[发明专利]一种基于气压锁定原理的变刚度连续型机构

说明书

技术领域

本发明涉及连续型机构设计领域，具体的说，是涉及一种基于气压锁定原理的变刚度连续型机构。

背景技术

连续型机构是一类新型的仿生机构，模仿蛇类、象鼻等生物器官，具有较高的运动灵活性，在复杂的环境中有很强的适应能力，尤其是在多障碍物的非结构环境和空间狭窄的环境中可以灵活地改变自身形状。但是由于连续性机构高灵活性的特点，又导致其表现出定位刚度差、控制精度低的缺点。在医疗等领域的应用中，往往需要连续型机构既要表现良好的柔顺性，又要在一定条件下具有一定的刚度。比如将连续型机构用于内窥镜机器人，其工作过程分为两个阶段，第一阶段需要机器人在柔性状态顺应人体腔道结构，将手术工具送入目标位置；第二阶段当手术工具在人体内操作时，这就要求机器人具备足够的刚度来为末端手术工具提供力学支撑。因此对连续型机构变刚度的研究具有很大意义。

近些年，人们利用Jamming，低熔点合金相变，钢丝拉紧，负压控制等方式发明了多种变刚度连续型机构，但多数表现出变化刚度不够大，响应速度不够快等缺陷。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于气压锁定原理的变刚度连续型机构，该机构采用正压控制，气囊锁死等技术，可以使连续型机构在锁死状态达到很高的刚度，同时响应速度很快，刚柔状态转换迅速，有效地解决了上述问题，具有刚柔可变，响应速度快，定位刚度高等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于气压锁定原理的变刚度连续型机构，包括连续型机构、用于改变所述连续型机构刚柔状态的状态转换装置和用于控制所述连续型机构弯曲程度的位姿控制系统，所述连续型机构由基座和关节通过摩擦滑块串联构成，所述关节中部设有中空结构，所述关节的一端设有带有方形轴孔的连接盘，另一端设有带有圆形轴孔的第一摩擦盘，所述方形轴孔的轴线与所述圆形轴孔的轴线成正交布置；所述摩擦滑块包括与所述第一摩擦盘相配合的第二摩擦盘，所述第二摩擦盘上相对称的设有带有勾型凸起的矩形凸块，基座与关节、关节与关节之间的每个连接处设有两个摩擦滑块，两个摩擦滑块之间通过橡皮绳与所述勾型凸起弹性连接，所述第二摩擦盘上还设有用于穿过所述圆形轴孔并与所述方形轴孔相配合的方形轴；

所述状态转换装置包括圆柱形的硅胶气囊、导气管和端口，所述硅胶气囊的中部设有圆形气道，所述圆形气道的一端封闭，另一端通过所述端口与所述导气管连接，所述硅胶气囊通过所述基座穿入所述中空结构中，所述端口与基座通过连接件相互连接；

所述位姿控制系统由钢丝和驱动电机组成，所述钢丝的一端连接有各个关节，另一端连接所述驱动电机。

所述第一摩擦盘和第二摩擦盘上均设有相互咬合的齿。

所述关节的外壁设有带有至少四个走丝孔的翼缘，所述走丝孔用于穿接所述钢丝。

所述硅胶气囊的外表面等间距的缠绕有尼龙线。

所述端口与导气管之间采用密封胶进行密封。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.在连续型机构中，各关节两端轴孔的轴线成正交布置，每两个关节可组成一个单元，每个单元可实现两个方向的弯曲。通过摩擦滑块的方形轴连接上、下相邻关节的轴孔，保证与下关节方形轴孔的配合，限制其与下关节的转动。摩擦滑块同时与上关节圆形轴孔配合，当硅胶气囊放气时，摩擦滑块与上、下关节解锁，上、下关节可相对转动，机构处于柔性状态；当硅胶气囊充气膨胀时，摩擦滑块与上关节锁定，从而使下关节与上关节锁定，达到整个机构锁定的目的；关节经过多级串联后，可以在三维空间中朝任意方向连续弯曲，具有高度的灵活性。

2.由于采用气压充放气方式，整个机构刚柔转换的响应速度很快，同时气泵可提供大小不同的气压，使硅胶气囊产生大小不同的膨胀推力，进而使机构产生可变的刚度。

3.硅胶气囊若整体膨胀，会导致处于弯曲状态的连续型机构在硅胶气囊回复力的作用下被迫“拉直”，这就需要控制硅胶气囊的膨胀区域，即只在各关节连接处与摩擦滑块对应的区域膨胀，同时限制其余区域的膨胀，因此本发明在其余区域外表面均匀缠绕有尼龙线从而达到该效果。

4.在位姿控制系统中，由多根钢丝和多个驱动电机组成，钢丝一端连接各关节，另一端连接各驱动电机，驱动电机和钢丝一一对应，通过控制驱动电机旋转轴来改变钢丝的长度，进而控制连续型机构的弯曲程度，操作简单，方便快捷。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是状态转换装置的结构示意图。

图3是关节的结构示意图。