[发明专利]变刚度软体蛇形臂

说明书

本发明公开了一种变刚度软体蛇形臂，它包括若干节可拆卸连接为一体的刚柔单元；刚柔单元包括刚性端板、软体气动人工肌肉群、超弹性多杆机构和限位隔板；超弹性多杆机构包括多个超弹性杆，超弹性杆的一端装配于端板上、另一端穿过另一端板后伸至相邻刚柔单元的超弹性杆内；软体气动人工肌肉群包括多个装配于两端板之间、位于超弹性多杆机构外的气动人工肌肉；限位隔板套于超弹性多杆机构外；相邻两刚柔单元通过端板可拆卸连接。利用软体气动人工肌肉群提供柔顺弯曲运动能力，多个超弹性杆起运动导向作用，通过气动人工肌肉与超弹性杆形成的相互力作用，实现蛇形臂的刚度可变可控，使蛇形臂能够达到不同的位姿，以提高蛇形臂作业末端的运动精度。

技术领域

本发明涉及一种机械臂，特别是涉及一种变刚度软体蛇形臂。

背景技术

传统机械臂由于灵活度有限、安全性和适应性较差等原因，使其在一些特殊的应用中受到限制，例如在医疗手术、人机交互、发动机内部搜索与探测等领域，要求机械臂具有空间多自由度的快速自适应和高精度连续位移，刚度基本恒定或者离散变化的传统机械臂难以实现预期的功能需求。软体蛇形臂技术的出现与发展，为解决传统机械臂存在的安全性和柔顺性等问题提供了新的思路。

然而，目前软体蛇形臂通常以软体智能材料为主体，缺乏合适的末端位置精度、输出力和刚度调节能力，限制了其在特殊环境中的作业能力。因此，刚度可变可调的高精度软体蛇形臂具有重要的研究意义。

目前国内外均对变刚度软体蛇形臂进行了大量的研究，例如欧盟2012年启动的“STIFF-FLOP”医疗机械臂研究计划，以高灵巧、变刚度软体手术机械臂为对象开展为期3年的研究；韩国三星先进技术研究院采用类似于鳞片调节刚度的层干扰原理设计了一款蛇形臂，通过对鳞片施加负气压的方式，增加鳞片间的库仑摩擦力，从而达到控制蛇形臂刚度的目的。国内方面，中南大学介绍了一种基于相变材料的刚度可变蛇形臂机器人(中国发明专利，201810746074.8)，通过对镶嵌在软体蛇形臂中的低熔点相变材料进行分段加热控制，实现蛇形臂的刚度控制；哈尔滨工业大学公开的线驱动式刚度可变软体机器人(中国发明专利，CN 105945930 B)，利用“真空颗粒阻塞原理”，配合钢线驱动，实现该软体机器人的运动及刚度变化控制。但上述变刚度软体蛇形臂，由于采用以柔性材料为主体的纯软或刚柔结合的设计，造成其末端精度偏低，输出精度与应用需求存在一定差距。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种能够满足末端精准定位要求的变刚度软体蛇形臂。

本发明提供的这种变刚度软体蛇形臂，它包括若干节可拆卸连接为一体的刚柔单元；刚柔单元包括刚性端板、软体气动人工肌肉群、超弹性多杆机构和限位隔板；超弹性多杆机构包括多个超弹性杆，超弹性杆的一端装配于端板上、另一端穿过另一端板后伸至相邻刚柔单元的超弹性杆内；软体气动人工肌肉群包括多个装配于两端板之间、位于超弹性多杆机构外的气动人工肌肉；限位隔板套于超弹性多杆机构外；相邻两刚柔单元通过端板可拆卸连接。

在一个具体实施方式中，使所述刚性端板的中心位置处设有通孔，刚性端板上设有围绕通孔呈环形阵列布置的安装座，安装座内的板实体上设有预留孔，通孔与安装座之间的板实体上设有一圈定位孔，安装座外的板实体上设有一圈连接孔。

作为优选，使所述安装座为径向不封闭的环型座，座壁上设有一对安装孔，安装座以其一端端部固接于所述刚性端板上。

进一步的，将所述超弹性杆的大径段连接于一端端板上的定位孔处，小径段穿过另一端端板的定位孔伸至相邻刚柔单元的超弹性杆大径段的轴向孔内，并能在轴向孔内滑动。

在一个具体实施方式中，使所述气动人工肌肉包括橡胶管、纤维层和一对端头，橡胶管连接于两端头之间、与导气管连通，纤维层缠绕于橡胶管外，气动人工肌肉以其端头装配于安装座内。

为了便于连接，使所述端头为外径匹配于所述安装座内径的圆管，端头上对应所述安装孔位置处设有锁止孔，一端头外设有与其内腔导通的导气管。