CN115890734B - 一种基于组合式梁片的机械臂 - Google Patents
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Abstract
一种基于组合式梁片的机械臂，属于伸展臂技术领域，本发明为解决现有机械臂结构数量多、控制系统复杂、操作难度大、制备加工困难的问题。它包括：臂体和安装在臂体末端的末端执行器，臂体由阵列设置的三维结构单元构成，三维结构单元包括单向阵列堆叠的多个扭转结构单元和多个弯曲结构单元，末端执行器安装在最末端的弯曲结构单元上；扭转结构单元通过组合式梁片的形变能够产生扭转形变，弯曲结构单元通过组合式梁片的形变能够产生弯曲形变；通过控制扭转结构单元和弯曲结构单元中的至少一个产生形变，对末端执行器的空间位置进行调整。本发明用于伸展臂。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械臂，属于伸展臂技术领域。
背景技术
机械臂是一种高精度、多输入多输出、高度非线性、强耦合的复杂结构和系统，机械臂具有很高的操作灵活性，在航天器、工业装配、机器人等领域得到广泛应用。但机械臂存在如下问题：
1、末端姿态控制困难、控制系统复杂、操作难度大，对于不同的任务，需要规划机械臂关节空间的运动轨迹，从而级联构成末端位姿；
2、机械臂机构和关节数量多，难以加工制备。
3、在微纳尺度领域，机械臂的多机构复杂系统很难甚至无法通过3D打印手段制备，成为制约其推广使用的关键因素。
发明内容
本发明目的是为了解决现有机械臂结构数量多、控制系统复杂、操作难度大、制备加工困难的问题，提供了一种基于组合式梁片的机械臂。
本发明提出了一种基于组合式梁片的机械臂，它包括臂体和安装在臂体末端的末端执行器，所述臂体由阵列设置的三维结构单元构成，所述三维结构单元包括单向阵列堆叠的多个扭转结构单元和多个弯曲结构单元，末端执行器安装在最末端的弯曲结构单元上；
扭转结构单元通过组合式梁片的形变能够产生扭转形变，弯曲结构单元通过组合式梁片的形变能够产生弯曲形变；
通过控制扭转结构单元和弯曲结构单元中的至少一个产生形变，对末端执行器的空间位置进行调整。
优选的，所述组合式梁片包括两个第一梁片和两个第二梁片；
第一梁片和第二梁片收尾相接构成单层梁片，两个单层梁片贴合构成组合式梁片，且两层梁片中的第一梁片和第二梁片交错设置。
优选的，所述第一梁片和第二梁片采用两种不同热膨胀系数材料制成，通过不同的热激励信号产生不同的形变结构，使得组合式梁片产生形变；
所述第一梁片和第二梁片采用两种不同介电常数材料制成，通过不同的电激励信号产生不同的形变结构，使得组合式梁片产生形变；
所述第一梁片和第二梁片采用两种不同磁化强度材料制成，通过不同的磁激励信号产生不同的形变结构，使得组合式梁片产生形变；
进而控制扭转结构单元产生扭转形变、弯曲结构单元产生弯曲形变。
优选的，所述弯曲结构单元包括第一上柱体、第一下柱体和弯曲支撑梁；
第一上柱体和第一下柱体相对设置，且通过弯曲支撑梁进行连接；
所述弯曲支撑梁包括四个组合式梁片和连接杆；
第一个组合式梁片的一端通过连接杆安装在第一上柱体下端面的左侧，
第二个组合式梁片的一端通过连接杆安装在第一上柱体下端面的右侧，
第三个组合式梁片的一端通过连接杆安装在第一下柱体上端面的左侧，
第四个组合式梁片的一端通过连接杆安装在第一下柱体上端面的右侧，
第一个组合式梁片的另一端与第三个组合式梁片的另一端通过连接杆安装连接，
第二个组合式梁片的另一端与第四个组合式梁片的另一端通过连接杆安装连接，
四个组合式梁片在未发生形变时，与第一上柱体、第一下柱体均平行设置。
优选的，所述第一个组合式梁片和第二个组合式梁片为同向设置，所述第三个组合式梁片和第四个组合式梁片为同向设置，所述第一个组合式梁片和第三个组合式梁片为反向设置。
优选的，所述连接杆采用第一梁片或第二梁片相同的材料制成。
优选的，所述扭转结构单元包括第二上柱体、第二下柱体和扭转支撑梁；
第二上柱体和第二下柱体相对设置，且通过扭转支撑梁进行连接；
所述扭转支撑梁包括多个组合式梁片；
组合式梁片的一端与第二上柱体的下端面固定连接，组合式梁片的另一端与第二下柱体的上端面固定连接；
组合式梁片在未发生形变时，与第二上柱体、第二下柱体均垂直设置。
优选的，所述控制扭转结构单元和弯曲结构单元中的至少一个产生的形变包括：
通过控制扭转结构单元产生的扭转形变；
控制弯曲结构单元产生的弯曲形变；
同时控制扭转结构单元和弯曲结构单元产生的组合形变。
优选的，所述臂体的阵列设置方式包括：
单一方向堆叠相同的三维结构单元、单一方向堆叠不同的三维结构单元、多个方向堆叠相同的三维结构单元、多个方向堆叠不同的三维结构单元。
优选的，所述末端执行器包括相机、抓手和天线；
当末端执行器为相机时，通过臂体实现拍摄角度和拍摄位置的调整；
当末端执行器为抓手时，通过臂体实现太空捕捉的位置的调整；
当末端执行器为天线时，通过臂体实现接收信号和发射信号位置的调整。
本发明提出的一种基于组合式梁片的机械臂，存在如下优点：
1、采用两种不同热/电/磁性质的材料贴合制成双层组合式梁片，进一步构成扭转结构单元和弯曲结构单元，在热/电/磁激励下，扭转结构单元产生扭转形变，弯曲结构单元产生弯曲形变，进而使得臂体产生弯曲形变、组合形变或二者的组合形变，末端执行器的空间位置由于臂体产生的形变而发生改变，臂体形变具有幅度大、可逆性和易于控制的优点，通过控制外界热/电/磁激励的大小和施加位置，可以灵活的调整机械臂局部的形变模式和幅度，进而调控末端执行器的空间位置。
2、结构简单、易于加工制备、形变控制方式灵活。
3、微纳尺度的机械臂因不需要额外机构，而可以通过3D打印方式直接制备。
附图说明
图1是本发明所述一种基于组合式梁片的机械臂的结构示意图；
图2是本发明所述弯曲结构单元的结构示意图；
图3是本发明所述弯曲结构单元产生弯曲形变的示意图；
图4是本发明所述弯曲结构单元的四个组合式梁片的设置关系示意图；
图5是本发明所述扭转结构单元的结构示意图；
图6是本发明所述扭转结构单元产生扭转形变的示意图；
图7是本发明所述组合式梁片的结构示意图；
图8是本发明所述组合式梁片产生形变的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
实施例1：
下面结合图1、图7和图8说明本实施方式，本实施方式所述一种基于组合式梁片的机械臂，它包括臂体和安装在臂体末端的末端执行器1，所述臂体由阵列设置的三维结构单元构成，所述三维结构单元包括单向阵列堆叠的多个扭转结构单元2和多个弯曲结构单元3，末端执行器1安装在最末端的弯曲结构单元3上；
扭转结构单元2通过组合式梁片4的形变能够产生扭转形变，弯曲结构单元3通过组合式梁片4的形变能够产生弯曲形变；
通过控制扭转结构单元2和弯曲结构单元3中的至少一个产生形变，对末端执行器1的空间位置进行调整。
进一步的，如图7和图8所示，所述组合式梁片4包括两个第一梁片4-1和两个第二梁片4-2；
第一梁片4-1和第二梁片4-2收尾相接构成单层梁片，两个单层梁片贴合构成组合式梁片4，且两层梁片中的第一梁片4-1和第二梁片4-2交错设置。
再进一步的，所述第一梁片4-1和第二梁片4-2采用两种不同热膨胀系数材料制成，通过不同的热激励信号产生不同的形变结构，使得组合式梁片4产生形变；
所述第一梁片4-1和第二梁片4-2采用两种不同介电常数材料制成，通过不同的电激励信号产生不同的形变结构，使得组合式梁片4产生形变；
所述第一梁片4-1和第二梁片4-2采用两种不同磁化强度材料制成，通过不同的磁激励信号产生不同的形变结构，使得组合式梁片4产生形变；
进而控制扭转结构单元2产生扭转形变、弯曲结构单元3产生弯曲形变。
再进一步的，所述控制扭转结构单元2和弯曲结构单元3中的至少一个产生的形变包括：
通过控制扭转结构单元2产生的扭转形变；
控制弯曲结构单元3产生的弯曲形变；
同时控制扭转结构单元2和弯曲结构单元3产生的组合形变。
再进一步的，所述臂体的阵列设置方式包括：
单一方向堆叠相同的三维结构单元、单一方向堆叠不同的三维结构单元、多个方向堆叠相同的三维结构单元、多个方向堆叠不同的三维结构单元。
再进一步的，所述末端执行器1包括相机、抓手和天线；
当末端执行器1为相机时，通过臂体实现拍摄角度和拍摄位置的调整；
当末端执行器1为抓手时，通过臂体实现太空捕捉的位置的调整；
当末端执行器1为天线时，通过臂体实现接收信号和发射信号位置的调整。
本实施方式中，提出了一种热、电、磁激励形变组合式机械臂，包括臂体及安装在臂体上的末端执行器1。臂体由多个三维结构单元组成，三维结构单元由多个扭转结构单元2和多个弯曲结构单元3单向阵列堆叠形成，可以通过在单一方向堆叠三维结构单元，实现单一的弯曲或扭转功能，也可以通过在多个反向、堆叠不同三维结构单元实现弯曲和扭转的组合功能。如图1所示，是以单向阵列形成的组合。通过控制扭转结构单元2进行扭转形变、弯曲结构单元3进行弯曲形变，调整末端执行器1的空间位置。
本实施方式中，第一梁片4-1和第二梁片4-2贴合组成双层材料梁形状，第一梁片4-1和第二梁片4-2采用两种不同的热、电或磁性质的材料，在热、电或磁激励下组合梁的曲率及长度发生变化，即能够实现对应的由热、电或磁激励产生的可控制的局部弯曲形变。
实施例2：
下面结合图2-图4说明本实施方式，本实施方式所述一种基于组合式梁片的机械臂，所述弯曲结构单元3包括第一上柱体3-1、第一下柱体3-2和弯曲支撑梁；
第一上柱体3-1和第一下柱体3-2相对设置，且通过弯曲支撑梁进行连接；
所述弯曲支撑梁包括四个组合式梁片4和连接杆5；
第一个组合式梁片4的一端通过连接杆5安装在第一上柱体3-1下端面的左侧，
第二个组合式梁片4的一端通过连接杆5安装在第一上柱体3-1下端面的右侧，
第三个组合式梁片4的一端通过连接杆5安装在第一下柱体3-2上端面的左侧，
第四个组合式梁片4的一端通过连接杆5安装在第一下柱体3-2上端面的右侧，
第一个组合式梁片4的另一端与第三个组合式梁片4的另一端通过连接杆5安装连接，
第二个组合式梁片4的另一端与第四个组合式梁片4的另一端通过连接杆5安装连接，四个组合式梁片4在未发生形变时，与第一上柱体3-1、第一下柱体3-2均平行设置。
进一步的，所述第一个组合式梁片4和第二个组合式梁片4为同向设置，所述第三个组合式梁片4和第四个组合式梁片4为同向设置，所述第一个组合式梁片4和第三个组合式梁片4为反向设置。
再进一步的，所述连接杆5采用第一梁片4-1或第二梁片4-2相同的材料制成。
本实施方式中，通过对组合式梁片4的形变控制，实现对弯曲支撑梁的形变控制，实现第一上柱体3-1和第一下柱体3-2之间两侧距离的反向调节，实现弯曲结构单元3整体弯曲形变的目的。
本实施方式中，第一个组合式梁片4和第三个组合式梁片4为反向设置，第二个组合式梁片4和第四个组合式梁片4为反向设置，上下相对的组合式梁片4反向布置，能够实现在热电磁激励下分别产生向下和向上的位移。
第一梁片4-1和第二梁片4-2的厚度方向为垂直方向，用于实现上下方向位移形变。在热、电、磁激励下，组合式梁片4产生形变，在一端通过连接杆5固支约束时，另一端产生弯曲形变，因此，实现第一上柱体3-1的弯曲。
实施例3：
下面结合图5-图6说明本实施方式，本实施方式所述一种基于组合式梁片的机械臂，所述扭转结构单元2包括第二上柱体2-1、第二下柱体2-2和扭转支撑梁；
第二上柱体2-1和第二下柱体2-2相对设置，且通过扭转支撑梁进行连接；
所述扭转支撑梁包括多个组合式梁片4；
组合式梁片4的一端与第二上柱体2-1的下端面固定连接，组合式梁片4的另一端与第二下柱体2-2的上端面固定连接；
组合式梁片4在未发生形变时，与第二上柱体2-1、第二下柱体2-2均垂直设置。
本实施方式中，通过控制组合式梁片4的形变，实现第二上柱体2-1和第二下柱体2-2之间角度的调节，实现扭转结构单元2产生扭转形变的目的。
本发明中，热激励形变结构可以是热膨胀系数不同的材料如各种金属或聚合物。电激励形变结构可以是介电常数不同的材料如各种金属及其氧化物、介电弹性体或橡胶。磁激励形变结构可以是磁化难易程度不同的材料如高碳钢，钡铁氧体、陶瓷铁氧体或铝镍钴合金。
本发明提出的组合式机械臂的结构设计与尺度无关，可用于宏观大型的机械臂，例如，航天伸展臂，也可以用于微纳尺度机器人的机械臂。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (5)
1.一种基于组合式梁片的机械臂，其特征在于，它包括臂体和安装在臂体末端的末端执行器(1)，所述臂体由阵列设置的三维结构单元构成，所述三维结构单元包括单向阵列堆叠的多个扭转结构单元(2)和多个弯曲结构单元(3)，末端执行器(1)安装在最末端的弯曲结构单元(3)上；
扭转结构单元(2)通过组合式梁片(4)的形变能够产生扭转形变，弯曲结构单元(3)通过组合式梁片(4)的形变能够产生弯曲形变；
通过控制扭转结构单元(2)和弯曲结构单元(3)中的至少一个产生形变，对末端执行器(1)的空间位置进行调整；
所述组合式梁片(4)包括两个第一梁片(4-1)和两个第二梁片(4-2)；
第一梁片(4-1)和第二梁片(4-2)收尾相接构成单层梁片，两个单层梁片贴合构成组合式梁片(4)，且两层梁片中的第一梁片(4-1)和第二梁片(4-2)交错设置；
所述第一梁片(4-1)和第二梁片(4-2)采用两种不同热膨胀系数材料制成，通过不同的热激励信号产生不同的形变结构，使得组合式梁片(4)产生形变；
所述第一梁片(4-1)和第二梁片(4-2)采用两种不同介电常数材料制成，通过不同的电激励信号产生不同的形变结构，使得组合式梁片(4)产生形变；
所述第一梁片(4-1)和第二梁片(4-2)采用两种不同磁化强度材料制成，通过不同的磁激励信号产生不同的形变结构，使得组合式梁片(4)产生形变；
进而控制扭转结构单元(2)产生扭转形变、弯曲结构单元(3)产生弯曲形变；
所述弯曲结构单元(3)包括第一上柱体(3-1)、第一下柱体(3-2)和弯曲支撑梁；
第一上柱体(3-1)和第一下柱体(3-2)相对设置，且通过弯曲支撑梁进行连接；
所述弯曲支撑梁包括四个组合式梁片(4)和连接杆(5)；
第一个组合式梁片(4)的一端通过连接杆(5)安装在第一上柱体(3-1)下端面的左侧，
第二个组合式梁片(4)的一端通过连接杆(5)安装在第一上柱体(3-1)下端面的右侧，
第三个组合式梁片(4)的一端通过连接杆(5)安装在第一下柱体(3-2)上端面的左侧，
第四个组合式梁片(4)的一端通过连接杆(5)安装在第一下柱体(3-2)上端面的右侧，
第一个组合式梁片(4)的另一端与第三个组合式梁片(4)的另一端通过连接杆(5)安装连接，
第二个组合式梁片(4)的另一端与第四个组合式梁片(4)的另一端通过连接杆(5)安装连接，
四个组合式梁片(4)在未发生形变时，与第一上柱体(3-1)、第一下柱体(3-2)均平行设置；
所述第一个组合式梁片(4)和第二个组合式梁片(4)为同向设置，所述第三个组合式梁片(4)和第四个组合式梁片(4)为同向设置，所述第一个组合式梁片(4)和第三个组合式梁片(4)为反向设置；
所述连接杆(5)采用第一梁片(4-1)或第二梁片(4-2)相同的材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种基于组合式梁片的机械臂，其特征在于，所述扭转结构单元(2)包括第二上柱体(2-1)、第二下柱体(2-2)和扭转支撑梁；
第二上柱体(2-1)和第二下柱体(2-2)相对设置，且通过扭转支撑梁进行连接；
所述扭转支撑梁包括多个组合式梁片(4)；
组合式梁片(4)的一端与第二上柱体(2-1)的下端面固定连接，组合式梁片(4)的另一端与第二下柱体(2-2)的上端面固定连接；
组合式梁片(4)在未发生形变时，与第二上柱体(2-1)、第二下柱体(2-2)均垂直设置。
3.根据权利要求1-2中任意一项所述的一种基于组合式梁片的机械臂，其特征在于，所述控制扭转结构单元(2)和弯曲结构单元(3)中的至少一个产生的形变包括：
通过控制扭转结构单元(2)产生的扭转形变；
控制弯曲结构单元(3)产生的弯曲形变；
同时控制扭转结构单元(2)和弯曲结构单元(3)产生的组合形变。
4.根据权利要求3中任意一项所述的一种基于组合式梁片的机械臂，其特征在于，所述臂体的阵列设置方式包括：
单一方向堆叠相同的三维结构单元、单一方向堆叠不同的三维结构单元、多个方向堆叠相同的三维结构单元、多个方向堆叠不同的三维结构单元。
5.根据权利要求3中任意一项所述的一种基于组合式梁片的机械臂，其特征在于，所述末端执行器(1)包括相机、抓手和天线；
当末端执行器(1)为相机时，通过臂体实现拍摄角度和拍摄位置的调整；
当末端执行器(1)为抓手时，通过臂体实现太空捕捉的位置的调整；当末端执行器(1)为天线时，通过臂体实现接收信号和发射信号位置的调整。
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Also Published As
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