CN116604608B - 一种基于双材料3d打印的仿生机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明属于仿生机械臂技术领域，其公开了一种基于双材料3D打印的仿生机械臂，包含有若干个节段，每个节段包括边框、椎骨、连接件，所述边框和椎骨由硬材料制作而成，所述椎骨设置于所述节段中央，所述边框和所述椎骨之间通过所述连接件连接，所述连接件为软材料制作而成，节段采用多材料3D打印的方法进行一体化成型，可以实现软硬材料的紧密和精准结合，本发明提供的机械臂通过关节的配合可以实现灵活的弯曲扭转和缠绕，软硬材料相结合的结构设计提高了其抗压、抗冲击性能，能够在医疗、制造、勘探营救等领域发挥作用。
Description
技术领域
本发明涉及仿生机械臂技术领域，具体为一种基于双材料3D打印的仿生机械臂。
背景技术
抓握是机械臂的主要功能之一，常规的机械臂设计多采用刚度、强度冗余设计或经验设计的方法，且大多使用钢、铁、铝合金等金属材料制造，导致机械臂存在体积大、质量大、材料消耗多、负载/自重比低等问题。当前机械臂普遍采用机械夹爪、真空吸盘等传统夹具对物件进行抓取，经常会受到抓取物件不同形状、材质、位置的影响，导致无法顺利抓取。由于机械臂运动过程中关节和连杆的柔性效应的增加，机械臂结构会发生变形，从而使任务执行的精度降低；现有的机械臂通常具有沿其长度保持恒定的截面，这导致机器人表现出较差的抓取能力，特别是在处理具有不同曲率的物体时。
软体机器人虽然能够进行灵活的抓握，但是不够坚固，抗拉强度低，抵抗外界牵引能力不足，在特殊的环境和特定的工作条件下受到异物冲击、外力挤压时容易被破坏。
仿生设计是结构设计和功能实现的一种重要方法。海马凭借其尾部特殊的方形结构，可以灵活抓握海草、珊瑚等物体，同时提供了很高的抗压强度，可以抵抗40％的压缩应变而不受任何损坏。仿照海马尾结构进行机械臂的设计，能得到兼具抓握能力和抗压性能的机械臂。
国内外已经有团队设计出几种仿海马尾结构的机械臂模型，但大多是塑料零件通过皮筋和弹簧铰接组合而成，这对机械臂模型的控制精度和力学性能有一定的影响。
因此，需要对现有海马尾仿生机械臂的结构和成形方式进行优化。
发明内容
解决上述背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种基于双材料3D打印的仿生机械臂，对已提出的海马尾仿生机械臂模型进行了结构优化，并采用多材料增材制造技术使分散的零件一体化成形，引入软、硬两种材料相结合的方法来模拟海马尾部的骨骼与肌肉组织，从而在保证仿生机械臂的柔韧灵活性的同时提高其抗压强度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于双材料3D打印的仿生机械臂，其含有若干节段，每个节段包括边框、椎骨、连接件，所述边框和椎骨由硬材料制作而成，所述椎骨设置于所述节段中央，所述边框和所述椎骨之间通过所述连接件连接，所述连接件为软材料制作而成。
作为上述机械臂的优选方案，所述边框包括四块L形硬材料骨板，四块L形硬材料骨板相互重叠围绕成方形结构，L形硬材料骨板重叠处由软材料相连接。
作为上述机械臂的优选方案，所述椎骨包括三个大致相互正交的圆柱体，其中与边框平面相平行的两个圆柱体四端通过所述连接件与边框内侧相连接，另外一个圆柱体两端向外扩散形成一定的倾斜程度，并在末端分别设置半球状凸起和半球状凹槽；与边框平面相垂直的圆柱体设置有轴向通孔，所述通孔用于鱼线连接各个节段，从而组成机械臂。
作为上述机械臂的优选方案，椎骨在所述通孔方向的一端设置有半球状突起，另一端设置有半球状凹槽，相邻节段的半球状凸起与半球状凹槽之间相互配合。所述半球状凸起的直径略小于椎骨最外端的直径；相邻节段的椎骨在通孔方向最外端存在一定距离，该距离使得相邻节段在转动到预定角度后，相邻节段的椎骨在通孔方向最外端发生碰撞，配合鱼线的牵扯阻止节段发生进一步转动；所述半球状凹槽内壁紧贴半球状凸起表面，可以向四周各个方向转动，在相邻节段的椎骨边缘相碰时停止，从而实现相邻节段之间一定角度的弯曲。
作为上述机械臂的优选方案，所述边框拐角处的一侧设置有棘状凸起，另一侧设置有凹槽，相邻节段的凸起与凹槽相互配合；所述凹槽尺寸大于棘状凸起尺寸，允许与其相配合的棘状凸起有一定的活动范围。所述的棘状凸起以硬材料椎骨的通孔方向为轴进行顺、逆时针旋转，与凹槽壁相碰后停止，可以实现相邻节段之间一定角度的扭转。
作为上述机械臂的优选方案，所述节段通过多材料3D打印的方法一体化成型，实现了软硬两种材料的紧密结合；所述的L形硬材料骨板和硬材料椎骨选用塑料或碳纤维进行打印；所述的棱柱状软材料和圆柱状软材料选用橡胶、硅胶、聚氨酯或聚脲等弹性体进行打印。
作为上述机械臂的优选方案，所述的棱柱状软材料的位置、形状、厚度均经过了不断调整，使所述的一种基于双材料3D打印的仿生机械臂具有较好的可变形能力；所述的L形硬材料骨板的板部具有一定的倾斜程度，以适应棱柱状软材料的形状与厚度。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明采用多材料3D打印的方法使节段一体化成形，避免多种零件通过弹簧或橡皮筋铰接拼装，能够提高海马尾仿生机械臂整体的精度以及力学性能，且能够提高成形效率。
2.本发明仿照海马尾骨骼关节的结构以及弯曲扭转的机制进行机械臂的设计，将多个节段连接起来组成机械臂，可以使机械臂实现大角度的弯曲与扭转，且可以通过控制弯曲扭转的角度对物体进行缠绕抓握。
3.本发明采用软硬材料相结合的方式进行海马尾仿生机械臂的结构设计，当机械臂受到外界施加的压力或者冲击时，首先由弹性体软材料发生弹性变形，抵抗外界载荷，起到缓冲以及保护机械臂结构完整性的作用，提高了机械臂的抗压性能和抗冲击性能。
4.本发明设计的一种基于双材料3D打印的仿生机械臂所采用的材料均为轻质材料，如塑料、碳纤维、橡胶等。在保证机械臂具有良好的抗压、抗冲击性能的前提下可以实现机械臂的轻量化。
附图说明
图1为本发明的仿生机械臂的节段的结构示意图，其中图1中的a为主视图，b为左视图，c为后视图，d为正三轴测图；
图2为本发明的仿生机械臂弯曲时的结构示意图；
图3为本发明的仿生机械臂扭转时的结构示意图；其中图3中的a为俯视图，图3中的b为正视图；
图4为本发明的仿生机械臂的节段边框受压变形时的结构示意图。
图中：1、节段；2、L形硬材料骨板；3、棱柱状软材料；4、硬材料椎骨；5、圆柱状软材料；6、通孔；7、半球状凸起；8、半球状凹槽；9、棘状凸起；10、凹槽。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供了一种基于双材料3D打印的仿生机械臂，其含有若干节段1，每个节段1包括边框、椎骨4、连接件5，所述边框由硬材料骨板2制作而成，所述椎骨4由硬材料制作而成，所述椎骨4设置于节段中央，所述边框和所述椎骨4之间通过所述连接件5连接，所述连接件为软材料制作而成。
可选地，所述边框可以由一块硬材料骨板一体制作而成，其也可以由多块硬材料骨板组合制作而成。
作为一个可选实施例，如图1和图4所示，所述边框由四块L形硬材料骨板2组成，四块L形硬材料骨板2有特殊规律地相互重叠围绕成方形结构，L形硬材料骨板2重叠处由软材料3相连接。软材料3可以为棱柱状，也可以为其他形状。
作为一个优选实施例，如图4所示，将所述节段的方形边框分为上下两部分，下方的两块L形硬材料骨板包裹覆盖一部分上方的两块L形硬材料骨板，从而形成重叠处，所述重叠处由软材料3相连接；所述软材料3在受到单向压缩时产生弹性变形，使所连接的两块L形硬材料骨板产生相对滑动，从而使节段产生弹性压缩变形。
作为上述机械臂的优选方案，通过调整所述软材料的位置、形状、厚度，使所述的一种基于双材料3D打印的仿生机械臂具有较好的可变形能力；所述的L形硬材料骨板的板部具有一定的倾斜程度，以适应软材料3的形状与厚度。
如图4所示，对节段1施加单向压力，软材料3发生弹性变形，使节段1产生较大压缩变形的同时保持硬材料结构的完整性。本发明提供的软硬材料相结合的结构可以提高机械臂的抗压性能和抗冲击性能，使机械臂在受到撞击或挤压后仍能保持内部结构不被损坏，经过测量，本发明提供的机械臂可以最大压缩变形30％而不受损坏。
节段1通过多材料3D打印的方法一体化成型，实现了软硬两种材料的紧密结合，L形硬材料骨板2和硬材料椎骨4选用塑料或碳纤维进行打印；棱柱状软材料3和圆柱状软材料5选用橡胶、硅胶或聚氨酯等弹性体进行打印。
优选地，如图1所示，硬材料椎骨4的形状大致为三个相互正交的圆柱体，其中与边框平面相平行的两个圆柱体四端通过连接件5与边框内侧相连接，另外一个圆柱体两端向外扩散形成一定的倾斜程度，并在末端分别设置半球状凸起7和半球状凹槽8。
优选地，所述连接件5为圆柱状软材料。
可选地，L形硬材料骨板2在拐角处的一侧设置有具有一定倾斜程度的棘状凸起9，另一侧设置有凹槽10，相邻节段1之间的凸起与凹槽可以相互配合，形成关节，硬材料椎骨4的中央在垂直于节段1边框的方向设置有通孔，用于将多个节段1通过鱼线连接起来组成机械臂。
如图2所示，以五个节段1组成的机械臂为例，半球状凸起7与半球状凹槽8的形状尺寸相同，多个节段1连接后，相邻节段1之间的半球状凸起7的表面与半球状凹槽8的内壁紧密贴合，形成关节，可以向四周各个方向转动，半球状凸起7的直径略小于硬材料椎骨4最外端的直径，相邻节段的椎骨在通孔方向最外端存在一定距离，该距离使得相邻节段在转动到预定角度后，相邻节段的椎骨在通孔方向最外端发生碰撞，配合鱼线的牵扯阻止节段发生进一步转动，通过此结构设计使相邻节段1之间能够实现一定角度内的转动，进而实现机械臂的弯曲，改变硬材料椎骨4最外端的尺寸可以控制最大弯曲角度，经过测量，相邻节段间的最大弯曲角度可达15°。
作为一种可选的实施方式，鱼线和半球状凸起7、半球状凹槽8的配合既可以从半球状凸起7、半球状凹槽8中穿过，也可以不从半球状凸起7、半球状凹槽8中穿过。鱼线从半球状凸起7、半球状凹槽8中穿过时，可以在半球状凸起7、半球状凹槽8中设置通孔供其穿过，优选地，半球状凸起7、半球状凹槽8中所设置的通过直径不一样，保证其顺利转动。
如图3所示，以五个节段1组成的机械臂为例，多个节段1连接后，相邻节段1之间的棘状凸起9与凹槽10形成关节，凹槽10的宽度大于棘状凸起9的宽度，允许与其相配合的棘状凸起9有一定的活动范围，棘状凸起9以硬材料椎骨4的通孔6方向为轴进行顺、逆时针旋转，与凹槽10的内壁相碰后停止，通过此结构设计使相邻节段1之间能够实现一定角度内的转动，进而实现机械臂的扭转，改变棘状凸起9和凹槽10的形状尺寸可以控制最大扭转角度，经过测量，相邻节段间的最大扭转角度可达6.4°。
若为机械臂安装控制系统，通过改变节段1的数量并控制每对相邻节段1之间弯曲、扭转的角度，便可以使机械臂产生各种角度的弯曲扭转，实现与海马尾类似的多模态缠绕，从而能够对不同曲率的物品进行抓握。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于双材料3D打印的仿生机械臂，其特征在于：其含有若干节段，每个节段包括边框、椎骨、连接件，所述边框和椎骨由硬材料制作而成，所述椎骨设置于所述节段中央，所述边框和所述椎骨之间通过所述连接件连接，所述连接件为软材料制作而成；
所述边框包括四块L形硬材料骨板，四块L形硬材料骨板相互重叠围绕成方形结构，L形硬材料骨板重叠处由软材料相连接。
2.如权利要求1所述的一种基于双材料3D打印的仿生机械臂，其特征在于：所述椎骨包括三个相互正交的圆柱体，其中与边框平面相平行的两个圆柱体四端通过所述连接件与边框内侧相连接，另外一个圆柱体两端向外扩散形成一定的倾斜程度，并在末端分别设置半球状凸起和半球状凹槽。
3.如权利要求2所述的一种基于双材料3D打印的仿生机械臂，其特征在于：与边框平面相垂直的圆柱体设置有轴向通孔，所述通孔用于鱼线连接各个节段。
4.如权利要求3所述的一种基于双材料3D打印的仿生机械臂，其特征在于：椎骨在所述通孔方向的一端设置有半球状突起，另一端设置有半球状凹槽，相邻节段的半球状凸起与半球状凹槽之间相互配合。
5.如权利要求3所述的一种基于双材料3D打印的仿生机械臂，其特征在于：相邻节段的椎骨在通孔方向最外端存在一定距离，该距离使得相邻节段在转动到预定角度后，相邻节段的椎骨在通孔方向最外端发生碰撞，配合鱼线的牵扯阻止节段发生进一步转动。
6.如权利要求1所述的一种基于双材料3D打印的仿生机械臂，其特征在于：所述边框拐角处的一侧设置有棘状凸起，另一侧设置有凹槽，相邻节段的凸起与凹槽相互配合。
7.如权利要求6所述的一种基于双材料3D打印的仿生机械臂，其特征在于：所述凹槽尺寸大于棘状凸起尺寸，允许与其相配合的棘状凸起有一定的活动范围。
8.如权利要求1-7任一项所述的一种基于双材料3D打印的仿生机械臂，其特征在于：所述节段通过多材料3D打印的方法一体化成型。
9.如权利要求1-7任一项所述的一种基于双材料3D打印的仿生机械臂，其特征在于：所述硬材料选用塑料或碳纤维复合材料进行打印；所述软材料选用橡胶、硅胶或聚氨酯进行打印。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于机械原理课程的一种多功能机械原理演示箱的设计;王玉勤;霍新旺;何聪;王宇;张连新;;新乡学院学报(第06期);全文 * |
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