丝长度约束程度进行调节可以实现手臂单元模块的变刚度特性。
本发明提供的一种具有多自由度的变刚度仿生象鼻软体手臂主体结构是用软体材料制造而成,具有的更好灵活性和安全性,在非结构化的环境中,具有自适应性。
本发明提供的一种具有多自由度的变刚度仿生象鼻软体手臂通过控制单元控制微型气泵对主体结构充放气和形状记忆合金丝供给及供电装置来控制各个单元模块弯曲变形和刚度特性,以此使软体手臂末端位置可以到达目标位置。
本发明提供的一种具有多自由度的变刚度仿生象鼻软体手臂制作简单，方便，可以根据不同的工作环境进行自由组合，从而搭配不同的末端执行装置实现不同的功能，完成特定的任务。
附图说明：
图1为一种具有多自由度的变刚度仿生象鼻软体手臂单元模块结构示意图。
图2为手臂单元模块的A-A剖视图。
图3为手臂单元模块的主视图和轴测图。
图4为手臂单元模块变形示意图。
图5为形状记忆合金丝周向阵列轴测图。
图6为形状记忆合金丝阵列编号图。
图7为手臂三单元模块串联示意图。
图标：1-形状记忆合金丝；2-绝缘固定装置和形状记忆合金丝供给装置；3-手臂单元模块本体；4-绝缘固定装置；5-进口；6-出口；7-腔室；8-控制单元；9-供电接口
具体实施方式：
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提供的一种具有多自由度的变刚度仿生象鼻软体手臂，如图1、2所示为手臂单元模块，其主要由绝缘固定装置、形状记忆合金丝、供给装置、软体腔室、控制单元、微型气泵以及相应组件构成。
如图2、3所示，本发明所提供的一种具有多自由度的变刚度仿生象鼻软体手臂，手臂单元模块的本体内部有腔室，该腔室与进出口相通，连接与微型气泵。在手臂单元模块本体周向嵌套有形状记忆合金丝，两端有绝缘固定装置、形状记忆合金丝供给装置和控制单元。
本发明提供的一种具有多自由度的变刚度仿生象鼻软体手臂，手臂单元模块本体由软体材料构成，可以通过模具和3D打印制作而成。
如图3所示，为手臂单元模块,模块之间的连接方式为螺纹连接。
如图3所示，为手臂单元模块，形状记忆合金丝贯穿手臂单元模块折回形成回路与控制单元相连接。形状记忆合金丝供给装置、加热装置和进出口管路集成于控制单元8内。控制单元8上有进出口接口和供电接口。
如图4所示，为手臂单元模块的变形示意图，对形状记忆合金丝进行长度约束或者加热收缩控制，建立手臂单元模块的约束层，对应一侧为变形层，形状记忆合金丝长度不受约束。当手臂单元模块受到气液激励时，手臂单元模块会向约束层方向进行弯曲变形。
如图5、6所示，为形状记忆合金丝周向阵列和编号示意图，通过对形状记忆合金丝的长度约束精确控制，可以实现手臂单元模块的姿态控制和刚度调节。
在本发明实施例中，通过对周向阵列的形状记忆合金丝和微型气泵进行精确控制，可以实现手臂单元模块的多自由度万向变形和刚度调节。通过模块化的串联拼接便可以实现手臂复杂的运动、变形和刚度调节。
在本发明实施例中，通过对1-5形状记忆合金丝进行长度约束，建立约束层，其他形状记忆合金丝不进行长度约束，此时在受到气液激励时，手臂单元模块会向约束层弯曲变形；通过对1-5形状记忆合金丝进行长度约束，建立约束层，其他形状记忆合金丝进行一定程度的长度约束时，此时受到一定程度的气液激励时，手臂单元模块也会向约束层弯曲变形，但是手臂单元模块的整体刚度增大，通过1-5形状记忆合金丝进行不同长度的约束和对另外的形状记忆合金丝进行不同程度的长度约束时，可以实现对手臂单元模块的刚度调节和姿态控制。
本发明实施例中，约束层的形状记忆合金丝数量不唯一，变形层的形状记忆合金丝数量不唯一，且长度约束程度均可以不一样，气液激励程度可调，通过对其进行不同程度的参数化设置和调节可以实现手臂单元模块的多自由度万向变形姿态控制和刚度调节。
本发明实施例中，控制单元可以实现对形状记忆合金丝的长度约束控制和加热收缩量精确控制，同样可以实现对气液激励大小的精确控制，从而实现对手臂单元模块的变形姿态精确控制和刚度调节功能。
本发明实施例中，通过模块化的串联拼接，可以实现手臂复杂的运动和变形，以满足不同工况环境。每个软体手臂单元模块单独控制，通过整体的变形协调和运动控制，可以实现软体手臂单元模块的变形姿态精确控制，实现手臂末端位置的精确控制，从而搭配不同的末端执行器完成不同的特定任务。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化、替换、修饰、组合、简化，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有多自由度的变刚度仿生象鼻软体手臂，其特征在于：包括形状记忆合金丝、软体手臂本体、绝缘固定装置、供给装置、微型气泵、控制单元以及相应组件组成，所述形状记忆合金丝周向阵列嵌套于软体手臂单元模块本体中，绝缘固定装置和形状记忆合金丝供给装置和进出口及相应控制单元分布两端。
2.如权利要求1所述的一种具有多自由度的变刚度仿生象鼻软体手臂，其特征在于：所述软体手臂单元模块为圆柱体且内部中轴线有腔室，腔室形状大小不唯一。
3.如权利要求2所述的一种具有多自由度的变刚度仿生象鼻软体手臂，其特征在于：形状记忆合金丝周向阵列嵌套于软体手臂单元模块本体中，当一定数量的形状记忆合金丝受到相应程度长度约束时，建立约束层；其他形状记忆合金丝受到一定程度的长度约束时，形成变形层；此时软体手臂单元模块受到一定程度的气液激励时，会向约束层方向弯曲变形，实现软体手臂单元模块的万向变形特性和变刚度特性。
4.如权利要求3所述的一种具有多自由度的变刚度仿生象鼻软体手臂，其特征在于：在软体手臂单元模块向约束层变形时，通过改变形状记忆合金丝的长度约束或者改变气液激励大小，可以对软体手臂单元模块的变形姿态进行调整和精确控制。所述形状记忆合金丝数量不唯一，可以根据软体手臂单元模块尺寸大小和控制精度进行自由组合。
5.如权利要求1所述的一种具有多自由度的变刚度仿生象鼻软体手臂，其特征在于：所述控制单元可以实现对形状记忆合金丝的长度约束控制和加热收缩量精确控制，同样可以实现对气液激励大小的精确控制，从而实现对软体手臂单元模块的变形姿态精确控制和刚度调节功能。
6.如权利要求3、4所述的一种具有多自由度的变刚度仿生象鼻软体手臂，其特征在于：通过对软体手臂单元模块进行模块化的串联拼接，可以实现手臂复杂的运动和变形。每个软体手臂单元模块单独控制，通过整体的变形协调和运动控制，可以实现软体手臂的变形姿态精确控制，从而实现手臂末端位置的精确控制和手臂运动路径的精确控制。
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