一种变刚度软体机械臂

1.本发明属于技术领域，具体涉及一种变刚度软体机械臂。


背景技术：

2.现如今，传统的刚性机械臂占据着机器人市场的主流，这些刚性机械臂存在着结构密度大，与工作环境交互的安全性等问题；随着机器人的应用逐渐增多，其面临的操作环境也越来越复杂。因此，对于机器人的适应性和安全性，必须提出更高的要求。
3.不同于传统机械臂使用刚性硬质材料制作，软体机械臂主要使用具有大变形特性的柔性材料加工而成，用这类材料制成的机械臂，具有较大的可变形性和弹性，可以在复杂的环境中实现变形，更加灵活，即使和外界物体发生碰撞，自身的柔顺性也会起到一定的缓冲作用，增加了交互的安全性，为人机合作的研究领域开辟了新的视角。
4.软体机械臂由于其固有的柔顺性和灵活性，可以进行连续操作，从而能够在有限的环境中进行安全地交互和平稳地运动；然而，要保证机械臂的高柔顺性，通常意味着要牺牲其负载能力；因而，对于软机械臂来说，重要的是在保持可接受的刚度的同时还具有适当的柔顺性，以扩大其应用范围。
5.目前的气动软体机械臂完全由柔性材料制成，柔性材料的使用使得该机械臂的负载能力降低，制约了软体机械臂的应用。


技术实现要素：

6.针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种变刚度软体机械臂，其能够主动地调节机械臂的整体刚度，提高了机械臂的负载能力，扩展了机械臂的应用场合。
7.为了实现上述目的，本发明提供了一种变刚度软体机械臂，包括两个连接座和设置于两个连接座之间的多个波纹管模块，多个波纹管模块之间并行设置，波纹管模块包括：
8.内层波纹管，在内层波纹管形成主通气腔体；
9.外层波纹管，在内层波纹管与外层波纹管之间形成变刚度腔体；
10.变刚度主体，变刚度主体设置于变刚度腔体内；
11.其中变刚度主体具有两个或两个以上的硬质颗粒层，硬质颗粒层包括柔性连接层和均匀布置在该柔性连接层上的若干的硬质颗粒，相邻的硬质颗粒层连接在一起；
12.其中位于内侧的硬质颗粒层连接在内层波纹管的外壁上；
13.其中通过控制主通气腔体内的气压值大小，控制波纹管模块的伸缩量，通过控制变刚度腔体内的负压值大小，使内层波纹管和外层波纹管压紧变刚度主体，变刚度主体中不同的硬质颗粒层中的颗粒相互挤压，从而改变变刚度主体的刚度值。
14.作为本发明的另一种具体实施方式，波纹管模块的数目为三个，三个波纹管模块以间隔120
°
方式并联在两个连接座之间。
15.作为本发明的另一种具体实施方式，柔性连接层为硅胶连接层。
16.作为本发明的另一种具体实施方式，作为本发明的另一种具体实施方式，外层波
纹管包覆在位于外层的硬质颗粒层上。
17.作为本发明的另一种具体实施方式，相邻的硬质颗粒层通过二次浇筑法粘接在一起，位于内侧的硬质颗粒层通过二次浇筑法粘接在内层波纹管的外壁上。
18.作为本发明的另一种具体实施方式，连接座上设有端盖，端盖通过粘合剂与内层波纹管、外层波纹管粘接在一起。
19.作为本发明的另一种具体实施方式，端盖上设有第一气动接头和第二气动接头，第一气动接头用于与主通气腔体连通，第二气动接头用于与变刚度腔体连通。
20.本发明具备以下有益效果：
21.本发明可以在复杂的环境中实现变形，具备更好的灵活性和良好的交互安全性等优势，同时可以根据机械臂的工作状况和需求，来主动调节机械臂的刚度，进一步改变了机械臂的负载能力，从而使其能够适应不同的工作场景的优点。
22.下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
23.图1是本发明实施例1的结构示意图；
24.图2是本发明实施例1波纹管模块的结构示意图；
25.图3是本发明实施例1波纹管模块的剖面示意图；
26.图4是图3中a处的放大示意图；
27.图5是图3中b处的放大示意图；
28.图6是本发明实施例1变刚度主体的示意图；
29.图7是本发明实施例1变刚度主体的侧面示意图。
具体实施方式
30.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
31.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。
32.实施例1
33.本实施例提供了一种变刚度软体机械臂，如图1-6所示，包括两个连接座100和设置于两个连接座100之间的三个波纹管模块200，其中三个波纹管模块200之间并行设置，具体的三个波纹管模块200以间隔120
°
方式并联在两个连接座100之间。
34.本实施例中以其中一个波纹管模块200为例说明其结构，波纹管模块200包括内层波纹管210、外层波纹管220和变刚度主体230，其中在内层波纹管210形成主通气腔体240，在内层波纹管210与外层波纹管220之间形成变刚度腔体250，变刚度主体230设置于变刚度腔体250内；
35.进一步的，变刚度主体230具有三个硬质颗粒层230a，相邻的硬质颗粒层230a通过二次浇筑法粘接在一起，如图6所示，硬质颗粒层230a包括柔性连接层231和均匀布置在该
柔性连接层231上的若干的硬质颗粒232，相邻的硬质颗粒层230a连接在一起；
36.其中，硬质颗粒层230a基于颗粒阻塞原理，一种具体的尺寸型号为：
37.硬质颗粒层230a将若干直径为2.5mm的硬质颗粒232通过柔性连接层231连接起来，柔性连接层231为厚度是0.5mm的硅胶层，并且相邻的硬质颗粒层230a的距离为3.55mm。
38.具体的，内层波纹管210和外层波纹管220的初始长度均为340mm，理论最大长度为555.8mm，理论最小长度为205mm，理论伸缩比约为2.7。
39.相较于传统的颗粒阻塞方式中的颗粒处于混乱布置状态，本实施例所提供的硬质颗粒层230a中多个硬质颗粒232之间的距离得到了严格控制，并且各个硬质颗粒层230a中的硬质颗粒232自始至终能保持着有序排列的状态，这种方式克服了硬质颗粒重排列问题，结合了波纹管的运动特性，有效地利用了硬质颗粒堵塞抗剪切力的特性，让颗粒排列有序化，增强了操作的可重复性，增大了该结构的变刚度范围。
40.再进一步的，位于内侧的硬质颗粒层230a通过二次浇筑法粘接在内层波纹管210的外壁上，并且外层波纹管220包覆在位于外层的硬质颗粒层230a上。
41.本实施例中在连接座100上设有端盖110，端盖110通过粘合剂与所述内层波纹管210、外层波纹管220粘接在一起，以形成密封，相应的，端盖110上设有第一气动接头120和第二气动接头130，第一气动接头120用于与主通气腔体240连通，第二气动接头130用于与变刚度腔体250连通。
42.再具体的，通过控制主通气腔体240内的气压值大小，控制波纹管模块200的伸缩量，通过控制变刚度腔体250内的负压值大小，使内层波纹管210和外层波纹管220压紧变刚度主体230，变刚度主体230中不同的硬质颗粒层230a中的硬质颗粒232相互挤压，从而改变变刚度主体230的刚度值。
43.本实施例中的气动驱动控制部分适用于现有技术，本领域技术人员可以根据需求进行设计具体的气动驱动方式及控制方式，这里不再展开。
44.本实施例的使用操作方式为：
45.驱动机械臂：
46.利用气泵通过气管方式与电磁伺服阀进气口相连，电磁伺服阀的出气口与第一气动接头120用气管连接起来，通过控制电磁伺服阀，从而改变腔体内部气压的大小，实现单根波纹管模块200的伸缩运动和调节自身刚度的目的。
47.通过对三个波纹管模块200的主通气腔体240中气压的控制，能够控制各个波纹管模块200的伸缩量，这样可以实现末端相对于固定端产生弯曲和伸缩运动的目的。
48.调节机械臂的刚度：
49.通过抽取变刚度腔体250中的气体，可以使得变刚度腔体250内部产生负压，从而达到外层波纹管220和内层波纹管210压紧变刚度主体230，不同硬质颗粒层230a中的硬质颗粒232相互挤压，彼此间的相互作用力随着气压的减小而增大，这样能够增大硬质颗粒间的最大静摩擦力，从而改变机械臂的整体刚度。
50.本实施例中变刚度腔体250与主通气腔体240中的气压采取独立控制的方式，因此，机械臂的刚度调节可以在不考虑其运动状态独立进行，能够随时随地的主动调节机械臂的刚度。
51.本实施例中颗粒阻塞原理为：颗粒阻塞结构由颗粒和弹性薄膜两部分组成，颗粒
处于弹性薄膜内部腔体中，可以通过改变腔体的内部压力的方式，来调节薄膜对颗粒的压力。基于该结构的主动变刚度工作方式为：当腔体内部处于未加压和加压状态下，颗粒与颗粒之间，颗粒与薄膜之间的最大静摩擦力较小，颗粒整体处于高变形的流体状态，对外部环境的适应能力强，有着较好的顺从性；当腔体内部处于负压状态时，负压导致薄膜收缩，从而薄膜压缩颗粒，颗粒与颗粒之间，颗粒与膜之间的最大静摩擦力增大，整个结构的剪应力增大，因而提高了整个结构的刚度。
52.虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。