一种双节McKibben肌肉变刚度软体机器人手臂的制作方法

本发明涉及软体机器人领域，特别是涉及一种变刚度软体机器人。

背景技术：

随着机器人行业的发展，机器人应用领域越来越广，机器人从传统工业应用逐步拓展到服务、农业、医疗、灾难救援等行业。机器人的应用正朝着人类与机器人近距离的物理交互领域的发展。工作中有些时候需要人与机器人直接接触，协同合作，机器人与人类交互的安全性问题引起了各界的注意。提高机器人的灵活性，实现其变刚度特性，减轻机器人质量等是提高人机合作安全性的有效解决方案。变刚度软体机器人手臂是由气动mckibben肌肉组成，气动mckibben肌肉的主要优点在于工作方式、响应时间、伸缩范围与生物肌肉较为相似，其非线性特性与人体骨骼肌相近，并且具备电机等驱动器不具备的柔顺性。由mckibben肌肉组成的软体机器人手臂在与外部物体接触时，具有被动适应性，更高的灵活性，尤其适合于非结构环境需求，有利于增加人机合作安全性，受到全世界研究学者和研究机构的广泛青睐。

mckibben气动肌肉手臂，难以实现手臂刚度和位置的解耦，这种刚度调节的应用意义在于，当遇到外部干扰时能够增加自身刚度来减少自身的变形，从而增加鲁棒性；当手臂与工作人员发生碰撞时，能够增加自身的柔顺性，从而增加安全性。因此，mckibben肌肉驱动的软体手臂的刚度与位置解耦问题是关键技术环节。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种mckibben肌肉驱动的变刚度软体机器人手臂，不但可以实现负载变化及位置变化时的刚度改变，同样还可以实现在负载不变及位置不变的情况下，调节手臂的刚度，即实现刚度与位置的解耦。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种双节mckibben肌肉变刚度软体机器人手臂，包括变刚度mckibben手臂；所述变刚度mckibben手臂包括分别设置在中心位置和外围位置mckibben肌肉，所述中心位置和外围位置的mckibben肌肉属性相反；外围位置的mckibben肌肉为多根，均匀布置且与中心位置的mckibben肌肉通过结扣固定。

还包括顶端平台、圆盘；所述顶端平台设置在单节变刚度mckibben手臂的上端；圆盘设置在一段单节变刚度mckibben手臂的下端及另外一段单节变刚度mckibben手臂的末端。

优选地，所述收缩型mckibben肌肉为6根，共分为两组，每组三根，一组通过结扣与伸长型mckibben肌肉相连，彼此成120°均布在伸长型mckibben肌肉周围：另一组收缩型mckibben肌肉通过结扣与第一组收缩型mckibben肌肉相连。

本发明的优点是：本发明通过打节的方式，使得伸长型及收缩型mckibben肌肉相互连接在一起，工作时，通过控制伸长型及收缩型mckibben肌肉内气压，实现位置及刚度的解耦。

附图说明

图1是本发明的双节mckibben肌肉变刚度软体机器人手臂的整体结构图；

图2是单节mckibben肌肉变刚度软体机器人手臂示意图；

图3为刚度和位置的解耦原理示意图；

图4为顶端平台结构示意图；

图5为圆盘结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，该双节mckibben肌肉变刚度软体机器人手臂由以下部分组成：一个顶端平台1，两组单节mckibben肌肉变刚度软体机器人手2，两个圆盘3。

从图2所示，单节mckibben肌肉变刚度软体机器人手臂由三部分组成：若干结扣4，一根伸长型mckibben肌肉5，六根收缩型mckibben肌肉6。收缩型mckibben肌肉6共分为两组，每组三根，一组通过结扣4与伸长型mckibben肌肉5相连，彼此成120°均布在伸长型mckibben肌肉5周围：另一组mckibben肌肉同样通过结扣4与第一组收缩型mckibben肌肉相连。本实施例中，收缩型mckibben肌肉6围绕伸长型mckibben肌肉5，也可以将收缩型mckibben肌肉与伸长型mckibben肌肉互换位置，其效果是一样的。

本发明的原理是：由于本发明通过打节的方式，使得伸长型及收缩型mckibben肌肉相互连接在一起，工作时，通过控制伸长型及收缩型mckibben肌肉内气压，气压增大刚性也增加，而由于伸长型及收缩型mckibben肌肉相互连接在一起，因此，整体肌肉的位置并没有发生变化，保证了在位置不变的情况下刚性增加；反之，则可以保证刚度不变的情况下的位置变化，即实现了位置及刚度的解耦。

如图3所示，当手臂到达某一位置，同时调节伸长型及收缩型mckibben肌肉内部气压，实现手臂在不改变位置的情况下，调节刚度，使手臂刚度与位置的关系解耦。在保证手臂长度相同情况下，(a)对中间伸长型mckibben肌肉充气，其余三根收缩型mckibben肌肉不充气，实现手臂低刚度工作状态；(b)增加中间mckibben肌肉的充气压力，同时对其余三根收缩型mckibben肌肉充入一定压力的气体，产生收缩力，保持位置不变，而实现手臂高刚度工作状态。同样，手臂弯曲运动时，通过调节三根收缩型mckibben肌肉内部压力及伸长型mckibben肌肉内部压力实现刚度的调节。图3中，fea与feb为中间伸长型mckibben肌肉产生的输出力，fcb1、fcb2和fcb3为三根收缩型mckibben肌肉产生的输出力。

本发明中，顶端平台、圆盘的结构如图4、图5所示，均设置中间位置的圆孔及围绕其的圆孔，分别用来固定中间位置的mckibben肌肉和围绕在外侧的mckibben肌肉；由于设置了圆盘、顶端平台，可以保证围绕的mckibben肌肉受力均匀。

技术特征：

技术总结
本发明公开一种双节McKibben肌肉变刚度软体机器人手臂，包括变刚度McKibben手臂，所述变刚度McKibben手臂包括收缩型McKibben肌肉、伸长型McKibben肌肉；所述收缩型McKibben肌肉为多根，围绕伸长型McKibben肌肉设置并通过结扣与伸长型McKibben肌肉固定。本发明的优点是：本发明通过打节的方式，使得伸长型及收缩型McKibben肌肉相互连接在一起，工作时，通过控制伸长型及收缩型McKibben肌肉内气压，实现位置及刚度的解耦。

技术研发人员：郝丽娜;项超群;张颖;高席峰
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：2017.05.24
技术公布日：2017.10.13