CN112045709B - 一种可变刚度的刚柔耦合机械臂及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变刚度的刚柔耦合机械臂及其驱动方法。柔软连续机械臂在工作时遇到的刚度不足的问题，不能执行刚度要求高的任务。本发明一种可变刚度的刚柔耦合机械臂，包括软体弯转臂和刚性调节组件。软体弯转臂能够进行弯曲运动。软体弯转臂中设置有刚性调节腔；刚性调节腔呈长条形，且沿着软体弯转臂的长度方向设置。刚性调节组件内设置有能够伸入刚性调节腔中的刚性调节杆；刚性调节杆伸入刚性调节腔的部分的长度能够调节。本发明通过将刚性调节杆伸入柔性机械臂中，提高了柔性机械臂的刚度，且能够调节刚性调节杆伸入的程度，从而达到调节柔性机械臂刚性大小的效果。

Description

一种可变刚度的刚柔耦合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，具体涉及一种可变刚度的刚柔耦合机械臂及其驱动方法。

背景技术

随着目前智能化科技的快速发展，智能生活的理念正在被逐渐普及，机械臂在人们的生产生活中被越来越多的应用。如今存在的机械臂按照刚度分为刚性机械臂和柔性机械臂两种，考虑到目前柔软连续机械臂(Soft Continuum Arm，SCA)在工作时遇到的刚度不足的问题，不能执行刚度要求高的任务(如搬运重物)，降低了柔性机械臂的适用范围，且在施加载荷时，柔性机械臂相较于刚性机械臂更易产生形变，从而降低了操作精度；但柔性机械臂又有着灵活度高，工作范围大，可达性好，操作时更加安全等优点。于是考虑将柔性机械臂与刚性机械臂相结合，在保证机械臂刚度和精度符合要求的前提下增强了其灵活性和安全性，提出了可变刚度的刚柔耦合机械臂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可变刚度的刚柔耦合机械臂及其驱动方法。

本发明一种可变刚度的刚柔耦合机械臂，包括软体弯转臂和刚性调节组件。软体弯转臂能够进行弯曲运动。软体弯转臂中设置有刚性调节腔；刚性调节腔呈长条形，且沿着软体弯转臂的长度方向设置。刚性调节组件内设置有能够伸入刚性调节腔中的刚性调节杆；刚性调节杆伸入刚性调节腔的部分的长度能够调节。

作为优选，所述软体弯转臂的内端端部安装在伸缩弯转臂安装座(6-3)上；伸缩弯转臂安装座(6-3)的侧部安装有沿着软体弯转臂的中心轴线周向均布的n个第二测距传感器(10)；第二测距传感器(10)的检测头均朝向软体弯转臂的外端；n≥4；当软体弯转臂发生弯曲时，至少有一个第二测距传感器(10)能够检测到自身到弯曲后的软体弯转臂侧壁的距离；软体弯转臂呈圆柱形，或外侧套置有呈圆柱形的外套筒。

作为优选，所述的软体弯转臂包括气动驱动软管和密封接口；气动驱动软管包括相互平行且呈正三角形排列相连的三根弯转套管。三根弯转套管的连接处均内凹出一个三分之一圆柱面。三根弯转套管的内凹处合围成一个贯通整根气动驱动软管的圆柱形的刚性调节腔。各气动驱动软管的内端均安装有密封接口。密封接口包括通气管和气塞。气塞塞住对应弯转套管的内端。通气管贯穿气塞；

作为优选，所述的刚性调节组件包括缸体、限位块、双出活塞杆和弯转臂安装座；所述的双出活塞杆包括活塞板、刚性调节杆和螺纹杆。刚性调节杆、螺纹杆的相对端与活塞板的两侧分别固定。活塞板在缸体内滑动。刚性调节杆、螺纹杆分别从缸体的两端分别穿出。限位块上的螺纹通孔与螺纹管构成螺旋副。限位块位于缸体外。

弯转臂安装座安装在缸体装有刚性调节杆的那端。刚性调节杆穿过弯转臂安装座的中心孔。弯转臂安装座的侧壁为三个呈正三角形排布、相互贯通的圆柱筒组成。弯转臂安装座的内端端面上开设有三个通气孔。该三个通气孔与三个圆柱筒的轴线位置分别对应。所述的气动驱动软管上的三根弯转套管内端分别伸入弯转臂安装座的三个圆柱筒中并固定。密封接口上的三根通气管分别穿过弯转臂安装座上的三个通气孔。刚性调节组件内的刚性调节杆外端对准气动驱动软管中部的刚性调节腔。

作为优选，所述的限位块由电机和齿轮驱动作螺旋运动。

作为优选，所述的限位块呈圆台形，且外侧面上设置有用于防滑的花纹；限位块外侧面的内端端部开有用于安装第一测距传感器的安装槽。第一测距传感器的检测头朝向缸体。

作为优选，本发明一种可变刚度的刚柔耦合机械臂还包括支座、支架和底座。底座能够绕竖直轴线转动，且由电机驱动。支架的一端与底座构成转动副，且由电机驱动旋转。支座的中部与支架的另一端构成转动副，且由电机驱动旋转。软体弯转臂和刚性调节组件安装在支座上。

作为优选，所述的刚性调节杆由电动推杆或气缸或液压缸或齿轮齿条驱动进行伸缩。

作为优选，所述的软体弯转臂的外端固定有末端安装块。

该可变刚度的刚柔耦合机械臂的驱动方法具体如下：

步骤一、调节刚性调节杆伸入刚性调节腔的部分的长度，从而调节软体弯转臂的刚性。

步骤二、驱动软体弯转臂向目标方向弯曲；并通过各第二测距传感器检测气动驱动软管的弯曲程度。根据检测到的弯曲程度进一步调节软体弯转臂的运动幅度，形成负反馈调节，从而使得气动驱动软管达到目标弯曲程度。

软体弯转臂的弯曲程度由扭转角α的大小来认定；扭转角α为软体弯转臂弯曲成的圆弧形的圆心角，其值也大，则弯曲程度越大；扭转角

其中，R₁为第二测距传感器到软体弯转臂中心轴线的距离；r为软体弯转臂的外半径；L为软体弯转臂的长度；L₁为n个第二测距传感器中最靠近目标方向的那个第二测距传感器测得的距离；L₂为刚性调节杆(5-2)伸入刚性调节腔(2-2)部分的长度。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明通过将刚性调节杆伸入柔性机械臂中，提高了柔性机械臂的刚度，且能够调节刚性调节杆伸入的程度，从而达到调节柔性机械臂刚性大小的效果。

2、本发明中的第一测距传感器能够精确检测限位块位于丝杠上的位置从而更好地控制刚性调节杆的释放量；各第二测距传感器能够将测出的距离进行近似运算从而得出较为准确的弯曲角度，形成对柔性机械臂驱动的负反馈调节。

3、本发明通过设置多个关节以及底盘大齿轮，能够实现大范围的运动，扩大了机械臂的工作空间，增强了可达性。

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是本发明中支座的示意图；

图4是本发明中双出活塞杆的示意图；

图5是本发明中限位块的示意图；

图6是本发明中气动驱动软管和末端安装块的示意图；

图7是本发明中密封接口的示意图；

图8是用第二测距传感器检测气动驱动软管弯曲程度的简化模型示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1和2所示，一种可变刚度的刚柔耦合机械臂，包括软体弯转臂A、刚性调节组件B和控制组件。软体弯转臂A安装在刚性调节组件B上。刚性调节组件B包括缸体3、限位块4、双出活塞杆5、支座6、支架7和底座8；底座8与外部的机架构成公共轴线竖直设置的转动副。底座8的底部固定有齿轮。齿轮的轴线与底座8的转动轴线重合。底座8通过电机-齿轮啮合驱动旋转。支架7的一端与底座8构成转动副，且由电机驱动旋转。支座6的中部与支架7的另一端构成转动副，且由电机驱动旋转。通过支座6、支架7和底座8的旋转，能够自由调节该刚柔耦合机械臂的朝向和姿态。

如图2、3和4所示，支座6上设置有依次间隔排列的第一端部安装座6-1、第二端部安装座6-2和弯转臂安装座6-3；第一端部安装座6-1、第二端部安装座6-2和弯转臂安装座6-3上均开设有轴线重合的中心通孔；缸体3固定在第一端部安装座6-1、第二端部安装座6-2之间。第一端部安装座6-1可拆卸，使得缸体3能够拆卸。双出活塞杆5包括活塞板5-1、刚性调节杆5-2和螺纹杆5-3。刚性调节杆5-2、螺纹杆5-3的相对端与活塞板5-1的两侧面中心位置分别固定。活塞板5-1与缸体3的内腔构成滑动副，将缸体3的内腔分为两个相互独立的腔室。刚性调节杆5-2、螺纹杆5-3分别从缸体3的两端分别穿出。螺纹杆5-3位于活塞板5-1远离弯转臂安装座6-3的一侧。刚性调节杆5-2穿过弯转臂安装座6-3的中心孔。

如图2、4和5所示，限位块4上的螺纹通孔4-3与螺纹管构成螺旋副。限位块4位于缸体3以外。通过调节限位块4的位置，能够限定刚性杆5推出的长度(当限位块4抵住缸体的端部，使得刚性杆5到达极限位置)。限位块4整体呈圆台形，且外侧面上带有用于增大摩擦的长方形花纹4-2；限位块4外侧面的内端端部开有用于安装第一测距传感器11的安装槽4-1。第一测距传感器11的检测头朝向缸体3，用于检测限位块4到缸体的距离。

弯转臂安装座6-3的侧壁为三个呈正三角形排布、相互贯通的圆柱筒组成。弯转臂安装座6-3的内端端面上开设有三个通气孔。该三个通气孔与三个圆柱筒的轴线位置分别对应。弯转臂安装座6-3的侧壁外端套置固定有圆环；圆环的圆周上均匀镶嵌有六个夹口；六个夹口上均安装有第二测距传感器10。第二测距传感器10的检测头均朝外设置。

如图1、6和7所示，软体弯转臂A包括末端安装块1、气动驱动软管2、外套筒、和密封接口9；气动驱动软管2的外侧套置有呈圆柱筒状的外套筒12。外套筒12随着气动驱动软管2的弯曲而弯曲，要与使得软体弯转臂的向不同方向弯曲时形状保持一致，避免弯曲程度检测时由弯曲方向不同带来的误差。外套筒的半径小于第二测距传感器10到弯转臂安装座6-3中心轴线的距离；当气动驱动软管2保持直线时，第二测距传感器10无法检测到外套筒的外侧壁。当气动驱动软管2发生弯曲时，有至少一个第二测距传感器10能够检测外套筒的外侧壁，根据该第二测距传感器10检测到的距离即可计算出气动驱动软管2的弯曲程度。气动驱动软管2的外端固定有末端安装块1。末端安装块1用于安装包括各类末端执行器(如摄像机、气动吸盘、机械夹爪)。气动驱动软管2包括相互平行且呈正三角形排列相连的三根弯转套管2-1(各弯转套管2-1粘接在一起，形成一个整体)。弯转套管2-1采用纤维增强弹性体套管(Fiber Reinforced Elastomeric Enclosures，FREE)；通过分别调节三根弯转套管2-1内气压大小，能够驱动气动驱动软管2的外端向任意方向弯曲。三根弯转套管2-1的连接处均内凹出一个三分之一圆柱面。三根弯转套管2-1的内凹处合围成一个贯通整根气动驱动软管2的圆柱形的刚性调节腔2-2。

各弯转套管2-1(的内端均安装有密封接口9。密封接口9包括通气管9-1和气塞9-2。气塞9-3的侧部开设有让位凹槽9-3。让位凹槽9-3的位置和截面形状与弯转套管2-1的的内凹处一致；气塞9-3塞住对应弯转套管2-1的内端。通气管9-1为硬管，贯穿气塞9-2，且外端伸出气塞9-2的外侧；气动驱动软管2上的三根弯转套管2-1内端分别伸入弯转臂安装座6-3的三个圆柱筒中并固定。密封接口9上的三根通气管9-1分别穿过弯转臂安装座6-3上的三个通气孔，并各自经对应的压力调节阀连接到气泵，实现三根弯转套管2-1内气压的独立动态控制。

刚性调节组件内的刚性调节杆5-2外端对准气动驱动软管2中部的刚性调节腔2-2；通过控制缸体内腔的气压，能够驱动刚性调节杆5-2伸入刚性调节腔2-2内；刚性调节杆5-2伸入刚性调节腔2-2的深度由限位块4的位置决定。气动驱动软管2中伸入刚性调节杆5-2的部分保持刚性，无法发生弯曲；因此，通过调节刚性调节杆5-2伸入气动驱动软管2内部的深度，能够调节气动驱动软管2能够受驱动发生弯曲的部分的长度；当刚性调节杆5-2的伸入量较小时，气动驱动软管2的可弯曲部分较长，能够在较大范围内运动，但刚性较差，不利于精准控制和承担大载荷；当刚性调节杆5-2的伸入量较大时，气动驱动软管2的可弯曲部分较短，运动范围缩小，但刚性提高，能够实现精准控制和承担较大载荷。因此，本通过调节伸入气动驱动软管2的刚性调节杆5-2深度，即可调节该刚柔耦合机械臂的刚性大小。

控制组件包括压力调节阀、气泵、换向阀和控制器。三根弯转套管2-1的内腔分别经进气管连接到三个压力调节阀；三个压力调节阀再连接到气泵，实现三根弯转套管2-1内气压的独立调节；缸体3内腔两端的通气口与气泵通过换向阀连接；通过换向阀能够启动刚性调节杆5-2推出或缩回。换向阀和各压力调节阀均由控制器进行控制。控制器采用单片机。

该可变刚度的刚柔耦合机械臂的驱动方法具体如下：

步骤一、根据软管末端安装块1所需要运动到的空间位置，确定支座6、支架7和底座8旋转方向和角度。

步骤二、根据所施加的载荷确定气动驱动软管2的刚度要求，通过刚度要求和气动驱动软管2运动幅度大小的需要伸入气动驱动软管2的刚性调节杆5-2长度；通过调节限位块4在螺纹杆5-3上的位置调节刚性调节杆5-2推出时伸入气动驱动软管2的长度至目标值。

步骤三、通过分别调节是三根弯转套管2-1内的气压大小，驱动气动驱动软管2向目标方向弯曲；通过各第二测距传感器检测气动驱动软管2的弯曲程度。根据检测到的弯曲程度进一步调节三根弯转套管2-1内的气压大小，形成负反馈调节，从而使得气动驱动软管2达到目标弯曲程度，从而带动末端安装块1到达目标位置。

驱动气动驱动软管2向目标方向弯曲的过程如下：

将所述三根弯转套管2-1分别作为第一弯转套管2-1、第二弯转套管2-1、第三弯转套管2-1。

若需要使软管向第一弯转套管2-1一侧弯曲，则只需令第二弯转套管2-1和第三弯转套管2-1同时通气，具体弯曲方向由第二弯转套管2-1和第三弯转套管2-1的通气量比例决定。

若需要使软管向第二弯转套管2-1一侧弯曲，则只需令第一弯转套管2-1和第三弯转套管2-1同时通气，具体弯曲方向由第一弯转套管2-1和第三弯转套管2-1的通气量比例决定。

若需要使软管向第三弯转套管2-1一侧弯曲，则只需令第一弯转套管2-1和第二弯转套管2-1同时通气，具体弯曲方向由第一弯转套管2-1和第二弯转套管2-1的通气量比例决定。

通过第二测距传感器检测气动驱动软管2弯曲程度的原理如下：

如图8所示，将外套筒的外半径的长度与外套筒的外半径相比较，外套筒的外半径的长度远大于外套筒的外半径，且由于管内气压均匀，外套筒弯曲近似为圆弧。综上所述，不妨将软体弯转臂A简化为一个理想化的模型，如图8所示，其中EFG段为外套筒的轴心线，DBI段为弯曲方向平均半径的底线，点B为底线上弯曲段的起始点，点D为底线上弯曲段的终点，点O为BD圆弧段的圆心，点C为第二测距传感器的测距点，点A为点C在OB上的垂直投影点，r为软管横截面的平均半径，R₁为水平轴心线到第二测距传感器的距离，R为圆弧BD的半径，H为第二测距传感器到外套筒外侧壁的距离，L1为红外测距传感器测量的距离，L₂为刚性棒进入软管的长度，L₃是距离平均半径为H处软管的弯曲长度，L₄为弯曲部分的弧长，α是弯曲部分的扭转角，软管的初始总长度为L。

计算得到软管平均半径r，测量得到软管初始总长度L、红外测距传感器到轴心线的距离R₁、红外测距传感器值L₁和刚性棒进入长度L₂，我们可以得到弯曲部分扭转角α的大小，具体计算方法如下：

因为已知长度关系：

|CO|＝R

|AO|＝R-H＝R-(R₁-r)＝R+r-R₁

|AC|＝L₃＝L₁-L₂

故可列勾股定理方程：

|AC|²+|AO|²＝|CO|²

即(L₁-L₂)²+(R+r-R₁)²＝R²

解方程得：

能够得到圆弧的半径的值，又有

|L₄|＝L-L₂

于是能够得到扭转角α的值：

将六个第二测距传感器中最靠近目标方向的那个第二测距传感器测得的距离作为L₁代入上式(扭转角α的表达式)，即可获得气动驱动软管2的弯曲程度。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：限位块4的位置有电机和齿轮驱动进行调节；安装在电机上的齿轮宽度较大，使得限位块4移动到不同位置均不影响齿轮啮合，保持限位块4能够被电动驱动。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：缸体3、限位块4、双出活塞杆5由电动推杆代替；通过调节电动推杆伸入气动驱动软管2的深度调节气动驱动软管2的刚性和运动范围。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于：控制组件中不设压力调节阀；三根弯转套管2-1分别连接到三个气泵；缸体3经换向阀连接到第四个气泵。

Claims (8)

1.一种可变刚度的刚柔耦合机械臂，包括软体弯转臂；其特征在于：还包括刚性调节组件；软体弯转臂能够进行弯曲运动；软体弯转臂中设置有刚性调节腔(2-2)；刚性调节腔(2-2)呈长条形，且沿着软体弯转臂的长度方向设置；刚性调节组件内设置有能够伸入刚性调节腔(2-2)中的刚性调节杆(5-2)；刚性调节杆(5-2)伸入刚性调节腔(2-2)的部分的长度能够调节；

所述的软体弯转臂包括气动驱动软管(2)和密封接口(9)；气动驱动软管(2)包括相互平行且呈正三角形排列相连的三根弯转套管(2-1)；三根弯转套管(2-1)的连接处均内凹出一个三分之一圆柱面；三根弯转套管(2-1)的内凹处合围成一个贯通整根气动驱动软管(2)的圆柱形的刚性调节腔(2-2)；各气动驱动软管(2)的内端均安装有密封接口(9)；密封接口(9)包括通气管(9-1)和气塞(9-2)；气塞(9-2)塞住对应弯转套管(2-1)的内端；通气管(9-1)贯穿气塞(9-2)；

所述的刚性调节组件包括缸体(3)、限位块(4)、双出活塞杆(5)和伸缩弯转臂安装座(6-3)；所述的双出活塞杆(5)包括活塞板(5-1)、刚性调节杆(5-2)和螺纹杆(5-3)；刚性调节杆(5-2)、螺纹杆(5-3)的相对端与活塞板(5-1)的两侧分别固定；活塞板(5-1)在缸体(3)内滑动；刚性调节杆(5-2)、螺纹杆(5-3)分别从缸体(3)的两端分别穿出；限位块(4)上的螺纹通孔(4-3)与螺纹杆(5-3)构成螺旋副；限位块(4)位于缸体(3)外；伸缩弯转臂安装座(6-3)安装在缸体(3)装有刚性调节杆(5-2)的那端；刚性调节杆(5-2)穿过伸缩弯转臂安装座(6-3)的中心孔；伸缩弯转臂安装座(6-3)的侧壁为三个呈正三角形排布、相互贯通的圆柱筒组成；伸缩弯转臂安装座(6-3)的内端端面上开设有三个通气孔；该三个通气孔与三个圆柱筒的轴线位置分别对应；所述的气动驱动软管(2)上的三根弯转套管(2-1)内端分别伸入伸缩弯转臂安装座(6-3)的三个圆柱筒中并固定；密封接口(9)上的三根通气管(9-1)分别穿过伸缩弯转臂安装座(6-3)上的三个通气孔；刚性调节组件内的刚性调节杆(5-2)外端对准气动驱动软管(2)中部的刚性调节腔(2-2)。

2.根据权利要求1所述的一种可变刚度的刚柔耦合机械臂，其特征在于：所述软体弯转臂的内端端部安装在伸缩弯转臂安装座(6-3)上；伸缩弯转臂安装座(6-3)的侧部安装有沿着软体弯转臂的中心轴线周向均布的n个第二测距传感器(10)；第二测距传感器(10)的检测头均朝向软体弯转臂的外端；n≥4；当软体弯转臂发生弯曲时，至少有一个第二测距传感器(10)能够检测到自身到弯曲后的软体弯转臂侧壁的距离；软体弯转臂呈圆柱形，或外侧套置有呈圆柱形的外套筒(12)。

3.根据权利要求1所述的一种可变刚度的刚柔耦合机械臂，其特征在于：所述的限位块(4)由电机和齿轮驱动作螺旋运动。

4.根据权利要求1所述的一种可变刚度的刚柔耦合机械臂，其特征在于：所述的限位块(4)呈圆台形，且外侧面上设置有用于防滑的花纹(4-2)；限位块(4)外侧面的内端端部开有用于安装第一测距传感器(11)的安装槽(4-1)；第一测距传感器(11)的检测头朝向缸体(3)。

5.根据权利要求1所述的一种可变刚度的刚柔耦合机械臂，其特征在于：还包括支座(6)、支架(7)和底座(8)；底座(8)能够绕竖直轴线转动，且由电机驱动；支架(7)的一端与底座(8)构成转动副，且由电机驱动旋转；支座(6)的中部与支架(7)的另一端构成转动副，且由电机驱动旋转；软体弯转臂和刚性调节组件安装在支座(6)上。

6.根据权利要求1所述的一种可变刚度的刚柔耦合机械臂，其特征在于：所述的刚性调节杆(5-2)由电动推杆或气缸或液压缸或齿轮齿条驱动进行伸缩。

7.根据权利要求1所述的一种可变刚度的刚柔耦合机械臂，其特征在于：所述的软体弯转臂的外端固定有末端安装块(1)。

8.如权利要求2所述的一种可变刚度的刚柔耦合机械臂的驱动方法，其特征在于：步骤一、调节刚性调节杆(5-2)伸入刚性调节腔(2-2)的部分的长度，从而调节软体弯转臂的刚性；

步骤二、驱动软体弯转臂向目标方向弯曲；并通过各第二测距传感器检测气动驱动软管(2)的弯曲程度；根据检测到的弯曲程度进一步调节软体弯转臂的运动幅度，形成负反馈调节，从而使得气动驱动软管(2)达到目标弯曲程度；

软体弯转臂的弯曲程度由扭转角α的大小来认定；扭转角α为软体弯转臂弯曲成的圆弧形的圆心角，其值越 大，则弯曲程度越大；扭转角

其中，R₁为第二测距传感器到软体弯转臂中心轴线的距离；r为软体弯转臂的外半径；L为软体弯转臂的长度；L₁为n个第二测距传感器中最靠近目标方向的那个第二测距传感器测得的距离；L₂为刚性调节杆(5-2)伸入刚性调节腔(2-2)部分的长度。

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