[發明專利]流體與腱繩混合驅動的五自由度柔性臂

有效

• 申請號: 202010047138.2
• 申請日: 2020-01-16
• 公開（公告）號: CN111203912B
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發明（設計）人: 朱延河;李相龍;王天鑠;趙杰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B25J18/06
• 分類號: B25J18/06;B25J9/10;B25J9/14;B25J9/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 牟永林

流體與腱繩混合驅動的五自由度柔性臂，它包括二級機構；第一級機構包括小端連接法蘭、大端連接法蘭、密閉中空塔式波紋管狀柔性體和至少三根鮑登線腱繩；第二級機構包括剛性平臺和至少三根鋼絲繩腱繩；密閉中空塔式波紋管狀柔性體的小端和大端分別上固定有小端連接法蘭和大端連接法蘭，至少三根鮑登線腱繩沿周向均布設置在密閉中空塔式波紋管狀柔性體的外側；至少三根鋼絲繩腱繩一一對應滑設于鮑登線腱繩內，所述剛性平臺中部與小端連接法蘭中部連接，且剛性平臺相對小端連接法蘭作擺動。本發明可實現主動變剛度的能力，大幅增強了柔性臂的載荷負重的能力，能快速調整末端平臺的位置與姿態。

技術領域

本發明涉及一種柔性臂，具體涉及一種流體與腱繩混合驅動的五自由度柔性臂。

背景技術

在機器人領域，隨著機械臂技術不斷發展成熟，柔性機械臂的研究目前已經成為了機器人研究領域內新的焦點。柔性機械臂是一種具有很多自由度的機器人系統，一般為欠驅動無窮自由度，本體結構通常由柔性材料制作，具有高柔順性、復雜環境適應性及安全人機交互性等特點，研究涉及材料學、仿生、機械設計和制造、傳感器技術等多學科交叉融合，其發展為柔性材料應用、仿生機器人研究等提供參考和技術支持，在工業生產、醫療手術、救災探測、生活護理等方面具有廣闊應用前景。現有柔性連續體機械臂中的驅動方式主要有線驅動，氣動人工肌肉驅動以及低熔點合金驅動等。這些驅動方式中大多都對外部環境條件有較高要求，并且柔性臂本體剛度低，承載能力差，不具備承載重載荷作業能力。

發明內容

本發明為克服現有技術不足，提供一種流體與腱繩混合驅動的五自由度柔性臂。該柔性臂依靠流體壓力與外部腱繩拉力形成耦合對抗，可實現主動變剛度的能力，大幅增強了柔性臂的載荷負重的能力，可實現快速調整末端平臺的位置與姿態。

本發明的技術方案為：

流體與腱繩混合驅動的五自由度柔性臂，它包括二級機構；第一級機構包括小端連接法蘭、大端連接法蘭、密閉中空塔式波紋管狀柔性體和至少三根鮑登線腱繩；第二級機構包括剛性平臺和至少三根鋼絲繩腱繩；

密閉中空塔式波紋管狀柔性體的小端和大端分別上固定有小端連接法蘭和大端連接法蘭，密閉中空塔式波紋管狀柔性體的大端面開有控制內部流體壓力的驅動接口，至少三根鮑登線腱繩沿周向均布設置在密閉中空塔式波紋管狀柔性體的外側，并穿過密閉中空塔式波紋管狀柔性體外側上的側耳通道，一端固定在小端連接法蘭上，另一端穿過大端連接法蘭由外部的驅動裝置驅動；至少三根鋼絲繩腱繩一一對應滑設于鮑登線腱繩內，一端伸出小端連接法蘭并與剛性平臺固接，另一端伸出鮑登線腱繩由外部驅動裝置驅動，所述剛性平臺中部與小端連接法蘭中部連接，且剛性平臺相對小端連接法蘭作擺動。

進一步地，所述密閉中空塔式波紋管狀柔性體的材質為聚氨酯熱塑性彈性體。

本發明相比現有技術的有益效果是：

1、本發明柔性臂在結構上采用了兩級并聯五自由度塔式結構設計，第一級機構為塔式的波紋管狀結構，即可實現伸縮運動，也可實現各方向彎曲運動，變形幅度大，運動具有三自由度；第二級機構為繞軸心擺動的剛性平臺結構，可進行二自由度擺動。

2、本發明柔性臂的驅動載體采用了流體與腱繩混合驅動，第一級結構塔式的波紋管狀結構內部注入流體，流體壓力與外部腱繩拉力形成耦合對抗，實現主動變剛度的能力，大幅增強了柔性臂的載荷負重的能力。

3、柔性臂的第一級機構的塔式波紋管狀柔性體采用3D打印方式制造的高強度聚氨酯彈性體橡膠(TPU)材料，邵氏硬度92A，該材料使第一級結構不僅實現了大幅度變形能力，又充分發揮出流體與腱繩作用力耦合，大幅提升了第一級結構的主動變剛度性能。

4、柔性臂的第二級機構采用輕質球軸承作為基座，三根腱繩施加作用力時，可使第二級結構實現快速擺動，調整剛性平臺的位置與姿態。

下面結合附圖和實施方式對本發明作進一步地說明：

附圖說明