[发明专利]柔性气动单元与多单元串联机械臂

说明书

本发明提供了一种柔性气动单元，包含连接平台、气囊以及气动肌腱；多个所述连接平台包含第一连接平台与第二连接平台；气囊沿轴向方向的两端、气动肌腱沿轴向方向的两端均分别与第一连接平台、第二连接平台相连；多个气动肌腱沿气囊周向方向布置；所述气囊轴向长度随气囊内部压力增大而增大，所述气动肌腱轴向长度随气动肌腱内部压力增大而减小。本发明还提供了一种由多个上述柔性气动单元串联连接形成的多单元串联机械臂。本发明中多单元串联机械臂由若干个柔性气动单元串联形成，能够实现刚度调控，实现多自由度、大范围运动。

技术领域

本发明涉及柔性气驱动技术领域，具体地，涉及一种柔性气动单元与多单元串联机械臂。

背景技术

柔性连续体机械臂可以实现比刚性工业机器人更好的人机协同工作能力，更高的柔顺性。基于驱动方式的不同，柔性连续臂可分为气压驱动、绳线驱动、形状记忆合金驱动等等，气压驱动实现方式更加灵活，气压作用力大小可调，且气动技术目前比较成熟，是工业界目前比较重视的驱动方式。

气囊不仅可以作为驱动元件，还可以通过增压和排气用作可变气动弹簧元件。奥地利Ferrobotics公司结合气囊和力控制算法，设计了一种单自由度主动接触法兰，可实现平面柔性打磨、抛光。专利文献US9375840B2在此技术基础设计了一种多自由度主动接触法兰，该法兰由三个单自由度主动法兰组成，可控制两个方向的转动和轴向移动，实现多自由度接触力控制。但该装置采用三个法兰，装置半径较大，且利用弹簧被动复位，不能实现位姿与刚度同步控制。德国Festo公司设计了一种仿生象鼻气动机械臂，由多个三波纹管组成的关节串联组成，可以模仿象鼻运动，不足之处是刚度不够，建模困难，位姿控制不精确。美国Otherlab实验室设计了一种气动柔性手臂，采用充气手臂内置可膨胀弯曲单元，可实现气动臂刚度控制与位姿控制，同样存在建模困难，位姿控制不精确的问题。

气动肌腱是一种具有类似人类肌肉输出特性的气压－位移机械转换执行器，以Mckibben型气动肌腱应用最为广泛，气动肌腱输出力随压缩比和气压非线性变化。Gattringer设计了一种基于气动肌腱的Stewart并联平台，同样利用弹簧被动复位，不能实现平台位姿与刚度同步控制。专利文献CN105171737B设计了一种气动肌肉-钢丝混合驱动的连续臂，提高了气动肌肉在低气压条件下的刚度，提高了精度和响应速度，但增加了驱动器数目；香港中文大学徐扬生团队基于变刚度气动连杆和气动肌肉设计了一种气动仿人串联机械臂[R.Qi,A.Khajepour,W.W.Melek,T.L.Lam,and Y.Xu,“Design,kinematics,andcontrol of a multijoint soft inflatable arm for human-safe interaction,”IEEETransactions on Robotics,vol.33,no.3,pp.594-609,2017.]、专利文献CN103878764B设计了一种基于气动肌腱和气缸的三自由度并联平台，可以高精度控制平台位姿和刚度，但其采用的气缸只能直线移动，径向碰撞易导致推杆损坏，且没考虑力控制。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种柔性气动单元与多单元串联机械臂。

根据本发明提供的柔性气动单元，包含连接平台、气囊以及气动肌腱；

多个所述连接平台包含第一连接平台与第二连接平台；

气囊沿轴向方向的两端、气动肌腱沿轴向方向的两端均分别与第一连接平台、第二连接平台相连；多个气动肌腱沿气囊周向方向布置；

所述气囊轴向长度随气囊内部压力增大而增大，所述气动肌腱轴向长度随气动肌腱内部压力增大而减小。

优选地，所述气囊沿轴向的两端分别与第一连接平台、第二连接平台紧固连接；

气动肌腱沿轴向的两端分别与第一连接平台、第二连接平台通过球铰结构连接。