专利名称：形状记忆合金丝驱动的柔性机械臂机构及其柔性机械臂的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种形状记忆合金丝驱动的柔性机械臂机构，属于机器人技术领域。
背景技术：
随着航天和深海探测事业的飞速发展，对于极限环境下能够辅助或代替人工作的机械臂的需求日益增加。柔性机械臂凭借着其质量轻，灵活性好，运动范围广等优点，逐渐成为机械臂研究的热点之一。在未来空间活动中，航天机械臂将逐步取代宇航员完成各种空间操作。而在深海开发领域，由于海底的高压复杂环境不适宜人类工作，需要合适的机器臂来代替人们进行海底探测、海上打捞、海下侦查、排险等工作。因此，为了满足上述需求，研究人员开始研究新型的更为灵活的柔性机械手臂。
德国Festo工程公司以大象鼻子为仿生对象，研制了气动驱动的仿生机械臂。动力科学公司(KSI)研制了具有柔韧性的机器人手臂Air-Octor，它由气动驱动器和电动马达共同驱动，能够完成弯曲，收缩和伸长等动作。美国南卡罗莱纳州克莱蒙森大学的Walker领导的研究小组以头足纲动物为仿生对象，研制出了一种新型柔性机器臂OctArm，可通过气动驱动实现两个沿轴线方向的弯曲和伸长运动，组合起来就能够完成在三维空间内的动作。意大利比萨圣安娜高等学校为首的欧洲小组成功研发出了模拟章鱼触腕的绳驱动机械臂，并成功模拟了章鱼触手的运动。华中科大杨凯等人以内嵌形状记忆合金(Shape MemoryAlloy, SMA)丝的单元为基础，制作了三指仿生机械手爪，该手爪可以快速完成柔顺抓取动作。哈尔滨工业大学的王振龙等人研制了基于SMA丝驱动的仿章鱼触腕单元，该单元能实现类似章鱼腕的柔性弯曲功能。目前研制出的柔性机械臂都是通过气动、液压、绳驱和SMA人工肌肉等方式驱动来实现弯曲运动和抓取运动。与其它几种驱动方式相比SMA材料的性能更加接近于肌肉，但现有的SMA驱动机械臂难以实现伸缩和扭转功能，与生物原型的运动还存在较大差距。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有与章鱼腕运动相似的，能够实现全柔性弯曲、扭转和伸缩运动的仿生柔性机械臂机构。为了实现上述目标，以乌贼和章鱼腕的外形结构和肌肉组织结构为参考，以结构简单，控制方便为设计思想。一种形状记忆合金丝驱动的柔性机械臂机构，其特征在于包括内层芯棒、外层柔性套和用于给SMA丝电加热的导线束；其中内层芯棒由一个底座、一个顶端固定片、N个内间隔片、N+1个内硅胶管和三根SMA丝组成，N为大于I的自然数；其中N个内间隔片和N+1个内硅胶管相互间隔布置，底座布置于内层芯棒最下方内硅胶管的底端，顶端固定片布置于内层芯棒最上方内硅胶管的顶端；上述底座、顶端固定片、内间隔片均具有用于SMA丝定位的固定孔；每根SMA丝的头端固定于底座的一个固定孔，然后采用左右折返的方式依此穿过内间隔片的固定孔，再穿过顶端固定片的固定孔后折返，然后继续采用左右折返的方式依此穿过内间隔片的固定孔，最后SMA丝的末端固定于底端的固定孔，每根SMA丝整体呈交叉状；上述SMA丝嵌入在内硅胶管中，内硅胶管、内间隔片、底座和顶端固定片之间均采用硅胶粘接；其中外层柔性套由一个底端连接座、一个顶端连接座、M个外间隔片、M+1个外硅胶管和六根SMA丝组成，M为大于I的自然数；其中M个外间隔片和M+1个外硅胶管相互间隔布置，底端连接座布置于外层柔性套最下方外硅胶管的底端，顶端连接座布置于外层柔性套最上方外硅胶管的顶端；上述外间隔片、顶端连接座、底端连接座均具有用于SMA丝定位的固定孔；每根SMA丝的头端固定于底端连接座的一个固定孔，然后采用螺旋方式依此穿过外间隔片的固定孔，SMA丝的末端再固定于顶端连接座的固定孔；上述六根SMA丝中任意相邻的两根SMA丝中一根为左旋方式而另一根为右旋方式；上述SMA丝嵌入在外娃胶管中，外硅胶管、外间隔片、底端连接座和顶端连接座之间均采用硅胶粘接；上述SM丝与导线束相连，导线束穿过内层芯棒的中心孔；上述底端连接座和底座位置对应且通过轴承连接，顶端连接座和顶端固定片位置对应且通过轴承连接；上述N < M，且上述外间隔片与对应的内间隔片之间通过轴承连接。利用所述形状记忆合金丝驱动的柔性机械臂机构的柔性机械臂，其特征在于若 干柔性机械臂机构通过连接块串联或或通过固定基座并联并联。该柔性机械臂机构的内层芯棒和外层柔性套之间通过轴承连接，内层芯棒的柔性弯曲运动和收缩运动通过轴承传递到外层柔性套上。本发明的柔性机械臂机构因其特殊的结构设计，可以实现模仿乌贼和章鱼的腕的柔性弯曲和收缩运动。利用SMA丝的形状记忆效应，在一定温度条件下，实现相变收缩，来为柔性机械臂机构提供动力源，整个结构简单，且具有与肌肉性静水肌肉相似的耐压性。在内层芯棒和外层柔性套的共同作用下，该柔性机械臂机构可以实现整体的柔性弯曲、柔性扭转和伸缩运动，并且这几种运动可产生复合效果，增加柔性机械臂机构的灵活性。通过多个柔性机械臂机构的串联、并联和混联，可实现一种多方位、多角度和多扭转变形的新型柔性机械臂，从而可完成复杂非结构环境下的柔性抓取和捕获等功能。本发明的柔性机械臂机构通过单个使用或多个串联、并联和混联使用，可用于深海勘测、军事侦察和太空操作等相关领域。
图I形状记忆合金丝驱动柔性机械臂机构；
图2形状记忆合金丝驱动柔性机械臂机构剖视 图3内层芯棒；
图4内层芯棒中形状记忆合金丝布置示意 图5内层芯棒剖视 图6外层柔性套中形状记忆合金丝布置示意 图7外层柔性套中左旋形状记忆合金丝布置示意 图8外层柔性套中右旋形状记忆合金丝布置示意 图9外层柔性套剖视 图10柔性机械臂机构串联结构示意图；图11柔性机械臂机构并联结构示意 图12柔性机械臂机构混联结构示意 图中标号名称1、内层芯棒，2、外层柔性套，3、导线束，4、连接块，5、固定基座，101、内间隔片，102、内硅胶管，103、顶端固定片，104、SMA丝，105、底座，201、外间隔片，203、顶端连接座，204、外硅胶套，205、轴承，206、底端连接座。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的形状记忆合金丝驱动柔性机械臂机构的具体技术方案进行描述。如图1、2所示，本发明的柔性机械臂机构由内层芯棒I、外层柔性套2和导线束3组成。本发明的一种形状记忆合金丝驱动的柔性机械臂机构，其特征在于所述的仿生柔性机械臂机构包括内层芯棒和外层柔性套；其中内层芯棒包括N个内间隔片、3根SMA丝、底 座、顶端固定片和N+1个内硅胶管，内硅胶管和内间隔片相互间隔布置，SMA丝穿过内间隔片和顶端固定片嵌入在内硅胶管中；其中外层柔性套包括M个外间隔片、6根SMA丝、底端连接座、顶端连接座和M+1个外硅胶管，外硅胶管和外间隔片相互间隔布置，6根SMA丝分为两组相反的旋向布置，每根SMA丝都以近似螺旋线的形状布置，且穿过外间隔片和嵌入在外硅胶管中，并一端固定在底部的底座上，另一端固定在顶端的连接座。内层芯棒I和外层柔性套2之间通过轴承205连接，保证内层芯棒I和外层柔性套2之间能够实现相对的扭转运动，用于给SMA丝通电加热的导线束3穿过内层芯棒I的中心孔。内层芯棒I中的顶端固定片103通过轴承205与外层柔性套2的顶端连接座203连接，实现内层芯棒I和外层柔性套2之间轴向位置的限定，内层芯棒I的柔性弯曲和轴向伸缩运动都通过轴承传递到外层柔性套2上。外层柔性套2中的顶端连接座203用于与其它柔性机械臂机构或末端执行器连接，外层柔性套2的扭转运动和伸缩运动与内层芯棒I通过轴承传递的弯曲和伸缩运动相复合，可使柔性机械臂机构实现柔性弯曲、扭转和伸缩运动，从而使顶端连接座203可实现任意空间姿态。如图3、4、5所示，本发明的内层芯棒I由内间隔片101、内硅胶管102、顶端固定片103、SMA丝104、底座105组成。N个内间隔片101和N+1个内硅胶管102相互间隔布置，I个顶端固定片103安装在内层芯棒I的顶端，I个底座105安装在内层芯棒I的底端，每一根形状SMA丝104都交叉式分布，并穿过内间隔片101的固定孔，每一根形状SMA丝104都在穿过顶端固定片103后折返，且每一根SMA丝104的两端都固定在底端的底座105上，全部SMA丝104都嵌入在内硅胶管102中，内硅胶管102与内间隔片101和顶端固定片103之间直接采用704硅胶粘接，以实现SMA丝与外界环境隔离。SMA丝104共为3根，分别按截面内120°间隔分布，通过直接通电加热方式控制SMA丝收缩，按特定规律控制3根SMA丝的收缩运动，可以控制内层芯棒在轴向投影平面内360°任意方向弯曲，实现内层芯棒I向任意轴向投影方向弯曲和不同的弯曲角度，3组SMA丝104全部通电加热收缩时内层芯棒I实现沿轴线方向的整体收缩。如图6、7、8、9所示，本发明的外层柔性套2由外间隔片201、SMA丝、顶端连接座203、外硅胶管204、轴承205、底端连接座206组成。M个外间隔片201和M+1个外硅胶管204相互间隔布置，I个顶端连接座203安装在外层柔性套2的顶端，用于连接其它柔性臂机构或末端执行器，I个底端连接座206安装在外层柔性套2的底端，6根SMA丝平均分成两组，其中一组为在截面内平均分布的沿外层柔性套2轴线左旋方向呈螺旋线形状布置，另一组为在截面内平均分布的沿外层柔性套2轴线右旋方向呈螺旋线形状布置，即两组SMA丝的旋转布置方向相反，通过控制不同组SMA丝的收缩运动，可以实现不同方向的扭转运动，6根SMA丝同时收缩时可实现外层柔性套沿轴线方向的收缩。上述全部SMA丝都嵌入在外硅胶管204中，外硅胶管204和外间隔片201和顶端连接座203之间直接采用704硅胶粘接，以实现SMA丝与外界环境隔离。SMA丝的两端分别固定在顶端连接座203和底端连接座206上，且每组SMA丝在底部连接座206和顶端连接座203 —端连接在一起并与导线连接。轴承205安装在外间隔片201、顶端连接座203和底端连接座206中，且轴承205外圈与外间隔片201、顶端连接座203和底端连接座206之间为过盈配合。所述柔性机械臂机构可通过串联组成柔性机械臂，如图10所示。各柔性机械臂机构之间通过连接块4串联在一起，每一个柔性机械臂机构的导线都穿过前一个柔性机械臂机构的中心孔，所有的柔性机械臂机构的导线集合成导线束。通过按特定的驱动规律来控制每个柔性机械臂机构，可以实现整个柔性机械臂的空间任意姿态的弯曲，能够深入狭窄的未知非结构环境，进行勘察和缠绕抓取工作。 所述柔性机械臂机构可通过并联组成柔性机械臂,如图11所示。各柔性机械臂机构都并联固定在一个固定基座5上，其轴线可以相互平行也可以相互呈一定角度布置，所有的柔性机械臂机构的导线都穿过固定基座5后集合成导线束。通过按特定的驱动规律来控制每个柔性机械臂机构，可以实现模拟乌贼和章鱼腕的柔性抓取和捕食运动。该柔性机械臂具有更大的柔性，能够实现更加灵活的捕捉运动，灵活性优于一般的电机驱动机械臂和机械手。所述柔性机械臂机构可通过串联和并联混合组成柔性机械臂，如图12所示。该柔性机械臂包括多个串联和并联结构，通过合理的模块化组合可实现多种复杂功能。
权利要求
1.一种形状记忆合金丝驱动的柔性机械臂机构，其特征在于包括内层芯棒(I)、外层柔性套(2)和用于给SMA丝电加热的导线束(3)； 其中内层芯棒(I)由一个底座(105)、一个顶端固定片(103)、N个内间隔片(101)、N+1个内硅胶管(102)和三根SMA丝组成，N为大于I的自然数；其中N个内间隔片(101)和N+1个内娃胶管(102)相互间隔布置,底座(105)布置于内层芯棒(I)最下方内娃胶管的底端，顶端固定片(103)布置于内层芯棒(I)最上方内娃胶管的顶端；上述底座(105)、顶端固定片(103)、内间隔片(101)均具有用于SMA丝定位的固定孔；每根SMA丝的头端固定于底座(105)的一个固定孔，然后采用左右折返的方式依此穿过内间隔片的固定孔，再穿过顶端固定片的固定孔后折返，然后继续采用左右折返的方式依此穿过内间隔片的固定孔，最后SMA丝的末端固定于底端(105)的固定孔，每根SMA丝整体呈交叉状；上述SMA丝(104)嵌入在内硅胶管(102)中，内硅胶管(102)、内间隔片(101)、底座(105)和顶端固定片(103)之间均采用娃胶粘接； 其中外层柔性套(2 )由一个底端连接座(206 )、一个顶端连接座(203 )、M个外间隔片 (201)、M+1个外硅胶管(204)和六根SMA丝组成，M为大于I的自然数；其中M个外间隔片(201)和M+1个外硅胶管(204)相互间隔布置，底端连接座(206)布置于外层柔性套(2)最下方外硅胶管的底端，顶端连接座(203 )布置于外层柔性套(2 )最上方外硅胶管的顶端；上述外间隔片(201)、顶端连接座(203 )、底端连接座(206 )均具有用于SMA丝定位的固定孔；每根SMA丝的头端固定于底端连接座(206)的一个固定孔，然后采用螺旋方式依此穿过外间隔片的固定孔，SMA丝的末端再固定于顶端连接座(203)的固定孔；上述六根SMA丝中任意相邻的两根SMA丝中一根为左旋方式而另一根为右旋方式；上述SMA丝嵌入在外娃胶管(204)中，外硅胶管(204)、外间隔片(201)、底端连接座(206 )和顶端连接座(103 )之间均采用娃胶粘接； 上述SMA丝与导线束(3)相连，导线束(3)穿过内层芯棒(I)的中心孔； 上述底端连接座(206)和底座(105)位置对应且通过轴承(205)连接，顶端连接座(203)和顶端固定片(103)位置对应且通过轴承连接；上述N SM，且上述外间隔片(201)与对应的内间隔片(101)之间通过轴承连接。
2.利用权利要求I所述形状记忆合金丝驱动的柔性机械臂机构的柔性机械臂，其特征在于若干柔性机械臂机构通过连接块(4)串联或通过固定基座(5)并联。
全文摘要
一种形状记忆合金丝驱动的柔性机械臂机构及其柔性机械臂，属于机器人技术领域。该柔性机械臂机构包括内层芯棒(1)、外层柔性套(2)和用于给SMA丝电加热的导线束(3)；其中内层芯棒(1)由一个底座(105)、一个顶端固定片(103)、N个内间隔片(101)、N+1个内硅胶管(102)和三根SMA丝组成，其中外层柔性套(2)由一个底端连接座(206)、一个顶端连接座(203)、M个外间隔片(201)、M+1个外硅胶管(204)和六根SMA丝组成，内层芯棒和外层柔性套之间通过轴承连接，内层芯棒的柔性弯曲运动和收缩运动通过轴承传递到外层柔性套上。
文档编号B25J18/04GK102962850SQ201210433479
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月5日 优先权日2012年11月5日
发明者王扬威, 赵东标, 陈柏, 刘凯, 陆永华 申请人:南京航空航天大学