桁架式柔性机械臂的制作方法

本发明属于机器人领域，特别涉及一种机械臂。

背景技术：

1962年，由美国Unimation公司设计生产的第一台工业机器人Unimate在通用汽车公司投入使用，标志着第一代机器人的诞生。随后的几十年里，随着计算机技术、制造技术、传感器、控制技术的发展，机器人的性能在大幅度提高，深入到人类的多个领域，在今后机器人将继续沿着横向和纵向发展。横向上，应用的范围越来越广。从空间上看机器人正从地面向太空、深海、地下扩展，从各个领域上讲，机器人将深入到工业、军事、航空、娱乐、服务；纵向上，机器人的种类将越来越多。微型机器人将会成为机器人的新秀，它能进入人体直接对细胞、病毒进行操作。总之，机器人将会变得更加智能，对人类的贡献越来越大。

机械臂是机器人的一种，传统的机械臂均为刚性连杆组成，通常有串联、并联或串并混联三种结构。这类机械臂的特点是具有离散关节和刚性连接，还有一类基于章鱼臂、象鼻等生物器官仿生的连续体机械臂。由于连续体机械臂可在任意部位产生柔性变形，所以具有很强的避障能力，能够更好的适应非结构环境，更好的抓取不规则物体。这类机械臂既可以像传统机械臂那样在末端装上夹持装置抓取物体，也可以利用机械臂本身卷起物体。从这类机械臂的结构上看，其功能强大，具有良好的柔顺性和适应性；从这类机器人的应用角度看，这些机械臂的操作对象往往是一些柔软、脆弱且有生命的目标，而传统的机械臂则不容易做到。

1995年，Immega等设计制作的KSI触手型机械手，该机械手主要有气囊、伺服电机、6根绳索组成，采用柔绳和气体混合驱动；2001年，Hannan和Walker等人研发了超冗余度象鼻型机器人，该机器人由16个2自由度U型关节组成,总长82.32cm,可被分为长度不等的4个部分,其中每个部分包括4个关节。每个关节由绳索与弹簧混合实现混合控制；2003年,Peirs等人研制了一种用于内窥镜机器人外科手术的柔性弯曲关节段。该连续机器人由微机电超弹性NiTi合金管构成,采用4根肌腱驱动,具有2个自由度,可在任意反方向弯曲90度；2007年,Harada等人研制了一种可弯曲的激光操作手,该操作手最大直径2.4mm,可向任意方向弯曲,最大弯曲角度为90度；2011年,德国费斯托公司研制根据大象鼻子的特点设计出来的新型仿生机器处理系统“仿生操作助手”,它可以平稳地搬运重负载,原理在于它的每一节椎骨可以通过气囊的压缩和充气进行扩展和收缩；2014年，中国专利CN203804991U,公开了一种弹簧线控柔性象鼻机械臂，该实用新型包括安装在机座上的多段串联的关节，其中串联的关节中第一关节的一端固定在机座上，第一关节的另一端和第二关节的一端固定连接在一起，其后依次类推，机座上固定有弹性支柱和驱动单元，驱动单元上有驱动弹簧，所述串联关节固定在弹性支柱上，并且驱动弹簧穿过串联关节。

以上所提到的这些类柔性机械臂按照驱动方式划分，可以分为三类：内驱动型、外驱动型和混合型。内驱动型一般采用波纹管内充流体驱动的方式，外驱动型采用轻质连续体加远程驱动的方式,混合型驱动是综合采纳了内、外两种驱动的混合方案。外驱动或混合驱动型方案中的轻质连续体的可能用弹性杆作为脊椎或用圆柱弹簧实现无脊椎。目前，这些类机械臂所实现的柔性程度不够，有一些柔性机械臂能实现伸缩和多个方向的弯曲，还有一些柔性机械臂仅能实现多个方向弯曲。在某些应用场合不仅需要柔性机械臂弯曲和伸缩，还需要有粗细的变换，以便适应更复杂的操作环境。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有良好的柔性，能够实现弯曲、伸缩和粗细变换，质量轻，机动性好，安全性高的桁架式柔性机械臂。

本发明包括机座、末端执行器和连接它们的多个结构相同依次串联的驱动单元，由两个驱动单元串联组成的机械臂为两级机械臂，根据使用要求可以衍生出三级机械臂，四级机械臂乃至多级机械臂，机械臂一端的驱动单元的一端与机座连接，机械臂另一端的驱动单元的一端与末端执行器连接，机械臂可以通过末端执行器来完成不同的工作，也可以利用机械臂本身卷取目标物体，在驱动单元外设有柔性的防护罩；所述驱动单元为一个六面体形状的桁架结构，其包括：八根横向气动肌腱、四根纵向气动肌腱、八个连接件和螺母，所述连接件为三棱柱形的壳体，在上下和相邻的四个壳体上均设有通孔，其中，四根相同的横向气动肌腱两端分别插入连接件相邻的通孔内通过螺母与连接件连接，并且相邻的两根相互垂直与同一个连接件相连，组成平面气动肌腱框，该平面气动肌腱框为相同的两个；另外四根相同的纵向气动肌腱两端分别插入上述每个气动肌腱框的四个连接件的上下通孔内通过螺母与连接件连接，组成立体气动肌腱框；连接件的另一个通孔用于连接另一个驱动单元的纵向气动肌腱，其它驱动单元依次连接。

所述防护罩采用多级安装，即每一级驱动单元都安装独立的防护罩，所述的防护罩为高弹性的柔性橡胶防护罩，将其固定在驱动单元的连接件上，并能随着驱动单元一起弯曲、伸缩和粗细变换。

本发明利用了气动肌腱自身的柔软性，不用附加其他运动副就可满足所述机械臂的弯曲，伸缩和粗细的变换。驱动单元运动的基本原理是通过横向气动肌腱的各自充放气使横向气动肌腱进行伸缩运动，从而改变驱动单元横向上的尺寸，达到单个驱动单元的粗细变换；通过纵向气动肌腱的的充放气使纵向气动肌腱进行伸缩运动，四根纵向气动肌腱彼此之间进行耦合运动，从而实现单个驱动单元的弯曲和伸缩运动。另一方面，所述机械臂大部分构件为柔性体，刚性连接件也采用轻质量的铝合金材质，机械臂自重较小。

本发明与现有技术相比具有如下优点：具有良好的柔性，能够实现横向的粗细变换，纵向的伸缩运动和多个方向的弯曲运动，质量轻，机动性好，在与人交互的过程中安全性高。

附图说明

图1为本发明的立体示意简图。

图2为本发明无防护罩的立体示意简图。

图3为本发明的驱动单元结构示意图。

图4为本发明带防护罩的驱动单元示意图。

图中：1-第一级驱动单元、2-第二级驱动单元、3-第三级驱动单元、4-第四级驱动单元、5-第五级驱动单元、6-末端执行器、7-机座、8-连接件、9-横向气动肌腱、10-纵向气动肌腱、11-螺母、12-防护罩。

具体实施方式

在图1和图2所示的桁架式柔性机械臂示意图中，第一级驱动单元1的一端与机座7连接，其另一端依次连接第二级驱动单元2、第三级驱动单元3、第四级驱动单元4和第五级驱动单元5，第五级驱动单元的另一端与末端执行器6连接，整个机械臂外设有柔性防护罩。

如图3所示，所述驱动单元为一个六面体形状的桁架结构，其包括：八根横向气动肌腱9、四根纵向气动肌腱10、八个连接件8和螺母11，所述连接件为三棱柱形的壳体，在上下和相邻的四个壳体上均设有通孔，十二根气动肌腱两端均设有螺纹接头，四根相同的横向气动肌腱两端的螺纹接头分别插入连接件相邻的通孔内，用螺母紧固，并且相邻的两根相互垂直与同一个连接件相连，组成平面气动肌腱框，该平面气动肌腱框为相同的两个；四根相同的纵向气动肌腱两端的螺纹接头分别插入上述每个气动肌腱框的四个连接件的上下通孔内通过螺母与连接件连接，组成立体气动肌腱框，连接件上下的另一个通孔用于连接另一个驱动单元的纵向气动肌腱，其它驱动单元依次连接；所述的连接件和螺母均为铝合金材质。

所述气动肌腱为一端带有径向气接口，气动肌腱的充放气过程的气体都经过此径向气接口，该接口可以直接和气动管路通过接头连接。气动肌腱充放气所需的管路布置在机器臂中部，每一条管路的一端连接所驱动的气动肌腱，另一端连接机座中相应的控制元件。气动肌腱自身具有柔性，无需添加其他的运动副便能实现自身弯曲，所以气动肌腱和连接件之间无需添加辅助运动副，四根纵向气动肌腱便可通过自身的充放气进行并联耦合运动，从而实现驱动单元的弯曲和伸缩运动。所述的驱动单元的粗细变换是通过八根横向气动肌腱实现的，这八根气动肌腱同时充气或同时排气便能实现驱动单元的变细变粗。需要指出的是，八根横向气动肌腱不仅仅局限于同时的充放气，驱动单元的粗细变换也不仅仅局限于规则的变换。

如图4所示，机械臂的防护罩12采用的是多级安装的方法，即每一级驱动单元都安装独立的防护罩，所述的防护罩为高弹性的柔性橡胶防护罩，将其固定在驱动单元的连接件上，并能随着驱动单元一起弯曲、伸缩和粗细变换。