CN112720437A - 一种球关节气动锁紧型变刚度软体臂骨架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球关节气动锁紧型变刚度软体臂骨架，属于机械臂领域，包括若干个依次连接的转动组件，所述转动组件包括外轴节和内轴节，所述外轴节和内轴节之间通过球关节连接，球关节包括气动弹性件、两个外轴节锁紧件和两个内轴节锁紧件，通过所述气动弹性件的收缩，可以改变对锁紧件的压力，从而使关节处的刚度改变，解决了现有技术中，软体臂难以定型的问题。

Description

一种球关节气动锁紧型变刚度软体臂骨架

技术领域

本发明涉及一种机械臂结构，尤其是涉及一种球关节气动锁紧型变刚度软体臂骨架。

背景技术

经过半个多世纪的发展，刚性机器人的研究体系已经非常成熟，并且在工业中的应用得到了全面的发展和推广。而现如今，随着人类生活质量的提高，机器人不仅可以应用在工业上，还可以应用在日常生活中。但是目前刚体机器人的交互性较弱，且驱动方式多为电机驱动，电机在运动时会产生很大的惯性。在与外界环境接触时，不可避免地会发生刚性碰撞，产生一定的危险。我们希望机器人能够与人类和环境直接互动。软体机器人就应运而生。近年来，科学家们设计了各种软触手机器或连续触手机器人来解决这个问题。软体机器人是由柔性材料制成的。软触型机器人可以实现刚性机器人无法实现的扭转、卷曲、拉伸、柔性接触等动作。但是也是因为软体机器人的高柔性和无限自由度，所以缺乏刚性，导致其运动具有不确定性，难以在日常生活中有效应用。本发明设计的刚柔软耦合变刚度骨架可以快速有效地改变软机器人在运动过程中的刚度。

例如，在中国专利文献上公开的“多轴机械臂的管路布置结构及具有其结构的机器人”，其公告号为CN206527756U，包括第一机械臂，第一机械臂的端部固接有第一U型件，第一U型件通过第一铰接轴与转换杆的一端铰接，转换杆的另外一端通过第二铰接轴与第二U型件铰接，第二U型件固接在第二机械臂的端部上，第一铰接轴与第二铰接轴相互垂直；与第一U型件的一侧壁的外侧壁同侧的第一机械臂的外侧壁的中部固接有软管，软管沿着第一机械臂的长度方向延伸，软管穿过第一U型件的外侧壁的中部后延伸到转换杆上，软管在转换杆的中部弯折延伸到转换杆的相邻的侧壁上，软管在第二侧壁的中部朝向第二机械臂弯折延伸到第二U型件上，继而延伸到第二机械臂上，该实用新型可以减小机械臂与软管在三维空间的尺寸，然而，其不足之处在于，该实用新型所述的机械臂的刚度是固定的，当多节机械臂连接在一起形成高自由度的机械臂组时，该实用新型所述的机械臂需要分别控制所有相邻机械臂的相对运动才能完整控制机械臂的运动，无法与完成交互运动。

例如，在中国专利文献上公开的“一种触毛感知的软体机械臂”，其公告号为CN110587658A，该软体机械臂包括软体臂主体和中央处理器，所述软体臂主体外侧套有管套，管套随软体臂主体弯曲摆动而发生变形；所述管套外壁设有触毛，触毛一端固定于管套外壁，另一端自由摆动；所述触毛分成若干列排布，同一列的触毛相邻间距一致；触毛的固定一端设有用于感应触毛摆动方向的感应触头，所述感应触头与中央处理器电连接，将相关感应信号传送至中央处理器，该发明所述软体机械臂可以很好的实现与环境的交互，然而，其不足之处在于，其运动具有不确定性，难以对其进行运动控制。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中，机械臂的刚度无法调节，导致无法同时实现运动控制和环境交互功能的问题，提供一种球关节气动锁紧型变刚度软体臂骨架，可以方便快速调整机械臂的刚度，从而满足不同场景的使用需求。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明，一种球关节气动锁紧型变刚度软体臂骨架，包括封闭节和若干个依次连接的转动组件，所述转动组件包括外轴节和内轴节，所述转动组件的外轴节套在与其相邻的转动组件的内轴节上，所述外轴节和内轴节之间通过球关节连接，所述外轴节包括分别位于球关节两侧的两个外轴节连接部，所述内轴节包括分别位于球关节两侧的两个内轴节连接部，所述球关节包括气动弹性件、两个外轴节锁紧件和两个内轴节锁紧件，所述的两个外轴节锁紧件分别与两个所述的外轴节连接部转动连接，所述的两个内轴节锁紧件分别与两个所述的内轴节连接部转动连接，所述的两个外轴节锁紧件分别位于所述气动弹性件的两侧，所述的两个内轴节锁紧件分别位于所述气动弹性件的两侧。

所述转动组件可以通过依次连接来改变骨架整体的长度和自由度，连接的转动组件越多，骨架整体的长度越长，自由度也越大，因此本方案中，可以方便地对骨架整体的长度和自由度进行设置和调节；通过所述外轴节套在内轴节上的结构，使单个转动组件的长度可以通过外轴节和内轴节在轴向上的相对移动来调节，从而提高了骨架整体的自由度；本方案中通过气动弹性件来调节外轴节锁紧件和内轴节锁紧件受到的压力，通过所述外轴节锁紧件和外轴节连接部之间的挤压力来调整外轴节与球关节之间的刚度，通过所述内轴节锁紧件和内轴节连接部之间的挤压力来调整内轴节与球关节之间的刚度；当所述外轴节锁紧件和外轴节连接部之间的挤压力增大时，两者之间发生相对转动时的摩擦力也增大，从而使该处结构的刚度提高，从而使结构更容易控制，在不受到外力时，骨架也可以保持其原有的结构；反之，当所述外轴节锁紧件和外轴节连接部之间的挤压力减小时，两者之间发生相对转动时的摩擦力也减小，此时，骨架整体的柔性提高，更容易改变形状；当若干个转动组件依次连接后，骨架的任意一处受到外力时，都可以通过各个转动组件的转动使该处骨架移动到区域内的任意一点；当骨架变形成所需的形状后，可以通过增加挤压力来使外轴节和内轴节锁紧，从而使骨架定型，根据使用环境的不同，可以调整锁紧力来得到较小或较大的刚度，当机械臂进行交互时，刚度较小的关节处优先转动，刚度较大的关节处较难转动，从而可以控制机械臂在自由变形后的形状；当需要对骨架进行局部调整时，可以通过锁紧部分关节来提高部分转动组件的刚度；由于本方案中锁紧的过程是无级的，锁紧力的大小可以是一定范围内的任意值，而动物骨架在受力时，各个关节处运动的刚度也是各不相同的，因此本方案中的骨架还可以用于模拟动物的动作。

作为优选，所述内轴节锁紧件包括内轴节卡接部和卡接口，所述内轴节锁紧件的内轴节卡接部卡接在与该内轴节锁紧件位于同一球关节中的另一个内轴节锁紧件的卡接口中；通过所述内轴节卡接部和卡接口的卡接，可以使两个内轴节锁紧件连接在一起，当骨架运动时，卡接部可以负担一部分载荷，避免内轴节连接部与内轴节锁紧件连接处受到的载荷过大导致结构使用寿命降低。

作为优选，所述的位于同一球关节中的两个内轴节锁紧件组合成球关节环部，位于同一球关节中的两个所述的外轴节锁紧件分别位于所述球关节环部的两侧，所述外轴节锁紧件上设有两个外轴节卡接部，所述的两个外轴节卡接部分别卡接在位于同一球关节中的两个内轴节锁紧件的卡接口中，通过所述外轴节卡接部和卡接口的卡接，可以使外轴节锁紧件和内轴节锁紧件连接在一起形成整体，便于组装，当骨架运动时，卡接部可以负担一部分载荷，避免外轴节连接部与外轴节锁紧件连接处受到的载荷过大导致结构使用寿命降低。

作为优选，所述外轴节卡接部包括呈“八”字型的两个外轴节卡接脚，所述外轴节卡接脚上设有限位部，所述限位部位于所述卡接口内；由于所述“八”字型的外轴节卡接脚的存在，当外轴节锁紧件距离内轴节锁紧件越远时，两者之间的挤压力越大，从而避免球关节在骨架运动时发生松动。

作为优选，所述内轴节卡接部包括内轴节卡接脚，所述气动弹性件与所述外轴节卡接脚、内轴节卡接脚接触，通过所述外轴节卡接脚、内轴节卡接脚可以控制接触面的方向，从而控制挤压力的方向，从而尽可能避免无效力。

作为优选，所述外轴节的一端上设有弹性夹板，通过所述弹性夹板可以使外轴节直接夹在内轴节外，安装方便。

作为优选，所述弹性夹板包括两块导向夹板和两块夹紧夹板，所述导向夹板和夹紧夹板周向间隔设置在外轴节的端部；所述内轴节上设有与所述导向夹板适配的内轴节导向槽，所述封闭节上设有与所述导向夹板适配的封闭节导向槽；通过所述导向夹板和导向槽的配合可以使避免外轴节和内轴节在轴心上的相对转动，从而避免能量损失。

作为优选，所述内轴节的一端设有夹板限位部，所述夹紧夹板朝向所述内轴节的一侧上设有夹紧夹板限位凸台，所述导向夹板朝向所述内轴节的一侧上设有导向夹板限位凸台，所述夹紧夹板限位凸台和导向夹板限位凸台可以避免外轴节从内轴节上脱出，由于所述导向夹板限位凸台位于导向槽中，因此其厚度要大于所述夹紧夹板限位凸台，而通过将导向夹板直接夹在导向槽外，可以提高导向夹板与内轴节之间的夹紧力，从而使外轴节和内轴节轴向相对固定。

作为优选，所述外轴节连接部上设有与所述外轴节锁紧件外形适配的球面槽，所述内轴节连接部上设有与所述内轴节锁紧件外形适配的球面槽；所述球面槽可以增加接触面积，从而减小压强，使连接处更不容易磨损，提高使用寿命。

所述气动弹性件为硅胶材料的气囊，所述气囊上连接有气管，所述外轴节锁紧件或所述内轴节锁紧件上设有气管口；通过气管对气囊进行充气和放气，可以简单快速地实现气动弹性件对外轴节锁紧件、内轴节锁紧件压力的调整。

因此，本发明具有如下有益效果：（1）可以通过气动控制实现机械臂骨架刚度的调整，从而适应不同环境的使用需求；（2）结构简单、安装方便，骨架使用寿命较高。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图2是本发明内轴节的一种结构示意图。

图3是本发明外轴节的一种结构示意图。

图4是本发明封闭节的一种结构示意图。

图5是本发明球关节的一种爆炸结构示意图。

图6是本发明外轴节锁紧件的一种结构示意图。

图7是本发明内轴节锁紧件的一种结构示意图。

图中：1、封闭节 11、封闭节导向槽 2、外轴节 21、外轴节连接部 22、导向夹板 221、导向夹板限位凸台 23、夹紧夹板 231、夹紧夹板限位凸台 3、内轴节 31、内轴节连接部 32、内轴节导向槽 33、夹板限位部 4、球关节 41、外轴节转轴 42、内轴节转轴 43、气动弹性件 44、外轴节锁紧件 441、外轴节卡接脚 442、限位部 45、内轴节锁紧件 451、内轴节卡接脚 452、卡接口 4521、第一窗口 4522、第二窗口 46、气管口。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1-5所示的实施例中，一种球关节气动锁紧型变刚度软体臂骨架，包括位于一端的封闭节1和若干个依次连接的转动组件，所述转动组件包括外轴节2和内轴节3，所述封闭节与其中一个转动组件的外轴节连接，所述转动组件的外轴节套在与其相邻的转动组件的内轴节上，所述外轴节和内轴节之间通过球关节4连接，所述外轴节包括分别位于球关节两侧的两个外轴节连接部21，所述球关节上设有两个与外轴节连接部转动连接的外轴节转轴41，所述的两个外轴节转动共线，所述内轴节包括分别位于球关节两侧的两个内轴节连接部31，所述球关节上设有两个与内轴节连接部转动连接的内轴节转轴42，所述的两个内轴节转轴共线；所述球关节包括气动弹性件43、两个外轴节锁紧件44和两个内轴节锁紧件45，所述气动弹性件为硅胶材料的气囊，所述气囊上连接有气管，所述内轴节锁紧件上设有气管口46，所述气管口也可以设置在外轴节锁紧件上，所述的两个外轴节锁紧件分别位于所述气动弹性件的两侧，所述的两个内轴节锁紧件分别位于所述气动弹性件的两侧；所述外轴节锁紧件的外形为球面型，所述内轴节锁紧件的截面形状为半圆环；所述内轴节锁紧件包括内轴节卡接部和卡接口452，所述内轴节锁紧件的内轴节卡接部卡接在与该内轴节锁紧件位于同一球关节中的另一个内轴节锁紧件的卡接口中，所述卡接口包括相连的第一窗口4521和第二窗口4522，所述内轴节卡接部位于所述第一窗口内，所述第一窗口与所述内轴节卡接部的宽度适配；所述的位于同一球关节中的两个内轴节锁紧件组合成球关节环部，位于同一球关节中的两个所述的外轴节锁紧件分别位于所述球关节环部的两侧，所述外轴节锁紧件上设有两个外轴节卡接部，所述的两个外轴节卡接部分别卡接在位于同一球关节中的两个内轴节锁紧件的卡接口中，所述外轴节卡接部位于所述第二窗口内；所述外轴节卡接部包括呈“八”字型的两个外轴节卡接脚441，所述外轴节卡接脚上设有限位部442，所述限位部位于所述卡接口内；所述内轴节卡接部包括内轴节卡接脚451，所述气动弹性件与所述外轴节卡接脚、内轴节卡接脚接触；所述外轴节的一端上设有弹性夹板；所述弹性夹板包括两块导向夹板22和两块夹紧夹板23，所述导向夹板和夹紧夹板周向间隔设置在外轴节的端部；所述内轴节上设有与所述导向夹板适配的内轴节导向槽32，所述封闭节上设有与所述导向夹板适配的封闭节导向槽11；所述内轴节的一端设有夹板限位部33，所述封闭节的一端设有同样的夹板限位部，所述夹紧夹板朝向所述内轴节的一侧上设有夹紧夹板限位凸台231，所述导向夹板朝向所述内轴节的一侧上设有导向夹板限位凸台221，所述导向夹板限位凸台的厚度大于所述夹紧夹板限位凸台；所述外轴节连接部上设有与所述外轴节锁紧件外形适配的球面槽，所述内轴节连接部上设有与所述内轴节锁紧件外形适配的球面槽。

在进行组装时，先将气动弹性件放在两个内轴节锁紧件之间，并将两个内轴节锁紧件的内轴节卡接部分别插入另一个内轴节锁紧件的第一窗口中，从而形成球关节环部，然后通过将外轴节卡接脚的限位部插入所述第二窗口中，将两个所述的外轴节卡接部分别安装在球关节环部的两侧，从而形成球关节；然后将所述球关节安装在外轴节和内轴节之间，从而使两个外轴节连接部位于球关节的两侧，两个内轴节连接部位于球关节的两侧，然后通过气管向气动弹性件充气，气动弹性件充气后与外轴节卡接脚、内轴节卡接脚发生挤压，将两个外轴节锁紧件和两个内轴节锁紧件向外挤开，从而使外轴节转轴伸入外轴节连接部上的轴孔中，使内轴节转轴伸入内轴节连接部上的轴孔中，从而使外轴节和内轴节均可相对球关节进行转动，从而形成转动组件，通过将所述转动组件的外轴节套在所述封闭节上可以形成一个单关节的软体臂；通过将任意数量的转动组件的外轴节套在前一个转动组件的内轴节上，可以形成任意关节数的软体臂。

当气囊充气后，由于内部存在气压，外轴节锁紧件和内轴节锁紧件分别顶在外轴节连接部和内轴节连接部上，因此，当气囊内气压越大时，顶紧的力也越大，外轴节和内轴节更难与球关节发生转动，这意味着此处关节的刚度提高了；因此，通过对气囊内气压的调节，可以实现关节的刚度调节。

对于一般的刚性机械臂而言，只能通过电机控制其运动，无法通过在机械臂的一端移动来使机械臂变形，因此无法实现与环境交互的功能；而对于一般的软体臂而言，其在变形后的形状具有不确定性，难以控制；而本申请中的软体臂可以通过气囊的减压，减小刚度，从而使其能够更省力的变形，可以通过其气囊的加压，使其能够固定在某一特定形状；还可以通过控制气囊的压力，使机械臂处于不会因重力而转动，但可以在稍大的外力作用下转动变形的状态。

当更多数量的转动组件进行组合形成软体臂时，可以通过对不同关节的刚度调节，使软体臂的高刚度部分和低刚度部分的长度进行调配，可以用于模拟各种动物的骨骼结构。

通过所述外轴节和相邻转动组件的内轴节的相对轴向移动，可以实现单个关节的臂长调节，当封闭节固定后，单关节的软体臂就具有三个自由度，可以到达一定区域内的任意位置；而当使用多个关节的软体臂时，可以通过将所述通过将导向夹板直接夹在导向槽外，可以提高导向夹板与内轴节之间的夹紧力，从而使外轴节和内轴节轴向相对固定，从而降低某一处的自由度，从而使软体臂具有更确定的运动轨迹。

Claims (10)

1.一种球关节气动锁紧型变刚度软体臂骨架，其特征是，包括封闭节和若干个依次连接的转动组件，所述转动组件包括外轴节和内轴节，所述转动组件的外轴节套在与其相邻的转动组件的内轴节上，所述外轴节和内轴节之间通过球关节连接，所述外轴节包括分别位于球关节两侧的两个外轴节连接部，所述内轴节包括分别位于球关节两侧的两个内轴节连接部，所述球关节包括气动弹性件、两个外轴节锁紧件和两个内轴节锁紧件，所述的两个外轴节锁紧件分别与两个所述的外轴节连接部转动连接，所述的两个内轴节锁紧件分别与两个所述的内轴节连接部转动连接，所述的两个外轴节锁紧件分别位于所述气动弹性件的两侧，所述的两个内轴节锁紧件分别位于所述气动弹性件的两侧。

2.根据权利要求1所述的一种球关节气动锁紧型变刚度软体臂骨架，其特征是，所述内轴节锁紧件包括内轴节卡接部和卡接口，所述内轴节锁紧件的内轴节卡接部卡接在与该内轴节锁紧件位于同一球关节中的另一个内轴节锁紧件的卡接口中。

3.根据权利要求2所述的一种球关节气动锁紧型变刚度软体臂骨架，其特征是，所述的位于同一球关节中的两个内轴节锁紧件组合成球关节环部，位于同一球关节中的两个所述的外轴节锁紧件分别位于所述球关节环部的两侧，所述外轴节锁紧件上设有两个外轴节卡接部，所述的两个外轴节卡接部分别卡接在位于同一球关节中的两个内轴节锁紧件的卡接口中。

4.根据权利要求3所述的一种球关节气动锁紧型变刚度软体臂骨架，其特征是，所述外轴节卡接部包括呈“八”字型的两个外轴节卡接脚，所述外轴节卡接脚上设有限位部，所述限位部位于所述卡接口内。

5.根据权利要求4所述的一种球关节气动锁紧型变刚度软体臂骨架，其特征是，所述内轴节卡接部包括内轴节卡接脚，所述气动弹性件与所述外轴节卡接脚、内轴节卡接脚接触。

6.根据权利要求1所述的一种球关节气动锁紧型变刚度软体臂骨架，其特征是，所述外轴节的一端上设有弹性夹板。

7.根据权利要求6所述的一种球关节气动锁紧型变刚度软体臂骨架，其特征是，所述弹性夹板包括两块导向夹板和两块夹紧夹板，所述导向夹板和夹紧夹板周向间隔设置在外轴节的端部；所述内轴节上设有与所述导向夹板适配的内轴节导向槽，所述封闭节上设有与所述导向夹板适配的封闭节导向槽。

8.根据权利要求7所述的一种球关节气动锁紧型变刚度软体臂骨架，其特征是，所述内轴节的一端设有夹板限位部，所述夹紧夹板朝向所述内轴节的一侧上设有夹紧夹板限位凸台，所述导向夹板朝向所述内轴节的一侧上设有导向夹板限位凸台。

9.根据权利要求1-7中任意一项所述的一种球关节气动锁紧型变刚度软体臂骨架，其特征是，所述外轴节连接部上设有与所述外轴节锁紧件外形适配的球面槽，所述内轴节连接部上设有与所述内轴节锁紧件外形适配的球面槽。

10.根据权利要求1-7中任意一项所述的一种球关节气动锁紧型变刚度软体臂骨架，其特征是，所述气动弹性件为硅胶材料的气囊，所述气囊上连接有气管，所述外轴节锁紧件或所述内轴节锁紧件上设有气管口。

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