一种大角度、变刚度柔性关节制造技术

本发明专利技术公开了一种大角度、变刚度柔性关节，柔性关节由多个柔性关节模块堆叠构成；柔性关节模块包括下底盘、螺旋卷绕型驱动器、弹性主骨和上底盘，弹性主骨的一端连接上底盘，另一端连接下底盘；上底盘和下底盘之间连接有N个螺旋卷绕型驱动器，N大于或等于3；下底盘设置有卡扣安装槽；上底盘设置有卡扣；螺旋卷绕型驱动器设置有金属丝；金属丝连接有控制系统；弹性主骨为空间槽型结构；空间槽型结构为弹性主骨上具有一个或多个对称的槽口；弹性主骨的刚度通过调节弹性主骨的槽高H、槽内径D以及槽间距ΔH这三个参数来调节。本发明专利技术采用模块化设计且弹性主骨可调，实现了柔性关节的大角度弯曲且变刚度。角度弯曲且变刚度。角度弯曲且变刚度。

【技术实现步骤摘要】
一种大角度、变刚度柔性关节


[0001]本专利技术涉及软体机器人领域，尤其涉及一种大角度、变刚度柔性关节。

技术介绍

[0002]随着软体机器人技术的发展，不同种类的软体驱动器发展起来，包括：气动/液动人工肌肉、形状记忆合金(SMA)、介电弹性体(DE)、螺旋卷绕型驱动器等不同种类的人工肌肉，各有其优势。人工肌肉作为一种柔性驱动器，在不同的外界条件下，如：压力、热、光、电、磁、PH值以及电化学等激励下产生收缩、旋转、弯曲、扭转以及它们的组合运动，产生类似于生物肌肉的动力输出，并且能够承受较大负载和变形。由于人工肌肉具有结构简单、柔软度高、重量轻，成本低等优点。近年来人工肌肉的应用领域越来越广泛，包括医疗器械、救援装置及辅助装置等方面。
[0003]在不同种类的人工肌肉中，螺旋卷绕型驱动器具有能量密度高(同等质量下输出的力是动物肌肉的一百倍)及重量极其轻的优点，同时相对于气动、液动人工肌肉，螺旋卷绕型驱动器通过电流加热即可驱动，使得螺旋卷绕型驱动器更容易封装到不同领域中。
[0004]螺旋卷绕型驱动器是近年来较为优异的一种柔性驱动器，它组成简单，由尼龙线和金属丝缠绕、卷捻而成，当给金属丝通电时，金属丝加热，受到材料热膨胀系数影响，螺旋状的尼龙线会出现收缩现象，从而产生收缩力。由于螺旋卷绕型驱动器是受到温度影响运动的驱动器，可以通过控制温度实现对驱动器的精确控制。一些文献中的研究表明，螺旋卷绕型驱动器的温度与输入功率具有一定关系。因此，一种简单的控制温度的方式是通过控制金属丝输入功率，即可实现对螺旋卷绕型驱动器的精确控制。
[0005]与当前的柔性关节研究相比，本专利技术的柔性关节具有弯曲角度大、控制准确、模块化、制备成本低、应用范围广等特点。首先，本专利技术的主骨材料采用弹性超材料制成，具有高弹性特点，实现柔性关节变形后的快速回复。其次，本专利技术主骨结构在变形时主要承受压力作用，受到的压应力与变形较大，因此在弹性超材料的基础上进行拓扑优化设计，增加了槽形结构，在保证主骨支撑/承重情况下，使弹性主骨的压应力对材料影响减小，实现柔性关节的连续均匀变形，增加了柔性关节的使用寿命，同时实现变刚度的作用。再次，本专利技术的柔性关节可以实现准确控制，实现任意角度的停留，增加了关节的应用范围。最后，本专利技术具有模块化接口，可以快速安装相同模块，可组成空间柔性机械臂，通过控制系统控制不同模块的驱动器，可以实现复杂的空间运动，在海底探测、救援、医疗辅助等领域均可运用。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对软体机器人中可弯曲柔性关节技术的不足，提供了一种实现均匀变形、变刚度、大角度弯曲的柔性关节。该柔性关节采用螺旋卷绕型驱动器驱动，在模块上布置有3
‑
6个收缩率为33％
‑
40％的螺旋卷绕型驱动器，可以实现柔性关节的大角度变形，单个模块的弯曲变形可达50
°‑
65
°
。
[0007]本专利技术提出的柔性关节主骨采用弹性超材料制备而成，通过调整主骨结构参数，
保证主骨支撑/承重情况下，实现主骨变刚度特性，使柔性关节在运动过程中不会受到过大的弯曲应力，实现柔性关节的连续均匀变形，减少了主骨的剪切应力，增加了柔性关节的使用寿命
[0008]本专利技术的柔性关节采用模块化设计，通过组合多个模块构成的机械壁臂或机械结构能实现空间复杂运动，从简单的弯曲运动到复杂的空间S形运动，增加了机械结构的运用空间，可运用于管道检测、救援、海底探测等领域。
[0009]本专利技术的柔性关节控制系统简单，成本低，使用现有的单片机及其扩展接口，通过控制其功率输出，即可以实现对驱动器精确控制，进而实现机械臂或机械结构的复杂运动。
[0010]为了实现上述目的，本专利技术采用以下的技术方案：一种大角度、变刚度柔性关节，所述柔性关节由一个或多个柔性关节模块堆叠构成；所述柔性关节模块包括下底盘、螺旋卷绕型驱动器、弹性主骨和上底盘，所述弹性主骨的一端连接上底盘，另一端连接下底盘；所述上底盘和下底盘之间连接有N个螺旋卷绕型驱动器，N大于或等于3；所述下底盘设置有卡扣安装槽；所述上底盘设置有卡扣；所述螺旋卷绕型驱动器设置有金属丝；所述金属丝连接有控制系统；
[0011]所述弹性主骨为空间槽型结构；所述空间槽型结构为弹性主骨上具有一个或多个对称的槽口；弹性主骨的刚度通过调节弹性主骨的槽高H、槽内径D以及槽间距ΔH这三个参数来调节。
[0012]进一步地，所述控制系统由单片机、继电器和升压模块依次连接构成。
[0013]进一步地，所述下底盘和上底盘均设有螺栓连接孔；所述柔性关节模块之间通过卡扣和螺栓连接。
[0014]进一步地，所述金属丝围绕在螺旋卷绕型驱动器中，并露出首尾两端。
[0015]进一步地，每个螺旋卷绕型驱动器能进行独立驱动，也能多个螺旋卷绕型驱动器同时驱动。
[0016]进一步地，所述N个螺旋卷绕型驱动器均匀等角度分布。
[0017]进一步地，所述柔性关节模块之间交错安装。
[0018]进一步地，所述交错安装为相邻的两个柔性关节模块的螺旋卷绕型驱动器交错对接。
[0019]进一步地，所述弹性主骨为弹性超材料制件。
[0020]本专利技术的优点及有益效果是：
[0021]1、本专利技术应用范围广，由多个柔性关节组成的机械臂/机构，可以在管道检测、救援、海底探测等领域应用。例如：本专利技术组成的柔性机械臂可以运用于海底探测，在海底实现抓取海底动植物样本、检测/收集海洋信息等功能。
[0022]2、本专利技术的弹性主骨采用弹性超材料组成，增加了柔性关节的弹性回复能力；
[0023]3、本专利技术的弹性主骨制备时采用变刚度结构，在保证主骨支撑/承重情况下，实现柔性关节的连续均匀变形，减少了主骨的剪切应力，增加了柔性关节的使用寿命。
[0024]4、本专利技术采用的螺旋卷绕型驱动器，制备成本低，控制精度高，驱动器的收缩率可达33％
‑
40％，在模块上表现为弯曲角度在50
°‑
65
°
。根据输入的功率不同，柔性关节的弯曲
‑‑‑
回复过程在15
‑
40s范围内，大功率输入情况下可以实现关节的快速运动。
[0025]5、本专利技术采用模块化设计，模块间采用卡扣式安装，实现快速安装与定位，还可以
使用螺栓连接实现模块间的强化连接。同时，通过组合多个模块构成的机械壁/机械结构能实现空间复杂运动，从简单的弯曲运动到复杂的空间S形运动。
[0026]6、本专利技术控制系统简单，使用简单的单片机，控制输出驱动器的功率即可实现对模块的精确控制。
附图说明
[0027]图1为本专利技术的柔性关节模块结构示意图；
[0028]图2为本专利技术的模块单方向弯曲示意图；
[0029]图3为本专利技术的弹性主骨示意图；
[0030]图4为本专利技术的模块连接示意图；
[0031]图5为本专利技术组成的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大角度、变刚度柔性关节，其特征在于，所述柔性关节由一个或多个柔性关节模块堆叠构成；所述柔性关节模块包括下底盘(1)、螺旋卷绕型驱动器(2)、弹性主骨(3)和上底盘(4)，所述弹性主骨(3)的一端连接上底盘(4)，另一端连接下底盘(1)；所述上底盘(4)和下底盘(1)之间连接有N个螺旋卷绕型驱动器(2)，N大于或等于3；所述下底盘(1)设置有卡扣安装槽(1
‑
1)；所述上底盘(4)设置有卡扣(4
‑
1)；所述螺旋卷绕型驱动器(2)设置有金属丝(2
‑
1)；所述金属丝(2
‑
1)连接有控制系统；所述弹性主骨(3)为空间槽型结构；所述空间槽型结构为弹性主骨(3)上具有一个或多个对称的槽口；弹性主骨(3)的刚度通过调节弹性主骨(3)的槽高H、槽内径D以及槽间距ΔH这三个参数来调节。2.根据权利要求1所述的一种大角度、变刚度柔性关节，其特征在于，所述控制系统由单片机(5)、继电器(6)和升压模块(7)依次连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄菊伟，李华，李铁风，万磊，张岑楠，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：