本發(fā)明涉及連續(xù)型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體的說(shuō)，是涉及一種基于氣壓鎖定原理的變剛度連續(xù)型機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：
連續(xù)型機(jī)構(gòu)是一類新型的仿生機(jī)構(gòu)，模仿蛇類、象鼻等生物器官，具有較高的運(yùn)動(dòng)靈活性，在復(fù)雜的環(huán)境中有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，尤其是在多障礙物的非結(jié)構(gòu)環(huán)境和空間狹窄的環(huán)境中可以靈活地改變自身形狀。但是由于連續(xù)性機(jī)構(gòu)高靈活性的特點(diǎn)，又導(dǎo)致其表現(xiàn)出定位剛度差、控制精度低的缺點(diǎn)。在醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用中，往往需要連續(xù)型機(jī)構(gòu)既要表現(xiàn)良好的柔順性，又要在一定條件下具有一定的剛度。比如將連續(xù)型機(jī)構(gòu)用于內(nèi)窺鏡機(jī)器人，其工作過(guò)程分為兩個(gè)階段，第一階段需要機(jī)器人在柔性狀態(tài)順應(yīng)人體腔道結(jié)構(gòu)，將手術(shù)工具送入目標(biāo)位置；第二階段當(dāng)手術(shù)工具在人體內(nèi)操作時(shí)，這就要求機(jī)器人具備足夠的剛度來(lái)為末端手術(shù)工具提供力學(xué)支撐。因此對(duì)連續(xù)型機(jī)構(gòu)變剛度的研究具有很大意義。近些年，人們利用Jamming，低熔點(diǎn)合金相變，鋼絲拉緊，負(fù)壓控制等方式發(fā)明了多種變剛度連續(xù)型機(jī)構(gòu)，但多數(shù)表現(xiàn)出變化剛度不夠大，響應(yīng)速度不夠快等缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于氣壓鎖定原理的變剛度連續(xù)型機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)采用正壓控制，氣囊鎖死等技術(shù)，可以使連續(xù)型機(jī)構(gòu)在鎖死狀態(tài)達(dá)到很高的剛度，同時(shí)響應(yīng)速度很快，剛?cè)釥顟B(tài)轉(zhuǎn)換迅速，有效地解決了上述問(wèn)題，具有剛?cè)峥勺儯憫?yīng)速度快，定位剛度高等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種基于氣壓鎖定原理的變剛度連續(xù)型機(jī)構(gòu)，包括連續(xù)型機(jī)構(gòu)、用于改變所述連續(xù)型機(jī)構(gòu)剛?cè)釥顟B(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換裝置和用于控制所述連續(xù)型機(jī)構(gòu)彎曲程度的位姿控制系統(tǒng)，所述連續(xù)型機(jī)構(gòu)由基座和關(guān)節(jié)通過(guò)摩擦滑塊串聯(lián)構(gòu)成，所述關(guān)節(jié)中部設(shè)有中空結(jié)構(gòu)，所述關(guān)節(jié)的一端設(shè)有帶有方形軸孔的連接盤，另一端設(shè)有帶有圓形軸孔的第一摩擦盤，所述方形軸孔的軸線與所述圓形軸孔的軸線成正交布置；所述摩擦滑塊包括與所述第一摩擦盤相配合的第二摩擦盤，所述第二摩擦盤上相對(duì)稱的設(shè)有帶有勾型凸起的矩形凸塊，基座與關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)之間的每個(gè)連接處設(shè)有兩個(gè)摩擦滑塊，兩個(gè)摩擦滑塊之間通過(guò)橡皮繩與所述勾型凸起彈性連接，所述第二摩擦盤上還設(shè)有用于穿過(guò)所述圓形軸孔并與所述方形軸孔相配合的方形軸；所述狀態(tài)轉(zhuǎn)換裝置包括圓柱形的硅膠氣囊、導(dǎo)氣管和端口，所述硅膠氣囊的中部設(shè)有圓形氣道，所述圓形氣道的一端封閉，另一端通過(guò)所述端口與所述導(dǎo)氣管連接，所述硅膠氣囊通過(guò)所述基座穿入所述中空結(jié)構(gòu)中，所述端口與基座通過(guò)連接件相互連接；所述位姿控制系統(tǒng)由鋼絲和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，所述鋼絲的一端連接有各個(gè)關(guān)節(jié)，另一端連接所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)。所述第一摩擦盤和第二摩擦盤上均設(shè)有相互咬合的齒。所述關(guān)節(jié)的外壁設(shè)有帶有至少四個(gè)走絲孔的翼緣，所述走絲孔用于穿接所述鋼絲。所述硅膠氣囊的外表面等間距的纏繞有尼龍線。所述端口與導(dǎo)氣管之間采用密封膠進(jìn)行密封。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來(lái)的有益效果是：1.在連續(xù)型機(jī)構(gòu)中，各關(guān)節(jié)兩端軸孔的軸線成正交布置，每?jī)蓚€(gè)關(guān)節(jié)可組成一個(gè)單元，每個(gè)單元可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的彎曲。通過(guò)摩擦滑塊的方形軸連接上、下相鄰關(guān)節(jié)的軸孔，保證與下關(guān)節(jié)方形軸孔的配合，限制其與下關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)。摩擦滑塊同時(shí)與上關(guān)節(jié)圓形軸孔配合，當(dāng)硅膠氣囊放氣時(shí)，摩擦滑塊與上、下關(guān)節(jié)解鎖，上、下關(guān)節(jié)可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)處于柔性狀態(tài)；當(dāng)硅膠氣囊充氣膨脹時(shí)，摩擦滑塊與上關(guān)節(jié)鎖定，從而使下關(guān)節(jié)與上關(guān)節(jié)鎖定，達(dá)到整個(gè)機(jī)構(gòu)鎖定的目的；關(guān)節(jié)經(jīng)過(guò)多級(jí)串聯(lián)后，可以在三維空間中朝任意方向連續(xù)彎曲，具有高度的靈活性。2.由于采用氣壓充放氣方式，整個(gè)機(jī)構(gòu)剛?cè)徂D(zhuǎn)換的響應(yīng)速度很快，同時(shí)氣泵可提供大小不同的氣壓，使硅膠氣囊產(chǎn)生大小不同的膨脹推力，進(jìn)而使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生可變的剛度。3.硅膠氣囊若整體膨脹，會(huì)導(dǎo)致處于彎曲狀態(tài)的連續(xù)型機(jī)構(gòu)在硅膠氣囊回復(fù)力的作用下被迫“拉直”，這就需要控制硅膠氣囊的膨脹區(qū)域，即只在各關(guān)節(jié)連接處與摩擦滑塊對(duì)應(yīng)的區(qū)域膨脹，同時(shí)限制其余區(qū)域的膨脹，因此本發(fā)明在其余區(qū)域外表面均勻纏繞有尼龍線從而達(dá)到該效果。4.在位姿控制系統(tǒng)中，由多根鋼絲和多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，鋼絲一端連接各關(guān)節(jié)，另一端連接各驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和鋼絲一一對(duì)應(yīng)，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸來(lái)改變鋼絲的長(zhǎng)度，進(jìn)而控制連續(xù)型機(jī)構(gòu)的彎曲程度，操作簡(jiǎn)單，方便快捷。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是狀態(tài)轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是摩擦滑塊的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)記：1-基座2-關(guān)節(jié)3-摩擦滑塊4-橡皮繩5-硅膠氣囊6-尼龍線7-圓形氣道8-端口9-導(dǎo)氣管10-鋼絲20-中空結(jié)構(gòu)21-連接盤22-方形軸孔23-第一摩擦盤24-圓形軸孔25-翼緣26-走絲孔30-第二摩擦盤31-方形軸32-矩形凸塊33-勾型凸起具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述：如圖1至圖4所示，一種基于氣壓鎖定原理的變剛度連續(xù)型機(jī)構(gòu)，包括連續(xù)型機(jī)構(gòu)、狀態(tài)轉(zhuǎn)換裝置和位姿控制系統(tǒng)三部分組成，連續(xù)型機(jī)構(gòu)由多段關(guān)節(jié)2串聯(lián)而成，可在空間中向任意方向彎曲；狀態(tài)轉(zhuǎn)換裝置通過(guò)氣壓鎖定與彈性釋放機(jī)制使連續(xù)型機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)剛?cè)釥顟B(tài)之間的轉(zhuǎn)換；位姿控制系統(tǒng)用于控制所述連續(xù)型機(jī)構(gòu)在不同方向上的彎曲程度。本實(shí)施例中，連續(xù)型機(jī)構(gòu)由一個(gè)基座1和四個(gè)關(guān)節(jié)2相互串聯(lián)構(gòu)成，關(guān)節(jié)2中部設(shè)有中空結(jié)構(gòu)20，關(guān)節(jié)2的一端設(shè)有帶有方形軸孔22的連接盤21，另一端設(shè)有帶有圓形軸孔24的第一摩擦盤23，方形軸孔22的軸線與圓形軸孔24的軸線成正交布置；當(dāng)上下相鄰兩個(gè)關(guān)節(jié)配合時(shí)，摩擦滑塊3上的方形軸31穿過(guò)上關(guān)節(jié)圓形軸孔24并與下關(guān)節(jié)的方形軸孔22配合，則上、下關(guān)節(jié)之間可以發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。關(guān)節(jié)2經(jīng)過(guò)多級(jí)串聯(lián)后，可以在三維空間中朝任意方向連續(xù)彎曲，具有高度的靈活性。摩擦滑塊3包括與所述第一摩擦盤23相配合的第二摩擦盤30，第一摩擦盤23和第二摩擦盤30上均設(shè)有相互咬合的齒。第二摩擦盤30上相對(duì)稱的設(shè)有帶有勾型凸起33的矩形凸塊32，基座1與關(guān)節(jié)2、關(guān)節(jié)2與關(guān)節(jié)2之間的每個(gè)連接處設(shè)有兩個(gè)摩擦滑塊3，用以分別實(shí)現(xiàn)上、下關(guān)節(jié)連接處兩對(duì)軸孔(每對(duì)包括一個(gè)上關(guān)節(jié)圓形軸孔與一個(gè)下關(guān)節(jié)方形軸孔)的配合。用橡皮繩4纏繞這兩個(gè)摩擦滑塊3上的勾型凸起33，使兩個(gè)摩擦滑塊3的矩形凸塊32的端面互相貼近，此時(shí)兩對(duì)關(guān)節(jié)軸孔上的第一摩擦盤23與第二摩擦盤30分離，不影響關(guān)節(jié)2的運(yùn)動(dòng)；由于摩擦滑塊3上的方形軸31穿過(guò)上關(guān)節(jié)圓形軸孔24并與下關(guān)節(jié)的方形軸孔22配合，則上、下關(guān)節(jié)之間可以發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，下關(guān)節(jié)與摩擦滑塊3之間可以發(fā)生沿方形軸孔22軸線方向的相對(duì)滑動(dòng)，但無(wú)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。摩擦滑塊3若在外力(如氣壓)作用下向下關(guān)節(jié)的方形軸孔22滑動(dòng)，其上的第二摩擦盤30將與上關(guān)節(jié)圓形軸孔24上的第一摩擦盤23咬合，則摩擦滑塊3與上關(guān)節(jié)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)也被鎖定，加之摩擦滑塊3與下關(guān)節(jié)無(wú)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)上、下關(guān)節(jié)間的鎖定。狀態(tài)轉(zhuǎn)換裝置包括圓柱形的硅膠氣囊5、導(dǎo)氣管9和端口8，硅膠氣囊5的中部設(shè)有圓形氣道7，圓形氣道7的一端封閉，另一端通過(guò)端口8與導(dǎo)氣管9連接，硅膠氣囊5通過(guò)基座1穿入所述中空結(jié)構(gòu)20中，端口8與基座1通過(guò)螺釘相互連接固定；當(dāng)鎖定關(guān)節(jié)2時(shí)，利用氣泵對(duì)硅膠氣囊5充氣使其膨脹，推擠摩擦滑塊3，使第一摩擦盤23與第二摩擦盤30接觸直至鎖定，導(dǎo)致關(guān)節(jié)2之間無(wú)法相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而增強(qiáng)機(jī)構(gòu)整體剛度；當(dāng)硅膠氣囊5放氣后，摩擦滑塊3在橡皮繩4的彈性作用下脫離關(guān)節(jié)2的方形軸孔22和圓形軸孔24，使第一摩擦盤23與第二摩擦盤30分離，關(guān)節(jié)2之間可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)，恢復(fù)機(jī)構(gòu)的柔性。由于硅膠氣囊5充氣后若整體膨脹，會(huì)導(dǎo)致處于彎曲姿態(tài)的連續(xù)型機(jī)構(gòu)在氣壓力的作用下產(chǎn)生回中趨勢(shì)，降低了工作效率，為了使硅膠氣囊5只在各關(guān)節(jié)2的連接處與摩擦滑塊3相對(duì)應(yīng)的區(qū)域膨脹，需要在硅膠氣囊5其余區(qū)域的外表面均勻纏繞尼龍線6來(lái)限制這些區(qū)域的膨脹。所述位姿控制系統(tǒng)由多根鋼絲10和多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，本實(shí)施例中每個(gè)關(guān)節(jié)2的外壁設(shè)有翼緣25，翼緣25上設(shè)置有四個(gè)走絲孔26，鋼絲10的一端通過(guò)走絲孔26連接各個(gè)關(guān)節(jié)2，另一端連接各驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和鋼絲10一一對(duì)應(yīng)，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸來(lái)改變鋼絲的長(zhǎng)度，進(jìn)而控制連續(xù)型機(jī)構(gòu)的三維彎曲角度。本發(fā)明的工作過(guò)程如下：在柔順狀態(tài)下，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制鋼絲10的長(zhǎng)度變化，使機(jī)構(gòu)達(dá)到理想的位姿；在保持其形狀不變的情況下，利用氣泵向硅膠氣囊5充入一定壓力的空氣，使各關(guān)節(jié)2連接處的硅膠氣囊5膨脹，并推擠摩擦滑塊3與關(guān)節(jié)2鎖死，讓整個(gè)機(jī)構(gòu)達(dá)到剛性狀態(tài)；之后對(duì)硅膠氣囊5放氣，利用橡皮繩4的彈性力使摩擦滑塊3與關(guān)節(jié)2脫離，解除鎖定，恢復(fù)機(jī)構(gòu)的柔性。在氣壓鎖定過(guò)程中，硅膠氣囊5的膨脹力需要克服橡皮繩4彈性力。本實(shí)施例中，機(jī)構(gòu)的機(jī)體部分為3D打印件，材料為光敏樹(shù)脂，包括基座1，各關(guān)節(jié)2，摩擦滑塊3和端口8，各部分通過(guò)裝配成一體。所述硅膠氣囊5為粘彈性材料，通過(guò)液體硅膠澆注而成，其幾何外形為長(zhǎng)圓柱形，端口8和圓形氣道7通過(guò)在澆注硅膠氣囊5時(shí)使用型芯制作而成，端口8與導(dǎo)氣管9利用密封膠進(jìn)行密封。