CN113954057B - 一种可生长可刚柔变换的腱驱动柔性机械臂及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可生长可刚柔变换的腱驱动柔性机械臂及其驱动方法。该柔性机械臂包括驱动模块，以及由内至外依次连接的基座、第一驱动臂和第二驱动臂。驱动模块安装在基座上，其包括支撑杆驱动组件、肌腱驱动组件、支撑管体、第一驱动腱组、第二驱动腱组和支撑杆体。支撑杆驱动组件包括滑动推块和螺母。本发明上设置有串联且能够的两段驱动臂，支撑外侧驱动臂的支撑杆体穿过支撑内侧驱动臂的支撑管体；支撑管体由推移滑块的驱动下移动；支撑杆体由安装在螺母的驱动下移动，整个驱动机构十分紧凑。此外，本发明的两段驱动臂均能够实现刚柔转换，在非工作情况或者特殊的工作情况下保持刚性状态，以完成特殊工作任务，并延长机械臂的使用寿命。

Description

一种可生长可刚柔变换的腱驱动柔性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，具体涉及一种可生长可刚柔变换的腱驱动柔性机械臂及其驱动方法。

背景技术

目前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，而柔性机械臂相比于刚性机械臂具有精度高，灵活度高，工作范围大，可达性好，反应灵敏，人机交互安全等一系列的优点，在机械臂领域受到了越来越多的关注。而目前柔性机械臂的驱动方式大多为气体驱动或者液体驱动，需要配备相应的驱动泵以及控制装置，大大增加了应用成本，且其驱动需要足够的介质，不适宜应用在真空环境等复杂的环境中。于是针对该缺点，参考生物机体的运动方式，提出了一种无介质驱动的柔性机械臂，即利用类似肌腱的驱动方式来实现柔性机械臂的弯曲、生长和收缩，同时考虑到在特殊情况下需要将柔性机械臂转换为刚性机械臂的情况，进一步提出了一种可生长可刚柔变换的腱驱动柔性机械臂。

发明内容

本发明的目的在于寻找一种无介质驱动柔性机械臂，克服柔性机械臂在传统的工作进程中由于介质要求对环境的限制，提供一种可生长可刚柔变换的腱驱动柔性机械臂及其驱动方法。

本发明一种可生长可刚柔变换的腱驱动柔性机械臂，包括驱动模块，以及由内至外依次连接的基座、第一驱动臂和第二驱动臂。所述的驱动模块安装在基座上，其包括支撑杆驱动组件、肌腱驱动组件、支撑管体、第一驱动腱组、第二驱动腱组和支撑杆体。所述的肌腱驱动组件安装在基座侧部；肌腱驱动组件包括绕线滚子和肌腱驱动电机。2n个绕线滚子均支承在基座上；n≥3；各绕线滚子分别由对应的肌腱驱动电机驱动。

所述的支撑杆驱动组件包括滑动推块和螺母。滑动推块安装在基座，并能够在动力元件的驱动下，远离或靠近第一驱动臂。滑动推块上转动连接有螺母。螺母能够在动力元件的驱动下旋转。支撑管体的内端与滑动推块固定。支撑管体的外端穿过第一驱动臂，并与第一驱动臂的末端固定。支撑杆体穿过支撑管体的内腔。支撑杆体的内端从支撑管体的内端伸出，并与螺母构成螺旋副。支撑杆体的外端从支撑管体的外端伸出，穿过第二驱动臂，并与第二驱动臂末端固定。

所述第一驱动腱组包括n根第一拉线；n根第一拉线环绕支撑管体布置；各第一拉线的一端均与第一驱动臂的末端固定，另一端均绕卷在对应的绕线滚子上。所述第二驱动腱组包括n根第二拉线；n根第二拉线环绕支撑杆体布置；各第一拉线的一端均与第一驱动臂的末端固定，另一端均绕卷在对应的绕线滚子上。

n根第一拉线沿第一驱动臂轴线的周向均布，其一端均与第一末端支撑单元固定，另一端经对应的导向滚子导向后，绕卷固定在对应的绕线滚子上。n根第一拉线分别穿过各第一中间支撑单元上对应位置的n个限位槽。

所述第二驱动腱组包括n根第二拉线；第二拉线采用纳米编织线。n根第二拉线沿第二驱动臂轴线的周向均布，其一端均与第二末端支撑单元固定，另一端经对应的导向滚子导向后，绕卷固定在对应的绕线滚子上。n根第二拉线均穿过各个第二中间支撑单元、第一末端支撑单元和各个第一中间支撑单元上的n个限位槽。

作为优选，所述的第一驱动臂包括第一末端支撑单元、多个第一中间支撑单元。各第一中间支撑单元和位于最外端的第一末端支撑单元依次间隔排列。第二驱动臂包括第二末端支撑单元、多个第二中间支撑单元。各第二中间支撑单元和位于最外端的第二末端支撑单元依次间隔排列。基座朝向第一驱动臂的一侧、第一末端支撑单元、第一中间支撑单元、第二末端支撑单元、第二中间支撑单元的内部均固定有稳位磁铁。各稳位磁铁也依次排列。相邻两个稳位磁铁的相对端磁极相同。

作为优选，所述的第一中间支撑单元、第一末端支撑单元、第二中间支撑单元的两侧，第二末端支撑单元朝内的一侧，基座朝外的一侧均设置有插头部或插槽。每个插头部均与一个插槽正对。相互正对的插头部与插槽能够插接在一起。通过缩短第一驱动臂或第二驱动臂至极限位置，能够使得第一驱动臂或第二驱动臂上相互正对的插头部与一个插槽插接在一起，将第一驱动臂或第二驱动臂由柔性结构转变为刚性结构。该腱驱动柔性机械臂具有四种状态；第一状态下，第一驱动臂和第二驱动臂均呈现刚性结构状态；第二状态下，第一驱动臂呈现刚性结构状态，第二驱动臂呈现柔性结构状态；第三状态下，第一驱动臂呈现柔性结构状态，第二驱动臂呈现刚性结构状态；第四状态下，第一驱动臂和第二驱动臂均呈现柔性结构状态。

作为优选，所述的稳位磁铁采用电磁铁，通过调节各稳位磁铁调节第一驱动臂和第二驱动臂的紧绷程度。

作为优选，所述的支撑杆体上靠近第二驱动臂的部分不设外螺纹。支撑杆体上不设外螺纹的长度为a；a≤b+c；b为第一驱动臂末端到滑动推块的末端到螺母的距离；c为第二驱动臂在最短状态下的长度。

作为优选，所述第二驱动臂在最长状态下，支撑杆体外端伸出支撑管体外的长度小于a。

作为优选，所述的支撑杆驱动组件还包括第一驱动齿轮、丝杠齿轮、推杆丝杠、推管驱动电机、传动齿轮和推杆驱动电机。所述的基座远离第一驱动臂的一端固定有多根导杆，并转动连接有两根推杆丝杠；滑动推块滑动连接在四根导杆上。两根推杆丝杠分别穿过滑动推块上位于中心孔两侧的两个通孔。第一驱动齿轮和两个丝杠齿轮均支承在滑动推块上。两个丝杠齿轮均与第一驱动齿轮啮合。两个丝杠齿轮的中心位置均开设有螺纹通孔，并与两根推杆丝杠分别构成螺旋副。推管驱动电机安装在滑动推块上，且输出轴与第一驱动齿轮固定。推杆驱动电机安装在滑动推块上。相互啮合的两个传动齿轮与螺母、推杆驱动电机的输出轴分别固定。

作为优选，所述的肌腱驱动组件还包括导向滚子。2n个导向滚子均支承在基座上。导向滚子位于绕线滚子靠近第一驱动臂的一侧。各第一拉线和各第二拉线分别通过对应的导向滚子转向。

作为优选，2n个导向滚子两两一组分为n组；n组导向滚子呈正n角形排布。同组的两个导向滚子同轴设置。2n个绕线滚子均支承在基座上，且沿基座中心轴线的周向均布。2n个肌腱驱动电机均安装在基座上。

该可生长可刚柔变换的腱驱动柔性机械臂的驱动方法具体如下：

当需要伸长或缩短第一驱动臂时，第一驱动腱组和第二驱动腱组均向外释放向内收卷；滑动推块向靠近或远离第一驱动臂的方向移动，从而带动第一驱动臂伸长或缩短。

当需要伸长或缩短第二驱动臂时，第一驱动腱组保持静止和第二驱动腱组向外释放向内收卷；螺母旋转，带动支撑杆体向远离或靠近第一驱动臂的方向移动，从而带动第二驱动臂伸长或缩短。

当需要弯曲第一驱动臂时，第一驱动腱组上靠近目标弯曲方向的一根或多根第一拉线收卷上对应的绕线滚子；第一驱动腱组上远离目标弯曲方向的一根或多根第一拉线收卷从对应的绕线滚子上释放；第二驱动腱组上各第二拉线的运动与对应位置的第一拉线保持一致。

当需要弯曲第二驱动臂时，第二驱动腱组上靠近目标弯曲方向的一根或多根第一拉线收卷上对应的绕线滚子；第二驱动腱组上远离目标弯曲方向的一根或多根第一拉线收卷从对应的绕线滚子上释放；第一驱动腱组保持静止。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明上设置有串联且能够的两段驱动臂，能够完成较为复杂的动作，且支撑外侧驱动臂的支撑杆体穿过支撑内侧驱动臂的支撑管体；支撑管体由推移滑块的驱动下移动；支撑杆体由安装在螺母的驱动下移动，整个驱动机构结构十分紧凑。

2、本发明的两段驱动臂均能够实现刚柔转换，在非工作情况或者特殊的工作情况下保持刚性状态，以完成特殊工作任务，并延长机械臂的使用寿命。

3、本发明使用了类似于生物的肌腱驱动方式，摆脱了传统介质驱动软体机器人在环境方面的要求。

4、本发明中机械臂由于放弃了介质驱动，具有良好的直径长度比，能够实现在微小区域进行可靠地作业。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中肌腱驱动组件的结构示意图；

图3是本发明中支撑杆驱动组件的结构示意图；

图4是本发明中第一中间支撑单元的爆炸示意图；

图5是本发明的驱动原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种可生长可刚柔变换的腱驱动柔性机械臂，包括驱动模块，以及由内至外依次连接的基座12、第一驱动臂11和第二驱动臂10。驱动模块安装在基座12上，其包括支撑杆驱动组件1、肌腱驱动组件2、支撑管体4、第一驱动腱组5、第二驱动腱组7和支撑杆体8。支撑管体4和支撑杆体8均能够弯曲变形。

如图2所示，肌腱驱动组件2安装在基座12侧部；肌腱驱动组件2包括导向滚子2-1、绕线滚子2-2和肌腱驱动电机2-3。六个导向滚子2-1均支承在基座12上，且两两一组分为三组；三组导向滚子2-1呈正三角形排布。同组的两个导向滚子2-1同轴设置。六个绕线滚子2-2均支承在基座12上，且沿基座12中心轴线的周向均布。六个肌腱驱动电机2-3均安装在基座12上，且分别驱动六个绕线滚子2-2旋转。绕线滚子2-2位于导向滚子2-1远离第一驱动臂11。肌腱驱动组件2用于收卷或释放六根拉绳，从而带动第一驱动臂11和第二驱动臂10进行弯曲、伸长和缩短。

如图3所示，支撑杆驱动组件1包括推管驱动电机1-1、滑动推块1-2、第一驱动齿轮1-3、丝杠齿轮1-4、传动齿轮1-5、螺母1-9、推杆驱动电机1-6、导杆1-7和推杆丝杠1-8。基座12远离第一驱动臂11的一端固定有四根导杆1-7，并转动连接有两根推杆丝杠1-8；两根推杆丝杠1-8均为滚珠丝杠且旋向、螺距、线数、公称直径等均相同。

滑动推块1-2滑动连接在四根导杆1-7上。支撑管体4的内端穿过滑动推块1-2的中心孔固定。支撑管体4的外端穿过基座12和第一驱动臂11，并与第一驱动臂11末端的第一末端支撑单元6固定。支撑杆体8穿过支撑管体4的内腔。支撑杆体8的内端穿过滑动推块1-2的中心孔。支撑杆体8的外端从支撑管体4的外端部伸出，并穿过第二驱动臂10后与第二驱动臂10末端的第二末端支撑单元9固定。

两根推杆丝杠1-8分别穿过滑动推块1-2上位于中心孔两侧的两个通孔。第一驱动齿轮1-3和两个丝杠齿轮1-4均支承在滑动推块1-2上。两个丝杠齿轮1-4均与第一驱动齿轮1-3啮合。两个丝杠齿轮1-4的中心位置均开设有螺纹通孔，并与两根推杆丝杠1-8分别构成螺旋副。推管驱动电机1-1安装在滑动推块1-2上，且输出轴与第一驱动齿轮1-3固定。推管驱动电机1-1旋转能够带动滑动推块1-2滑动，带动支撑杆体8和支撑管体4同步伸缩。

滑动推块1-2的中心孔远离第一驱动臂的一端转动连接有螺母1-9。推杆驱动电机1-6安装在滑动推块1-2上。相互啮合的两个传动齿轮1-5与螺母1-9、推杆驱动电机1-6的输出轴分别固定。支撑杆体8上远离第二驱动臂10末端的一端设置有外螺纹。支撑杆体8与螺母1-9构成螺旋副。通过推杆驱动电机1-6驱动螺母1-9旋转，即可带动支撑杆体8相对于支撑管体4伸缩，从而带动第二驱动臂10伸缩，而第一驱动臂保持静止。

支撑杆体8上不设外螺纹的长度为a；a＝b+c；b为第一驱动臂11末端到滑动推块1-2的末端到螺母1-9的距离；c为第二驱动臂10在最短状态下的长度。该数值关系下，支撑杆体8在伸缩不受影响的情况下，将不设螺纹部分的长度达到最大，从而能够尽可能提高支撑杆体8的结构强度。第二驱动臂10在最长状态下，支撑杆体8外端伸出支撑管体4外的长度小于a；从而保证支撑杆体8支撑第二驱动臂10的部分具有足够的结构强度。

具体的，滑动推块1-2呈矩形，其上设有电机安装孔1-2-1、支撑杆导向孔1-2-2、第一支撑杆安装槽1-2-3、齿轮安装孔1-2-4、滑轨导向孔1-2-5和电机安装座1-2-6；所述丝杠齿轮1-4包括直齿齿轮1-4-1、导向柱1-4-2以及定位块1-4-3，定位块1-4-3可拆卸，丝杠齿轮轴向设有螺纹通孔1-4-4。所述支撑杆驱动组件中推管驱动电机1-1安装在滑动推块1-2的电机安装孔1-2-1上，第一驱动齿轮1-3安装在电机输出轴上，丝杠齿轮1-4安装在滑动推块1-2的齿轮安装孔1-2-4上并形成转动副；

如图1和4所示，第一驱动臂11包括第一末端支撑单元6、多个第一中间支撑单元3。各第一中间支撑单元3和位于最外端的第一末端支撑单元6依次间隔排列。所述第一驱动腱组5包括三根第一拉线；第一拉线采用纳米编织线。三根第一拉线沿第一驱动臂11轴线的周向均布，其一端均与第一末端支撑单元6固定，另一端经对应的导向滚子2-1导向后，绕卷固定在对应的绕线滚子2-2上。三根第一拉线分别穿过各第一中间支撑单元3上对应位置的三个限位槽16。

第二驱动臂10包括第二末端支撑单元9、多个第二中间支撑单元14。各第二中间支撑单元14和位于最外端的第二末端支撑单元9依次间隔排列。所述第二驱动腱组7包括三根第二拉线；第二拉线采用纳米编织线。三根第二拉线沿第二驱动臂10轴线的周向均布，其一端均与第二末端支撑单元9固定，另一端经对应的导向滚子2-1导向后，绕卷固定在对应的绕线滚子2-2上。三根第二拉线均穿过各个第二中间支撑单元14、第一末端支撑单元6和各个第一中间支撑单元3上的三个限位槽16。

基座12朝向第一驱动臂的一侧、第一末端支撑单元6、第一中间支撑单元3、第二末端支撑单元9、第二中间支撑单元14的内部均固定有稳位磁铁15；稳位磁铁15上设置用中心让位孔，用以供支撑管体4和支撑杆体8穿过。

由于基座12、各个第一中间支撑单元3、第一末端支撑单元6、各个第二中间支撑单元14、第二末端支撑单元9依次排列；故各稳位磁铁15也依次排列。相邻两个稳位磁铁15的相对端磁极相同，相互产生斥力，使得第一驱动臂和第二驱动臂在不同长度下均能够保持在绷紧状态，且各个第一中间支撑单元3及各个第二中间支撑单元14均保持均匀布置。稳位磁铁15采用电磁铁，通过调节稳位磁铁15的通电电流即可调节第一驱动臂和第二驱动臂的紧绷程度。

第一中间支撑单元3、第一末端支撑单元6、第二中间支撑单元14、第二末端支撑单元9均包括对接在一起的公端支撑块3-1和母端支撑块3-2；稳位磁铁15设置在公端支撑块3-1与母端支撑块3-2之间的安装槽中。公端支撑块3-1和母端支撑块3-2上均开设有限位槽16和磁铁安装槽3-4，中央设有支撑孔3-3。公端支撑块3-1和母端支撑块3-2均呈圆盘形，公端支撑块3-1设置有插头部18；母端支撑块3-2上设置有插槽17；插头部18能够插入插槽17中。基座12朝向第一驱动臂的一侧设置有插头部18。插头部18当第一驱动臂和第二驱动臂缩短到极限位置时，插头部18能够插入插槽17中，使得第一驱动臂和第二驱动臂形成刚性结构。

基座、各个第一中间支撑单元3和第一末端支撑单元6通过插头部18和插槽17依次插接在一起时，第一驱动臂由柔性结构转化为刚性结构；第一末端支撑单元6、各个第二中间支撑单元14和第二末端支撑单元9通过插头部18和插槽17依次插接在一起时，第二驱动臂由柔性结构转化为刚性结构；本发明在第一驱动臂和第二驱动臂均呈现刚性结构的状态下作为一节刚性支撑臂使用；本发明在第一驱动臂与第二驱动臂呈现其中一个刚性结构，另一个柔性结构的状态下执行对应需要的任务。

第一末端支撑单元6和第二末端支撑单元9的外侧均额外设置有三个拉线固定孔，用以与对应的三根拉线的端部固定。第二末端支撑单元9上不设限位槽16和插头部18，且设置有增设了反馈摄像头19。

如图5所示，该可生长可刚柔变换的腱驱动柔性机械臂的驱动原理如下：

由于机械臂的支撑单元内含有电磁铁，相邻两个支撑单元内的电磁铁同极相对摆放，于是产生了斥力，在支撑管体4和支撑杆体8的支持下，每组驱动臂内的每个支撑单元能够保证以一定的距离均匀排布，实现了机械臂的柔性主体，再通过调整电磁铁的磁性大小、肌腱的长度和支撑杆的长度即可实现机械臂的弯曲、伸长收缩等操作。

该可生长可刚柔变换的腱驱动柔性机械臂的驱动方法如下：

一、机械臂的弯曲方法：

将机械臂的弯曲分为第一驱动臂的弯曲和第二驱动臂的弯曲。

为了更好地进行说明，将肌腱驱动组件上绕线滚子的安装位置按照顺时针排布命名为第一绕线滚子、第二绕线滚子、第三绕线滚子、第四绕线滚子、第五绕线滚子、第六绕线滚子，同时对应的肌腱驱动电机为第一肌腱驱动电机、第二肌腱驱动电机、第三肌腱驱动电机、第四肌腱驱动电机、第五肌腱驱动电机、第六肌腱驱动电机。其中第一绕线滚子、第三绕线滚子、第五绕线滚子所绕拉线连接在第一末端支撑单元上；其中第二绕线滚子、第四绕线滚子、第六绕线滚子所绕拉线连接在第二末端支撑单元上。

现描述第一驱动臂的弯曲：

若第一驱动臂向第一绕线滚子与第二绕线滚子中央区域弯曲，则令第一肌腱驱动电机反转，收卷对应的拉线，第三肌腱驱动电机和第五肌腱驱动电机正转，释放对应的拉线，弯曲程度由第一肌腱收卷程度和第三第五肌腱释放程度而定；

若第一驱动臂向第二绕线滚子与第三绕线滚子间区域弯曲，则令第一肌腱驱动电机和第三肌腱驱动电机反转，收卷对应的拉线，第五肌腱驱动电机正转，释放对应的拉线，弯曲程度和方向由第一第三肌腱收卷程度和第五肌腱释放程度而定；

若第一驱动臂向第三绕线滚子与第四绕线滚子中央区域弯曲，则令第三肌腱驱动电机反转，收卷对应的拉线，第一肌腱驱动电机和第五肌腱驱动电机正转，释放对应的拉线，弯曲程度由第三肌腱收卷程度和第一第五肌腱释放程度而定；

若第一驱动臂向第四绕线滚子与第五绕线滚子间区域弯曲，则令第三肌腱驱动电机和第五肌腱驱动电机反转，收卷对应的拉线，第一肌腱驱动电机正转，释放对应的拉线，弯曲程度和方向由第三第五肌腱收卷程度和第一肌腱释放程度而定；

若第一驱动臂向第五绕线滚子与第六绕线滚子中央区域弯曲，则令第五肌腱驱动电机反转，收卷对应的拉线，第一肌腱驱动电机和第三肌腱驱动电机正转，释放对应的拉线，弯曲程度由第五肌腱收卷程度和第一第三肌腱释放程度而定；

若第一驱动臂向第六绕线滚子与第一绕线滚子间区域弯曲，则令第五肌腱驱动电机和第一肌腱驱动电机反转，收卷对应的拉线，第三肌腱驱动电机正转，释放对应的拉线，弯曲程度和方向由第一第五肌腱收卷程度和第三肌腱释放程度而定；

现描述第二驱动臂的弯曲：

若第二驱动臂向第一绕线滚子与第二绕线滚子中央区域弯曲，则令第二肌腱驱动电机反转，收卷对应的拉线，第四肌腱驱动电机和第六肌腱驱动电机正转，释放对应的拉线，弯曲程度由第二肌腱收卷程度和第四第六肌腱释放程度而定；

若第二驱动臂向第二绕线滚子与第三绕线滚子中央区域弯曲，则令第二肌腱驱动电机和第四肌腱驱动电机反转，收卷对应的拉线，第六肌腱驱动电机正转，释放对应的拉线，弯曲程度和方向由第二第四肌腱收卷程度和第六肌腱释放程度而定；

若第二驱动臂向第三绕线滚子与第四绕线滚子中央区域弯曲，则令第四肌腱驱动电机反转，收卷对应的拉线，第二肌腱驱动电机和第六肌腱驱动电机正转，释放对应的拉线，弯曲程度由第四肌腱收卷程度和第二第六肌腱释放程度而定；

若第二驱动臂向第四绕线滚子与第五绕线滚子中央区域弯曲，则令第四肌腱驱动电机和第六肌腱驱动电机反转，收卷对应的拉线，第二肌腱驱动电机正转，释放对应的拉线，弯曲程度和方向由第四第六肌腱收卷程度和第二肌腱释放程度而定；

若第二驱动臂向第五绕线滚子与第六绕线滚子中央区域弯曲，则令第六肌腱驱动电机反转，收卷对应的拉线，第二肌腱驱动电机和第四肌腱驱动电机正转，释放对应的拉线，弯曲程度由第六肌腱收卷程度和第二第四肌腱释放程度而定；

若第二驱动臂向第六绕线滚子与第一绕线滚子中央区域弯曲，则令第六肌腱驱动电机和第二肌腱驱动电机反转，收卷对应的拉线，第四肌腱驱动电机正转，释放对应的拉线，弯曲程度和方向由第二第六肌腱收卷程度和第四肌腱释放程度而定；

二、机械臂的伸长和收缩方法：

将机械臂的伸长分为第一驱动臂的伸长和第二驱动臂的伸长。

现描述第一驱动臂的伸长和收缩：

若第一驱动臂伸长，则令推管驱动电机正转，所有肌腱驱动电机均以相同的转速正转，同时第一驱动臂中的稳位磁铁所通电流增大，伸长程度由电磁铁的磁性和支撑管体的前进距离而定。

若第一驱动臂收缩，则令推管驱动电机反转，所有肌腱驱动电机均以相同的转速反转，同时第一驱动臂中的稳位磁铁所通电流减小，收缩程度由电磁铁的磁性和支撑管体的后退距离而定。

现描述第二驱动臂的伸长和收缩：

若第二驱动臂伸长，则令推杆驱动电机正转，第二肌腱驱动电机、第四肌腱驱动电机和第六肌腱驱动电机均以相同的转速正转，同时第二驱动臂中的稳位磁铁所通电流增大，伸长程度由电磁铁的磁性和支撑杆体的前进距离而定。

若第二驱动臂收缩，则令推杆驱动电机反转，第二肌腱驱动电机、第四肌腱驱动电机和第六肌腱驱动电机均以相同的转速反转，同时第二驱动臂中的稳位磁铁所通电流减小，收缩程度由电磁铁的磁性和支撑杆体的后退距离而定。

三、机械臂刚柔变换方法：

将机械臂的刚柔变换分为第一驱动臂的刚柔变换和第二驱动臂的刚柔变换。

现描述第一驱动臂的刚柔变换方法：

若第一驱动臂需要将机械臂由柔性变为刚性，则令第一驱动臂收缩，收缩参考机械臂的收缩方法，待第一驱动臂中除了第一末端支撑单元外所有插头部和插槽均完成配合后实现第一驱动臂的刚柔变换。

若第一驱动臂需要将机械臂由刚性变为柔性，则令第一驱动臂伸长，伸长参考机械臂的伸长方法，待第一驱动臂中所有插头部和插槽均脱离配合后实现第一驱动臂的刚柔变换。

现描述第二驱动臂的刚柔变换方法：

若第二驱动臂需要将机械臂由柔性变为刚性，则令第二驱动臂收缩，收缩参考机械臂的收缩方法，待第二驱动臂中所有插头部和插槽均完成配合后实现第二驱动臂的刚柔变换。

若第二驱动臂需要将机械臂由刚性变为柔性，则令第二驱动臂伸长，伸长参考机械臂的伸长方法，待第二驱动臂中所有插头部和插槽均脱离配合后实现第二驱动臂的刚柔变换。

该可生长可刚柔变换的腱驱动柔性机械臂的操作步骤如下：

步骤一、利用反馈摄像头，确定所需抵达的物体。

步骤二、对摄像头接收到的信息进行处理，得到目标物体对摄像头的相对位置关系。

步骤三、通过相对位置关系，驱动机械臂到达目标位置，同时摄像头实时对目标进行监测实现反馈控制。

Claims (6)

1.一种可生长可刚柔变换的腱驱动柔性机械臂，包括驱动模块，以及由内至外依次连接的基座（12）、第一驱动臂（11）和第二驱动臂（10）；其特征在于：所述的驱动模块安装在基座（12）上，其包括支撑杆驱动组件（1）、肌腱驱动组件（2）、支撑管体（4）、第一驱动腱组（5）、第二驱动腱组（7）和支撑杆体（8）；所述的肌腱驱动组件（2）安装在基座（12）侧部；肌腱驱动组件（2）包括绕线滚子（2-2）和肌腱驱动电机（2-3）；2n个绕线滚子（2-2）均支承在基座（12）上；n≥3；各绕线滚子（2-2）分别由对应的肌腱驱动电机（2-3）驱动；

所述的支撑杆驱动组件（1）包括滑动推块（1-2）和螺母（1-9）；滑动推块（1-2）安装在基座（12），并能够在动力元件的驱动下，远离或靠近第一驱动臂（11）；滑动推块（1-2）上转动连接有螺母（1-9）；螺母（1-9）能够在动力元件的驱动下旋转；支撑管体（4）的内端与滑动推块（1-2）固定；支撑管体（4）的外端穿过第一驱动臂（11），并与第一驱动臂（11）的末端固定；支撑杆体（8）穿过支撑管体（4）的内腔；支撑杆体（8）的内端从支撑管体（4）的内端伸出，并与螺母（1-9）构成螺旋副；支撑杆体（8）的外端从支撑管体（4）的外端伸出，穿过第二驱动臂（10），并与第二驱动臂（10）末端固定；

所述第一驱动腱组（5）包括n根第一拉线；n根第一拉线环绕支撑管体（4）布置；各第一拉线的一端均与第一驱动臂（11）的末端固定，另一端均绕卷在对应的绕线滚子（2-2）上；所述第二驱动腱组（7）包括n根第二拉线；n根第二拉线环绕支撑杆体（8）布置；各第一拉线的一端均与第一驱动臂（11）的末端固定，另一端均绕卷在对应的绕线滚子（2-2）上；

n根第一拉线沿第一驱动臂（11）轴线的周向均布，其一端均与第一末端支撑单元（6）固定，另一端经对应的导向滚子（2-1）导向后，绕卷固定在对应的绕线滚子（2-2）上；n根第一拉线分别穿过各第一中间支撑单元（3）上对应位置的n个限位槽（16）；

所述第二驱动腱组（7）包括n根第二拉线；第二拉线采用纳米编织线；n根第二拉线沿第二驱动臂（10）轴线的周向均布，其一端均与第二末端支撑单元（9）固定，另一端经对应的导向滚子（2-1）导向后，绕卷固定在对应的绕线滚子（2-2）上；n根第二拉线均穿过各个第二中间支撑单元（14）、第一末端支撑单元（6）和各个第一中间支撑单元（3）上的n个限位槽（16）；

所述的第一驱动臂（11）包括第一末端支撑单元（6）、多个第一中间支撑单元（3）；各第一中间支撑单元（3）和位于最外端的第一末端支撑单元（6）依次间隔排列；第二驱动臂（10）包括第二末端支撑单元（9）、多个第二中间支撑单元（14）；各第二中间支撑单元（14）和位于最外端的第二末端支撑单元（9）依次间隔排列；基座（12）朝向第一驱动臂的一侧、第一末端支撑单元（6）、第一中间支撑单元（3）、第二末端支撑单元（9）、第二中间支撑单元（14）的内部均固定有稳位磁铁（15）；各稳位磁铁（15）也依次排列；相邻两个稳位磁铁（15）的相对端磁极相同；

所述的第一中间支撑单元（3）、第一末端支撑单元（6）、第二中间支撑单元（14）的两侧，第二末端支撑单元（9）朝内的一侧，基座朝外的一侧均设置有插头部（18）或插槽（17）；每个插头部（18）均与一个插槽（17）正对；相互正对的插头部（18）与插槽（17）能够插接在一起；通过缩短第一驱动臂（11）或第二驱动臂（10）至极限位置，能够使得第一驱动臂（11）或第二驱动臂（10）上相互正对的插头部（18）与一个插槽（17）插接在一起，将第一驱动臂（11）或第二驱动臂（10）由柔性结构转变为刚性结构；该腱驱动柔性机械臂具有四种状态；第一状态下，第一驱动臂（11）和第二驱动臂（10）均呈现刚性结构状态；第二状态下，第一驱动臂（11）呈现刚性结构状态，第二驱动臂（10）呈现柔性结构状态；第三状态下，第一驱动臂（11）呈现柔性结构状态，第二驱动臂（10）呈现刚性结构状态；第四状态下，第一驱动臂（11）和第二驱动臂（10）均呈现柔性结构状态；

所述的稳位磁铁（15）采用电磁铁，通过调节各稳位磁铁（15）调节第一驱动臂和第二驱动臂的紧绷程度；

所述的支撑杆驱动组件（1）还包括第一驱动齿轮（1-3）、丝杠齿轮（1-4）、推杆丝杠（1-8）、推管驱动电机（1-1）、传动齿轮（1-5）和推杆驱动电机（1-6）；所述的基座（12）远离第一驱动臂（11）的一端固定有多根导杆（1-7），并转动连接有两根推杆丝杠（1-8）；滑动推块（1-2）滑动连接在四根导杆（1-7）上；两根推杆丝杠（1-8）分别穿过滑动推块（1-2）上位于中心孔两侧的两个通孔；第一驱动齿轮（1-3）和两个丝杠齿轮（1-4）均支承在滑动推块（1-2）上；两个丝杠齿轮（1-4）均与第一驱动齿轮（1-3）啮合；两个丝杠齿轮（1-4）的中心位置均开设有螺纹通孔，并与两根推杆丝杠（1-8）分别构成螺旋副；推管驱动电机（1-1）安装在滑动推块（1-2）上，且输出轴与第一驱动齿轮（1-3）固定；推杆驱动电机（1-6）安装在滑动推块（1-2）上；相互啮合的两个传动齿轮（1-5）与螺母（1-9）、推杆驱动电机（1-6）的输出轴分别固定。

2.根据权利要求1所述的一种可生长可刚柔变换的腱驱动柔性机械臂，其特征在于：所述的支撑杆体（8）上靠近第二驱动臂（10）的部分不设外螺纹；支撑杆体（8）上不设外螺纹的长度为a；a≤b+c；b为第一驱动臂（11）末端到滑动推块（1-2）的末端到螺母（1-9）的距离；c为第二驱动臂（10）在最短状态下的长度。

3.根据权利要求2所述的一种可生长可刚柔变换的腱驱动柔性机械臂，其特征在于：所述第二驱动臂（10）在最长状态下，支撑杆体（8）外端伸出支撑管体（4）外的长度小于a。

4.根据权利要求1所述的一种可生长可刚柔变换的腱驱动柔性机械臂，其特征在于：所述的肌腱驱动组件（2）还包括导向滚子（2-1）；2n个导向滚子（2-1）均支承在基座（12）上；导向滚子（2-1）位于绕线滚子（2-2）靠近第一驱动臂（11）的一侧；各第一拉线和各第二拉线分别通过对应的导向滚子（2-1）转向。

5.根据权利要求4所述的一种可生长可刚柔变换的腱驱动柔性机械臂，其特征在于：2n个导向滚子（2-1）两两一组分为n组；n组导向滚子（2-1）呈正n角形排布；同组的两个导向滚子（2-1）同轴设置；2n个绕线滚子（2-2）均支承在基座（12）上，且沿基座（12）中心轴线的周向均布；2n个肌腱驱动电机（2-3）均安装在基座（12）上。

6.如权利要求1所述的一种可生长可刚柔变换的腱驱动柔性机械臂的驱动方法，其特征在于：当需要伸长或缩短第一驱动臂时，第一驱动腱组（5）和第二驱动腱组（7）均向外释放向内收卷；滑动推块（1-2）向靠近或远离第一驱动臂（11）的方向移动，从而带动第一驱动臂（11）伸长或缩短；

当需要伸长或缩短第二驱动臂时，第一驱动腱组（5）保持静止和第二驱动腱组（7）向外释放；螺母（1-9）旋转，带动支撑杆体（8）向远离或靠近第二驱动臂（10）的方向移动，从而带动第一驱动臂（11）伸长或缩短；

当需要弯曲第一驱动臂时，第一驱动腱组（5）上靠近目标弯曲方向的一根或多根第一拉线收卷上对应的绕线滚子（2-2）；第一驱动腱组（5）上远离目标弯曲方向的一根或多根第一拉线收卷从对应的绕线滚子（2-2）上释放；第二驱动腱组（7）上各第二拉线的运动与对应位置的第一拉线保持一致；

当需要弯曲第二驱动臂时，第二驱动腱组（7）上靠近目标弯曲方向的一根或多根第一拉线收卷上对应的绕线滚子（2-2）；第二驱动腱组（7）上远离目标弯曲方向的一根或多根第一拉线收卷从对应的绕线滚子（2-2）上释放；第一驱动腱组（5）保持静止。

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