[发明专利]一种变刚度柔性机械臂

说明书

本发明涉及一种变刚度柔性机械臂，属于机械装备技术领域。本发明的变刚度柔性机械臂，其主体部分为机械臂的三块相互平行的横梁结构，即两块刚度可变支撑板和中央支撑板，以左、中、右三块均匀分布，其中左右两块是柔性板状结构，可以通过伺服电机驱动使得板材中部拱起以改变机械臂的刚度，位于中部的中央支撑板起到支撑作用，为一个套筒结构。本发明的优点在于通过力学方式较为简单地实现了机械臂刚度的改变，其刚度可调节范围大，可以满足机械臂在不同工作状态下对于精准度和柔顺性的要求。

技术领域

本发明涉及一种变刚度柔性机械臂，属于机械装备技术领域。

背景技术

柔性机械是机器人行业一个新的分支。它的主旨是将机器人的身体部分从传统刚性材料改成柔软有弹性的材料。

传统刚性机械具有控制精确的优势，但是刚硬的部件其物理性能无法改变，阻碍了它们有效地与外界接触，无法适应复杂的环境。而柔性机械可以吸收系统受到的冲击和振动，更加有效地实现系统的环境适应性。近年来也正在蓬勃发展，在生物、医疗、救援等复杂场景下应用前景广泛。

同时，目前柔性机械也有缺点。通过材料实现柔性的柔性机械是一个非线性的刚柔耦合系统。各种材料的弹性变形机理各异、且柔性材料的自由度高度冗余，很难有效地建模和分析。因此目前的柔性机械的控制理论尚未形成，很难找到一种既发挥柔性优势，又不降低控制精度的控制方式。比如，基于不同的柔性材料特性，现已衍生出各种各样的机械控制方式。如温度记忆合金SMA材料的温度控制，仿生肌肉纤维的水压控制等等，虽然都有自适应复杂接触表面的能力，但也都难以实现精准控制。

实现柔性机械的另一条路径，通过控制器设计使传统刚性机械臂实现柔性，如通过关节处的伺服电机的力反馈控制提高传统刚性机械臂对于环境的适应力。这样做确实使得刚性机械臂在保有高精准度的同时也兼具了柔性，但是这对于控制器的设计和电机的机电性能提出了很大的挑战，其高昂的成本限制了起应用的范围。

发明内容

本发明的目的是提出一种变刚度柔性机械臂，通过改变机械臂的刚度来实现机械臂在刚性和柔性之间的动态切换，以简单高效地改变机械臂刚度，使得机械臂可以同时具有刚性和柔性，达到兼顾刚性机械臂的高精准度和柔性机械臂的高适应性的目的。

本发明提出的变刚度柔性机械臂，包括顶座、两块刚度可变支撑板、中央支撑板、长槽、底座、两个十字形驱动件和八根连接杆；所述的两块刚度可变支撑板的上端部固定在顶座的两侧，两块刚度可变支撑板的下端部固定在底座的相应两侧，所述的中央支撑板置于两块刚度可变支撑板的中间，中央支撑板的上端与顶座相对固定，所述的长槽置于底座的中间，中央支撑板的下端伸入长槽中，所述的十字形驱动件的中心开有伺服电机传动轴的插入孔，十字形驱动件的四个十字臂上分别开有第一连接孔；

所述的顶座和底座上分别开有伺服电机安装孔，用于安装伺服电机；

所述的刚度可变支撑板上设有上、下四对固定耳，固定耳上开有第二连接孔；

所述的八根连接杆中的四根连接杆置于变刚度柔性机械臂的一端，另外四根连接杆置于变刚度柔性机械臂的另一端，八根连接杆分别用于使十字形驱动件与刚度可变支撑板相互联动的连接杆；每根连接杆的两端分别通过刚度可变支撑板固定耳上的第一连接孔和十字形驱动件四个十字臂上的第二连接孔与刚度可变支撑板和十字形驱动件相互铰接，将十字形驱动件的动作传递给刚度可变支撑板。

本发明提出的变刚度柔性机械臂，其优点是：

1、本发明的变刚度柔性机械臂，设计了特殊的变刚度支撑板结构，并通过弯曲其形状实现机械臂刚度的调整，达到了调节简单，刚度可变范围大的目的，克服了现有技术的不足。