CN114367967B - 一种气动肌肉与超弹性杆结合的连续体蛇形臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气动肌肉与超弹性杆结合的连续体蛇形臂，它包括若干节可拆卸连接为一体的变刚度驱动器；变刚度驱动器包括软体端板、软体气动单元、超弹性杆机构和限位三角端板、连接套筒；超弹性杆机构包括三个超弹性控制杆和一根中间主杆，四根超弹性杆从驱动器的一端穿过软体气动单元延伸至对应的驱动器；软体气动单元与两个软体端板用热胶粘接在一起；限位三角端板安装在软体气动单元的两端，利用软体端盖密封；连接套筒通过软体端盖的缝隙卡扣将两个驱动器连接；相邻两个驱动器可以通过套筒进行拆卸。通过软体气动单元与超弹性杆形成方向相反力作用，实现蛇形臂的刚度变化控制。

Description

一种气动肌肉与超弹性杆结合的连续体蛇形臂

技术领域

本发明涉及一种机械臂，特别是涉及一种气动肌肉与超弹性杆结合的连续体蛇形臂。

背景技术

传统机器人由于灵活度有限、安全性和适应性较差等原因，使其在一些特殊的应用中，如医疗手术、人机交互、发动机内部搜索与探测等面临极大的挑战。软体机器人技术的出现与发展，为解决传统机器人存在的安全性和柔顺性等问题提供了新的思路。但到目前为止，软体机器人的研究仍处于起步阶段，其输出性能(如输出力和定位精度)与传统机器人及应用需求存在一定差距。

然而，当前软体机械臂的输出力和刚度受软材料、驱动方式和结构形式影响，限制了其在特殊环境中的作业能力，导致其在目标抓取或任务操作过程中无法保证足够的输出力和位姿精度，难以满足人机交互、医疗康复、工业生产等领域的对输出力与输出精度需求。因此，刚度可变的软体蛇形臂具有重要的研究意义。

目前国内外均对变刚度软体蛇形臂进行了大量的研究，例如2013年，三星先进技术研究院Kim等采用类似于鳞片调节刚度的层干扰原理设计了一款蛇形臂，通过对鳞片施加负气压的方式，增加鳞片间的库仑摩擦力，从而达到控制蛇形臂刚度的目的。国内方面，福州大学介绍了一种可变刚度的软体机械臂模块(中国发明专利，CN109648550A)，通过对两个连接板之间的多个硅胶气囊，和中部用于产生拮抗作用的变刚度硅胶气囊控制，实现蛇形臂的刚度控制；中南大学介绍了一种基于相变材料的刚度可变蛇形臂机器人(中国发明专利，201810746074.8)，通过对镶嵌在软体蛇形臂中的低熔点相变材料进行分段加热控制，实现蛇形臂的刚度控制。但上述变刚度软体蛇形臂，由于采用以柔性材料为主体的纯软或刚柔结合的设计，造成其末端精度偏低，输出精度与应用需求存在一定差距。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种刚度可变的高精度蛇形臂。

本发明提供的这种气动肌肉与超弹性杆结合的连续体蛇形臂，它包括若干节可拆卸连接为一体的变刚度驱动器；变刚度驱动器包括软体端板、软体气动单元、超弹性杆机构和限位三角端板、连接套筒；超弹性杆机构包括三个超弹性控制杆和一根中间主杆，四根超弹性杆从驱动器的一端穿过软体端板、软体气动单元的孔通过另一端的软体端板和连接套筒，延伸至对应的驱动器；软体气动单元与两个软体端板用热胶粘连接在一起，然后通过中间套筒相互连接，超弹性杆穿过软体气动单元内；限位三角端板安装在软体气动单元的两端，利用软体端盖密封；连接套筒通过软体端盖的缝隙卡扣将两个驱动器连接；相邻两个驱动器可以通过套筒进行拆卸。

在一个具体实施方式中，使所述软体端板的中心位置有一个通孔，方便弹性杆主杆通过。周围分别成圆周排布三个弹性控制杆通孔，三个软体气动单元的充气通孔，方便连接橡胶管气嘴进行充气驱动。在最外圈有三个定位螺纹孔,通过热胶让软体端盖与软体气动单元粘接在一起。在软体端板的柱面通过卡槽可以与连接套筒配合。

进一步的，将所述超弹性杆机构通过软体端板，并通过限位三角端板，另一节软体气动单元的超弹性杆则从前段的弹性杆中间穿过，再通过自身的软体端板和限位三角端板，能够在通孔中进行伸缩滑动，其中主杆则只用一根，通过端板和软体气动单元的中心通孔。

在一个具体实施方式中，使所述软体气动单元由软硅胶铸造而成，三个扇形气腔成圆周分布，通过软体端盖的充气孔进行充气。整个软体气动单元呈波纹管状，与两个软提端盖粘接后安装在连接套筒内。

为了便于连接，使所述限位三角板内嵌在气动软体单元的两端，其上有四个用于所属超弹性杆穿过的圆孔，周围三个是控制杆，中间为主杆，所述限位三角板被软体端盖封住固定。

为了使结构简单，使用所述连接套筒，两端有与所属端盖缝隙匹配的卡扣安装在软体端盖，内部则是中控结构，方便所属超弹性杆和充气导管通过。

本发明在使用时，向软体气动单元不同气腔通入不同的气压，并向各超弹性杆施加不同的力，使各超弹性杆处于不同的受力状态，利用软体气动单元的充气弯曲提供柔顺的弯曲运动功能，而中间的超弹性主杆起主要的导向作用，周围的三根超弹性杆起辅助导向作用。通过软体气动单元与超弹性杆形成的相互作用力，实现该蛇形臂的刚度可变可控，使蛇形臂能够到达不同的位姿；利用刚性三角限位板作为连接固定装置，可以限制超弹性杆的挠性变形，并且能够在运动中根据实际情况来改变不同驱动器的刚度，以提高蛇形臂作业末端的输出力和运动精度。

附图说明

图1为本发明一个优选实施例的立体示意图。

图2为图1中变刚度驱动器的放大示意图。

图3为本实施中软体端板的放大示意图。

图4为本实施中超弹性多杆机构的放大示意图。

图5为本实施中限位三角板等轴测放大示意图。

图6为本实施中超弹性控制杆的装配放大示意图。

图7为本实施中软体气动单元的放大示意图。

图8为本实施中连接套筒的放大示意图。

图9为本实施例的驱动原理图。

图示序号：

A—变刚度驱动器；

1—软体端板，11—主杆通孔，12—连接卡槽，13—控制杆通孔，14—充气通孔；

2—超弹性多杆机构，21—限位三角板，211—控制杆限位孔，212—主杆限位孔，22—超弹性控制杆，23—超弹性主杆；

3—软体气动单元，31—充气空腔，32—限位三角板安装槽，33—超弹性杆安装通道；

4—连接套筒，41—套筒卡扣。

具体实施方式

如图1所示，本实施例提供的这种气动肌肉与超弹性杆结合的连续体蛇形臂，它包括若干节可拆卸连接为一体的变刚度驱动器A；如图2所示，变刚度驱动器包括软体端板1、超弹性杆机构和限位三角端板2、软体气动单元3、连接套筒4。

如图2、图3所示，软体端板1为圆环板，粘接在软体气动单元两端，其中心位置处设有一主杆通孔11用于超弹性主杆能够通过然后连接到下一节变刚度驱动器同时可以减轻其自重；软体端板上设有围绕通孔呈圆周阵列布置的6个通孔，通孔距离轴心的位置不同，分为超弹性控制杆通孔13，充气通孔14；超弹性控制杆通孔13用于控制杆能够通过然后连接到下一节变刚度驱动器，起到一定的固定作用；充气通孔14用于充气导管通过对软体气动单元的三个气腔进行充气控制；连接卡槽12用于与连接套筒4的套筒卡扣41进行配合固定。

如图2、图4所示，超弹性多杆机构2包括四根通过软体气动单元并连接于两软体端板之间的超弹性杆，分为超弹性控制杆22、超弹性主杆23和用于固定方向的三角限位板21；如图6所示，超弹性控制杆22为中空杆，第二节的杆从第一节的中间穿过；超弹性主杆23穿过整个蛇形臂的中心，通过软体端板，三角限位板，软体气动单元，起到导向的作用；如图5所示，三角限位板21是一个三角状刚性体，在其中心有一个主杆限位孔212用于超弹性主杆23穿过，周围有三个呈圆周布置的控制杆限位孔211可以让超弹性控制杆穿过，让四根杆可以在限位孔内滑动，同时可以限制弹性杆的挠性变形以提高超弹性多杆机构的运动精度。

软体气动单元3是一个通过铸造工艺得到的外部呈波纹管状的软硅胶可充气弯曲的单元。如图7所示软体气动单元中包括三个扇形的充气空腔31，对称布置在两端的限位三角板安装槽32，四个超弹性杆安装通道33。如图7、图5所示，三角限位板21可以内嵌安在软体气动单元3的限位三角板安装槽32内，并用软体端盖1固定住，防止限位板发生移动，让弹性杆在穿过限位板时为软体气动单元起到一定的调节和导向作用。

如图2、图8所示，连接套筒4包括两个套筒卡扣41，卡住软体端盖的连接卡槽12，这样可以连接两个相邻的变刚度驱动器，套筒内部为中空结构，方便让超弹性多杆机构2可以通过连接到下一节软体气动单元。

如图9所示，在使用时，通过向软体气动单元A的三个扇形气腔通入不同气压P₁、P₂、P₃，并配合推拉四根超弹性杆，使用F₀推动主杆，使得蛇形臂起到一定的导向能力，使用F₁、F₂推动两根超弹性杆，使用F₃拉其中一根超弹性杆，使得软体气动单元A除受轴向F_合作用，同时还会受到M_合作用向不同方向弯曲变形，并能够根据实际情况利用软体气动单元充气气腔变形和超弹性控制杆之间相互力的作用，改变气动单元A自身的刚度，能够达到不同的位姿，输出不同的大小的力，实现了蛇形臂高精度的多自由度作业。

Claims (1)

1.一种气动肌肉与超弹性控制杆结合的连续体蛇形臂，其特征在于：它包括若干节可拆卸连接为一体的变刚度驱动器，变刚度驱动器包括软体端板、软体气动单元、超弹性控制杆机构和限位三角端板、连接套筒，所述超弹性控制杆机构包括三个超弹性控制杆和一根中间超弹性控制主杆；所述软体气动单元由软硅胶铸造而成，三个扇形气腔成圆周分布，通过软体端盖的充气孔进行充气，整个软体气动单元呈波纹状；限位三角端板安装在软体气动单元的两端，软体气动单元两端与两个软体端板用热胶粘黏密封起来，然后通过连接套筒利用软体端盖的缝隙卡扣将两个变刚度驱动器连接，相邻两个变刚度驱动器可以通过连接套筒进行拆卸；所述超弹性控制杆机构通过软体端板，穿过软体气动单元，并通过限位三角端板；超弹性控制杆为中空杆，相邻一节变刚度驱动器的超弹性控制杆从前段的超弹性控制杆中间穿过，再通过自身的软体端板和限位三角端板，软体端板的中心位置有一个主杆通孔，方便中间主杆通过；软体端板的中心位置通孔的周围圆周排布三个超弹性控制杆通孔和三个软体气动单元的充气通孔，超弹性杆控制杆和中间主杆能够在各通孔中进行伸缩滑动，超弹性控制主杆穿过端板和软体气动单元的主杆通孔；充气通孔方便连接橡胶管气嘴进行充气驱动，在软体端板最外圈有三个定位螺纹孔,通过热胶让软体端盖与软体气动单元粘接在一起，在软体端板的柱面通过卡槽可以与连接套筒配合；所述限位三角板内嵌在气动软体单元的两端，三角限位板是一个三角状刚性体，在其中心有一个主杆限位孔，用于超弹性主杆穿过，周围有三个呈圆周排布的超弹性控制杆限位孔，可以让超弹性控制杆穿过，让四根杆可以在限位孔内滑动；所述连接套筒两端有与软体端盖的缝隙匹配的卡扣，连接套筒内部则是中空结构。