CN109877819A - 变刚度软体蛇形臂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变刚度软体蛇形臂，它包括若干节可拆卸连接为一体的刚柔单元；刚柔单元包括刚性端板、软体气动人工肌肉群、超弹性多杆机构和限位隔板；超弹性多杆机构包括多个超弹性杆，超弹性杆的一端装配于端板上、另一端穿过另一端板后伸至相邻刚柔单元的超弹性杆内；软体气动人工肌肉群包括多个装配于两端板之间、位于超弹性多杆机构外的气动人工肌肉；限位隔板套于超弹性多杆机构外；相邻两刚柔单元通过端板可拆卸连接。利用软体气动人工肌肉群提供柔顺弯曲运动能力，多个超弹性杆起运动导向作用，通过气动人工肌肉与超弹性杆形成的相互力作用，实现蛇形臂的刚度可变可控，使蛇形臂能够达到不同的位姿，以提高蛇形臂作业末端的运动精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械臂，特别是涉及一种变刚度软体蛇形臂。
背景技术
传统机械臂由于灵活度有限、安全性和适应性较差等原因，使其在一些特殊的应用中受到限制，例如在医疗手术、人机交互、发动机内部搜索与探测等领域，要求机械臂具有空间多自由度的快速自适应和高精度连续位移，刚度基本恒定或者离散变化的传统机械臂难以实现预期的功能需求。软体蛇形臂技术的出现与发展，为解决传统机械臂存在的安全性和柔顺性等问题提供了新的思路。
然而，目前软体蛇形臂通常以软体智能材料为主体，缺乏合适的末端位置精度、输出力和刚度调节能力，限制了其在特殊环境中的作业能力。因此，刚度可变可调的高精度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，例如欧盟2012年启动的“STIFF-FLOP”医疗机械臂研究计划，以高灵巧、变刚度软体手术机械臂为对象开展为期3年的研究；韩国三星先进技术研究院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，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；哈尔滨工业大学公开的线驱动式刚度可变软体机器人(中国发明专利，CN 105945930 B)，利用“真空颗粒阻塞原理”，配合钢线驱动，实现该软体机器人的运动及刚度变化控制。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，提供一种能够满足末端精准定位要求的变刚度软体蛇形臂。
本发明提供的这种变刚度软体蛇形臂，它包括若干节可拆卸连接为一体的刚柔单元；刚柔单元包括刚性端板、软体气动人工肌肉群、超弹性多杆机构和限位隔板；超弹性多杆机构包括多个超弹性杆，超弹性杆的一端装配于端板上、另一端穿过另一端板后伸至相邻刚柔单元的超弹性杆内；软体气动人工肌肉群包括多个装配于两端板之间、位于超弹性多杆机构外的气动人工肌肉；限位隔板套于超弹性多杆机构外；相邻两刚柔单元通过端板可拆卸连接。
在一个具体实施方式中，使所述刚性端板的中心位置处设有通孔，刚性端板上设有围绕通孔呈环形阵列布置的安装座，安装座内的板实体上设有预留孔，通孔与安装座之间的板实体上设有一圈定位孔，安装座外的板实体上设有一圈连接孔。
作为优选，使所述安装座为径向不封闭的环型座，座壁上设有一对安装孔，安装座以其一端端部固接于所述刚性端板上。
进一步的，将所述超弹性杆的大径段连接于一端端板上的定位孔处，小径段穿过另一端端板的定位孔伸至相邻刚柔单元的超弹性杆大径段的轴向孔内，并能在轴向孔内滑动。
在一个具体实施方式中，使所述气动人工肌肉包括橡胶管、纤维层和一对端头，橡胶管连接于两端头之间、与导气管连通，纤维层缠绕于橡胶管外，气动人工肌肉以其端头装配于安装座内。
为了便于连接，使所述端头为外径匹配于所述安装座内径的圆管，端头上对应所述安装孔位置处设有锁止孔，一端头外设有与其内腔导通的导气管。
为了限制超弹性杆挠性变形以提高超弹性多杆机构的运动精度，使所述限位隔板为圆环板，其上设有一圈用于所述超弹性杆穿过的圆孔，限位隔板有多块，沿超弹性杆的轴向均布。
本发明在使用时，向各气动人工肌肉通入不同的气压，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，利用软体气动人工肌肉群提供柔顺弯曲运动能力，多个超弹性杆起运动导向作用，通过气动人工肌肉与超弹性杆形成的相互力作用，实现蛇形臂的刚度可变可控，使蛇形臂能够达到不同的位姿；利用刚性端板作为连接节点，利用限位隔板限制超弹性杆发生挠性变形，并且能在运动中根据实际需求动态改变自身的刚度，以提高蛇形臂作业末端的运动精度。
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中刚柔单元的放大示意图。
图3为本实施中刚性端板的轴测放大示意图。
图4为本实施中气动人工肌肉的放大示意图。
图5为本实施中超弹性杆的轴向装配关系放大示意图。
图6为本实施例中限位隔板的轴测放大示意图。
图7为本实施例的驱动原理图。
图示序号：
A—刚柔单元；
1—刚性端板，11—通孔，12—安装座，13—预留孔，14—安装孔，15—定位孔，16—连接孔；
2—气动人工肌肉群，21—气动人工肌肉，211—橡胶管，212—纤维层，213—端头，214—导气管；
3—超弹性多杆机构，31—超弹性杆；
4—限位隔板，41—圆孔。
具体实施方式
如图1所示，本实施例提供的这种变刚度软体蛇形臂，它包括若干节可拆卸连接为一体的刚柔单元A；如图2所示，刚柔单元A包括刚性端板1、软体气动人工肌肉群2、超弹性多杆机构3和限位隔板4。
如图2、图3所示，刚性端板1为圆环板，其轴心位置处设有通孔11用于导气管以及线缆的通过同时能够减轻自重；刚性端板1上设有围绕通孔呈环形阵列布置的三个安装座12，安装座为径向不封闭的环型座，安装座内的板实体上设有预留孔13，预留孔为安装传感器预留空间同时能够减轻自重，座壁上设有一对安装孔14，安装座以其一端端部固接于刚性端板上，安装座用于装配软体气动人工肌肉群2；刚性端板1上对应通孔与安装座之间的实体上均布有一圈定位孔15，用于超弹性多杆机构3穿过或安装；刚性端板1上外的实体上设有一圈连接孔16，用于各刚柔单元的连接。
如图2所示，软体气动人工肌肉群2包括三个装配于两端板之间、位于超弹性多杆机构3外的气动人工肌肉21。如图4所示，气动人工肌肉21包括橡胶管211、纤维层212和一对端头213，端头213为外径匹配于安装座内径的圆管，端头上对应安装孔位置处设有锁止孔，一端的端头外设有与其内腔导通的导气管214。如图2、图4所示，橡胶管连接于两端头之间、与导气管214连通，纤维层缠绕于橡胶管外，气动人工肌肉以其端头装配于刚性端板的安装座内，通过穿过安装孔和锁止孔的紧固件紧固。
如图2、图5所示，超弹性多杆机构3包括四根连接于两端板之间的超弹性杆31，超弹性杆31为管状的弹性杆，超弹性杆的一端段装配于端板的定位孔处固定为固定端，另一端为自由端，自由端穿过另一端板上的定位孔后伸至相邻刚柔单元的超弹性杆内并能滑动，下阶刚柔单元A超弹性杆的自由端伸至上阶刚柔单元的超弹性杆内。
如图2、图6所示，限位隔板4为圆环板，其上设有一圈用于超弹性杆穿过的圆孔41，限位隔板4有多块，沿超弹性杆的轴向均布，限位隔板用于限制超弹性杆挠性变形以提高超弹性多杆机构的运动精度。
如图7所示，在使用时，通过向三根气动人工肌肉通入不同气压P1、P2、P3并配合着推拉四根超弹性杆，使用力FA推其中一根超弹性杆，使用力FC拉其中一根超弹性杆，使刚柔单元A除受轴向合力F作用发生伸长外，还受末端端部合力矩M作用向不同方向弯曲变形，并能在运动中根据实际需求利用气动人工肌肉群和超弹性多杆机构间相互力的作用，动态改变刚柔单元自身的刚度，使刚柔单元能够达到不同的位姿；利用刚性端板作为连接节点，利用限位隔板限制超弹性杆发生挠性变形，以提高刚柔单元作业末端的运动精度；通过协调控制组成蛇形臂若干个刚柔单元A的弯曲运动，实现蛇形臂高精度多自由度作业。
Claims (7)
1.一种变刚度软体蛇形臂，其特征在于：它包括若干节可拆卸连接为一体的刚柔单元；刚柔单元包括刚性端板、软体气动人工肌肉群、超弹性多杆机构和限位隔板；超弹性多杆机构包括多个超弹性杆，超弹性杆的一端装配于端板上、另一端穿过另一端板后伸至相邻刚柔单元的超弹性杆内；软体气动人工肌肉群包括多个装配于两端板之间、位于超弹性多杆机构外的气动人工肌肉；限位隔板套于超弹性多杆机构外；相邻两刚柔单元通过端板可拆卸连接。
2.如权利要求1所述的变刚度软体蛇形臂，其特征在于：所述刚性端板的中心位置处设有通孔，刚性端板上设有围绕通孔呈环形阵列布置的安装座，安装座内的板实体上设有预留孔，通孔与安装座之间的板实体上设有一圈定位孔，安装座外的板实体上设有一圈连接孔。
3.如权利要求2所述的变刚度软体蛇形臂，其特征在于：所述安装座为径向不封闭的环型座，座壁上设有一对安装孔，安装座以其一端端部固接于所述刚性端板上。
4.如权利要求2所述的变刚度软体蛇形臂，其特征在于：所述超弹性杆的大径段连接于一端端板上的定位孔处，小径段穿过另一端端板的定位孔伸至相邻刚柔单元的超弹性杆大径段的轴向孔内，并能在轴向孔内滑动。
5.如权利要求3所述的变刚度软体蛇形臂，其特征在于：所述气动人工肌肉包括橡胶管、纤维层和一对端头，橡胶管连接于两端头之间、与导气管连通，纤维层缠绕于橡胶管外，气动人工肌肉以其端头装配于安装座内。
6.如权利要求5所述的变刚度软体蛇形臂，其特征在于：所述端头为外径匹配于所述安装座内径的圆管，端头上对应所述安装孔位置处设有锁止孔，一端头外设有与其内腔导通的导气管。
7.如权利要求5所述的变刚度软体蛇形臂，其特征在于：所述限位隔板为圆环板，其上设有一圈用于所述超弹性杆穿过的圆孔，限位隔板有多块，沿超弹性杆的轴向均布。
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