本发明专利技术公开了一种多自由度灵活操作的柔性双关节机器人，包括柔性机器人模块、机电驱动模块、机械臂模块。柔性机器人模块包括机器人柔性双关节、关节接口、图像传感单元、多腔道柔性器械臂、器械臂安装接口。机电驱动模块包括近端关节驱动单元、远端关节驱动单元、直线驱动模组、定长中空驱动骨干、驱动丝、驱动模块支架、支架接口。机械臂模块包括机器人底盘、六自由度被动器械臂、驱动模块安装接口。机器人柔性双关节由近端关节、远端关节两部分组成。本发明专利技术具有小尺度要求下操作灵活性高、控制精准的特点，可以有效解决部分机器人工作领域的难题，如心脑血管介入手术的导管灵活操作等。如心脑血管介入手术的导管灵活操作等。如心脑血管介入手术的导管灵活操作等。
【技术实现步骤摘要】
一种多自由度灵活操作的柔性双关节机器人
[0001]本专利技术涉及自动化设备
，尤其涉及多自由度灵活操作的柔性双关节机器人。
技术介绍
[0002]随着机器人技术的不断发展与应用，在各个领域对机器人作业提出了更高的要求。传统刚性机器人主要通过电机驱动刚性连杆，整体体积较大自由度较少，难以实现柔顺控制，在部分应用领域存在某些局限性。随着材料技术、控制技术的不断发展，本质柔性、灵活性高以及可变形的柔性机器人对环境具有很好的适应性，其机构尺度易于小型化，可较好地弥补现有工业刚性机器人的不足，广泛的应用于医疗设备、航天、海洋工程等领域。特别是在医疗手术、航天等对机器人本体尺度与重量由较高要求的领域，细长柔顺的柔性机器人能够完成传统刚性机器人无法完成的操作。
[0003]在目前柔性机器人的研究与应用中，主柔性机构驱动包括同心管驱动、丝驱动、多骨干驱动。为实现小尺度设计，同心管驱动通过嵌套预弯曲弹性管相互运动和旋转实现机器人的整体变形，其构造简单、易于小型化，但在驱动时易发生分叉且较难实现多转向控制，使控制精度难以得到保证。丝驱动的方式驱动占用空间小，能够较好的在狭小环境中实现快速灵活控制；多骨干驱动中的驱动杆抗屈曲能力强，可以有效传递轴向力以及提高柔性体的结构刚度与负载能力。柔性体关节自由度则与驱动丝或驱动杆的组数成正比，多组驱动丝之间容易发生干涉与耦合，通过多组柔性杆串联驱动的方式也使得多骨干驱动的柔性体体积外径较大。
[0004]因此设计与研发满足小尺度下的高灵巧度精准操作的柔性机器人，对于促进柔性机器人行业的发展，特别是解决医疗手术、航天操作等领域的问题具有重要意义。
技术实现思路
[0005](一)要解决的技术问题
[0006]本专利技术的目的在于使柔性机器人实现小尺度下的高灵巧度精准操作的，提供了一种多自由度灵活操作的柔性双关节机器人，旨在解决现有的柔性机器人难以在小尺度下同时实现高自由度、快速和精准控制的性能要求，本专利技术通过对各种柔性机器人结构与驱动方式的优点进行组合进而改善柔性机器人性能。
[0007](二)技术方案
[0008]为了解决上述技术问题，本专利技术的技术解决措施如下：
[0009]一种多自由度灵活操作的柔性双关节机器人，包括柔性机器人模块、机电驱动模块、机械臂模块，具有尺度小、大变形弯曲、六自由度灵活操作、前后关节解耦控制的功能。
[0010]所述的柔性机器人模块包括机器人柔性双关节、关节接口、图像传感单元、多腔道柔性器械臂、器械臂安装接口。
[0011]所述机电驱动模块包括近端关节驱动单元、远端关节驱动单元、直线驱动模组、定
长中空驱动骨干、驱动丝、驱动模块支架、支架接口。
[0012]所述机械臂模块包括机器人底盘、六自由度被动器械臂、驱动模块安装接口。
[0013]所述机器人柔性双关节由近端关节、远端关节两部分组成。其中多腔道柔性器械臂与近端关节通过关节接口连接，近端关节与远端关节连接，图像传感单元的镜头则固定于远端关节末端。近端关节由若干根定长中空驱动骨干驱动，并以压缩弹簧与包覆在外侧的弹性软膜限制其弯曲时的圆弧形状。远端关节以拉伸弹簧为中心骨架由驱动丝控制，远端关节驱动丝由近端关节的定长中空驱动骨干的中空腔道穿过，从而避免了两段关节的驱动干扰。
[0014]所述机器人各组定长中空驱动骨干从其中心穿过的驱动丝分别从多腔道柔性器械臂穿过，以避免驱动柔性机器人时各定长中空驱动骨干的互相干扰与摩擦。
[0015]所述机器人柔性双关节的近端关节采用驱动结构一体的设计，若干根按照圆周布置的定长中空驱动骨干在作为弹性骨架的同时也作为近端关节的驱动骨干，压缩弹簧与包覆在外侧的弹性软膜主要提供固定与支撑作用。这里选择其中一个定长中空驱动骨干作为支撑骨架，该骨干在关节弯曲过程中保持长度固定，因此又叫做定长支撑骨架。另外两个弹簧驱动骨干被近端驱动单元推拉，从而其长度发生变化并使近端关节产生不同方向的两自由度弯曲。远端关节的驱动丝穿过定长中空驱动骨干中心通道后也均匀分布在弹簧支撑骨架外的圆周上，通过拉动驱动丝实现远端关节的两自由度弯曲。
[0016]所述近端关节驱动单元主要由骨干直线电机模组、和驱动骨固定件组成。骨干直线电机模组通过驱动直线推杆的进给以控制驱动骨干固定件。所述定长中空驱动骨干从其固定件中伸出，从而保障骨干在进入导管时不会弯曲。通过控制直线电机模组上滑块的位移，可以实现弹簧驱动骨干对近端关节的弯曲驱动。
[0017]所述远端关节驱动单元主要由驱动丝直线步进电机模组和驱动丝固定件组成。驱动丝直线步进电机模组固定于驱动骨干固定件，驱动丝从驱动丝固定件伸出，并进入同心的弹簧驱动骨干中心通道。通过控制伺服电机推杆的位移，可实现驱动丝对远端关节的弯曲驱动。所述定长中空驱动骨干的具体结构由一个细长的拉伸弹簧和一个镍钛合金丝组成。拉伸弹簧在受到轴向拉伸载荷的情况下会产生长度变化，对于驱动骨干而言这是需要被避免的。因此，这里将镍钛合金丝固定在弹簧两端以保障弹簧的定长。
[0018]所述六自由度被动器械臂固定在机器人臂底座上，包含旋转臂，下臂(L轴)、上臂、手腕旋转臂、手腕摆动臂和手腕回转臂，主要实现机器人接头在操作空间内的横向，纵向，垂向，俯仰，横滚，偏航的动作。
[0019](三)有益效果
[0020]本专利技术提供的一种多自由度灵活操作的柔性双关节机器人，它可以用于医疗机器人手术操作、航天器械臂操作、海洋勘探等领域，其具有小尺度要求下操作灵活性高、控制精准的特点，可以有效解决部分机器人工作领域的难题，如心脑血管介入手术的导管灵活操作等。
附图说明
[0021]图1一种多自由度灵活操作的柔性双关节机器人整体示意图。
[0022]图2为本专利技术实施例的机器人驱动模块详图。
[0023]图3为本专利技术实施例的机器人柔性双关节详图。
[0024]图4为本专利技术实施例的机器人机器人柔性双关节详图。
[0025]图5为本专利技术实施例的近端关节驱动单元详图。
[0026]图6为本专利技术实施例的远端关节驱动单元详图。
[0027]图7为本专利技术实施例的机器人多腔道柔性器械臂变形示意图。
[0028]图8为本专利技术实施例的定长中心驱动骨干安装(结构)示意图。
具体实施方式
[0029]下面结合附图和实施例对本专利技术的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不能用来限制本专利技术的范围。
[0030]在本专利技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；除非另有说明，“缺口状”的含义为除截面平齐外的形状。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种多自由度灵活操作的柔性双关节机器人，其特征在于，包括柔性机器人模块、机电驱动模块和机械臂模块；所述柔性机器人模块由机电驱动模块驱动，柔性机器人模块和机电驱动模块安装于机械臂模块上；所述柔性机器人模块包括机器人柔性双关节(1)、关节接口(2)、图像传感单元(3)、多腔道柔性器械臂(4)和器械臂安装接口(5)；所述机器人柔性双关节(1)的尾部安装于多腔道柔性器械臂(4)上，多腔道柔性器械臂(4)的底部设有器械臂安装接口(5)；所述机器人柔性双关节(1)为多关节结构，各个关节结构之间通过关节接口(2)连接，通过丝鞘驱动模式控制各个关节结构的弯曲运动，完成机器人柔性双关节(1)的操作；所述机器人柔性双关节(1)的端部设有图像传感单元(3)，由图像传感单元(3)对控制环境信息进行采集识别。2.根据权利要求1所述的一种多自由度灵活操作的柔性双关节机器人，其特征在于，机电驱动模块包括近端关节驱动单元(6)与远端关节驱动单元(7)；近端关节驱动单元(6)由直线电机模组、直线推杆、驱动骨干固定件依次连接组成；驱动骨干固定件安装于直线推杆上，在直线电机模组的驱动下后退或前进，进而驱动固定于驱动骨干固定件上的定长中空驱动骨干(9)；远端关节驱动单元(7)由驱动丝直线步进电机模组、驱动丝固定件组成；驱动丝固定件安装于驱动丝直线步进电机模组上，在驱动丝直线电机模组的驱动下后退或前进，进而驱动固定于驱动丝固定件上的驱动丝(10)；驱动丝固定件与驱动骨干固定件的固定孔同心，使驱动丝能够从驱动骨干固定件中间的通道穿过。3.根据权利要求1所述的一种多自由度灵活操作的柔性双关节机器人，其特征在于，近端关节驱动单元(6)安装体于驱动模块支架(11)上，远端关节驱动单元(7)安装于近端关节驱动单元(6)中的驱动骨干固定件上；定长中空驱动骨干(9)固连于驱动骨干固定件顶端的安装孔中，固定于近端关节驱动单元(6)上的定长中空驱动骨干(9)能够穿过多腔道柔性器械臂(4)，从定长中空驱动骨干(9)穿过的驱动丝(10)则固定于驱动丝固定件上；所述定长中空驱动骨干(9)由驱动丝(10)控制进给长度。4.根据权利要求1所述的一种多自由度灵活操作的柔性双关节机器人，其特征在于，所述机器人柔性双关节(1)由近端关节和远端关节两部分组成，近端关节由定长中空驱动骨干(9)控制，远端关节由驱动丝(10)控制；近端关节和远端关节的外侧均包覆压缩弹簧与弹性软膜；在近端关节或者远端关节弯曲时，位于关节处的定长中空驱动骨干(9)与驱动丝(10)同样发生弯曲，外侧包覆的压缩弹簧与弹性软膜限制驱动骨干与驱动丝的非拉伸方向的位移，使其弯曲时保持圆弧形状。5.根据权利要求1所述的一种多自由度灵活操作的柔性双关节机器人，其特征在于，定长中空驱动骨干(9)按照圆周分布并联固定于近端关节末端，定长中空驱动骨干(9)与近端驱动单元模块连接，通过被近端驱动单元模块牵引推拉实现对近端关节控制，定长中空驱动骨干(9)自...
【专利技术属性】
技术研发人员：王雪峰，王成龙，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：
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