一种仿生象鼻柔性机械臂的可变刚度结构及其方法

1.本发明涉及机器人设计技术领域，具体为一种仿生象鼻柔性机械臂的可变刚度结构及其方法。


背景技术：

2.由于现有传统机械臂在狭小复杂的地形环境下缺少自主适应性，导致刚性机械臂难以完成某些特定任务。故近些年来，软体机械臂属于机器人领域研究的热点课题，具有实现超冗余和无限自由度的平滑柔顺运动的能力，但是也存在着控制精度差，复杂环境适应性差，刚度低，刚度调控困难，难以负载大重量物体的缺点。
3.据观察分析，大象鼻子具有独特的生理结构，在通过对象鼻根部与端部的ct出切片图研究过后发现象鼻各段由不同的肌肉以不同的比例组合而成，能够利用不同部位依照个体需求完成特定曲率和刚度的弯曲，通过此提出一种在软体机械臂的基础上的变刚度的策略，实现柔性气体机械臂在不同任务场景需求下不同刚度的调整，同时建立地面柔性臂弯曲曲率测试平台对于各种场景活动给出最优臂体设计方案，为此我们提出一种仿生象鼻柔性机械臂的可变刚度结构及其方法用于解决上述问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种仿生象鼻柔性机械臂的可变刚度结构及其方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种仿生象鼻柔性机械臂的可变刚度结构，包括基座，所述基座的一端面固定安装若干柔性气动执行器，所述柔性气动执行器设置四条并且沿基座的轴线圆周阵列均匀分布，所述柔性气动执行器上均匀卡接有若干其余可拆装干涉板，靠近基座一侧的所述其余可拆装干涉板与基座之间设有第一块可拆装干涉板，所述第一块可拆装干涉板通过螺钉与基座固定连接。
6.优选的，所述基座整体为圆盘结构并且采用光固化树脂材料制成，所述基座的中心开设一个主通孔一，所述基座的一端面分别环形阵列固接有四个方形凹槽，所述四个方形凹槽的中心设有开设在基座上的四个固定气孔栓用六角通孔，所述四个方形凹槽之间分别设有四个固定臂体用螺纹孔。
7.优选的，所述四个方形凹槽内分别卡接柔性气动执行器的一端，所述四个固定臂体用螺纹孔配合螺钉与第一块可拆装干涉板固定连接。
8.优选的，所述第一块可拆装干涉板的中心开设有主通孔二，所述主通孔二的周侧开设有方形内凹通孔一，所述方形内凹通孔一内卡接柔性气动执行器，所述方形内凹通孔一之间设有开设在第一块可拆装干涉板周侧边缘的圆形通孔一，所述第一块可拆装干涉板靠近主通孔二一侧开设有四个螺纹孔，所述螺纹孔配合螺钉与固定臂体用螺纹孔固定连接。
9.优选的，所述柔性气动执行器包括顶部长方体形硅胶结构、底部圆柱形硅胶结构、
气腔单元，所述气腔单元之间分别卡接第一块可拆装干涉板、其余可拆装干涉板，所述气腔单元的一端固定连接顶部长方体形硅胶结构，所述顶部长方体形硅胶结构卡接在方形凹槽内，所述气腔单元的另一端固定连接底部圆柱形硅胶结构。
10.优选的，所述气腔单元由十二个首尾相连的气腔结构组成并且气腔单元采用柔性材料制成，所述气腔单元包括进气孔、气腔通孔、气腔外壁、气腔内壁、气腔内腔，所述进气孔开设在顶部长方体形硅胶结构上，所述进气孔的一端连通气腔通孔，所述气腔通孔的一侧连通有若干气腔内腔，所述气腔内腔远离气腔通孔的一侧设有气腔外壁，所述气腔通孔远离气腔内腔的一侧设有气腔内壁，所述气腔外壁之间分别卡接若干其余可拆装干涉板和第一块可拆装干涉板。
11.优选的，所述其余可拆装干涉板的中心开设主通孔三，所述主通孔三的周侧阵列开设有四个方形内凹通孔二，所述方形内凹通孔二内卡接柔性气动执行器，所述方形内凹通孔二之间设有开设在其余可拆装干涉板边缘的圆形通孔二。
12.本发明还提供了一种仿生象鼻柔性机械臂的可变刚度结构的使用方法，包括如下步骤：
13.s1、基座组装：先将第一块可拆装干涉板的方形内凹通孔一内分别卡入四条柔性气动执行器，卡入时，第一块可拆装干涉板位于顶部长方体形硅胶结构与气腔单元连接处，然后四条柔性气动执行器的顶部长方体形硅胶结构卡入到基座的方形凹槽内，在使用螺钉穿入基座的固定臂体用螺纹孔，配合第一块可拆装干涉板上开设的螺纹孔，使第一块可拆装干涉板与基座固定连接；
14.s2、干涉板组装：将其余可拆装干涉板分别径向插入柔性气动执行器的气腔单元中间，插入时，方形内凹通孔二分别卡入气腔单元的气腔外壁之间；
15.s3、执行任务：通过柔性气动执行器的进气孔将气体输入，由于柔性气动执行器的底部圆柱形硅胶结构封闭，气体通过气腔通孔充满整体柔性气动执行器内部，使得柔性气动执行器内部气压升高，此时气腔内腔开始膨胀，同时气腔内壁不发生形变，膨胀的气腔内腔使气腔外壁开设伸长，实现柔性气动执行器弯曲的运动趋势。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了柔性机械臂的结构包括基座，柔性气动执行器，可拆装干涉板，基座用于固定机械臂，柔性气动执行器由半圆形气腔结构组成，该气腔可对内腔进行单向充气或者放气用以实现对机械臂姿态运动控制，多个可拆装干涉板垂直于轴线分布在两个气腔之间用于径向固定，本发明通过设计干涉板在机械臂中的分布，具体表现为以机械臂分段形式对干涉板进行位置排布，可提高机械臂的整体或局部刚度，实现刚化效果，并且由于易拆装性，使得整体机械臂在面对不同任务场景时可进行变刚度灵活适应性处理，实现臂体可变刚度，并且机械臂可以首尾相连组成更长、功能更多的新机械臂，通过实验与仿真建立变刚度弯曲曲率以及装配方案数据库，便于使用者面对不同任务环境时进行臂体设计的查表。
附图说明
17.图1为本发明结构示意图；
18.图2为本发明主视图；
19.图3为本发明中柔性气动执行器结构示意图；
20.图4为本发明中柔性气动执行器剖视结构示意图；
21.图5为本发明中基座结构示意图；
22.图6为本发明中基座上视图；
23.图7为本发明中其余可拆装干涉板上视图；
24.图8为本发明中第一块可拆装干涉板上视图；
25.图9-12为本发明不同空位分段的其余可拆装干涉板排布示意图。
26.图中：101、柔性气动执行器；102、基座；103、第一块可拆装干涉板；104、其余可拆装干涉板；201、顶部长方体形硅胶结构；202、底部圆柱形硅胶结构；203、气腔单元；204、进气孔；205、气腔通孔；206、气腔外壁；207、气腔内壁；208、气腔内腔；301、固定臂体用螺纹孔；302、方形凹槽；303、固定气孔栓用六角通孔；304、主通孔一；401、圆形通孔一；402、主通孔二；403、螺纹孔；404、方形内凹通孔一；501、圆形通孔二；502、主通孔三；503、方形内凹通孔二。
具体实施方式
27.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。
28.实施例1
29.参照图1-8，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种仿生象鼻柔性机械臂的可变刚度结构，包括基座102，基座102用于将本发明连接至固定点位，基座102的一端面固定安装若干柔性气动执行器101，柔性气动执行器101设置四条并且沿基座102的轴线圆周阵列均匀分布，柔性气动执行器101上均匀卡接有若干其余可拆装干涉板104，靠近基座102一侧的其余可拆装干涉板104与基座102之间设有第一块可拆装干涉板103，第一块可拆装干涉板103通过螺钉与基座102固定连接。
30.参照图5、6所示，基座102整体为圆盘结构并且采用光固化树脂材料制成，基座102的中心开设一个主通孔一304，基座102的一端面分别环形阵列固接有四个方形凹槽302，用于放入柔性气动执行器101的顶部长方体形硅胶结构201，四个方形凹槽302的中心设有开设在基座102上的四个固定气孔栓用六角通孔303，用于固定气孔栓，四个方形凹槽302之间分别设有四个固定臂体用螺纹孔301，用于配个螺钉固定固定安装第一块可拆装干涉板103。
31.参照图5、6所示，四个方形凹槽302内分别卡接柔性气动执行器101的一端，四个固定臂体用螺纹孔301配合螺钉与第一块可拆装干涉板103固定连接。
32.参照图8所示，第一块可拆装干涉板103的中心开设有主通孔二402，主通孔二402的周侧开设有方形内凹通孔一404，方形内凹通孔一404将第一块可拆装干涉板103的圆板分成四个扇形，用于卡接柔性气动执行器101，方形内凹通孔一404之间设有开设在第一块可拆装干涉板103周侧边缘的圆形通孔一401，三个一组的圆形通孔一401用于各类传感器数据线或其他气路气管的固定，第一块可拆装干涉板103靠近主通孔二402一侧开设有四个螺纹孔403，螺纹孔403配合螺钉与固定臂体用螺纹孔301固定连接。
33.参照图3、4所示，柔性气动执行器101包括顶部长方体形硅胶结构201、底部圆柱形硅胶结构202、气腔单元203，气腔单元203之间分别卡接第一块可拆装干涉板103、其余可拆装干涉板104，气腔单元203的一端固定连接顶部长方体形硅胶结构201，顶部长方体形硅胶结构201卡接在方形凹槽302内，气腔单元203的另一端固定连接底部圆柱形硅胶结构202，底部圆柱形硅胶结构202配合气腔单元203固定卡接最后一个其余可拆装干涉板104，使四个柔性气动执行器101的末端收缩固定，实现臂体四条柔性气动执行器101之间的耦合运动。
34.参照图3、4所示，气腔单元203由十二个首尾相连的气腔结构组成并且气腔单元203采用柔性材料(如弹性硅胶材质)制成，气腔单元203包括进气孔204、气腔通孔205、气腔外壁206、气腔内壁207、气腔内腔208，进气孔204开设在顶部长方体形硅胶结构201上，用于连接气管，进气孔204的一端连通气腔通孔205，气腔通孔205的一侧连通有若干气腔内腔208，进气孔204、气腔通孔205和气腔内腔208之间均设有方形通孔，保证气体的输送，气腔通孔205远离进气孔204的一端设在封闭的底部圆柱形硅胶结构202内，用于保证柔性气动执行器101具有充气和放气功能，气腔内腔208远离气腔通孔205的一侧设有气腔外壁206，气腔通孔205远离气腔内腔208的一侧设有气腔内壁207，气腔外壁206之间分别卡接若干其余可拆装干涉板104和第一块可拆装干涉板103，利用末端的底部圆柱形硅胶结构202与最后一个气腔外壁206之间插入其余可拆装干涉板104，用于保证机械臂末端四条柔性气动执行器101收缩固定，实现机械臂四条柔性气动执行器101之间的耦合运动。
35.参照图7所示，其余可拆装干涉板104的中心开设主通孔三502，主通孔三502的周侧阵列开设有四个方形内凹通孔二503，四个方形内凹通孔二503圆周阵列均布，使其余可拆装干涉板104的圆板结构分成四个扇形，用于固定卡接四条柔性气动执行器101，方形内凹通孔二503内卡接柔性气动执行器101，方形内凹通孔二503之间设有开设在其余可拆装干涉板104边缘的圆形通孔二501，三个一组的圆形通孔二501用于各类传感器数据线或其他气路气管的固定，主通孔一304、主通孔二402、主通孔三502相互连通。
36.实施例2
37.参照图1-8，为本发明第二个实施例，该实施例基于上一个实施例，具体的，本发明还提供了一种仿生象鼻柔性机械臂的可变刚度结构的使用方法，包括如下步骤：
38.s1、基座组装：先将第一块可拆装干涉板103的方形内凹通孔一404内分别卡入四条柔性气动执行器101，卡入时，第一块可拆装干涉板103位于顶部长方体形硅胶结构201与气腔单元203连接处，然后四条柔性气动执行器101的顶部长方体形硅胶结构201卡入到基座102的方形凹槽302内，在使用螺钉穿入基座102的固定臂体用螺纹孔301，配合第一块可拆装干涉板103上开设的螺纹孔403，使第一块可拆装干涉板103与基座102固定连接，四条柔性气动执行器101的进气孔204分别固定连接气路的气管；
39.s2、干涉板组装：将其余可拆装干涉板104分别径向插入柔性气动执行器101的气腔单元203中间，插入时，方形内凹通孔二503分别卡入气腔单元203的气腔外壁206之间；
40.s3、执行任务：通过柔性气动执行器101的进气孔204将气体输入，由于柔性气动执行器101的底部圆柱形硅胶结构202封闭，可通过进气孔204单向充气或者放气使得柔性气动执行器101内气压升高或下降，输入的气体通过气腔通孔205充满整体柔性气动执行器101内部，使得柔性气动执行器101内部气压升高，参照图4所示，气腔内腔208位于右侧，气
腔内壁207位于左侧，由于柔性材料的粘弹特性使得柔性气动执行器101在气压驱动下会出现拉伸膨胀现象，同时结构的非对称设计使得两侧的伸缩比不同，导致柔性气动执行器101由高伸缩比的一侧向低伸缩比的一侧弯曲，因此气腔内壁207不易发生形变，而气腔内腔208开始膨胀，单个气腔内腔208内部膨胀部位设计为半圆式内腔，保证充气膨胀时气腔内腔208整体受到均匀气压，防止产生集中应力，提高机械臂轴向拉伸能力，产生可操控、可规划的定量膨胀形变，膨胀的气腔内腔208使气腔外壁206开设伸长，实现柔性气动执行器101向左弯曲的运动趋势。
41.进一步的，基座102端部可更换其他执行机构并利用主通孔一304、主通孔二402、主通孔三502将数据传输线接入控制端，例如水母爪夹持器、双目摄像头等。
42.进一步的，利用圆形通孔一401和圆形通孔二501将各类传感器固定并接线，例如拉线位移传感器、红外探头传感器、加速度传感器、曲率传感器等。
43.进一步的，四条柔性气动执行器101分别通过四条气路分别控制，每条柔性气动执行器101只有一种弯曲趋势，在有更多气路控制机械臂的要求下由于第一块可拆装干涉板103和其余可拆装干涉板104的结构设计使得本发明的机械臂可以首尾相连，形成更长、功能更多的机械臂。
44.进一步的，对于本发明整体实现轴向伸长，则需满足四条柔性气动执行器101同时得到相同的伸长量，同时第一块可拆装干涉板103和其余可拆装干涉板104也保证了在柔性气动执行器101伸长过程中不会发生扭转。
45.进一步的，在满足本发明整体的弯曲规划时，要利用四条柔性气动执行器101内部相互之间拥有压强差造成的伸长量差异，并通过第一块可拆装干涉板103和其余可拆装干涉板104实现柔性气动执行器101之间的耦合关系，从而使得本发明整体实现规划路径或姿态。
46.实施例3
47.参照图1-12，为本发明第三个实施例，该实施例基于以上两个实施例，由于本发明中第一块可拆装干涉板103和其余可拆装干涉板104的可拆装性，在实现不同场景任务时可先对机械臂所需刚度或曲率进行拟合预测，大致拆装方法分为两种：固定整体所含第一块可拆装干涉板103和其余可拆装干涉板104的密度，使第一块可拆装干涉板103和其余可拆装干涉板104均匀分布，例如第一块可拆装干涉板103和其余可拆装干涉板104之间抽出中间板，每隔一个第一块可拆装干涉板103和其余可拆装干涉板104抽出一个，实现机械臂整体的刚度和曲率需求；利用分段使得机械臂局部刚度或曲率满足所需特征，例如将端部其余可拆装干涉板104全部抽出，使得机械臂端部实现较大曲率，可像象鼻一样卷起物体，或将根部全部插入其余可拆装干涉板104，实现
‘
上直下曲’或
‘
上曲下直’等多种机械臂特征。
48.进一步地，为实现变刚度将柔性机械臂以分段形式测量其弯曲曲率和变刚度特性，对于气腔单元203可以按照3、4、5空位或其他分段形式进行其余可拆装干涉板104的排布，各气腔外壁206之间有无干涉板采用1(有)/0(无)表示，则每段机械臂有23、24、25或更多排列组合方式。
49.进一步地，通过仿真软件对本发明所涉及的柔性机械臂进行有限元模拟测试，按照所提出的仿生象鼻柔性机械臂的可变刚度结构进行装配，得到给定环境下机械臂气压与弯曲曲率关系的数据表格，最终建立变刚度弯曲曲率以及装配方案数据库。
50.例：装配方案数据库
[0051][0052]
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。