一种基于变胞机构的空间多自由度分节控制仿生柔性臂制造技术

本发明专利技术公开了一种基于变胞机构的空间多自由度分节控制仿生柔性臂，涉及仿生机器人技术领域，包括连接有绳索的驱动机构和通过分节机构与驱动机构连接的若干个柔性机构，绳索穿过分节机构后固定连接有固定组件，分节机构包括分节壳体及其内部的锁放机构，分节壳体上设置有用于驱动锁放机构锁死和释放绳索的舵机。锁放机构包括用于锁放绳索的摆杆和用于调整摆杆位置的推动轮，推动轮与舵机的输出轴连接。摆杆呈L形并绕推动轮的中心轴周向均匀分布，摆杆的固定端通过安装轴安装在分节壳体上，摆杆的自由端与推动轮相切。通过控制锁放机构，可改变该柔性臂的有效构件数、自由度，通过锁放机构与驱动机构配合实现柔性臂部分柔性机构的伸缩和弯曲。

A Bionic Flexible Arm with Spatial Multi-Degree-of-Freedom Segmental Control Based on Metamorphic Mechanisms

The invention discloses a space multi-degree-of-freedom segmented control bionic flexible arm based on a metamorphic mechanism, which relates to the technical field of bionic robots, including a driving mechanism connected with a rope and several flexible mechanisms connected with a driving mechanism through a segmented mechanism, a fixed component fixed after the rope passes through the segmented mechanism, and a segmented mechanism including a segmented shell and its internal locking and releasing mechanism. The segmented housing is provided with a steering gear for driving the locking and releasing mechanism to lock and release the rope. The locking and releasing mechanism includes a swing rod for locking and releasing ropes and a driving wheel for adjusting the position of the swing rod, and the driving wheel is connected with the output shaft of the steering gear. The pendulum rod is L-shaped and uniformly distributed around the central axis of the driving wheel. The fixed end of the pendulum rod is installed on the segmented shell through the installation shaft. The free end of the pendulum rod is tangent to the driving wheel. By controlling the lock-and-release mechanism, the number of effective components and the degree of freedom of the flexible arm can be changed, and the flexibility and bending of the flexible arm can be realized by cooperating the lock-and-release mechanism with the driving mechanism.

【技术实现步骤摘要】
一种基于变胞机构的空间多自由度分节控制仿生柔性臂
本专利技术属于仿生机器人
，具体涉及一种基于变胞机构的空间多自由度分节控制仿生柔性臂。
技术介绍
随着机器人技术的迅猛发展，机器人的机械结构设计、运动控制等技术也比较成熟，对能在复杂环境下执行任务的机器人的需求日益的增加。但是，传统机械臂大多采用刚性关节连接而成，此手段必然对其各自作业的空间环境有着严格的要求。在高度非结构化、狭小无规则、多障碍物的复杂环境下，传统机械臂由于自身刚性结构的限制，导致其避障能力比较局限、灵活度较差、运动空间范围受限，不能高效地完成空间作业任务。受象鼻、章鱼触手启发而设计的软体机械臂是一种新型的仿生柔性臂，其结构类似于章鱼触手、大象鼻子和软体动物的躯体等生物器官，由连续又柔性的弹性体构成，通过弹性体弯曲变形呈光滑连续曲线而产生运动。由于仿生柔性臂不仅可以在三维空间中自由地改变自身的形态，而且可以平滑弯曲运动，因而能够在非结构化的无法预知的环境中完成的作业任务，例如在狭小空间或者多障碍物的复杂环境中完成传统机械臂无法完成的特殊任务，具有灵活度高、多达无穷多个自由度的特点。为此，申请号为CN201620172375.0的专利公开了一种气动绳控负荷型柔性机械臂，该机械臂由多节并联机构串联而成；而每节并联机构由四个橡胶气囊、四条钢丝绳、上下两连接板及十字万向节组成，四个橡胶气囊和四条钢丝绳环形阵列依次交错分布，每个关节的中间由十字万向节连接，该机械臂有多个自由度，能够向多个方向弯曲。但是，该机械臂由万向节连接，只能实现机械臂的弯曲，不能实现机械臂的整体伸缩。除此之外，由于橡胶胶囊需要外接气泵，所以该机械臂难以小型化。申请号为CN201510988963.1的专利公开了一种肌腱驱动型变尺度连续型机器人，该机器人主要通过固定在机座内的法兰式安装板上并绕机座中心轴呈周向均匀分布的4台驱动电机驱动绕线轴，每台驱动电机的输出轴上均设有绕线轴，驱动绳索缠绕在绕线轴，驱动绳索依次穿过安装板板长条形槽孔和各个连接盘上的穿线孔，直至与末端连接盘固连，驱动电机驱动绕线轴，进行驱动绳索的收放，实现柔性机械臂的各向弯曲。但是，该机械臂只能分别控制每根绳索的机械长度来控制机械臂的弯曲，无法改变机械臂的有效构件数和自由度，不能实现机械臂的整体伸缩和分节控制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：为解决不能改变柔性臂的自由度以及实现柔性臂中部分柔性机构的伸缩，提供了一种基于变胞机构的空间多自由度分节控制仿生柔性臂。本专利技术通过分节机构将多个柔性机构分隔，再通过驱动分节机构中的舵机使分节机构中的推动轮转动，推动摆杆锁死绳索，与分节机构连接的柔性机构绳索长度无法改变，即变成一刚性机构，从而实现改变柔性臂的有效构件数和自由度。通过单片机对驱动电机和舵机进行混合驱动，实现柔性臂尺寸的改变，达到将柔性臂中单个或多个柔性机构伸缩的目的。本专利技术采用的技术方案如下：一种基于变胞机构的空间多自由度分节控制仿生柔性臂，包括连接有绳索的驱动机构和若干个柔性机构，所述柔性机构之间通过分节机构连接，所述绳索穿过分节机构后固定连接有固定组件，所述分节机构包括分节壳体及其内部的锁放机构，所述分节壳体上设置有用于驱动锁放机构锁死和释放绳索的舵机。进一步地，所述锁放机构包括用于锁放绳索的摆杆和用于调整摆杆位置的推动轮，所述推动轮与舵机的输出轴固定连接。进一步地，所述推动轮包括圆形部、第一凸起部和第二凸起部，所述第一凸起部和第二凸起部关于圆形部的圆心对称，所述第一凸起部宽度大于第二凸起部。进一步地，所述摆杆呈L形并绕推动轮的中心轴周向均匀分布，所述摆杆的固定端通过安装轴安装在分节壳体上，所述摆杆的自由端与推动轮相切。进一步地，所述分节机构的外径R3为推动轮圆形部的直径R1的3.6倍，所述圆形部中心到第一凸起部端部及第二凸起部端部的距离R2为R1的1.2倍；所述L型摆杆的长边的长度R4为直径R1的0.8-2倍，其短边的长度R5为直径R1的0.5-0.8倍；分节机构上的穿绳孔到与其相邻的摆杆的安装轴的距离R6为直径R1的0.42倍。进一步地，所述驱动机构包括箱体及若干个通过固定架固定于箱体上的驱动电机，所述驱动电机绕箱体的中心轴周向均匀分布，所述驱动电机的输出轴通过绕线器连接有绳索，所述绳索的另一端穿过分节机构与固定组件固定连接。进一步地，所述柔性机构包括弹簧，所述弹簧的一端固定连接于分节机构的安装槽内，所述弹簧的另一端固定连接于分节机构或驱动机构上。进一步地，所述驱动电机和舵机均通过单片机控制。进一步地，所述固定组件为固定块或分节机构。进一步地，所述绳索至少设置有四根。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术中，绳索的一端与箱体连接，另一端穿过分节机构与固定组件连接，分节机构内部的锁放机构可锁死或释放绳索。分节机构内部的锁放机构是一种偏心的增力压紧装置，通过多级带动推动轮转动，通过推动轮推动摆杆实现锁死或释放绳索。该机构不但结构简单，而且能提供巨大的压力实现绳索的单独锁死和联合锁死，并且安装在分节机构内部能减小柔性臂的尺寸。2、本专利技术中，基于变胞原理的分节机构，通过单片机驱动分节机构中的舵机完成柔性臂柔性机构的分节控制，当分节机构的绳索被锁死，分节机构连接的柔性机构即变成一刚性机构，从而改变柔性臂的有效构件数和自由度，增强了柔性臂的灵活性。3、本专利技术中，通过单片机对驱动电机和舵机进行混合驱动，通过驱动电机驱动绳索伸缩和弯曲柔性机构，当配合分节机构绳索锁放机构可以改变柔性臂的有效构件数和自由度，达到将柔性臂中单个或者多个柔性机构伸缩和弯曲的目的，实现柔性臂有效构件数、自由度、尺寸的改变，实现柔性臂柔性机构的独立伸缩和弯曲，保证了柔性臂的刚度的情况下极大的增强了柔性臂的灵活度和适应性。4、本专利技术中，基于变胞机构原理的仿生方案，通过驱动电机和舵机的配合驱动绳索，迫使柔性臂弯曲，同时利用弹簧作为柔性臂的柔性机构，模拟章鱼触手中的横肌，储存能量，使柔性臂变化呈光滑连续曲线。利用驱动机构驱动绳索模拟章鱼触手中的纵肌，实现提高柔性臂的灵活度和减小柔性臂尺寸，具有结构紧凑，灵活度高，多达无穷个自由度的特点。5、本专利技术中，分节机构的外径为推动轮圆形部的直径的3.6倍，圆形部中心到第一凸起部端部及第二凸起部端部的距离为推动轮圆形部的直径的1.2倍，L型摆杆的长边的长度为推动轮圆形部的直径的0.8-2倍，其短边的长度为推动轮圆形部的直径的0.5-0.8倍，分节机构上的穿绳孔到与其相邻的摆杆的安装轴的距离为推动轮圆形部的直径的0.42倍。通过此设置，可以使摆杆转动的最大角度为5°，使得摆杆对绳索的压力相比于推轮推力增加2-4倍，便于锁死绳索，从而改变柔性臂的有效构件数和自由度。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1为本专利技术的整体结构示意图；图2为本专利技术的分节机构的示意图；图3为本专利技术的锁放机构的状态示意图；图4为本专利技术的柔性臂弯曲状态示意图。图中标记：1-箱体后盖、2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于变胞机构的空间多自由度分节控制仿生柔性臂，其特征在于：包括连接有绳索的驱动机构和若干个柔性机构，所述柔性机构之间通过分节机构连接，所述绳索穿过分节机构后固定连接有固定组件，所述分节机构包括分节壳体及其内部的锁放机构，所述分节壳体上设置有用于驱动锁放机构锁死和释放绳索的舵机。

【技术特征摘要】
1.一种基于变胞机构的空间多自由度分节控制仿生柔性臂，其特征在于：包括连接有绳索的驱动机构和若干个柔性机构，所述柔性机构之间通过分节机构连接，所述绳索穿过分节机构后固定连接有固定组件，所述分节机构包括分节壳体及其内部的锁放机构，所述分节壳体上设置有用于驱动锁放机构锁死和释放绳索的舵机。2.根据权利要求1所述的一种基于变胞机构的空间多自由度分节控制仿生柔性臂，其特征在于：所述锁放机构包括用于锁放绳索的摆杆和用于调整摆杆位置的推动轮(50)，所述推动轮(50)与舵机的输出轴固定连接。3.根据权利要求2所述的一种基于变胞机构的空间多自由度分节控制仿生柔性臂，其特征在于：所述推动轮(50)包括圆形部、第一凸起部和第二凸起部，所述第一凸起部和第二凸起部关于圆形部的圆心对称，所述第一凸起部宽度大于第二凸起部。4.根据权利要求2所述的一种基于变胞机构的空间多自由度分节控制仿生柔性臂，其特征在于：所述摆杆呈L形并绕推动轮(50)的中心轴周向均匀分布，所述摆杆的固定端通过安装轴安装在分节壳体上，所述摆杆的自由端与推动轮(50)相切。5.根据权利要求3或4所述的一种基于变胞机构的空间多自由度分节控制仿生柔性臂，其特征在于：所述分节机构的外径R3为推动轮(50)圆形部的直径R1的3.6倍，所述圆形...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏敦文，马虹蛟，彭倍，高涛，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51