气控型刚柔耦合模块化软体机械臂的制作方法

本发明涉及机械臂技术领域，特别地，涉及一种气控型刚柔耦合模块化软体机械臂。

背景技术

机械臂主要用于调节所携带的物体的运动姿态和运动路径使其移动至目标位置。现有的机械臂分为刚性机械臂和软体机械臂。刚性机械臂通过伸缩动力机构和转向机构相互配合以实现机械臂的灵活运动，刚性机械臂的控制精度高，但运动范围比较小，无法设置复杂的运动路径。软体机械臂的研究主要受到自然界中的软体动物(如章鱼、象鼻等)的运动模式启发，通过软性材料搭配气动控制系统，实现超冗余和无限自由度的柔顺运动。软体机械臂因其柔性结构特性，使其在复杂未知环境探测、人机友好交互等方面，都具有刚性机械臂难以匹敌的优势。

现有的软体机械臂通过控制气囊腔的充气和放气以实现软体机械臂的运动，但由于其结构的柔性，导致控制精度很难保证，并且负载能力差，无法负载质量大的物体。

技术实现要素：

本发明提供了一种气控型刚柔耦合模块化软体机械臂，以解决现有的软体机械臂负载能力差和控制精度低的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供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，气囊结构具有与气路控制系统连接并用于通过气路控制系统对气囊结构内腔进行充气或放气控制的通气端以及与待控制物体连接并用于通过密封以形成内腔并通过内腔气压形成的伸缩力控制待控制物体运动的密闭端，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气囊模块的各个气囊体相互做耦合运动。

进一步地，气囊结构采用单个气囊模块；或者气囊结构采用多个气囊模块，多个气囊模块沿轴向首尾密封连接构成气囊模块组件。

进一步地，气囊模块中气囊体的个数为偶数，两个气囊体为一组，每组气囊体沿气囊结构的轴线对称分布，通过向所述每组气囊体中的其中一个气囊体充气以升高气压，而将另一个气囊体充气以升高气压、保持内腔气压不变或放气以降低气压，使气压高的气囊体向气压低的气囊体的方向运动。

进一步地，气囊体呈波纹管状，气囊体通过充气和放气以分别控制波纹管沿轴向拉伸和收缩以调整气囊体的运动方向；固定结构环箍于气囊体的外壁面的波谷处以将气囊模块的气囊体结固定。

进一步地，波纹管状的气囊体内壁面的内波谷腔的容积大于波纹管状的气囊体外壁面的外波谷腔，通过增大内波谷腔中气体量的变化范围以增加气囊体的轴向拉伸能力和收缩能力。

进一步地，固定结构为设有带多个固定孔的多孔隔板，固定孔与气囊体一一对应布设，固定孔设有用于气囊体进入固定孔内的开口槽，多孔隔板的中心处设有用于穿设气体管路、绳索、电缆中的至少一个的隔板中心孔。

进一步地，开口槽上设有用于将气囊体锁定于固定孔内的锁止件。

进一步地，气囊模块的第一端设有用于将各个气囊体的第一端的开口密封并将各个气囊体第一端拉结固定成一体的顶部基座，气囊模块的第二端设有用于将各个气囊体的第二端拉结固定成一体并构成各个气囊体内腔的进气通道的底部基座，多个气囊模块首尾密封连接，相邻两气囊模块之间通过顶部基座与底部基座首尾密封连接形成气囊模块组件。

进一步地，气囊体的第一端设有用于安装顶部基座的顶部法兰盘，气囊体的第二端设有用于安装底部基座的底部法兰盘。

进一步地，顶部基座包括多个连接公头、设于连接公头内并位于气囊体的第一端的开口上方的密封塞以及与用于穿设气体管路、绳索、电缆中至少一个的顶座中心孔，顶部基座通过多个密封塞分别将各个气囊体的第一端的开口密封；底部基座包括多个连接母头、设于连接母头内并与气囊体内腔连通的通气孔、与连接母头内壁面面贴合密封连接的通气塞以及用于穿设气体管路、绳索、电缆中至少一个的底座中心孔以及与通气孔相对的通气凹槽以及与通气凹槽连通并用于连接进气管路的进气道，底部基座通过多个通气塞分别将各个所述气囊体的第二端的开口与进气管连接。。

本发明具有以下有益效果：

本发明的气控型刚柔耦合模块化软体机械臂，分别控制沿周向排布的各个气囊体中气体量和气体压力，充气后气体压力升高的气囊体膨胀延长，而放气后气体压力降低的气囊体收缩缩短。在固定结构的拉结作用下，膨胀延长的气囊体朝向气压低的气囊体方向作弯曲和伸长运动，以实现软体机械臂向不同的方向弯曲和伸长运动；在固定结构的拉结作用下，收缩缩短的气囊体朝向远离气压高的气囊体方向作折弯和缩短运动，以实现软体机械臂向不同的方向折弯和缩短运动。多个气囊体也提高了软体机械臂的负载能力；通过沿径向拉结气囊模块的气囊体的固定结构，以将气囊模块的多个气囊体拉结成一体，且多个固定结构沿气囊结构轴向间隔排布，以实现气囊模块的各个气囊体之间在不同轴段位置的耦合运动，避免由于各个气囊体内气体量和气体压力的不同而向不同的方向运动导致机械臂运动不可控的问题；通过沿气囊结构轴向排布的多个固定结构将气囊体连接，进一步提高了机械臂的负载能力，便于携带质量较大的物体运动。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的气控型刚柔耦合模块化软体机械臂的结构示意图；

图2是本发明优选实施例的气囊模块的结构示意图；

图3是本发明优选实施例的气囊体的结构示意图；

图4是本发明优选实施例的气囊体的剖面结构示意图；

图5是本发明优选实施例的多孔隔板的结构示意图；

图6是本发明优选实施例的顶部基座的结构示意图；

图7是本发明优选实施例的底部基座的结构示意图；

图8是本发明优选实施例的密封塞的结构示意图；

图9是本发明优选实施例的通气塞的结构示意图。

图例说明：

1、气囊模块；2、气囊体；21、顶部法兰盘；22、底部法兰盘；3、多孔隔板；31、固定孔；32、开口槽；33、隔板中心孔；4、顶部基座；41、连接公头；42、密封塞；43、顶座中心孔；5、底部基座；51、连接母头；52、通气塞；521、通气凹槽；522、进气道；53、底座中心孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是本发明优选实施例的气控型刚柔耦合模块化软体机械臂的结构示意图；图2是本发明优选实施例的气囊模块的结构示意图；图3是本发明优选实施例的气囊体的结构示意图；图4是本发明优选实施例的气囊体的剖面结构示意图；图5是本发明优选实施例的多孔隔板的结构示意图；图6是本发明优选实施例的顶部基座的结构示意图；图7是本发明优选实施例的底部基座的结构示意图；图8是本发明优选实施例的密封塞的结构示意图；图9是本发明优选实施例的通气塞的结构示意图。

如图1和图2所示，本实施例的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。气囊结构具有与气路控制系统连接并用于通过气路控制系统对气囊结构内腔进行充气或放气控制的通气端以及与待控制物体连接并用于通过密封以形成内腔并通过内腔气压形成伸缩力控制待控制物体运动的密闭端。气囊结构包括至少一个气囊模块1。气囊模块1采用沿周向排布的多个气囊体2组合构成。气囊模块1上设有用于沿径向拉结气囊模块1的气囊体2的固定结构。多个固定结构沿气囊模块1轴向间隔排布，用于提高机械臂的负载能力并使气囊模块1的所有气囊体2相互做耦合运动。本实施例中，固定结构将气囊模块1中的所有气囊体2拉结固定。可选地，多个固定结构相互交叉并分别将气囊模块1中的多个气囊体2拉结固定，通过多个固定结构沿气囊模块1轴向间隔排布以实现气囊模块1中所有气囊体2的拉结固定。气囊模块1由沿周向排布的四个气囊体2构成。通过分别控制四个气囊体2中的气体量和气体压力，使不同的气囊体2具有不同的运动方向。再通过十四个固定于四个气囊体2外表面的固定结构并沿气囊结构轴向等距排布将四个气囊体2连接后，四个气囊体2的运动相互影响，使气囊模块1向耦合后的运动方向运动。固定结构由刚性材料制成。通过多个固定结构沿气囊结构轴向间隔排布，使软体机械臂具有柔性结构以实现无限自由度运动，同时又具有刚性结构以提高负载能力。在另一实施例中，气囊体2内沿轴向和/或周向设有多个独立气囊腔，通过多个气体管路分别控制多个独立气囊腔的充气或放气以使气囊体2沿预设方向延伸或收缩。本发明的气控型刚柔耦合模块化软体机械臂，分别控制沿周向排布的各个气囊体2中气体量和气体压力，充气后气体压力升高的气囊体2膨胀延长，而放气后气体压力降低的气囊体2收缩缩短。在固定结构的拉结作用下，膨胀延长的气囊体2朝向气压低的气囊体2方向作弯曲和伸长运动，以实现软体机械臂向不同的方向弯曲和伸长运动；在固定结构的拉结作用下，收缩缩短的气囊体2朝向远离气压高的气囊体2方向作折弯和缩短运动，以实现软体机械臂向不同的方向折弯和缩短运动。多个气囊体2也提高了软体机械臂的负载能力；通过沿径向拉结气囊模块1的气囊体2的固定结构，以将气囊模块1的多个气囊体2拉结成一体，且多个固定结构沿气囊结构轴向间隔排布，以实现气囊模块1的各个气囊体2之间在不同轴段位置的耦合运动，避免由于各个气囊体2内气体量和气体压力的不同而向不同的方向运动导致机械臂运动不可控的问题；通过沿气囊结构轴向排布的多个固定结构将气囊体2连接，进一步提高了机械臂的负载能力，便于携带质量较大的物体运动。

如图1和图2所示，本实施例中，气囊结构采用单个气囊模块1。或者气囊结构采用多个气囊模块1，多个气囊模块1首尾密封连接构成气囊模块组件。本实施例中，气囊结构采用三个气囊模块1首尾密封连接所构成气囊模块组件。根据机械臂所需移动的距离选择不同长度的气囊模块1或不同数量的气囊模块1首尾密封连接构成气囊模块组件。通过分别控制不同气囊模块1中的不同气囊体2内的气体压力和气体量，从而控制软体机械臂的运动姿态和运动路径，提高了软体机械臂的运动范围。通过分模块的控制方式控制软体机械臂按照预设的方向移动，提高了控制精度。

如图2所示，本实施例中，气囊模块1中气囊体2的个数为偶数，两个气囊体2为一组。每组气囊体2沿气囊结构的轴线对称分布。通过向每组气囊体2中的其中一个气囊体2中充气，而将另一个气囊体2充气以升高气压、保持内腔气压不变或放气以降低气压，使气压高的气囊体2向气压低的气囊体2的方向运动。可选地，气囊模块1采用两组气囊体2呈等四边形对称布设。或者气囊模块1采用三组气囊体2呈等六边形对称布设。或者气囊模块1采用四组气囊体2呈等八边形对称布设。本实施例中，气囊模块1采用两组气囊体2呈等四边形对称布设。通过分别控制每个气囊体2内的气体压力和气体量，使每组中两个气囊体2的运动互相影响以及多组气囊体2的相互影响，从而使气囊模块1向耦合后的方向运动，软体机械臂的运动可控，控制精度高。当向两组中其中两个气囊体2内充入相同压力和相同的气体量，而两组中的另外两个气囊体2内气体压力和气体量相等且小于两个充入气体的气囊体2中的气体压力和气体量，则气囊模块1朝向两个气体压力小的气囊体2之间运动。当向各个气囊体2中充入相同压力的气体时，气囊模块1向前延伸作直线运动。将内腔气体压力相同的各个气囊体2中排出相同量的气体，气囊模块1向后收缩作直线运动。

如图3所示，本实施例中，气囊体2呈波纹管状，气囊体2通过充气和放气以分别控制波纹管沿轴向拉伸和收缩以调整气囊体2的运动方向。固定结构沿气囊体2环箍于多个气囊体2的外壁面的波谷处以将气囊模块1的气囊体2结固定。可选地，波纹管状气囊体2的波形为u形、ω形、s形、c形、v形或螺旋形。本实施例中，波纹管状气囊体2的波形为s形，耐高压且位移量大。长度相同的情况下，s形波纹管状的气囊体2通过充放气体后具有更大的运动范围。并且固定结构能更稳固地环箍于s型波纹管外壁面的波谷处。通过将固定结构环箍于波纹管状气囊体2的外壁面的波谷处，避免由于波纹管状气囊体2在充气拉伸后管径变小时导致固定结构沿气囊体2轴向移动。并且固定结构环箍于气囊体2外壁面的波谷处，当气囊体2充入气体膨胀沿轴向拉伸时使气囊体2外壁面的波谷处的径向尺寸变小，固定结构与气囊体2的外壁面存在间隙，不会限制气囊体2的轴向拉伸，因此不会对气囊体2的位移变化量造成影响。

如图4所示，本实施例中，波纹管状的气囊体2内壁面的内波谷腔的容积大于波纹管状的气囊体2外壁面的外波谷腔，通过增大内波谷腔中气体量的变化范围以增加气囊体2的轴向拉伸能力和收缩能力。向气囊体2中充入气体时，内波谷腔不断膨胀变形并沿轴向拉伸，将气囊体2中的气体放出时，内波谷腔缩小并沿轴向收缩。当气囊体2的原始长度一定时，由于外波谷腔的容积大于内波谷腔的容积，外波谷腔中气体变化量的范围更大，因此膨胀变形范围更大，使气囊体2拉伸和收缩的位移变化量更大，从而使软体机械臂的运动范围更广。

如图5所示，本实施例中，固定结构为设有带多个固定孔31的多孔隔板3，固定孔31设有用于气囊体2进入固定孔31内的开口槽32。多孔隔板3的中心处设有用于穿设气体管路、绳索、电缆中的至少一个的隔板中心孔33。安装时，将气囊体2从开口槽32挤压至固定孔31内。通过多孔隔板3的多个固定孔31沿气囊体2周向环箍于多个气囊体2上将多个气囊体2连接。本实施例中，气囊结构包括依次连接的第一气囊模块1、第二气囊模块1以及第三气囊模块1。通过十二根气体管路分别控制十二个气囊体2的充放气，其中四根气体管路分别与第一气囊模块1的四个气囊体2连通，另外八根气体管路穿设于环箍于第一气囊模块1上的多孔隔板3的隔板中心孔33内，其中四根气体管路分别与第二气囊模块1的四个气囊体2连通，剩下的四根气体管路穿过环箍于第二气囊模块1上的多孔隔板3的隔板中心孔33与第三气囊模块1的四个气囊体2连通。通过多个气体管路分别独立控制气囊体2的充放气，而多个气囊体2通过固定结构连接，通过多个气囊体2的运动相互影响耦合后，使气囊模块1朝预设的方向运动。可选地，固定结构为设有带多个固定孔31的多孔隔板3，通过将软体的气囊体2挤压穿过固定孔31实现多个气囊体2的拉结固定。可选地，固定结构为环箍于气囊模块1的所有气囊体2外的单孔隔板。多个气囊体2中间的区域用于穿设气体管路、绳索、电缆中的至少一种。

如图5所示，本实施例中，开口槽32上设有用于将气囊体2锁定于固定孔31内的锁止件。本实施例中，开口槽32的两侧设有穿绳孔，穿绳孔用于穿设绳索并将开口槽32拉紧使气囊体2固定于固定孔31内。通过绳索穿设于穿绳孔内将开口槽32拉紧使固定孔31将气囊体2环箍得更加紧固，在软体机械臂的运动过程中，多孔隔板3不易松动偏移。可选地，将开口槽的两侧重叠并通过螺栓锁紧。可选地，开口槽32的两侧设有相互配合的弯钩，开口槽拉紧后通过开口槽两侧的弯钩相互钩紧以使固定孔31闭合，从而避免运动气囊体2从固定孔31中滑脱。

如图2、图6和图7所示，本实施例中，气囊模块1的第一端设有用于将多个气囊体2的第一端的开口密封并将气囊体2第一端拉结固定成一体的顶部基座4。气囊模块1的第二端设有用于将气囊体2的第二端拉结固定成一体并构成各个气囊体2内腔的进气通道的底部基座5。多个气囊模块1首尾密封连接，相邻两气囊模块1之间通过顶部基座4与底部基座5首尾密封连接形成气囊模块组件。对于两端均有开口的通腔的气囊体2的加工比较简单，易于操作。本实施例中，气囊体2内的独立气囊腔为两端均有开口的通腔，通过顶部基座4连接于气囊模块1的第一端将各个气囊体2的第一端的开口密封，使气囊体2内形成容腔，气体由第二端的开口进入气囊体2内使气囊体2膨胀拉伸。在另一实施例中，气囊体2为一端设有开口的容腔，气体由开口进入容腔或排出容腔使独立气囊腔膨胀或收缩。

如图3所示，本实施例中，气囊体2的第一端设有用于安装顶部基座4的顶部法兰盘21。气囊体2的第二端设有用于安装底部基座5的底部法兰盘22。在本实施例中，将顶部基座4和底部基座5分别安装于顶部法兰盘21和底部法兰盘22上，通过第二气囊模块1的底部基座5固定于第一气囊模块1的顶部基座4上将第一气囊模块11与第二气囊模块1密封连接。在另一实施例中，气囊体2为一端设有开口的容腔，气体由开口进入容腔或排出容腔使独立气囊腔膨胀或收缩。底部基座5安装于第二气囊模块的气囊体2的开口端。通过第二气囊模块1的底部基座5固定于第一气囊模块1的封闭端上将第一气囊模块1与第二气囊模块1密封连接。

如图6、图7、图8和图9所示，本实施例中，顶部基座4包括多个连接公头41、设于连接公头41内并位于气囊体2的第一端的开口上方的密封塞42以及与用于穿设气体管路、绳索、电缆中至少一个的顶座中心孔43，顶部基座4通过多个密封塞42分别将各个气囊体2的第一端的开口密封。密封塞42通过螺栓与气囊体2的第一端的开口贴合固定，密封塞42上设有与气囊体2第一端开口过盈配合的凸起，且密封塞42与气囊体2的贴合面之间设有密封圈，从而使密封塞42将气囊体的第一端开口密封。底部基座5包括多个连接母头51、设于连接母头51内并与气囊体2内腔连通的通气孔、与通气孔的端面面贴合密封的通气塞52以及与用于穿设气体管路、绳索、电缆中至少一个的底座中心孔53。通气塞52包括与通气孔相对的通气凹槽521以及设于与通气凹槽521连通并用于连接进气管路的进气道522。底部基座5通过多个通气塞52分别将各个气囊体2的第二端的开口与进气管路连接。通气孔与通气凹槽521相对扣合并与进气道522构成气囊体2的进气通道。连接公头41与气囊体2一一对应。连接母头51与气囊体2一一对应。顶部基座4和底部基座5通过连接公头41和连接母头51插接固定连接。通气塞52通过螺栓与通气孔的端面贴合固定，通气塞52与通气孔的贴合面之间设有密封圈以实现通气塞52与通气孔的端面贴合密封。进气管路中的气体经过进气通道和通气凹槽521后进入气囊体2内。进气管路插入进气道522中并与进气道522密封连接。在本实施例中，顶部基座4固接于顶部法兰盘21上，且连接公头41内设有与气囊体2的第一端开口面积相同的第一通孔。密封塞42上设有与第一通孔和气囊体2的第一端开口过盈配合的凸起。密封塞42与连接公头41的内底壁之间设有多个密封圈，使密封塞42与连接公头41密封连接。将固定于第一气囊模块1第一端的顶部基座4的连接公头41与固定于第二气囊模块1第二端的底部基座5的连接母头51插接固定连接。

从以上的描述中，可以看出，本发明的上述实施例实现了如下技术效果：

本发明的气控型刚柔耦合模块化软体机械臂，分别控制沿周向排布的各个气囊体中气体量和气体压力，充气后气体压力升高的气囊体膨胀延长，而放气后气体压力降低的气囊体收缩缩短。在固定结构的拉结作用下，膨胀延长的气囊体朝向气压低的气囊体方向作弯曲和伸长运动，以实现软体机械臂向不同的方向弯曲和伸长运动；在固定结构的拉结作用下，收缩缩短的气囊体朝向远离气压高的气囊体方向作折弯和缩短运动，以实现软体机械臂向不同的方向折弯和缩短运动。多个气囊体也提高了软体机械臂的负载能力；通过沿径向拉结气囊模块的气囊体的固定结构，以将气囊模块的多个气囊体拉结成一体，且多个固定结构沿气囊结构轴向间隔排布，以实现气囊模块的各个气囊体之间在不同轴段位置的耦合运动，避免由于各个气囊体内气体量和气体压力的不同而向不同的方向运动导致机械臂运动不可控的问题；通过沿气囊结构轴向排布的多个固定结构将气囊体连接，进一步提高了机械臂的负载能力，便于携带质量较大的物体运动。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。