流體骨骼柔性機械臂裝置的製作方法
2023-10-17 14:41:24
本發明屬於機器人技術領域，特別涉及一種流體骨骼柔性機械臂裝置的結構設計。
背景技術：
機器人設計的目標是代替人完成任務，通常需要有一雙手臂。人的臂部具有七個自由度，屬於串聯懸臂結構，具有發達的肌肉，能夠產生很大的力量並且在較高速度下運動，這些都使得機械臂的研製有很大的困難。無論是美國卡內基·梅隆大學研製的CMU/Sarcos機器人、韓國高技術研究院研製的HUBO機器人、日本本田公司研製的ASIMO機器人……都有一個共同的特點：這些傳統的機器人手臂均為多個剛性連杆通過關節串聯或並聯構成，存在結構複雜、體積大、重量大、耗能多、成本高等不足。
為克服傳統離散型剛性機器人的固有缺陷，近二十餘年來關於連續型柔性體機器人的研究已在世界範圍內大量展開。
J.Yang等人曾在論文中描述一種通過多組腱繩分別牽引串列的各級彈簧的連續型機器人。該裝置被證明具有良好的機動性、可靠性和經濟性。
Walker等人曾經在文獻中介紹了所研製的柔性連續體機械臂OCTARM。此外，受生物界象鼻和柔性觸手等的啟發而設計出的機器人Air-Octor，具有較好的彎曲能力，並顯示其冗餘自由度性能在許多場合下優於相同自由度的剛性機械臂。
德國費斯託(FESTO)公司模仿大象鼻子和魚鰭概念研製了一種利用氣體驅動的仿象鼻柔性機械臂。該裝置由多個沿著曲線以堆疊的方式布置的操縱組件構成，每個操縱組件又分別包含多個聯接板和多個流體腔。
中國發明專利CN103895012B曾公開一種仿象鼻機械臂單元，包括基座、多個人工肌肉組件、多個中間件、多個彈簧、末端件和柔性罩；其中人工肌肉組件包括驅動器、傳動機構和柔性螺杆組件。該裝置具有多個自由度，能夠向多個方向彎曲。
但是，現有的大部分柔性機械臂方案皆存在如下不足：
1)驅動機構相對複雜。如Air-Octor和FESTO公司提出的仿象鼻柔性機械臂需要控制氣體的專門設備，使得整個系統質量較大、耗能和成本較高；而在各型通過腱繩或柔性杆位移驅動的機械臂中，由於每一腱繩或柔性杆均對應一個驅動器，在實現多向彎曲時所需的驅動器數量較多，顯著增加了系統的成本和複雜度。
2)承載能力和穩定性有限。由於廣泛採用彈簧等柔性部件作為支撐結構，一些柔性機械臂易發生由負載造成的變形，從而造成失穩或精度下降。
技術實現要素：
本發明的目的是為了克服已有技術的不足之處，提出一種流體骨骼柔性機械臂裝置，使其具有多個自由度，能夠柔性地向不同方向彎曲，從而做出不同的空間形狀，使連接在機械臂末端的工具可以抵達某個空間位置，同時自重輕、體積小、結構緊湊和成本低等特點。
本發明的技術方案如下：
本發明設計的一種流體骨骼柔性機械臂裝置，其特徵在於：包括基座、第一驅動器、第二驅動器、第三驅動器、第一傳動機構、第二傳動機構、第三傳動機構、第一腱繩、第二腱繩、第三腱繩、N個流體骨骼單元和末端件；所述第一驅動器固定安裝在基座上，所述第一驅動器的輸出軸與第一傳動機構的輸入端相連，所述第一傳動機構的輸出端與第一腱繩的一端相連，所述第一腱繩的另一端與末端件相連，所述第一腱繩穿過所有的流體骨骼單元；所述第二驅動器固定安裝在基座上，所述第二驅動器的輸出軸與第二傳動機構的輸入端相連，所述第二傳動機構的輸出端與第二腱繩的一端相連，所述第二腱繩的另一端與末端件相連，所述第二腱繩穿過所有的流體骨骼單元；所述第三驅動器固定安裝在基座上，所述第三驅動器的輸出軸與第三傳動機構的輸入端相連，所述第三傳動機構的輸出端與第三腱繩的一端相連，所述第三腱繩的另一端與末端件相連，所述第三腱繩穿過所有的流體骨骼單元；所述流體骨骼單元包括下板、上板、3個柔性管、連接管、流體和至少一個電動閥門；所述柔性管的兩端分別連接下板和上板，所述簧件的兩端分別連接下板和上板，所述流體密封在連接管和3個柔性管中；各柔性管的兩端分別通過柔性管上密封件和柔性管下密封件封閉，但柔性管下密封件與所述連接管連通；故連通管聯通所述各柔性管。所述電動閥門設置在連接管上，控制3個柔性管中的流體相互連通或相互截止；所述3個柔性管均布在上板和下板之間；所述下板上設置有圓周均布的第一下板通孔、第二下板通孔和第三下板通孔；所述上板上設置有圓周均布的第一上板通孔、第二上板通孔和第三上板通孔；第一個流體骨骼單元的下板與基座固接，所有所述流體骨骼單元依次逐個相連，每個位於下方的流體骨骼單元的上板與位於上方的流體骨骼單元的下板固接；最後一個流體骨骼單元的上板與末端件固接；所述第一腱繩依次穿過所有流體骨骼單元的第一下板通孔、第一上板通孔；所述第二腱繩依次穿過所有流體骨骼單元的第二下板通孔、第二上板通孔；所述第三腱繩依次穿過所有流體骨骼單元的第三下板通孔、第三上板通孔；N為自然數。
本發明所述的流體骨骼柔性機械臂裝置，其特徵在於：所述柔性管採用套簧絲波紋管或嵌簧絲波紋管。
本發明所述的流體骨骼柔性機械臂裝置，其特徵在於：所述流體骨骼單元還包括簧件，所述簧件設置在下板和上板之間。
本發明所述的流體骨骼柔性機械臂裝置，其特徵在於：所述流體採用水。
本發明所述的流體骨骼柔性機械臂裝置，其特徵在於：所述驅動器採用電機、液壓缸或氣缸。
本發明與現有技術相比，具有以下優點和突出性效果：
本發明所述的流體骨骼柔性機械臂裝置具有多個自由度，能夠向多個方向彎曲和伸縮，可以做出各種彎曲的空間形狀，使連接在仿象鼻機械臂裝置末端的工具可以抵達某個空間位置，機動性好，具有較好的柔性，在與人交互的過程中安全性高，同時自重輕、體積小、結構緊湊和成本低。
附圖說明
圖1是本發明設計的流體骨骼柔性機械臂裝置的一種實施例的立體外觀圖。
圖2是圖1所示實施例的正視圖。
圖3是圖1所示實施例的剖視圖。
圖4是圖1所示實施例中流體骨骼單元的立體圖。
圖5是圖1所示實施例中流體骨骼單元的正視圖。
圖6是圖1所示實施例中上板(或下板)的正視圖。
圖7是圖1所示實施例中流體骨骼單元的爆炸圖。
在圖1至圖7中：
1－基座，
21－第一驅動器(第一電機)， 22－第二驅動器(第二電機)， 23－第三驅動器(第三電機)，
31－第一傳動機構， 32－第二傳動機構， 33－第三傳動機構，
312－第一滑軌， 322－第二滑軌， 332－第三滑軌，
313－第一螺母板， 323－第二螺母板， 333－第三螺母板，
314－第一絲槓， 324－第二絲槓， 334－第三絲槓，
41－第一腱繩， 42－第二腱繩， 43－第三腱繩，
5－流體骨骼單元， 51－下板， 52－上板，
53－柔性管， 54－連接管， 55－流體，
56－電動閥門， 571－第一下板通孔， 572－第二下板通孔，
573－第三下板通孔， 581－第一上板通孔， 582－第二上板通孔，
583－第三上板通孔， 591－柔性管上密封件， 592－柔性管下密封件，
6－末端件。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例進一步詳細介紹本發明的具體結構、工作原理等內容。
本發明設計的流體骨骼柔性機械臂裝置的一種實施例，如圖1所示，包括基座1、第一驅動器21、第二驅動器22、第三驅動器23、第一傳動機構31、第二傳動機構32、第三傳動機構33、第一腱繩41、第二腱繩42、第三腱繩43、N個流體骨骼單元5和末端件6；所述第一驅動器21固定安裝在基座1上，所述第一驅動器21的輸出軸與第一傳動機構31的輸入端相連，所述第一傳動機構31的輸出端與第一腱繩41的一端相連，所述第一腱繩41的另一端與末端件6相連，所述第一腱繩41穿過所有的流體骨骼單元5；所述第二驅動器22固定安裝在基座1上，所述第二驅動器22的輸出軸與第二傳動機構32的輸入端相連，所述第二傳動機構32的輸出端與第二腱繩42的一端相連，所述第二腱繩42的另一端與末端件6相連，所述第二腱繩42穿過所有的流體骨骼單元5；所述第三驅動器23固定安裝在基座1上，所述第三驅動器的輸出軸與第三傳動機構33的輸入端相連，所述第三傳動機構33的輸出端與第三腱繩43的一端相連，所述第三腱繩43的另一端與末端件6相連，所述第三腱繩43穿過所有的流體55骨骼單元5；所述流體骨骼單元5包括下板51、上板52、3個柔性管53、連接管54、流體55和至少一個電動閥門56；所述柔性管53的兩端分別連接下板51和上板52，所述簧件的兩端分別連接下板51和上板52，所述流體55密封在連接管54和3個柔性管53中；所述連接管54連通3個柔性管53；所述電動閥門56設置在連接管54上，控制3個柔性管53中的流體55相互連通或相互截止；所述3個柔性管53均布在上板52和下板51之間；所述下板51上設置有圓周均布的第一下板通孔571、第二下板通孔572和第三下板通孔573；所述上板52上設置有圓周均布的第一上板通孔581、第二上板通孔582和第三上板通孔583；第一個流體骨骼單元5的下板51與基座1固接，所有所述流體骨骼單元5依次逐個相連，每個位於下方的流體骨骼單元5的上板52與位於上方的流體骨骼單元5的下板51固接；最後一個流體骨骼單元5的上板52與末端件6固接；所述第一腱繩41依次穿過所有流體骨骼單元5的第一下板通孔571、第一上板通孔581；所述第二腱繩42依次穿過所有流體骨骼單元5的第二下板通孔572、第二上板通孔582；所述第三腱繩43依次穿過所有流體骨骼單元5的第三下板通孔573、第三上板52通孔；N為自然數。
本實施例中，N為6。
本發明所述的流體骨骼柔性機械臂裝置，其特徵在於：所述柔性管53採用套簧絲波紋管或嵌簧絲波紋管。本實施例中，所述柔性管53採用嵌簧絲波紋管。
另一種實施例中，所述流體骨骼單元5還包括簧件，所述簧件設置在下板51和上板52之間。由於本實施例柔性管53採用的是嵌簧絲波紋管，其中已經有簧件嵌入到波紋管中，故可不另設簧件。
本實施例中，所述流體55採用水。
本發明所述的流體骨骼柔性機械臂裝置，其特徵在於：所述第一驅動器21採用電機、液壓缸或氣缸。本實施例中，所述第一驅動器21採用電機。
本發明所述的流體骨骼柔性機械臂裝置，其特徵在於：所述第二驅動器22採用電機、液壓缸或氣缸。本實施例中，所述第二驅動器22採用電機。
本發明所述的流體骨骼柔性機械臂裝置，其特徵在於：所述第三驅動器23採用電機、液壓缸或氣缸。本實施例中，所述第三驅動器23採用電機。
本實施例中，第一傳動機構31、第二傳動機構32和第三傳動機構33結構相同，以第一傳動機構31為例說明。所述第一傳動機構31包括絲槓312和螺母板313，所述第一電機21的輸出軸與第一絲槓314相連，所述第一絲槓314與第一螺母板313螺紋連接，所述第一螺母板313滑動鑲嵌在基座1中，所述第一螺母板313與第一腱繩41的一端相連。
本實施例中，第一上板通孔581、第二上板通孔582、第三上板通孔583所在圓周同第一柔性管、第二柔性管、第三柔性管的圓心所在圓周同心，且第一上板通孔581、第二上板通孔582、第三上板通孔583的圓心分別位於過第一柔性管53、第二柔性管53、第三柔性管53的圓心所在的半徑上；本實施例中，第一下板通孔571、第二下板通孔572、第三下板通孔573所在圓周同第一柔性管53、第二柔性管53、第三柔性管53的圓心所在圓周同心，且第一下板通孔571、第二下板通孔572、第三下板通孔573的圓心位於過第一柔性管53、第二柔性管53、第三柔性管53的圓心所在的半徑上。
所述基座1還包括固接在一起的第一滑軌312、第二滑軌322和第三滑軌332。所述第一螺母板313滑動鑲嵌在第一滑軌312上，所述第二螺母板323滑動鑲嵌在第二滑軌322上，所述第三螺母板333滑動鑲嵌在第三滑軌332上。
本實施例的工作原理，結合附圖敘述如下：
本實施例處於初始狀態時，如圖1所示。
打開某個電動閥門56，關閉其餘電動閥門56，然後第一驅動器21轉動，通過第一傳動機構31帶動第一螺母板313直線向下運動，向下拉動第一腱繩41，與第一腱繩41對應的(在打開了電動閥門56的流體55骨骼單元5中的)第一柔性管受到擠壓，其中的流體55流向同一層的第二柔性管和第三柔性管，與此同時，與第二柔性管、第三柔性管相對應的第二腱繩42、第三腱繩43分別在第二驅動器22、第三驅動器23的轉動作用下也向上移動，從而為第一柔性管排出的流體55留出容積空間。最後關閉該電動閥門56，禁止流體55繼續流動。
之後再打開另一個電動閥門56，繼續上述過程。
通過分配第一腱繩41、第二腱繩42和第三腱繩43的位移量，可控制該裝置的末端件6抵達工作空間中的任意位置。
當對機械臂進行反向操作時，原理同上述過程相同，僅各腱繩的移動方向相反，不再贅述。
本發明所述的流體骨骼柔性機械臂裝置具有多個自由度，能夠向多個方向彎曲和伸縮，可以做出各種彎曲的空間形狀，使連接在仿象鼻機械臂裝置末端的工具可以抵達某個空間位置，機動性好，具有較好的柔性，在與人交互的過程中安全性高，同時自重輕、體積小、結構緊湊和成本低。