CN111482949B - 一种新型柔性机械臂及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型柔性机械臂及其驱动方法。目前这些柔性机械臂普遍精度较低。本发明一种新型柔性机械臂，包括末端安装块和多个柔性弯曲关节。各个柔性弯曲关节依次排列相连。末端安装块安装在位于最外端的柔性弯曲关节上。柔性弯曲关节包括关节座、弯转气囊、弹簧和气路部分。四个弯转气囊均与关节座上外侧面固定，且沿着关节座中心轴线的周向均布。多个弹簧的一端与关节座的外侧面固定。前一个柔性弯曲关节与后一个柔性弯曲关节通过万向节连接。位于最末端的柔性弯曲关节与末端安装块通过万向节连接。本发明中的弯转气囊通过弯曲变形缝隙，能够实现扇形膨胀，从而使得各个柔性弯曲关节之间的弯曲更加精准可控。

Description

一种新型柔性机械臂及其驱动方法
技术领域
本发明属于柔性机械臂技术领域，具体涉及一种新型柔性机械臂及其驱动方法。
背景技术
随着智能生活的理念被越来越多的提及，机械臂作为人与科技交互的重要通道逐渐进入到了办公、娱乐、家居等日常生活领域。而传统的机械臂多由刚性连杆串联或并联而成，体积大、结构复杂、成本高，其刚性运动特性在人机交互中易引发危险，如刚性撞击车身而损坏插座或车体，并且这些传统的机械臂的灵活性普遍不足。作为刚性机器人的替代方案，已经提出了线驱动的柔性操纵器。这些操纵器的骨架可以弯曲，因此，与刚性机器人相比，它们提供了更高的灵活性，灵活性和小型化。但目前这些柔性机械臂普遍精度较低，影响柔性机械臂精度的主要因素之一是由于施加在末端执行器上的外力引起的扭曲变形。为了防止扭曲变形来提高柔性机器人的精度，本发明设计出一种新型柔性机械臂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有柔性机器人精度较低的缺陷，提供一种新型柔性机械臂及其驱动方法。
本发明一种新型柔性机械臂，包括末端安装块和多个柔性弯曲关节。各个柔性弯曲关节依次排列相连。前一个柔性弯曲关节与后一个柔性弯曲关节通过万向节连接。位于最末端的柔性弯曲关节与末端安装块通过万向节连接。所述的柔性弯曲关节包括关节座、弯转气囊、弹簧和气路部分。四个弯转气囊均与关节座上外侧面固定，且沿着关节座中心轴线的周向均布。多个弹簧的一端与关节座的外侧面固定。所述的气路部分包括两个双向泵。第一个双向泵的两个通液口与其中两个不相邻的弯转气囊分别连通；第二个双向泵的两个通液口与另两个弯转气囊分别连通。
作为优选，所述末端安装块及关节座上开设有中心孔。末端安装块及关节座的中心孔中穿过且固定有管路。
作为优选，所述弯转气囊的横截面呈扇环形，且扇环圆心在关节座的中心轴线上。弯转气囊的外边缘面上设置有弯曲变形缝隙。
作为优选，所示关节座的两侧均开设有气囊安置槽组。气囊安置槽组包括沿关节座中心轴线周向均布的四个气囊安置槽。同一气囊安置槽组内的任意两个气囊安置槽之间均开设有弹簧固定孔。各个气囊安置槽的底部均开设通气孔。四个弯转气囊与关节座上外侧面的四个气囊安置槽分别固定。弹簧共有四个，四个弹簧的一端与关节座上外侧面的四个弹簧固定孔分别固定。
作为优选，所述的万向节包括均设有中心孔的矩形环、第一法兰和第二法兰。第一法兰与矩形环的一组相对侧面构成第一转动副；第二法兰与矩形环的另一组相对侧面构成第二转动副；第一转动副的公共轴线与第二转动副的公共轴线相互垂直。第一法兰、第二法兰与相邻两个柔性弯曲关节内的关节座分别固定。
作为优选，所述末端安装块的内端呈圆柱形，外端呈半球形。
作为优选，各个柔性弯曲关节内两个双向泵与控制器的多个控制接口分别通过电机驱动器连接。
作为优选，所述的末端安装块及各个关节座上均安装有陀螺仪；各个陀螺仪的信号输出线均与控制器连接。
该新型柔性机械臂的驱动方法如下：
步骤一、根据末端安装块所需要运动到的空间位置和供机械臂移动的空间范围，确定各个柔性弯曲关节的弯曲方向和弯曲角度。
步骤二、控制器控制各个柔性弯曲关节内的第一个双向泵、第二个双向泵进行泵液，使得各个柔性弯曲关节分别向对应的弯曲方向转动对应弯曲角度。
柔性弯曲关节的弯曲的方法具体如下：
将同一柔性弯曲关节内的四个弯转气囊分别作为第一弯转气囊、第二弯转气囊、第三弯转气囊、第四弯转气囊。两个双向泵分别作为第一双向泵和第二双向泵。第一弯转气囊、第三弯转气囊与第一双向泵连接；第二弯转气囊、第四弯转气囊与第二双向泵连接。
①.若需要驱动柔性弯曲关节向第一弯转气囊那侧弯曲，则第一双向泵正转，第一弯转气囊缩小，第二弯转气囊膨胀弯曲，使得柔性弯曲关节向第一弯转气囊那侧弯曲。
②.若需要驱动柔性弯曲关节向第二弯转气囊那侧弯曲，则第一双向泵反转，第二弯转气囊缩小，第一弯转气囊膨胀弯曲，使得柔性弯曲关节向第二弯转气囊那侧弯曲。
③.若需要驱动柔性弯曲关节向第三弯转气囊那侧弯曲，则第二双向泵正转，第三弯转气囊缩小，第四弯转气囊膨胀弯曲，使得柔性弯曲关节向第三弯转气囊那侧弯曲。
④.若需要驱动柔性弯曲关节向第四弯转气囊那侧弯曲，则第二双向泵反转，第四弯转气囊缩小，第三弯转气囊膨胀弯曲，使得柔性弯曲关节向第四弯转气囊那侧弯曲。
若需要驱动柔性弯曲关节向第一弯转气囊与第二弯转气囊之间弯曲，则①，②同步执行，弯曲方向由第一双向泵和第二双向泵的泵液量比例决定。
若需要驱动柔性弯曲关节向第二弯转气囊与第三弯转气囊之间弯曲，则②，③同步执行，弯曲方向由第一双向泵和第二双向泵的泵液量比例决定。
若需要驱动柔性弯曲关节向第三弯转气囊与第四弯转气囊之间弯曲，则③，④同步执行，弯曲方向由第一双向泵和第二双向泵的泵液量比例决定。
若需要驱动柔性弯曲关节向第一弯转气囊与第四弯转气囊之间弯曲，则①，④同步执行，弯曲方向由第一双向泵和第二双向泵的泵液量比例决定。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明中的弯转气囊通过弯曲变形缝隙，能够实现扇形膨胀，从而使得各个柔性弯曲关节之间的弯曲更加精准可控。
2、本发明各关节接头之间通过万向节连接，使得机械臂可以沿任意方向弯曲，并且很好的防止了柔性机器手中的扭曲变形。
3、本发明的中部能够通入输液管，从而实现输液管道形状位置的精准控制，能够用于医疗、勘探等领域。
4、本发明的驱动方式采用流体驱动，使机械臂具有较好的柔性和高灵活性。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的爆炸示意图；
图3是本发明中弯转气囊的剖面示意图；
图4是本发明中双向泵与两个弯转气囊的连接示意图；
图5是本发明中万向节的示意图.
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，一种新型柔性机械臂，包括末端安装块1、控制器和多个柔性弯曲关节。各个柔性弯曲关节依次排列相连。末端安装块1安装在位于最外端的柔性弯曲关节上。末端安装块1的内端呈圆柱形，外端呈半球形。末端安装块1的中部开设有中心孔。
如图1和2所示，柔性弯曲关节包括关节座2、万向节5、弯转气囊3、弹簧4和气路部分。关节座1的两侧均开设有气囊安置槽组。气囊安置槽组包括沿关节座中心轴线周向均布的四个气囊安置槽。同一气囊安置槽组内的任意两个气囊安置槽之间均开设有弹簧固定孔。各个气囊安置槽的底部均开设通气孔。通气孔用于安置流体管道，为弯转气囊3提供流体介质。
关节座2靠近末端安装块1的侧面为外侧面，远离末端安装块1的侧面为内侧面。四个弯转气囊3与关节座1上外侧面的四个气囊安置槽分别固定。四个弹簧4的一端与关节座1上外侧面的四个弹簧固定孔分别固定。弹簧4用于为机械臂提供复位的弹力。
如图2、3和4所示，关节座2上开设有中心孔。弯转气囊3的横截面呈扇环形，且扇环圆心在关节座1的中心轴线上。弯转气囊3的外边缘面上设置有弯曲变形缝隙3-1。当弯转气囊3充气时，弯转气囊外侧面上被弯曲变形缝隙3-1分隔开的两部分膨胀并相互挤压，从而能够使得弯转气囊3发生弯曲。通过向不同的弯转气囊3充入流体介质，能够驱动对应的柔性弯曲关节向不同的方向弯曲。气路部分包括两个双向泵9。第一个双向泵9的两个通液口与其中两个不相邻的弯转气囊3的开口连通；第二个双向泵9的两个通液口与另两个弯转气囊3的开口连通。第一个双向泵9、第二个双向泵9均能够将一个弯转气囊3中的流体介质输向另一个弯转气囊3，使得柔性弯曲关节向被抽出流体介质的弯转气囊3一侧弯曲。通过控制第一个双向泵9、第二个双向泵9工作，能够实现对机械臂弯曲反向和弯曲程度的控制。
如图5所示，万向节5包括均设有中心孔的矩形环6、第一法兰7和第二法兰8。第一法兰7与矩形环6的一组相对侧面构成第一转动副；第二法兰8与矩形环6的另一组相对侧面构成第二转动副；第一转动副的公共轴线与第二转动副的公共轴线相互垂直。第一法兰7与关节座2通过螺栓固定。第一转动副、第二转动副均通过法兰上的铰接孔、矩形环6上的铰接孔和铰接轴实现。
各个柔性弯曲关节依次排列相连；前一个柔性弯曲关节内的第二法兰8与后一个柔性弯曲关节内的关节座通过螺栓固定。万向节5能够使得通过自身连接的两个关节座能够具有两个转动自由度。万向节5内的第一转动副公共轴线与前一个关节座2(与第一法兰7连接的关节座2)的轴线垂直；万向节5内的第二转动副公共轴线与后一个关节座2(与第二法兰8连接的关节座2)的轴线垂直。位于最末端的柔性弯曲关节内的第二法兰8与末端安装块1的内端固定。
各个柔性弯曲关节内两个双向泵9与控制器的多个控制接口分别通过电机驱动器连接。末端安装块1及各个关节座上均安装有陀螺仪；各个陀螺仪的信号输出线均与控制器连接。
该新型柔性机械臂的驱动方法如下：
步骤一、将需要被驱动的输液管道穿过末端安装块1及各个关节座中心孔，并将输液管道与末端安装块1及各个关节座固定，使得输液管将随新型柔性机械臂的运动而运动。
步骤二、根据末端安装块1所需要运动到的空间位置和能够供新型柔性机械臂移动的空间范围(如新型柔性机械臂需要伸入的孔洞的位置和大小)，计算各个柔性弯曲关节的弯曲方向和弯曲角度。
步骤三、控制器控制各个柔性弯曲关节内的第一个双向泵、第二个双向泵泵液，使得各个柔性弯曲关节分别向对应的弯曲方向转动对应弯曲角度。
柔性弯曲关节的弯曲的方法具体如下：
将同一柔性弯曲关节内的四个弯转气囊3分别作为第一弯转气囊、第二弯转气囊、第三弯转气囊、第四弯转气囊。两个双向泵分别作为第一双向泵和第二双向泵。第一弯转气囊、第三弯转气囊与第一双向泵连接；第二弯转气囊、第四弯转气囊与第二双向泵连接。
①.若需要驱动柔性弯曲关节向第一弯转气囊那侧弯曲，则第一双向泵正转，第一弯转气囊缩小，第二弯转气囊膨胀弯曲，使得柔性弯曲关节向第一弯转气囊那侧弯曲。
②.若需要驱动柔性弯曲关节向第二弯转气囊那侧弯曲，则第一双向泵反转，第二弯转气囊缩小，第一弯转气囊膨胀弯曲，使得柔性弯曲关节向第二弯转气囊那侧弯曲。
③.若需要驱动柔性弯曲关节向第三弯转气囊那侧弯曲，则第二双向泵正转，第三弯转气囊缩小，第四弯转气囊膨胀弯曲，使得柔性弯曲关节向第三弯转气囊那侧弯曲。
④.若需要驱动柔性弯曲关节向第四弯转气囊那侧弯曲，则第二双向泵反转，第四弯转气囊缩小，第三弯转气囊膨胀弯曲，使得柔性弯曲关节向第四弯转气囊那侧弯曲。
若需要驱动柔性弯曲关节向第一弯转气囊与第二弯转气囊之间弯曲，则①，②同步执行，弯曲方向由第一双向泵和第二双向泵的泵液量比例决定(通过提前标定即可实现精准控制)。
若需要驱动柔性弯曲关节向第二弯转气囊与第三弯转气囊之间弯曲，则②，③同步执行，弯曲方向由第一双向泵和第二双向泵的泵液量比例决定。
若需要驱动柔性弯曲关节向第三弯转气囊与第四弯转气囊之间弯曲，则③，④同步执行，弯曲方向由第一双向泵和第二双向泵的泵液量比例决定。
若需要驱动柔性弯曲关节向第一弯转气囊与第四弯转气囊之间弯曲，则①，④同步执行，弯曲方向由第一双向泵和第二双向泵的泵液量比例决定。

Claims (8)

1.一种新型柔性机械臂，包括末端安装块和多个柔性弯曲关节；其特征在于：各个柔性弯曲关节依次排列相连；前一个柔性弯曲关节与后一个柔性弯曲关节通过万向节连接；位于最末端的柔性弯曲关节与末端安装块通过万向节连接；所述的柔性弯曲关节包括关节座、弯转气囊、弹簧和气路部分；四个弯转气囊均与关节座上外侧面固定，且沿着关节座中心轴线的周向均布；所述弯转气囊的横截面呈扇环形，且扇环圆心在关节座的中心轴线上；弯转气囊的外边缘面上设置有弯曲变形缝隙；多个弹簧的一端与关节座的外侧面固定；所述的气路部分包括两个双向泵；第一个双向泵的两个通液口与其中两个不相邻的弯转气囊分别连通；第二个双向泵的两个通液口与另两个弯转气囊分别连通。
2.根据权利要求1所述的一种新型柔性机械臂，其特征在于：所述末端安装块及关节座上开设有中心孔；末端安装块及关节座的中心孔中穿过且固定有管路。
3.根据权利要求1所述的一种新型柔性机械臂，其特征在于：所示关节座的两侧均开设有气囊安置槽组；气囊安置槽组包括沿关节座中心轴线周向均布的四个气囊安置槽；同一气囊安置槽组内的任意两个气囊安置槽之间均开设有弹簧固定孔；各个气囊安置槽的底部均开设通气孔；四个弯转气囊与关节座上外侧面的四个气囊安置槽分别固定；弹簧共有四个，四个弹簧的一端与关节座上外侧面的四个弹簧固定孔分别固定。
4.根据权利要求1所述的一种新型柔性机械臂，其特征在于：所述的万向节包括均设有中心孔的矩形环、第一法兰和第二法兰；第一法兰与矩形环的一组相对侧面构成第一转动副；第二法兰与矩形环的另一组相对侧面构成第二转动副；第一转动副的公共轴线与第二转动副的公共轴线相互垂直；第一法兰、第二法兰与相邻两个柔性弯曲关节内的关节座分别固定。
5.根据权利要求1所述的一种新型柔性机械臂，其特征在于：所述末端安装块的内端呈圆柱形，外端呈半球形。
6.根据权利要求1所述的一种新型柔性机械臂，其特征在于：各个柔性弯曲关节内两个双向泵与控制器的多个控制接口分别通过电机驱动器连接。
7.根据权利要求1所述的一种新型柔性机械臂，其特征在于：所述的末端安装块及各个关节座上均安装有陀螺仪；各个陀螺仪的信号输出线均与控制器连接。
8.一种机械臂的驱动方法，应用于权利要求1所述的新型柔性机械臂；其特征在于：
步骤一、根据末端安装块所需要运动到的空间位置和供机械臂移动的空间范围，确定各个柔性弯曲关节的弯曲方向和弯曲角度；
步骤二、控制器控制各个柔性弯曲关节内的第一个双向泵、第二个双向泵进行泵液，使得各个柔性弯曲关节分别向对应的弯曲方向转动对应弯曲角度；
柔性弯曲关节的弯曲的方法具体如下：
将同一柔性弯曲关节内的四个弯转气囊分别作为第一弯转气囊、第二弯转气囊、第三弯转气囊、第四弯转气囊；两个双向泵分别作为第一双向泵和第二双向泵；第一弯转气囊、第三弯转气囊与第一双向泵连接；第二弯转气囊、第四弯转气囊与第二双向泵连接；
①.若需要驱动柔性弯曲关节向第一弯转气囊那侧弯曲，则第一双向泵正转，第一弯转气囊缩小，第二弯转气囊膨胀弯曲，使得柔性弯曲关节向第一弯转气囊那侧弯曲；
②.若需要驱动柔性弯曲关节向第二弯转气囊那侧弯曲，则第一双向泵反转，第二弯转气囊缩小，第一弯转气囊膨胀弯曲，使得柔性弯曲关节向第二弯转气囊那侧弯曲；
③.若需要驱动柔性弯曲关节向第三弯转气囊那侧弯曲，则第二双向泵正转，第三弯转气囊缩小，第四弯转气囊膨胀弯曲，使得柔性弯曲关节向第三弯转气囊那侧弯曲；
④.若需要驱动柔性弯曲关节向第四弯转气囊那侧弯曲，则第二双向泵反转，第四弯转气囊缩小，第三弯转气囊膨胀弯曲，使得柔性弯曲关节向第四弯转气囊那侧弯曲；
若需要驱动柔性弯曲关节向第一弯转气囊与第二弯转气囊之间弯曲，则①，②同步执行，弯曲方向由第一双向泵和第二双向泵的泵液量比例决定；
若需要驱动柔性弯曲关节向第二弯转气囊与第三弯转气囊之间弯曲，则②，③同步执行，弯曲方向由第一双向泵和第二双向泵的泵液量比例决定；
若需要驱动柔性弯曲关节向第三弯转气囊与第四弯转气囊之间弯曲，则③，④同步执行，弯曲方向由第一双向泵和第二双向泵的泵液量比例决定；
若需要驱动柔性弯曲关节向第一弯转气囊与第四弯转气囊之间弯曲，则①，④同步执行，弯曲方向由第一双向泵和第二双向泵的泵液量比例决定。
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