[发明专利]一种刚柔并济机械臂

说明书

本发明公开一种刚柔并济机械臂，外观为一圆柱整体，主体材料采用弹性体，内部为内外层同轴结构，在其外层环形均布多个轴向管道，内部放置改变机械臂形态的绳索；中间层环形均布多个轴向管道，内部放置加热器和热敏电阻；机械臂中心有一密闭腔室，内部灌注有低熔点合金，中间层尽量靠近密闭腔室。工作时计算分析得出机械臂每段需要达到的空间位置和形变量，控制加热丝将低温合金加热至其熔点使之变成液态，联动控制各个绳索伸缩动作使该段机械臂到达预设空间位置和形变量，停止加热丝工作，使位于该段液态低温合金固化。本发明一种刚柔并济机械臂在变形过程机械臂能够在适当时机改变机械臂的刚度，快速完成刚性机械臂与柔性机械臂的特性相互转换。

技术领域

本发明涉及软体机器人领域，具体涉及一种刚度可变式机械臂。

背景技术

机械臂是一种能模仿人手臂动作的自动化设备，用以按固定程序抓取、搬运工件或者操作工具的自动操作装置。由于其既可替代人们进行一系列繁琐的重复性的劳动，又能替代人们完成一些高危险性的工作，因此其被广泛用于机械制造等行业。

在机械臂的发展过程中，初期为刚性结构，其末端定位较为精准，可以在高精度加工方面发挥优势，但其结构复杂较为庞大且自由度有限，难以在较小的操作空间或复杂环境下的灵活操作。此外刚性机械臂的每根连杆间为铰链连接，而铰链结构会有一定旷量，当末端负载重量突然变化或受到巨大外力时会导致机械臂末端的定位误差和振动。每个铰链均产生一定的定位误差，而每个铰链的误差和振动会累积到机械臂末端，导致机械臂末端定位精度难以控制。

人们为了在操作空间受限的复杂环境中使用机械臂，自由度无穷多的柔性机械臂应运而生。柔性机械臂是一个强耦合、非线性的时变结构，但同时由于其自由度过多导致难以精确控制柔性机械臂末端的定位精度。

目前已有研究人员对此进行了探索，得出了一些解决方法：专利CN101011825A中提出了一种提高机械臂末端运动精度的发明：一种安全型可变刚度机械关节。该发明可在一定程度上解决了末端精度不高等问题，但其通过对电磁体通断电的控制来进行刚度变换的方法易出现控制延迟，难以快速执行控制系统的切换指令。专利CN103273502A中提出一种基于可控刚度和可控阻尼的柔性机械臂减震装置与方法。磁流变减振装置中弹性体刚度和阻尼器阻尼均可通过改变励磁电流来控制，从而满足系统中机械臂与磁流变减振装置之间的内共振要求，并通过阻尼器消耗振动能量。但磁流变弹性体剪切刚度对外加磁场强度改变具有滞后性且磁流变弹性体使用具有时效性，使用一段时间后必须更换。

发明内容

为了解决现有刚性机械臂连杆间的铰链机构的旷量导致在工作状态下末端定位精度低而柔性机械臂自由度过多且为耦合运动难以控制的问题，提出了一种在机械臂变形过程本体能够在适当的时候改变刚度的方法，快速完成刚性机械臂与柔性机械臂之间的相互转换，通过该方法可结合两者各自优势同时避免目前机械臂工作时定位精度差的问题。

本发明一种刚柔并济机械臂非工作状态下外观为一圆柱整体，不存在刚性机械臂的连杆和铰链机构。机械臂主体材料采用弹性体，例如采用大多数柔性机械臂相同的硅胶材料，内部为内外层同轴结构，在其外层环形均布多个轴向管道，内部放置改变机械臂形态的绳索；中间层环形均布多个轴向管道，内部放置加热器和热敏电阻；机械臂中心有一密闭腔室，内部灌注有低熔点合金，中间层尽量靠近密闭腔室。