CN113814959A - 一种负向角度补偿的柔性机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负向角度补偿的柔性机械臂。本发明柔性机械臂通过分节的柔性单元线性叠放，在使用时可以根据实际的需要选择叠放的节数来控制整个柔性机械臂的长度，长度调整设计非常简单；通过将每节柔性单元设计成由多个成环形排列的伸缩模块组成，各伸缩模块之间以及组成每个伸缩模块的四块等腰梯形片之间均铰接，从而可以根据需要设计多条牵引绳，在使用牵引绳控制柔性机械臂缩短时，可以通过控制不同牵引绳之间的工作实现柔性机械臂的不同部位伸缩长度不同，从而使得柔性机械臂可以向不同方向弯曲，而不局限于线性方向的伸缩。

Description

一种负向角度补偿的柔性机械臂

技术领域

本发明涉及柔性机械臂的设计技术领域，特别是涉及一种负向角度补偿的柔性机械臂。

背景技术

折纸机器人是一种通过折纸技术研究制备的一种机器人，折纸机器人的灵感来源于折纸技术，最初，科学家们通过研究通过折纸的方式，改变纸张形状的同时，又利用纸张的柔性和韧性，完成目标动作和指定任务，随后，越来越多的科学家都投入到了折纸机器人这一领域当中，但是，由于折纸机构的刚度较小，很难承受比较大的力和力矩。因此，折纸机器人很难实际应用。同时，折纸机器人的运动学模型，动力学模型都极其复杂，也由于折纸机器人的精度有限，因此，机器人的精确控制也难以得到保证。

比如，公开号为CN110394795A的发明申请公开了一种基于折纸理论的高收纳率自折叠气动软体机械臂，包括软体驱动器、上下端盖板及充气系统，所述的软体驱动器为类圆柱壳，两端与上下端盖板密封固定，内腔可充气，壳体为多层软体层合结构，由内向外依次是气密层、弹性层、限制层和热防护层。所述的软体驱动器壳体基于折纸理论设计拓扑形式，可实现轴向的大行程伸缩驱动，通过充气系统向内腔充气的方式驱动展开，通过内腔排气后弹性层弹性势能释放的方式实现自折叠。该装置还可包括约束索实现弯曲驱动。

再比如，公开号为CN112223259A的发明申请公开了一种基于折纸理论的高收纳率仿生气动软体蠕虫机器人，包括柔性驱动器、前后端盖板、气动足及充气系统。所述的柔性驱动器两端分别与前后端盖板粘接，通过充气系统向柔性驱动器充气的方式实现伸展，驱动前排气动足向前运动；通过抽气系统从柔性驱动器抽气的方式实现收缩，驱动后排气动足向前运动，从而实现轴向的大行程仿生爬行。所述的气动足通过气囊伸缩，调整合页连接件与地面的夹角，从而改变与地面的摩擦形式来实现单向运动。

上述现有技术中，折纸结构均是通过气动控制，只能进行简单的伸长和缩短，无法主动控制运动方向；并且折纸结构的设计长度是固定的，无法根据需要进行调整。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种基于折纸理论的负向角度补偿的柔性机械臂。

一种负向角度补偿的柔性机械臂，包括若干节线性叠放的柔性单元，以及用于驱动各柔性单元伸缩的驱动机构；

每节柔性单元包括多个成环形排列的伸缩模块，每个伸缩模块包括四块等腰梯形片，四块等腰梯形片侧面依次铰接形成四棱锥台结构的伸缩模块，每节柔性单元的多个伸缩模块环形排列时，四棱锥台结构的顶面朝向环形的内侧中心，四棱锥台结构的底面背离环形的内侧中心；

各节柔性单元中伸缩模块使用的等腰梯形片均为相同大小和形状，每节柔性单元中相邻伸缩模块之间通过相互贴靠的两块等腰梯形片的下底侧铰接；将等腰梯形片的高表示为h，上底为a，下底为b，每节柔性单元包括n个伸缩模块，则满足：

所述驱动机构包括：依次穿过各节柔性单元中的至少部分等腰梯形片、用于牵动柔性单元的至少一侧折叠缩短的牵引绳，以及位于最尾端的一节柔性单元的外侧、用于收放牵引绳的收放单元。

负向角度补偿方式提供给柔性机械臂负向的角度补偿，当柔性机械臂处于最大拉伸状态时，伸缩模块投影到水平面的角度最大，当柔性机械臂处于最小压缩状态时，伸缩模块投影到水平面的角度最小，柔性机械臂在从最小压缩状态向最大拉伸状态转移的过程中，角度补偿逐渐增大，提供负向角度补偿。为了满足最小压缩和最小补偿的需求，在柔性机械臂处于最小压缩状态时，设定角度补偿为0，此时，各个模块之间紧密贴合，按照此时状态确定等腰梯形片尺寸关系。在将等腰梯形片的形状满足上述公式的情况下，可以做到将柔性单元折叠压缩到最小的厚度，如果偏离这个公式的关系，则柔性单元折叠压缩时，无法做到压缩到最小的厚度。

优选的，每节柔性单元包括至少3个伸缩模块。更优选的，每节柔性单元包括3个、4个、6个或8个伸缩模块。

优选的，位于最尾端的一节柔性单元的外侧设有一块安装板，安装板背离柔性单元的一侧设有所述收放单元，每条牵引绳对应设有一组收放单元，所述收放单元包括收线盘，以及驱动收线盘转动的电机，所述安装板上设有供牵引绳穿过的避让孔。

优选的，将所有柔性单元的所有伸缩模块进行分组，相邻柔性单元之间排列在同一直线上的各伸缩模块分为一组，并由一条牵引绳控制。

优选的，每节柔性单元包括偶数个伸缩模块，

将所有柔性单元的所有伸缩模块进行分组，同一柔性单元的各伸缩模块两两分为一个小组，

相邻柔性单元之间排列在同一直线上的各小组分为一大组，并由一条牵引绳控制。

本发明柔性机械臂通过牵引绳的牵引来使伸缩模块中的各等腰梯形片折叠，而在折叠后需要牵引绳释放使柔性单元保持拉伸状态，以恢复柔性机械臂的形状，在不设置相应的恢复驱动结构的情况下，可以将所述柔性机械臂竖向使用，依靠重力来恢复。

优选的，两块等腰梯形片之间成合页结构铰接。更优选的，合页结构内还设有用于使柔性单元保持拉伸状态的扭簧。合页结构包括位于等腰梯形片侧面的铰接孔柱以及穿过铰接孔柱的轴芯，轴芯上可以设置自动恢复的扭簧来实现使柔性单元保持拉伸状态的目的，这样，在牵引绳拉伸的过程中，只要克服扭簧的扭力就可以使柔性单元折叠压缩，而将牵引绳释放后，扭簧又可以提供恢复的动力使柔性机械臂伸长伸直。使用合页结构时，可以将等腰梯形片与相应的铰接孔柱通过3D打印的方式一体成型制备。

本发明柔性机械臂通过分节的柔性单元线性叠放，在使用时可以根据实际的需要选择叠放的节数来控制整个柔性机械臂的长度，长度调整设计非常简单；通过将每节柔性单元设计成由多个成环形排列的伸缩模块组成，各伸缩模块之间以及组成每个伸缩模块的四块等腰梯形片之间均铰接，从而可以根据需要设计多条牵引绳，在使用牵引绳控制柔性机械臂缩短时，可以通过控制不同牵引绳之间的工作实现柔性机械臂的不同部位伸缩长度不同，从而使得柔性机械臂可以向不同方向弯曲，而不局限于线性方向的伸缩。

附图说明

图1为本发明柔性机械臂的侧视结构示意图。

图2为本发明柔性机械臂未包括牵引绳的立体结构示意图。

图3为本发明柔性机械臂的俯视结构示意图。

图4为本发明柔性机械臂未包括牵引绳的另一视角的立体结构示意图。

图5为柔性单元线性叠放的立体结构示意图。

图6为单节柔性单元的立体结构示意图。

图7为单节柔性单元的俯视结构示意图。

图8为伸缩模块的立体结构示意图。

图9为伸缩模块另一视角的立体结构示意图。

图10为伸缩模块处于折叠状态的立体结构示意图。

图11为本发明柔性机械臂第一种使用状态的结构示意图。

图12为本发明柔性机械臂第二种使用状态的结构示意图。

图13为几何关系图。

具体实施方式

如图1～5所示，一种基于折纸理论的负向角度补偿的柔性机械臂，包括若干节线性叠放的柔性单元1，以及用于驱动各柔性单元1伸缩的驱动机构。图中所示的结构中柔性单元1为5节。在使用时可以根据实际的需要选择叠放的节数来控制整个柔性机械臂的长度，长度调整设计非常简单。

如图6～10所示，每节柔性单元1包括多个成环形排列的伸缩模块2，每个伸缩模块2包括四块等腰梯形片3，四块等腰梯形片3侧面依次铰接形成四棱锥台结构的伸缩模块2，每节柔性单元1的多个伸缩模块2环形排列时，四棱锥台结构的顶面朝向环形的内侧中心，四棱锥台结构的底面背离环形的内侧中心。即等腰梯形片3的两腰位置与相邻两块等腰梯形片3的腰之间铰接，四块等腰梯形片3合围一圈。这样的四棱锥台结构由于上底和下底是空的，所以在侧面方向受力挤压后，四棱锥台结构发生变形，横截面从正方形变成菱形，从而在受力方向上的尺寸被压缩变短。

每节柔性单元1中伸缩模块2的数量可以根据实际需要进行选择，数量越少，整个柔性机械臂的控制精度会越粗糙，数量越多，整个柔性机械臂的控制精度会越精细。一般包括至少3个伸缩模块2，比如，每节柔性单元1可以包括3个、4个、6个或8个伸缩模块2。

每节柔性单元1中相邻伸缩模块2之间通过相互贴靠的两块等腰梯形片3的下底侧铰接。一般来说，各节柔性单元1中伸缩模块2使用的等腰梯形片3均为相同大小和形状，这样生产时较为方便，且控制起来也较为容易。将等腰梯形片3的高表示为h，上底为a，下底为b，每节柔性单元1包括n个伸缩模块，则满足：

在将等腰梯形片3的形状满足上述公式的情况下，可以做到将柔性单元1折叠压缩到最小的厚度，如果偏离这个公式的关系，则柔性单元1折叠压缩时，无法做到压缩到最小的厚度。

驱动机构包括：依次穿过各节柔性单元1中的至少部分等腰梯形片3、用于牵动柔性单元1的至少一侧折叠缩短的牵引绳6，以及位于最尾端的一节柔性单元1的外侧、用于收放牵引绳6的收放单元。等腰梯形片3上相应设有供牵引绳6穿过的牵引孔12。位于最尾端的一节柔性单元1的外侧设有一块安装板7，安装板7背离柔性单元1的一侧设有收放单元，每条牵引绳6对应设有一组收放单元，收放单元包括收线盘8，以及驱动收线盘8转动的电机9，安装板7上设有供牵引绳6穿过的避让孔10。

在一种实施方式中，将所有柔性单元1的所有伸缩模块2进行分组，相邻柔性单元1之间排列在同一直线上的各伸缩模块2分为一组，并由一条牵引绳6控制。

在另一种实施方式中，每节柔性单元1包括偶数个伸缩模块2，将所有柔性单元1的所有伸缩模块2进行分组，同一柔性单元1的各伸缩模块2两两分为一个小组，相邻柔性单元1之间排列在同一直线上的各小组分为一大组，并由一条牵引绳6控制。图中所示的结构即为这种实施方式，图中每节柔性单元1包括8个伸缩模块2，共分为4个大组，使用4条牵引绳6来控制。并且，每条牵引绳6依次穿过每个伸缩模块2的四块等腰梯形片3中相邻的两块，当牵引绳6穿过位于同一节柔性单元1的两个伸缩模块2中相互贴靠的那块等腰梯形片3后，一端穿过其中一个伸缩模块2中靠近收放单元一侧的那块等腰梯形片3，另一端穿过另一个伸缩模块2中远离收放单元一侧的那块等腰梯形片3，然后牵引绳再穿过位于相邻两节柔性单元1的两个伸缩模块2中相互贴靠的那块等腰梯形片3，牵引绳6整体呈现折线型。

本发明柔性机械臂通过牵引绳6的牵引来使伸缩模块2中的各等腰梯形片3折叠，而在折叠后需要牵引绳6释放使柔性单元1保持拉伸状态，以恢复柔性机械臂的形状，在不设置相应的恢复驱动结构的情况下，可以将柔性机械臂竖向使用，依靠重力来恢复。

在一种优选的实施方式中，如图中所示，两块等腰梯形片3之间成合页结构铰接，合页结构包括位于等腰梯形片3侧面的铰接孔柱4以及穿过铰接孔柱4的轴芯5。在一种实施方式中，合页结构内还设有用于使柔性单元1保持拉伸状态的扭簧(图中实施方式中未使用扭簧)，轴芯5上可以设置自动恢复的扭簧来实现使柔性单元1保持拉伸状态的目的，这样，在牵引绳6拉伸的过程中，只要克服扭簧的扭力就可以使柔性单元1折叠压缩，而将牵引绳6释放后，扭簧又可以提供恢复的动力使柔性机械臂伸长伸直。使用合页结构时，可以将等腰梯形片3与相应的铰接孔柱4通过3D打印的方式一体成型制备。

位于最首端(图1中下端)的一节柔性单元1的外侧还设有一块安装板11，安装板11用于在柔性机械臂上安装一些操作机构，用于柔性机械臂实现相应的功能，比如-些用于物品抓取的结构等。

下面对压缩到最小厚度所需满足公式进行计算证明，以图中所示柔性单元1竖向排列为例。

如图13所示，伸缩模块2在竖直方向的投影，其中，I、II表示的是水平和竖直的两个等腰梯形片；h为等腰梯形片3的高，a为等腰梯形片3的上底，b为等腰梯形片3的下底。d为等腰梯形片的高在竖直平面上的投影。h′为等腰梯形片的高在水平平面上的投影。

为等腰梯形片与水平面的夹角。θ为伸缩模块2在水平方向上的投影角度。ψ表示竖直方向的等腰梯形片绕中心轴的旋转角度。可以表示为如下表达式：

根据图13(b)所示，伸缩模块2在水平方向上的投影角度大小可以表示为：

如图13(d)所示，等腰梯形在竖直方向上的高主要由旋转角度ψ决定：

整合上式，我们可以得到伸缩模块2在竖直方向上的投影角度θ的具体表达式为：

如上公式所示，θ随着旋转角度的变化而不断变化，伸缩机构2在不断伸缩变换过程中的关键是确保n个伸缩模块2组成的一节柔性单元1在任何一个扭曲阶段都可以在圆周上形成一个圆，即角度的总和相对于柔性机械臂主轴的空间始终等于360°。为了补偿不同扭转阶段的角度损失，需要设计角度补偿机构对角度进行补偿。

对于角度补偿机构，由于每节柔性单元1中相邻伸缩模块2之间通过相互贴靠的两块等腰梯形片3的下底侧铰接，而下底侧位于整个柔性机械臂的外侧，所以角度补偿机构为向内开放的补偿机构，即，提供的角度补偿是负向补偿。角度变化如下式所示，其中，θ_adaptive为补偿角度：

nθ-θ_adaptive＝360°

当伸缩单元完全压缩(ψ＝90°)时，θ达到最小值，由于采用向内开放的角度补偿，只能对角度进行负向补偿，此时，位于柔性机械臂外侧、等腰梯形片的下底一端能够提供的补偿角度大小为0，旋转角度ψ大小为90°。因此等腰梯形的尺寸应该按照此时的几何关系确定。

可得：

如图11、12所示，本发明柔性机械臂通过将每节柔性单元1设计成由多个成环形排列的伸缩模块2组成，各伸缩模块2之间以及组成每个伸缩模块2的四块等腰梯形片3之间均铰接，从而可以根据需要设计多条牵引绳6，在使用牵引绳6控制柔性机械臂缩短时，可以通过控制不同牵引绳6之间的工作实现柔性机械臂的不同部位伸缩长度不同，从而使得柔性机械臂可以向不同方向弯曲，而不局限于线性方向的伸缩。

Claims (8)

1.一种负向角度补偿的柔性机械臂，其特征在于，包括若干节线性叠放的柔性单元，以及用于驱动各柔性单元伸缩的驱动机构；

每节柔性单元包括多个成环形排列的伸缩模块，每个伸缩模块包括四块等腰梯形片，四块等腰梯形片侧面依次铰接形成四棱锥台结构的伸缩模块，每节柔性单元的多个伸缩模块环形排列时，四棱锥台结构的顶面朝向环形的内侧中心，四棱锥台结构的底面背离环形的内侧中心；

各节柔性单元中伸缩模块使用的等腰梯形片均为相同大小和形状，每节柔性单元中相邻伸缩模块之间通过相互贴靠的两块等腰梯形片的下底侧铰接；将等腰梯形片的高表示为h，上底为a，下底为b，每节柔性单元包括n个伸缩模块，则满足：

所述驱动机构包括：依次穿过各节柔性单元中的至少部分等腰梯形片、用于牵动柔性单元的至少一侧折叠缩短的牵引绳，以及位于最尾端的一节柔性单元的外侧、用于收放牵引绳的收放单元。

2.如权利要求1所述的柔性机械臂，其特征在于，每节柔性单元包括至少3个伸缩模块。

3.如权利要求2所述的柔性机械臂，其特征在于，每节柔性单元包括3个、4个、6个或8个伸缩模块。

4.如权利要求1所述的柔性机械臂，其特征在于，位于最尾端的一节柔性单元的外侧设有一块安装板，安装板背离柔性单元的一侧设有所述收放单元，每条牵引绳对应设有一组收放单元，所述收放单元包括收线盘，以及驱动收线盘转动的电机，所述安装板上设有供牵引绳穿过的避让孔。

5.如权利要求1所述的柔性机械臂，其特征在于，将所有柔性单元的所有伸缩模块进行分组，相邻柔性单元之间排列在同一直线上的各伸缩模块分为一组，并由一条牵引绳控制。

6.如权利要求1所述的柔性机械臂，其特征在于，每节柔性单元包括偶数个伸缩模块，

将所有柔性单元的所有伸缩模块进行分组，同一柔性单元的各伸缩模块两两分为一个小组，

相邻柔性单元之间排列在同一直线上的各小组分为一大组，并由一条牵引绳控制。

7.如权利要求1所述的柔性机械臂，其特征在于，两块等腰梯形片之间成合页结构铰接。

8.如权利要求7所述的柔性机械臂，其特征在于，合页结构内还设有用于使柔性单元保持拉伸状态的扭簧。

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