CN114789466B - 用于提升软体机械臂承载能力的骨骼结构 - Google Patents

用于提升软体机械臂承载能力的骨骼结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于提升软体机械臂承载能力的骨骼结构，包括多个骨骼单元，所述骨骼单元包括一个基座和三组空间连接杆，所述空间连接杆由第一连杆、第二连杆和滑动杆组成，所述基座、第一连杆、第二连杆和滑动杆之间由转轴连接；所述第二连杆的一端与滑动杆的一端、基座相连接；第二连杆的另一端与所述第一连杆的一端相连接，所述第一连杆的另一端与相邻骨骼单元的基座相连接；所述第二连杆设有滑轨；所述滑动杆的另一端连接至相邻骨骼单元的滑轨。本发明结构简单，具有弯曲、伸长能力，各零件之间的拮抗作用更强，且无需进行颗粒填充即可实现较大的刚度变化，并可根据软体机械臂的长度调整骨骼单元的数量，可适配不同规格的软体臂。

Description

用于提升软体机械臂承载能力的骨骼结构
技术领域
本发明涉及变刚度机械臂领域，尤其涉及一种用于提升软体机械臂承载能力的骨骼结构。
背景技术
机械臂是机器人的一种，机械臂分为刚性机械臂和软体机械臂。刚性机械臂通常由刚性连杆组成，经过数十年的研究和技术积累，刚性机械臂已具有响应快、精度高等优点，在工业自动化上已有广泛的应用。但因刚性臂的质量大，自由度少和刚性接触等特点常常面临作业效率低、作业空间有限和抓取对象易损坏等问题。刚性机械臂与人的交互性不强，在生活场景中应用会具有一定的危险性。为了弥补刚性机械臂的缺点，科研人员从自然界的生物受到启发研制出软体机械臂。软体机械臂与生俱来的柔顺性和环境适应性可以连续形变，可以应对各种弯曲、狭窄的复杂环境。由于以硅胶等软体材料制成，软体机械臂存在承载能力差和易于振荡等弱点，限制了其应用范围。因此科研人员通常在软体机械臂中加入刚性结构来提高软体机械臂的负载能力，在保证形变能力基础上提高软体机械臂刚度是该领域的重要方向之一。
例如，在中国专利文献上公开的“一种软体机械臂内部刚性结构及气动机械臂式软体机器人”，其公告号为CN111843991A，该软体机械臂的内部刚性结构可以完成伸缩和弯曲的功能，但仅解决软体机械臂容易发生位置和角度的偏移的问题，无法主动调节软体机械臂的刚度。在中国专利文献上公开的“一种变刚度软体骨架结构及软体臂形机器人”，其公告号为CN111745631A，该骨架结构分为伸缩单元和万向节单元来分别实现伸长和弯曲，这样与原有软体机械臂的运动方式存在偏差。并在刚度调节时需依靠真空密封袋中的颗粒阻塞物压紧骨架，而使用颗粒阻塞物容易卡入万向节等中，会对骨架运动造成影响。
发明内容
本发明要解决的问题是设计一种用于提升软体机械臂承载能力的骨骼结构，可安装在软体机械臂内部，在不影响原有软体机械臂的运动空间下，提高机械臂的承载能力和变刚度能力。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
本发明用于提升软体机械臂承载能力的骨骼结构采用Y型，由空间连杆机构组成，包括多个骨骼单元。
所述骨骼单元包括一个基座，三组第一连杆、第二连杆和滑动杆，所述基座、连杆和滑动杆之间由转轴连接。
所述第二连杆的一端与滑动杆的一端、基座相连接；第二连杆的另一端与所述第一连杆的一端相连接，所述第一连杆的另一端与相邻骨骼单元的基座相连接； 所述第二连杆设有滑轨；所述滑动杆的另一端连接至相邻骨骼单元的滑轨。基座与第一连杆、基座与第二连杆、第一连杆与第二连杆、滑动杆与第二连杆的连接配合处留有间隙，相邻的两个骨骼单元之间可以伸长和弯曲，因此该骨骼结构具有弯曲伸长的能力。
将所述骨骼结构覆盖上一层密封薄膜，利用真空泵在密封薄膜内加载负压时，密封薄膜将骨骼结构密封成为一体，骨骼结构中的各零件相互产生拮抗作用，限制骨骼结构各零件的移动，从而实现刚度可变。当密封薄膜内的真空度不同时，骨骼结构中的各零件相互作用力也不同，因此通过调节密封薄膜内真空度来调节骨骼结构的刚度，将覆盖密封薄膜的骨骼结构安装进软体机械臂中即可实现对机械臂的刚度调节。
所述骨骼结构的各零件由聚乳酸（PLA）材料打印而成，密封薄膜的材料优选为PE聚乙烯材料。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明中设计的骨骼结构更为简单，具有弯曲、伸长能力，该结构于万向节结构、球铰结构和菱形骨架结构等结构相比各零件之间的拮抗作用更强，且无需进行颗粒填充即可实现较大的刚度变化。而且该结构不会限制软体臂的伸长，工作空间范围更大，更符合三容腔软体臂运动模型。该结构可根据软体执行器的长度调整骨骼中的单元数量，可适配不同规格的软体臂。该骨骼安装在软体机械臂中心，骨骼根据软体机械臂的运动而产生不同的姿态，在运动过程可对刚度随时调节，响应速度快。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1是本发明中的骨骼结构在弯曲状态的整体结构示意图。
图2是本发明中的骨骼单元在初始状态的结构示意图。
图3是本发明中的骨骼单元在伸长状态的结构示意图。
图4是本发明中的骨骼单元在弯曲状态的结构示意图。
图5是本发明中的基座的结构示意图。
图6是本发明中的第一连杆的结构示意图。
图7是本发明中的第二连杆的结构示意图。
图中：1、基座，2、第一连杆，3、第二连杆，4、滑动杆，5、转轴，6、基座顶端，7、基座底端，8、第一连杆单板结构，9、第一连杆双板结构，10、滑轨。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并参照图1至图7对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明用于提升软体机械臂承载能力的骨骼结构整体结构示意图，本发明的骨骼结构采用Y型形状，采用三容腔驱动的软体机械臂可以与骨骼更好的适配；由空间连杆机构组成，包括多个骨骼单元。每个骨骼单元包括一个基座1，三组第一连杆2、第二连杆3和滑动杆4，所述基座1、连杆和滑动杆4之间由转轴5连接。
如图5所示，所述基座1采用Y型结构，由相隔120°的三侧单板构成。x、y、z为基座三侧单板上的三个端点，在初始状态下三个端点保持同一高度；每个单板包括基座顶端6和基座底端7。
如图6所示，所述第一连杆2包括一端的第一连杆单板结构8和另一端的第一连杆双板结构9。所述第一连杆单板结构8与第二连杆3一端相连接，所述第一连杆双板结构9与相邻骨骼单元的基座1连接。
如图7所示，所述第二连杆3两端均为双板结构，分别与第一连杆单板结构8和对应的基座1连接；内部设计有滑轨10，用于滑动杆4的一端在滑轨内部滑动。
所述第一连杆单板结构8和第二连杆3一端通过转轴5连接，在配合处留有侧向间隙。所述第一连杆双板结构9与相邻骨骼单元的基座顶端6通过转轴连接，在配合处留有侧向间隙。所述第二连杆2另一端与本骨骼单元的基座底端7通过转轴5连接，在配合处留有侧向间隙。所述滑动杆4一端连接本骨骼单元的第二连杆和基座底端7，另一端连接至相邻骨骼单元的滑轨10，滑动杆4和第二连杆3配合处留有一定间隙。由此，通过基座三侧的第一连杆和第二连杆将相邻基座依次连接，则将多个骨骼单元依次连接，即组成完整的骨骼结构。
图2是本发明中骨骼单元在初始状态的结构示意图。基座三侧单板上的三个端点x、y、z，在初始状态下三个端点保持同一高度。
图3是本发明中骨骼单元在伸长状态的结构示意图，在伸长状态下相邻基座之间产生一定高度，此时x、y、z三个端点仍保持在同一高度。
图4是本发明中骨骼单元在弯曲状态的结构示意图，在弯曲状态下相邻基座之间产生一定的弯曲角度，x、y、z三个端点的高度不一致。基座与第一连杆、基座与第二连杆、第一连杆与第二连杆、滑动杆与第二连杆之间均产生一定的偏转角度。
本发明的工作原理如下：
将本发明的骨骼结构用薄膜包裹密封，然后安装在软体机械臂内部，本发明的骨骼可根据软体机械臂的运动产生不同的姿态。当利用真空泵在塑料薄膜内加载负压时，塑料薄膜紧密贴合在骨骼结构外部，所述骨骼结构中的各零件相互产生拮抗作用，限制各个零件的移动，使得骨骼结构的刚度提升，从而提升了软体机械臂的承载能力。
当软体机械臂需要在空间内灵活运动时，密封薄膜内为常压，骨骼结构可以随软体机械臂的运动完成弯曲、伸长等不同姿态；当需要软体机械臂增大刚度，以完成定点监测和抓取等操作时，可利用真空泵在密封薄膜内部加载负压增大任意状态下骨骼结构的刚度，进而提升机械臂的刚度，由此可通过调节密封薄膜内的真空度来实时调整不同运动状态下机械臂的刚度。
本发明的骨骼结构各零件采用高硬度的材料制作，并减小各零件体积，使骨骼结构进一步小型化，适应受限空间，优选采用聚乳酸（PLA）材料打印而成。
所述密封薄膜采用质地柔软、拉伸强度高的塑料膜，优选为PE聚乙烯材料。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.用于提升软体机械臂承载能力的骨骼结构，包括多个骨骼单元，其特征在于：
所述骨骼单元包括一个基座和三组空间连接杆，所述空间连接杆由第一连杆、第二连杆和滑动杆组成，所述基座、第一连杆、第二连杆和滑动杆之间由转轴连接；
所述第二连杆的一端与滑动杆的一端、基座相连接；第二连杆的另一端与所述第一连杆的一端相连接，所述第一连杆的另一端与相邻骨骼单元的基座相连接；
所述第二连杆设有滑轨；所述滑动杆的另一端连接至相邻骨骼单元的滑轨。
2.根据权利要求1所述的用于提升软体机械臂承载能力的骨骼结构，其特征在于：
所述基座采用Y型结构，由相隔120°的三侧单板构成。
3.根据权利要求1所述的用于提升软体机械臂承载能力的骨骼结构，其特征在于：
所述基座、第一连杆、第二连杆和滑动杆采用聚乳酸材料打印而成。
4.根据权利要求1所述的用于提升软体机械臂承载能力的骨骼结构，其特征在于：
所述基座与第一连杆、基座与第二连杆、第一连杆与第二连杆、滑动杆与第二连杆的连接配合处设置有间隙。
5.根据权利要求2所述的用于提升软体机械臂承载能力的骨骼结构，其特征在于：
所述基座的每个单板包括基座顶端和基座底端。
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