欠驱动柔性连续体机械臂

本发明涉及柔性关节机械臂设备，特别涉及一种欠驱动柔性连续体机械臂。

背景技术：

1、传统机械臂由刚性链式结构组成，缺乏被动适应性，难以满足狭小空间和有障碍阻挡的复杂空间的工作任务要求。基于柔性连续体臂体的机械臂具有柔性结构和连续体力学特征，具备较高的姿态灵活性和环境适应性，正逐渐成为研究的焦点。该机械臂的超冗余结构可提供近乎无限自由度，使其能够在复杂和不规则的工作空间中灵活移动和操作，而不需要精确的轨迹规划和控制。

2、现有的基于柔性连续体臂体的机械臂主要有气动和绳驱两种驱动方式。气动连续体机械臂具有高度柔性和形变能力以及极高的碰撞容忍性，但存在响应时间长，密封性要求高，负载能力极低等缺陷，主流的连续体机械臂仍以绳驱连续体机械臂为主，但也存在着控制精度和重复性差、负载能力弱、整体体积质量大、电机有效利用率低等问题，且关节结构多以刚性材料为主，碰撞容忍度较低，存在碰撞后损坏的安全隐患。

技术实现思路

1、本发明提供了一种欠驱动柔性连续体机械臂，以解决背景技术所提到的技术问题。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、本发明提供了一种欠驱动柔性连续体机械臂，包括：

4、控制机构，包括控制箱、安装在控制箱内的多组第一控制模块和第二控制模块；

5、视觉感知模块，安装在控制箱的端面上；

6、柔性连续体臂体，包括安装在控制箱端面上的第一柔性关节和安装在第一柔性关节上的第二柔性关节，第一柔性关节、第二柔性关节通过多组控制单元分别驱动，以实现第一柔性关节、第二柔性关节的旋转和弯曲；

7、末端夹爪，安装在第二柔性关节上，通过第二控制模块驱动，以实现目标物体的抓取。

8、进一步地，所述第一柔性关节包括：

9、第一磁盘，安装在控制箱的端面上；第一磁盘表面上等距开设有与第一控制模块数量相等的第一穿线孔；

10、拉伸弹簧，一端垂直安装在第一磁盘的端面上，另一端向远离控制箱的一侧延伸；

11、第二磁盘，套装在拉伸弹簧的中部；第二磁盘表面上等距开设有与第一控制模块数量相等的第二穿线孔；

12、第一压缩弹簧，套装在第一磁盘和第二磁盘之间的拉伸弹簧的外圈上。

13、进一步地，所述第二柔性关节包括：

14、第三磁盘，安装在拉伸弹簧远离控制箱一侧的端面上；第三磁盘表面上等距开设有与第一控制模块数量相等的第三穿线孔；

15、第二压缩弹簧，套装在第二磁盘和第三磁盘之间的拉伸弹簧的外圈上。

16、进一步地，所述第一控制模块的数量为三个，且每个第一控制模块均包括：

17、第一电机，通过电机支撑架安装在控制箱内；

18、耦合滑轮，安装在第一电机的输出轴上；

19、远导向滑轮组，安装在控制箱的内壁上；

20、近导向滑轮组，安装在靠近控制箱开设的出线孔的控制箱内壁上；

21、近关节驱动绳，一端绕卷在耦合滑轮开设的第一安装槽内，另一端分别绕过远导向滑轮组、近导向滑轮组，并分别穿过出线孔、第一穿线孔、第二穿线孔，最终固定在第二磁盘上；

22、远关节驱动绳，一端绕卷在耦合滑轮开设的第二安装槽内，另一端分别绕过远导向滑轮组、近导向滑轮组，并分别穿过出线孔、第一穿线孔、第二穿线孔、第三穿线孔，最终固定在第三磁盘上。

23、进一步地，所述第一磁盘上的三个第一穿线孔、第二磁盘上的三个第二穿线孔以及第三磁盘上的第三穿线孔均分别对应匹配三个不同的第一控制模块。

24、进一步地，所述第一控制模块还包括：

25、两根解耦弹簧，分别连接在近关节驱动绳以及远关节驱动绳上。

26、进一步地，所述末端夹爪包括：

27、夹爪基座，固定安装在第二柔性关节远离第一柔性关节一侧的端面上；

28、两个指头，分别通过两根夹爪转动轴转动并对称连接在夹爪基座上；

29、两个扭转弹簧，一端分别插入到两个指头的末端，另一端均卡接在夹爪基座上，以使两个指头在初始状态下合拢。

30、进一步地，所述第二控制模块包括：

31、第二电机，固定安装在控制箱的内壁上；

32、夹爪驱动滑轮，安装在第二电机的输出轴上；

33、电机端驱动绳，一端缠绕固定在夹爪驱动滑轮的外圈上，另一端固定在动滑轮上；

34、夹爪驱动绳，两端分别固定在两个两个指头的中上部；中部缠绕在动滑轮的外圈上。

35、进一步地，所述夹爪驱动绳均分别穿过第一柔性关节、第二柔性关节，然后再分别固定在两个指头的中上部。

36、进一步地，所述视觉感知模块包括：

37、相机支撑架，固定安装在控制箱的顶部；

38、相机，以朝向柔性连续体臂体的姿态卡接在相机支撑架上。

39、本发明的有益效果：

40、1、本发明中柔性连续体臂体与现有的柔性连续体臂体不相同，本发明中的柔性连续体臂体包括第一柔性关节、第二柔性关节，第一柔性关节、第二柔性关节采用内嵌双弹簧结构，即在拉伸弹簧的外圈上套装有第易压缩弹簧和第二压缩弹簧；一方面拉伸弹簧利用自身特性，使得第一柔性关节、第二柔性关节在柔性关节中心处没有向下的压缩量，以机械结构的形式保证了运动的准确性，极大提升了机械臂的运动精准度；另一方面提升了安装有柔性连续体臂体的机械臂的碰撞容忍度。

41、2、本发明中的第一柔性关节、第二柔性关节通过耦合滑轮实行耦合，进一步降低了驱动量，同时近关节驱动绳以及远关节驱动绳上的解耦弹簧能使得某一柔性关节在接触到物体时另外一个柔性关节仍能继续运动。

42、3、本发明中控制末端夹爪运动的第二电机也是在固定在控制箱上，使得机械臂的负载能力可进一步增大，同时本发明采用动滑轮平衡了末端夹爪两端的驱动力，使得末端夹爪上的两个指头的张开量相同。

43、4、本发明公开了一种欠驱动柔性连续体机械臂，具备高度的碰撞容忍度，在保持对操作对象强大的被动适应性的同时尽可能的减少了电机数量，采用这种欠驱动的结构，降低了整体结构的复杂程度以及控制箱的体积和大小，以实现最佳的空间利用率。同时使得使得机械臂结构更加紧凑、小巧，控制更为简单。

技术特征：

1.一种欠驱动柔性连续体机械臂，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的欠驱动柔性连续体机械臂，其特征在于，所述第一柔性关节包括：

3.根据权利要求2所述的欠驱动柔性连续体机械臂，其特征在于，所述第二柔性关节包括：

4.根据权利要求3所述的欠驱动柔性连续体机械臂，其特征在于，所述第一控制模块的数量为三个，且每个第一控制模块均包括：

5.根据权利要求4所述的欠驱动柔性连续体机械臂，其特征在于，所述第一磁盘(1301)上的三个第一穿线孔、第二磁盘(1303)上的三个第二穿线孔以及第三磁盘(1305)上的第三穿线孔均分别对应匹配三个不同的第一控制模块。

6.根据权利要求4所述的欠驱动柔性连续体机械臂，其特征在于，所述第一控制模块还包括：

7.根据权利要求1所述的欠驱动柔性连续体机械臂，其特征在于，所述末端夹爪(4)包括：

8.根据权利要求7所述的欠驱动柔性连续体机械臂，其特征在于，所述第二控制模块包括：

9.根据权利要求8所述的欠驱动柔性连续体机械臂，其特征在于，所述夹爪驱动绳(1403)均分别穿过第一柔性关节、第二柔性关节，然后再分别固定在两个指头(1406)的中上部。

10.根据权利要求1至9任一项所述的欠驱动柔性连续体机械臂，其特征在于，所述视觉感知模块(2)包括：

技术总结本发明涉及柔性关节机械臂设备技术领域，具体为一种欠驱动柔性连续体机械臂，包括控制机构、视觉感知模块、柔性连续体臂体和末端夹爪；控制机构包括控制箱、安装在控制箱内的多组第一控制模块和第二控制模块；视觉感知模块安装在控制箱的端面上；柔性连续体臂体包括安装在控制箱端面上的第一柔性关节和安装在第一柔性关节上的第二柔性关节，第一柔性关节、第二柔性关节通过多组控制单元分别驱动，以实现第一柔性关节、第二柔性关节的旋转和弯曲；末端夹爪安装在第二柔性关节上。本发明中的柔性连续体臂体采用内嵌双弹簧结构，限制了机械臂的柔性连续体臂体在轴向的伸缩，极大提升了机械臂的运动精准度。技术研发人员：陈文锐,肖平高,鄢锉,王耀南受保护的技术使用者：湖南大学技术研发日：技术公布日：2024/10/17