连续型螺旋嵌套约束气动变刚度柔性臂制造技术

一种连续型螺旋嵌套约束气动变刚度柔性臂由螺钉、上密封端盖、上堵头、内气囊、下堵头、外气囊、填充物、连续型螺旋约束环、下密封端盖、气管接头组成，三组内气囊成120

【技术实现步骤摘要】
连续型螺旋嵌套约束气动变刚度柔性臂


[0001]本专利技术属于柔性机器人领域，涉及一种连续型螺旋嵌套约束气动变刚度柔性臂。

技术介绍

[0002]柔性机器人具有柔顺性好、运动灵活、自由度多、环境适应性好、人机交互安全等优点，但该类机器人具有刚度不足的缺陷，为弥补这一缺陷提高柔性机器人的承载力，科学家致力于研究变刚度结构，目前科学家主要利用堵塞原理设计驱动或制动方法，该类方法主要是利用施加真空作用导致“相变”，增加填充物之间的剪应力，在一定的条件下实现填充物气体状态与固定状态之间的相互转化；Ranzani等提出了内窥镜手术机器人，外侧圆周分布FFAs用于实现机器人的任意弯曲与伸长，中间设有颗粒堵塞结构，工作时用于实现机器人的变刚度功能；Wei等提出了软体夹持器，自然状态下填充物为气体状态，根据物体的形状实现自适应，需要夹持时，通过真空作用填充物转化为固体状态，提高刚度；Steltz等设计了一款新型软体移动机器人，将堵塞单元模块化，工作过程中自然状态下的堵塞单元作为驱动单元使机构沿特定方向移动，部分堵塞单元通过真空作用实现刚度提升；上述堵塞原理均于真空作用，变刚度效果不明显，本专利技术提出了一种连续型螺旋嵌套约束气动变刚度柔性臂，能够实现机械臂万向弯曲和伸长的功能，同时通过向内气囊输入压力气体，推动填充物和外气囊挤压螺旋约束环，提高机械臂整体刚度，本专利技术结构简单，灵活性好，变刚度效果明显，可应用于柔性机器人作为柔性机械臂，实现柔性机器人工作要求的同时能够实现柔性机械臂的任意位姿保持。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供了一种连续型螺旋嵌套约束气动变刚度柔性臂，保证柔性机械臂运动灵活的前提下能够克服目前柔性机器人刚性不足的缺陷，在压力气体作用下，实现机械臂三维空间任意方向任意角度的弯曲和伸长功能，同时能够实现机械臂任意位姿保持。
[0004]本专利技术的技术方案如下：一种连续型螺旋嵌套约束气动变刚度柔性臂，主要包括上密封端盖主要包括螺钉、上密封端盖、上堵头、内气囊、填充物、下堵头、气管接头、下密封端盖、连续型螺旋约束环、外气囊；所述上堵头、内气囊和下堵头同轴安装形成密封腔体，上堵头和下堵头分别于内气囊4两端固定连接，所述上堵头、内气囊和下堵头均采用3个，也可采用6个、9个，三组内气囊径向成120
°
并联分布；
[0005]进一步所述下堵头设有螺纹孔，用于向内气4通入压力气体，内气囊采用弹性较好的材料，可为硅胶、乳胶、橡胶中的一种；内气囊4在气压作用下产生轴向和径向变形，当三组内气囊通入相同气压时柔性臂整体轴向伸长，当三组内气囊通入不同气压时，柔性臂在轴向伸长的同时向通入压力较小的内气囊一侧弯曲；
[0006]所述外气囊设在内气囊外侧，内气囊和外气囊之间形成空腔，空腔内设有填充物5，填充物5的材料可选用金属颗粒、陶粒、沙粒、有机材料、无机材料中的一种或者多种；填充物的形状可采用球形、圆柱体、四面体、圆锥体、多面体、不规则薄片体中的一种或多种；
填充物根据圆环状空腔的尺寸确定，可采用不同尺寸的颗粒、微粒或微粉的一种或多种；
[0007]所述外气囊采用弾性较好的材料，可为硅胶、乳胶、橡胶中的一种，内气囊4在压力流体的作用下推动填充物径向移动带动外气囊径向膨胀；
[0008]所述外气囊外部同轴套有连续型螺旋约束环，连续型螺旋约束环为螺旋嵌套结构，内壁具有环状凹槽结构，具有伸长、压缩与弯曲功能，其材料为强度较好的材料，可为弹簧钢，在连续型螺旋约束环的作用下，外气囊径向膨胀受限，外气囊和填充物共同挤压连续型螺旋约束环，柔性臂刚性提升，且输入压力越大，弾性轴刚度提升越明显；
[0009]所述连续型螺旋约束环两侧设有上密封端盖和下密封端盖，上密封端盖1为环形壳结构，内部设有凸台，凸台设有三个孔，三个孔囊径向成120
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并联分布，用于安装内气囊和上堵头结构，上密封端盖上端面设有螺纹孔，通过螺钉与上堵头固定连接；
[0010]所述下密封端盖内部结构与上密封端盖相同，下密封端盖下端面设有螺纹孔，通过气动接头与下堵头固定连接，所述气动接头用于气压输入；
[0011]本专利技术的有益效果如下：
[0012]1)本专利技术能够实现柔性臂伸长和万向弯曲，并且能够实现伸长量、弯曲角度、弯曲方向可控；
[0013]2)本专利技术能够实现柔性臂变刚度功能，变刚度效果明显，能够有效解决柔性臂的位姿保持问题。
[0014]本专利技术能够实时保证柔性臂的位姿保持；本专利技术结构简单，使用方便，灵活性好且能够实现位姿保持功能，非常适合应用于柔性机器人。
附图说明
[0015]图1为连续型螺旋嵌套约束气动变刚度柔性臂总体结构示意图。
[0016]图2为连续型螺旋嵌套约束气动变刚度柔性臂剖视图。
[0017]图3为连续型螺旋嵌套约束气动变刚度柔性臂总体爆炸示意图。
具体实施方式
[0018]下面结合附图和具体实例对本专利技术作进一步地详细描述：连续型螺旋嵌套约束气动变刚度柔性臂主要包括上密封端盖主要包括螺钉1、上密封端盖2、上堵头3、内气囊4、填充物5、下堵头6、气管接头7、下密封端盖8、连续型螺旋约束环9、外气囊10；所述上堵头3、内气囊4和下堵头6同轴安装形成密封腔体，上堵头3和下堵头6分别于内气囊4两端固定连接，所述上堵头3、内气囊4和下堵头6均采用3个，也可采用6个、9个，三组内气囊径向成120
°
并联分布；
[0019]进一步所述下堵头6设有螺纹孔，用于向内气囊4通入压力气体，内气囊4采用弹性较好的材料，可为硅胶、乳胶、橡胶中的一种；内气囊4在气压作用下产生轴向和径向变形，当三组内气囊通入相同气压时柔性臂整体轴向伸长，当三组内气囊通入不同气压时，柔性臂在轴向伸长的同时向通入压力较小的内气囊一侧弯曲；
[0020]所述外气囊10设在内气囊4外侧，内气囊4和外气囊10之间形成空腔，空腔内设有填充物5，填充物5的材料可选用金属颗粒、陶粒、沙粒、有机材料、无机材料中的一种或者多种；填充物的形状可采用球形、圆柱体、四面体、圆锥体、多面体、不规则薄片体中的一种或
多种；填充物根据圆环状空腔的尺寸确定，可采用不同尺寸的颗粒、微粒或微粉的一种或多种；
[0021]所述外气囊10采用弾性较好的材料，可为硅胶、乳胶、橡胶中的一种，内气囊4在压力流体的作用下推动填充物5径向移动带动外气囊5径向膨胀；
[0022]所述外气囊10外部同轴套有连续型螺旋约束环9，连续型螺旋约束环9为螺旋嵌套结构，内壁具有环状凹槽结构，具有伸长、压缩与弯曲功能，其材料为强度较好的材料，可为弹簧钢，在连续型螺旋约束环的作用下，外气囊10径向膨胀受限，外气囊10和填充物5共同挤压连续型螺旋约束环9，柔性臂刚性提升，且输入压力越大，弾性轴刚度提升越明显；
[0023]所述连续型螺旋约束环两侧设有上密封端盖2和下密封端盖8，上密封端盖1为环形壳结构，内部设有凸台，凸台设有三个孔，三个孔囊径向成120
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种连续型螺旋嵌套约束气动变刚度柔性臂，其特征在于，主要包括螺钉、上密封端盖、上堵头、内气囊、下堵头、外气囊、填充物、连续型螺旋约束环、下密封端盖、气管接头。上堵头和下堵头分别安装在内气囊的两端，与内气囊形成密封腔体，下堵头开有螺纹孔，用于向内气囊通入压力气体，三组内气囊径向成120
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并联分布，外部套有外气囊，外气囊与三组内气囊之间设有填充物，外气囊外侧同轴套有连续型螺旋约束环，通过上、下密封端盖约束，下密封端盖设有通孔或螺纹孔，用于压力气体的输入；当三组内气囊通入相同压力气体时，柔性臂轴向伸长，当三组内气囊通入不同压力气体时，柔性臂轴向伸长的同时向通入压力较小的内气囊方向弯曲；同时内气囊受压膨胀挤压填充物，推动填充物和外气囊同时挤压连续型螺旋约束环，提高柔性臂的整体刚度，且通入压力越大，刚度提升越明显；通过控制通入压力的大小，可实现柔性臂任意角度的弯曲和伸长，并且能够实现三维空间方向的可控弯曲和伸长，同时通过调节压力大小，可实现柔性臂的变刚度功能，通入压力越大变刚度效果越明显，能够实时保证柔性臂的位姿保持。2....

【专利技术属性】
技术研发人员：许文智，彭贺，耿德旭，王霞，赵云伟，梁正，
申请(专利权)人：北华大学，
类型：发明
国别省市：