【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于软体机器人，具体涉及一种混合驱动柔性机械臂。
技术介绍
1、现有的柔性机械臂大多采用单一的驱动方式，例如气驱动、形状记忆合金以及绳驱动方式。但是单一的驱动方式存在一定的局限性，例如气驱动可以使机械臂结构设计紧凑，但是对气密性和控制精度具有高要求；形状记忆合金可以实现快速收缩变形，但是需要较长时间进行冷却；绳驱动具备较大驱动力，但是需要额外的电机和装置来实现牵引绳的拉伸和收缩。因此，单一的驱动器限制了柔性机械臂的作动效率。其次，大部分柔性机械臂的驱动器采用的是集中布置方式，这也限制了柔性机械臂的自由度和整体变形能力。最后，现有的柔性机械臂一般采用硅胶或复合材料制备，制作工艺复杂、质量较重，这使得机械臂的可达工作空间受到了限制。
2、为了进一步提升柔性机械臂的空间可达性和变形能力，同时实现其轻量化和制备过程简化，我们设计了该基于折纸结构的模块化混合驱动机械臂。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种空间构型丰富、运动能力出众的混合驱动柔性机械臂。
2、本专利技术设计的混合驱动柔性机械臂，采用模块化组合结构，包括抓手模块和若干个体节模块；每个模块均具有折纸结构；若干个体节模块串联连接；每一个体节模块具备4个方向的弯曲和轴向伸长的变形能力；抓手模块位于串联连接的体节模块的末端，具备抓取不同形状、不同软硬物体的能力；因此机械臂具备出色的空间可达性，可实现丰富的空间构型。其中：
3、体节模块中，每一个体节模块由yoshimura折纸结构
4、所述pcb电路板分为上、下两块；
5、所述气动模组至少有一组，例为一组、两组、三组、四组等，多组气动模的两端分别固定连接于两块pcb电路板上，多组气动模在空间上均匀布局于两块pcb电路板之间；每个气动模包含一个气动肌肉，通过同一气路进行控制，并且由外部气泵进行供气；
6、所述yoshimura折纸结构，其两端固定连接于两块pcb电路板上，空间上包围在多组气动模的外面；
7、所述形状记忆合金弹簧至少有四个，例为如四个、五个、六个等，多个形状记忆合金弹簧的两端分别固定连接于两块pcb电路板上，多个形状记忆合金弹簧在空间上均匀布局与两块pcb电路板之间，并且位于yoshimura折纸结构的外侧；通过电路控制电流的开与关，进而控制形状记忆合金弹簧的加热收缩过程；通过对气动肌肉进行充气，可实现体节的伸长；加热相邻两根形状记忆合金弹簧，同时对气动肌肉进行充气，可实现体节的单侧弯曲。
8、所述抓取模块，由waterbomb折纸结构、滑块、滑轨、牵引绳、形状记忆合金弹簧和pcb电路板构成；其中：
9、所述滑轨为圆柱体，其一端固定于pcb电路板的中心位置；滑块为一圆形块，其中心部位开有与圆柱体滑轨直径匹配的圆孔，套在圆柱体滑轨上，可上下滑动；
10、所述形状记忆合金弹簧至少为两根，例如为两根、三根、四根等，多根形状记忆合金弹簧的两端分别固定连接于pcb电路板与滑块上，多根形状记忆合金弹簧在空间上均匀布局在pcb电路板与滑块之间；通过电路控制电流的开与关，进而控制形状记忆合金弹簧的加热收缩过程；
11、所述waterbomb折纸结构包围在形状记忆合金弹簧、滑块、滑轨组合件外面，waterbomb折纸的前端与pcb电路板固定连接；牵引绳至少有两根牵引绳，例如为两根、三根、四根等，牵引绳的一端固定连接于滑块的另一侧面，另一端连接于waterbomb折纸前端的抓手手指上；
12、其动作过程为：将某相邻两个形状记忆合金短弹簧通电加热发生收缩变形，缩短滑块与pcb电路板之间距离，使滑块沿滑轨向底部滑动；同时，多根牵引绳在滑块的牵引下，使折纸抓手前端向内侧弯曲，抓手模块将表现出抓取状态。当两根形状记忆短弹簧停止通电加热，抓手模块将逐渐恢复到初始张开状态。
13、所述体节模块中：
14、进一步的，所述气动肌肉由气囊、t型封口、扎带和pu气管组成；气囊外部包裹有编织袋，在充气后主要产生轴向变形；气囊的一端由t型封口密封，并由扎带与上部pcb电路板过固定；气囊的一端另一端pu气管固定连接，多个pu气管连接至一个汇流盘上，汇流盘的另一侧连接总供气管，用于给气囊供气。
15、进一步的，两块pcb的挖孔几何结构相同。中心处的圆孔可供气管穿过模块内部。圆孔周围的多给安装槽，用于固定气动肌肉。具体地，气动肌肉末端的t型封口可横放进入安装槽，而后旋转90度与pcb板进行固定。气动肌肉进气端为锁紧扎带，扎带锁扣与电路板搭，而后通过另一根横向扎带固定。每一个模块上的多个气动肌肉都通过该方式与pcb板进行固定。气动肌肉的驱动气压范围为0.125mpa至0.225mpa。
16、进一步的，每一块pcb板上同时设计有形状记忆合金弹簧安装孔，形状记忆合金弹簧各自通过螺栓与pcb板进行连接。
17、进一步的，yoshimura折纸结构两端均通过螺栓与pcb板进行连接，为了保证折纸结构在具备大变形能力的同时具备一定的承载力，这里选择厚度为0.125mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)薄膜，而后用激光切割机进行加工制作。
18、进一步的，模块pcb板上同时也包括主控芯片、远程信号传输芯片、电路开关控制芯片、惯性传感器以及相关的配套电路。
19、进一步的，每一块pcb板的靠近外边缘部分设计有四个圆形安装孔，可以用于体节模块之间、体节模块与抓取模块之间的连接。
20、进一步的，两块pcb板的尺寸应该满足弯曲至最大角度前不存在干涉的原则。
21、所述抓取模块中：
22、进一步的，滑轨通过螺栓与抓取模块的pcb板进行连接。
23、进一步的，waterbomb折纸抓手结构通过螺栓与pcb进行连接，为了保证折纸抓手结构具备一定的抓取承载力，这里选择厚度为0.125mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)薄膜，而后用激光切割机进行加工制作。
24、进一步的，牵引绳均一端固定在折纸抓手内侧，另一端通过螺栓固定在圆柱形滑块上。圆柱形滑块中心有圆孔，可沿着滑轨进行滑动。
25、进一步的，形状记忆合金短弹簧一端通过螺栓固定在滑块的底部，另一端通过螺栓固定在抓手模块pcb板上。
26、与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果
27、(1)本专利技术设计的机械臂实现了加工过程的简单化、整体的轻量化：相较于传统的柔性机械臂一般采用硅胶制作主体，本设计主体的折纸结构可通过激光切割技术进行快速加工，制作非常便捷；同时，折纸结构由于是将薄膜材料通过折叠形成的三维结构，因此整体质量非常轻；此外，本专利技术所设计的折纸机械臂基于模块化思想，便于进行结构和功能的调整；
28、通过电路控制电流的开与关，进而控制形状记忆合金弹簧的加热收缩过程；
29、(2)本专利技术的机械臂具备出色的运动能力：轴向变形又气本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于折纸结构的混合驱动柔性机械臂，其特征在于，采用模块化组合结构，包括抓手模块和若干个体节模块；每个模块均具有折纸结构；若干个体节模块串联连接；每一个体节模块具备4个方向的弯曲和轴向伸长的变形能力；抓手模块位于串联连接的体节模块的末端，具备抓取不同形状、不同软硬物体的能力；其中：
2.根据权利要求1所述的基于折纸结构的混合驱动柔性机械臂，其特征在于，所述体节模块中，所述气动肌肉由气囊、T型封口、扎带和PU气管组成；气囊外部包裹有编织袋，在充气后主要产生轴向变形；气囊的一端由T型封口密封，并由扎带与上部PCB电路板过固定；气囊的一端另一端PU气管固定连接，多个PU气管连接至一个汇流盘上，汇流盘的另一侧连接总供气管，用于给气囊供气。
3.根据权利要求2所述的基于折纸结构的混合驱动柔性机械臂，其特征在于，所述体节模块中，两块PCB的几何结构相同；中心处开有圆孔，供气管穿过模块内部；圆孔周围设有多个安装槽，用于固定气动肌肉；具体地，气动肌肉末端的T型封口横放进入安装槽，而后旋转90度与PCB板进行固定；气动肌肉进气端由扎带锁紧，扎带锁扣与电路板搭，而后通过
4.根据权利要求1所述的基于折纸结构的混合驱动柔性机械臂，其特征在于，所述体节模块中，每一块PCB板上同时设计有形状记忆合金弹簧安装孔，形状记忆合金弹簧各自通过螺栓与PCB板进行连接。
5.根据权利要求1所述的基于折纸结构的混合驱动柔性机械臂，其特征在于，所述体节模块中，Yoshimura折纸结构两端均通过螺栓与PCB板进行连接；Yoshimura折纸结构采用厚度为0.125 mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯，用激光切割机进行加工制作得到。
6.根据权利要求1所述的基于折纸结构的混合驱动柔性机械臂，其特征在于，所述体节模块中，模块PCB板上还设置有主控芯片、远程信号传输芯片、电路开关控制芯片、惯性传感器以及相关的配套电路。
7.根据权利要求1所述的基于折纸结构的混合驱动柔性机械臂，其特征在于，所述体节模块中，每一块PCB板的靠近外边缘部分设计有四个圆形安装孔，用于体节模块之间、体节模块与抓取模块之间的连接。
8.根据权利要求1所述的基于折纸结构的混合驱动柔性机械臂，其特征在于，所述体节模块中，两块PCB板的尺寸满足弯曲至最大角度前不存在干涉的要求。
9.根据权利要求1所述的基于折纸结构的混合驱动柔性机械臂，其特征在于，所述抓取模块中，
10.根据权利要求1-9之一所述的基于折纸结构的混合驱动柔性机械臂，其特征在于，所述体节模块有四个；每个体节模块中，气动模组中有三个气动模，形状记忆合金弹簧有四根；所述抓取模块中，形状记忆合金弹簧有四根；所述牵引绳有四根。
...【技术特征摘要】
1.一种基于折纸结构的混合驱动柔性机械臂，其特征在于，采用模块化组合结构，包括抓手模块和若干个体节模块；每个模块均具有折纸结构；若干个体节模块串联连接；每一个体节模块具备4个方向的弯曲和轴向伸长的变形能力；抓手模块位于串联连接的体节模块的末端，具备抓取不同形状、不同软硬物体的能力；其中：
2.根据权利要求1所述的基于折纸结构的混合驱动柔性机械臂，其特征在于，所述体节模块中，所述气动肌肉由气囊、t型封口、扎带和pu气管组成；气囊外部包裹有编织袋，在充气后主要产生轴向变形；气囊的一端由t型封口密封，并由扎带与上部pcb电路板过固定；气囊的一端另一端pu气管固定连接，多个pu气管连接至一个汇流盘上，汇流盘的另一侧连接总供气管，用于给气囊供气。
3.根据权利要求2所述的基于折纸结构的混合驱动柔性机械臂，其特征在于，所述体节模块中，两块pcb的几何结构相同；中心处开有圆孔，供气管穿过模块内部；圆孔周围设有多个安装槽，用于固定气动肌肉；具体地，气动肌肉末端的t型封口横放进入安装槽，而后旋转90度与pcb板进行固定；气动肌肉进气端由扎带锁紧，扎带锁扣与电路板搭，而后通过另一根横向扎带固定；每一个模块上的多个气动肌肉都通过该方式与pcb板进行固定；气动肌肉的驱动气压范围为0.125 mpa至0.225 mpa。
4.根据权利要求1所述的基于折纸结构的混合驱动柔性机械臂，其特征在于，所述体节模块中，每一块pc...
【专利技术属性】
技术研发人员：张琦炜，谭康宁，方虹斌，王延杰，何子瀚，庞泓森，
申请(专利权)人：复旦大学义乌研究院，
类型：发明
国别省市：
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