流体骨骼柔性机械臂装置的制作方法

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种流体骨骼柔性机械臂装置的结构设计。

背景技术：

机器人设计的目标是代替人完成任务，通常需要有一双手臂。人的臂部具有七个自由度，属于串联悬臂结构，具有发达的肌肉，能够产生很大的力量并且在较高速度下运动，这些都使得机械臂的研制有很大的困难。无论是美国卡内基·梅隆大学研制的CMU/Sarcos机器人、韩国高技术研究院研制的HUBO机器人、日本本田公司研制的ASIMO机器人……都有一个共同的特点：这些传统的机器人手臂均为多个刚性连杆通过关节串联或并联构成，存在结构复杂、体积大、重量大、耗能多、成本高等不足。

为克服传统离散型刚性机器人的固有缺陷，近二十余年来关于连续型柔性体机器人的研究已在世界范围内大量展开。

J.Yang等人曾在论文中描述一种通过多组腱绳分别牵引串列的各级弹簧的连续型机器人。该装置被证明具有良好的机动性、可靠性和经济性。

Walker等人曾经在文献中介绍了所研制的柔性连续体机械臂OCTARM。此外，受生物界象鼻和柔性触手等的启发而设计出的机器人Air-Octor，具有较好的弯曲能力，并显示其冗余自由度性能在许多场合下优于相同自由度的刚性机械臂。

德国费斯托(FESTO)公司模仿大象鼻子和鱼鳍概念研制了一种利用气体驱动的仿象鼻柔性机械臂。该装置由多个沿着曲线以堆叠的方式布置的操纵组件构成，每个操纵组件又分别包含多个联接板和多个流体腔。

中国发明专利CN103895012B曾公开一种仿象鼻机械臂单元，包括基座、多个人工肌肉组件、多个中间件、多个弹簧、末端件和柔性罩；其中人工肌肉组件包括驱动器、传动机构和柔性螺杆组件。该装置具有多个自由度，能够向多个方向弯曲。

但是，现有的大部分柔性机械臂方案皆存在如下不足：

1)驱动机构相对复杂。如Air-Octor和FESTO公司提出的仿象鼻柔性机械臂需要控制气体的专门设备，使得整个系统质量较大、耗能和成本较高；而在各型通过腱绳或柔性杆位移驱动的机械臂中，由于每一腱绳或柔性杆均对应一个驱动器，在实现多向弯曲时所需的驱动器数量较多，显著增加了系统的成本和复杂度。

2)承载能力和稳定性有限。由于广泛采用弹簧等柔性部件作为支撑结构，一些柔性机械臂易发生由负载造成的变形，从而造成失稳或精度下降。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种流体骨骼柔性机械臂装置，使其具有多个自由度，能够柔性地向不同方向弯曲，从而做出不同的空间形状，使连接在机械臂末端的工具可以抵达某个空间位置，同时自重轻、体积小、结构紧凑和成本低等特点。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的一种流体骨骼柔性机械臂装置，其特征在于：包括基座、第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器、第一传动机构、第二传动机构、第三传动机构、第一腱绳、第二腱绳、第三腱绳、N个流体骨骼单元和末端件；所述第一驱动器固定安装在基座上，所述第一驱动器的输出轴与第一传动机构的输入端相连，所述第一传动机构的输出端与第一腱绳的一端相连，所述第一腱绳的另一端与末端件相连，所述第一腱绳穿过所有的流体骨骼单元；所述第二驱动器固定安装在基座上，所述第二驱动器的输出轴与第二传动机构的输入端相连，所述第二传动机构的输出端与第二腱绳的一端相连，所述第二腱绳的另一端与末端件相连，所述第二腱绳穿过所有的流体骨骼单元；所述第三驱动器固定安装在基座上，所述第三驱动器的输出轴与第三传动机构的输入端相连，所述第三传动机构的输出端与第三腱绳的一端相连，所述第三腱绳的另一端与末端件相连，所述第三腱绳穿过所有的流体骨骼单元；所述流体骨骼单元包括下板、上板、3个柔性管、连接管、流体和至少一个电动阀门；所述柔性管的两端分别连接下板和上板，所述簧件的两端分别连接下板和上板，所述流体密封在连接管和3个柔性管中；各柔性管的两端分别通过柔性管上密封件和柔性管下密封件封闭，但柔性管下密封件与所述连接管连通；故连通管联通所述各柔性管。所述电动阀门设置在连接管上，控制3个柔性管中的流体相互连通或相互截止；所述3个柔性管均布在上板和下板之间；所述下板上设置有圆周均布的第一下板通孔、第二下板通孔和第三下板通孔；所述上板上设置有圆周均布的第一上板通孔、第二上板通孔和第三上板通孔；第一个流体骨骼单元的下板与基座固接，所有所述流体骨骼单元依次逐个相连，每个位于下方的流体骨骼单元的上板与位于上方的流体骨骼单元的下板固接；最后一个流体骨骼单元的上板与末端件固接；所述第一腱绳依次穿过所有流体骨骼单元的第一下板通孔、第一上板通孔；所述第二腱绳依次穿过所有流体骨骼单元的第二下板通孔、第二上板通孔；所述第三腱绳依次穿过所有流体骨骼单元的第三下板通孔、第三上板通孔；N为自然数。

本发明所述的流体骨骼柔性机械臂装置，其特征在于：所述柔性管采用套簧丝波纹管或嵌簧丝波纹管。

本发明所述的流体骨骼柔性机械臂装置，其特征在于：所述流体骨骼单元还包括簧件，所述簧件设置在下板和上板之间。

本发明所述的流体骨骼柔性机械臂装置，其特征在于：所述流体采用水。

本发明所述的流体骨骼柔性机械臂装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、液压缸或气缸。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明所述的流体骨骼柔性机械臂装置具有多个自由度，能够向多个方向弯曲和伸缩，可以做出各种弯曲的空间形状，使连接在仿象鼻机械臂装置末端的工具可以抵达某个空间位置，机动性好，具有较好的柔性，在与人交互的过程中安全性高，同时自重轻、体积小、结构紧凑和成本低。

附图说明

图1是本发明设计的流体骨骼柔性机械臂装置的一种实施例的立体外观图。

图2是图1所示实施例的正视图。

图3是图1所示实施例的剖视图。

图4是图1所示实施例中流体骨骼单元的立体图。

图5是图1所示实施例中流体骨骼单元的正视图。

图6是图1所示实施例中上板(或下板)的正视图。

图7是图1所示实施例中流体骨骼单元的爆炸图。

在图1至图7中：

1－基座，

21－第一驱动器(第一电机)， 22－第二驱动器(第二电机)， 23－第三驱动器(第三电机)，

31－第一传动机构， 32－第二传动机构， 33－第三传动机构，

312－第一滑轨， 322－第二滑轨， 332－第三滑轨，

313－第一螺母板， 323－第二螺母板， 333－第三螺母板，

314－第一丝杠， 324－第二丝杠， 334－第三丝杠，

41－第一腱绳， 42－第二腱绳， 43－第三腱绳，

5－流体骨骼单元， 51－下板， 52－上板，

53－柔性管， 54－连接管， 55－流体，

56－电动阀门， 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。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细介绍本发明的具体结构、工作原理等内容。

本发明设计的流体骨骼柔性机械臂装置的一种实施例，如图1所示，包括基座1、第一驱动器21、第二驱动器22、第三驱动器23、第一传动机构31、第二传动机构32、第三传动机构33、第一腱绳41、第二腱绳42、第三腱绳43、N个流体骨骼单元5和末端件6；所述第一驱动器21固定安装在基座1上，所述第一驱动器21的输出轴与第一传动机构31的输入端相连，所述第一传动机构31的输出端与第一腱绳41的一端相连，所述第一腱绳41的另一端与末端件6相连，所述第一腱绳41穿过所有的流体骨骼单元5；所述第二驱动器22固定安装在基座1上，所述第二驱动器22的输出轴与第二传动机构32的输入端相连，所述第二传动机构32的输出端与第二腱绳42的一端相连，所述第二腱绳42的另一端与末端件6相连，所述第二腱绳42穿过所有的流体骨骼单元5；所述第三驱动器23固定安装在基座1上，所述第三驱动器的输出轴与第三传动机构33的输入端相连，所述第三传动机构33的输出端与第三腱绳43的一端相连，所述第三腱绳43的另一端与末端件6相连，所述第三腱绳43穿过所有的流体55骨骼单元5；所述流体骨骼单元5包括下板51、上板52、3个柔性管53、连接管54、流体55和至少一个电动阀门56；所述柔性管53的两端分别连接下板51和上板52，所述簧件的两端分别连接下板51和上板52，所述流体55密封在连接管54和3个柔性管53中；所述连接管54连通3个柔性管53；所述电动阀门56设置在连接管54上，控制3个柔性管53中的流体55相互连通或相互截止；所述3个柔性管53均布在上板52和下板51之间；所述下板51上设置有圆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上设置有圆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；第一个流体骨骼单元5的下板51与基座1固接，所有所述流体骨骼单元5依次逐个相连，每个位于下方的流体骨骼单元5的上板52与位于上方的流体骨骼单元5的下板51固接；最后一个流体骨骼单元5的上板52与末端件6固接；所述第一腱绳41依次穿过所有流体骨骼单元5的第一下板通孔571、第一上板通孔581；所述第二腱绳42依次穿过所有流体骨骼单元5的第二下板通孔572、第二上板通孔582；所述第三腱绳43依次穿过所有流体骨骼单元5的第三下板通孔573、第三上板52通孔；N为自然数。

本实施例中，N为6。

本发明所述的流体骨骼柔性机械臂装置，其特征在于：所述柔性管53采用套簧丝波纹管或嵌簧丝波纹管。本实施例中，所述柔性管53采用嵌簧丝波纹管。

另一种实施例中，所述流体骨骼单元5还包括簧件，所述簧件设置在下板51和上板52之间。由于本实施例柔性管53采用的是嵌簧丝波纹管，其中已经有簧件嵌入到波纹管中，故可不另设簧件。

本实施例中，所述流体55采用水。

本发明所述的流体骨骼柔性机械臂装置，其特征在于：所述第一驱动器21采用电机、液压缸或气缸。本实施例中，所述第一驱动器21采用电机。

本发明所述的流体骨骼柔性机械臂装置，其特征在于：所述第二驱动器22采用电机、液压缸或气缸。本实施例中，所述第二驱动器22采用电机。

本发明所述的流体骨骼柔性机械臂装置，其特征在于：所述第三驱动器23采用电机、液压缸或气缸。本实施例中，所述第三驱动器23采用电机。

本实施例中，第一传动机构31、第二传动机构32和第三传动机构33结构相同，以第一传动机构31为例说明。所述第一传动机构31包括丝杠312和螺母板313，所述第一电机21的输出轴与第一丝杠314相连，所述第一丝杠314与第一螺母板313螺纹连接，所述第一螺母板313滑动镶嵌在基座1中，所述第一螺母板313与第一腱绳41的一端相连。

本实施例中，第一上板通孔581、第二上板通孔582、第三上板通孔583所在圆周同第一柔性管、第二柔性管、第三柔性管的圆心所在圆周同心，且第一上板通孔581、第二上板通孔582、第三上板通孔583的圆心分别位于过第一柔性管53、第二柔性管53、第三柔性管53的圆心所在的半径上；本实施例中，第一下板通孔571、第二下板通孔572、第三下板通孔573所在圆周同第一柔性管53、第二柔性管53、第三柔性管53的圆心所在圆周同心，且第一下板通孔571、第二下板通孔572、第三下板通孔573的圆心位于过第一柔性管53、第二柔性管53、第三柔性管53的圆心所在的半径上。

所述基座1还包括固接在一起的第一滑轨312、第二滑轨322和第三滑轨332。所述第一螺母板313滑动镶嵌在第一滑轨312上，所述第二螺母板323滑动镶嵌在第二滑轨322上，所述第三螺母板333滑动镶嵌在第三滑轨332上。

本实施例的工作原理，结合附图叙述如下：

本实施例处于初始状态时，如图1所示。

打开某个电动阀门56，关闭其余电动阀门56，然后第一驱动器21转动，通过第一传动机构31带动第一螺母板313直线向下运动，向下拉动第一腱绳41，与第一腱绳41对应的(在打开了电动阀门56的流体55骨骼单元5中的)第一柔性管受到挤压，其中的流体55流向同一层的第二柔性管和第三柔性管，与此同时，与第二柔性管、第三柔性管相对应的第二腱绳42、第三腱绳43分别在第二驱动器22、第三驱动器23的转动作用下也向上移动，从而为第一柔性管排出的流体55留出容积空间。最后关闭该电动阀门56，禁止流体55继续流动。

之后再打开另一个电动阀门56，继续上述过程。

通过分配第一腱绳41、第二腱绳42和第三腱绳43的位移量，可控制该装置的末端件6抵达工作空间中的任意位置。

当对机械臂进行反向操作时，原理同上述过程相同，仅各腱绳的移动方向相反，不再赘述。

本发明所述的流体骨骼柔性机械臂装置具有多个自由度，能够向多个方向弯曲和伸缩，可以做出各种弯曲的空间形状，使连接在仿象鼻机械臂装置末端的工具可以抵达某个空间位置，机动性好，具有较好的柔性，在与人交互的过程中安全性高，同时自重轻、体积小、结构紧凑和成本低。