[发明专利]一种气动肌肉与超弹性杆结合的连续体蛇形臂

说明书

本发明公开了一种气动肌肉与超弹性杆结合的连续体蛇形臂，它包括若干节可拆卸连接为一体的变刚度驱动器；变刚度驱动器包括软体端板、软体气动单元、超弹性杆机构和限位三角端板、连接套筒；超弹性杆机构包括三个超弹性控制杆和一根中间主杆，四根超弹性杆从驱动器的一端穿过软体气动单元延伸至对应的驱动器；软体气动单元与两个软体端板用热胶粘接在一起；限位三角端板安装在软体气动单元的两端，利用软体端盖密封；连接套筒通过软体端盖的缝隙卡扣将两个驱动器连接；相邻两个驱动器可以通过套筒进行拆卸。通过软体气动单元与超弹性杆形成方向相反力作用，实现蛇形臂的刚度变化控制。

技术领域

本发明涉及一种机械臂，特别是涉及一种气动肌肉与超弹性杆结合的连续体蛇形臂。

背景技术

传统机器人由于灵活度有限、安全性和适应性较差等原因，使其在一些特殊的应用中，如医疗手术、人机交互、发动机内部搜索与探测等面临极大的挑战。软体机器人技术的出现与发展，为解决传统机器人存在的安全性和柔顺性等问题提供了新的思路。但到目前为止，软体机器人的研究仍处于起步阶段，其输出性能(如输出力和定位精度)与传统机器人及应用需求存在一定差距。

然而，当前软体机械臂的输出力和刚度受软材料、驱动方式和结构形式影响，限制了其在特殊环境中的作业能力，导致其在目标抓取或任务操作过程中无法保证足够的输出力和位姿精度，难以满足人机交互、医疗康复、工业生产等领域的对输出力与输出精度需求。因此，刚度可变的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2013年，三星先进技术研究院Kim等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，福州大学介绍了一种可变刚度的软体机械臂模块(中国发明专利，CN109648550A)，通过对两个连接板之间的多个硅胶气囊，和中部用于产生拮抗作用的变刚度硅胶气囊控制，实现蛇形臂的刚度控制；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。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，提供一种刚度可变的高精度蛇形臂。

本发明提供的这种气动肌肉与超弹性杆结合的连续体蛇形臂，它包括若干节可拆卸连接为一体的变刚度驱动器；变刚度驱动器包括软体端板、软体气动单元、超弹性杆机构和限位三角端板、连接套筒；超弹性杆机构包括三个超弹性控制杆和一根中间主杆，四根超弹性杆从驱动器的一端穿过软体端板、软体气动单元的孔通过另一端的软体端板和连接套筒，延伸至对应的驱动器；软体气动单元与两个软体端板用热胶粘连接在一起，然后通过中间套筒相互连接，超弹性杆穿过软体气动单元内；限位三角端板安装在软体气动单元的两端，利用软体端盖密封；连接套筒通过软体端盖的缝隙卡扣将两个驱动器连接；相邻两个驱动器可以通过套筒进行拆卸。

在一个具体实施方式中，使所述软体端板的中心位置有一个通孔，方便弹性杆主杆通过。周围分别成圆周排布三个弹性控制杆通孔，三个软体气动单元的充气通孔，方便连接橡胶管气嘴进行充气驱动。在最外圈有三个定位螺纹孔,通过热胶让软体端盖与软体气动单元粘接在一起。在软体端板的柱面通过卡槽可以与连接套筒配合。

进一步的，将所述超弹性杆机构通过软体端板，并通过限位三角端板，另一节软体气动单元的超弹性杆则从前段的弹性杆中间穿过，再通过自身的软体端板和限位三角端板，能够在通孔中进行伸缩滑动，其中主杆则只用一根，通过端板和软体气动单元的中心通孔。

在一个具体实施方式中，使所述软体气动单元由软硅胶铸造而成，三个扇形气腔成圆周分布，通过软体端盖的充气孔进行充气。整个软体气动单元呈波纹管状，与两个软提端盖粘接后安装在连接套筒内。