一种变刚度柔性关节驱动机械臂的制作方法

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种变刚度柔性关节驱动机械臂。

背景技术：

患者转移，即把卧床不起的病人从床上抬起并移动到轮椅，是护理中最具体力挑战的任务之一，给护工们带来了很大的负担。可通过引入机器人技术来减轻护工群体相应的身体负担。

传统机器人的设计以刚性结构基于位置控制进行高速、高精度活动，刚性连接结构使其能传递大力矩，但其末端刚度很大，对人的安全造成威胁，因此，传统的机械臂难以直接应用于需要与人交互的机器人中；而由弹性材料组成的全柔性机械臂虽能在工作中改变自身形状，与环境相适应，但现有的全柔性机械臂并不能承受高额的载荷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种变刚度柔性关节驱动机械臂，解决现有技术中的上述问题，人机交互性好，不会对所接触的人体造成损害，且可保证一定的支撑强度。

本发明为解决技术问题，所采用的具体技术方案如下：

一种变刚度柔性关节驱动机械臂，包括：机械手、两个柔性关节驱动组件和两个变刚度支撑连接组件，一个所述变刚度支撑连接组件的一端连接机械手，另一端连接一个所述柔性关节驱动组件，另一个变刚度支撑连接组件的一端连接一个所述柔性关节驱动组件，另一端连接另一个所述柔性关节驱动组件，各柔性关节驱动组件及变刚度支撑连接组件均连接至气源。

通过采用上述技术方案，柔性关节驱动组件可作出弯曲变形的动作，以模仿人手臂的关节弯曲，变刚度支撑连接组件的刚度可变，保证了一定的支撑强度，同时在对负载（病患）起支撑作用的同时，不会对所接触的人体造成损害。两个柔性关节驱动组件可作两段式的弯曲动作，而变刚度支撑连接组件与柔性关节驱动组件相间隔的设置，既起连接作用，又可起到对负载的支撑作用。

作为本发明的进一步改进，柔性关节驱动组件包括空气弹簧、连接板、柔性梁和气源接头一，所述空气弹簧的一端通过紧固件连接一个连接板，另一端通过紧固件连接另一个连接板，所述柔性梁的一端连接一个连接板，另一端连接另一个连接板，所述气源接头一连接于空气弹簧上，所述气源接头一外接至气源，所述柔性梁在空气弹簧的作用下可产生弯曲变形，撤去空气弹簧的作用力后可恢复至初始状态；一个所述变刚度支撑连接组件的一端通过紧固件连接机械手，另一端通过紧固件连接一个柔性关节驱动组件一端的连接板，另一个变刚度支撑连接组件的一端通过紧固件连接一个所述柔性关节驱动组件另一端的连接板，另一端通过紧固件连接另一个所述柔性关节驱动组件一端的连接板。通过采用上述技术方案，柔性关节驱动组件的具体结构设置，一方面使得整体结构紧凑，另一方面，空气弹簧在充气后具有伸长的趋势，受限于柔性梁的可弯曲不可伸长的特性，整体产生弯曲效果，从而实现模仿手臂弯曲的情形，而在释放气体后，空气弹簧因柔性梁的可恢复性而恢复，以便进行下一个弯曲动作。

作为本发明的进一步改进，初始状态下，柔性梁呈横向设置，各连接板呈纵向设置，柔性梁与空气弹簧之间具有间隙a。通过采用上述技术方案，连接板呈纵向设置，与空气弹簧的接触和连接更为可靠，柔性梁呈横向设置，两端各连接一个连接板，有利其本身的变形弯曲和恢复。

作为本发明的进一步改进，一个连接板与空气弹簧之间留有用于容纳气源接头一的间隙，所述气源接头一处在连接板和空气弹簧的间隙中。通过采用上述技术方案，此间隙的设置，不会对气源接头一的安装产生干涉，结构紧凑巧妙。

作为本发明的进一步改进，空气弹簧为两节式囊式空气弹簧，间隙a的范围为12mm-20mm。通过采用上述技术方案，两节式囊式空气弹簧，与柔性梁的配合，可起到变形弯曲的作用，间隙a的设置，一方面可保证囊式空气弹簧的安装空间，另一方面，可使囊式空气弹簧的横向形变所驱动的力与柔性梁之间所产生的力矩变大，达到能够承载大负载（比如人的体重）的作用；同时该尺寸范围内的间隙a，可在实现上述效果的同时，做到结构紧凑，不妨碍也不干涉空气弹簧的变形。

作为本发明的进一步改进，不同柔性关节驱动组件中的柔性梁处在对应的空气弹簧的同一侧，初始状态下的各柔性梁处在同一条直线上。通过采用上述技术方案，各柔性关节驱动组件可作同一方向的弯曲，使同一方向的弯曲性能达到最大，适应于需要同向弯曲程度大的工作。

作为本发明的进一步改进，不同柔性关节驱动组件中的柔性梁处在对应的空气弹簧的不同侧面，初始状态下的各柔性梁处在不同的直线上。通过采用上述技术方案，各柔性关节驱动组件可作不同方向的弯曲，可使整个机械臂符合各向弯曲的性能要求。

作为本发明的进一步改进，变刚度支撑连接组件包括刚性连接管、环形气囊和气源接头二，环形气囊设置于刚性连接管的外围，气源接头二连接于环形气囊，一个变刚度支撑连接组件的刚性连接管的一端通过紧固件连接机械手，另一端通过紧固件连接一个柔性关节驱动组件，另一个变刚度支撑连接组件的刚性连接管的一端通过紧固件连接一个所述柔性关节驱动组件，另一端通过紧固件连接另一个所述柔性关节驱动组件，气源接头二外接至气源。通过采用上述技术方案，刚性连接管对整个组件起到支撑作用，环形气囊中充气量的多少（气压的大小），可使变刚度支撑连接组件的产生不同的刚度，适用不同的负载需求，符合使用要求，且不会对负载（病患）造成损伤。而环形气囊包覆于刚性连接管上，可全方位全角度地产生亲和效果，不会对外界造成硬伤。

作为本发明的进一步改进，环形气囊包括内部相连通的第一气室、第二气室和第三气室，气源接头二连通第一气室，相邻的两气室之间具有隔离带。通过采用上述技术方案，第二气室和第三气室为主要承受负载作用力的气室，设置三个气室，第二气室及第三气室这两个气室可分别从不同角度对负载起支撑作用，保证了支撑物的平稳，有利于稳定支撑，第一气室可保障机械臂在工作承载时载物的稳定性，而因第一气室不是该机械臂的承载面，只需用一个气室保证了与人交互时的安全性。隔离带的设置可使各气室膨胀后不易干涉和影响，有利于支撑。

作为本发明的进一步改进，第一气室膨胀后的体积大于第二气室膨胀后的体积，且大于第三气室膨胀后的体积。通过采用上述技术方案，第一气室为非承载面，其体积最大，包覆了刚性连接管的大部分，在进行操作时，不会对外部操作者产生损伤，保证了安全性。

本发明相对于现有技术而言，其有益效果至少有：可以实现变刚度，能根据负载大小灵活调整改变各个组件气压大小，从而改变整个机械臂的刚度，提高了机械臂的负载能力；在承受负载变刚度的同时可做出仿人抱起的弯曲动作，变刚度使得在人机交互中不会对人造成伤害，适合用于处理病患转移的医疗器械，应用前景广阔。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明中一个实施例所示的一种变刚度柔性关节驱动机械臂的整体结构示意图；

图2为本发明中一个实施例所示的一种变刚度柔性关节驱动机械臂的柔性关节驱动组件的结构示意图；

图3为图2中柔性关节驱动组件的爆炸示意图；

图4为图2中另一角度的柔性关节驱动组件的爆炸示意图；

图5为本发明中一个实施例所示的一种变刚度柔性关节驱动机械臂的变刚度支撑连接组件的结构示意图；

图6为图5中变刚度支撑连接组件的另一角度的结构示意图。

图中：柔性关节驱动组件1、变刚度支撑连接组件2、机械手3、空气弹簧11、连接板12、柔性梁13、气源接头一14、刚性连接管21、第一气室22、第二气室23、第三气室24、气源接头二25、隔离带26、第一孔111、第一通孔112、第三通孔121、第四通孔122、第二孔123、第二通孔131。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下扣合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本申请中“横向”方向指的是如图1所示的左右方向，“纵向”方向指的是如图1所示的上下方向。

实施例1

如图1至图6，一种变刚度柔性关节驱动机械臂，包括：机械手3、两个柔性关节驱动组件1和两个变刚度支撑连接组件2，一个变刚度支撑连接组件2的一端连接机械手3，另一端连接一个柔性关节驱动组件1，另一个变刚度支撑连接组件2的一端连接一个柔性关节驱动组件1，另一端连接另一个柔性关节驱动组件1，各柔性关节驱动组件1及变刚度支撑连接组件2均连接至气源。

如图1至图4，柔性关节驱动组件1包括空气弹簧11、连接板12、柔性梁13和气源接头一14，空气弹簧11的一端通过紧固件连接一个连接板12，另一端通过紧固件连接另一个连接板12，柔性梁13的一端连接一个连接板12，另一端连接另一个连接板12，气源接头一14连接于空气弹簧11上，气源接头一14外接至气源，柔性梁13在空气弹簧11的作用下可产生弯曲变形，撤去空气弹簧的作用力后可恢复至初始状态；一个变刚度支撑连接组件2的一端通过紧固件连接机械手3，另一端通过紧固件连接一个柔性关节驱动组件1一端的连接板12，另一个变刚度支撑连接组件2的一端通过紧固件连接一个柔性关节驱动组件1另一端的连接板12，另一端通过紧固件连接另一个柔性关节驱动组件1一端的连接板12。

空气弹簧11两端均开设有用于紧固件连接的第一孔111，第一孔为盲孔，可为内螺纹孔，此外，在气源接头一14连接的位置，空气弹簧上还开设有第一通孔112，可为内螺纹孔，也便于气源接头一与空气弹簧内部相连通。

连接板12的上部端面沿纵向方向开设有第二孔123，可为内螺纹孔，可与柔性梁13上的第二通孔131相对齐，用于与柔性梁之间的紧固件的穿入。连接板12的下部沿横向方向开设有第三通孔121和第四通孔122，第三通孔121用于与第一孔111对齐，以便紧固件的安装。第四通孔122与变刚度支撑连接组件2的刚性连接管21上的第三孔相对齐，以便紧固件的安装。

柔性梁13呈扁平的长条状，柔性梁13的两端均开设有第二通孔131。

初始状态下，柔性梁13呈横向设置，各连接板12呈纵向设置，柔性梁13与空气弹簧之间具有间隙a，间隙a的范围为12mm-20mm。

一个连接板12与空气弹簧11之间留有用于容纳气源接头一14的间隙，气源接头一14处在连接板12和空气弹簧11的间隙中，连接此处连接板12和空气弹簧11的紧固件为双头螺柱15，且此处双头螺柱15为两个，气源接头一14处在两个双头螺柱15之间。

空气弹簧：在可伸缩的密闭容器中充以压缩空气，利用空气弹性作用的弹簧。本实施例中，空气弹簧11为两节式囊式空气弹簧。在其他实施例中，可为三节或更多节的囊式空气弹簧。囊式空气弹簧由夹有帘线的橡胶气囊和密闭在其中的压缩空气组成。气囊的内层用气密性的橡胶制成，而外层则用耐油橡胶制成。节数越多，弹性越好，但密封性差，节和节之间围有钢制的腰环，使中间部分不致有径向扩张，并防止两节之间相互摩擦。

如图1，不同柔性关节驱动组件1中的柔性梁13处在对应的空气弹簧11的同一侧，初始状态下的各柔性梁13处在同一条直线上。可使机械臂在二维平面内向同一方向弯曲变形。

如图1和2，囊式空气弹簧通过气源接头一14与外部气源相连接，囊式空气弹簧内部具有密封气室；外部气源对密封气室加正压后，囊式空气弹簧横向膨胀（即向两端伸长）同时带动柔性梁13发生变形，因柔性梁13长度不发生改变，限制了相关应力变形，故柔性梁13带动囊式空气弹簧向柔性梁13处弯曲，使得柔性关节驱动组件向柔性梁13所在一侧的方向发生弯曲，囊式空气弹簧因内部气压增大，使得整体结构刚度变大；放气变为正常大气压后，囊式空气弹簧横向收缩，恢复为正常尺寸，在柔性梁13的张力作用下，柔性关节驱动组件1由弯曲恢复成原来的初始状态（即常态形状），囊式空气弹簧内部气压恢复，整体刚度变小，恢复柔性状态。

在另一个实施例中，不同柔性关节驱动组件1中的柔性梁13处在对应的空气弹簧11的不同侧面，初始状态下的各柔性梁13处在不同的直线上。可使机械臂产生不同方向的弯曲。

如图1、图5和图6，变刚度支撑连接组件2包括刚性连接管21、环形气囊和气源接头二25，环形气囊设置于刚性连接管21的外围，气源接头二25连接于环形气囊，一个变刚度支撑连接组件2的刚性连接管21的一端通过紧固件连接机械手3，另一端通过紧固件连接一个柔性关节驱动组件1，另一个变刚度支撑连接组件2的刚性连接管21的一端通过紧固件连接一个柔性关节驱动组件1，另一端通过紧固件连接另一个柔性关节驱动组件1，气源接头二25外接至气源。

刚性连接管21为铝合金圆柱体管件，刚性连接管21的两端开有螺纹盲孔，为第三孔。环形气囊使用热塑性聚氨酯弹性体橡胶（tpu）以及尼龙织物复合制成，通过尼龙绑带环形包裹于刚性连接管外表面。

环形气囊包括内部相连通的第一气室22、第二气室23和第三气室24，气源接头二25连通第一气室22，第一气室22在与气源接头二25连接的位置设置通孔，相邻的两气室之间具有隔离带26。环形气囊为三气室连通的环状结构气囊，相邻气室间设有连通腔贯穿连通以形成一个完整的密闭体，第一气室22膨胀后的体积大于第二气室23膨胀后的体积，且大于第三气室24膨胀后的体积。如图5所示，第一气室22处于刚性连接管21的下方，第二气室23和第三气室24处于刚性连接管21的上部两侧，第二气室23和第三气室24为负载接触面，起承受负载的作用。

机械手3可以是手型模样的固定部件，在其他实施例中，可以是带驱动的机械手，即给手腕部分自由度以模仿人手腕在抱起时的动作，同时增加机械臂在抱起运动时的安全性。

使用时，气源接头一14接正压，囊式空气弹簧横向膨胀同时带动柔性梁13发生变形，因柔性梁13长度不发生改变，限制了相关应力变形，故柔性梁13带动囊式空气弹簧向柔性梁13处弯曲，柔性关节驱动组件1两端的连接板12同步运动，作张开动作，带动相连接的变刚度支撑连接组件2随之运动，即使得整个变刚度柔性关节驱动机械臂绕柔性关节驱动组件1发生弯曲，外部气源同时对气源接头二25接正压，使环形气囊增压径向膨胀，径向高度增加，此时机械臂整体刚度变大，具有一定的带负载能力；外部气源通过气源接头一14与气源接头二25放气变为正常大气压后，囊式空气弹簧横向收缩，恢复为正常尺寸，在柔性梁13的张力作用下，柔性关节驱动组件1由弯曲恢复成原来的常态形状，囊式空气弹簧内部气压恢复，整体刚度变小，恢复柔性状态，环形气囊径向收缩，恢复柔性且高度恢复为正常形态。机械臂整体恢复常态挺直形状。柔性关节驱动组件1与变刚度支撑连接组件2的结合使机械臂可作弯曲动作，且刚度可随外部气源气压而变化，提高了机械臂的负载能力。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。