一种基于SMA驱动多段刚柔耦合的柔性机械臂制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于SMA驱动多段刚柔耦合的柔性机械臂，该方案是利用流体驱动的多通道结构来模拟柔性机械臂，并通过改变流体压力来改变机械臂的变形刚度，实现柔性机械臂的变刚度特性。同时柔性机械臂可通过多通道结构参数和流体参数的优化使制作的柔性机械臂实现变刚度特性，并获得较好的控制性能。旨在解决柔性机械臂精确的位姿控制和提供有效的变刚度控制，为柔性机械臂的位姿控制提供了有效的工程解决手段。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SMA驱动多段刚柔耦合的柔性机械臂
本技术主要应用到机器人领域，具体为一种基于SMA驱动多段刚柔耦合的柔性机械臂。
技术介绍
随着机器人技术的不断发展，机械臂在各行各业得到了越来越广泛的应用，尤其在智能制造、工业自动化和航空航天等领域。在传统工业领域，机械臂采用刚性关节进行驱动，能够实现末端位置和速度的高精度控制，对运动轨迹进行精确跟踪，响应速度快。但该类型机械臂存在质量体积大、输出刚性高和对未知环境的适应能力弱等缺点。然而，当机械臂逐渐应用到服务、医疗和娱乐等其他非工业领域时，机械臂末端的工作环境往往是接触性的，或者机械臂应用到危险环境探测等未知环境中时，即不能预先规划机械臂的运动轨迹等特殊要求时，柔性机械臂应运而生，具有结构紧凑、柔顺性好、较高的负载/自重比和较好的环境交互能力的优点。随着新型弹性元件或柔性机构逐渐应用到机械臂中，出现了刚度可变或可连续调节的柔性臂。这种柔性臂的发展目标是在灵巧度和感知力上能与人类手臂相媲美，最终可以逐渐地代替人类工作。因此，研究出具有类似人类肌肉特性的变刚度机械臂对提高机器人的安全性、环境适应性以及未来更好为人类服务具有重要的现实意义。结合弹性力学、机器人学和智能控制等技术，仿生学者研制了多种不同类型的柔性机械臂。根据驱动器分布情况的不同，柔性机械臂有嵌入式、外置式和混合式三种驱动方式。嵌入式是指由气动肌肉或者形状记忆合金(SMA)驱动，置于机械臂内部，如德国Festo公司研制了一款气动象鼻型机械臂。MIT计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)开发的“章鱼触须”机械臂。日本东北大学Makishi等人研制了一款形状记忆合金驱动的内窥镜机器人，其可弯曲部分45mm，并携带20mm长CCD相机进行内窥检查，最大弯曲角度可达90°。外置式主要由外置电机拉动线缆来驱动机器人关节，如英国OCRobotics公司研制的蛇形臂机器人，机器人共10段，每段具有2个自由度，通过电机驱动。混合式驱动则同时具有嵌入式驱动结构与外置式驱动结构，如McMahan等人研制的Air-Octor机器人，其结构分为4段，各段弯曲角度均大于100°，该机器人同时引入了气动驱动与电缆驱动。然而，现有的柔性机械臂结构结构依然不够成熟，如重量较重、灵活度不高和柔顺性不好等缺点，需要进一步进行创新性的改进。
技术实现思路
本技术的目的在于提出一种基于多通道流体结构的柔性机械臂，具有重量轻、灵活度高和柔顺性好等优点，可以大幅降低关节刚度，完成复杂接触性任务。本技术提出的柔性机械臂结构是利用粘弹性材料本体的弹性变形以实现其连续弯曲，以形成类似大象鼻子、章鱼触手的运动。通过改变自身的外形，柔性机器人可以灵活地绕过各种障碍物，或穿过狭小弯曲的孔洞，非常适合非结构化环境和空间受限环境应用。除此之外，类似于大象通过鼻子抓取食物的动作，柔性机器人也可以仅通过本体实现物体的抓取。以上这些优异的性能使柔性机器人在航空检测、医疗外科、城市救援、工业制造、农业生产等领域有巨大的应用前景。本技术中的柔性机械臂的柔性主要来源于关节柔性和杆件柔性，它们均为机械臂引入了额外的自由度，使得原来有限自由度变成了无限自由度。柔性机械臂的连杆是刚性的，柔性有且只有在关节处存在；关节的柔性可以分为主动柔性和被动柔性两种。主动柔性是指关节本身不具有柔性，是利用传感信息对输出的力、位的关系进行主动控制，模拟出关节的柔顺特性；被动柔性是指在结构上加入弹性元件使机构具有柔顺性。本技术的技术方案是利用流体驱动的多通道结构来模拟柔性机械臂，并通过改变流体压力来改变机械臂的变形刚度，实现柔性机械臂的变刚度特性。同时柔性机械臂可通过多通道结构参数和流体参数的优化使制作的柔性机械臂实现变刚度特性，并获得较好的控制性能。旨在解决柔性机械臂精确的位姿控制和提供有效的变刚度控制，为柔性机械臂的位姿控制提供了有效的工程解决手段。本技术的柔性机械臂可通过改变机械臂的粘弹性材料的物理属性来实现变刚度特性，其弯曲变形取决于材料的杨氏模量、长度以及截面惯性矩等物理参数。因此，可通过改变物理参数来实现刚度的变化。对于柔性机械臂，所建立的动力学模型需要考虑其刚度对整体弯曲变形及其末端位置控制的影响，即柔性机械臂刚度不仅要合理设计，而且能够根据外界环境因素进行适当地调整。目前，研究虽然表明柔性机械臂刚度对弯曲变形有着很大的影响，但柔性机械臂刚度的变化情况与其弯曲变形等参数之间的关系并不明确。这也启发我们，如果要控制柔性机械臂的弯曲变形，那么所研制的机械臂不仅要具有一定的刚度，而且能够以某种方式对刚度进行调整。本技术采用基于流体驱动的多通道结构实现机械臂的变形及其变刚度特性。与传统的刚性机械臂不同，柔性机械臂没有离散关节或刚性连杆，无法使用传统运动学的建模方法。柔性机器人的弹性变形可通过曲率近似模型进行建模。在曲率近似模型中，假设柔性机器人的弯曲形状是几个恒定曲率曲线的组合，该模型已被广泛应用，具有计算简单和易于理解的优点。本技术除了具有传统机械臂结构简单，成本低，控制简单，运动空间大等优点以外，还具有柔性机械臂固有的柔顺性和较好的环境交互能力。此外，还可以改变整个机械臂的刚度，从而与环境的接触界面刚度实现实时匹配。更具体的说，本技术至少包括如下部件：柔性机械臂结构、机械臂固定平台、刚性机械臂结构、流体多通道结构、流体驱动系统、位移或速度传感器；多个前述柔性机械臂结构的上、下两端分别固定在连接在前述刚性机械臂结构上，柔性机械臂结构的下端穿过前述刚性机械臂结构上的铰点孔，并与多个前述位移或速度传感器固定连接；前述的柔性机械臂结构用于改变前述变刚度机械臂结构的变形曲线或变形位移，变形情况取决于前述流体多通道结构的通道数目和流体驱动系统的压力和流速。作为本技术方案的进一步优化，前述的多通道流体柔性机械臂包括通道分割层、柔性分通道、流体通道入口和出口等组成。通道分割层由不易变形的材料制成，主要用于固定多通道子系统(或单通道系统)，将各子系统进行分离，进行单通道驱动。每个单通道系统都存在着一个通道入口和一个通道出口，用于通道内流体的流进和流出。在这里，前述柔性机械臂是基于多通道结构，由液压或者气动驱动实现弯曲变形。前述流体驱动的多通道柔性机械臂可由多个分通道组成，存在着不同的阵列型式和结构参数。本技术的柔性机械臂可以有多个，柔性机械臂越多，刚性机械臂越短，该柔性机械臂变形越可控，机械臂控制也越精确。另外，这种变刚度柔性机械臂前述的变刚度可通过控制流体的流速和压力来实现弯曲刚度的控制，以及整个机械臂的刚度控制。本技术的优点是：与现有工业机械臂的设计方法相比，本技术采用流体驱动多通道柔性机械臂结构的变刚度机械臂，通过改变多通道柔性机械臂内流体的压力和流速，以实现柔性机械臂的变形和刚度。该设计能有效地改善柔性机械臂的控制性能，对柔性机械臂的广泛应用有着重要的意义。因此，本技术的技术方案的优点在于：(1)采用流体驱动多通道流体系统实现机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于SMA驱动多段刚柔耦合的柔性机械臂，其特征在于：利用粘弹性材料本体的弹性变形以实现其连续弯曲；所述柔性来源于关节柔性和杆件柔性；利用流体驱动的多通道结构来模拟柔性机械臂，并通过改变流体压力来改变机械臂的变形刚度，实现柔性机械臂的变刚度特性；通过改变机械臂的粘弹性材料的物理属性来实现变刚度特性；至少包括如下部件：柔性机械臂结构、机械臂固定平台、刚性机械臂结构、流体多通道结构、流体驱动系统、位移或速度传感器；多个所述柔性机械臂结构的上、下两端分别固定在连接在所述刚性机械臂结构上，柔性机械臂结构的下端穿过所述刚性机械臂结构上的铰点孔，并与多个所述位移或速度传感器固定连接；所述的柔性机械臂结构用于改变变刚度机械臂结构的变形曲线或变形位移，变形情况取决于所述流体多通道结构的通道数目和流体驱动系统的压力和流速。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于SMA驱动多段刚柔耦合的柔性机械臂，其特征在于：利用粘弹性材料本体的弹性变形以实现其连续弯曲；所述柔性来源于关节柔性和杆件柔性；利用流体驱动的多通道结构来模拟柔性机械臂，并通过改变流体压力来改变机械臂的变形刚度，实现柔性机械臂的变刚度特性；通过改变机械臂的粘弹性材料的物理属性来实现变刚度特性；至少包括如下部件：柔性机械臂结构、机械臂固定平台、刚性机械臂结构、流体多通道结构、流体驱动系统、位移或速度传感器；多个所述柔性机械臂结构的上、下两端分别固定在连接在所述刚性机械臂结构上，柔性机械臂结构的下端穿过所述刚性机械臂结构上的铰点孔，并与多个所述位移或速度传感器固定连接；所述的柔性机械臂结构用于改变变刚度机械臂结构的变形曲线或变形位移，变形情况取决于所述流体多通道结构的通道数目和流体驱动系统的...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔祚，薛九天，
申请(专利权)人：贵州理工学院，
类型：新型
国别省市：贵州;52