[實用新型]一種基于SMA驅動多段剛柔耦合的柔性機械臂

有效

• 申請號: 201921007839.2
• 申請日: 2019-07-01
• 公開（公告）號: CN211992986U
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 崔祚;薛九天
• 申請（專利權）人: 貴州理工學院
• 主分類號: B25J9/10
• 分類號: B25J9/10;B25J9/16
• 代理公司: 貴陽中新專利商標事務所 52100
• 代理人: 劉楠;李余江

本實用新型公開了一種基于SMA驅動多段剛柔耦合的柔性機械臂，該方案是利用流體驅動的多通道結構來模擬柔性機械臂，并通過改變流體壓力來改變機械臂的變形剛度，實現柔性機械臂的變剛度特性。同時柔性機械臂可通過多通道結構參數和流體參數的優化使制作的柔性機械臂實現變剛度特性，并獲得較好的控制性能。旨在解決柔性機械臂精確的位姿控制和提供有效的變剛度控制，為柔性機械臂的位姿控制提供了有效的工程解決手段。

技術領域

本實用新型主要應用到機器人領域，具體為一種基于SMA驅動多段剛柔耦合的柔性機械臂。

背景技術

隨著機器人技術的不斷發展，機械臂在各行各業得到了越來越廣泛的應用，尤其在智能制造、工業自動化和航空航天等領域。在傳統工業領域，機械臂采用剛性關節進行驅動，能夠實現末端位置和速度的高精度控制，對運動軌跡進行精確跟蹤，響應速度快。但該類型機械臂存在質量體積大、輸出剛性高和對未知環境的適應能力弱等缺點。然而，當機械臂逐漸應用到服務、醫療和娛樂等其他非工業領域時，機械臂末端的工作環境往往是接觸性的，或者機械臂應用到危險環境探測等未知環境中時，即不能預先規劃機械臂的運動軌跡等特殊要求時，柔性機械臂應運而生，具有結構緊湊、柔順性好、較高的負載/自重比和較好的環境交互能力的優點。

隨著新型彈性元件或柔性機構逐漸應用到機械臂中，出現了剛度可變或可連續調節的柔性臂。這種柔性臂的發展目標是在靈巧度和感知力上能與人類手臂相媲美，最終可以逐漸地代替人類工作。因此，研究出具有類似人類肌肉特性的變剛度機械臂對提高機器人的安全性、環境適應性以及未來更好為人類服務具有重要的現實意義。結合彈性力學、機器人學和智能控制等技術，仿生學者研制了多種不同類型的柔性機械臂。

根據驅動器分布情況的不同，柔性機械臂有嵌入式、外置式和混合式三種驅動方式。嵌入式是指由氣動肌肉或者形狀記憶合金(SMA)驅動，置于機械臂內部，如德國Festo公司研制了一款氣動象鼻型機械臂。MIT計算機科學與人工智能實驗室(CSAIL)開發的“章魚觸須”機械臂。日本東北大學Makishi等人研制了一款形狀記憶合金驅動的內窺鏡機器人，其可彎曲部分45mm，并攜帶20mm長 CCD相機進行內窺檢查，最大彎曲角度可達90°。外置式主要由外置電機拉動線纜來驅動機器人關節，如英國OC Robotics公司研制的蛇形臂機器人，機器人共10段，每段具有2個自由度，通過電機驅動。混合式驅動則同時具有嵌入式驅動結構與外置式驅動結構，如 McMahan等人研制的Air-Octor機器人，其結構分為4段，各段彎曲角度均大于100°，該機器人同時引入了氣動驅動與電纜驅動。

然而，現有的柔性機械臂結構結構依然不夠成熟，如重量較重、靈活度不高和柔順性不好等缺點，需要進一步進行創新性的改進。

實用新型內容

本實用新型的目的在于提出一種基于多通道流體結構的柔性機械臂，具有重量輕、靈活度高和柔順性好等優點，可以大幅降低關節剛度，完成復雜接觸性任務。

本實用新型提出的柔性機械臂結構是利用粘彈性材料本體的彈性變形以實現其連續彎曲，以形成類似大象鼻子、章魚觸手的運動。通過改變自身的外形，柔性機器人可以靈活地繞過各種障礙物，或穿過狹小彎曲的孔洞，非常適合非結構化環境和空間受限環境應用。除此之外，類似于大象通過鼻子抓取食物的動作，柔性機器人也可以僅通過本體實現物體的抓取。以上這些優異的性能使柔性機器人在航空檢測、醫療外科、城市救援、工業制造、農業生產等領域有巨大的應用前景。

本實用新型中的柔性機械臂的柔性主要來源于關節柔性和桿件柔性，它們均為機械臂引入了額外的自由度，使得原來有限自由度變成了無限自由度。柔性機械臂的連桿是剛性的，柔性有且只有在關節處存在；關節的柔性可以分為主動柔性和被動柔性兩種。主動柔性是指關節本身不具有柔性，是利用傳感信息對輸出的力、位的關系進行主動控制，模擬出關節的柔順特性；被動柔性是指在結構上加入彈性元件使機構具有柔順性。