一种气动多自由度二维运动蛇形柔性机械臂制造技术

本发明专利技术公开了一种气动多自由度二维运动蛇形柔性机械臂，包括柔性机械臂本体、用于实现所述柔性机械臂本体伸出与收回的收拢机构和用于实现柔性机械臂本体在竖直方向上的位置调整的升降机构；柔性机械臂本体包括多个相互连接的柔性关节组件，每个柔性关节组件均包括多个刚性关节，两个相邻的所述刚性关节之间设置有柔性铰链和驱动元件；驱动元件包括气囊；实现了整个蛇形柔性机械臂具备在狭小的作业空间内灵活的、小曲率半径变形能力，可以在狭窄的间隙内作二维穿行运动。狭窄的间隙内作二维穿行运动。狭窄的间隙内作二维穿行运动。

【技术实现步骤摘要】
一种气动多自由度二维运动蛇形柔性机械臂


[0001]本专利技术涉及柔性机器人
，特别是涉及一种气动多自由度二维运动蛇形柔性机械臂。

技术介绍

[0002]航空、航天、核能应用等领域是各科技强国重点发展领域，众多服务于此领域的特种机器人相继出现。航空发动机、飞机油箱、空间站桁架、核电站管道等存在着大量的复杂狭小空间，对于此类环境下的任务人工操作难度高、周期长、强度大。这就需要一种能够在狭小空间内灵活运动的机器人来执行此项任务。在众多特种机器人中，衍生出了一类手臂像蛇一样灵活的特殊机器人，专门用于执行狭小空间的任务，这种机器人称为蛇形臂机器人。
[0003]而现有技术中的蛇形臂机器人大多数采用柔索驱动机械臂的臂体，如现有专利公开号为CN102744732A，名称为一种蛇形机械臂的技术专利，该机械臂的臂体由多个虎克铰串联构成，通过柔索进行驱动。该结构每个转动副均通过两组柔索进行驱动，当其关节数量较多时需要大量的驱动系统，同时存在蛇形臂体轮廓曲线连续性较差。另外，由于柔索只能传递拉力，对于每个转动副，均需要至少两根柔索驱动，通过定滑轮进行导向。如果柔索松弛，容易脱落，运动状态不易控制；如果柔索保持拉力，导致另一根柔索必然增大拉力，增加了转动副的摩擦力，不仅影响位姿调整能力，还增大了控制难度，降低了效率。
[0004]所以现有技术中的蛇形臂机器人存在采用滑轮对柔索进行导向，柔索容易从滑轮上脱落、导致蛇形臂机器人运动失败以及控制复杂且驱动系统体积大的问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的上述问题，本专利技术提供了一种气动多自由度二维运动蛇形柔性机械臂，解决了现有技术中的蛇形臂机器人采用柔索驱动臂体而导致柔索容易脱落和控制复杂的问题。
[0006]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]提供了一种气动多自由度二维运动蛇形柔性机械臂，其包括柔性机械臂本体、用于实现柔性机械臂本体伸出与收回的收拢机构和用于实现柔性机械臂本体在竖直方向上的位置调整的升降机构；
[0008]柔性机械臂本体包括多个相互连接的柔性关节组件，每个柔性关节组件均包括多个刚性关节，两个相邻的刚性关节之间设置有柔性铰链和驱动元件；驱动元件为气囊。
[0009]本专利技术的基本原理为：两个相邻的刚性关节之间通过柔性铰链连接，实现两个相邻刚性关节之间角度的改变，而可以通过多个驱动元件改变多个刚性关节之间的相对角度，进而实现整个柔性机械臂本体在二维平面上的弯曲和摆动；而收拢机构实现了柔性机械臂本体伸出与收回，而可以通过升降机构控制蛇形柔性机械臂在竖直方向上的运动，补偿因机蛇形柔性机械臂自重引起的末端在竖直方向上的非期望位移；实现了整个蛇形柔性
机械臂具备在狭小的作业空间内灵活的、小曲率半径变形能力，可以在狭窄的间隙内作二维穿行运动。
[0010]进一步地，每个柔性关节组件均呈两层结构，其包括相互连接的上层刚性关节组件和下层刚性关节组件；
[0011]上层刚性关节组件包括多个上层关节，相邻两个上层关节之间设置有上层铰链；
[0012]下层刚性关节组件包括多个下层关节，相邻两个下层关节之间设置有下层铰链；
[0013]上层关节的下端面与下层关节的上端面接触，上层关节与下层关节的接触面为台阶面结构。
[0014]将每个柔性关节组件设置为双层结构，增加了柔性机械臂本体的自身刚度，可以减小因柔性机械臂本体自重引起的末端在竖直方向上的非期望位移，提高了柔性机械臂本体末端在运动过程中的位置精度。
[0015]优选地，多个柔性关节组件高度从柔性机械臂近端到末端依次减小，位于柔性机械臂近端的柔性关节组件与收拢机构固定连接，降低了柔性机械臂末端的重量，避免出现柔性机械臂末端因过重而造成自降的情况，进一步提高了柔性机械臂本体末端在运动过程中的位置精度。
[0016]进一步地，作为驱动元件设置在柔性关节组件的一种具体设置方式，气囊镶嵌于两个相邻的刚性关节之间且位于柔性铰链的两侧；
[0017]单个柔性关节组件的柔性铰链两侧的多个气囊串联形成两个驱动单元，
[0018]每个驱动单元均通过气管外接外接比例阀和气泵，可以通过比例阀控制气泵向两个驱动单元的输入气压，驱动单元膨胀，实现单个柔性关节组件的双向弯曲及主动变刚度功能，而整个柔性机械臂本体也采用相同的控制方式，实现了整个柔性机械臂本体在二维平面上的弯曲和摆动。
[0019]进一步地，作为收拢机构的一种具体设置方式，收拢机构包括支撑平台，支撑平台上设置有与柔性机械臂宽度匹配的螺旋轨道，螺旋轨道的中心处设置有驱动电机，驱动电机的输出端水平连接有摆臂，摆臂沿长度方向设置有直线导轨，直线导轨上滑动设置有直线滑块，直线滑块上设置有呈“L”形结构的连接板，连接板的水平面与直线滑块的上端面固定连接，连接板的竖直面与柔性机械臂近端固定连接。
[0020]进一步地，螺旋轨道的端口处设置有机械接口，机械接口通过螺栓与支撑平台固定连接，机械接口为直线结构的导轨，机械接口的入口处的两侧侧壁削边形成尖锥装结构。
[0021]进一步地，螺旋轨道的两个内侧壁上沿其螺旋方向均设置有横截面呈矩形结构的限位凸起；
[0022]上层关节和下层关节在宽度方向的两侧均设置有向外凸出的侧板；位于上层关节两侧侧板的下端面和位于下层关节两侧侧板的上端面分别设置有上限位柱和下限位柱，上限位柱和下限位柱之间的竖直距离与限位凸起的高相匹配，上限位柱和下限位柱分别与限位凸起的上端面和下端面接触。
[0023]进一步地，升降机构包括底座，底座上设置有直线模组，直线模组的顶部与支撑平台的下端面固定连接，直线模组的侧壁与底座的上端面之间设置有加强筋。
[0024]本专利技术的有益效果为：1、本专利技术中的气动多自由度二维运动蛇形柔性机械臂，柔性机械臂本体包括多个刚性关节，而两个相邻的刚性关节之间通过柔性铰链连接，实现两
个相邻刚性关节之间角度的改变，而可以通过多个驱动元件改变多个刚性关节之间的相对角度，进而实现整个柔性机械臂本体在二维平面上的弯曲和摆动，替代了现有技术中的蛇形臂机器人采用柔索驱动臂体的技术方案，解决了现有技术中的蛇形臂机器人柔索容易脱落和控制复杂的问题。
[0025]2、本专利技术中的气动多自由度二维运动蛇形柔性机械臂，通过收拢机构实现了柔性机械臂本体伸出与收回，柔性机械臂本体凭借易被动变形性，收拢时可成螺旋状，大大降低了支撑机构所占空间，而可以通过升降机构控制蛇形柔性机械臂在竖直方向上的运动，补偿因机蛇形柔性机械臂自重引起的末端在竖直方向上的非期望位移；实现了整个蛇形柔性机械臂具备在狭小的作业空间内灵活的、小曲率半径变形能力，可以在狭窄的间隙内作二维穿行运动。
附图说明
[0026]图1为一种气动多自由度二维运动蛇形柔性机械臂的三维结构示意图。
[0027]图2为图1中A处的放大结构示意图。
[0028]图3为柔性关节组件的放大三维结构示意图。
[0029]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气动多自由度二维运动蛇形柔性机械臂，其特征在于，包括柔性机械臂本体、用于实现所述柔性机械臂本体伸出与收回的收拢机构和用于实现柔性机械臂本体在竖直方向上的位置调整的升降机构；柔性机械臂本体包括多个相互连接的柔性关节组件，每个柔性关节组件均包括多个刚性关节，两个相邻的所述刚性关节之间设置有柔性铰链和驱动元件；驱动元件包括气囊。2.根据权利要求1所述的气动多自由度二维运动蛇形柔性机械臂，其特征在于，每个柔性关节组件均呈两层结构，其包括相互连接的上层刚性关节组件和下层刚性关节组件；上层刚性关节组件包括多个上层关节，相邻两个上层关节之间设置有上层铰链；下层刚性关节组件包括多个下层关节，相邻两个下层关节之间设置有下层铰链；上层关节的下端面与下层关节的上端面接触，上层关节与下层关节的接触面为台阶面结构。3.根据权利要求2所述的气动多自由度二维运动蛇形柔性机械臂，其特征在于，多个柔性关节组件高度从所述柔性机械臂近端到末端依次减小，位于柔性机械臂近端的柔性关节组件与所述收拢机构固定连接。4.根据权利要求3所述的气动多自由度二维运动蛇形柔性机械臂，其特征在于，所述气囊镶嵌于两个相邻的所述刚性关节之间且位于所述柔性铰链的两侧；单个柔性关节组件的所述柔性铰链两侧的多个气囊串联形成两个驱动单元，每个驱动单元均通过气管外接外接比例阀和气泵。5.根据权利要求3所述的气动多自由度二维运动蛇形柔性机械臂，其特征在于，所述收...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宏伟，李正苗，苏庆，张新彬，刘满禄，谭立国，霍建文，宿浩翔，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：