变刚度柔性操作臂制造技术

本发明专利技术涉及一种变刚度柔性操作臂，包括隔热套筒、低熔点合金层以及弹性骨架；其中：隔热套筒的两个端部分别设置有密封端堵；低熔点合金层填充设置于隔热套筒内，所述弹性骨架设置于低熔点合金层中，所述弹性骨架自带流体循环通道，所述流体循环通道通过设置于隔热套筒一侧端部或两端的密封端堵与外部管路相连通，实现流体循环。本发明专利技术将弹性骨架与能量交换层相结合，实现了结构与双功能的一体化设计，不仅缩小了操作臂的整体径向尺寸，同时改善了操作臂的弯曲曲率特性，具有更强的环境适应能力和应用范围，尤其可以满足在狭窄空间内的操纵操作臂的需求。作臂的需求。作臂的需求。

【技术实现步骤摘要】
变刚度柔性操作臂


[0001]本专利技术涉及一种柔性操作臂，具体涉及一种基于低熔点合金实现变刚度的径向尺寸小且弯曲曲率特性好的柔性操作臂。

技术介绍

[0002]随着机器人技术的不断发展，以刚性结构为主体的刚性机器人技术日趋成熟，并在工业生产，食品加工，医疗卫生等场景中具有广泛应用。但是刚性结构的特点决定了其存在结构复杂、灵活度有限、安全性和适应性较差的问题；例如，在一些非结构化的应用场景中，如复杂易碎物体抓持、人机交互和狭窄空间作业等仍存在很大的不足。
[0003]因此，发展柔性机器人技术就成为了解决上述问题的有效途径。以自然界中的生物作为仿生对象而研制出的软体机器人大所采用流体、凝胶、形状记忆聚合物等材料，实现柔性调节。因此软体机器人具有弹性和可变形性质，具备承受大变形的能力。在这种情况下，可以根据环境或者交互对象的特点，调整其形态结构和尺寸参数，完成目标任务。但是由于这种柔性机器人缺少刚性结构作为支撑，使得其普遍存在精度低、重复性差、负载能力小、刚度低的不足，继而限制其实际应用价值。因此，在这种情形下，研发柔性机器人的变刚度技术就显得尤为重要。目前柔性机器人变刚度技术从实现原理上可以分为两类：
[0004]基于结构的变刚度技术和基于材料的变刚度技术：
[0005](1)基于结构的变刚度技术：主要通过改变结构部件之间的配合关系实现刚柔转化，包括通过结构之间的啮合、拮抗布置以及阻塞原理等；这种结构设置的柔性机器人操作臂，依然存在灵活度有限，适应性差的不足；
[0006](2)利用材料实现变刚度的方式：主要利用特定的材料(如：相变材料：(低熔点合金、热塑性聚合物等)，流变液(电流变和磁流变流体)，形状记忆材料等)可以根据外部刺激改变自身杨氏模量的特性进行刚度调节。其中：基于低熔点合金材料设计得到的变刚度柔性机器人操作臂，往往采用功能层叠加设置的同心管式布局，主要包括隔热层，能量交换层，低熔点合金填充层，少数还包括为了运动控制所采用的驱动层和改善弯曲曲率而加入的弹性骨架，各功能层之间通过硅胶层相隔。这种设置方式导致了目前所出现的基于低熔点合金材料设计的软体机器人操作臂普遍存在径向直径大，结构冗余，难以满足在狭窄空间内操纵的需求，例如：无法实施管道检修或人体自然腔道内探查等具体操作。因此，通常为了减小径向尺寸，一般设计时，不在操作臂中引入弹性骨架；但是，不设置弹性骨架的操作臂曲率特性较差，运动精准性控制难度大，继而进一步限制了此类操作臂的使用场景。

技术实现思路

[0007]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种基于相变材料设计的变刚度柔性操作臂，该操作臂通过在低熔点合金层中设置自带流体循环通道的弹性骨架，实现弹性骨架与能量交换层的合二为一，不仅有效缩小了操作臂的整体径向尺寸；同时，弹性骨架的保留，有效改善了操作臂的弯曲曲率特性，并为操作臂的高精准性运动控制创造了前提。
[0008]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种变刚度柔性操作臂，其特征在于，包括：
[0009]隔热套筒，其两端分别设置有密封端堵；
[0010]低熔点合金层，填充设置于所述隔热套筒内；
[0011]弹性骨架，设置于所述低熔点合金层中，所述弹性骨架自带流体循环通道，所述流体循环通道通过设置于隔热套筒一端或两端的密封端堵与外部管路相连通，实现流体循环。
[0012]作为优选，设置于隔热套筒两端的密封端堵分别为近端端堵与远端端堵；所述弹性骨架一端固定于近端端堵上，另一端活动嵌设于远端端堵上。
[0013]作为优选，所述弹性骨架为自带流体循环通道的双螺旋弯管，所述双螺旋弯管一端封闭并活动嵌设于远端端堵上，另一端通过近端端堵与外部管路相连通，实现流体循环；所述隔热套筒呈圆柱形，圆柱形隔热套筒内同轴设置有器械通管，所述双螺旋弯管环绕设置于器械通管上。
[0014]作为优选，所述弹性骨架包括多个自带流体循环通道的弹性直管，所述远端端堵上设有与多个所述弹性直管相连通的液体腔室，多个所述弹性直管分别通过近端端堵与外部管路相连通，实现流体循环；所述隔热套筒为圆柱形，多个所述弹性直管沿圆周方向均匀布置，且多个弹性直管围合所形成的圆柱形结构中心轴线与隔热套筒的中心轴线重叠。
[0015]作为进一步优选，多个沿圆周方向均匀布置的弹性直管上连接设置若干弹性节盘，各个所述弹性节盘的外周壁分别与隔热套筒的内壁相接触。
[0016]作为进一步优选，各个所述弹性节盘上分别设有若干液态金属流动槽。
[0017]作为优选，所述弹性骨架包括至少一根自带流体循环通道的弹性直管，所述弹性直管一端通过近端端堵与外部管路相连通，另一端通过远端端堵与外部管路相连通，实现流体循环。
[0018]作为优选，所述弹性直管的数量设置有多个，多个所述弹性直管沿圆周方向均匀布置；所述隔热套筒为圆柱形，沿圆周方向均匀布置多个弹性直管围合所形成的柱形结构的中心轴线与隔热套筒的中心轴线重叠；多个所述弹性直管上连接设置若干弹性节盘。
[0019]作为优选，所述弹性骨架为自带流体循环通道的单螺旋弯管，所述单螺旋弯管一端通过近端端堵与外部管路相连通，另一端通过远端端堵与外部管路相连通，实现流体循环。
[0020]作为进一步优选，所述隔热套筒为圆柱形，圆柱形隔热套筒内同轴设置有器械通管，所述单螺旋弯管环绕设置于器械通管上。
[0021]本专利技术同现有技术相比具有以下优点及效果：
[0022]1、本专利技术所述的变刚度柔性操作臂，通过弹性骨架上一体设置流体循环通道，避免了用于实现低熔点合金层变刚度调节的能换转换通道的单独设置，使得操作臂整体径向尺寸较小，应用范围更广，即可应用于管道检修，也可在狭窄的人体腔道内进行手术操作；其次，本专利技术所述操作臂中，兼为能量转换通道的弹性骨架的设置，使得柔性关节在轴向方向应力分布更均匀，整体关节的形变能够平滑地屈服于外部施加的负载，并有效避免了柔性关节受力时所出现的应力集中现象，继而使得操作臂整体具有较好的弯曲灵活性及较高的曲率特性。
[0023]2、本专利技术所述的变刚度柔性操作臂中，将设有流体循环通道的弹性骨架置于低熔点合金层内部，实现通入弹性骨架循环通道内的流体介质的能量由低熔点合金层内部中心向外传递，与传统将能量交换层包覆于低熔点合金层外部的传递方式相比，能量传递更加均匀，传导效率更高，可以有效缩短刚柔转化的时间，提高刚柔转化的效率，继而确保刚柔转化的效果。
[0024]3、本专利技术所述的变刚度柔性操作臂中，所述弹性骨架为双螺旋弯管，隔热套筒为圆柱形，圆柱形隔热套筒内同轴设置有器械通管，所述双螺旋弯管环绕设置于器械通管上；这种结构设置方式使得能量交换通道位于低熔点合金层的中心位置上；当向流体循环通道内输入能量交换流体时，能量从低熔点合金层的内部中心向四周边缘扩散、传递，继而达到更加均匀的热传导效果，更高的热传导效率，进而进一步缩短刚柔转化的时间，提高刚柔转化的效率。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变刚度柔性操作臂，其特征在于，包括：隔热套筒，其两端分别设置有密封端堵；低熔点合金层，填充设置于所述隔热套筒内；弹性骨架，设置于所述低熔点合金层中，所述弹性骨架自带流体循环通道，所述流体循环通道通过设置于隔热套筒一端或两端的密封端堵与外部管路相连通，实现流体循环。2.根据权利要求1所述的变刚度柔性操作臂，其特征在于，设置于隔热套筒两端的密封端堵分别为近端端堵与远端端堵；所述弹性骨架一端固定于近端端堵上，另一端活动嵌设于远端端堵上。3.根据权利要求2所述的变刚度柔性操作臂，其特征在于，所述弹性骨架为自带流体循环通道的双螺旋弯管，所述双螺旋弯管一端封闭并活动嵌设于远端端堵上，另一端通过近端端堵与外部管路相连通，实现流体循环；所述隔热套筒呈圆柱形，圆柱形隔热套筒内同轴设置有器械通管，所述双螺旋弯管环绕设置于器械通管上。4.根据权利要求2所述的变刚度柔性操作臂，其特征在于，所述弹性骨架包括多个自带流体循环通道的弹性直管，所述远端端堵上设有与多个所述弹性直管相连通的液体腔室，多个所述弹性直管分别通过近端端堵与外部管路相连通，实现流体循环；所述隔热套筒为圆柱形，多个所述弹性直管沿圆周方向均匀布置，且多个弹性直管围合所形成的圆柱形结构中心轴线与隔热套筒的中心轴线重叠。5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：王树新，史超阳，罗翔宇，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：