一种基于柔顺Stewart并联机构的连续体机器人制造技术

一种基于柔顺Stewart并联机构的连续体机器人，包括作为主体结构的柔顺骨架和驱动系统。柔顺骨架由多个柔顺Stewart并联机构为基本组成单元串联而成，具有6个自由度，实现连续体机器人的各种动作和姿态。驱动系统用于驱动柔顺骨架发生特定形变，按照驱动系统作用段将整个连续体机器人分成若干段，每一段称为一个柔顺机构组，每个柔顺机构组包括若干个串联在一起的柔顺Stewart并联机构，每个柔顺机构组配置一套驱动系统。本发明专利技术连续体机器人灵活度更高；结构简单，柔顺骨架可以通过3D打印整体加工，便于一体化小型化；扭转外力最终被绳索拉力抵消，抗扭转性能强；柔顺支腿固连位置及薄片厚度和细长杆横截面积可以调节，有利于实现产品的标准化，系列化。系列化。系列化。

A continuum robot based on compliant Stewart Parallel Mechanism

【技术实现步骤摘要】
一种基于柔顺Stewart并联机构的连续体机器人


[0001]本专利技术属于柔顺机器人
，涉及一种基于柔顺Stewart并联机构的连续体机器人。

技术介绍

[0002]连续体机器人是借鉴自然界中具有柔顺灵巧特性的动物结构或运动原理进行设计与应用的一类新型仿生机器人，其结构与自然界中鱼、蛇等有脊椎动物结构或章鱼、蚯蚓、象鼻等无脊椎柔顺结构相似，自身结构可以在任意部位实现连续性变形，能够依靠连续性柔顺变形实现机器人的运动和对不规则物体的抓取，具有很好运动灵活性和避障能力，能够很好地适应常规机器人无法进入的非结构化狭小空间环境，可应用于灾后救援、微创手术、特殊设备检测等。
[0003]目前主流的连续体机器人构型主要有两种，一种是将一系列刚性零件通过虎克铰连接形成中间支撑脊柱，再在外围安装弹簧或穿过绳索和波纹管等驱动构件，这种构型零部件数量众多，装配复杂，难以小型化；另一种是将中间支撑脊柱替换成一长柔顺杆件，虽然相较于前一种零部件数量更少，但抗扭转性能很差。此外以上两种均采用虎克铰作为中间构件，而虎克铰只有两个转动自由度，导致机器人灵活度低。
[0004]柔顺机构由于没有刚性关节或刚性铰链，与传统刚性机构相比，柔顺机构具有如下优点：免于装配，可以整体化设计和加工，故便于微型化制造；无回程误差，无间隙和磨损，因此可以实现高精度运动；无摩擦，无噪声，寿命高；运动刚度可调，可用于能量存贮和转化。基于以上优点，柔顺机构是实现连续体机器人一体化，小型化的潜在解决方案。同时通过合理设计，能够在兼顾一体化的同时保持良好的抗扭转性能。
[0005]Stewart并联机构是一种6自由度并联机器人，有着灵活度高、结构紧凑、刚度大的优点，被广泛运用于高精度定位、运动模拟平台等。而柔顺Stewart并联机构可以结合柔顺机构和Stewart并联机构的优点，从而为提出新构型的连续体机器人提供参考。

技术实现思路

[0006]本申请公布一种基于柔顺Stewart并联机构的连续体机器人，能够克服现有机器人构型的主要缺点。
[0007]为了实现上述专利技术，本采用的技术方案如下：
[0008]一种基于柔顺Stewart并联机构的连续体机器人，所述的连续体机器人包括作为主体结构的柔顺骨架1和驱动系统。所述的柔顺骨架1由多个柔顺Stewart并联机构为基本组成单元串联而成，提供整个连续体机器人的轮廓和支撑，实现连续体机器人的各种动作和姿态。所述的驱动系统用于驱动柔顺骨架1发生特定形变，按照驱动系统作用段将整个连续体机器人分成若干段，每一段称为一个柔顺机构组，即每个柔顺机构组包括若干个串联在一起的柔顺Stewart并联机构，且每个柔顺机构组各配置一套驱动系统。
[0009]柔顺骨架介绍如下：
[0010]所述的每个柔顺Stewart并联机构由两端的连接盘和夹在两连接盘之间的6个柔顺支腿9组成。
[0011]所述的连接盘为圆形或多边形的刚性板状构件，每一个柔顺Stewart并联机构包括上连接盘10、下连接盘8，两连接盘形状及结构完全一致，只是位置不同。上下连接盘的柔顺支腿固连位置附近设置用于穿过绳索3的平台过绳孔11，上下连接盘的几何中心处设置骨架过绳孔103。
[0012]所述的每个柔顺支腿9的结构都相同，其两端各布置1个柔顺球铰，通过柔顺球铰与上下连接盘连接，两个柔顺球铰之间布置有多个柔顺滑移铰，受力能够发生变形。所述的柔顺球铰为多边形截面或圆形截面的细短杆901，其具有一定柔性，可以向任意方向弯曲从而具有球铰的自由度，每个柔顺支腿9两端的细短杆901结构完全一致且轴线重合。
[0013]所述的每个柔顺滑移铰为柔顺平行四边形结构，包括两个互相平行的刚性构件(多边形截面或圆形截面的柱状构件)和布置于刚性构件之间的两个互相平行的矩形柔性薄片904，两刚性构件互相平行布置且其中一个刚性构件的轴线方向和柔顺支腿上细短杆901轴线方向重合，两柔性薄片904平行布置且柔性薄片904的法线方向平行于刚性构件轴线方向，柔性薄片904的两条对边分别连接两刚性构件形成一个平行四边形，柔性薄片904可以发生弹性弯曲形变，使得其连接的两刚性构件互相在其平行方向上滑移，实现滑移副的自由度。所述两互相平行的刚性构件中轴线与细短杆901重合的称为滑块，另一个称为连接块。位于柔顺支腿两端的滑块为端部滑块907，细短杆901固连在端部滑块907上。柔顺支腿9包括多个柔顺滑移铰，柔顺滑移铰之间通过刚性构件连接。
[0014]所述柔顺支腿两端的端部滑块907上均设置有放置滑轮2的滑轮槽902以及用于安装滑轮轴5的滑轮轴孔906。
[0015]所述柔顺滑移铰的每个柔性薄片904上设置有支腿过绳孔903，每个柔顺支腿9上的支腿过绳孔按照其所在位置从下至上依次编号为：支腿过绳孔A9031，支腿过绳孔B9032，支腿过绳孔C9033，支腿过绳孔D9034，支腿过绳孔E9035，支腿过绳孔F9036，支腿过绳孔G9037，支腿过绳孔H9038。
[0016]每个柔顺支腿9中安装驱动组件后可被绳索3驱动伸缩，从而改变两个连接盘之间的相对的位置和姿态。
[0017]所述柔顺支腿9两端的柔顺球铰(细短杆901)分别固连在上连接盘10的下表面和下连接盘8的上表面上，每个连接盘的2面上各有6个固连点，其中上表面的固连点编号为固连点A12、固连点B13、固连点C14、固连点D15、固连点E16、固连点F17，下表面的固连点编号为固连点A`1201、固连点B`1301、固连点C`1401、固连点D`1501、固连点E`1601、固连点F`1701，上下连接盘的几何中心为点O。所有固连点到点O距离相等。对于上表面的固连点存在如下位置关系：∠AOB＝α，∠BOC＝β，∠COD＝α，∠DOE＝β，∠EOF＝α，∠FOA＝β，所述角度值满足：0＜α＜120
°
，0＜β＜120
°
，α+β＝120
°
。将上述上表面固连点A12、固连点B13、固连点C14、固连点D15、固连点E16、固连点F17位置顺时针旋转60
°
分别得到对应的下表面固连点A`1201、固连点B`1301、固连点C`1401、固连点D`1501、固连点E`1601、固连点F`1701。柔顺支腿9连接下连接盘8上表面的固连点和上连接盘10下表面的固连点。6个柔顺支腿9分别连接B
‑
A`、C
‑
B`、D
‑
C`、E
‑
D`、F
‑
E`、A
‑
F`。柔顺支腿9相对于机器人轴线方向有一定角度。
[0018]将上连接盘10作为另一个柔顺Stewart并联机构的下连接盘，再为此柔顺Stewart
并联机构重新设置一上连接盘，按照前述规则连接柔顺支腿后便得到将2个柔顺Stewart并联机构串联的柔顺机构组。按此方法串联多个柔顺Stewart并联机构后得到柔顺骨架1。
[0019]柔顺骨本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于柔顺Stewart并联机构的连续体机器人，其特征在于，所述的连续体机器人包括作为主体结构的柔顺骨架(1)和驱动系统；所述的柔顺骨架(1)由多个柔顺Stewart并联机构为基本组成单元串联而成，柔顺Stewart并联机构具有六个自由度，实现连续体机器人的各种动作和姿态；所述的驱动系统用于驱动柔顺骨架(1)发生特定形变，将整个连续体机器人分成若干段，每一段为一个柔顺机构组，每个柔顺机构组包括若干个按顺序串联的柔顺Stewart并联机构，且每个柔顺机构组各配置一套驱动系统；所述的柔顺骨架(1)具体结构如下：所述的每个柔顺Stewart并联机构由两端的连接盘和夹在两连接盘之间的六个柔顺支腿(9)组成；所述的连接盘为刚性板状构件，包括形状及结构完全一致的上连接盘(10)、下连接盘(8)；两个连接盘的柔顺支腿固连位置附近设置用于穿过绳索(3)的平台过绳孔(11)，两个连接盘的几何中心处设置骨架过绳孔(103)；所述的每个柔顺支腿(9)的结构相同，其两端各布置1个用于与连接盘连接的柔顺球铰，两个柔顺球铰之间布置多个受力能够发生变形的柔顺滑移铰；所述的柔顺球铰为细短杆(901)，可以向任意方向弯曲从而具有球铰的自由度，每个柔顺支腿(9)两端的细短杆(901)结构完全一致且轴线重合；每个柔顺支腿(9)中安装驱动组件后可被绳索(3)驱动伸缩，从而改变两个连接盘之间的相对的位置和姿态；所述的每个柔顺滑移铰为柔顺平行四边形结构，包括两个互相平行的刚性构件和布置于刚性构件之间的两个互相平行的矩形柔性薄片(904)，两刚性构件互相平行布置且其中一个刚性构件的轴线方向和柔顺支腿上细短杆(901)轴线方向重合，两柔性薄片(904)平行布置且柔性薄片(904)的法线方向平行于刚性构件轴线方向，柔性薄片(904)的两条对边分别连接两刚性构件形成平行四边形结构，柔性薄片(904)可以发生弹性弯曲形变，使得其连接的两刚性构件互相在其平行方向上滑移，实现滑移副的自由度；所述两互相平行的刚性构件中轴线与细短杆(901)重合的称为滑块，另一个称为连接块；位于柔顺支腿两端的滑块为端部滑块(907)，细短杆(901)固连在端部滑块(907)上；柔顺支腿(9)包括多个柔顺滑移铰，柔顺滑移铰之间通过刚性构件连接；所述柔顺支腿两端的端部滑块(907)上均设有用于放置滑轮(2)的滑轮槽(902)以及用于安装滑轮轴(5)的滑轮轴孔(906)；所述柔顺滑移铰的每个柔性薄片(904)上设置有支腿过绳孔903，每个柔顺支腿(9)上的支腿过绳孔按照其所在位置从下至上依次编号为：支腿过绳孔A(9031)，支腿过绳孔B(9032)，支腿过绳孔C(9033)，支腿过绳孔D(9034)，支腿过绳孔E(9035)，支腿过绳孔F(9036)，支腿过绳孔G(9037)，支腿过绳孔H(9038)；将上连接盘(10)作为另一个柔顺Stewart并联机构的下连接盘，再为此柔顺Stewart并联机构重新设置一上连接盘，连接柔顺支腿后得到将2个柔顺Stewart并联机构串联的柔顺机构组；按此方法串联多个柔顺Stewart并联机构后得到柔顺骨架(1)；柔顺骨架(1)中的每个柔顺Stewart并联机构空间上可以看成由一个柔顺Stewart并联机构平移而成，其中由同一柔顺支腿(9)平移得到的所有柔顺支腿空间上处于同一列，整个柔顺骨架(1)共有6列柔顺支腿(9)，按照驱动系统作用段将柔顺骨架(1)分成若干段后，每一个柔顺机构组均有6列柔顺支腿(9)；对于一个柔顺Stewart并联机构，通过六个柔顺支腿的伸缩可以控制一个连接盘相对于另一个沿x、y、z方向平动或绕x、y、z轴转动，以实现柔顺Stewart并联机构的六个自由度；
所述的驱动系统具体结构如下：所述的每套驱动系统包含六个电动绳索卷筒(6)，六根绳索(3)，以及若干滑轮(2)；所述的电动绳索卷筒(6)置于基座(7)上，作为动力源驱动绳索(3)收放；所述的基座(7)是整个连续体机器人安装的基础，其除了用于固定柔顺骨架(1)的部分外包括若干层，每一层布置六个电动绳索卷筒(6)，每一层的电动绳索卷筒(6)均匀呈圆周布置，上下层之间的电动绳索卷筒...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海洋，冷初阳，金楚涵，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：