一种变刚度滚动关节柔性臂及其变刚度方法技术

本发明专利技术涉及一种变刚度滚动关节柔性臂及其变刚度方法，其中变刚度滚动关节柔性臂包括柔性臂骨架、刚度增强机构、定位装置、驱动平台及驱动线缆；柔性臂骨架为中空结构，刚度增强机构穿过柔性臂骨架，刚度增强机构与柔性臂骨架组合构成变刚度柔性臂；柔性臂骨架固定于定位装置上，多根驱动线缆依次穿过柔性臂骨架及定位装置连接到驱动平台上；驱动平台用于控制驱动线缆运动从而带动变刚度滚动关节柔性臂运动。本发明专利技术在不改变柔性臂本身姿态的情况下实现关节刚度的可调性，并给出了其变刚度方法，建立了刚度模型，实现柔性臂刚度可调的控制，有效增加滚动关节柔性臂的刚度效果。有效增加滚动关节柔性臂的刚度效果。有效增加滚动关节柔性臂的刚度效果。

【技术实现步骤摘要】
一种变刚度滚动关节柔性臂及其变刚度方法


[0001]本专利技术涉及机器人领域，尤其是涉及一种变刚度滚动关节柔性臂及其变刚度方法。

技术介绍

[0002]随着机器人任务越来越多样化，传统刚性机械机器人难以满足日趋复杂的任务需求，特别是在非结构化环境中，新型的柔性机器人越来越受到广泛的关注，纷纷面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。柔性机械臂作为机器人的重要组成部分，具有操作高效、重量轻便、运动灵活的优点，在航天航空，手术等应用场景中具有重要意义。良好的柔顺性使柔性机械臂拥有良好的灵活性和安全性，但面对一些有精度要求的接触式操作时，由于它不能承受过高载荷，柔性反而大大降低了它的工作效率。变刚度的提出很好的解决了柔顺性与操作精度之间的矛盾，而现有的实现变刚度集中在可调刚度材料的使用上，具有响应速度慢，受环境影响大等问题。因此需要一种变刚度柔性臂机制既能在高负荷操作下实现高刚度的精确定位，又能以较低刚度在复杂环境中运动，提高对环境的适应性。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种变刚度滚动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变刚度滚动关节柔性臂，其特征在于，包括柔性臂骨架(1)、刚度增强机构(2)、定位装置(3)、驱动平台(4)及驱动线缆(7)；所述柔性臂骨架(1)为中空结构，所述刚度增强机构(2)穿过所述柔性臂骨架(1)，刚度增强机构(2)与柔性臂骨架(1)组合构成变刚度柔性臂；所述柔性臂骨架(1)固定于所述定位装置(3)上，多根驱动线缆(7)依次穿过柔性臂骨架(1)及定位装置(3)连接到所述驱动平台(4)上；所述驱动平台(4)用于控制驱动线缆(7)运动从而带动变刚度滚动关节柔性臂运动。2.根据权利要求1所述的一种变刚度滚动关节柔性臂，其特征在于，所述的柔性臂骨架(1)包括弹力绳(12)及滚动关节(13)；所述滚动关节(13)包括多个，各个滚动关节(13)之间依次堆叠；各个滚动关节(13)上开设有小孔，所述弹力绳(12)依次穿过各个滚动关节(13)上的小孔连接各个滚动关节(13)，弹力绳(12)用于防止滚动关节之间的滑移；驱动线缆(7)依次穿过各个滚动关节(13)，将所有滚动关节(13)串联组成两自由度柔性臂，驱动线缆(7)用于带动柔性臂实现左右运动和上下运动。3.根据权利要求2所述的一种变刚度滚动关节柔性臂，其特征在于，所述的刚度增强机构(2)包括连接盖(9)、硅胶管(10)、软管接头(11)及气泵管(6)；所述硅胶管(10)穿过所述柔性臂骨架(1)内部；硅胶管(10)第一端与连接盖(9)相连，连接盖(9)用于密封硅胶管(10)的第一端；硅胶管(10)第二端与软管接头(11)第一端相连，软管接头(11)第二端与气泵管(6)第一端相连，气泵管(6)第二端穿过所述定位模块(3)与气源连通；气源通过气泵管(6)向硅胶管(10)充气，使得所述柔性臂骨架(1)展现不同的刚度性能。4.根据权利要求3所述的一种变刚度滚动关节柔性臂，其特征在于，所述定位装置(3)包括线缆扩展装置(14)及柔性臂固定座(15)；所述线缆扩展装置(14)顶部固定连接柔性臂固定座(15)；柔性臂固定座(15)通过钢柱与柔性臂骨架(1)近端的通孔相连接；所述线缆扩展装置(14)底部多个轨道，各个轨道上嵌有滑轮(16)，驱动线缆(7)与滑轮(16)连接，滑轮(16)用于引导和扩展驱动线缆(7)的方向，便于驱动线缆(7)与驱动平台(4)相连接。5.根据权利要求1所述的一种变刚度滚动关节柔性臂，其特征在于，所述驱动平台(4)包括多个丝杆步进电机(8)，丝杆步进电机(8)的数量与所述驱动线缆(7)的数量相同，各个丝杆步进电机(8)与各个驱动线缆(7)对应连接；丝杆步进电机(8)用于控制驱动线缆(7)的伸长和收缩，进而驱动柔性臂实现不同方向的运动。6.一种变刚度滚动关节柔性臂的变刚度方法，其特征在于，应用于如权利要求1
‑
5任一所述的一种变刚度滚动关节柔性臂上，包括以下步骤：S1、丝杆步进电机输出动力并拉动驱动线缆，记施加在驱动线缆上的初始张力为T0；S2、通过气源向硅胶管内部充气，实现变刚度滚动关节柔性臂的刚度变化；S3、构建柔性臂骨架的数学模型；
S4、基于空气弹簧假设，建立硅胶管的刚度模型；S5、建立刚度增强机构的刚度模型；S6、基于所述柔性臂骨架的数学模型、硅胶管的刚度模型及刚度增强机构的刚度模型，建立变刚度滚动关节柔性臂的刚度模型，得到变刚度滚动关节柔性臂系统的刚度；其中，步骤S2包括如下过程：S21、当未向硅胶管内部充气时，使柔性臂的刚度处于原有状态，此时称柔性臂刚度调节处于状态一，P
a
为硅胶管内充气气压，P
a
＝0；S22、当开始向硅胶管内部充气，且硅胶管尚未与柔性臂骨架中空内壁接触时，此时称柔性臂刚度调节处于状态二，记壁厚为Δd
si
，P
m
为硅胶管刚接触内壁时的管内气压，0＜P
a
≤P
m
；S23、当向硅胶管内部充气的气压使得硅胶管与柔性臂骨架中空内壁接触时，所述硅胶管在所述柔性臂骨架缺口的部分产生微小突出，此时称柔性臂刚度调节处于状态三，记壁厚为Δd
msi
，P
a
＞P
m
。7.根据权利要求6所述的一种变刚度滚动关节柔性臂的变刚度方法，其特征在于，所述柔性臂骨架的数学模型包括表示关节空间到驱动空间映射关系的运动学模型；针对柔性臂左...

【专利技术属性】
技术研发人员：李龙，郝晴，汪田鸿，金滔，张泉，田应仲，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：