流体与腱绳混合驱动的五自由度柔性臂制造技术

流体与腱绳混合驱动的五自由度柔性臂，它包括二级机构；第一级机构包括小端连接法兰、大端连接法兰、密闭中空塔式波纹管状柔性体和至少三根鲍登线腱绳；第二级机构包括刚性平台和至少三根钢丝绳腱绳；密闭中空塔式波纹管状柔性体的小端和大端分别上固定有小端连接法兰和大端连接法兰，至少三根鲍登线腱绳沿周向均布设置在密闭中空塔式波纹管状柔性体的外侧；至少三根钢丝绳腱绳一一对应滑设于鲍登线腱绳内，所述刚性平台中部与小端连接法兰中部连接，且刚性平台相对小端连接法兰作摆动。本发明专利技术可实现主动变刚度的能力，大幅增强了柔性臂的载荷负重的能力，能快速调整末端平台的位置与姿态。

A five degree of freedom flexible arm driven by fluid and tendon

【技术实现步骤摘要】
流体与腱绳混合驱动的五自由度柔性臂
本专利技术涉及一种柔性臂，具体涉及一种流体与腱绳混合驱动的五自由度柔性臂。
技术介绍
在机器人领域，随着机械臂技术不断发展成熟，柔性机械臂的研究目前已经成为了机器人研究领域内新的焦点。柔性机械臂是一种具有很多自由度的机器人系统，一般为欠驱动无穷自由度，本体结构通常由柔性材料制作，具有高柔顺性、复杂环境适应性及安全人机交互性等特点，研究涉及材料学、仿生、机械设计和制造、传感器技术等多学科交叉融合，其发展为柔性材料应用、仿生机器人研究等提供参考和技术支持，在工业生产、医疗手术、救灾探测、生活护理等方面具有广阔应用前景。现有柔性连续体机械臂中的驱动方式主要有线驱动，气动人工肌肉驱动以及低熔点合金驱动等。这些驱动方式中大多都对外部环境条件有较高要求，并且柔性臂本体刚度低，承载能力差，不具备承载重载荷作业能力。
技术实现思路
本专利技术为克服现有技术不足，提供一种流体与腱绳混合驱动的五自由度柔性臂。该柔性臂依靠流体压力与外部腱绳拉力形成耦合对抗，可实现主动变刚度的能力，大幅增强了柔性臂的载荷负重的能力，可实现快速调整末端平台的位置与姿态。本专利技术的技术方案为：流体与腱绳混合驱动的五自由度柔性臂，它包括二级机构；第一级机构包括小端连接法兰、大端连接法兰、密闭中空塔式波纹管状柔性体和至少三根鲍登线腱绳；第二级机构包括刚性平台和至少三根钢丝绳腱绳；密闭中空塔式波纹管状柔性体的小端和大端分别上固定有小端连接法兰和大端连接法兰，密闭中空塔式波纹管状柔性体的大端面开有控制内部流体压力的驱动接口，至少三根鲍登线腱绳沿周向均布设置在密闭中空塔式波纹管状柔性体的外侧，并穿过密闭中空塔式波纹管状柔性体外侧上的侧耳通道，一端固定在小端连接法兰上，另一端穿过大端连接法兰由外部的驱动装置驱动；至少三根钢丝绳腱绳一一对应滑设于鲍登线腱绳内，一端伸出小端连接法兰并与刚性平台固接，另一端伸出鲍登线腱绳由外部驱动装置驱动，所述刚性平台中部与小端连接法兰中部连接，且刚性平台相对小端连接法兰作摆动。进一步地，所述密闭中空塔式波纹管状柔性体的材质为聚氨酯热塑性弹性体。本专利技术相比现有技术的有益效果是：1、本专利技术柔性臂在结构上采用了两级并联五自由度塔式结构设计，第一级机构为塔式的波纹管状结构，即可实现伸缩运动，也可实现各方向弯曲运动，变形幅度大，运动具有三自由度；第二级机构为绕轴心摆动的刚性平台结构，可进行二自由度摆动。2、本专利技术柔性臂的驱动载体采用了流体与腱绳混合驱动，第一级结构塔式的波纹管状结构内部注入流体，流体压力与外部腱绳拉力形成耦合对抗，实现主动变刚度的能力，大幅增强了柔性臂的载荷负重的能力。3、柔性臂的第一级机构的塔式波纹管状柔性体采用3D打印方式制造的高强度聚氨酯弹性体橡胶(TPU)材料，邵氏硬度92A，该材料使第一级结构不仅实现了大幅度变形能力，又充分发挥出流体与腱绳作用力耦合，大幅提升了第一级结构的主动变刚度性能。4、柔性臂的第二级机构采用轻质球轴承作为基座，三根腱绳施加作用力时，可使第二级结构实现快速摆动，调整刚性平台的位置与姿态。下面结合附图和实施方式对本专利技术作进一步地说明：附图说明图1为本专利技术的流体与腱绳混合驱动的五自由度柔性臂的立体图；图2为本专利技术的流体与腱绳混合驱动的五自由度柔性臂的主视图；图3是沿图2的B-B线的剖视图；图4为图2的侧视图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然以下所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。参见图1-图4所示，本实施方式的流体与腱绳混合驱动的五自由度柔性臂，它包括二级结构；第一级结构包括小端连接法兰1、大端连接法兰2、密闭中空塔式波纹管状柔性体3和至少三根鲍登线腱绳4；第二级结构包括刚性平台5和至少三根钢丝绳腱绳6；密闭中空塔式波纹管状柔性体3的小端和大端分别上固定有小端连接法兰1和大端连接法兰2，密闭中空塔式波纹管状柔性体3的大端面开有控制内部流体压力的驱动接口3-1，至少三根鲍登线腱绳6沿周向均布设置在密闭中空塔式波纹管状柔性体3的外侧，并穿过密闭中空塔式波纹管状柔性体3外侧上的侧耳通道3-2，一端固定在小端连接法兰1上，另一端穿过大端连接法兰2由外部的驱动装置驱动；至少三根钢丝绳腱绳6一一对应滑设于鲍登线腱绳4内，一端伸出小端连接法兰1并与刚性平台5固接，另一端伸出鲍登线腱绳4由外部驱动装置驱动，所述刚性平台5中部与小端连接法兰1中部连接，且刚性平台5相对小端连接法兰1作摆动。本实施方式的五自由度柔性连续体机械臂由两级结构以并联方式连接构成，第一级机构为流体及腱绳混合驱动的三自由度塔式波纹管状柔性体结构；第二级机构为腱绳驱动的二自由度快速调整刚性平台结构。较优地，鲍登线腱绳4和钢丝绳腱绳6数量均为3根。三根就可实现密闭中空塔式波纹管状柔性体3的弯曲运动，与内部流体压力的改变产生耦合作用力，从而使柔性体产生任意方向的大幅度弯曲变形。三根鲍登线腱绳的通过以120°对称方式设置在密闭中空塔式波纹管状柔性体3外侧面上。如图1所示，通过驱动接口3-1可注入或抽取在结构内部的气体或液体等介质，随内部流体压力改变，密闭中空塔式波纹管状柔性体3也会产生伸长或缩短等变形。进一步地，所述密闭中空塔式波纹管状柔性体3的材质为聚氨酯热塑性弹性体。该材质耐磨性优异、耐臭氧性极好、硬度大、强度高、弹性好、耐低温，有良好的性能。所述密闭中空塔式波纹管状柔性体由3D打印制成。3D打印有利于快速成型。如图3所示，所述刚性平台5的中部通过球铰链7与小端连接法兰1的中部连接。通过驱动给三根钢丝绳腱绳施加对应的拉力，三根钢丝绳腱绳通过改变长度带动刚性平台5围绕球铰链7进行二自由度转动。通常，所述密闭中空塔式波纹管状柔性体3的内外面上分别覆盖有密封剂层。中空塔式波纹管状柔性体气密性处理方法是这样的：消泡处理：将密封剂倒入烧杯，将烧杯放置于真空桶中，并对真空桶抽真空，去除密封剂中的气泡；灌涂处理：将中空塔式波纹管状柔性体(聚氨酯热塑性弹性体)完全浸入经消泡处理后的含有密封剂的烧杯中，静置10秒，将静置后的柔性体从烧杯中取出，使多余的密封剂从驱动接口自然流出，保证柔性体内外两面均被密封剂覆盖；干燥处理：将经灌涂处理的柔性体置于真空桶中静置12小时，使密封剂自然干燥，得到密封性良好的塔式波纹管状柔性体。优选地，密封剂采用TPU密封剂，它是以合成特殊分子结构的聚氨酯树脂为主，含酯，酮，苯类溶剂的试剂。应用于微孔密封，解决气密性问题。优选地，如图1-图3所示，密闭中空塔式波纹管状柔性体3的截面呈圆锥形。圆锥形结构为周向为圆环形，无死角，内部压力控制均匀稳定。本专利技术已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本专利技术，任何熟悉本专业的技术人员，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.流体与腱绳混合驱动的五自由度柔性臂，其特征在于：它包括二级机构；/n第一级机构包括小端连接法兰(1)、大端连接法兰(2)、密闭中空塔式波纹管状柔性体(3)和至少三根鲍登线腱绳(4)；/n第二级机构包括刚性平台(5)和至少三根钢丝绳腱绳(6)；/n密闭中空塔式波纹管状柔性体(3)的小端和大端分别上固定有小端连接法兰(1)和大端连接法兰(2)，密闭中空塔式波纹管状柔性体(3)的大端面开有控制内部流体压力的驱动接口(3-1)，至少三根鲍登线腱绳(6)沿周向均布设置在密闭中空塔式波纹管状柔性体(3)的外侧，并穿过密闭中空塔式波纹管状柔性体(3)外侧上的侧耳通道(3-2)，一端固定在小端连接法兰(1)上，另一端穿过大端连接法兰(2)由外部的驱动装置驱动；/n至少三根钢丝绳腱绳(6)一一对应滑设于鲍登线腱绳(4)内，一端伸出小端连接法兰(1)并与刚性平台(5)固接，另一端伸出鲍登线腱绳(4)由外部驱动装置驱动，所述刚性平台(5)中部与小端连接法兰(1)中部连接，且刚性平台(5)相对小端连接法兰(1)做摆动。/n

【技术特征摘要】
1.流体与腱绳混合驱动的五自由度柔性臂，其特征在于：它包括二级机构；
第一级机构包括小端连接法兰(1)、大端连接法兰(2)、密闭中空塔式波纹管状柔性体(3)和至少三根鲍登线腱绳(4)；
第二级机构包括刚性平台(5)和至少三根钢丝绳腱绳(6)；
密闭中空塔式波纹管状柔性体(3)的小端和大端分别上固定有小端连接法兰(1)和大端连接法兰(2)，密闭中空塔式波纹管状柔性体(3)的大端面开有控制内部流体压力的驱动接口(3-1)，至少三根鲍登线腱绳(6)沿周向均布设置在密闭中空塔式波纹管状柔性体(3)的外侧，并穿过密闭中空塔式波纹管状柔性体(3)外侧上的侧耳通道(3-2)，一端固定在小端连接法兰(1)上，另一端穿过大端连接法兰(2)由外部的驱动装置驱动；
至少三根钢丝绳腱绳(6)一一对应滑设于鲍登线腱绳(4)内，一端伸出小端连接法兰(1)并与刚性平台(5)固接，另一端伸出鲍登线腱绳(4)由外部驱动装置驱动，所述刚性平台(5)中部...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱延河，李相龙，王天铄，赵杰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23