CN114986533B - 一种仿象鼻的柔性机械臂及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿象鼻的柔性机械臂及其应用，属于仿生机械领域，目的在于解决传统刚性机械臂将驱动电机安装于臂身上，在增加手臂重量的同时，使得手臂内部留有空腔，还需考虑水压对手臂壳体的挤压影响的问题。发明人首先对柔性臂机械系统进行了整体的结构设计；再确定出适合的手臂关节类型与尺寸；发明人对电机输出轴与通讯接口处进行水密封设计，从而适应于水下工作环境；对驱动系统创新设计，减少驱动电机数量，从而获得更加紧凑的机身机构和更轻的机身重量。

Description

一种仿象鼻的柔性机械臂及其应用

技术领域

本发明涉及仿生机械领域，具体为一种仿象鼻的柔性机械臂及其应用。本申请以柔性动物为基础，基于仿生设计，提供一种结构合理、稳定可靠、易于控制、成本可靠、驱动简单的仿象鼻的柔性机械臂，其具有广泛的应用前景，值得大规模推广和应用。

背景技术

随着科技的发展，社会的进步，人们开始将目光转移到海洋资源的开采中。水下环境复杂多变，低温、高压、紊流、可视性差等因素使得工作人员在执行任务过程中充满了危险。因此，具有不同功能的水下机械臂相继被研发出来用于水下任务中。

目前，适用于水下的传统刚性机械臂已有大量的研究。但是，传统刚性机械臂将驱动电机安装于臂身上，在增加手臂重量的同时，使得手臂内部留有空腔，还需考虑水压对手臂壳体的挤压影响。传统刚性机械臂都是通过一定数量的驱动电机控制手臂躯干，而较长的手臂躯干使得机械臂无法在一系列狭小、受限、非结构化的空间内灵活运动。

为此，迫切需要一种新的柔性机械臂，以满足实际应用的需要。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对传统刚性机械臂将驱动电机安装于臂身上，在增加手臂重量的同时，使得手臂内部留有空腔，还需考虑水压对手臂壳体的挤压影响的问题，提供一种仿象鼻的柔性机械臂及其应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种仿象鼻的柔性机械臂，包括执行单元、支撑单元、驱动单元、连接组件、刚性组件、抓取单元；

所述执行单元包括工作端板、执行关节组件、固定端板、万向节，所述工作端板、执行关节组件、固定端板通过万向节依次相连并构成执行单元；

所述执行关节组件为N个，N为自然数且N≥2；每个执行关节组件由M个柔性臂关节构成，M为自然数且M≥1；

所述工作端板朝向固定端板的一侧设置有两个第一关节底座，所述第一关节底座相互平行设置，所述第一关节底座上设置有第一螺纹通孔，位于工作端板上的两个第一螺纹通孔采用同轴线设计；

将柔性臂关节的一面记为第一连接面，将柔性臂关节上与第一连接面相平行的一面记为第二连接面；所述第一连接面上、第二连接面上分别设置有两个第二关节底座，所述第二关节底座上设置有第二螺纹通孔；

单个柔性臂关节上，位于第一连接面上的两个第二关节底座上的第二螺纹通孔采用同轴线设计，位于第二连接面上的两个第二关节底座上的第二螺纹通孔采用同轴线设计，将第一连接面上的第二关节底座上第二螺纹通孔的轴线在第一连接面上的投影记为第一投影线，将第二连接面上的第二关节底座上第二螺纹通孔的轴线在第一连接面上的投影记为第二投影线，所述第一投影线与第二投影线所呈的夹角为90°；

所述固定端板朝向工作端板的一侧设置有两个第三关节底座，所述第三关节底座相互平行，所述第三关节底座上设置有第三螺纹通孔，位于固定端板上的两个第三螺纹通孔采用同轴线设计；

所述工作端板与相邻的柔性臂关节之间通过一个万向节与第一关节底座、第二关节底座的配合实现二自由度的转动连接，相邻两个柔性臂关节之间通过一个万向节与第二关节底座的配合实现二自由度的转动连接，所述固定端板与相邻的柔性臂关节之间通过一个万向节与第二关节底座、第三关节底座的配合实现二自由度的转动连接；

所述支撑单元包括电机箱体、密封板、连接电缆、水密插头、第一支座、第二支座、基线箱座，所述电机箱体呈两端开口的中空腔体，所述密封板分别设置在电机箱体的两端开口上且电机箱体与密封板构成驱动控制箱；

所述第一支座、第二支座分别为一组，所述第一支座与驱动控制箱相连且驱动控制箱能为第一支座提供支撑，所述第二支座与驱动控制箱相连且驱动控制箱能为第二支座提供支撑；

所述驱动单元包括驱动电机、主动轮、第一从动轮、第二从动轮、与第一从动轮相配合的第一驱动丝杠、与第二从动轮相配合的第二驱动丝杠、直线导轨、丝杠螺母，所述直线导轨、丝杠螺母分别为2个；

所述驱动电机设置在电机箱体的中空腔体内，所述驱动电机通过连接电缆与水密插头相连，所述驱动电机的输出轴与主动轮相连且驱动电机能带动主动轮转动；所述电机箱体上设置有与水密插头相配合的连接线孔，所述水密插头设置在连接线孔上；

所述第一支座、第二支座上分别设置有第二导向孔，所述第一支座为一组，所述第一支座与驱动控制箱相连且驱动控制箱能为第一支座提供支撑，所述第一驱动丝杠穿过第一支座且第一驱动丝杠能相对第一支座转动；

所述第二支座为一组，所述第二支座与驱动控制箱相连且驱动控制箱能为第二支座提供支撑，所述第二驱动丝杠穿过第二支座且第二驱动丝杠能相对第二支座转动；

所述第一从动轮、第二从动轮分别与主动轮相啮合，所述第一从动轮、第二从动轮对称设置在主动轮两侧且主动轮能带动第一从动轮、第二从动轮同步、同向、同速转动；

所述直线导轨与驱动控制箱相连且直线导轨能相对驱动控制箱保持静止，所述丝杠螺母分别设置在第一驱动丝杠、第二驱动丝杠上且丝杠螺母能分别沿第一驱动丝杠的轴向、第二驱动丝杠的轴向移动，所述丝杠螺母与直线导轨的滑块相连且直线导轨的滑块能对丝杠螺母进行限位；

所述第一驱动丝杠上的螺纹旋向与第二驱动丝杠的螺纹旋向相反，所述第一从动轮与第一驱动丝杠固定连接，所述第二从动轮与第二驱动丝杠固定连接且第一驱动丝杠上丝杠螺母的运动方向与第二驱动丝杠上丝杠螺母的运动方向相反；

沿工作端板至固定端板的方向，将执行关节组件依次记为第1个执行关节组件、……第i个执行关节组件、……第N个执行关节组件；i为自然数，i＞1且i≤N；

所述工作端板上设置有1组穿孔组件，第i个执行关节组件的柔性臂关节上沿其径向由内向外依次设置有i组穿孔组件，所述固定端板沿其径向由内向外依次设置有N组穿孔组件；

单组穿孔组件由4个穿线孔构成，单组穿孔组件内的4个穿线孔均布于同一圆周上，其中相对的2个穿线孔位于第一投影线上并构成第一斜线孔组，另外相对的2个穿线孔位于第二投影线上并构成第二斜线孔组；

第i个执行关节组件的柔性臂关节上，沿柔性臂关节的径向由内向外的方向，将穿孔组件依次记为第1个穿孔组件、第2个穿孔组件、……、第i个穿孔组件；

沿固定端板的径向由内向外的方向，将穿孔组件依次记为第1个穿孔组件、……第i个穿孔组件、……第N个穿孔组件；

所述驱动单元、连接组件分别为2N个，一组驱动单元对应一组连接组件；每组连接组件由2根连接绳构成，连接组件内的2个连接绳分别与驱动单元内的2个丝杠螺母对应连接，所述驱动单元通过其内的第一驱动丝杠、第二驱动丝杠能带动与第一驱动丝杠上丝杠螺母相连的连接绳相对与第二驱动丝杠上丝杠螺母相连的连接绳朝相反方向运动；

第1个执行关节组件以工作端板作为第1连接端板，一组驱动单元内第一驱动丝杠上的丝杠螺母、第二驱动丝杠上的丝杠螺母与一组连接组件内的两根连接绳对应连接且一组驱动单元能带动与其配合的连接组件内两根连接绳反向运动；

所述基线箱座的一端与驱动控制箱相连且驱动控制箱能为基线箱座提供支撑，所述基线箱座的另一端与固定端板相连且基线箱座能为固定端板提供支撑；

两组连接组件依次穿过第二导向孔、固定端板上的第1个穿孔组件、执行关节组件内柔性臂关节上的第1个穿孔组件并与工作端板上第1个穿孔组件中的第一斜线孔组、第1个穿孔组件中的第二斜线孔组对应连接；

第i个执行关节组件以第i个执行关节组件内最靠近工作端板的柔性臂关节为第i连接端板，两组连接组件依次穿过第二导向孔、固定端板上的第i个穿孔组件、执行关节组件内柔性臂关节上的第i个穿孔组件并与第i连接端板上第i个穿孔组件中的第一斜线孔组、第i个穿孔组件中的第二斜线孔组对应连接；

所述刚性组件分别设置于工作端板与相邻的柔性臂关节之间、相邻两个柔性臂关节之间、固定端板与相邻的柔性臂关节之间且刚性组件能赋予执行单元刚性；

单组刚性组件由4个支撑弹簧构成；单个刚性组件内的4个支撑弹簧呈正方形布置，所述支撑弹簧套设于连接绳上；

所述工作端板、柔性臂关节、固定端板上分别设置有中心通孔，所述工作端板的中心通孔、柔性臂关节的中心通孔、固定端板的中心通孔依次连通并构成第一工作通道；

所述抓取单元包括与工作端板相连的抓手基座、第二连接件、第二连接杆、第一导向杆、卡爪连接件、抓取绳、抓取电机、抓取控制系统、复位弹簧、执行组件；

所述抓手基座与工作端板相连且工作端板能为抓手基座提供支撑，所述抓手基座包括基座第一固定板、基座第一支撑体，所述基座第一固定板中心设置有与第一导向杆相配合的通孔，所述基座第一支撑体设置有与第一导向杆相配合的第一导向槽，所述基座第一固定板、基座第一支撑体、工作端板依次相连；

所述第二连接件包括连接第二环形板、连接第二限位件，所述第二连接杆为至少三个，所述第二连接杆位于连接第二环形板与基座第一固定板之间，所述连接第二环形板通过第二连接杆与基座第一固定板相连为一体且连接第二环形板通过第二连接杆能与基座第一固定板保持相对静止；

所述连接第二环形板呈环形，所述连接第二限位件位于连接第二环形板中心且连接第二限位件能对卡爪连接件进行限位，所述连接第二限位件与连接第二环形板相连且连接第二环形板能为连接第二限位件提供支撑，所述连接第二限位件与连接第二环形板之间形成避让第一导向连接件的第一避让槽；

所述第一导向杆的一端与卡爪连接件相连，所述第一导向杆的另一端通过抓取绳与抓取电机相连；所述抓取绳穿过第一工作通道且抓取绳能相对第一工作通道运动，所述抓取电机与抓取控制系统相连，所述抓取电机、抓取控制系统分别设置在驱动控制箱内；所述复位弹簧设置在第一导向杆上，所述复位弹簧位于基座第一固定板与卡爪连接件之间且复位弹簧能带动卡爪连接件、与卡爪连接件相连的第一导向杆朝向连接第二限位件运动；

所述执行组件为P个，P为自然数且P≥3；

所述执行组件包括转动支座、收缩卡爪、第一导向连接件，所述转动支座与连接第二环形板固定连接且转动支座均布于连接第二环形板上；

所述收缩卡爪包括与连接第二环形板所在平面垂直的卡爪第一连接板、用于配合抓取物体的卡爪第二抓板，所述卡爪第二抓板呈类弧形，所述卡爪第二抓板与卡爪第一连接板所在平面垂直；所述卡爪第一连接板中部与转动支座铰接且卡爪第一连接板能相对转动支座转动；

所述第一导向连接件的一端与卡爪连接件铰接，所述第一导向连接件的另一端与卡爪第一连接板铰接且卡爪连接件通过第一导向连接件能带动卡爪第一连接板相对转动支座转动；

所述卡爪第一连接板的另一端与卡爪第二抓板相连且卡爪第二抓板的另一端与其他卡爪第二抓板靠近时能实现对物体的抓取功能。

所述基座第一固定板呈圆环形。

所述基座第一固定板的通孔的中心轴向与第一导向槽的中心轴线相平行。

所述执行组件为四个，所述转动支座均布于第二环形板上。

所述卡爪第二抓板呈钝角的V字型。

前述仿象鼻的柔性机械臂的应用。

将该仿象鼻的柔性机械臂用于物体的抓取。

将该仿象鼻的柔性机械臂陆地环境、水下环境、高空环境中物体的抓取。

针对传统刚性水下机械臂的不足，本申请提供一种由绳索驱动、具有较好的灵活性、柔顺性且能够在水下环境工作的仿象鼻柔性机械臂。

本申请中，发明人首先对柔性臂机械系统进行了整体的结构设计；再确定出适合的手臂关节类型与尺寸；发明人对电机输出轴与通讯接口处进行水密封设计，从而适应于水下工作环境；对驱动系统创新设计，减少驱动电机数量，从而获得更加紧凑的机身机构和更轻的机身重量。其次，根据几何分析法，建立了适用于本方案的运动学模型；将绳孔在关节平面上同相位分布，从而简化了运动学模型；并分析了关节空间、驱动空间、操作空间的相互映射关系，利用齐次坐标矩阵对柔性臂末端的位姿进行表示，并进一步考虑了三级手臂段绳长变化的耦合关系；利用MATLAB 对运动学模型仿真，得到柔性臂的工作空间。再次，基于虚拟样机技术对柔性臂部分进行仿真，在验证运动学模型的同时，也验证了手臂结构设计的可行性，并在此过程中进一步优化手臂关节。同时，本申请提供一种全新的抓取单元，其在结构稳定性、可靠性上均有显著的进步，且能在抓取单元未工作时，使卡爪前端伸出距离更短，并能有效减少其对摄像头等外在部件的阻挡，便于对机械臂前方情况进行有效观察。最后，制造出柔性臂原理样机，对其进行了弯曲实验、负载实验与精度实验。

在实际测试中，发明人最终改进、优化后的样机总长1332 cm，其中的手臂部分总长80 cm。在水下目标物抓取实验之前，进行了气密性实验与水密性实验。该样机能够在水下20 m 工作正常，并可水平举起3 kg 的重物。水下目标抓取实验的成功，验证了本申请方案从结构设计到运动控制的可行性、可靠性。柔性臂的研制为连续体型机械臂在水下领域作业提供了一定的工程应用基础。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为关节间弯曲示意图。

图2为关节体间的几何变化关系图。

图3为三级手臂段工作空间仿真图。

图4为实施例1中抓取单元未工作时的状态示意图。

图5为实施例1中抓取单元开始抓取时的状态示意图。

图6为实施例1中抓取单元抓取结束时的状态示意图。

图中标记：1、抓手基座，2、第二连接件，3、第二连接杆，4、第一导向杆，5、卡爪连接件，6、复位弹簧，7、转动支座，8、收缩卡爪，9、第一导向连接件。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

（一）仿生原理及分析

通过调研和考察，发明人发现大象的鼻子比人类的上肢要灵活许多，它的柔软灵活有利于抓取物体。为了研究方便，将象鼻的肌肉简化为的横肌、纵肌、环状肌三种。象鼻的弯曲动作可以分解成某一侧的纵向肌的收缩，与其他肌肉配合完成。将象鼻简化为一个圆柱，假设体积不变，纵向收缩力会引起肌肉收缩，受力均匀时纵肌压缩，横肌扩张，整体缩短直径增加；受力不均匀时受力侧收缩，横肌和环状肌储存的能量释放回复原本伸直状态。因此，单侧长度的减少可由结构一侧的肌肉的收缩产生，而直径不变性可由横肌、纵肌和环状肌结构的收缩活动来维持。

单侧长度不变也可使象鼻产生弯曲，由伴随的直径的减少产生。直径的减少可以由横肌、纵肌或环状肌的收缩引起。单侧长度的不变性可由圆柱体一侧的纵向肌肉的收缩活动维持。没有纵向肌肉同时活动，横肌、径肌或环状肌的收缩将引起拉长而不是弯曲。因此弯曲要求纵向肌肉和它的对抗肌横肌、纵肌或环状肌的同时活动。

纵向肌肉块要分布在整个肌肉结构的外侧，且离中轴越远，运动手臂对结构的弯曲越大。为了让弯曲发生在任何平面上，必须有很多的纵向肌肉束围绕布置在结构的圆周上。利用适当的神经控制，在很多平面的弯曲、伸展和收缩可以全部由相同的肌肉布置来产生。象鼻有了横肌、纵肌或环状肌的协调动作，可以同时改变程度和产生弯曲运动。为此，发明人所设计的仿象鼻柔性机械臂的电机拉拽驱动绳促使机械臂上的弹簧被压缩或者拉伸，使机械臂发生弯曲，其支撑弹簧的压缩或拉伸可视为横肌、纵肌、环状肌的相互协调运动，很好地模仿了象鼻的弯曲运动。

（二）机械臂设计原理

每级连续型关节组的弯曲角度是由每个小关节的相对弯曲角θ进行的线性叠加而得到的。假设关节组弯曲时其上每点的弯曲曲率相等，即每个关节体产生的相对转动角度θ也相等，则两个关节体之间的相对运动情况可简化为图1所示。

图1中，H为单个关节体的高度；h0为两关节体产生弯曲前关节体间绳的自然长度；hl为两个关节体产生转动后，关节体间左绳的长度；hr为两个关节产生转动后，关节体间右绳的长度。

空间连续型机械臂在绳的拉力下（左边绳缩短，右边绳伸长）产生弯曲变形后，关节体间的空间距离相对变化有图2所示的几何关系。图2中，d为关节体的宽度，θ为相对弯曲角。

根据设计要求，柔性机械臂可折叠并放入400mm×150mm×180mm的空间内，每个关节最大弯曲角度为16°，机械臂的宽度为203mm。

本实施例的仿象鼻的柔性机械臂包括执行单元、支撑单元、驱动单元、连接组件、刚性组件、抓取单元。

如图所示，抓取单元包括与工作端板相连的抓手基座、第二连接件、第二连接杆、第一导向杆、卡爪连接件、抓取绳、抓取电机、抓取控制系统、复位弹簧、执行组件。其中，抓手基座与工作端板相连，且工作端板能为抓手基座提供支撑。抓手基座包括基座第一固定板、基座第一支撑体，基座第一固定板中心设置有与第一导向杆相配合的通孔，基座第一支撑体设置有与第一导向杆相配合的第一导向槽，基座第一固定板、基座第一支撑体、工作端板依次相连。本实施例中，基座第一固定板呈圆环形，基座第一固定板的通孔的中心轴向与第一导向槽的中心轴线相平行。

第二连接件包括连接第二环形板、连接第二限位件，第二连接杆为四个，第二连接杆位于连接第二环形板与基座第一固定板之间，连接第二环形板通过第二连接杆与基座第一固定板相连为一体，且连接第二环形板通过第二连接杆能与基座第一固定板保持相对静止。连接第二环形板呈环形，连接第二限位件位于连接第二环形板中心，且连接第二限位件能对卡爪连接件进行限位。连接第二限位件与连接第二环形板相连，且连接第二环形板能为连接第二限位件提供支撑；连接第二限位件与连接第二环形板之间形成避让第一导向连接件的第一避让槽。

第一导向杆的一端与卡爪连接件相连，第一导向杆的另一端通过抓取绳与抓取电机相连。抓取绳穿过第一工作通道，且抓取绳能相对第一工作通道运动。抓取电机与抓取控制系统相连，抓取电机、抓取控制系统分别设置在驱动控制箱内。复位弹簧设置在第一导向杆上，复位弹簧位于基座第一固定板与卡爪连接件之间，且复位弹簧能带动卡爪连接件、与卡爪连接件相连的第一导向杆朝向连接第二限位件运动。

本实施例中，执行组件为四个。执行组件包括转动支座、收缩卡爪、第一导向连接件，转动支座与连接第二环形板固定连接，且转动支座均布于连接第二环形板上。

收缩卡爪包括与连接第二环形板所在平面垂直的卡爪第一连接板、用于配合抓取物体的卡爪第二抓板，卡爪第二抓板呈类弧形，卡爪第二抓板与卡爪第一连接板所在平面垂直。卡爪第一连接板中部与转动支座铰接，且卡爪第一连接板能相对转动支座转动。第一导向连接件的一端与卡爪连接件铰接，第一导向连接件的另一端与卡爪第一连接板铰接，且卡爪连接件通过第一导向连接件能带动卡爪第一连接板相对转动支座转动。卡爪第一连接板的另一端与卡爪第二抓板相连，且卡爪第二抓板的另一端与其他卡爪第二抓板靠近时能实现对物体的抓取功能。本实施例中，卡爪第二抓板呈钝角的V字型。

前述抓取单元的工作状态如下：

（1）未工作时

抓取绳处于松弛状态，复位弹簧提供弹力，带动第一导向杆、卡爪连接件伸出，连接第二限位件对卡爪连接件进行限位，在卡爪连接件的作用下，收缩卡爪朝向抓手基座反向收起；

（2）抓取工作时

抓取控制系统向抓取电机发出指令，抓取电机带动抓取绳、及与抓取绳相连的第一导向杆、与第一导向杆相连的卡爪连接件同步收缩，带动第一导向杆在第一导向槽内移动；此时，卡爪连接件依次带动第一导向连接件、收缩卡爪同步运动，收缩卡爪绕转动支座转动，收缩卡爪的卡爪第二抓板之间相互靠拢，完成抓取操作；

待抓取操作完成后，抓取控制系统向抓取电机发出指令，抓取电机反向转动，在复位弹簧的作用下，抓取单位恢复至初始状态。

本申请的外翻式抓手采用绳索驱动，而这种外翻式设计降低了运动时与环境中障碍物碰撞的可能性，在保持较小的抓手体积的同时，仍然拥有对较大体积目标物的抓取能力。

如何在海洋环境复杂受限空间中开展抓取、打捞、探测等特种作业，一直是相关工程人员面临的技术挑战。传统关节式水下机械臂存在动密封困难、深水抗压强度低、作业灵活性受限等不足之处。为此，发明人以象鼻为灵感研制了一种适应于水下作业的仿象鼻柔性机械臂。主要从仿生灵感调研分析，柔性臂手臂结构设计、运动学建模、动力学分析、控制系统设计、优化运动规划算法以及进行仿真验证，并通过目标检测算法、机器视觉、路径规划与调度等实现智能识别抓取作业。该柔性机械臂整体结构由十字铰链关节手臂、丝杆导轨传动部分和驱动控制密封箱等部分组成，采用电机拉拽驱动绳的方式控制柔性手臂运动，镂空的柔性臂一共由三级手臂段组成，手臂单级连续结构弯曲角度超过90°，三段关节具有“S”形运动和“O”形蜷曲能力，即使在受限环境中也能完成精准抓取作业。电机和控制硬件则放置在密封箱内部，对电机输出轴与通讯接口处进行水密封设计，从而适应于水下工作环境。巧妙的结合机构将处于各级关节对角线的两根驱动绳由一个电机进行耦合相位差控制，在保证控制精度的同时减少控制电机数量。在此基础上利用视觉检测技术对目标物体进行识别与定位，同时与柔性臂底层控制系统相对接，实现智能识别抓取作业。还具有控制简单、灵活性好等系统优势，对水下狭窄环境具有良好应用价值，在各种狭小空间、危险场景作业具有重要应用前景。

相较与传统柔性臂，仿象鼻柔性臂通过巧妙的刚柔一体化系统设计，用静密封代替了动密封，解决深水动密封难题；整条柔性臂采用镂空设计，实现深水环境内外压强实时一致，解决深水环境抗压难题；多电机协调控制算法，通过对柔性臂各级关节对角线的耦合相位差控制，减少了控制电机数量，解决了成本高的难题；同时手臂本体上无驱动电机设计，降低柔性臂质量；对于驱动控制模块，通过将电机模块化放入密封箱，采用齿轮啮合方式进行传动，进一步使控制模块结构紧凑，降低其体积。

机械臂的工作空间与其臂长相关。末端是否能达到工作空间内的各点与其具有的自由度数量相关。传统刚性关节式机械臂的拥有的自由度常常根据实际的需求加以设计。

传统刚性机械臂常在其臂身上安装电机、液压缸等驱动件来实现某一关节的转动或移动，而本申请柔性臂的关节数量虽然更多，但并不需要在每个关节上安装驱动元件。本申请柔性比中关节数量的增多，使得柔性臂拥有更好的灵活性与柔顺性，在运动姿态方面比较，传统刚性机械臂则显得相对僵硬、呆板。

根据建立的运动学模型分别在Matlab 中建立单级手臂段与多级手臂段仿真。两关节间的最大弯曲角度为16°，单级手臂段拥有7 个关节，因此单级手臂段最大弯曲角度为112 度，所以单级手臂实际弯曲角度范围为。在制备的样机中，柔性臂共由三段手臂组成，总长609mm。在Matlab 中通过仿真得到柔性臂的工作空间，其工作空间是一个能到达空间八个象限的类桃型实体，空间范围/>，/>，，如图3所示。

本申请的机械臂可以通过增加关节数量，使关节空间维数远大于任务空间维数，自由度数量较多。在实现期望的末端位姿的同时，使机械臂本体姿态灵活，具有优越的避障能力，同时具有一定的负载能力和控制精度。采用绳索驱动关节的运动模式，驱动执行元件统一集成在基座，机械臂本体上无电机等驱动执行元件带来的额外负载，所以绳驱连续体自由度机械臂在现阶段能够较好适用于空间受限环境的作业需求。由于该机械臂采用绳索驱动关节，本体上无电机、液压缸等驱动元件，重量轻、机械臂部分无需密封就能适应水下复杂作业环境，对机械臂的拆装也更加方便，既能满足精确运动控制的要求，还能满足水下复杂作业环境下的适应性。因此，使用绳驱连续体自由度机械臂是执行复杂空间受限环境下作业任务的一个较好方案。

刚柔一体化机械系统综合设计，针对柔性臂的耐压性、密封性和轻量化等问题进行优化设计。功能样机具有在水下20 米深抓取3kg 重量物体的作业能力，并对柔索驱动运动学建模和仿真，通过MATLAB 和ADAMS 仿真验证运动学模型的可行性。采用三次曲线进行轨迹规划，使柔性臂具有优越避障能力，并对柔性臂部分进行仿真分析，也再次验证了结构设计的合理性。

进一步，本申请请求保护前述仿象鼻的柔性机械臂的应用。优选地，请求保护该仿象鼻的柔性机械臂在物体抓取中的应用。进一步，请求保护该仿象鼻的柔性机械臂陆地环境、水下环境、高空环境中对物体抓取的应用。

水下环境由于其能见度低、水温寒冷、水流速度较快等特点，对潜水人员的生命安全构成严重威胁，并且人工作业还存在耗时长、进度慢等问题。因此，仿象鼻柔性臂具有良好的应用前景，如对海洋失事客机黑匣子的打捞、失事船舰的搜寻、海底矿产资源的科学考察、跨海大桥桥墩的检测、海底信号采集仪的精确布防等。除了应用于深水狭窄环境，未来在飞机燃气发动机和核环境中也有应用价值。飞机燃气发动机一旦发生故障就可能导致严重的经济损失，带来环境污染等问题，甚至威胁人的生命安全。在平时，高精尖的设备检修一旦拆卸，除却高昂的费用外，还可能给设备带来损伤。若将本款仿象鼻柔性机械臂制作得更加小巧，通过其具有的可视检测特点，便可满足这类设备保养与检测的需求。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (3)

1.一种仿象鼻的柔性机械臂，包括执行单元、支撑单元、驱动单元、连接组件、刚性组件、抓取单元；

所述执行单元包括工作端板、执行关节组件、固定端板、万向节，所述工作端板、执行关节组件、固定端板通过万向节依次相连并构成执行单元；

所述执行关节组件为N个，N为自然数且N≥2；每个执行关节组件由M个柔性臂关节构成，M为自然数且M≥1；

所述工作端板朝向固定端板的一侧设置有两个第一关节底座，所述第一关节底座相互平行设置，所述第一关节底座上设置有第一螺纹通孔，位于工作端板上的两个第一螺纹通孔采用同轴线设计；

将柔性臂关节的一面记为第一连接面，将柔性臂关节上与第一连接面相平行的一面记为第二连接面；所述第一连接面上、第二连接面上分别设置有两个第二关节底座，所述第二关节底座上设置有第二螺纹通孔；

单个柔性臂关节上，位于第一连接面上的两个第二关节底座上的第二螺纹通孔采用同轴线设计，位于第二连接面上的两个第二关节底座上的第二螺纹通孔采用同轴线设计，将第一连接面上的第二关节底座上第二螺纹通孔的轴线在第一连接面上的投影记为第一投影线，将第二连接面上的第二关节底座上第二螺纹通孔的轴线在第一连接面上的投影记为第二投影线，所述第一投影线与第二投影线所呈的夹角为90°；

所述固定端板朝向工作端板的一侧设置有两个第三关节底座，所述第三关节底座相互平行，所述第三关节底座上设置有第三螺纹通孔，位于固定端板上的两个第三螺纹通孔采用同轴线设计；

所述工作端板与相邻的柔性臂关节之间通过一个万向节与第一关节底座、第二关节底座的配合实现二自由度的转动连接，相邻两个柔性臂关节之间通过一个万向节与第二关节底座的配合实现二自由度的转动连接，所述固定端板与相邻的柔性臂关节之间通过一个万向节与第二关节底座、第三关节底座的配合实现二自由度的转动连接；

所述支撑单元包括电机箱体、密封板、连接电缆、水密插头、第一支座、第二支座、基线箱座，所述电机箱体呈两端开口的中空腔体，所述密封板分别设置在电机箱体的两端开口上且电机箱体与密封板构成驱动控制箱；

所述第一支座、第二支座分别为一组，所述第一支座与驱动控制箱相连且驱动控制箱能为第一支座提供支撑，所述第二支座与驱动控制箱相连且驱动控制箱能为第二支座提供支撑；

所述驱动单元包括驱动电机、主动轮、第一从动轮、第二从动轮、与第一从动轮相配合的第一驱动丝杠、与第二从动轮相配合的第二驱动丝杠、直线导轨、丝杠螺母，所述直线导轨、丝杠螺母分别为2个；

所述驱动电机设置在电机箱体的中空腔体内，所述驱动电机通过连接电缆与水密插头相连，所述驱动电机的输出轴与主动轮相连且驱动电机能带动主动轮转动；所述电机箱体上设置有与水密插头相配合的连接线孔，所述水密插头设置在连接线孔上；

所述第一支座、第二支座上分别设置有第二导向孔，所述第一支座为一组，所述第一支座与驱动控制箱相连且驱动控制箱能为第一支座提供支撑，所述第一驱动丝杠穿过第一支座且第一驱动丝杠能相对第一支座转动；

所述第二支座为一组，所述第二支座与驱动控制箱相连且驱动控制箱能为第二支座提供支撑，所述第二驱动丝杠穿过第二支座且第二驱动丝杠能相对第二支座转动；

所述第一从动轮、第二从动轮分别与主动轮相啮合，所述第一从动轮、第二从动轮对称设置在主动轮两侧且主动轮能带动第一从动轮、第二从动轮同步、同向、同速转动；

所述直线导轨与驱动控制箱相连且直线导轨能相对驱动控制箱保持静止，所述丝杠螺母分别设置在第一驱动丝杠、第二驱动丝杠上且丝杠螺母能分别沿第一驱动丝杠的轴向、第二驱动丝杠的轴向移动，所述丝杠螺母与直线导轨的滑块相连且直线导轨的滑块能对丝杠螺母进行限位；

所述第一驱动丝杠上的螺纹旋向与第二驱动丝杠的螺纹旋向相反，所述第一从动轮与第一驱动丝杠固定连接，所述第二从动轮与第二驱动丝杠固定连接且第一驱动丝杠上丝杠螺母的运动方向与第二驱动丝杠上丝杠螺母的运动方向相反；

沿工作端板至固定端板的方向，将执行关节组件依次记为第1个执行关节组件、……第i个执行关节组件、……第N个执行关节组件；i为自然数，i＞1且i≤N；

所述工作端板上设置有1组穿孔组件，第i个执行关节组件的柔性臂关节上沿其径向由内向外依次设置有i组穿孔组件，所述固定端板沿其径向由内向外依次设置有N组穿孔组件；

单组穿孔组件由4个穿线孔构成，单组穿孔组件内的4个穿线孔均布于同一圆周上，其中相对的2个穿线孔位于第一投影线上并构成第一斜线孔组，另外相对的2个穿线孔位于第二投影线上并构成第二斜线孔组；

第i个执行关节组件的柔性臂关节上，沿柔性臂关节的径向由内向外的方向，将穿孔组件依次记为第1个穿孔组件、第2个穿孔组件、……、第i个穿孔组件；

沿固定端板的径向由内向外的方向，将穿孔组件依次记为第1个穿孔组件、……第i个穿孔组件、……第N个穿孔组件；

所述驱动单元、连接组件分别为2N个，一组驱动单元对应一组连接组件；每组连接组件由2根连接绳构成，连接组件内的2个连接绳分别与驱动单元内的2个丝杠螺母对应连接，所述驱动单元通过其内的第一驱动丝杠、第二驱动丝杠能带动与第一驱动丝杠上丝杠螺母相连的连接绳相对与第二驱动丝杠上丝杠螺母相连的连接绳朝相反方向运动；

第1个执行关节组件以工作端板作为第1连接端板，一组驱动单元内第一驱动丝杠上的丝杠螺母、第二驱动丝杠上的丝杠螺母与一组连接组件内的两根连接绳对应连接且一组驱动单元能带动与其配合的连接组件内两根连接绳反向运动；

所述基线箱座的一端与驱动控制箱相连且驱动控制箱能为基线箱座提供支撑，所述基线箱座的另一端与固定端板相连且基线箱座能为固定端板提供支撑；

两组连接组件依次穿过第二导向孔、固定端板上的第1个穿孔组件、执行关节组件内柔性臂关节上的第1个穿孔组件并与工作端板上第1个穿孔组件中的第一斜线孔组、第1个穿孔组件中的第二斜线孔组对应连接；

第i个执行关节组件以第i个执行关节组件内最靠近工作端板的柔性臂关节为第i连接端板，两组连接组件依次穿过第二导向孔、固定端板上的第i个穿孔组件、执行关节组件内柔性臂关节上的第i个穿孔组件并与第i连接端板上第i个穿孔组件中的第一斜线孔组、第i个穿孔组件中的第二斜线孔组对应连接；

所述刚性组件分别设置于工作端板与相邻的柔性臂关节之间、相邻两个柔性臂关节之间、固定端板与相邻的柔性臂关节之间且刚性组件能赋予执行单元刚性；

单组刚性组件由4个支撑弹簧构成；单个刚性组件内的4个支撑弹簧呈正方形布置，所述支撑弹簧套设于连接绳上；

所述工作端板、柔性臂关节、固定端板上分别设置有中心通孔，所述工作端板的中心通孔、柔性臂关节的中心通孔、固定端板的中心通孔依次连通并构成第一工作通道；

其特征在于，所述抓取单元包括与工作端板相连的抓手基座、第二连接件、第二连接杆、第一导向杆、卡爪连接件、抓取绳、抓取电机、抓取控制系统、复位弹簧、执行组件；

所述抓手基座与工作端板相连且工作端板能为抓手基座提供支撑，所述抓手基座包括基座第一固定板、基座第一支撑体，所述基座第一固定板中心设置有与第一导向杆相配合的通孔，所述基座第一支撑体设置有与第一导向杆相配合的第一导向槽，所述基座第一固定板、基座第一支撑体、工作端板依次相连；

所述第二连接件包括连接第二环形板、连接第二限位件，所述第二连接杆为至少三个，所述第二连接杆位于连接第二环形板与基座第一固定板之间，所述连接第二环形板通过第二连接杆与基座第一固定板相连为一体且连接第二环形板通过第二连接杆能与基座第一固定板保持相对静止；

所述连接第二环形板呈环形，所述连接第二限位件位于连接第二环形板中心且连接第二限位件能对卡爪连接件进行限位，所述连接第二限位件与连接第二环形板相连且连接第二环形板能为连接第二限位件提供支撑，所述连接第二限位件与连接第二环形板之间形成避让第一导向连接件的第一避让槽；

所述第一导向杆的一端与卡爪连接件相连，所述第一导向杆的另一端通过抓取绳与抓取电机相连；所述抓取绳穿过第一工作通道且抓取绳能相对第一工作通道运动，所述抓取电机与抓取控制系统相连，所述抓取电机、抓取控制系统分别设置在驱动控制箱内；所述复位弹簧设置在第一导向杆上，所述复位弹簧位于基座第一固定板与卡爪连接件之间且复位弹簧能带动卡爪连接件、与卡爪连接件相连的第一导向杆朝向连接第二限位件运动；

所述执行组件为P个，P为自然数且P≥3；

所述执行组件包括转动支座、收缩卡爪、第一导向连接件，所述转动支座与连接第二环形板固定连接且转动支座均布于连接第二环形板上；

所述收缩卡爪包括与连接第二环形板所在平面垂直的卡爪第一连接板、用于配合抓取物体的卡爪第二抓板，所述卡爪第二抓板呈类弧形，所述卡爪第二抓板与卡爪第一连接板所在平面垂直；所述卡爪第一连接板中部与转动支座铰接且卡爪第一连接板能相对转动支座转动；

所述第一导向连接件的一端与卡爪连接件铰接，所述第一导向连接件的另一端与卡爪第一连接板铰接且卡爪连接件通过第一导向连接件能带动卡爪第一连接板相对转动支座转动；

所述卡爪第一连接板的另一端与卡爪第二抓板相连且卡爪第二抓板的另一端与其他卡爪第二抓板靠近时能实现对物体的抓取功能；

所述基座第一固定板呈圆环形；

所述基座第一固定板的通孔的中心轴向与第一导向槽的中心轴线相平行；

所述执行组件为四个，所述转动支座均布于第二环形板上；

所述卡爪第二抓板呈钝角的V字型；

抓取单元未工作时，抓取绳处于松弛状态，复位弹簧提供弹力，带动第一导向杆、卡爪连接件伸出，连接第二限位件对卡爪连接件进行限位，在卡爪连接件的作用下，收缩卡爪朝向抓手基座反向收起；

抓取单元工作时，抓取控制系统向抓取电机发出指令，抓取电机带动抓取绳、及与抓取绳相连的第一导向杆、与第一导向杆相连的卡爪连接件同步收缩，带动第一导向杆在第一导向槽内移动；此时，卡爪连接件依次带动第一导向连接件、收缩卡爪同步运动，收缩卡爪绕转动支座转动，收缩卡爪的卡爪第二抓板之间相互靠拢，完成抓取操作；

待抓取操作完成后，抓取控制系统向抓取电机发出指令，抓取电机反向转动，在复位弹簧的作用下，抓取单位恢复至初始状态。

2.前述权利要求1所述仿象鼻的柔性机械臂的应用，其特征在于，将该仿象鼻的柔性机械臂用于物体的抓取。

3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，将该仿象鼻的柔性机械臂用于陆地环境、水下环境、高空环境中物体的抓取。