專利名稱：用于服務(wù)機(jī)器人的柔性操作臂的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人操作臂，尤其是涉及在服務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用的柔性機(jī)器人操作臂。
背景技術(shù)：
眾所周知，操作臂是一種常見的機(jī)器人機(jī)構(gòu)。操作臂可以實(shí)現(xiàn)焊接、抓取和點(diǎn)觸等多種功能，因此操作臂廣泛應(yīng)用于自動(dòng)裝配、噴漆、搬運(yùn)、焊接等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。目前的操作臂絕大多數(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，雖然擁有高精度等優(yōu)點(diǎn)，但是工業(yè)操作臂體積臃腫龐大，靈活度低，外殼堅(jiān)硬，成本高昂。而在服務(wù)對(duì)象是人的場(chǎng)合，往往希望操作臂更靈活，更輕巧，更安全，并且成本相對(duì)較低。因此，普通的工業(yè)操作臂無法滿足家庭服務(wù)、醫(yī)療設(shè)施等領(lǐng)域的需求。具體來說:普通的操作臂工作空間狹小，靈活性不高，這使得操作臂在執(zhí)行抓取和點(diǎn)觸等任務(wù)時(shí)嚴(yán)重受限制。為拓展操作臂的工作空間和增加操作臂的自由度，一般采用的方法是增加操作臂的關(guān)節(jié)數(shù)量。雖然隨著關(guān)節(jié)數(shù)目的增加，操作臂末端在可達(dá)空間和靈活性方面的性能都有所提高，但是由于關(guān)節(jié)的復(fù)雜度高，且體積和重量偏大，因此增加關(guān)節(jié)的數(shù)量必然會(huì)導(dǎo)致操作臂的復(fù)雜度變大，成本大幅度提高，外形臃腫、粗壯。目前，操作臂一旦制作完成后，就只能執(zhí)行一種任務(wù)，即用途單一，不具有持續(xù)的使用價(jià)值。一旦環(huán)境和任務(wù)發(fā)生變化，用途單一的操作臂就無法適應(yīng)新的環(huán)境和任務(wù)，這時(shí)就需要再生產(chǎn)一支全新的操作臂。又由于生產(chǎn)操作臂需要大量的前期工作，且制作周期長、成本高,重新生產(chǎn)操作臂勢(shì)必會(huì)造成浪費(fèi),增加成本。并且，當(dāng)前的操作臂多是剛性的、堅(jiān)硬的，容易對(duì)服務(wù)對(duì)象造成傷害。操作臂在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，堅(jiān)硬的操作臂極可能誤撞旁邊的人或者貴重物體，對(duì)服務(wù)對(duì)象造成嚴(yán)重的傷害，因此目前的操作臂安全系數(shù)比較低，潛伏著安全隱患。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明目的是解決目前工業(yè)操作臂工作空間狹小、用途單一和存在安全隱患的問題，提供一種用于服務(wù)機(jī)器人的柔性操作臂，以便適用于家庭服務(wù)、醫(yī)療設(shè)施等領(lǐng)域。本發(fā)明提供的用于服務(wù)機(jī)器人的柔性操作臂，包括關(guān)節(jié)和連桿，所述的連桿是能夠在三維立體空間中任意彎曲成一定形狀并能保持相應(yīng)形狀的柔性連桿。所述的柔性操作臂的具體結(jié)構(gòu)包括:與機(jī)器人連接的基座，基座上順次安裝的第一關(guān)節(jié)、第一柔性連桿、第二關(guān)節(jié)和第二柔性連桿，第二柔性連桿上安裝有操作臂末端。所述的柔性連桿是具有定型能力的定型軟管。所述的柔性連桿亦即定型軟管，在無外力的情況下，柔性連桿的形狀不會(huì)改變；當(dāng)施加在柔性連桿上的外力大于柔性連桿自身的承受力時(shí)(柔性連桿自身承受力一般在200N-600N之間)，柔性 連桿能夠在三維立體空間中任意彎曲成一定形狀并能保持相應(yīng)形狀，彎曲時(shí)長度和大小基本穩(wěn)定。所述操作臂末端的支撐力在30N-50N之間，用于實(shí)現(xiàn)抓取、點(diǎn)觸等功能。該操作臂在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，一旦操作臂的工作空間不能滿足當(dāng)前任務(wù)的需求，可根據(jù)任務(wù)情況，快速調(diào)整定型軟管2，也就是改變操作臂的形狀來滿足任務(wù)需求，豐富了少關(guān)節(jié)操作臂末端4的工作空間。該操作臂在環(huán)境和任務(wù)發(fā)生改變時(shí)，通過改變?nèi)嵝赃B桿2的形態(tài)，來適應(yīng)新的環(huán)境和任務(wù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)用同一支操作臂來完成多種多樣的任務(wù)。操作臂具有一定柔性，一旦機(jī)器人控制系統(tǒng)失靈，操作臂意外碰撞外界人和物體，定型軟管2的被動(dòng)柔性會(huì)使操作臂被動(dòng)地改變自身形狀，從而在操作臂與其碰撞的外界人和物體之間形成一種緩沖。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:該操作臂可通過人為施加外力而調(diào)整操作臂柔性連桿2的形態(tài)，既而調(diào)整了操作臂的形態(tài)，即能得到滿足任務(wù)需求的操作臂形態(tài)。換言之，由于可以不斷調(diào)整自身形態(tài)，該操作臂采用少量的關(guān)節(jié)就可以得到多關(guān)節(jié)操作臂才能獲得的工作空間，即用少自由度的操作臂就可完成高自由度操作臂才能完成的任務(wù)。并且，在環(huán)境和任務(wù)發(fā)生變化時(shí)，不需要再制作新的操作臂，直接根據(jù)新的環(huán)境和需求來改變操作臂柔性連桿2的形態(tài)，就可以完成新的任務(wù)，從而適應(yīng)多種多樣的環(huán)境。這就實(shí)現(xiàn)了操作臂的復(fù)用，賦予了操作臂長久的使用價(jià)值，這就避免了重新生產(chǎn)操作臂帶來的浪費(fèi)，降低了操作臂的成本。又由于該操作臂具有被動(dòng)柔性，在與外界事物碰撞時(shí)，柔性連桿2在碰撞瞬間會(huì)被動(dòng)地改變自身形態(tài)，從而降低了操作臂對(duì)外界事物的傷害，極大地保障了服務(wù)對(duì)象的安全，為其在家庭服務(wù)、醫(yī)療設(shè)施等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。并且該柔性操作臂成本與工業(yè)操作臂相比大大降低，為機(jī)器人走進(jìn)千家萬戶提供了可能。


圖1是本發(fā)明提供的用于服務(wù)機(jī)器人的柔性操作臂。圖2是本發(fā)明提供的變形后的用于服務(wù)機(jī)器人的柔性操作臂。

圖中，I是關(guān)節(jié)，2是柔性連桿(定型軟管)，3是與機(jī)器人連接的基座，4是操作臂末端。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例如圖1或2所示，本發(fā)明提供的用于服務(wù)機(jī)器人的柔性操作臂，包括與機(jī)器人連接的基座3，基座3上順次安裝的第一關(guān)節(jié)1、第一柔性連桿2、第二關(guān)節(jié)I和第二柔性連桿2，第二柔性連桿2上安裝有操作臂末端4。所述的第一、第二柔性連桿亦即定型軟管(可在市場(chǎng)上購買到)2能夠在三維立體空間中任意彎曲成一定形狀并能保持相應(yīng)形狀。當(dāng)施加在定型軟管2上的外力小于軟管承受能力(200N-600N)時(shí)，該定型軟管2的形狀保持不變；當(dāng)施加在該定型軟管2上的外力大于軟管承受能力時(shí)，比如施加700N的外力，軟管可在三維立體空間中任意彎曲成一定形狀并能保持其形狀，彎曲時(shí)長度和大小基本穩(wěn)定，且彎曲后，彎管本身具有一定的支撐力。由于力的施加點(diǎn)不同，所以操作臂末端的支撐力在30N50N之間。當(dāng)連接兩個(gè)關(guān)節(jié)的定型軟管2因外力而改變形狀時(shí)，操作臂的形態(tài)也就隨之改變了。該操作臂在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，如果操作臂無法滿足當(dāng)前任務(wù)要求的工作空間，可以人為給定型軟管2施加一個(gè)外力(如700N)，不斷調(diào)整操作臂的形態(tài)，直到獲得滿足任務(wù)需求的理想形態(tài)(如圖2所示)。即用少量的關(guān)節(jié)，就可以得到豐富的工作空間，用少自由度的操作臂，完成多自由度操作臂才能執(zhí)行的任務(wù)。當(dāng)外界環(huán)境和任務(wù)發(fā)生變化時(shí)，不需要再重新生產(chǎn)制作操作臂，可直接改變操作臂的形態(tài)來適應(yīng)新的環(huán)境和任務(wù)，即復(fù)用同一支操作臂來完成多種多樣的任務(wù)。并且，在使用定型軟管后，該操作臂具有被動(dòng)柔性，一旦機(jī)器人控制系統(tǒng)失靈，操作臂意外碰撞周邊的人和物體，由定型軟管構(gòu)成的連桿2會(huì)在碰撞瞬間被動(dòng)地改變自身形狀，在操作臂和碰撞到的事物之間形成一種緩沖，這種緩沖極大地降低了操作臂對(duì)外界人和物體的傷害，保障了服務(wù)對(duì)象的安全。`
權(quán)利要求
1.一種用于服務(wù)機(jī)器人的柔性操作臂，該操作臂包括關(guān)節(jié)和連桿，其特征是所述的連桿是能夠在三維立體空間中任意彎曲成一定形狀并能保持相應(yīng)形狀的柔性連桿。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于服務(wù)機(jī)器人的柔性操作臂，其特征是所述的柔性連桿是具有定型能力的定型軟管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于服務(wù)機(jī)器人的柔性操作臂，其特征是所述的柔性連桿亦即定型軟管，在無外力的情況下，柔性連桿的形狀不會(huì)改變；當(dāng)施加在柔性連桿上的外力大于柔性連桿自身的承受力時(shí)，柔性連桿能夠在三維立體空間中任意彎曲成一定形狀并能保持相應(yīng)形狀，彎曲時(shí)長度和大小基本穩(wěn)定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的用于服務(wù)機(jī)器人的柔性操作臂，其特征是所述操作臂末端的支撐力在30N-50N之間，用于實(shí)現(xiàn)抓取、點(diǎn)觸功能。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的用于服務(wù)機(jī)器人的柔性操作臂，其特征是所述的柔性操作臂的具體結(jié)構(gòu)包括:與機(jī)器人連接的基座，基座上順次安裝的第一關(guān)節(jié)、第一柔性連桿、第二關(guān) 節(jié)和第二柔性連桿，第二柔性連桿上安裝有操作臂末端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于服務(wù)機(jī)器人的柔性操作臂。該操作臂包括關(guān)節(jié)和連桿，所述的連桿是能夠在三維立體空間中任意彎曲成一定形狀并能保持相應(yīng)形狀的柔性連桿，如定型軟管；連桿彎曲時(shí)長度和大小基本穩(wěn)定，且彎曲后具有一定的支撐力。該操作臂關(guān)節(jié)少，卻擁有多關(guān)節(jié)操作臂才擁有的豐富的工作空間，可執(zhí)行多自由度操作臂才能完成的任務(wù)。并且該操作臂具有多種用途，可實(shí)現(xiàn)復(fù)用同一支操作臂來適應(yīng)多種多樣的環(huán)境和任務(wù)。同時(shí)，該操作臂具有被動(dòng)柔性，可降低對(duì)外界人和物體的傷害，保障了服務(wù)對(duì)象的安全。與傳統(tǒng)操作臂相比，該柔性操作臂更靈活、更輕巧、更安全，且該柔性操作臂的成本大為降低，更加適合在家庭服務(wù)、醫(yī)療設(shè)施等領(lǐng)域的應(yīng)用。
文檔編號(hào)B25J18/06GK103231388SQ201310173918
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月10日
發(fā)明者劉景泰, 于寧波, 許林, 張森, 郝潔 申請(qǐng)人:南開大學(xué)