气动串联的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，这些类机械臂在机构类型或驱动方式上大多为并联的形式，在理论分析和样机研制上难度较大；还有一些串联的柔性机械臂构型，其主体是以刚性构件组成。在某些应用场合，我们需要一种结构形式简单，质量轻，理论工作量小，又足够柔软的串联柔性机械臂。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种结构简单、质量轻、柔软度好、能够实现多个方向的弯曲运动的气动串联的柔性机械臂。

本发明包括机座、执行装置以及连接它们的由多个结构相同尺寸递减的驱动单元依次串联组成的柔性机械臂，机械臂外设有柔性防护罩，驱动单元的大小从机座到执行装置依次按10％的比例缩减，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，通过每一级驱动单元的各自运动来实现整个机械臂的复杂运动；所述的驱动单元包括两组扇形气囊、T形连接架、连接件和气动管，所述一组扇形气囊包括两个折叠式的扇形气囊，每一个的根部为四分之一半圆弧，一组中两个扇形气囊相对的一侧分别与T形连接架平行的部分固连，其另一侧均设有通气接口，该通气接口分别插入与主视近似Ω形的连接件的平面部分的通孔，并与连接件固连，该通气接口与气动管的一端连接，所有气动管的另一端均连接到机座中对应的控制元件上；两组的扇形气囊通过T形连接架和连接件相错连接成十字布置；各驱动单元均通过T形连接架和连接件相错连接；每组扇形气囊负责一个方向的摆动，两组扇形气囊分别摆动形成空间的两自由度运动，通过每个扇形气囊的协同充放气过程可以实现单个驱动单元的弯曲变换，多个驱动单元的协同配合实现整个机械臂的弯曲运动。

所述的扇形气囊的材质为聚酰胺塑料，所述连接件和T形连接架的材质均为硬质塑料。

本发明与现有技术相比具有如下优点：结构简单，质量轻，柔软度好，在与人交互的过程中安全性高。

附图说明

图1为本发明的结构示意简图。

图2为本发明的整体示意简图。

图3为本发明驱动单元的结构示意简图。

图4为本发明驱动单元一组扇形气囊的示意简图。

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-手爪、7-机座、8-防护罩、9-T形连接架、10-扇形气囊、11-螺钉、12-连接件、13-气动管。

具体实施方式

在图1和图2所示的气动串联的柔性机械臂示意图中，由第一级驱动单元1、第二级驱动单元2、第三级驱动单元3、第四级驱动单元4、第五级驱动单元5五级结构相同，尺寸递减的驱动单元依次串联组成机械臂，驱动单元的大小从机座到执行装置依次按10％的比例缩减，机械臂外设有波纹管式的柔性防护罩8，机械臂的一端与机座7连接，其另一端与手爪6连接；根据使用要求可以衍生出更多级驱动单元的机械臂，通过每一级驱动单元的各自运动来实现整个机械臂的复杂运动；

如图3所示，所述的驱动单元包括两组扇形气囊、T形连接架、连接件和气动管，所述一组扇形气囊包括两个折叠式的扇形气囊10，每一个的根部为四分之一半圆弧，一组中两个扇形气囊相对的一侧分别与T形连接架9平行的部分以粘合剂固连，其另一侧均设有通气接口，该通气接口分别插入与主视近似Ω形的连接件12的平面部分的通孔，通气接口与连接件通过粘合剂固连，该通气接口与气动管13的一端连接，所有气动管的另一端均连接到机座中对应的控制元件上，用以实现每个扇形气囊的充放气控制；两组的扇形气囊通过T形连接架9和连接件12相错连接成十字布置；各驱动单元均通过T形连接架和连接件相错连接。

如图4所示，每组扇形气囊负责一个方向的摆动，左边的扇形气囊充气，右边的扇形气囊放气，则带动T形连接架向右摆动，反之，T形连接架则向左摆动，从而带动连接在T形连接架上的另一组扇形气囊往复摆动，两组扇形气囊分别摆动形成空间的两自由度运动，通过每个扇形气囊的协同充放气过程可以实现单个驱动单元的弯曲变换，实施例中的机械臂的五级驱动单元协同运动便能实现整个机械臂的复杂运动。

所述的扇形气囊的材质为聚酰胺塑料；所述连接件和T形连接架的材质均为硬质塑料。