一种张拉整体式柔性机械臂

1.本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种由张拉整体单元组成的柔性机械臂。


背景技术：

2.张拉整体结构是一类轻质、网格状的空间结构体系，由预拉伸的受拉单元和预压缩的受压单元相互连接而成。现有柔性机器人单元之间的连接多用刚性结构连接，抗冲击性不好，不能够实现较大的变形。


技术实现要素：

3.本发明实施例提供了一种张拉整体式柔性机械臂，实现机械臂的弯曲、拉伸等操作；用柔性的受拉单元来连接相邻结构，用刚性的受压单元保证整体的刚度，通过受拉单元驱动，以确保承载能力强、抗冲击性能好、材料利用率高、轻质、结构便于组装，实现运动过程的灵敏控制，同时简化机械臂结构，适用于承载能力要求大、拥有大变形抓取的机器人中。
4.为解决上述发明目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
5.一种张拉整体式柔性机械臂，所述机械臂包括至少一个张拉整体单元；
6.所述张拉整体单元包括刚性受压单元和柔性受拉单元；两个第一受压单元与一个第二受压单元连接组成一个呈等腰三角形的受压单元，两个所述受压单元相对设置，且一个所述受压单元的顶点位于另一个所述受压单元的内侧；
7.所述受拉单元包括连接两个所述受压单元的顶点的中间受拉单元、分别对应连接两个受压单元的两个底点的侧受拉单元，中间受拉单元和两个所述侧受拉单元平行设置；
8.至少两个张拉整体单元得以通过共用的第二受压单元进行串联连接。
9.示例性的，所述张拉整体单元包括六个所述受压单元；
10.所述受压单元分为四个长度一致上下倾斜放置的所述第一受压单元和两个长度一致上下对称水平放置的所述第二受压单元。
11.示例性的，每个所述张拉整体单元的受拉单元的轴向刚度和初始长度均可进行调整。
12.示例性的，更换所述受拉整体单元的刚度，得以调节在同样的收缩量下的变形速度的快慢。
13.示例性的，所述受压单元的材质为轻质抗压材料，包括铝合金、不锈钢。
14.示例性的，所述受压单元得以作为驱动单元。
15.示例性的，所述受拉单元均得以作为驱动单元。
16.示例性的，所述中间受拉单元得以作为驱动单元。
17.示例性的，所述侧受拉单元得以作为驱动单元。
18.示例性的，所述受拉单元的轴向刚度不同、初始长度不同，所述张拉整体单元处于的预拉伸状态不同，在同一个所述张拉整体单元中位于上方的所述第二受压单元的位姿不
同。
19.上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下有益效果：
20.上述方案，用柔性的受拉单元来连接相邻结构，用刚性的受压单元保证整体的刚度，机械臂中所有刚性结构之间连接的都是受拉单元，抗冲击性能好、承载能力强；
21.该机械臂利用一种张拉整体单元作为胞元，通过受拉单元驱动，实现机械臂的弯曲、拉伸等操作，该机械臂结构简单，重量轻、材料利用率高并且能够灵敏控制机械臂的运动过程。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明张拉整体式柔性机械臂的结构示意图；
24.图2为本发明张拉整体式柔性机械臂在侧受拉单元s2伸缩驱动作用下的构型示意图；
25.图3为本发明张拉整体式柔性机械臂在中间受拉单元s1伸缩驱动作用下的构型示意图；
26.图4为本发明张拉整体式柔性机械臂在第一受压单元b1伸缩驱动作用下的构型示意图。
27.其中附图标记说明如下：
28.1、张拉整体单元；b1、第一受压单元；b2、第二受压单元；s1、中间受拉单元；s2、侧受拉单元；b11、第一受压单元一；b12、第一受压单元二。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
31.需要说明的是，本发明中使用的“上”、“下”、“左”、“右”“前”“后”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
32.图1为本发明张拉整体式柔性机械臂的结构示意图；图2为本发明张拉整体式柔性
机械臂在侧受拉单元s2伸缩驱动作用下的构型示意图；图3为本发明张拉整体式柔性机械臂在中间受拉单元s1伸缩驱动作用下的构型示意图；
33.图4为本发明张拉整体式柔性机械臂在第一受压单元b1伸缩驱动作用下的构型示意图。
34.本发明针对如今市场上对系统的力学行为认识不足、张拉整体单元很少在工程结构设计中作为主流设计方法使用、强度不够、抗冲击性不好等情况提供了一种使用张拉整体单元作为胞元，抗冲击性能好、承载能力强、结构简单、重量轻、材料利用率高并且通过受拉单元驱动就可以实现弯曲、拉伸等操作又能够灵敏控制运动过程的张拉整体式柔性机械臂。
35.如图1所示，本发明实施例提供了一种张拉整体式柔性机械臂，包括至少一个张拉整体单元1；所述张拉整体单元1包括六个刚性受压单元和三个柔性受拉单元；所述受压单元分为四个长度一致上下倾斜放置的第一受压单元b1和两个长度一致上下对称水平放置的第二受压单元b2；两个第一受压单元b1与一个第二受压单元b2连接成一个呈等腰三角形的受压单元，两个所述受压单元相对设置，且一个所述受压单元的顶点位于另一个所述受压单元的内侧。
36.所述受拉单元分为中间受拉单元s1和侧受拉单元s2；中间受拉单元s1在所述张拉整体单元1的中间并连接两个等腰三角形受压单元对应中间顶点；侧受拉单元s2分别连接对应两个受压单元的两个底点，中间受拉单元和两个所述侧受拉单元平行设置；不同张拉整体单元1之间共用一个第二受压单元b2，共用的第二受压单元b2位于所述上面张拉整体单元1的下面和所述下面张拉整体单元1的上面；至少一个可驱动的张拉整体单元1通过共用相邻张拉整体单元1的第二受压单元b2实现依次串联形成本机械臂，通过受拉单元驱动，实现机械臂的弯曲、拉伸等操作；机械臂用柔性的受拉单元来连接相邻结构，用刚性的受压单元保证整体的刚度，所有刚性结构之间连接的都是受拉单元，保证机械臂抗冲击性能好、承载能力强；
37.所述每个张拉整体单元1的受拉单元的轴向刚度和初始长度均可进行调整，受拉单元的轴向刚度不同、初始长度不同时，所述张拉整体单元处于的预拉伸状态不同，同一个张拉整体单元位于上方的第二受压单元b2的位姿也不同，继而能够灵敏控制机械臂的运动过程；机械臂受压单元的材质为铝合金、不锈钢等轻质抗压材料，所述张拉整体单元1的受拉单元或受压单元均可以作为驱动单元，使位于同一个张拉整体单元上方的第二受压单元的位置和姿态发生改变；该机械臂结构简单，重量轻、材料利用率高。
38.本发明的一种张拉整体式柔性机械臂的工作过程如下：
39.实施例1：
40.伸缩侧受拉单元s2驱动整体式柔性机械臂：本整体式柔性机械臂由10个张拉整体单元1串联组成，受压单元为轻质高强材料制成的杆，比如铝合金梁、空心不锈钢，受拉单元为三根弹性绳，侧受拉单元s2穿过在上方的第二受压单元b2上的通孔，并通过螺栓压紧固定在下方第二受压单元b2上；
41.所有张拉整体单元1的同一边侧受拉单元s2在拉伸力作用下发生相同大小的收缩，且收缩量为8cm，第一受压单元b1长为20cm，第二受压单元b2长为28cm，中间受拉单元s1原长为10cm，刚度为320n/m，侧受拉单元s2原长为14cm，刚度为80n/m。侧受拉单元进一步收
缩，直至收缩量为12cm时，卷曲的角度可达296.7
°
。
42.实施例2：
43.伸缩中间受拉单元s1驱动整体式柔性机械臂：本整体式柔性机械臂由10个张拉整体单元1串联组成，受压单元为轻质高强材料制成的杆，比如铝合金梁、空心不锈钢，受拉单元为三根弹性绳，侧受拉单元s2穿过在上方的第二受压单元b2上的通孔，并通过螺栓压紧固定在下方第二受压单元b2上；
44.第一受压单元b1长为20cm，第二受压单元b2长为28cm，中间受拉单元s1原长为10cm，刚度为320n/m，侧受拉单元s2原长为14cm，刚度为80n/m；驱动中间受拉单元s1，且收缩量为7cm，则机械臂整体长度伸长了40cm。
45.实施例3：
46.伸缩第一受压单元b1驱动整体式柔性机械臂：本整体式柔性机械臂由10个张拉整体单元1串联组成，受压单元为轻质高强材料制成的杆，比如铝合金梁、空心不锈钢，受拉单元为三根弹性绳，侧受拉单元s2穿过在上方的第二受压单元b2上的通孔，并通过螺栓压紧固定在下方第二受压单元b2上；第二受压单元b2水平放置且位于两个第一受压单元b1下方，第一受压单元b1还包括第一受压单元一b11和第一受压单元二b12,第一受压单元一b11、第一受压单元二b12和第二受压单元b2构成一个等腰三角形结构，第一受压单元一b11、第一受压单元二b12相当于等腰三角形结构的腰结构；两个所述受压单元相对设置时，一个受压单元的第一受压单元一b11与另一个受压单元的第一受压单元二b12位置相对应；
47.第一受压单元一b11、第一受压单元二b12长为20cm，第二受压单元b2长为28cm，中间受拉单元s1原长为10cm，刚度为320n/m，侧受拉单元s2原长为14cm，刚度为80n/m；驱动第一受压单元一b11，且伸长量为2cm，则机械臂整体往右方倾斜。
48.在工作时，需要预先使弹性绳处于拉伸状态，防止弹性绳处于松弛状态而影响机械臂的正常工作。此外，还可以通过更换弹性绳的刚度，来实现在同样的收缩量下变形速度快慢的调节。
49.有以下几点需要说明：
50.(1)本发明实施例附图只涉及到与本发明实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
51.(2)为了清晰起见，在用于描述本发明的实施例的附图中，层或区域的厚度被放大或缩小，即这些附图并非按照实际的比例绘制。可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”或者可以存在中间元件。
52.(3)在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
53.以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种张拉整体式柔性机械臂，其特征在于，所述机械臂包括至少一个张拉整体单元；所述张拉整体单元包括刚性受压单元和柔性受拉单元；两个第一受压单元与一个第二受压单元连接组成一个呈等腰三角形的受压单元，两个所述受压单元相对设置，且一个所述受压单元的顶点位于另一个所述受压单元的内侧；所述受拉单元包括连接两个所述受压单元的顶点的中间受拉单元、分别对应连接两个受压单元的两个底点的侧受拉单元，中间受拉单元和两个所述侧受拉单元平行设置；至少两个张拉整体单元得以通过共用的第二受压单元进行串联连接。2.根据权利要求1所述的张拉整体式柔性机械臂，其特征在于，所述张拉整体单元包括六个所述受压单元；所述受压单元分为四个长度一致上下倾斜放置的所述第一受压单元和两个长度一致上下对称水平放置的所述第二受压单元。3.根据权利要求1所述的张拉整体式柔性机械臂，其特征在于，每个所述张拉整体单元的受拉单元的轴向刚度和初始长度均可进行调整。4.根据权利要求1所述的张拉整体式柔性机械臂，其特征在于，更换所述受拉单元的刚度，得以调节在同样的收缩量下的变形速度的快慢。5.根据权利要求1所述的张拉整体式柔性机械臂，其特征在于，所述受压单元的材质为轻质抗压材料，包括铝合金、不锈钢。6.根据权利要求1所述的张拉整体式柔性机械臂，其特征在于，所述受压单元得以作为驱动单元。7.根据权利要求1所述的张拉整体式柔性机械臂，其特征在于，所述受拉单元均得以作为驱动单元。8.根据权利要求7所述的张拉整体式柔性机械臂，其特征在于，所述中间受拉单元得以作为驱动单元。9.根据权利要求7所述的张拉整体式柔性机械臂，其特征在于，所述侧受拉单元得以作为驱动单元。10.根据权利要求1所述的张拉整体式柔性机械臂，其特征在于，所述受拉单元的轴向刚度不同、初始长度不同，所述张拉整体单元处于的预拉伸状态不同，在同一个所述张拉整体单元中位于上方的所述第二受压单元的位姿不同。

技术总结
本发明提供一种张拉整体式柔性机械臂，由至少一个可驱动张拉整体单元串联而成；所述张拉整体单元包括四个倾斜放置受压单元、两个水平放置受压单元、中间受拉单元和左右各一个侧受拉单元；两个倾斜受压单元与水平受压单元组成等腰三角形，两三角形相向放置，中间受拉单元连接两三角形中间顶点，左右侧受拉单元分别连接两三角形两侧对应顶点，不同张拉整体单元之间共用一个水平受压单元，受拉单元为柔性结构，受压单元为刚性结构。本发明提供的一种张拉整体式柔性机械臂能通过驱动受拉单元或受压单元实现机械臂的伸长、弯曲等动作且结构简单、质量轻、抗冲击性能好、材料利用率高。材料利用率高。材料利用率高。


技术研发人员：张立元 李澳 殷旭 刘龙岳 曹永亮 李海泉 徐光魁
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2021.11.25
技术公布日：2022/3/8