CN113997315B - 三自由度气动可变刚度柔性机械臂 - Google Patents

Abstract

三自由度气动可变刚度柔性机械臂，能够克服目前柔性机械臂刚性不足缺陷，其本身可针对机械臂负载或空间位置的变化实时调节机械臂的刚度，其特征在于上端盖与下端盖之间设有均布在同一圆周上异形腔内的若干组人工肌肉组成的驱动单元及设在中心位置的变刚度制动器；为人工肌肉输入不同压力或相同压力气体，可实现机械臂多方向弯曲及轴向伸长功能；变刚度制动器其特征在于外约束套和内弹性气囊中间的圆环状空腔设有颗粒填充物；向内弹性气囊内腔输入压力气体时，在外约束套的作用下内弹性气囊径向膨胀受限，挤压颗粒填充物，在气体压力与填充物堵塞的共同作用下实现机械臂的刚度可调功能，并保证机械臂的位姿保持。

Description

三自由度气动可变刚度柔性机械臂

技术领域

本发明属于柔性机器人领域，特别是涉及一种三自由度气动可变刚度柔性机械臂。

背景技术

机器人已广泛应用于军事、工业、服务、医疗等众多领域；机械臂作为机器人的执行机构，对机器人的整体性能有较大的影响；传统的机械臂以工业机械臂为主，具有较高的刚度以及控制精度，但传统机器人结构复杂，工作环境受限，最重要的是机械臂在工作过程中人机交互的安全性无法保证，给人身安全带来了很大的隐患；为解决传统机械臂的不足，研究人员提出柔性机械臂，其本体主要采用柔性材料加工而成，工作过程中人与机器人可直接接触，人机交互的安全性大大提高，且柔性机械臂灵活性较好，自由度较多，即使在狭窄空间内也能灵活作业，同时还能够实现轻量化，但柔性机械臂柔性的提高往往以牺牲承载能力为前提，即刚性不足；为解决柔性机械臂刚性不足的缺陷，变刚度结构成为近年来研究人员的研究热点，尤其是基于堵塞原理使得材料发生相变从而改变机械臂刚度的这种方式成为研究人员的研究主流，但是目前颗粒堵塞的变刚度方法主要基于真空负压原理，但由于现有负压设备的真空度较小，变刚度范围较小；哈尔滨工业大学提出了一种变刚度的充气式软体机械臂，主要由机械臂本体和侧壁内的限制层组成，主体的一端设有通气孔，该机械臂主要用于物体的抓取，能够满足刚度要求，但该设计结构复杂且对材料要求较高，至少需要三种不同材质的软体材料，另外通气管需要安装在限制层内，给安装带来了一定的困难；中国人民解放军国防科技大学提出了模块化刚柔耦合的气动软体机械臂，主要是通过对气囊内腔进行充气和放气以实现变刚度性能，该机械臂结构过于紧凑且变刚度效果不明显；本发明提出的气动可变刚度弹性臂，通过周向均布的驱动气囊以及中间的变刚度制动器共同作用，承载能力大，变刚度效果明显；本发明可作为柔性机器人的变刚度机械臂，既满足柔性机器人的柔性要求，又能提高柔性机器人的刚度，提高柔性机器人的承载能力。

发明内容

本发明提供一种三自由度气动可变刚度柔性机械臂，能够克服目前柔性机械臂刚性不足的缺陷，可针对机械臂的负载或位置的变化实时调节机械臂的刚度，该软体机械臂结构简单，控制方便，运动灵活；三自由度气动可变刚度柔性机械臂其特征在于，主要包括螺钉1、上端盖2、弹簧3、变刚度制动器4、人工肌肉上堵头5、橡胶管6、约束环7、人工肌肉下堵头8、下端盖9、气动接头10；人工肌肉上堵头、橡胶管和人工肌肉下堵头形成人工肌肉，外部设有开有异形腔的约束环，6个人工肌肉两两一组径向成120°安装于约束环的三个异形腔内，驱动器两端由上端盖和下端盖约束，下端盖设有通孔，通过气动接头与人工肌肉下堵头连接，用于压力气体的输入；弹簧安装于约束环的通孔中，保证机械臂的初始刚度；变刚度制动器其特征在于，与上、下端盖同轴安装，变刚度制动器上密封端盖和下密封端盖中间设有同轴线的外约束套、内弹性气囊、填充物，外约束套、内弹性气囊以及上、下密封端盖形成圆环状空腔，空腔内设有填充物，变刚度制动器上密封端盖为阶梯状结构，较小端采用捆绑或胶粘或扣押方式联接内弹性气囊，较大端采用捆绑或胶粘或扣押方式联接外约束套，较大端端面留有螺纹孔用于安装到上端盖上，变刚度制动器下密封端盖也为阶梯状结构，中心轴线上留有螺纹通孔，用于压力气体流入，压力气体可采用液体替代；变刚度制动器下密封端盖较小端采用捆绑或胶粘或扣押方式联接内弹性气囊，较大端采用捆绑或胶粘或扣押方式联接外约束套；在变刚度制动器下密封端盖较大端端面螺纹通孔周围留有螺纹孔用于安装到下端盖上；当变刚度制动器通入压力气体时，随着通入内弹性气囊的气体压力变大，内弹性气囊膨胀，由于外约束套的限制作用，挤压填充物，在压力气体与填充物堵塞的共同作用下，提高机械臂刚度，实现机械臂的位姿保持；外约束套采用塑性较好的材料，如PUC纤维管、PUC钢丝管、PVC塑料；内弹性气囊采用弹性变形较好的材料如硅胶、乳胶、橡胶；填充物可为颗粒或微粒，材料采用金属、陶粒、沙粒、有机材料、无机材料中的一种或者多种，形状可采用球形、圆柱体、四面体、圆锥体、多面体、不规则薄片体中的一种或多种；当压力气体通入内弹性气囊内腔时，内弹性气囊由于外约束套的限制径向膨胀受限，挤压填充物，通过压力气体与填充物堵塞的共同作用，提高机械臂刚度和位姿的保持；三自由度气动可变刚度柔性机械臂的人工肌肉作为驱动部件其特征在于是由三组按照一定规律排列的人工肌肉构成，每组人工肌肉中间设有一根同长度的弹簧，对保证机械臂的初始刚度；人工肌肉作为驱动部件，内腔气体压力越高输出的轴向力越大，轴向输出力随着人工肌肉的伸长量变化；为保证软体机械臂的灵活性以及适应性，三自由度气动可变刚度柔性机械臂的人工肌肉数目可采用6个人工肌肉，每两个人工肌肉一组装入约束环的异形腔内，分为三组，每组径向上成120度均匀分布；异形腔可采用扇形、椭圆形、三角形、矩形；当三组人工肌肉通入相同压力的气体时，三自由度气动可变刚度柔性机械臂沿轴向伸长；当三组人工肌肉通入不同压力的气体时，三自由度气动可变刚度柔性机械臂在轴向伸长的同时实现向输入压力较小的人工肌肉方向弯曲；可通过调节气体压力实现弯曲角度、弯曲方向以及轴向伸长的控制，实现三维空间任意方向的可控弯曲和伸长；三自由度气动可变刚度柔性机械臂的人工肌肉数目可采用任意数量，均匀分布安装在上、下端盖之间；本发明的优点在于，三自由度气动可变刚度柔性机械臂其长度大小，直径大小均可按照实际应用尺寸进行灵活选取零部件；人工肌肉既是本体接头又是驱动器，能够实现本构柔性和运动柔性以及驱动柔性，结合压力气体与填充物的优势实现变刚度，变刚度范围大，效果明显。

附图说明

图1为三自由度气动可变刚度柔性机械臂总体结构示意图；

图2为三自由度气动可变刚度柔性机械臂剖视图；

图3为三自由度气动可变刚度柔性机械臂总体爆炸示意图；

图4为三自由度气动可变刚度柔性机械臂制动器爆炸图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步地详细描述：

三自由度气动可变刚度柔性机械臂其特征在于主要包括螺钉1、上端盖2、弹簧3、变刚度制动器4、人工肌肉上堵头5、橡胶管6、约束环7、人工肌肉下堵头8、下端盖9、气动接头10；上端盖2与下端盖9之间设有人工肌肉和变刚度制动器4；变刚度制动器4其结构特征在于由变刚度制动器上密封端盖4-1、外约束套4-2、填充物4-3、内弹性气囊4-4、变刚度制动器下密封端盖4-5组成，变刚度制动器上密封端盖4-1和变刚度制动器下密封端盖4-5的较小端分别安装在内弹性气囊4-4上、下两端，可采用捆绑或胶粘或扣押方式连接，将外约束套4-2一端采用捆绑或胶粘或扣押方式固定在变刚度制动器上密封端盖5-1较大一端，将填充物4-3填充到外约束套4-2和内弹性气囊4-4形成的圆环空腔内，装完填充物5-3后将外约束套4-2另一端与变刚度制动器下密封端盖4-5连接在一起，将变刚度制动器4的变刚度制动器上密封端盖4-1端用螺钉1固定在上端盖2上，将变刚度制动器4的变刚度制动器下密封端盖4-5端用气管接头10固定在下端盖9上，使变刚度制动器4与上端盖2、下端盖9同轴安装；人工肌肉其结构特征在于由人工肌肉上堵头5、橡胶管6、人工肌肉下堵头8构成，人工肌肉上堵头5、人工肌肉下堵头8分别安装在硅氟橡胶管6两端，将六个人工肌肉两两一组安装在约束环的异形腔内，人工肌肉上堵头5安装在上端盖2上，人工肌肉下堵头8安装在下端盖9上；将气管接头10穿过下端盖9安装在人工肌肉下堵头7的螺纹通孔上，用于通入压力气体。

Claims (4)

1.三自由度气动可变刚度柔性机械臂，其特征在于，主要包括螺钉、上端盖、弹簧、气动变刚度制动器、人工肌肉上堵头、橡胶管、人工肌肉下堵头、约束环、下端盖和气动接头；人工肌肉上堵头、橡胶管和人工肌肉下堵头形成人工肌肉，人工肌肉外部设有开有异形腔的约束环，6个人工肌肉两两一组径向成120°安装于约束环的三个异形腔内，柔性机械臂两端由上端盖和下端盖约束，下端盖设有通孔，通过气动接头与人工肌肉下堵头连接，用于压力气体的输入；弹簧安装于约束环的通孔中，保证机械臂的初始刚度；气动变刚度制动器与上、下端盖同轴安装，气动变刚度制动器上密封端盖和下密封端盖中间设有同轴线的外约束套、内弹性气囊、填充物，外约束套、内弹性气囊以及上、下密封端盖形成圆环状空腔，空腔内设有填充物，下密封端盖设有通孔，用于输入压力气体，当随着通入内弹性气囊的气体压力变大，内弹性气囊膨胀，由于外约束套的限制作用，挤压填充物，在压力气体与填充物堵塞的共同作用下，提高机械臂刚度，实现机械臂的位姿保持；气动变刚度制动器设置在下端盖和上端盖之间的中心轴上，两两一组的橡胶管均匀的分布在上端盖和下端盖之间中心轴的周围，弹簧间隔设置在每组橡胶管之间，且均匀分布在上端盖和下端盖之间中心轴的周围。

2.根据权利要求1所述三自由度气动可变刚度柔性机械臂，其特征在于，所述人工肌肉上堵头和人工肌肉下堵头之间设有硅氟橡胶管，人工肌肉下堵头端面设有螺纹通孔，用于向硅氟橡胶管内腔输入压力气体；人工肌肉作为驱动部件，内腔气体压力越高输出的轴向力越大，轴向输出力随着人工肌肉的伸长量变化；三自由度气动可变刚度柔性机械臂采用6个人工肌肉，每两个人工肌肉一组，分为三组，每组径向成120度均匀分布。

3.根据权利要求1所述三自由度气动可变刚度柔性机械臂，其特征在于，所述约束环设有异形气腔，气腔形状为扇形、椭圆形、三角形、矩形。

4.根据权利要求1所述的三自由度气动可变刚度柔性机械臂，其特征在于，所述气动变刚度制动器外约束套采用PUC纤维管、PUC钢丝管或PVC塑料；内弹性气囊采用硅胶、乳胶或橡胶；填充物为颗粒或微粒，材料采用金属、陶粒、沙粒中的一种或多种，形状采用球形、圆柱体、圆锥体、多面体、不规则薄片体中的一种或多种。