一种自重构变刚度机械臂

技术领域

本发明属于机械臂技术领域，涉及一种自重构变刚度机械臂。

背景技术

机械臂作为能模仿人手臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。随着机械臂技术的发展，机械臂主要分为软体机械臂和刚性冗余度机械臂。

目前，刚性冗余度机械臂已经有了长足的发展，在工厂等结构化工作中有了广泛的应用。其灵活性好、精度高，通用性强、作业准确稳定，但冗余度设计，会增大质量、成本、能耗和控制难度，对非结构化环境适应性差。

由于对在非结构化环境工作的需求，因此，近年软体机械臂也得到了一定的发展，其结构简单、轻便灵活，在非结构化工作环境中有很好的适应性。软体机械臂可以在狭小空间内作业的优点一定程度上弥补了刚性机器人的不足，但其在狭小空间作业输出力矩小，刚度小，但不能稳定作业。

随着智能化进程，机械臂需要应对更多的非结构化工作环境，亟需一款兼具软体机械臂和刚性冗余度机械臂优点的新型机械臂。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种自重构变刚度机械臂，能够实现多角度大变形，扩大工作空间和提高对非结构化环境的适应能力，作业稳定。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种自重构变刚度机械臂，包括依次设置的上端盖、连杆以及转接座，所述连杆包括软体执行器，软体执行器一端与上端盖连接，另一端与转接座连接；所述软体执行器外部设置有脊柱，所述脊柱外部设置有韧带，所述软体执行器内部设置有气腔，所述转接座上设置有第一气口，所述第一气口与气腔连通。

进一步地，还包括连接器底座，所述连接器底座设置于转接座内侧，所述连杆还包括依次设置于韧带外圆周的内层膜、中层膜以及外层膜；所述内层膜、中层膜以及外层膜的两端分别与上端盖和连接器底座连接；所述内层膜、外层膜、上端盖以及连接器底座之间形成密闭空间，所述中层膜设置于所述密闭空间内；所述上端盖上设置有第二气口，所述第二气口与密闭空间连通。

进一步地，所述中层膜为若干单片中层膜层层叠加而成。

进一步地，相邻的所述单片中层膜之间活动连接。

进一步地，所述单片中层膜包括若干依次排列且连在一起的上边翼和与若干上边翼一一对称设置的下边翼，所述单片中层膜的中心设置有导孔和与所述导孔相匹配的导向槽；所述中层膜为通过连接线沿着导孔及导向槽将单片中层膜层层缠绕形成空心圆柱形的多层中层膜，具体为通过连接件将上一个单片中层膜的导孔与下一个单片中层膜的导向槽连接在一起。优选地，所述连接件为聚酯纤维线。

进一步地，所述脊柱至少有2个，阵列固定于软体执行器的外圆周；所述韧带呈圆周均布于脊柱的外圆周。

优选地，所述脊柱通过粘合剂固定于软体执行器上，所述韧带通过粘合剂固定于脊柱上。

进一步地，所述内层膜呈筒状包裹着脊柱和韧带，所述中层膜呈筒状包裹着内层膜，所述外层膜呈筒状包裹着中层膜。

进一步地，所述内层膜和外层膜为硅胶薄膜；所述单片中层膜为聚氨酯薄膜。

进一步地，所述气腔有三个，周向均布于软体执行器内，可以通过转接座上的第一气口分别调节三个气腔的压力。优选地，气腔为半圆柱，在达到相同弯曲角度的时候，半圆的腔体受到的最大应力要比圆形和圆环腔体要小一点。

进一步地，还包括舵机，所述舵机通过舵机安装座与上端盖连接。舵机可以搭载多种末端执行器，使本发明的机械臂可以适用于多种不同的场景。

与现有技术相比，本发明提供了一种自重构变刚度机械臂，具备以下有益效果：

(1)本发明的变刚度连杆在软体驱动器驱动下可以实现多角度大变形，扩大工作空间和提高对非结构化环境的适应能力。

(2)本发明的机械臂利用双边翼襟结构聚氨酯薄膜层叠编制的圆柱体在内层硅胶薄膜和外层硅胶薄膜形成的真空中，使其中双边翼襟聚氨酯薄膜层压紧，摩檫力增大，进而使聚氨酯薄膜层编制成的圆柱体刚度增加。聚氨酯薄膜层编制成的圆柱体刚度增加，使连杆刚度增加由“软”变“硬”可以承受更大的负载。

(3)本发明的机械臂在变刚度连杆末端装有舵机，舵机可以搭载多种末端执行器，使该机械臂可以适用于多种不同的场景。

(4)本发明的机械臂柔顺灵活、结构轻巧，而且通过调节负压的大小以调节整体的刚度大小，稳定可控，输出力矩较大。

附图说明

图1为本发明机械臂的立体结构示意图(其中连杆2上部采用逐层透视方式展示其内部结构)；

图2为本发明机械臂的其中一种拓扑变形；

图3为通过手动驱动本发明机械臂得到的一种拓扑变形；

图4为本发明机械臂去掉舵机11和舵机安装座12后的剖视结构示意图；

图5为本发明中转接座24的主视结构示意图；

图6为本发明机械臂去掉舵机11和舵机安装座12后的俯视结构示意图；

图7为本发明中单片中层膜261的展开视图；

图8为本发明中单片中层膜261层层叠加而成的中层膜26的三维实体视图；

图9为本发明中脊柱28的立体结构示意图。

图中附图标记的含义为：11-舵机；12-舵机安装座；2-连杆；21-上端盖；22-外层膜；23-连接器底座；24-转接座；25-软体执行器；26-中层膜；261-单片中层膜；262-上边翼；263-下边翼；264-导向槽；265-导孔；27-内层膜；28-脊柱；29-韧带；210-气腔；211-第一气口；212-第二气口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图5所示，本发明的机械臂，包括依次设置的上端盖21、连杆2以及转接座24，连杆2包括软体执行器25，软体执行器25一端与上端盖21连接，另一端与转接座24连接；软体执行器25外部设置有脊柱28，脊柱28外部设置有韧带29，软体执行器25内部设置有气腔210，转接座24上设置有第一气口211，第一气口211与气腔210连通。

在本实施例的一种具体实施方式中，软体执行器25外部设置有与每一节脊柱配合的若干个卡槽，卡槽能够防止脊柱28乱转。

在本实施例的一种具体实施方式中，软体执行器25的外部形状与脊柱的内圈形状相匹配，如图9所示。

如图4和图6所示，在本实施例的一种具体实施方式中，还包括连接器底座23，连接器底座23设置于转接座24内侧，连杆2还包括依次设置于韧带29外圆周的内层膜27、中层膜26以及外层膜22；内层膜27、中层膜26以及外层膜22的两端分别与上端盖21和连接器底座23连接；内层膜27、外层膜22、上端盖21以及连接器底座23之间形成密闭空间，中层膜26设置于密闭空间内；上端盖21上设置有第二气口212，第二气口212与密闭空间连通。

如图4所示，在本实施例的一种具体实施方式中，上端盖21为台阶轴结构，自左向右依次为第一台阶、第二台阶以及第三台阶，第三台阶内设置有沉孔，软体执行器25的端部嵌入沉孔中，第三台阶与脊柱28和韧带29的位置相对应设置，第二台阶与内层膜27和中层膜26端部连接，第一台阶与外层膜22端部连接。内层膜27、中层膜26和外层膜22分别与第二台阶和第三台阶连接，这样能够保证密闭空间的形成。

如图4所示，所述连接器底座23的外部也为台阶轴结构设置，自右向左分别为第一台阶、第二台阶以及第三台阶，所述连接器底座23的中心为左侧直径小、右侧直径大的通孔，软体执行器25的端部设置为与通孔相匹配的形状，这样能够进一步的加强软体执行器与连接器底座的连接关系。连接器底座23外部的第一台阶、第二台阶以及第三台阶与连杆中各部件的连接方式、原理与上端盖一样，故，不再赘述。

对本发明机械臂的刚度进行调节时，其调节过程如下：

转接座24与气泵连接，气泵工作，通过位于第一气口211能够调节气腔210内的气压，可以驱动机械臂弯曲到合适的角度位置，如图2所示。驱动本发明的机械臂实现拓扑变形后，第二气口212与气泵连接，通过位于上端盖21的第二气口212调节由内层膜27和外层膜22形成的密闭空间的气压，使密闭空间与外界形成压力差P，在压力作用下，层叠的单边中层膜26之间的摩擦力增加，在累积的摩擦力作用下，中层膜26硬度增加达到硬化的效果，实现机械臂的刚度调节，保持机械臂的形状。

另外，可以通过手动的方式驱动机械臂弯曲到异形位置，其拓扑方式主要如图3所示。

脊柱28的设置主要是为了防止弯曲时中层膜26(聚氨酯薄膜)变形和维持连杆2弯曲时的直径。

在本实施例的一种具体实施方式中，中层膜26为若干单片中层膜261层层叠加而成。

在本实施例的一种具体实施方式中，相邻的单片中层膜261之间活动连接。

如图7所示，在本实施例的一种具体实施方式中，单片中层膜261包括若干依次排列且连在一起的上边翼262和与若干上边翼262一一对称设置的下边翼263，单片中层膜261的中心设置有导孔265和与导孔265相匹配的导向槽264；中层膜26为通过连接线沿着导孔265及导向槽264将单片中层膜261层层缠绕形成空心圆柱形的多层中层膜26，如图8所示，具体为通过连接件将上一个单片中层膜261的导孔265与下一个单片中层膜261的导向槽264连接在一起。优选地，连接件为聚酯纤维线。

在本实施例的一种具体实施方式中，脊柱28至少有2个，阵列固定于软体执行器25的外圆周；韧带29呈圆周均布于脊柱28的外圆周。

优选地，脊柱28通过粘合剂固定于软体执行器25上，韧带29通过粘合剂固定于脊柱28上。

在本实施例的一种具体实施方式中，内层膜27呈筒状包裹着脊柱28和韧带29，中层膜26呈筒状包裹着内层膜27，外层膜22呈筒状包裹着中层膜26。

在本实施例的一种具体实施方式中，内层膜27和外层膜22为硅胶薄膜；单片中层膜261为聚氨酯薄膜。

在本实施例的一种具体实施方式中，气腔210有三个，周向均布于软体执行器25内，可以通过转接座24上的第一气口211分别调节三个气腔210的压力。

在本实施例的一种具体实施方式中，气腔210为半圆柱，在达到相同弯曲角度的时候，半圆的腔体受到的最大应力要比圆形和圆环腔体要小一点，大约会小1牛/每平方毫米。

在本实施例的一种具体实施方式中，还包括舵机11，舵机11通过舵机安装座12与上端盖21连接。舵机11可以搭载多种末端执行器，使本发明的机械臂可以适用于多种不同的场景。

如下面公式(1)可知，单片中层膜261的导孔265与导向槽264之间的距离能够决定中层膜26的长度，中层膜26的长度为：

其中，N是单片中层膜261叠加的层数，D为导向槽264的长度，h为单片中层膜261的内外中间的间距，d为单片中层膜261上导孔265与导向槽264之间的距离。

通常，中层膜这类包裹在连杆上的膜会限制机械臂整体弯曲角度(弯曲角度最大180°，不能更大)，因为弯曲时，凹面是压缩的，所以该侧的中层膜需要缩短，凸面是拉伸的，中层膜需要伸长，但通过本发明中单片中层膜的设置，本发明的中层膜不会限制本发明的机械臂整体的弯曲角度，整个连杆的伸长缩短的距离是虽被中层膜覆盖的，但又不被中层膜限制其弯曲、伸长以及缩短。

本发明的中层膜26扩大了刚度可调范围，在同等负压条件下，中层膜刚度在其长度最长的时候最小，在长度最短的时候最大。

提供摩擦的整体区域决定了刚度大小，刚度大小可以使用分离层所需要的力F＝μNPWL来表征。其中μ是摩擦系数，N是重叠层数，W和L分别是内/外边翼的宽和长。故，可以通过调整压力差P，实现对机械臂的刚度调节。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。