一种连续变刚度柔性机器人的制作方法

本发明涉及柔性机器人技术领域，特别是涉及一种连续变刚度柔性机器人。

背景技术：

随着机器人技术的发展，软体机器人已经逐步进入我们的视野，相较于刚性机器人，软体机器人拥有着弯曲性能好，占地面积小，安全指数高等特点，但是现阶段的软体机器人都存在无法承受大载荷，控制精度差等问题。变刚度软体机器人的出现为解决这一问题提供了思路。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所介绍了一种变刚度柔顺抓取装置(申请号201810616196.5)，该设计通过齿轮传动机构调整各个柔性机构支链的分布角度以调整变刚度柔性并联机构的刚度状态，能够连续地改变其开合运动方向上的夹持刚度，适应对不同形状、不同质量物体的夹持作业。但该发明整体结构为刚性，不具有软体机器人弯曲性能好，占地面积小等特点。

目前，申请号为201810414556.3的发明专利公开了一种空心玻璃微珠组成的软体机器人，包括堵头、形变套、开合弹性基体、支撑骨架、端封板、弹性阻隔板和收紧弹簧。该装置能够通过填充的空心玻璃微珠改变刚度，既能具有较大柔性，又能具有较大刚性。但该发明对空心玻璃微珠填充和削减方式实现困难，而且在填充过程中容易改变软体机器人原有的形状。

申请号为201810630451.1的发明专利公开了一种变刚度的柔性连续并联机器人。由动平台、柔性连续驱动器、定平台和组合致动器组成，除了具有并联机构较高的承载能力和定位精度以外，还具有柔性连续机器人固有的柔顺性和小质量，该发明通过连续体驱动材料进行扭转，可增强驱动支腿的刚度。但该发明体积较大，而且在改变刚度时并联机器人的主体会产生大变形，无法实现变刚度锁死的目的。

因而，提供一种改变刚度时机器人主体不会产生变形的软体机器人是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种连续变刚度柔性机器人，以解决上述现有技术存在的问题，该机器人在刚度变化时，机器人主体形状不会发生变化，而且具有原理简单、刚度可无级调控且刚度变化范围大，承载力大，弯曲性能好等优点，适合运用在人机协作中的精准控制和定位。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种连续变刚度柔性机器人，包括变刚度装置、安装固定装置和控制装置；

其中所述变刚度装置包括第一波纹管、第二波纹管、第一磁体、第二磁体、第三磁体、第四磁体和磨砂铁球，所述第一波纹管和所述第二波纹管的两端为硬质管段，中部为软质波纹管段，所述第一磁体和所述第二磁体分别固定于所述第一波纹管两端的硬质管内，且所述第一波纹管中部的软质波纹管内填充有若干所述磨砂铁球；所述第二波纹管通过一连接部固定于所述第一波纹管顶部，所述第三磁体和所述第四磁体分别固定于所述第二波纹管两端的硬质管内，且所述第二波纹管中部的软质波纹管内也填充有若干所述磨砂铁球；

所述安装固定装置能够将所述变刚度装置固定于指定工位；所述控制装置能够控制所述第一磁体、所述第二磁体、所述第三磁体和所述第四磁体的磁场。

优选地，所述第一波纹管和所述第二波纹管两端的硬质管段为设置有外螺纹的硬质螺纹管，所述第一波纹管底端的硬质管段螺纹连接有一底端盖；所述连接部为一两端均设置有内螺纹套筒的连接端盖，所述连接端盖底端的套筒与所述第一波纹管顶端的硬质管段螺纹连接，所述连接端盖顶端的套筒与所述第二波纹管底端的硬质管段螺纹连接；所述第二波纹管顶端的硬质管段与一连接法兰螺纹连接。

优选地，所述安装固定装置包括工作平台和固定平台，所述连接法兰通过螺栓与所述工作平台顶部一侧设置的横向连接板固定连接，所述固定平台设置于所述工作平台底端，其与所述工作平台底部另一侧设置的横向连接板铰接连接，所述工作平台顶部和底部的横向连接板之间为一竖向固定板，所述竖向固定板的侧面固定有一定位靠板，所述定位靠板用于固定竖直状态的所述固定平台。

优选地，所述固定平台的顶部两侧设置有相对的固定环，所述定位靠板上设置有与所述固定环配合设置的固定孔。

优选地，所述固定平台底部还设置有多个呈矩形分布的橡胶吸盘。

优选地，所述控制装置包括信号接收器和电控箱，所述信号接收器与所述电控箱通过信号接收器输电线连接，所述第一磁体、所述第二磁体、所述第三磁体和所述第四磁体均为电磁铁，且所述第一磁体、所述第二磁体、所述第三磁体和所述第四磁体分别与所述电控箱通过电磁铁输电线连接。

优选地，所述信号接收器固定于所述工作平台顶部的所述横向连接板的顶部。

优选地，所述电控箱固定于所述竖向固定板上，并位于所述定位靠板的顶部。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

1、本发明提供的连续变刚度柔性机器人，机器人在刚度变化时，机器人主体形状不会发生变化，原理简单，能够适用于各种复杂环境，能够在弯曲变形过程中实现无级调控刚度。

2、本发明提供的连续变刚度柔性机器人，作为沟通刚性机构和柔性机构的“桥梁”，打破了刚性机构与柔性机构的相互转换限制。

3、本发明提供的连续变刚度柔性机器人，结构为柔性，骨架则为刚性，使其刚度变化范围大，同时还能保证变刚度机构整体体积保持不变。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中连续变刚度柔性机器人的立体图；

图2为本发明中连续变刚度柔性机器人的正向结构示意图，其中固定平台为水平状态；

图3为本发明中连续变刚度柔性机器人的正向结构示意图，其中固定平台为垂直状态；

图4为本发明中连续变刚度柔性机器人的正向结构示意图，其中变刚度装置处于变形状态；

图5为本发明中变刚度装置的结构示意图；

图中：1-底端盖、2-第一波纹管、3-第一磁体、4-磨砂铁球、5-第二磁体、6-连接端盖、7-第二波纹管、8-第三磁体、9-第四磁体、10-连接法兰、11-工作平台、12-固定平台、13-定位靠板、14-橡胶吸盘、15-信号接收器、16-电控箱、17-信号接收器输电线、18-电磁铁输电线、19-固定环、20-固定孔。

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。

本发明的目的是提供一种连续变刚度柔性机器人，以解决现有技术存在的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例提供了一种连续变刚度柔性机器人，如图1-图5所示，包括变刚度装置、安装固定装置和控制装置；

其中变刚度装置包括第一波纹管2、第二波纹管7、第一磁体3、第二磁体5、第三磁体8、第四磁体9和磨砂铁球4，第一波纹管2和第二波纹管7的两端为硬质管段，中部为软质波纹管段，第一磁体3和第二磁体5分别固定于第一波纹管2两端的硬质管内，且第一波纹管2中部的软质波纹管内填充有若干磨砂铁球4；第二波纹管7通过一连接部固定于第一波纹管2顶部，第三磁体8和第四磁体9分别固定于第二波纹管7两端的硬质管内，且第二波纹管7中部的软质波纹管内也填充有若干磨砂铁球4；

安装固定装置能够将变刚度装置固定于指定工位；控制装置能够控制第一磁体3、第二磁体5、第三磁体8和第四磁体9的磁场。

具体的，本实施例中第一波纹管2和第二波纹管7两端的硬质管段为设置有外螺纹的硬质螺纹管，第一波纹管2底端的硬质管段螺纹连接有一底端盖1，第一磁体3嵌入第一波纹管2后，第一波纹管2的底端用底端盖1进行封堵；连接部为一两端均设置有内螺纹套筒的连接端盖6，连接端盖6底端的套筒与第一波纹管2顶端的硬质管段螺纹连接，连接端盖6顶端的套筒与第二波纹管7底端的硬质管段螺纹连接；第二波纹管7顶端的硬质管段与一连接法兰10螺纹连接。

安装固定装置包括工作平台11和固定平台12，连接法兰10通过螺栓与工作平台11顶部一侧设置的横向连接板固定连接，固定平台12设置于工作平台11底端，其与工作平台11底部另一侧设置的横向连接板铰接连接，通过铰接的连接方式，固定平台12可与工作平台11水平连接或垂直连接(详见图2、图3)，水平连接时固定平台12可以固定在桌面上，垂直连接时固定平台12可以固定于墙壁上；同时，工作平台11顶部和底部的横向连接板之间为一竖向固定板，竖向固定板的侧面固定有一定位靠板13，固定平台12的顶部两侧设置有相对的固定环19，定位靠板13上设置有与固定环19配合设置的固定孔20，当固定平台12与工作平台11垂直连接时，使用一固定杆同时穿过固定环19和固定孔20即可实现固定平台12的限位；固定平台12底部还设置有多个呈矩形分布的橡胶吸盘14，用于将固定平台12吸附于相应的平面上。

本实施例中，控制装置包括信号接收器15和电控箱16，信号接收器15固定于工作平台11顶部的横向连接板的顶部，电控箱16固定于竖向固定板上，并位于定位靠板13的顶部，信号接收器15与电控箱16通过信号接收器输电线17连接，第一磁体3、第二磁体5、第三磁体8和第四磁体9均为电磁铁，且第一磁体3、第二磁体5、第三磁体8和第四磁体9分别与电控箱16通过电磁铁输电线18连接。

本发明提供的连续变刚度柔性机器人的工作原理是：通过改变磁体可控磁场的大小，从而影响磨砂铁球4之间的吸引力，进而使得磨砂铁球4间的最大静摩擦力增大，使得整体刚度变硬；又因为磨砂铁球4本身为刚性，在整体刚度变大的同时还能保证变刚度机构整体体积保持不变。

本发明提供的连续变刚度柔性机器人在使用时，改变工作平台11与固定平台12的连接状态，可选择在桌面或墙壁附近使用，通过改变电磁铁中电流的大小来控制电磁铁输出的磁场强弱，每个电磁铁可单独控制，用以控制每节变刚度装置的刚度。

本发明提供的连续变刚度柔性机器人采用被动控制变形，在外力的作用下，变刚度装置可以自适应弯曲，弯曲变形后通过改变刚度来固定变形后的机器人形态。

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。