一种连续体机器人的执行臂制造技术

本发明专利技术提出了一种连续体机器人的执行臂，包括依次设置的蛇头关节、多个蛇身关节和蛇尾关节，及通过驱动线绳控制各关节运动的执行臂驱动系统；各相邻两关节间通过相应的一个机械传动部件进行刚度调节，各机械传动部件依次传动，并通过传动控制部件与变刚度驱动部件连接；与蛇头关节连接的机械传动部件跟蛇头关节同步运动，其余的机械传动部件与该传动部件紧邻的蛇身关节或者蛇尾关节间存在相对运动；驱动部件的输出端通过与该输出端同步转动的传动控制部件与蛇尾关节处的机械传动部件进行控制；驱动部件通过传动控制部件调节各机械传动部件的刚度，进而改变相应关节的刚度。本发明专利技术执行臂的刚度调节十分方便，且实时响应效率快、调节精度高。

An executive arm of continuum robot

【技术实现步骤摘要】
一种连续体机器人的执行臂
本专利技术属于机器人
，尤其涉及一种连续体机器人的执行臂。
技术介绍
柔性连续体机器人具有自由度多、柔顺运动等特点，逐渐被应用于航空发动机及航天器检修、海洋探索、介入诊疗等领域。然而，这些场景往往不仅需要机器人具有可达性，探查内部情况；还需要机器人能在目标位置，以一定刚度维持某种姿态，以便于执行清除多余物、拧紧螺丝、采集样本、切除囊肿等操作。因此，需要机器人具备变刚度特性。目前对连续体机器人的执行臂进行变刚度的常见方法有采用热塑性聚合物材料硬化相变、形状记忆合金、磁流变和电流变、机械锁紧、颗粒变阻尼等。其中，热塑性聚合物材料硬化相变只有液体和固体两种状态，无法进行灵活的刚度调整；采用形状记忆合金的变刚度方法的变化存在非线性，通常变形温度较高，不适于医疗等特殊场景；磁流变和电流变方法传导难以掌控，控制电路复杂；颗粒变阻尼法存在滞后效应，难以精准控制；机械锁紧方法变刚度一般为锁紧与放松两种状态的转换，存在无法灵活控制刚度、装配复杂等问题。因此，亟需一种刚度控制简单且可实时调控的连续体机器人执行臂。
技术实现思路
为解决连续体机器人执行臂在实现变刚度时所用机械结构复杂、变刚度控制装置复杂、刚度无法实时调整等问题，本专利技术提出了一种连续体机器人的执行臂。该执行臂具有刚度可实时调控、模块化设计、控制精准简单、适应范围广等优点。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术提出的一种连续体机器人的执行臂，包括依次设置的蛇头关节、多个蛇身关节和蛇尾关节，以及通过驱动线绳控制各关节运动的执行臂驱动系统；其特征在于，还包括由传动控制部件、变刚度驱动部件和若干机械传动部件组成的变刚度装置；各相邻两关节间通过相应的机械传动部件进行刚度调节，各机械传动部件依次传动，并在蛇尾关节处与传动控制部件连接设置于蛇头关节与其相邻蛇身关节间的为第一机械传动部件，设置于相邻两蛇身关节间和设置于蛇身关节与蛇尾关节间的均为第二机械传动部件；第一机械传动部件与蛇头关节同步运动，第二机械传动部件与该第二传动部件紧邻的蛇身关节或者蛇尾关节间存在相对运动；所述变刚度驱动部件的输出端通过与该输出端同步运动的传动控制部件对蛇尾关节处的第二机械传动部件进行刚度控制，进而由各机械传动部件改变相应关节的刚度。进一步地，所述机械传动部件的传动方式包括齿轮啮合传动、绳传动、同步带和带轮配合传动以及蜗轮蜗杆传动。进一步地，所述变刚度驱动部件的控制方式包括：完全刚度控制：控制传动控制部件在变刚度驱动部件的控制下处于锁死状态，以此对抗各关节的转动，使所述执行臂处于极大工作状态：柔性控制：传动控制部件将各机械传动部件传动来的力反馈给变刚度驱动部件，通过变刚度驱动部件的伺服控制，使传动控制部件顺从各关节的转动，使所述执行臂处于柔性状态；以及处于完全刚性控制和柔性控制中间的刚度控制。本专利技术的特点及有益效果：本专利技术提供的一种连续体机器人的执行臂，可以从结构上和控制上解决执行臂中各关节实时变刚度的难题，且其简单方便的模块化设计，使得本专利技术尤其在连续体机器人领域中可以得到广泛应用。在结构上，本执行臂通过齿轮传动、同步带传动和蜗轮蜗杆传动等机械传动方式实现刚度调节，均不需要在执行臂的主体部分位置处配置电机、磁源、电源、热源、气腔等动力源，相较于其他现有变刚度方式原理的结构简单，减轻了连续体机器人执行装置的重量，增加了末端负载能力和整体的机器人刚性。在刚度控制上，伺服电机在关节尾部通过传动对执行结构上的变刚度装置进行控制。可以通过更改电机控制的PID控制算法等，实时更改刚柔程度、刚柔变化程度以及实现阻尼式控制和弹簧式控制等等，其实时响应效率快、调节精度高，且控制方法多样。此外，本专利技术的结构是模块化的，通用性强，不仅适用于二维、三维空间的连续体机器人，也可以适用于销轴式关节和滚动接触式等关节形式，使用者可以依据本专利技术，对不同的连续体关节进行模块化设计。附图说明图1是本专利技术连续体机器人的执行臂最小化系统的原理示意图。图2是本专利技术实施例2以齿轮传动的三维空间软体机器人执行臂的总体结构示意图。图3的(a)～(c)分别是本专利技术实施例2的执行臂中蛇身关节、柔性滚动单元CORE和传动齿轮组的结构示意图。图4的(a)和(b)分别是本专利技术实施例2的执行臂中蛇头关节、蛇尾关节及相应传动部件的结构示意图图5是本专利技术实施例3以带轮传动的三维空间软体机器人执行臂的总体结构示意图。图6是本专利技术实施例3的执行臂中带传动组和蛇身关节的结构示意图，其中，带传动组以爆破形式示出。具体实施方式为了使本领域的技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面将结合附图对本专利技术作进一步的详细介绍。参见图1(图1中的“……”表示省略的蛇身关节及机械传动部件)，本专利技术提出的一种连续体机器人的执行臂，包括依次设置的蛇头关节(即位于连续体机器人的执行臂驱动系统最远端的关节)401、多个蛇身关节402和蛇尾关节(即位于连续体机器人的执行臂驱动系统最近端的关节)403，以及通过驱动线绳控制各关节运动的执行臂驱动系统(所述驱动线绳及执行臂驱动系统在图1中均未示意出)；各相邻两关节间通过相应的一个机械传动部件(1，2)进行刚度调节，各机械传动部件依次传动，并通过传动控制部件3与变刚度驱动部件(该变刚度驱动部件在图1中未示意出)连接；其中，设置于蛇头关节401与其相邻蛇身关节间的为第一机械传动部件1，设置于相邻两蛇身关节402间和相邻蛇身关节和蛇尾关节间403的均为第二机械传动部件2，；第一机械传动部件1与蛇头关节401同步运动，第二机械传动部件2与该第二传动部件紧邻的蛇身关节402或者蛇尾关键403间存在相对运动。变刚度驱动部件的输出端通过与该输出端同步运动的传动控制部件3对蛇尾关节403处的第二机械传动部件2进行刚度控制，进而由各机械传动部件改变相应关节的刚度。本专利技术的执行臂可以用于二维平面内实现运动的传统销轴式连续体机器人(如图1所示，此时连续体机器人的各关节均为连杆)，还可用于三维空间内实现运动的连续体机器人，以及其他转动副，如滚动接触式转动副，软体气动转动副等，均在本专利技术的保护范围内。以下结合实施例及附图分别进行详细说明。实施例1参见图1，本专利技术实施例1为一种二维平面内的传统销轴式连续体机器人的执行臂，该执行臂的各关节均为连杆，各关节通过驱动线绳由执行臂驱动系统进行驱动，且各关节之间通过销轴副实现平面转动。本实施例执行臂内的机械传动部件1和2及传动控制部件3均为齿轮，通过相邻齿轮间的依次啮合实现关节间的传动。其中，第一机械传动部件1为与蛇头关节401端部固接(图1中“×”所示)的齿轮，第二机械传动部件2为与蛇身关节或者与蛇身相邻的蛇尾端部转动连接(图1中箭头所示)的齿轮，传动控制部件3为同时与刚度驱动部件(如伺服电机)的输出端和蛇尾关节的第二机械传动部件2连接的齿轮，且传动控制部件3随刚度驱动部件的输出端同步转动，但传动控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种连续体机器人的执行臂，包括依次设置的蛇头关节、多个蛇身关节和蛇尾关节，以及通过驱动线绳控制各关节运动的执行臂驱动系统；其特征在于，还包括由传动控制部件、变刚度驱动部件和若干机械传动部件组成的变刚度装置；各相邻两关节间通过相应的机械传动部件进行刚度调节，各机械传动部件依次传动，并在蛇尾关节处与传动控制部件连接设置于蛇头关节与其相邻蛇身关节间的为第一机械传动部件，设置于相邻两蛇身关节间和设置于蛇身关节与蛇尾关节间的均为第二机械传动部件；第一机械传动部件与蛇头关节同步运动，第二机械传动部件与该第二传动部件紧邻的蛇身关节或者蛇尾关节间存在相对运动；所述刚度驱动部件的输出端通过与该输出端同步运动的传动控制部件对蛇尾关节处的第二机械传动部件进行刚度控制，进而由各机械传动部件改变相应关节的刚度。/n

【技术特征摘要】
1.一种连续体机器人的执行臂，包括依次设置的蛇头关节、多个蛇身关节和蛇尾关节，以及通过驱动线绳控制各关节运动的执行臂驱动系统；其特征在于，还包括由传动控制部件、变刚度驱动部件和若干机械传动部件组成的变刚度装置；各相邻两关节间通过相应的机械传动部件进行刚度调节，各机械传动部件依次传动，并在蛇尾关节处与传动控制部件连接设置于蛇头关节与其相邻蛇身关节间的为第一机械传动部件，设置于相邻两蛇身关节间和设置于蛇身关节与蛇尾关节间的均为第二机械传动部件；第一机械传动部件与蛇头关节同步运动，第二机械传动部件与该第二传动部件紧邻的蛇身关节或者蛇尾关节间存在相对运动；所述刚度驱动部件的输出端通过与该输出端同步运动的传动控制部件对蛇尾关节处的第二机械传动部件进行刚度控制，进而由各机械传动部件改变相应关节的刚度。


2.根据权利要求1所述的执行臂，其特征在于，所述机械传动部件的传动方式包括齿轮啮合传动、绳传动、同步带和带轮配合传动以及蜗轮蜗杆传动。


3.根据权利要求1所述的执行臂，其特征在于，所述变刚度驱动部件的控制方式包括：
完全刚度控制：控制传动控制部件在变刚度驱动部件的控制下处于锁死状态，以此对抗各关节的转动，使所述执行臂处于极大工作状态：
柔性控制：传动控制部件将各机械传动部件传动来的力反馈给变刚度驱动部件，通过变刚度驱动部件的伺服控制，使传动控制部件顺从各关节的转动，使所述执行臂处于柔性状态；
以及处于完全刚性控制和柔性控制中间的刚度控制。


4.根据权利要求1或3所述的执行臂，其特征在于，各关节均为连杆，各关节之间通过转动副实现平面转动；各机械传动部件和传动控制部件均为齿轮，相邻的两齿轮相互啮合。


5.根据权利要求1或3所述的执行臂，其特征在于，
各关节，包括驱动线盘和固定于驱动线盘上的凸耳；相邻两关节的凸耳之间形成滚动接触面；驱动线盘具有内周面；在蛇头关节的驱动线盘与蛇身关节相背的一侧设有摄像头和操作臂等感知执行模块；
各机械传动部件，均为齿轮组，包括分别设置于相邻两关节驱动线盘的内周面中的第一面齿轮和第二面齿轮，以及位于第一面齿轮和第二面齿轮之间且相互啮合的至少一个变轴齿轮和若干定轴齿轮，变轴齿轮与定轴齿轮交替设置，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘磊，郭娜，孙富春，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11