一种拉线和气动控制的刚柔耦合机械臂的制作方法

1.本实用新型涉及软体机械臂领域，具体为一种拉线和气动控制的刚柔耦合机械臂。


背景技术：

2.近几年来，机器人有了巨大的发展，机器人广泛应用于军事、工业、医疗、科学探测等诸多领域，如复杂地形勘探、微创手术、灾难救援。传统机器人一般由刚性模块通过运动副连接构成，每个运动副提供一个(或多个)平动自由度，但结构的刚性使其在狭窄空间内的运动受到限制，无法通过尺寸小于机器人尺寸的通道。一旦环境发生变化或者工作环境发生变化，对于刚性机器人受其自身的结构特点而显得无能为力，无法完成任务需求。软体机器人采用柔性材料加工，所以具有高度灵活性、可以在复杂的环境下完成形态变化，现在软体机器人研究灵感来源于自然界的生物与器官进行仿生结构与仿生运动，软体机器人在医疗、探险具有很大的发展力、它是机器人发展的一个新方向。
3.但软体机械臂也有缺点，软体机械臂都是采用硅橡胶、电活性聚合物等柔性材料制作而成，这固然让它更灵活但这也让软体机械臂的负重下降，操作不了太重的物体，同时其柔性结构内部缺乏刚性的支撑结构，其形状极其容易受到重力和负载的影响。其控制起来也很困难，控制精度和定位效果都不太好。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种拉线和气动控制的刚柔耦合机械臂，解决了软体机械臂控制精度不高、形状容易受重力和负载影响的问题。
5.为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：一种拉线和气动控制的刚柔耦合机械臂，包括底座，所述底座上安装有云台电机二，云台电机二的输出轴连接有下单元，下单元的顶部设有云台电机三，云台电机三的输出轴连接有上单元，上单元的顶部设有云台电机一，云台电机一的输出轴连接有夹持机构；
6.所述上单元和下单元均包括连接圆台和两个刚性结构件，连接圆台的两端侧面分别通过旋转片以及销轴与两个刚性结构件连接，同一高度的两个旋转片内侧固定有挡板，挡板的两侧均固定有气囊，气囊上设有通过比例阀控制的气管，上下两个相邻气囊之间设有隔板，且隔板与其两侧的旋转片固定；
7.所述上单元中位于挡板同一侧的隔板之间连接有线缆，所述上单元底端的刚性结构件内设置有两个拉线电机，两个拉线电机分别位于刚性结构件两侧，这两个拉线电机的收线轮分别与隔板两侧的线缆底端连接。
8.进一步限定，上述的一种拉线和气动控制的刚柔耦合机械臂，其中，所述夹持机构包括气动手爪，气动手爪的底部通过螺栓安装于法兰上，所述云台电机一通过螺栓安装于所述上单元顶端的刚性结构件内，云台电机的输出轴通过螺栓与法兰连接。
9.进一步限定，上述的一种拉线和气动控制的刚柔耦合机械臂，其中，所述云台电机
三通过螺栓安装于所述下单元顶端的刚性结构件中，云台电机三的输出轴通过螺栓安装有连接板，连接板通过螺栓与上单元底端的刚性结构件连接。
10.进一步限定，上述的一种拉线和气动控制的刚柔耦合机械臂，其中，所述连接圆台与刚性结构件之间的旋转片数量为八个，挡板数量为四个，挡板同一侧的隔板数量为四个。
11.进一步限定，上述的一种拉线和气动控制的刚柔耦合机械臂，其中，所述拉线电机采用双轴电机，所述挡板同一侧的线缆为两根，线缆的顶端于最上单元最顶部隔板远离挡板的两角固定，线缆的底端竖直穿过上单元上的隔板和连接圆台与双轴电机两个轴上的收线轮连接。
12.本实用新型具备以下有益效果：本技术巧妙的采用了气囊和刚性外骨架的配合，使本发明可以更好的控制，且精度更高。同时采用拉线和气动双重控制，大大提高了其精度，整体采用3d打印而成，降低了其成本，且人机交互更安全、可靠。共具有七个自由度，很灵活，工作空间更大，可以适应很多复杂的环境。
附图说明
13.图1为本实用新型结构示意图；
14.图2为本实用新型软体单元示意图；
15.图3为本实用新型侧视图；
16.图4为本实用新型夹持机构结构图；
17.图5为本实用新型剖视图；
18.图6为本实用新型局部剖视图。
19.图中：1、底座；2、旋转片；3、软体单元；4、连接圆台；5、气囊；6、刚性结构件；7、连接板；8、线缆；9、隔板；10、法兰；11、气动手爪；12、云台电机一；13、挡板；14、销轴；15、云台电机二；16、云台电机三；17、拉线电机。
具体实施方式
20.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
21.请参阅图1-5，本实用新型提供一种技术方案：一种拉线和气动控制的刚柔耦合机械臂，包括底座1，底座1上安装有云台电机二15，云台电机二15的输出轴连接有下单元，下单元的顶部设有云台电机三16，云台电机三16的输出轴连接有上单元，上单元的顶部设有云台电机一12，云台电机一12的输出轴连接有夹持机构，云台电机一12、云台电机二15和云台电机三16均可控制本技术中的某部分进行旋转，这使得本技术的工作空间大大增加，能够应对更复杂的情况；
22.如图2，上单元和下单元均包括连接圆台4和两个刚性结构件6，刚性结构件6和连接圆台4内部均是中空的，方便里面走气管和电线，整个机械臂都是由3d打印而成，加工方便，结构简单，人机交互时更安全，与圆台和刚性结构件6接触的气囊5端部设有凸台，凸台可以放进刚性结构件6和连接圆台4里，增大气囊5充气时，气囊5面和刚性结构件6的接触面
积，让气囊5更好受力，连接圆台4的两端侧面分别通过旋转片2以及销轴14与两个刚性结构件6连接，销轴14和与销轴14配合的垫片起到固定连接的作用，同一高度的两个旋转片2内侧固定有挡板13，挡板13的两侧均固定有气囊5，气囊5上设有通过比例阀控制的气管，上下两个相邻气囊5之间设有隔板9，且隔板9与其两侧的旋转片2固定，隔板9对气囊5起到固定支撑的作用，整个机械臂结构是对称的；
23.如图1和3，上单元中位于挡板13同一侧的隔板9之间连接有线缆8，上单元底端的刚性结构件6内设置有两个拉线电机，拉线电机的收线轮分别与隔板9两侧的线缆8底端连接，拉线电机转动控制可带动线缆8拉紧或放松，实现对上单元控制，气动和拉线同时控制上单元可以对气动手爪11的位置进行微调，提高本技术的控制精度。
24.如图4，夹持机构包括气动手爪11，且气动手爪11上设有气管，通过充放气来控制气动手爪11的弯曲和伸直，气动手爪11的底部通过螺栓安装于法兰10上，云台电机一12通过螺栓安装于上单元顶端的刚性结构件6内，云台电机的输出轴通过螺栓与法兰10连接。
25.云台电机三16通过螺栓安装于下单元顶端的刚性结构件6中，云台电机三16的输出轴通过螺栓安装有连接板7，连接板7通过螺栓与上单元底端的刚性结构件6连接。
26.连接圆台4与刚性结构件6之间的旋转片2数量为八个，挡板13数量为四个，挡板13同一侧的隔板9数量为四个。
27.拉线电机采用双轴电机，挡板13同一侧的线缆8为两根，隔板9远离挡板13的两个角上留有1.2mm的孔，线缆8的顶端于最上单元最顶部隔板9的两个孔固定，线缆8的底端竖直穿过上单元上隔板9的孔和连接圆台4与双轴电机两个轴上的收线轮连接，由此上单元结构可以实现气动和拉线同时控制，其气动控制和下单元结构相同，但还加上了拉线控制，用以微调夹持机构的位置，增加了本技术的工作精度。
28.云台电机二15控制整个机械臂进行旋转运动，通过气泵给下单元的气囊5充气就可以控制气囊5弯曲，由此带动整个下单元跟着一起弯曲，下单元的每一节都可以通过气动控制弯曲达到45度，且是分别控制的，所以下单元有三个自由度，一个旋转自由度，两个气动控制的自由度。因每一节有两个气囊5，所以可以两侧弯曲；同理，上单元也具有两个气动控制的自由度和两个旋转自由度，从而实现七个自由度控制。
29.具体控制过程为：控制云台电机二15旋转由此带动整个刚柔耦合机械臂旋转，下单元的气囊5通过充放气可以控制该节机械臂弯曲和回到伸直状态，因为每一节的两侧都有气囊5，所以每一节的机械臂都可以朝两个方向弯曲。控制云台电机三16旋转可以带动上单元旋转运动，上单元气囊5的控制方式一样也是通过充放气来控制每一节机械臂的弯曲和伸直，但不同的是第二段软体单元3结构加上了拉线控制，控制拉线电机输出轴转动，拉线电机带动线缆8由此带动上单元弯曲，以便微调气动手爪11的位置，增加本发明控制的精度。控制云台电机一12运动，可以控制夹持机构进行旋转运动，同时对气动手爪11进行充放气可以控制气动手爪11进行抓取动作。
30.本技术巧妙的采用了气囊5和刚性外骨架的配合，使本发明可以更好的控制，且精度更高。同时采用拉线和气动双重控制，大大提高了其精度，整体采用3d打印而成，降低了其成本，且人机交互更安全、可靠。共具有七个自由度，很灵活，工作空间更大，可以适应很多复杂的环境。
31.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排
他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
32.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型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，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。