[发明专利]基于散粒体阻塞理论的变刚度驱动杆及其工作系统

说明书

本发明属于柔性机器人技术领域，尤其是基于散粒体阻塞理论的变刚度驱动杆及其工作系统。所述的驱动杆包括柔性外膜，其为中空的柱状结构，内部填充有散粒体，柔性外膜的两端分别内置有上密封端头、下密封端头，上、下密封端头分别通过密封箍圈与柔性外膜的两端固定连接，下密封端头的端面上开设有孔，气管穿入孔内与柔性外膜内腔连通。所述的驱动系统包括空气压缩机，空气压缩机通过空气压缩通路与电磁阀的P口连通，电磁阀的T口与大气连通，电磁阀的A口与真空通路连接，电磁阀的B口与气压通路连接，真空通路、气压通路和变刚度驱动杆气管间交汇处连接采用三通快插气管接头连通。本发明结构简单紧凑、刚度变化幅度大，控制简单、驱动平稳。

技术领域

本发明属于柔性机器人技术领域，尤其是基于散粒体阻塞理论的变刚度驱动杆及其工作系统。

背景技术

机器人能代替人类从事重复单一繁重的体力劳动，在服务和医疗领域机器人代替人类从事简单、重复的劳动；在危险和有毒等恶劣的环境条件下的应用更为重要。因此，机器人的理论研究和应用研究一直以来都是人类发展的重要课题。机器人技术不断向高速度、高精度和轻量化方向发展。传统工业机器人具有结构刚度高，控制精度高；但存在基座笨重、臂杆较短、功耗高、操作空间有限、较低负重比、自由度有限等缺点。研究人员模仿自然界中的软体动物如章鱼，海星，蚯蚓等，利用柔性材料研制出柔性机器人，相比传统机器人和连续体机器人具有柔性材料应变大，可以任意改变结构尺寸，驱动器小、质量轻、操作速度高、能量消耗低、载荷质量比大和构件设计紧凑、自由度无限多、更加安全、适应更多更复杂的工作环境等。

柔性机器人是传统机器人的延续，国内外研究人员对柔性机构的研究方兴未艾。传统的机器人驱动方式多采用电机驱动或是液压驱动，此类驱动器能耗高，结构为刚体，机构占用体积大，机构复杂等缺点，不适用于柔性机器人的应用。因此，新的驱动方式对于柔性机器人的发展显得至关重要。

目前柔性机器人驱动方式包括形状记忆合金(SMA)、电流变液(ERF)、磁流变液(MRF)、腱绳驱动系统和气动人工肌肉。

SMA可以通过有记忆塑性变形,在合金变形后，再加热回到原来的形状。但SMA的张力变化幅度较低一般小于10%，同时SMA整个系统对温度调节有很强的依赖性，致使整个系统的散热也严重限制了SMA的应用。

电流变液和磁流变液由于外部电场或磁场作用流变行为被改变，内部磁性颗粒沿着电场或磁场方向紧密分布形成力链，整个系统通过改变电/磁场强度的改变从而实现变刚度。此驱动装置需要外加大功率电压（电压1kv），而且高质量的智能液体价格昂贵，且高密度体积限制操作空间以及可实现的屈服强度范围的限制削弱他们在柔性机器人的应用。

腱绳驱动系统通过绳与机构的摩擦和绳自身的张力来实现变刚度，因此这需要的张力很大，且需要机器人自身结构能够承受很大张力，这对于柔性机器人是不可取的。

气动人工肌肉即 McKibben 气动人工肌肉，在20 世纪 60～70 年代由美国医生McKibben 发明了一种驱动假肢运动的气动执行元件。模仿人类肌肉构造，其内部为一根橡胶管,外部为双螺旋线编织的纤维编织层,两端用连接件固定,一端通气源,另一端连接负载。当橡胶管充气时,肌肉收缩产生拉力,所产生拉力的大小取决于肌肉的直径 , 编制纤维初始编织角和充气压力值。当橡胶管排气后人工肌肉拉力消失恢复原长度。其力/伸长值与人体肌肉相似。具有的结构简单，紧凑、高功率/质量比、动作平滑响应快等优点。但由于气动肌肉的非线性和自身的柔性，很难对其进行精确的控制，与实际控制差距较大。非充气状态下气动肌肉刚度很小，需要另外的支撑机构，这也增加了结构的复杂性。

以上驱动方式存在严重缺点，因此研究新型驱动方式对柔性机器人发展至关重要。

近年来研究人员发现颗粒物质拥有许多不同于其他物质的特性，并随着研究人员对颗粒物质特性展开了深入研究，散粒体阻塞理论逐渐被应用到柔性机器人领域，以下是对散粒体阻塞理论的概述：