基于绳索驱动的空气关节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：

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复杂环境内的不规则形状目标。

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关节单元，关节单元上有驱动弹簧，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，就承载能力来看，驱动方式采用绳索的外驱动方式承载能力较高，但这类机械臂的机械臂身较重，且大多采用刚性的关节组成，影响了这类机械臂的灵活性、机动性、人机协作安全性和承载能力的进一步提高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种柔性好，质量轻，承载能力大，可以折叠的基于绳索驱动的空气关节式柔性机械臂。

本发明包括机座、三部电机、电源、控制系统、臂身机构、末端执行器和驱动绳索，其中机座为壳体，电机、电源和控制系统设在机座内；臂身机构由若干组结构相同的关节单元串联而成，根据使用要求可以构成多级的机械臂；臂身机构的一端连接在机座上，其另一端即末端与末端执行器连接，用来抓取目标物体，驱动绳索为周向均布的三根，每根绳索的一端固定在臂身机构末端，其另一端分别依次穿过每一个关节单元的过线孔连接在机座中3部电机的滚轮上。

所述的关节单元包括端盖、气囊、滑套、箍环、拉丝和气嘴，所述端盖的两端均设有环形凸台，凸台的外侧面具有4°的锥度，并且上面设有两条环形凸棱，所述的气囊为双曲面形的编织网型橡胶气囊，其中部设有一个环形的腰环，气囊的一端套在端盖的一端的凸台上，并用箍环紧固，气囊的另一端套在另一个端盖的一端，并用箍环紧固；所述端盖中心设有一个螺纹孔，高强度拉丝两端的螺纹接头分别连接在同一个关节单元的两个端盖的螺纹孔内；所述端盖外圆柱面上设有一个通气孔和三个周向均布带有通孔的支耳，每个支耳的通孔内装有滑套，作为驱动绳索的过线孔，所述的通气孔上连接有气嘴，用于给气囊充气或放气。相邻的两个关节单元共用一个端盖，依次连接组成整个机械臂；臂身机构可以通过每个关节单元人为充满气体，起连接支撑作用，也可以放掉每个关节单元的气体，进行人为压缩和折叠，方便包装和运输。

与机座连接的端盖的一端沿圆周方向设有四个带螺纹孔的圆形凸台，用以臂身机构和机座之间的连接；与末端执行器连接的端盖的一端沿圆周方向设有三个带螺纹孔的圆形凸台，用以臂身机构和末端执行器之间的连接。

所述的端盖为铝合金材质，箍环钢性材质，滑套为黄铜材质，驱动绳索为高强度钢丝绳。

本发明运动的基本原理是：某一个电机转动带动驱动绳索收紧，另外两个电机适当的放松驱动绳索，或是某两个电机带动驱动绳索收紧，另外一个电机放松驱动绳索，也可以三个电机同时收紧驱动绳索，可以实现柔性机械臂空间多个方向弯曲。同时控制三根驱动绳索的收放长度，可以控制臂身机构的软硬程度，可以使臂身机构保持当前姿态或是自由下垂。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

柔性好，质量轻，承载能力大，可以折叠，方便包装和运输。

附图说明

图1为本发明的立体示意简图。

图2为本发明的关节单元的立体示意图简图。

图3为本发明的关节单元的主视图。

图4为本发明图3的A-A剖视图。

图5为本发明与机座连接的端盖的示意简图。

图6为本发明与末端执行器连接的端盖的示意简图。

图中：1-电源、2-机座、3-驱动绳索、4-末端执行器、5-臂身机构、6-电机、7-控制系统、8-滑套、9-气囊、10-端盖、11-气嘴、12-箍环、13-拉丝。

具体实施方式

在图1所示的基于绳索驱动的空气关节式柔性机械臂示意图中，机座2为壳体，三部电机6、电源1和控制系统7设在机座内；臂身机构5由若干组结构相同的关节单元串联而成，两个关节单元构成的为两级机械臂，由三个关节单元构成的为三级机械臂，本实施例为四级机械臂；臂身机构的一端连接在机座上，其另一端即末端与末端执行器4连接，用来抓取目标物体；驱动绳索3为周向均布的三根，每根绳索的一端固定在臂身机构末端，其另一端分别依次穿过每一个关节单元的过线孔连接在机座中三部电机的滚轮上；

如图2、3和4所示，关节单元包括端盖、气囊、滑套、箍环、拉丝和气嘴，端盖10的两端均设有环形凸台，凸台的外侧面具有4°的锥度，并且上面设有两条环形凸棱，气囊9为双曲面形的编织网型橡胶气囊，其中部设有一个环形的腰环，气囊的一端套在端盖的一端的凸台上，并用箍环12紧固，气囊的另一端套在另一个端盖的一端，并用箍环紧固；所述端盖中心设有一个螺纹孔，高强度拉丝13两端的螺纹接头分别连接在同一个关节单元的两个端盖的螺纹孔内；所述端盖外圆柱面上设有一个通气孔和三个周向均布带有通孔的支耳，每个支耳的通孔内装有滑套8，作为驱动绳索的过线孔，所述的通气孔上连接有气嘴11，用于给气囊充气或放气；相邻的两个关节单元共用一个端盖，依次连接组成整个机械臂；臂身机构可以通过每个关节单元人为充满气体，起连接支撑作用，也可以放掉每个关节单元的气体，进行人为压缩和折叠，方便包装和运输。

如图5所示，与机座连接的端盖的一端沿圆周方向设有四个带螺纹孔的圆形凸台，用以臂身机构和机座之间的连接；如图6所示，与末端执行器连接的端盖的一端沿圆周方向设有三个带螺纹孔的圆形凸台，用以臂身机构和末端执行器之间的连接。

所述的端盖为铝合金材质，箍环钢性材质，滑套为黄铜材质，驱动绳索为高强度钢丝绳。