CN112936253A - 一种气囊驱动的柔性机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气囊驱动的柔性机械臂，属于机械臂领域。本发明的气囊驱动的柔性机械臂，通过控制机械臂内气囊的气压，使柔性材料的框架单元产生形变，具有高灵活性，可产生复杂的形变；另一方面，机械臂由柔性材料制成，在受到撞击后会产生弹性形变缓冲冲击，具有一定的防撞击能力，不会因撞击而失效，具有良好的结构强度和稳定性。本发明的机械臂由气囊驱动，通过在框架单元内的气囊来驱动机械臂运动，提高了控制的安全性及稳定性。

Description

一种气囊驱动的柔性机械臂

技术领域

本发明属于机械臂领域，尤其是一种气囊驱动的柔性机械臂。

背景技术

传统刚性机械臂一般由有限个刚性关节构成，自由度低，对于一些需要机械臂达到复杂构型的任务，传统刚性机械臂因自由度受限无法完成此类工作。另一方面，刚性机械臂在碰撞后容易因撞击而失效。

发明内容

本发明的目的在于克服传统刚性机械臂自由度受限的缺点，提供一种气囊驱动的柔性机械臂。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种气囊驱动的柔性机械臂，包括两列中空菱形柱体状的框架单元，相邻的框架单元之间通过侧面相连；

所述框架单元由柔性材料制成；

所述框架单元内两个不同高度处分别设置一个气囊，所述气囊上分别设有充气通道；

当气囊处于充气状态时，气囊能够挤压框架单元的内壁，进而使框架单元产生形变。

进一步的，相邻的侧面相连的框架单元由3D打印工艺制成。

进一步的，所述柔性材料为热塑性聚氨酯。

本发明的气囊驱动的柔性机械臂的控制方法，对气囊进行充、放气进行弯曲变形和长度变形，实现弹性变形范围内的任意构型。

进一步的，进行弯曲变形的控制过程为：

将一列所有气囊充气，另一列不充气，则充气列框架每个单元内气囊充气后膨胀，挤压单元内壁，使单元纵向伸长，而另一列单元纵向长度不发生变化，从而充气列长度大于另一列，机械臂的充气列向另一列弯曲；随着充气量的不同，伸长量随之变化，机械臂弯曲曲率随之变化；

将上侧所有气囊充气，下侧气囊不充气，则框架每个单元上侧气囊充气后膨胀，挤压内壁，使单元上侧纵向长度伸长，单元下侧纵向长度不发生变化，从而框架上侧长度大于下侧，机械臂向下弯曲；

将下侧气囊充气而上侧不充气，则机械臂向上弯曲；

充入气囊的气压值变化，则单元的伸长量变化，机械臂上下两侧长度差发生变化，因此机械臂弯曲的曲率变化，实现通过控制气囊的气压进而控制弯曲度。

进一步的，进行长度变形的控制过程为：

对所有气囊充入相同气压，框架单元内所有气囊充气后膨胀挤压内壁，两列单元上下两侧气囊同时产生相同的形变，从而使每个单元上下侧纵向长度产生相同的伸长，进而使得机械臂整体伸长；

随着充气量的不同，每个单元的伸长量发生相同变化，机械臂伸长量发生变化，进而实现通过控制气囊的气压进而控制伸长量。

进一步的，进行任意构型变形的控制过程为：

给定机械臂目标构型后，机械臂单元根据目标构型弯曲情况进行分段，每段机械臂进行侧向弯曲和上下弯曲组合实现360°范围内任意方向弯曲，控制气囊内气压值实现曲率变化，进而实现每段机械臂弯曲方向与曲率和目标构型相同，从而分段实现构型匹配，达到机械臂目标构型。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的气囊驱动的柔性机械臂，机械臂由柔性材料制成，在受到撞击后会产生弹性形变缓冲冲击，具有一定的防撞击能力，不会因撞击而失效，具有良好的结构强度和稳定性。本发明的机械臂由气囊驱动，通过在框架单元内的气囊来驱动机械臂运动，提高了控制的安全性及稳定性；框架单元为中空菱形柱体状，菱形单元在受到单元内气囊挤压后，单元内壁不会产生大的拉伸形变，而是菱形横向两个内角受力后扩张，从而使菱形由窄长形状变化，菱形单元沿机械臂纵向方向伸长。本发明的气囊驱动的柔性机械臂，柔性材料的框架单元产生形变，具有高灵活性，可产生复杂的形变。

进一步的，通过3D打印制作机械臂框架，不需要进行组装，完整性高，无装配缝隙，结构强度有保障；可根据需求打印不同长度机械臂框架。

进一步的，采用热塑性聚氨酯(TPU)柔性材料，杨氏模量在5～10Mpa之间，具有良好的弹性，最多产生三倍形变而不破裂，可承受多次形变后仍能恢复原状；柔性材料拥有良好的柔顺性，不会发生刚性碰撞从而损坏机械臂本体或其他物体。

本发明的气囊驱动的柔性机械臂的控制方法，通过控制气囊内气压大小可以控制单元伸长量。给定机械臂目标构型后，机械臂单元根据目标构型弯曲情况进行分段，每段机械臂左右弯曲与上下弯曲组合即可实现360°范围内任意方向弯曲，控制气囊内气压值则可实现曲率变化，实现每段机械臂弯曲方向与曲率和目标构型相同，从而分段实现构型匹配，达到机械臂目标构型。

进一步的，机械臂通过改变气囊内气压实现变形，实现无电机控制，更为安全可靠；通过控制气囊内气压可实现左右弯曲、上下弯曲、长度变化等多种变形；

进一步的，机械臂分段式进行上述变形组合，可在每段实现方向和曲率变化，通过每段变形组合可实现变形范围内的任意构型。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的框架单元的结构示意图；

图3为本发明的框架单元充气后的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，图1为本发明的气囊驱动的柔性机械臂的结构示意图，本发明的气囊驱动的柔性机械臂包括两列框架单元，每列框架单元均由并排相接的多个框架单元构成，两列框架单元之间通过对应的框架单元交叉相接，框架单元为中空菱形柱体，为柔性材料制成；框架单元内设有上下两个气囊，当气囊充气框架单元会发生形变，通过不断变化所有气囊内的气压，使所有气囊的形变变化并驱动框架单元发生形变，则柔性机械臂在可达空间内不断变化构型，从而实现柔性机械臂在三维空间内高灵活性运动；左列第一个单元右下侧面与右列第一个单元左上侧面相连，右列第一个单元左下侧面与左列第二个单元右上侧面连接，以此类推，形成左右两列单元交错连接。本发明的柔性机械臂由柔性材料通过3D打印而成。

参见图2，图2为本发明的框架单元的结构示意图；框架单元为中空菱形柱体。

参见图3，图3为本发明的框架单元变形的结构示意图；置于框架单元中的每个气囊由两层正方形高强度复合材料四周密封构成，并在一边通有充气管道；通过充气管道冲入气体后膨胀变形，从而挤压框架单元的内壁，框架单元发生变形，进而驱动本发明的气囊驱动的柔性机械臂产生形变。框架单元对气囊起到保护作用，使气囊极限气压提高数倍。框架单元形变程度仅和气囊内气压值有关，通过充、放气改变气囊内气压从而改变框架单元变形程度。利用气囊驱动的优点为，仅采用气体进行驱动，结构简单，控制方法简单，提高了驱动机械臂的安全性和可靠性。

一种可在三维空间内实现高灵活性自由度的气囊驱动的柔性机械臂，“高灵活性”是指通过对柔性材料框架单元内的气囊充入不同组合的气压，令气囊产生不同组合的形变从而驱动框架单元产生不同形变，使柔性机械臂在可达空间内实现任意构型，从而具有高灵活性。为了实现框架式柔性机械臂在三维空间的高灵活性度所设计的柔性材料框架。柔性材料框架由柔性材料通过3D打印机打印而成，拥有两列框架单元。每列单元拥有多个并排相接的中空单元，两列单元交叉相接，如图1所示。每个框架单元为中空菱形柱体，如图2所示。框架单元内放置上下两个气囊。将气囊充气则会令框架单元发生形变，通过不断变化所有气囊内的气压，使所有气囊的形变变化并驱动框架单元的形变变化，则柔性机械臂在可达空间内不断变化构型，从而实现柔性机械臂在三维空间内高灵活性运动。每个气囊由两层正方形高强度复合材料四周密封构成，并在一边通有充气管道。气囊放置于柔性框架单元内，通过充气管道冲入气体后膨胀变形，从而挤压框架单元壁，使框架产生形变，如图3所示。框架可对气囊起到保护作用，使气囊极限气压提高数倍。框架形变程度仅和气囊内气压值有关，因此可以通过充放气改变气囊内气压，从而改变框架变形程度。使用气囊驱动的特点在于，仅采用气体进行驱动，结构简单，控制方法简单，提高了驱动机械臂的安全性和可靠性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种气囊驱动的柔性机械臂，其特征在于，包括两列中空菱形柱体状的框架单元，相邻的框架单元之间通过侧面相连；

所述框架单元由柔性材料制成；

所述框架单元内两个不同高度处分别设置一个气囊，所述气囊上分别设有充气通道；

当气囊处于充气状态时，气囊能够挤压框架单元的内壁，进而使框架单元产生形变。

2.根据权利要求1所述的气囊驱动的柔性机械臂，其特征在于，相邻的侧面相连的框架单元由3D打印工艺制成。

3.根据权利要求1所述的气囊驱动的柔性机械臂，其特征在于，所述柔性材料为热塑性聚氨酯。

4.一种根据权利要求1-3任一项所述的气囊驱动的柔性机械臂的控制方法，其特征在于，对气囊进行充、放气进行弯曲变形和长度变形，实现弹性变形范围内的任意构型。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，进行弯曲变形的控制过程为：

将一列所有气囊充气，另一列不充气，则充气列框架每个单元内气囊充气后膨胀，挤压单元内壁，使单元纵向伸长，而另一列单元纵向长度不发生变化，从而充气列长度大于另一列，机械臂的充气列向另一列弯曲；

随着充气量的不同，伸长量随之变化，机械臂弯曲曲率随之变化；

将上侧所有气囊充气，下侧气囊不充气，则框架每个单元上侧气囊充气后膨胀，挤压内壁，使单元上侧纵向长度伸长，单元下侧纵向长度不发生变化，从而框架上侧长度大于下侧，机械臂向下弯曲；

将下侧气囊充气而上侧不充气，则机械臂向上弯曲；

充入气囊的气压值变化，则单元的伸长量变化，机械臂上下两侧长度差发生变化，因此机械臂弯曲的曲率变化，实现通过控制气囊的气压进而控制弯曲度。

6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，进行长度变形的控制过程为：

对所有气囊充入相同气压，框架单元内所有气囊充气后膨胀挤压内壁，两列单元上下两侧气囊同时产生相同的形变，从而使每个单元上下侧纵向长度产生相同的伸长，进而使得机械臂整体伸长；

随着充气量的不同，每个单元的伸长量发生相同变化，机械臂伸长量发生变化，进而实现通过控制气囊的气压进而控制伸长量。

7.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，进行任意构型变形的控制过程为：

给定机械臂目标构型后，机械臂单元根据目标构型弯曲情况进行分段，每段机械臂进行侧向弯曲和上下弯曲组合实现360°范围内任意方向弯曲，控制气囊内气压值实现曲率变化，进而实现每段机械臂弯曲方向与曲率和目标构型相同，从而分段实现构型匹配，达到机械臂目标构型。

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