CN113977593B - 一种机器蛙人及仿人机械臂与无极弯扭用驱动机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器蛙人及仿人机械臂与无极弯扭用驱动机构，属于机器人技术领域。该弯扭用驱动机构包括刚性杆体、编织合金网套、柔性填充套筒、外连环及柔性包裹套筒；编织合金网套为由形状记忆合金丝编织而成圆筒状网套结构；编织合金网套的两端固连在外连环上；在编织合金网套上，两段相交的形状记忆合金丝段在该二者的相交处通过节点连接件进行不可移动地固连；臂动作驱动单元通过一端连接于节点连接件上的导线，而对布设在该节点连接件上的相交两根形状记忆合金丝段的交接点提供同电位的驱动电压。基于该结构改进的无极弯扭用驱动机构，有效地提高其手臂操作的灵活性，且对手臂扭转动作的控制简单，可广泛应用于机器人、深海探测等技术领域。

Description

一种机器蛙人及仿人机械臂与无极弯扭用驱动机构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体地说，涉及一种机器蛙人、可用于构建该机器蛙人的仿人机械臂及可用于构建该仿人机械臂的无极弯扭驱动机构。

背景技术

随着对海洋的探索与认识的深入，开发和利用海洋资源成为主旋律，在复杂多变的海洋环境中，水下机器人将成为开发海洋资源过程中必不可少的设备，例如，本申请人在公开号为CN111152244A的专利文献中公开了一种机器蛙人，该机器蛙人包括机身及安装在该机身上的仿人机械臂，该仿人机械臂包括肩关节、大臂、肘关节、小臂及通过腕关节与小臂的末端连接的手掌组件。在工作过程中，通过肘关节机构而驱使两臂结构及臂与机身或手掌组件之间的相对转动，导致其难以像人一样进行动作，尤其是扭转动作的实现，无法实现较为灵活的动作。

此外，申请人在公告号为CN208216956U的专利文献中公开了一种仿生柔性臂驱动式潜水器，该仿生柔性臂驱动式潜水器包括水密躯体壳、控制单元及受该控制单元控制的浮力调节单元与动力单元；其中，动力单元包括安装在水密躯体壳的尾端部上的多根柔性驱动臂，并采用由电致变形元件驱动的柔性臂体作为柔性驱动臂，以仿生章鱼的运动模式，从而实现移动与动作的操作，且驱动臂的扭转较易受控制，但是其无法像潜水员一样完成多种操作。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种机器蛙人，基于对其仿人机械臂的结构改进而有效地提高其手臂操作的灵活性，且对手臂扭转动作的控制简单；

本发明的另一目的是提供一种可用于构建上述机器蛙人的仿人机械臂及无极弯扭用驱动机构。

为了实现上述主要目的，本发明提供的机器蛙人包括机身及安装在机身上的仿人机械臂与臂动作驱动单元，仿人机械臂包括肩关节、大臂、肘关节、小臂及通过腕关节与小臂的末端连接的手掌组件；大臂和/或小臂为杆状的无极弯扭用驱动机构；无极弯扭用驱动机构包括可弯曲的刚性杆体，套装在刚性杆体外且在二者间存有套装间隙的编织合金网套，填充于刚性杆体与编织合金网套之间的柔性填充套筒，固设在编织合金网套的两端上且与刚性杆体的端部固连的外连环，及紧套在编织合金网套外的柔性包裹套筒；外连环与肩关节、肘关节或腕关节的关节驱动机构固连；编织合金网套为由形状记忆合金丝编织而成圆筒状网套结构，且其上网孔为由两两相交的四根形状记忆合金丝段所围成夹角可调的菱形网孔结构；编织合金网套的两端固连在外连环上；在编织合金网套上，两段相交的形状记忆合金丝段在该二者的相交处通过节点连接件进行不可移动地固连；臂动作驱动单元通过一端连接于节点连接件上的导线，而对布设在该节点连接件上的相交两根形状记忆合金丝段的交接点提供等电位的驱动电压。

在上述技术方案中，通过一个节点连接件而对于该节点连接的四段形状记忆合金丝段提供同电位的驱动电压，并基于对不同节点连接件赋予不同电压而可控制位于该两节点连接件之间的一段形状记忆合金丝段的伸缩动作，并借助刚性杆体的支撑与紧拉作用，从而能实现任意方向的弯曲及无极的扭转，并配合以关节驱动机构的摆动驱动，从而有效地提高整个仿人机械臂的操作灵活性，且对无极弯扭用驱动机构的驱动控制方法简单。

具体的方案为外连环上包括盘丝环及固设在盘丝环的外侧上的连接环，关节驱动机构与连接环固连，在盘丝环上设有供形状记忆合金丝穿过而进行编织的过丝孔；编织合金网套由单根形状记忆合金丝经编织而成，且连接环紧压盘丝环上，而对位于盘丝环的外侧面上且位于两个过丝孔之间的合金丝段部进行紧压固定。该技术方案能有效地简化形状记忆合金丝与外连环的固连方式，并提供其与外连环连接牢固度。

具体的方案为编织合金网套为由多根形状记忆合金丝编织而成圆筒状网套结构，在编织合金网套的两端上，每根形状记忆合金丝的端部固连在外连环上。该技术方案能有效地简化编织合金网套的编织工作。

优选的方案为导线布设在柔性填充套筒及柔性包裹套筒与布设在二者的端部上的外连环组成密封腔结构；导线套装在柔性包裹套筒内，且穿过设于外连环上的过线孔，且与过线孔间为水密固接。该技术方案能有效地简化节点连接件与形状记忆合金丝的连接结构。

为了实现上述另一目的，本发明提供的无极弯扭用驱动机构包括可弯曲的刚性杆体，套装在刚性杆体外且在二者间存有套装间隙的编织合金网套，填充于刚性杆体与编织合金网套之间的柔性填充套筒，固设在编织合金网套的两端上且与刚性杆体的端部固连的外连环，及紧套在编织合金网套外的柔性包裹套筒；编织合金网套为由形状记忆合金丝编织而成圆筒状网套结构，且其上网孔为由两两相交的四根形状记忆合金丝段所围成夹角可调的菱形网孔结构；编织合金网套的两端固连在外连环上；在编织合金网套上，两段相交的形状记忆合金丝段在该二者的相交处通过节点连接件进行不可移动地固连；臂动作驱动单元通过一端连接于节点连接件上的导线，而对布设在该节点连接件上的相交两根形状记忆合金丝段的交接点提供同电位的驱动电压。

在上述技术方案中，通过一个节点连接件而对于该节点连接的四段形状记忆合金丝段提供同电位的驱动电压，并基于对不同节点连接件赋予不同电压而可控制位于该两节点连接件之间的一段形状记忆合金丝段的伸缩动作，并借助刚性杆体的支撑与紧拉作用，从而能实现任意方向的弯曲及无极的扭转，且对无极弯扭用驱动机构的驱动控制方法较为简单。

具体的方案为外连环上包括盘丝环及固设在盘丝环的外侧上的连接环，在盘丝环上设有供形状记忆合金丝穿过而进行编织的过丝孔；编织合金网套由单根形状记忆合金丝经编织而成，且连接环紧压盘丝环上，而对位于盘丝环的外侧面上且位于两个过丝孔之间的合金丝段部进行紧压固定。

具体的方案为编织合金网套为由多根形状记忆合金丝编织而成圆筒状网套结构，在编织合金网套的两端上，每根形状记忆合金丝的端部固连在外连环上。

优选的方案为导线布设在柔性填充套筒及柔性包裹套筒与布设在二者的端部上的外连环组成密封腔结构；导线套装在柔性包裹套筒内，且穿过设于外连环上的过线孔，且与过线孔间为水密固接。

为了实现上述另一目的，本发明提供的仿人机械臂包括肩关节、大臂、肘关节、小臂及通过腕关节与小臂的末端连接的手掌组件；大臂和/或小臂为杆状的无极弯扭用驱动机构；无极弯扭用驱动机构为上述任一技术方案所描述的无极弯扭用驱动机构，且外连环与肩关节、肘关节或腕关节的关节驱动机构固连。

附图说明

图1为本发明实施例1中机器蛙人的立体图；

图2为本发明实施例1中无极弯扭用驱动机构的立体图；

图3为本发明实施例1中无极弯扭用驱动机构的结构示意图；

图4为本发明实施例1中编织合金网套的结构示意图；

图5为本发明实施例1中编织合金网套上节点施加驱动电压之前的局部形状记忆合金丝段的结构示意图；

图6为本发明实施例1中编织合金网套上节点施加驱动电压之后，产生扭转时的局部形状记忆合金丝的结构示意图；

图7为本发明实施例1中编织合金网套上节点施加驱动电压之前的局部形状记忆合金丝的结构示意图；

图8为本发明实施例1中编织合金网套上节点施加驱动电压之后，产生弯曲时的局部形状记忆合金丝的结构示意图；

图9为本发明实施例1中进行扭转操作的过程中，编织合金网套上不同节点处的电压施加示意图；

图10为本发明实施例1中进行弯曲操作的过程中，编织合金网套上不同节点处的电压施加示意图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

本发明的主要构思是通过对仿人机械臂中臂部结构进行改进，以提高整个仿人机械臂的操作灵活性；此外还对手掌组件的结构进行改进，以进一步的提高仿人机械臂的操作性能。

实施例1

在本实施例中，机器蛙人的整体结构与公开号为CN111152244A的专利文献所公开的机器蛙人的结构类似，具体结构如图1所示，该机器蛙人1具体包括机身10及安装在该机身10上的仿人机械臂11与控制单元，该仿人机械臂11 包括肩关节12、大臂13、肘关节14、小臂15及通过腕关节与小臂15的末端连接的手掌组件2，控制单元包括臂动作驱动单元。在工作过程中，通过光纤 01与位于水面上的中转站02进行通信连接。

其中，肩关节12、肘关节14及腕关节能够实现一个以上自由度的弯曲操作，在本实施例中为一个自由度的摆动操作，具体基于关节电机进行驱动由其连接的两相邻结构之间的相对摆动，例如肘关节14驱使大臂13相对小臂15摆动；而大臂13与小臂15的具体结构采用如图2及图3所示的无极弯扭用驱动机构3进行构建，也可以其中一者采用无极弯扭用驱动机构3进行构建，若两者均采用其进行构建而能够更好地提高操作灵活性。

参见图2及图3，该无极弯扭用驱动机构3包括臂主体及固设在该臂主体两端上连接环30；其中，臂主体包括可弯曲的刚性杆体31，套装在该刚性杆体 31外的编织合金网套4，填充于刚性杆体31与编织合金网套4之间的柔性填充套筒，固设在编织合金网套4的两端上的盘丝环33，及紧套在编织合金网套4 外的柔性包裹套筒34。其中，刚性杆体31被配置为轴向不可拉伸及压缩的可弯曲杆体结构，例如，可进行弯曲但轴向无法进行拉伸的钢丝绳，且固设在编织合金网套4两端上的连接环30与刚性杆体31的端部固连，从而使无极弯扭用驱动机构3能进行弯曲与扭转操作，单无法进行拉伸与缩短操作。

如图3及图4所示，编织合金网6为由多根形状记忆合金丝段61编织而成圆筒状网套结构，且由相交的四根形状记忆合金丝段61围成夹角可调的菱形网孔结构，且两根相交的形状记忆合金丝段61在二者间通过节点连接件62进行导电连接，且相交的两根形状记忆合金丝段61在节点处由节点连接件62进行固连，而使该两根形状记忆合金丝段61在该节点处不会相对滑动，且相对节点连接件62也不会滑动，即在编织合金网套4上，两段相交的形状记忆合金丝 61在该二者的相交处通过节点连接件62进行不可移动地固连。其中，形状记忆合金丝61为SMA，即与公开号为CN111152244A的专利文献所公开的机器蛙人上的合金丝相同。

连接环30用于与肩关节12、肘关节14或腕关节的关节驱动机构固连，例如与关节驱动电机的定子或转子连接，从而可以使臂主体相对与之通过关节驱动机构连接的部件之间的相对摆动。盘丝环33又通过螺钉与连接环30固连，从而编织合金网套4的两端间接地固连在连接环30上，即连接环30与盘丝环 33一起构成本实施例中的外连环。

为了驱使臂主体的扭转或完全动作，在本实施例中，臂动作驱动单元通过一端连接于节点连接件62上的导线，而对固设在该节点连接件62上的相交两根形状记忆合金丝61的交接点提供等电位的驱动电压；具体地，臂动作驱动单元为输出电压可调的稳压电源模块，且该稳压电源模块能够提供多个电位不同的电压输出。

对不同节点施加不同电位电压的编织合金网6为臂主体的动作提供扭转驱动或完全驱动，从而通过与其他部件的配合而完成手臂的扭转操作。连接环30 与肘部及肩部关节相连，其具体通过连接结构与刚性杆体31配合固连，使得其能够自由旋转的同时，也在一定程度上保证了两个连接环30之间的间距不变，即连接环30可转动地固连在刚性杆体31的两端端部上。

柔性填充套筒和柔性包裹套筒34既起到辅助固定编织合金网套4的功能，也可以配合编织合金网套的扭转实现无刚性冲击的手臂驱动，同时也对编织合金网套4起到一定的保护作用。柔性填充套筒可以选用诸如乳胶等具有高弹性和低硬度的材料。

将编织合金网套4平面展开得到如图4所示的展开图，形状记忆合金丝61 的两端与盘丝环33固接，其余记忆合金丝段通过节点连接件62互相连接，即在本实施例中，合金丝的两端部固连在节点连接件62上，构成网状，在节点连接件62的中心区域处连接有供电导线，用于给形状记忆合金丝段通电，即施加预定电位的电压。具体控制方式为通过人为控制节点连接件62上的电平高低控制位于两节点连接件62之间的形状记忆合金丝段上的电流，从而控制每一段合金丝的收缩与舒张；将每根合金丝的形变叠加，最终可以完成复杂弯曲或扭转动作。对每一段合金丝段61而言，只需控制其完全收缩和完全舒张两个状态，而不需要使其像在其他应用中一样，稳定在某个中间态以控制驱动位置，因此该方案对形状记忆合金的控制算法要求较低，即算法较为简单。

如图5及图6所示，从局部来看，如图5为初始状态，其上下两边在手臂内衬的张力的作用下基本保持平行。对于扭转运动：当其中一段形状记忆合金丝61通电缩短之后，如图6所示，所围成菱形结构的边长发生了变化，在张力作用下，两根丝会产生侧向的位移，而作用到圆柱形臂主体上，该侧向位移出现在圆柱的侧面。叠加而成的位移将会使得臂主体有一个明显的扭转动作，从而驱使手掌进行扭转动作。

如图7及图8所示，从局部来看，同时给两根形状记忆合金丝61通电收缩，如图8所示，由于菱形结构的横向两端点之间的间距不变，两边缩短，因此会在高度方向上产生伸缩运动。

由上可知，同一层的所有节点采用相同的方式通电，就可以实现层与层之间的伸缩运动，而层与层之间的伸缩运动最终也会导致整只手臂的弯曲运动。

如图9所示，黑色节点连接件62处设置为低电平，而白色节点连接件62 设置为高电平，相当于向左倾斜的螺旋线上的形状记忆合金丝61都被通电驱动，而向右倾斜的螺旋线上的形状记忆合金丝61都维持原长。此时可以使上部的固定环产生顺时针方向的扭转，以此控制手腕的转动。利用该方案除了实现扭转外，还可以实现多种驱动方式，因此也不局限于应用在所述水下机器蛙人手臂结构中，还可以用于大腿臂或小腿臂上。

如图10所示，隔行设置高低电平，即黑色节点连接件62处设置为低电平，而白色节点连接件62处设置为高电平，相当于所有的形状记忆合金丝61均被加热收缩，此时则可实现编织合金网的收缩运动；基于此，如果对合金网某一侧的连接件设置为黑白相间，而另一侧设置为全黑。此时，一侧的形状记忆合金丝61全都通电收缩，而另一侧形状记忆合金丝61均保持原长。则可以实现类似薄片型SMA丝驱动器的效果，通过一侧长度缩短，另一侧保持原长的形式使合金网的向长度收缩一侧弯曲。

与现有技术中传统的柔性臂不同的是，动作执行不依赖于多种驱动器的堆叠，不需要提前根据应用场合来设计不同功能驱动器的堆叠方案，例如拉伸或弯曲等的堆叠方案，适应能力强。采用微小形变叠加的形式实现整体驱动，对单段SMA丝的控制要求低，整体控制难度低，控制精度高。

此外，通过触点对SMA丝构成的编织合金网进行分段控制，有效地简化控制方法；在整体上借鉴有限元思想，通过编织合金网的每一小段的SMA丝的变化控制整体手臂动作。

实施例2

作为对本发明实施例2的说明，以下仅对与上述实施例1的不同之处进行说明。

参照图2及图3所示结构，外连环上包括盘丝环33及固设在该盘丝环33 的外侧面上的连接环30，关节驱动机构与连接环30固连，在盘丝环33上设有供形状记忆合金丝穿过而进行编织的过丝孔330；编织合金网套4由单根形状记忆合金丝经编织而成，且连接环30紧压盘丝环33上，而对位于盘丝环33的外侧面上且位于两个过丝孔330之间的合金丝段部进行紧压固定，从而便于固定连接。

实施例3

作为对本发明实施例3的说明，以下仅对与上述实施例1或2的不同之处进行说明。

与前述实施例上将合金丝外套装绝缘套或涂布绝缘漆不同的是，在本实施例中，柔性填充套筒及柔性包裹套筒34与布设在二者的端部上的盘丝环33组成密封腔结构；导线套装在该柔性包裹套筒34内，且穿过设于盘丝环33上的过线孔，且与该过线孔间为水密固接，从而维持密封效果。

实施例4

作为对本发明实施例4的说明，以下仅对与上述实施例1的不同之处进行说明。

在本实施例中，通过粘接剂等将节点连接件62固定连接在柔性填充套筒上。

Claims (11)

1.一种机器蛙人，包括机身及安装在所述机身上的仿人机械臂与臂动作驱动单元，所述仿人机械臂包括肩关节、大臂、肘关节、小臂及通过腕关节与所述小臂的末端连接的手掌组件；其特征在于：

所述大臂和/或所述小臂为杆状的无极弯扭用驱动机构；

所述无极弯扭用驱动机构包括可弯曲的刚性杆体，套装在所述刚性杆体外且在二者间存有套装间隙的编织合金网套，填充于所述刚性杆体与所述编织合金网套之间的柔性填充套筒，固设在编织合金网套的两端上且与所述刚性杆体的端部固连的外连环，及紧套在所述编织合金网套外的柔性包裹套筒；所述外连环与所述肩关节、所述肘关节或所述腕关节的关节驱动机构固连；

所述编织合金网套为由形状记忆合金丝编织而成圆筒状网套结构，且所述编织合金网套上的网孔为由两两相交的四根形状记忆合金丝段所围成夹角可调的菱形网孔结构；所述编织合金网套的两端固连在所述外连环上；在所述编织合金网套上，两段相交的所述形状记忆合金丝段在该二者的相交处通过节点连接件进行不可移动地固连；所述臂动作驱动单元通过一端连接于所述节点连接件上的导线，而对布设在该节点连接件上的相交两根形状记忆合金丝段的交接点提供等电位的驱动电压。

2.根据权利要求1所述的机器蛙人，其特征在于：

所述外连环上包括盘丝环及固设在所述盘丝环的外侧上的连接环，所述关节驱动机构与所述连接环固连，在所述盘丝环上设有供所述形状记忆合金丝穿过而进行编织的过丝孔；所述编织合金网套由单根所述形状记忆合金丝经编织而成，且所述连接环紧压所述盘丝环上，而对第一合金丝段部进行紧压固定，所述第一合金丝段部为所述形状记忆合金丝位于盘丝环的外侧面上且位于两个过丝孔之间的合金丝段部。

3.根据权利要求1所述的机器蛙人，其特征在于：

所述编织合金网套为由多根所述形状记忆合金丝编织而成圆筒状网套结构，在所述编织合金网套的两端上，每根所述形状记忆合金丝的端部固连在所述外连环上。

4.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的机器蛙人，其特征在于：

所述柔性填充套筒及所述柔性包裹套筒与布设在二者的端部上的所述外连环组成密封腔结构；所述导线套装在所述柔性包裹套筒内，且穿过设于所述外连环上的过线孔，且与所述过线孔间为水密固接。

5.根据权利要求4所述的机器蛙人，其特征在于：

所述关节驱动机构用于驱使其所连接的相邻两部件间的相对转动。

6.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的机器蛙人，其特征在于：

所述关节驱动机构用于驱使其所连接的相邻两部件间的相对转动。

7.一种无极弯扭用驱动机构，其特征在于，所述无极弯扭用驱动机构包括可弯曲的刚性杆体，套装在所述刚性杆体外且在二者间存有套装间隙的编织合金网套，填充于所述刚性杆体与所述编织合金网套之间的柔性填充套筒，固设在编织合金网套的两端上且与所述刚性杆体的端部固连的外连环，及紧套在所述编织合金网套外的柔性包裹套筒；

所述编织合金网套为由形状记忆合金丝编织而成圆筒状网套结构，且其上网孔为由两两相交的四根形状记忆合金丝段所围成夹角可调的菱形网孔结构；所述编织合金网套的两端固连在所述外连环上；在所述编织合金网套上，两段相交的所述形状记忆合金丝段在该二者的相交处通过节点连接件进行不可移动地固连；驱动单元通过一端连接于所述节点连接件上的导线，而对布设在该节点连接件上的相交两根形状记忆合金丝段的交接点提供等电位的驱动电压。

8.根据权利要求7所述的无极弯扭用驱动机构，其特征在于：

所述外连环上包括盘丝环及固设在所述盘丝环的外侧上的连接环，在所述盘丝环上设有供所述形状记忆合金丝穿过而进行编织的过丝孔；所述编织合金网套由单根所述形状记忆合金丝经编织而成，且所述连接环紧压所述盘丝环上，而对第一合金丝段部进行紧压固定，所述第一合金丝段部为所述形状记忆合金丝位于盘丝环的外侧面上且位于两个过丝孔之间的合金丝段部。

9.根据权利要求7所述的无极弯扭用驱动机构，其特征在于：

所述编织合金网套为由多根所述形状记忆合金丝编织而成圆筒状网套结构，在所述编织合金网套的两端上，每根所述形状记忆合金丝的端部固连在所述外连环上。

10.根据权利要求7至9任一项权利要求所述的无极弯扭用驱动机构，其特征在于：

所述柔性填充套筒及所述柔性包裹套筒与布设在二者的端部上的所述外连环组成密封腔结构；所述导线套装在所述柔性包裹套筒内，且穿过设于所述外连环上的过线孔，且与所述过线孔间为水密固接。

11.一种仿人机械臂，包括肩关节、大臂、肘关节、小臂及通过腕关节与所述小臂的末端连接的手掌组件；其特征在于：

所述大臂和/或所述小臂为杆状的无极弯扭用驱动机构；

所述无极弯扭用驱动机构为权利要求7至10任一项权利要求所述的无极弯扭用驱动机构，且所述外连环与所述肩关节、所述肘关节或所述腕关节的关节驱动机构固连。

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