一种刚柔耦合机械臂及机器人

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种刚柔耦合机械臂及机器人。

背景技术：

随着机器人的发展和应用，服务、医疗、娱乐等非工业领域的人工将越来越多地备机器人所取代。在很多情况下，传统的机器人无法完全胜任工作，特别是在工作位置发生变化或环境未知的情况下，无法提前对机器人的工作流程进行全面的设计。在这些特殊条件和环境的要求下，轻型机械臂应运而生。轻量臂通常要求重量轻、结构紧凑、柔韧性好、高负载/重量比和良好的环境交互能力。虽然刚性工业机器人可以通过控制方法(力控制、阻抗控制)表现出一定的柔性，但由于传感器数据采集控制回路中的延迟、电机惯性、机械带宽等因素的影响，这种“柔性”实际上是非常有限的，并不是真正的柔性。轻型机械臂的柔韧性主要来自关节柔韧性和部件柔韧性。结构部件通常采用刚度较高且柔性较低的材料；关节采用大减速比的谐波减速器以获得一定的柔韧性，但这种柔性关节的刚度仍然很大，抗冲击能力仍然有限。

软体下连续体机器人以其优异的适应能力，在医疗康复、助老助残、外骨骼、连续操作、复杂环境监测探测、空间在轨操作等众多领域具有广阔的应用前景。但由于软体机器人本身的柔软性特性，软体机器人在运动过程中容易收到外界的干扰导致机器人发生意外的翻转扭曲。

公告号为cn108943010b的专利说明书中公开了一种气控型刚柔耦合模块化软体机械臂，包括用于通过对内腔进行单向充气或放气控制以控制机械臂运动的气囊结构，气囊结构包括至少一个气囊模块，气囊模块采用沿周向排布的多个气囊体组合构成，气囊模块上设有用于沿径向拉结气囊模块的所述气囊体的固定结构，多个固定结构沿气囊模块轴向间隔排布，用于提高机械臂的负载能力并使所述气囊模块的所有气囊体相互做耦合运动。此方案最大的缺点在于机械臂主体为气囊结构，整个机械臂的结构强度较低。

公告号为cn106313034b的专利说明书中公开了一种刚柔耦合的柔性机械臂，它包括机座、执行装置以及连接他们的多个结构相同并依次串联的驱动单元，在整个机械臂外设有柔性防护罩；所述的驱动单元主要包括4个气动肌腱、4个轻质连杆、两个连接盘、两个支座、小气动肌腱，气动肌腱的两端分别与连接盘连接，在连接盘上分别设有支座，连杆两两一组，其一端分别通过设置支座上的十字轴与连接盘连接，每一组连杆的另一端相交与另一组连杆的另一端分别通过连接件上的圆柱销轴连接，小气动肌腱的两端分别通过螺纹孔与上述连接件连接，相邻两个驱动单元的气动肌腱的大端和小端共用一个连接盘。此方案最大的缺点在于灵活性较差。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种刚柔耦合机械臂，通过在内部骨架外围布置柔性气动肌肉，使得机械臂同时具有刚性机器人和柔性机器人的优点，同时灵活性高。

一种刚柔耦合机械臂，包括由若干骨架单体串联形成的内部骨架和环绕内部骨架、设置于相邻骨架单体之间的若干组气动肌肉；相邻骨架单体活动连接；

所述骨架单体周向设置有若干对气动肌肉接口，每组气动肌肉对应设置在相邻骨架单体相对设置的气动肌肉接口上；相邻骨架单体上相对设置的气动肌肉接口包括密封固定接口和为气动肌肉充气的充气接口；骨架单体周向上还设置有与对应充气接口连通的气管接口。

本方案中，相邻骨架单体间设置有一组气动肌肉，机械臂被分成若干个可独立控制的关节，提高了机械臂的灵活性，同时内部骨架又提高了柔性机械臂的刚度，使得机械臂同时具有刚性机器人和柔性机器人的优点。

作为优选，所述骨架单体两端分别设置有一对连接耳，相对设置的连接耳的水平连线相互垂直；该设计可以保证在内部骨架单体串联的过程中任意两个骨架单体的安装状态都是一致的；相邻骨架单体通过安装于相互配合上两对连接耳上的万向轴节活动连接。

作为优选，所述万向轴节包括十字轴环以及设置在十字轴环四个侧面上、伸入对应连接耳内的连接件。

作为优选，每对气动肌肉接口包括密封固定接口和充气接口。

作为优选，所述骨架单体周向还设置有用于每对气动肌肉接口和气管接口安装的固定座，密封固定接口和充气接口分别设置在固定座的相对面上；所述固定座内设置有气道，气管接口通过气道与充气接口连通。

作为优选，每组气动肌肉包括四个，且等角度分布于内部骨架的周向上。设置四个气动肌肉满足了机械臂的运动空间自由度要求。

作为优选，所述气动肌肉为硅胶材质。

本发明还提供了一种刚柔耦合机器人，包括上述的刚柔耦合机械臂。

本发明的有益效果：

本发明设计的内部骨架可以实现任意关节任意方向±30°范围的运动；同时通过内部骨架的约束来实现相较于单纯气动肌肉运动更高的运动精度；又由于外部是由柔性气动肌肉包裹，故对外表现出柔韧性，具备了刚性机器人和柔性机器人两者的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的爆炸结构示意图；

图3为骨架单体的结构示意图；

图4为万向轴节的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，一种刚柔耦合机械臂，包括由若干骨架单体11串联形成的内部骨架1和环绕内部骨架1、设置于相邻骨架单体11之间的若干组气动肌肉2；气动肌肉2具体为硅胶材质；相邻骨架单体11活动连接。

本实施例中，骨架单体11两端分别设置有一对连接耳111，相邻骨架单体11通过安装于相互配合上两对连接耳111上的万向轴节12活动连接。

具体地，万向轴节12包括十字轴环121以及设置在十字轴环121四个侧面上的连接件122，连接耳111上设置有对应连接件122伸入的轴孔1111；为了保证在骨架单体11串联的过程中任意两个骨架单体11的安装状态是一致的，骨架单体11上两对连接耳111相对设置的轴孔1111间连线相互垂直。

骨架单体11周向设置有若干对气动肌肉接口，每组气动肌肉2对应设置在相邻骨架单体11相对设置的气动肌肉接口上。

本实施例中，骨架单体11周向设置有四个用于每对气动肌肉接口安装的固定座112，即每组气动肌肉2包括四个，固定座112等角度分布于内部骨架1的周向上；每对气动肌肉接口包括分别设置在固定座112相对面上的密封固定接口113和充气接口114，且相邻骨架单体11上相对设置的气动肌肉接口一个为密封固定接口113，另一个为充气接口114，以便固定气动肌肉2并为其充气。

为了方便为各气动肌肉2充气，固定座112内设置有气道，且各固定座112上还均设置有一个气管接口115，气管接口115通过气道与充气接口114连通。

本发明还提供了一种刚柔耦合机器人，包括上述的刚柔耦合机械臂。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。