本公開屬于柔性臂，特別涉及一種繩驅(qū)與氣動混合控制的柔性機械臂。

背景技術(shù)：

1、柔性機械臂是近年來機器人技術(shù)領(lǐng)域的一個重要研究方向。與傳統(tǒng)的剛性機械臂相比，柔性機械臂具有更大的靈活性和適應性，能夠在復雜或受限的空間內(nèi)工作，并且可以更安全地與人類進行交互。柔性機械臂雖然具備諸多優(yōu)點，但在實際應用中仍面臨一系列的技術(shù)挑戰(zhàn)。與剛性機械臂相比，柔性機械臂的負載能力通常較低。限制了它在某些重載任務中的應用。柔性機械臂的設(shè)計往往需要考慮到集成度和小型化的問題，以便更好地適應特定的工作環(huán)境，尤其是醫(yī)療、救援等需要精細操作的場合。目前的柔性臂大部分是單一的繩驅(qū)控制，運動性能、穩(wěn)定性和剛度都存在一定問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本公開旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。

2、為此，本公開實施例提供的的一種繩驅(qū)與氣動混合控制的柔性機械臂，其運動性能良好且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3、為了實現(xiàn)上述目的，本公開采用如下技術(shù)方案：

4、本公開提供的一種繩驅(qū)與氣動混合控制的柔性機械臂，包括蛇形臂和驅(qū)動單元；

5、所述蛇形臂，包括由若干順次設(shè)置的蛇骨關(guān)節(jié)組成的蛇形臂本體，以及沿所述蛇形臂本體軸向設(shè)置的約束繩、驅(qū)動繩和通氣軟管；所述蛇骨關(guān)節(jié)具有相對設(shè)置的第一側(cè)壁和第三側(cè)壁以及相對設(shè)置的第二側(cè)壁和第四側(cè)壁，所述第一側(cè)壁和第三側(cè)壁的端部作為相鄰蛇骨關(guān)節(jié)的滾動接觸面，該滾動接觸面為呈階梯狀的內(nèi)外兩層接觸曲面，用于防止兩個蛇骨關(guān)節(jié)之間出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)情況，位于同一側(cè)壁一端的內(nèi)層接觸曲面凸出于外層接觸曲面，位于該側(cè)壁另一端的外層接觸曲面凸出于內(nèi)層接觸曲面，在所述第二側(cè)壁和第四側(cè)壁上均分別設(shè)有供所述通氣軟管穿過的軟管通道和供所述驅(qū)動繩穿過的驅(qū)動繩孔，所述驅(qū)動繩的末端固定在所述蛇形臂本體的末端蛇骨關(guān)節(jié)上，在所述通氣軟管與所述軟管通道的側(cè)壁之間設(shè)有彈性金屬絲，所述通氣軟管通氣膨脹后擠壓所述彈性金屬絲，以加大所述彈性金屬絲與所述蛇骨關(guān)節(jié)之間的摩擦力，從而增大所述蛇形臂本體的整體剛度；所述約束繩連接在相鄰蛇骨關(guān)節(jié)之間，并在所述第一側(cè)壁和所述第三側(cè)壁的外側(cè)呈交叉狀布設(shè)，且所述約束繩的繩長不變、不可拉伸，用于保證相鄰蛇骨關(guān)節(jié)的緊密接觸，從而提升蛇形臂本體彎曲時的連續(xù)性；

6、所述驅(qū)動單元，包括安裝于框架上的繩控機構(gòu)和氣控機構(gòu)；所述蛇形臂本體的前端蛇骨關(guān)節(jié)安裝于所述框架上；所述繩控機構(gòu)與所述驅(qū)動繩的前端連接，用于控制所述驅(qū)動繩的收放，以改變所述蛇形臂本體的位姿；所述氣控機構(gòu)與所述通氣軟管的前端連接，用于使所述通氣軟管內(nèi)的氣壓保持恒定。

7、在一些實施例中，所述蛇形臂中設(shè)置的所述約束繩的根數(shù)為1根、2根或4根。

8、在一些實施例中，在相配合的兩個蛇骨關(guān)節(jié)中，在所述內(nèi)層接觸曲面的側(cè)面和所述外層接觸曲面的側(cè)面之間存有微小間隙，以減小所述蛇形臂彎曲時的內(nèi)部摩擦。

9、在一些實施例中，所述蛇骨關(guān)節(jié)的第一側(cè)壁和第三側(cè)壁上均分別形成有沿各自壁厚方向設(shè)置的4個約束繩孔，第一約束繩孔和第三約束繩孔呈對角設(shè)置，第二約束繩孔和第四約束繩孔呈對角設(shè)置，約束繩連接于相鄰兩蛇骨關(guān)節(jié)的第一約束繩孔和第三約束繩孔之間，以及第二約束繩孔和第四約束繩孔之間。

10、在一些實施例中，位于所述蛇骨關(guān)節(jié)的同一側(cè)壁上其中一對呈對角設(shè)置的約束繩孔處均設(shè)有凸臺，以避免所述約束繩在交叉點處的接觸。

11、在一些實施例中，所述蛇骨關(guān)節(jié)端部的內(nèi)層接觸曲面和外層接觸曲面的形狀均分別按照以下步驟確定：

12、以第一蛇骨關(guān)節(jié)中第三約束繩孔的中心為坐標原點，以第一蛇骨關(guān)節(jié)中第三約束繩孔和第二約束繩孔的中心連線所在直線為x軸，以平行于蛇形臂軸向為y軸，并與第二蛇骨關(guān)節(jié)中的第一約束繩孔和第四約束繩孔建立幾何關(guān)系模型，記第一蛇骨關(guān)節(jié)中靠近其第四約束繩孔和第一約束繩孔一側(cè)的接觸曲面為第一接觸曲面，并設(shè)定其在xy平面上的投影曲線，記第二蛇骨關(guān)節(jié)中與所述第一接觸曲面相配合的接觸曲面為第二接觸曲面；

13、在第一約束繩孔與第三約束繩孔的中心距、第二約束繩孔與第四約束繩孔的中心距及第四約束繩孔與第四約束繩孔的中心距保持不變的條件下，改變建立的幾何模型中第一約束繩孔和第四約束繩孔的坐標，以模擬第一蛇骨關(guān)節(jié)與第二蛇骨關(guān)節(jié)間的旋轉(zhuǎn)運動，第一接觸曲面在不同坐標下的外輪廓會形成一條包絡線，通過在該包絡線進行取點以得到近似曲線，作為所述第二接觸曲面在xy平面上的投影曲線。

14、在一些實施例中，所述蛇骨關(guān)節(jié)的第一側(cè)壁和第三側(cè)壁的外表面均為平面，第二側(cè)壁和第四側(cè)壁的外表面均為圓弧面，第二側(cè)壁和第四側(cè)壁的兩端均設(shè)計為斜面。

15、在一些實施例中，所述繩控機構(gòu)包括至少一個繩控組件，用于控制相應的一根驅(qū)動繩；

16、所述繩控組件包括電機、絲杠、滑臺、拉力傳感器和定滑輪組；所述電機的輸出端與所述絲杠連接，所述滑臺可移動地套設(shè)在所述絲杠上，通過所述滑臺的移動控制所述驅(qū)動繩的收放，所述拉力傳感器固定在所述滑臺上并與所述驅(qū)動繩連接，用于實時獲取驅(qū)動繩的拉力；所述定滑輪組設(shè)置在所述滑臺與蛇形臂的前端之間，用于對所述驅(qū)動繩進行導向。

17、在一些實施例中，所述繩控組件還包括用于手動調(diào)節(jié)所述驅(qū)動繩的松緊程度的手動調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，所述手動調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)包括手動平移臺和動滑輪，所述動滑輪固定在所述手動平移臺內(nèi)的滑塊上，所述驅(qū)動繩繞過所述動滑輪后接入對應的定滑輪組，通過所述動滑輪隨所述滑塊的移動調(diào)節(jié)所述驅(qū)動繩的松緊程度。

18、在一些實施例中，所述氣控機構(gòu)包括氣源、比例閥、兩個電磁閥和若干氣管；所述氣源通過主氣管與所述比例閥的進氣口連接，各電磁閥分別設(shè)置在與所述比例閥的出氣口連接的相應一條氣管支路上，通過第一電磁閥和第二電磁閥分別控制各條氣管支路的通斷，各條氣管支路的出氣口與相應的所述通氣軟管的前端連通。

19、本公開實施例提供的一種繩驅(qū)與氣動混合控制的柔性機械臂，具有以下特點及有益效果：

20、本公開中設(shè)計了全新的蛇骨關(guān)節(jié)，并使用交叉繩約束連接，提高了運動的連續(xù)性和穩(wěn)定性，具體地，本公開中設(shè)計的蛇骨關(guān)節(jié)為滾動接觸關(guān)節(jié)，并且滾動接觸曲面滿足運動交叉約束等長不變的條件。本公開采用繩驅(qū)動與氣動相結(jié)合的控制方式，提高了運動的靈活性，同時，加入氣動控制又能增大整體的剛度和穩(wěn)定性。驅(qū)動單元中，加入了手動調(diào)節(jié)鋼絲繩松緊程度的結(jié)構(gòu)，確保繩驅(qū)穩(wěn)定，提高運動性能。

技術(shù)特征：

1.一種繩驅(qū)與氣動混合控制的柔性機械臂，其特征在于，包括蛇形臂和驅(qū)動單元；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性機械臂，其特征在于，所述蛇形臂中設(shè)置的所述約束繩的根數(shù)為1根、2根或4根。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性機械臂，其特征在于，在相配合的兩個蛇骨關(guān)節(jié)中，在所述內(nèi)層接觸曲面的側(cè)面和所述外層接觸曲面的側(cè)面之間存有微小間隙，以減小所述蛇形臂彎曲時的內(nèi)部摩擦。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性機械臂，其特征在于，所述蛇骨關(guān)節(jié)的第一側(cè)壁和第三側(cè)壁上均分別形成有沿各自壁厚方向設(shè)置的4個約束繩孔，第一約束繩孔和第三約束繩孔呈對角設(shè)置，第二約束繩孔和第四約束繩孔呈對角設(shè)置，約束繩連接于相鄰兩蛇骨關(guān)節(jié)的第一約束繩孔和第三約束繩孔之間，以及第二約束繩孔和第四約束繩孔之間。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的柔性機械臂，其特征在于，位于所述蛇骨關(guān)節(jié)的同一側(cè)壁上其中一對呈對角設(shè)置的約束繩孔處均設(shè)有凸臺，以避免所述約束繩在交叉點處的接觸。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的柔性機械臂，其特征在于，所述蛇骨關(guān)節(jié)端部的內(nèi)層接觸曲面和外層接觸曲面的形狀均分別按照以下步驟確定：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性機械臂，其特征在于，所述蛇骨關(guān)節(jié)的第一側(cè)壁和第三側(cè)壁的外表面均為平面，第二側(cè)壁和第四側(cè)壁的外表面均為圓弧面，第二側(cè)壁和第四側(cè)壁的兩端均設(shè)計為斜面。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性機械臂，其特征在于，所述繩控機構(gòu)包括至少一個繩控組件，用于控制相應的一根驅(qū)動繩；

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的柔性機械臂，其特征在于，所述繩控組件還包括用于手動調(diào)節(jié)所述驅(qū)動繩的松緊程度的手動調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，所述手動調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)包括手動平移臺和動滑輪，所述動滑輪固定在所述手動平移臺內(nèi)的滑塊上，所述驅(qū)動繩繞過所述動滑輪后接入對應的定滑輪組，通過所述動滑輪隨所述滑塊的移動調(diào)節(jié)所述驅(qū)動繩的松緊程度。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性機械臂，其特征在于，所述氣控機構(gòu)包括氣源、比例閥、兩個電磁閥和若干氣管；所述氣源通過主氣管與所述比例閥的進氣口連接，各電磁閥分別設(shè)置在與所述比例閥的出氣口連接的相應一條氣管支路上，通過第一電磁閥和第二電磁閥分別控制各條氣管支路的通斷，各條氣管支路的出氣口與相應的所述通氣軟管的前端連通。

技術(shù)總結(jié)
本公開提供的一種繩驅(qū)與氣動混合控制的柔性機械臂，包括：蛇形臂，包括若干順次設(shè)置的蛇骨關(guān)節(jié)及沿其軸向設(shè)置的約束繩、驅(qū)動繩和通氣軟管；蛇骨關(guān)節(jié)具有分別相對設(shè)置的第一、第三側(cè)壁和第二、第四側(cè)壁，第一、第三側(cè)壁的端部作為相鄰蛇骨關(guān)節(jié)的滾動接觸面，為呈階梯狀的內(nèi)外兩層接觸曲面，在第二、第四側(cè)壁上均分別設(shè)有軟管通道和驅(qū)動繩孔，驅(qū)動繩的末端固定在末端蛇骨關(guān)節(jié)上，在通氣軟管與軟管通道的側(cè)壁之間設(shè)有彈性金屬絲；約束繩連接在相鄰蛇骨關(guān)節(jié)之間，并在第一、第三側(cè)壁的外側(cè)呈交叉狀布設(shè)，且其繩長不變、不可拉伸；驅(qū)動單元，包括分別與驅(qū)動繩和通氣軟管前端連接的繩控機構(gòu)和氣控機構(gòu)。本柔性機械臂的運動性能良好且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

技術(shù)研發(fā)人員：郭娜,崔新男,魏純杰,柴榮軒
受保護的技術(shù)使用者：北京科技大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19