CN112873194B - 一种线驱动的连续型柔性机械臂及含有其的柔性机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线驱动的连续型柔性机械臂及含有其的柔性机器人，包括空间柔性臂以及多个设于空间柔性臂顶部的驱动控制模块，空间柔性臂包括多个依次串联连接并同轴设置的柔性臂可折叠骨架，柔性臂可折叠骨架包括上平台、多个可弯折的折叠板、柔性弹簧和下平台，折叠板和柔性弹簧均位于上平台和下平台之间，多个折叠板依次间隔设置并形成一个腔室，柔性弹簧位于腔室中，空间柔性臂和驱动控制模块之间设有可收放卷的线缆，线缆的顶端卷绕固定在驱动控制模块上，底端固定在位于最底端的柔性臂可折叠骨架的下平台上。与现有技术相比，本发明实现柔性机械臂的长度、不同弯曲形态以及柔性机械臂在空间中的位置，实现对柔性机械臂末端的精准控制。

Description

一种线驱动的连续型柔性机械臂及含有其的柔性机器人

技术领域

本发明属于柔性机器人技术领域，具体涉及一种线驱动的连续型柔性机械臂及含有其的柔性机器人。

背景技术

目前，传统的空间机器人大多是全刚体结构，采用“基座/平台+多自由度机械臂+机械手”的构型，这种机器人受机械臂长度和灵活性的限制。传统的空间机器人在操作时需要充分靠近目标，在狭小空间内抓取物品、清理物品时灵活性较差，安全性不高，整体惯性量较大，同时在执行任务过程中能耗较高。为了弥补传统空间机器人存在的缺点，需要发展体积小、质量轻、操作灵活、柔顺性高、耗能少的空间柔性机器人。

柔性机器人包括线驱动、流体驱动、形状记忆合金(Shape Memory Alloys，SMA)驱动、化学驱动等四种驱动方式。流体驱动的柔性机器人对密封性要求高，且需要外置的管道、空气压缩机等复杂结构，从而导致机器人整体结构笨重、体积大；SMA驱动可以产生较大的应力且能使得机器人系统结构紧凑，但是SMA依赖于其内部马氏体与奥氏体的转变，在这种转变过程中会产生迟滞；化学驱动促进了柔性机器人执行器设计的灵活性，但是其可控性依然面临着巨大挑战。而线驱动的柔性机器人在航空、医疗等领域技术比较成熟，通过解决驱动系统的小型化和集成化问题，在狭小空间内可具备一定的应用条件。

发明内容

本发明的目的就是提供一种线驱动的连续型柔性机械臂及含有其的柔性机器人，实现柔性机械臂的长度、不同弯曲形态以及柔性机械臂在空间中的位置，实现对柔性机械臂末端的精准控制。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种线驱动的连续型柔性机械臂，包括空间柔性臂以及多个设于空间柔性臂顶部的驱动控制模块，所述空间柔性臂包括多个依次串联连接并同轴设置的柔性臂可折叠骨架，所述柔性臂可折叠骨架包括上平台、多个可弯折的折叠板、柔性弹簧和下平台，所述折叠板和柔性弹簧均位于上平台和下平台之间并分别连接上平台和下平台，多个折叠板依次间隔设置并形成一个腔室，所述柔性弹簧位于腔室中，所述空间柔性臂和驱动控制模块之间设有可收放卷的线缆，所述线缆的顶端卷绕固定在驱动控制模块上，底端固定在位于最底端的柔性臂可折叠骨架的下平台上。其中，柔性弹簧作为柔性支撑，可支撑住位于上方的上平台，并能起复位作用，折叠板起刚性支撑作用，并且能保护柔性弹簧，当空间柔性臂进行压缩时，间隔设置的折叠板之间的空隙就留有折叠板向内移动的空间，空间柔性臂压缩至相邻的折叠板的端部相碰触，驱动控制模块用于拉伸线缆，以实现柔性机械臂的长度、不同弯曲形态以及柔性机械臂在空间中的位置，实现对柔性机械臂末端的精准控制。

所述折叠板自上而下依次包括相铰接的上板、中板和下板，所述上板的顶部和上平台相连接，所述上板自上而下逐渐靠近腔室的中轴线，所述中板呈竖直设置，所述下板的底部和下平台相连接，所述下板自上而下逐渐远离腔室的中轴线。折叠板可进行弯曲。

所述上板和下板均采用刚性材料，比如钢板，所述中板采用弹性材料，比如橡胶，刚性的上板和下板保证柔性臂可折叠骨架的刚性，弹性的中板保证柔性臂可折叠骨架在拉伸或收缩时有一个缓冲。

所述上板和下板均呈等腰梯形状，上板的长底和上平台相连接，下板的长底和下平台相连接，上板的短底和下板的短底相正对。

所述上平台底部的中心处向下凸起设有下凸台，所述下平台顶部的中心处向上凸起设有上凸台，所述柔性弹簧的顶端和下凸台相连接，底端和上凸台相连接。下凸台和上凸台用于柔性弹簧的定位和安装。

所述上平台和下平台均呈正方形状，正方形的边长为40mm，当连续型柔性机械臂完全伸展时，所述折叠板的高度为35mm。

所述柔性臂可折叠骨架这一刚性可折叠骨架为3D打印一体成型的骨架。

每个柔性臂可折叠骨架均是等高度尺寸。

所述驱动控制模块包括依次传动连接的伺服电机、减速器和绕线盘，所述线缆卷绕在绕线盘上。所述伺服电机、减速器和绕线盘的个数均与线缆一一对应，减速器设置在伺服电机的输出端。驱动控制模块是实现连续型柔性机械臂末端安全抵达和精细化操作的调度核心，也是柔性机械臂与外界交互的连接桥梁。

位于最顶端的上平台的顶部设有箱壳机架，所述驱动控制模块固定在箱壳机架上，所述箱壳机架上设有多个机架线缆孔，所述线缆穿过机架线缆孔卷绕在绕线盘上。箱壳机架起保护作用，并且起固定空间柔性臂的作用，机架线缆孔和位于最顶端的柔性臂可折叠骨架的上平台上的上平台线缆孔一一对应。

所述连续型柔性机械臂还包括用于线缆导向的导向轮，所述导向轮设于箱壳机架上，并位于机架线缆孔和绕线盘之间，所述导向轮的轴线和绕线盘的轴线相平行，所述线缆经过导向轮卷绕在绕线盘上。导向轮的个数与线缆一一对应，保证各个导向轮之间不发生干涉，线缆穿过机架线缆孔再经过导向轮牵引导向后最后卷绕在所述绕线盘上。

所述驱动控制模块共设置四个，所述线缆共设置四个。

所述上平台的边沿设有多个上平台线缆孔，所述下平台的边沿设有多个下平台线缆孔，所述线缆自上而下依次交替穿过上平台线缆孔和下平台线缆孔最后和位于最底端的柔性臂可折叠骨架的下平台相连接。多个上平台线缆孔关于上平台的中心呈圆周分布，多个下平台线缆孔关于下平台的中心呈圆周分布。

多个线缆相互平行，即用于穿过同一个线缆的多个上平台线缆孔以及多个下平台线缆孔在同一竖线上。

所述上平台线缆孔和下平台线缆孔均位于相邻的折叠板之间，避开折叠板的工作区域，保证线缆运动时不会出现干涉，使得线缆可以在空间进行任意位置的运动。

所述柔性弹簧采用304不锈钢压簧，304不锈钢压簧具有弹性好、恢复性好的优点，所述线缆采用钢丝材料，钢丝的强度和韧度可满足拉伸的需求，使用周期长。

一种含有如上述所述的线驱动的连续型柔性机械臂的柔性机器人，驱动控制模块的一端可和柔性机器人的主体相连接，空间柔性臂的端部可设有执行器，用于夹持各种物品。

不同于绝大多数线驱动的连续型柔性机械臂，本发明的机械臂使用折纸机构、柔性弹簧、线缆与单独的驱动控制模块相结合的方式，利用折纸机构使得柔性机械臂在空间上可折叠，实现柔性机械臂自主可控的弯曲与伸缩，由于柔性弹簧的弹性，柔性机械臂能够发生连续变形，同时通过多个线缆的伸缩控制使得柔性臂可折叠骨架具有三个自由度，两个弯曲自由度和一个伸缩自由度，使得末端的空间位置发生改变，能够在三维空间内到达任何目标位置，精准跟踪目标轨迹，实现连续型柔性机械臂的末端抵达控制，又因为柔性机械臂的特性可以实现精准跟踪轨迹，因此可以在机械臂末端安装执行器夹持轻、小物品或者安装摄像机等设备，整个机械臂占用空间小，易运输，可以在狭小环境下使用，本发明可用于航空领域、医疗领域等领域的轻小型物品运输等工作。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明中的驱动控制模块用于对线缆进行拉伸，以实现柔性机械臂的弯曲角度和位置或者伸缩，通过驱动控制模块中的驱动电机改变线缆的长度使连续型柔性机械臂发生连续变形，从而达到不同的弯曲形态以及柔性机械臂在空间中的末端位姿，实现对柔性机械臂末端的精准控制，为柔性机械臂精准抓取物品或者在轨精细化操作奠定基础。

附图说明

图1为线驱动的连续型柔性机械臂的结构示意图；

图2为图1中A处的放大图；

图3为另一种视角下图1中A处的放大图；

图4为柔性臂可折叠骨架的展开示意图；

图5为线驱动的连续型柔性机械臂的俯视示意图。

图中：1-导向轮；2-柔性臂可折叠骨架；3-上平台；301-上平台线缆孔；4-折叠板；401-上板；402-中板；403-下板；5-柔性弹簧；6-下平台；601-上凸台；602-下平台线缆孔；7-线缆；8-驱动控制模块；801-伺服电机；802-减速器；803-绕线盘；9-箱壳机架；901-机架线缆孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1、2、3、4、5所示，一种线驱动的连续型柔性机械臂，包括空间柔性臂以及多个设于空间柔性臂顶部的驱动控制模块8(本实施例中驱动控制模块8共设置四个)，空间柔性臂包括多个依次串联连接并同轴设置的柔性臂可折叠骨架2(本实施例中柔性臂可折叠骨架2共设置四个)，柔性臂可折叠骨架2这一刚性可折叠骨架为3D打印一体成型的骨架，多个柔性臂可折叠骨架2均相同，为等高度尺寸，柔性臂可折叠骨架2包括上平台3、多个可弯折的折叠板4、柔性弹簧5和下平台6，折叠板4和柔性弹簧5均位于上平台3和下平台6之间并分别连接上平台3和下平台6，多个折叠板4依次间隔设置(该间隔设置不仅通过相邻的折叠板的底部和顶部不相互连接之外，还通过折叠板的形状实现)并形成一个腔室，柔性弹簧5位于腔室中，空间柔性臂和驱动控制模块8之间设有可收放卷的线缆7(本实施例中线缆7共设置四个)，线缆7的顶端卷绕固定在驱动控制模块8上，底端固定在位于最底端的柔性臂可折叠骨架2的下平台6上(最底端的下平台6上也可设置下平台线缆孔602，线缆7穿过下平台线缆孔602固定在下平台6的背面，也可不设置下平台线缆孔602，线缆7直接固定在下平台6的正面)，其中，柔性弹簧5采用304不锈钢压簧，线缆7采用钢丝材料。相邻的柔性臂可折叠骨架2的上平台3和下平台6可以合并成一个平台，即将柔性臂可折叠骨架自上而下依次按第1节、……、第i节，第i+1节的方式命名，第i节柔性臂可折叠骨架的下平台和第i+1节柔性臂可折叠骨架的上平台共用，可使整个空间柔性臂的结构更为紧凑。本发明中的顶部以图1所示的方位为准，但并不是实际使用中的具体方位。

如图2、3、4所示(图4为展开图，其中以下平台和下板相连接为示例，且图4中省略上凸台)，折叠板4自上而下依次包括相铰接的上板401、中板402和下板403，上板401和下板403采用刚性材料(比如钢板)，中板402采用弹性材料(比如橡胶)，上板401的顶部和上平台3相连接，上板401自上而下逐渐靠近腔室的中轴线，中板402呈竖直设置，下板403的底部和下平台6相连接，下板403自上而下逐渐远离腔室的中轴线，上板401和下板403均呈等腰梯形状(本实施例中两个等腰梯形的形状均相同，即折叠板4以中板402的水平中轴线为对称线是对称形状)，两个等腰梯形的短底相正对，长底分别和上平台3和下平台6相连接，且长底的总长均小于与之连接的上平台或下平台的边长的总长，且等腰梯形长底的中点和上平台或下平台的边的中点相重合，保证整个柔性臂可折叠骨架2呈轴对称形状，且预留出足够的空间容纳线缆7。上平台3的边沿设有多个上平台线缆孔301，下平台6的边沿设有多个下平台线缆孔602(本实施例中上平台3和下平台6均呈正方形状，共四个上平台线缆孔301，分别位于正方形的四个顶角处，共四个下平台线缆孔602，分别位于正方形的四个对角线上，并位于顶角处)，线缆7自上而下依次交替穿过上平台线缆孔301和下平台线缆孔602和最后和位于最底端的柔性臂可折叠骨架2的下平台6相连接，上平台线缆孔301和下平台线缆孔602均位于相邻的折叠板4之间，正方形的边长为40mm，当连续型柔性机械臂完全伸展时，折叠板4的高度为35mm。

上平台3底部的中心处向下凸起设有下凸台(下凸台的设置具体参照上凸台601)，下平台6顶部的中心处向上凸起设有上凸台601(如图3所示)，柔性弹簧5的顶端和下凸台相连接，底端和上凸台601相连接。

如图5所示，位于最顶端的上平台3的顶部设有箱壳机架9(本实施例中箱壳机架也设置成正方形)，驱动控制模块8固定在箱壳机架9上，箱壳机架9上设有多个机架线缆孔901，驱动控制模块8包括依次传动连接的伺服电机801、减速器802和绕线盘803，线缆7穿过机架线缆孔901卷绕在绕线盘803上，箱壳机架9上还设有导向轮1，导向轮1位于机架线缆孔901和绕线盘803之间，线缆7的顶端经机架线缆孔901和导向轮1最后卷绕在绕线盘803上，导向轮1的轴线和绕线盘803的轴线相平行，导向轮1和绕线盘803的轴线和箱壳机架9的边长相平行，使得线缆7也和箱壳机架9的边长相平行。

本发明还提供一种含有如上述所述的线驱动的连续型柔性机械臂的柔性机器人，位于最底端的柔性臂可折叠骨架2的下平台6的另一表面上可安装执行器，用来夹持轻、小物品或者安装摄像机等设备。

本发明在使用时，向伺服电机801发出指令，进而使绕线盘803进行旋转，放出线缆7或收进线缆7，当线缆7被放出时，柔性弹簧5此时从被压缩状态到伸展状态，帮助空间柔性臂打开，同时折叠板4向外打开，当线缆7被收进时，柔性弹簧5被压缩，同时折叠板4向内打开，在实际使用的过程中，线缆7可以多个一起放出或收进，也可以一个放出或收进，或选择其中几个放出或收进，以实现柔性机械臂的不同弯曲形态。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种线驱动的连续型柔性机械臂，其特征在于，包括空间柔性臂以及多个设于空间柔性臂顶部的驱动控制模块（8），所述空间柔性臂包括多个依次串联连接并同轴设置的柔性臂可折叠骨架（2），所述柔性臂可折叠骨架（2）包括上平台（3）、多个可弯折的折叠板（4）、柔性弹簧（5）和下平台（6），所述折叠板（4）和柔性弹簧（5）均位于上平台（3）和下平台（6）之间并分别连接上平台（3）和下平台（6），多个折叠板（4）依次间隔设置并形成一个腔室，所述柔性弹簧（5）位于腔室中，所述空间柔性臂和驱动控制模块（8）之间设有可收放卷的线缆（7），所述线缆（7）的顶端卷绕固定在驱动控制模块（8）上，底端固定在位于最底端的柔性臂可折叠骨架（2）的下平台（6）上；

所述折叠板（4）自上而下依次包括相铰接的上板（401）、中板（402）和下板（403），所述上板（401）的顶部和上平台（3）相连接，所述上板（401）自上而下逐渐靠近腔室的中轴线，所述中板（402）呈竖直设置，所述下板（403）的底部和下平台（6）相连接，所述下板（403）自上而下逐渐远离腔室的中轴线；

所述上板（401）和下板（403）均采用刚性材料，所述中板（402）采用弹性材料；

所述上板（401）和下板（403）均呈等腰梯形状；

所述上平台（3）底部的中心处向下凸起设有下凸台，所述下平台（6）顶部的中心处向上凸起设有上凸台（601），所述柔性弹簧（5）的顶端和下凸台相连接，底端和上凸台（601）相连接；

所述驱动控制模块（8）包括依次传动连接的伺服电机（801）、减速器（802）和绕线盘（803），所述线缆（7）卷绕在绕线盘（803）上。

2.根据权利要求1所述的一种线驱动的连续型柔性机械臂，其特征在于，位于最顶端的上平台（3）的顶部设有箱壳机架（9），所述驱动控制模块（8）固定在箱壳机架（9）上，所述箱壳机架（9）上设有多个机架线缆孔（901），所述线缆（7）穿过机架线缆孔（901）卷绕在绕线盘（803）上。

3.根据权利要求2所述的一种线驱动的连续型柔性机械臂，其特征在于，所述连续型柔性机械臂还包括用于线缆（7）导向的导向轮（1），所述导向轮（1）设于箱壳机架（9）上，并位于机架线缆孔（901）和绕线盘（803）之间，所述导向轮（1）的轴线和绕线盘（803）的轴线相平行，所述线缆（7）经过导向轮（1）卷绕在绕线盘（803）上。

4.根据权利要求1所述的一种线驱动的连续型柔性机械臂，其特征在于，所述上平台（3）的边沿设有多个上平台线缆孔（301），所述下平台（6）的边沿设有多个下平台线缆孔（602），所述线缆（7）自上而下依次交替穿过上平台线缆孔（301）和下平台线缆孔（602）最后和位于最底端的柔性臂可折叠骨架（2）的下平台（6）相连接。

5.根据权利要求1所述的一种线驱动的连续型柔性机械臂，其特征在于，所述柔性弹簧（5）采用304不锈钢压簧，所述线缆（7）采用钢丝材料。

6.一种含有如权利要求1-5任一项所述的线驱动的连续型柔性机械臂的柔性机器人。

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