一种基于海绵的连续体变刚度机械臂制造技术

本发明专利技术公开了一种基于海绵的连续体变刚度机械臂。本发明专利技术稳压电源、电机驱动器和步进电机分别固定在外壳上；外壳通过框架与机械臂主体固定；变刚度海绵组成空心管，所述空心管内部预嵌入弹簧，镍钛合金丝固定在所述空心管的空心通道中，基座分别与变刚度海绵和镍钛合金丝的一端固定连接；所述气体交换系统包括高压水蒸气发生器、气泵和气体传输管路，高压水蒸气发生器和气泵分别连接气体传输管路的一端，气体传输管路的另一端连接位于机械臂主体的空心通道内的喷头部分。本发明专利技术能有效解决柔性机械臂刚度不足的问题，在医疗微创手术、震后救援、复杂设备维修等领域有着广泛的应用前景。

A continuous variable stiffness manipulator based on sponge

【技术实现步骤摘要】
一种基于海绵的连续体变刚度机械臂
本专利技术涉及机器人
，特别是一种连续体变刚度机械臂。
技术介绍
近年来，机器人技术不断发展，机械臂作为一种常见的机器人被广泛地应用在人类生产生活的方方面面。根据机械臂组成构件的刚度特性，机械臂分为刚性机械臂和柔性机械臂两大类。刚性机械臂的工作精度和生产效率高，负载能力强，具备完善的控制理论，适合在稳定的环境中进行大负载的重复性工作，多用于工业生产领域。但相比于同尺寸柔性机械臂，刚性机械臂的工作范围小，环境适应能力差。并且刚性机械臂坚硬的本体容易对人类造成安全危害，人机交互性差。柔性机械臂以柔性材料为载体，柔顺性好，自由度多；可以通过多种复杂狭窄的环境，并安全、柔和地进行抓取等作业，具有广泛的应用前景。变刚度机械臂是柔性机械臂的一种，具备变刚度功能，可以在作业中随时调节自身刚度大小。但现有柔性机械臂不具备变刚度功能，大大限制其应用范围。例如：在经自然腔道的微创手术中，机械臂需要以较小的刚度通过人体复杂的肠道到达病变部位，也需要以较高的刚度满足手术时对操作力的需求。在灾后救援，发动机维修等工作场景中，机械臂同样需要变刚度功能来同时满足通过复杂地形所需要的柔顺性和进行工作作业所需要的负载能力。现有柔性机械臂不具备变刚度功能，如胃镜，只能进行病因检测和活检等简单工作。除此以外，也有含多个关节的离散体机械臂，但往往体积庞大，工作范围小，此类机械臂自由度有限，灵活性不足以达到连续体机械臂的水平。
技术实现思路
本专利技术目的在于解决现有柔性机械臂刚柔性质的不足，提出一种基于海绵的连续体变刚度机械臂，此机械臂的主体由变刚度海绵构成，通过局部施加刺激源可以实现任意位置处的刚柔转换，使机械臂具有足够高的柔顺性的同时也具备一定的负载能力，且刚柔转换速度快。本专利技术通过以下技术方案实现上述目的：一种基于海绵的连续体变刚度机械臂包括驱动单元、机械臂的主体和气体交换系统，驱动单元包含稳压电源、电机驱动器和步进电机，稳压电源、电机驱动器和步进电机分别通过螺纹连接固定在外壳上；外壳通过框架与机械臂的主体固定；所述机械臂的主体由基座、变刚度海绵、弹簧和镍钛合金丝组成，变刚度海绵组成空心管，所述空心管内部预嵌入弹簧，镍钛合金丝固定在所述空心管的空心通道中，基座分别与变刚度海绵和镍钛合金丝的一端固定连接；所述气体交换系统包括高压水蒸气发生器、气泵和气体传输管路，高压水蒸气发生器和气泵分别连接气体传输管路的一端，气体传输管路的另一端连接位于机械臂的主体的空心通道内的喷头部分，稳压电源与控制芯片连接，操控者通过个人电脑发出信号给控制芯片，控制芯片接收信号并传递信号给电机驱动器，电机驱动器控制步进电机转动；所述步进电机分别驱动第一段驱动丝和第二段驱动丝，第一段驱动丝连接机械臂的主体的前段和中段部分，第二段驱动丝连接机械臂末端，所述第一段驱动丝和第二段驱动丝分别由四根驱动丝组成。所述喷头部分由遮挡板、防水透气膜、透气孔和塞子组成，防水透气膜包裹在气体传输管路与喷头部分连接处的外侧，遮挡板套在透气孔外侧。丝鞘分别套在第一段驱动丝和第二段驱动丝外侧。气体传输管路可用于传输高压水蒸气和高压干燥空气，来控制变刚度海绵的刚度变化。气体传输管路可以从机械臂的内部进行分别布置，以实现不同区域不同程度的变刚度操作。本专利技术变刚度机械臂的变刚度功能通过改变海绵刚度来实现。位姿控制功能由驱动丝与控制系统实现。此机械臂长宽比较大，是一种细长型连续体机械臂，具有较大的工作空间，可以改变机械臂主体上任意位置处的刚度，即可以在任意位置处形成可弯曲结构，通过驱动单元改变机械臂位姿以穿过弯曲复杂的环境，在进行作业时保持机械臂为刚态，实现位姿锁定，提供充足的负载力。一种基于海绵的连续体变刚度机械臂的使用方法包括以下步骤：S1：将气体传输管路深入机械臂内部，并对齐气体传输管路末端的喷头至预定位置；S2：通过气体传输管路向机械臂预定部位传输高压水蒸气，此时末端喷头所对应的预定位置变软；S3:控制电机拉动驱动丝使机械臂上软化部位弯曲合适的角度以穿越障碍物；S4：通过气体传输管路向机械臂预定部位传输高压干燥空气使预定位置变硬以固定机械臂位姿，进行负重作业；S5：作业完成后，喷入高压水蒸气使弯曲部位软化，移出机械臂。本专利技术具有如下有益效果：1.本专利技术能有效解决柔性机械臂刚度不足的问题，在医疗微创手术、震后救援、复杂设备维修等领域有着广泛的应用前景。2.本专利技术所用变刚度海绵对人体无毒无害，具有良好的生物相容性，可以应用在与人体有接触的领域。3.本专利技术可以实现任意位置处的变刚度，能够适应复杂多变的环境。4.本专利技术刚柔转换迅速，转换效率高，刚度变化范围大，可以缩短工作时间，提高机械臂在工作时的稳定性。5.本专利技术可以使机械臂在柔态下进行大曲率弯曲径向承受挤压而不垮塌。6.本专利技术制作成本较低，重量轻，维护简单。附图说明图1为本专利技术实施例中居于海绵的连续体变刚度机械臂系统的结构示意图；图2为本专利技术实施例中基于海绵的连续体变刚度机械臂主体的结构示意图；图3为本专利技术实施例中基于海绵的连续体变刚度机械臂气体交换系统示意图；图4为本专利技术实施例中驱动单元电路布置示意图；图5为本专利技术实施例中的驱动丝布置图；图6为本专利技术实施例中的驱动丝系统结构图；图7为本专利技术实施例中基于海绵的连续体可变刚度机械臂主体结构变刚度操作流程图。具体实施方式为使本专利技术目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术的基于海绵的变刚度机械臂的结构主要由驱动单元、机械臂主体和框架组成，此变刚度海绵的刚度大小与含水量有关，机械臂主体以变刚度海绵为载体，故可以通过向机械臂主体喷射水蒸气的方式改变机械臂的刚度。机械臂主体内部嵌有弹簧，可以保证机械臂在大曲率变形或受到径向载荷时不发生垮塌。机械臂中性轴安装了镍钛合金丝，其作用是保证机械臂在弯曲时遵循常曲率弯曲规律。通过控制水蒸气喷射的面积和位置，可以改变机械臂上任意位置，任意长度部分的刚度变化，再通过丝驱动控制机械臂进行弯曲运动，运动完成后通过干燥空气降低机械臂中水含量，使机械臂刚度变大，实现形状锁定。反复进行上述过程可将机械臂调整成任意形状，以便通过复杂曲折的路径，机械臂在进行有负载工作时只需降低机械臂中水含量即可保证作业的稳定进行。本专利技术实施例中基于海绵的连续体变刚度机械臂系统结构，整体为垂直布置方式，驱动单元1-1外壳由亚克力板加工装配而成，内部包含稳压电源、电机驱动器和步进电机，上述部件通过螺纹连接固定在外壳上。驱动单元1-1下方均匀布置了八个驱动丝通道。驱动单元1-1与机械臂的主体1-3通过框架1-2相连。本专利技术实施例中基于海绵的连续体变刚度机械臂的主体由基座2-1、变刚度海绵2-2、弹簧2-3和镍钛合金丝2-5组成，机械臂以由变刚度海绵2-2组成的空心管为基体，在制作海绵空心管时内部本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于海绵的连续体变刚度机械臂，其特征是，包括驱动单元、机械臂主体和气体交换系统，驱动单元包含稳压电源、电机驱动器和步进电机，稳压电源、电机驱动器和步进电机分别通过螺纹连接固定在外壳上；外壳通过框架与机械臂主体固定；/n所述机械臂主体由基座、变刚度海绵、弹簧和镍钛合金丝组成，变刚度海绵组成空心管，所述空心管内部预嵌入弹簧，镍钛合金丝固定在所述空心管的空心通道中，基座分别与变刚度海绵和镍钛合金丝的一端固定连接；/n所述气体交换系统包括高压水蒸气发生器、气泵和气体传输管路，高压水蒸气发生器和气泵分别连接气体传输管路的一端，气体传输管路的另一端连接位于机械臂主体的空心通道内的喷头部分，/n稳压电源与控制芯片连接，操控者通过个人电脑发出信号给控制芯片，控制芯片接收信号并传递信号给电机驱动器，电机驱动器控制步进电机转动；所述步进电机分别驱动第一段驱动丝和第二段驱动丝，第一段驱动丝连接机械臂主体的前段和中段部分，第二段驱动丝连接机械臂末端，所述第一段驱动丝和第二段驱动丝分别由四根驱动丝组成。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于海绵的连续体变刚度机械臂，其特征是，包括驱动单元、机械臂主体和气体交换系统，驱动单元包含稳压电源、电机驱动器和步进电机，稳压电源、电机驱动器和步进电机分别通过螺纹连接固定在外壳上；外壳通过框架与机械臂主体固定；
所述机械臂主体由基座、变刚度海绵、弹簧和镍钛合金丝组成，变刚度海绵组成空心管，所述空心管内部预嵌入弹簧，镍钛合金丝固定在所述空心管的空心通道中，基座分别与变刚度海绵和镍钛合金丝的一端固定连接；
所述气体交换系统包括高压水蒸气发生器、气泵和气体传输管路，高压水蒸气发生器和气泵分别连接气体传输管路的一端，气体传输管路的另一端连接位于机械臂主体的空心通道内的喷头部分，
稳压电源与控制芯片连接，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王树新，孙希楠，任旭阳，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12