本實用新型涉及連續(xù)型機構設計領域，具體的說，是涉及一種基于氣壓鎖定原理的變剛度連續(xù)型機構。

背景技術：

連續(xù)型機構是一類新型的仿生機構，模仿蛇類、象鼻等生物器官，具有較高的運動靈活性，在復雜的環(huán)境中有很強的適應能力，尤其是在多障礙物的非結構環(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)性機構高靈活性的特點，又導致其表現(xiàn)出定位剛度差、控制精度低的缺點。在醫(yī)療等領域的應用中，往往需要連續(xù)型機構既要表現(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)型機構用于內窺鏡機器人，其工作過程分為兩個階段，第一階段需要機器人在柔性狀態(tài)順應人體腔道結構，將手術工具送入目標位置；第二階段當手術工具在人體內操作時，這就要求機器人具備足夠的剛度來為末端手術工具提供力學支撐。因此對連續(xù)型機構變剛度的研究具有很大意義。

近些年，人們利用Jamming，低熔點合金相變，鋼絲拉緊，負壓控制等方式實用新型了多種變剛度連續(xù)型機構，但多數(shù)表現(xiàn)出變化剛度不夠大，響應速度不夠快等缺陷。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是為了克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種基于氣壓鎖定原理的變剛度連續(xù)型機構，該機構采用正壓控制，氣囊鎖死等技術，可以使連續(xù)型機構在鎖死狀態(tài)達到很高的剛度，同時響應速度很快，剛柔狀態(tài)轉換迅速，有效地解決了上述問題，具有剛柔可變，響應速度快，定位剛度高等優(yōu)點。

本實用新型的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種基于氣壓鎖定原理的變剛度連續(xù)型機構，包括連續(xù)型機構、用于改變所述連續(xù)型機構剛柔狀態(tài)的狀態(tài)轉換裝置和用于控制所述連續(xù)型機構彎曲程度的位姿控制系統(tǒng)，所述連續(xù)型機構由基座和關節(jié)通過摩擦滑塊串聯(lián)構成，所述關節(jié)中部設有中空結構，所述關節(jié)的一端設有帶有方形軸孔的連接盤，另一端設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稱的設有帶有勾型凸起的矩形凸塊，基座與關節(jié)、關節(jié)與關節(jié)之 間的每個連接處設有兩個摩擦滑塊，兩個摩擦滑塊之間通過橡皮繩與所述勾型凸起彈性連接，所述第二摩擦盤上還設有用于穿過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)轉換裝置包括圓柱形的硅膠氣囊、導氣管和端口，所述硅膠氣囊的中部設有圓形氣道，所述圓形氣道的一端封閉，另一端通過所述端口與所述導氣管連接，所述硅膠氣囊通過所述基座穿入所述中空結構中，所述端口與基座通過連接件相互連接；

所述位姿控制系統(tǒng)由鋼絲和驅動電機組成，所述鋼絲的一端連接有各個關節(jié)，另一端連接所述驅動電機。

所述第一摩擦盤和第二摩擦盤上均設有相互咬合的齒。

所述關節(jié)的外壁設有帶有至少四個走絲孔的翼緣，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。

所述端口與導氣管之間采用密封膠進行密封。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的技術方案所帶來的有益效果是：

1.在連續(xù)型機構中，各關節(jié)兩端軸孔的軸線成正交布置，每兩個關節(jié)可組成一個單元，每個單元可實現(xiàn)兩個方向的彎曲。通過摩擦滑塊的方形軸連接上、下相鄰關節(jié)的軸孔，保證與下關節(jié)方形軸孔的配合，限制其與下關節(jié)的轉動。摩擦滑塊同時與上關節(jié)圓形軸孔配合，當硅膠氣囊放氣時，摩擦滑塊與上、下關節(jié)解鎖，上、下關節(jié)可相對轉動，機構處于柔性狀態(tài)；當硅膠氣囊充氣膨脹時，摩擦滑塊與上關節(jié)鎖定，從而使下關節(jié)與上關節(jié)鎖定，達到整個機構鎖定的目的；關節(jié)經過多級串聯(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，整個機構剛柔轉換的響應速度很快，同時氣泵可提供大小不同的氣壓，使硅膠氣囊產生大小不同的膨脹推力，進而使機構產生可變的剛度。

3.硅膠氣囊若整體膨脹，會導致處于彎曲狀態(tài)的連續(xù)型機構在硅膠氣囊回復力的作用下被迫“拉直”，這就需要控制硅膠氣囊的膨脹區(qū)域，即只在各關節(jié)連接處與摩擦滑塊對應的區(qū)域膨脹，同時限制其余區(qū)域的膨脹，因此本實用新型在其余區(qū)域外表面均勻纏繞有尼龍線從而達到該效果。

4.在位姿控制系統(tǒng)中，由多根鋼絲和多個驅動電機組成，鋼絲一端連接各關節(jié)，另一端連接各驅動電機，驅動電機和鋼絲一一對應，通過控制驅動電機旋轉軸來改變鋼絲的長度，進而控制連續(xù)型機構的彎曲程度，操作簡單，方便快捷。

附圖說明

圖1是本實用新型的結構示意圖。

圖2是狀態(tài)轉換裝置的結構示意圖。

圖3是關節(jié)的結構示意圖。

圖4是摩擦滑塊的結構示意圖。

附圖標記：1-基座 2-關節(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-導氣管 10-鋼絲 20-中空結構 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

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型作進一步的描述：

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)型機構，包括連續(xù)型機構、狀態(tài)轉換裝置和位姿控制系統(tǒng)三部分組成，連續(xù)型機構由多段關節(jié)2串聯(lián)而成，可在空間中向任意方向彎曲；狀態(tài)轉換裝置通過氣壓鎖定與彈性釋放機制使連續(xù)型機構實現(xiàn)剛柔狀態(tài)之間的轉換；位姿控制系統(tǒng)用于控制所述連續(xù)型機構在不同方向上的彎曲程度。

本實施例中，連續(xù)型機構由一個基座1和四個關節(jié)2相互串聯(lián)構成，關節(jié)2中部設有中空結構20，關節(jié)2的一端設有帶有方形軸孔22的連接盤21，另一端設有帶有圓形軸孔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；當上下相鄰兩個關節(jié)配合時，摩擦滑塊3上的方形軸31穿過上關節(jié)圓形軸孔24并與下關節(jié)的方形軸孔22配合，則上、下關節(jié)之間可以發(fā)生相對轉動。關節(jié)2經過多級串聯(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上均設有相互咬合的齒。第二摩擦盤30上相對稱的設有帶有勾型凸起33的矩形凸塊32，基座1與關節(jié)2、關節(jié)2與關節(jié)2之間的每個連接處設有兩個摩擦滑塊3，用以分別實現(xiàn)上、下關節(jié)連接處兩對軸孔(每對包括一個上關節(jié)圓形軸孔與一個下關節(jié)方形軸孔)的配合。用橡皮繩4纏繞這兩個摩擦滑塊3上的勾型凸起33，使兩個摩擦滑塊3的矩形凸塊32的端面互相貼近，此時兩對關節(jié)軸孔上的第一摩擦盤23與第二摩擦盤30分離，不影響關節(jié)2的運動；由于摩擦滑塊3上的方形軸31穿過上關節(jié)圓形軸孔24并與下關節(jié)的方形軸孔22配合，則上、下關節(jié)之間可以發(fā)生相對轉動，下關節(jié)與摩擦滑塊3之間可以發(fā)生沿方形軸孔22軸線方向的相對滑動，但無相對轉動。摩擦滑塊3若在外力(如氣壓)作用下向下關節(jié)的方形軸孔22滑動，其上的第二摩擦盤30將與上關節(jié)圓形軸孔24上的第一摩擦盤23咬合，則摩擦滑塊3與上關節(jié)的相對轉動也被鎖定，加之摩擦滑塊3與下關節(jié)無相對轉動，可實現(xiàn)對上、下關節(jié)間的鎖定。

狀態(tài)轉換裝置包括圓柱形的硅膠氣囊5、導氣管9和端口8，硅膠氣囊5的中部設有圓形 氣道7，圓形氣道7的一端封閉，另一端通過端口8與導氣管9連接，硅膠氣囊5通過基座1穿入所述中空結構20中，端口8與基座1通過螺釘相互連接固定；當鎖定關節(jié)2時，利用氣泵對硅膠氣囊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，導致關節(jié)2之間無法相對運動，從而增強機構整體剛度；當硅膠氣囊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，關節(jié)2之間可以相對運動，恢復機構的柔性。由于硅膠氣囊5充氣后若整體膨脹，會導致處于彎曲姿態(tài)的連續(xù)型機構在氣壓力的作用下產生回中趨勢，降低了工作效率，為了使硅膠氣囊5只在各關節(jié)2的連接處與摩擦滑塊3相對應的區(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和多個驅動電機組成，本實施例中每個關節(jié)2的外壁設有翼緣25，翼緣25上設置有四個走絲孔26，鋼絲10的一端通過走絲孔26連接各個關節(jié)2，另一端連接各驅動電機，驅動電機和鋼絲10一一對應，通過控制驅動電機旋轉軸來改變鋼絲的長度，進而控制連續(xù)型機構的三維彎曲角度。

本實用新型的工作過程如下：在柔順狀態(tài)下，通過驅動電機控制鋼絲10的長度變化，使機構達到理想的位姿；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，使各關節(jié)2連接處的硅膠氣囊5膨脹，并推擠摩擦滑塊3與關節(jié)2鎖死，讓整個機構達到剛性狀態(tài)；之后對硅膠氣囊5放氣，利用橡皮繩4的彈性力使摩擦滑塊3與關節(jié)2脫離，解除鎖定，恢復機構的柔性。在氣壓鎖定過程中，硅膠氣囊5的膨脹力需要克服橡皮繩4彈性力。

本實施例中，機構的機體部分為3D打印件，材料為光敏樹脂，包括基座1，各關節(jié)2，摩擦滑塊3和端口8，各部分通過裝配成一體。所述硅膠氣囊5為粘彈性材料，通過液體硅膠澆注而成，其幾何外形為長圓柱形，端口8和圓形氣道7通過在澆注硅膠氣囊5時使用型芯制作而成，端口8與導氣管9利用密封膠進行密封。