CN103817704A - 一种套索驱动的柔顺末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种套索驱动的柔顺末端执行器，包括夹持器、第一连接板、第一弯曲关节、第二连接板、第二弯曲关节、传动连接板、回转关节、基座、第一驱动套管、夹持器驱动套管、转动心轴、驱动盘、第一驱动绳索、第二驱动套管、回转关节驱动绳索、传动变向销钉、第二驱动绳索、第三驱动绳索、第四驱动绳索；夹持器通过第一连接板与第一弯曲关节连接，第一弯曲关节通过第二连接板与第二弯曲关节连接，第二弯曲关节通过传动连接板与回转关节连接，回转关节连接在驱动盘上，驱动盘与转动心轴连接，转动心轴连接在基座的通孔中；夹持器驱动套管的一端连接在夹持器上，另一端位于基座外侧。该执行器面向不同的操作对象时，具有柔性自适应能力。

Description

一种套索驱动的柔顺末端执行器

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体来说，涉及一种套索驱动的柔顺末端执行器，主要适用于灾后废墟中的搜救以及大型设备的无损检测等。 

背景技术

近年来随着科学技术的不断发展，机器人已经广泛融入我们的日常生活中并且在某些领域还扮演着重要的角色。为了实现狭小空间的设备检测与维修，国内外相关学者开发研究了多种机器人结构用来适应环境和地形，例如日本法政大学的双臂并联搜救机器人、东京工业大学开发的Grow Hose 机器人等等，国内的中科院沈阳自动化研究所和上海交大都在这一领域进行了相关的研究，并取得了一定的成果。

由于搜救机器人的面向对象是被困人员，因此，机器人的操作装置应该能够保证救援行动的安全可靠，坚决避免给被救人员带来二次伤害，这就要求搜救机器人的末端执行器在实施操作的时候要具有顺应性、力反馈技术以及力和位移精密协调控制等技术。柔顺机构不像传统刚性机构那样靠运动副来实现全部运动和功能，而主要靠机构中的柔性构件的变形来实现运动的传递或功能的实现。在面向不同的操作对象时具有很好的柔性自适应能力，能够满足安全操作的要求。因此，需要在细长搜救机器人的头部安装一个柔顺执行器，并针对它进行精密控制具有重大意义。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种套索驱动的柔顺末端执行器，该执行器面向不同的操作对象时，具有柔性自适应能力，很好的满足了搜救检测机器人的需求，没有传统刚性机构的间隙、摩擦以及磨损的问题，

技术方案：为了解决上述的问题，本发明采用的技术方案是：

一种套索驱动的柔顺末端执行器，该末端执行器包括夹持器、第一连接板、第一弯曲关节、第二连接板、第二弯曲关节、传动连接板、回转关节、基座、第一驱动套管、夹持器驱动套管、转动心轴、驱动盘、第一驱动绳索、第二驱动套管、回转关节驱动绳索、传动变向销钉、第二驱动绳索、第三驱动绳索、第四驱动绳索；其中，夹持器通过第一连接板与第一弯曲关节的一端固定连接，第一弯曲关节的另一端通过第二连接板与第二弯曲关节的一端固定连接，第二弯曲关节的另一端通过传动连接板与回转关节的一端固定连接，回转关节的另一端固定连接在驱动盘上，驱动盘与转动心轴固定连接，转动心轴通过轴承连接在基座的通孔中；夹持器驱动套管的一端固定连接在夹持器上，夹持器驱动套管的另一端依次穿过第一连接板、第一弯曲关节、第二连接板、第二弯曲关节、传动连接板、回转关节、驱动盘和转动心轴，位于基座外侧；第一驱动绳索的一端和第二驱动绳索的一端分别固定连接在第二弯曲关节上，第一驱动绳索的另一端和第二驱动绳索的另一端分别穿过传动连接板、回转关节和基座，位于基座外侧；第三驱动绳索的一端和第四驱动绳索的一端分别固定连接在第一弯曲关节上，第三驱动绳索的另一端和第四驱动绳索的另一端分别穿过第二连接板、第二弯曲关节、传动连接板、回转关节和基座，位于基座外侧；第一驱动套管、第二驱动套管和传动变向销钉分别连接在基座上，回转关节驱动绳索的一端穿出第一驱动套管，另一端绕过传动变向销钉和驱动盘，从第二驱动套管中穿出。

进一步，所述的回转关节包括n个回转单元，n个回转单元呈一排依次布设，相邻两个回转单元相接触；n为大于等于2的整数。

进一步，所述的夹持器包括呈U形的外弹性片和呈V形内弹性片，内弹性片的开口端分别固定连接在外弹性片的两侧壁面上，外弹性片的底端和内弹性片的底端设有相互对应的通孔，且外弹性片的底端和内弹性片的底端之间有间隙；夹持器驱动套管的一端穿过外弹性片的底端通孔和内弹性片的底端通孔，固定连接在内弹性片上。

进一步，所述的第一弯曲关节包括呈空心的上环、呈空心的下环、第一半圆盘、第二半圆盘和第三半圆盘，上环和下环同轴布设，且上环位于下环上方；第一半圆盘、第二半圆盘和第三半圆盘从上向下依次布设在上环和下环之间，且第一半圆盘和上环固定连接，第三半圆盘和下环固定连接，第一半圆盘和第二半圆盘之间通过半圆环连接，第二半圆盘和第三半圆盘通过半圆环连接，第一半圆盘和第二半圆盘之间有间隙，第二半圆盘和第三半圆盘之间有间隙；在上环下方设有上柱体，在下环的上方设有下柱体，上柱体和下柱体相对，且上柱体和下柱体之间有间隙。

进一步，所述的第二弯曲关节和第一弯曲关节具有相同的结构，且第二弯曲关节和第一弯曲关节错位90°。

进一步，所述的第一半圆盘和第二半圆盘之间的间隙宽度沿着第一半圆盘的端部到中部逐渐增加；第二半圆盘和第三半圆盘之间的间隙宽度沿着第三半圆盘的端部到中部逐渐增加；上柱体和第一半圆盘的中部相对。

进一步，所述的半圆环为四个，两个半圆环分别连接第一半圆盘的端部和第二半圆盘的端部；其余两个半圆环分别连接第三半圆盘的端部和第二半圆盘的端部。

进一步，所述的回转单元包括空心圆盘体和回转体，空心圆盘体内设有m个带有缺口的限位环，回转体包括第一中空圆柱体和通过连接叶片与第一中空圆柱体连接的m个第二中空圆柱体，每个第二中空圆柱体位于一个限位环中，且连接叶片穿过限位环的缺口；m为大于2的整数。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：本发明的执行器面向不同的操作对象时，具有柔性自适应能力，很好的满足了搜救检测机器人的需求，没有传统刚性机构的间隙、摩擦以及磨损的问题。本发明的套索驱动的柔顺末端执行器的所有关节都是全柔顺机构。夹持器位于整个执行器的最前端，可以实现夹持和松开的动作。夹持器的内弹性片呈V型结构，当绳索的拉力传递到内弹性片时，夹持器就将拉力转变为自身的弹性势能，发生弹性变形，将钳口闭合；当撤去绳索上的拉力时，夹持器在弹性势能的驱动下会自动恢复原形。第一弯曲关节和第二弯曲关节采用C型结构，为了增加变形量，在弯曲关节中采用了双C型柔性铰链，即第一半圆盘端部和第二半圆盘端部之间用两个半圆环连接，第二半圆盘端部和第三半圆盘端部之间用两个半圆环连接。回转关节采用大圆弧设计，通过增大圆弧的长度和半径来实现空心圆盘体和回转体之间大的变形量。本发明的末端执行器具有良好的环境自适应能力，能够实现安全操作，减少对操作对象的误损伤。另外，相较于传统的刚性末端执行器，本技术方案零件数量少，大大减少了机构的重量以及加工和安装的时间和费用。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的局部结构示意图。

图3是本发明中的回转单元的结构示意图。

图4是本发明中的夹持器的正视图。

图5是本发明中的夹持器的立体图。

图6是本发明中的第一弯曲关节的立体图。

图7是本发明中的第一弯曲关节的正视图。

图中有：夹持器1、第一连接板2、第一弯曲关节3、第二连接板4、第二弯曲关节5、传动连接板6、回转单元7、回转关节驱动绳索8、传动变向销钉9、第二驱动绳索10、第三驱动绳索11、基座12、第一驱动套管13、夹持器驱动套管14、转动心轴15、驱动盘16、第一驱动绳索18、第二驱动套管19、外弹性片101、内弹性片102、上环301、下环302、第一半圆盘303、第二半圆盘304、第三半圆盘305、半圆环306、上柱体307、下柱体308、空心圆盘体701、回转体702、限位环703、第一中空圆柱体704、连接叶片705、第二中空圆柱体706。

具体实施方式

    下面结合附图，详细说明本发明的技术方案。

如图1和图2所示，一种套索驱动的柔顺末端执行器，包括夹持器1、第一连接板2、第一弯曲关节3、第二连接板4、第二弯曲关节5、传动连接板6、回转关节、基座12、第一驱动套管13、夹持器驱动套管14、转动心轴15、驱动盘16、连接销钉17、第一驱动绳索18、第二驱动套管19、回转关节驱动绳索8、传动变向销钉9、第二驱动绳索10、第三驱动绳索11、第四驱动绳索。夹持器1通过第一连接板2与第一弯曲关节3的一端固定连接，第一弯曲关节3的另一端通过第二连接板4与第二弯曲关节5的一端固定连接，第二弯曲关节5的另一端通过传动连接板6与回转关节的一端固定连接，回转关节的另一端固定连接在驱动盘16上。驱动盘16与转动心轴15固定连接。转动心轴15通过轴承连接在基座12的通孔中。夹持器驱动套管14的一端固定连接在夹持器1上，夹持器驱动套管14的另一端依次穿过第一连接板2、第一弯曲关节3、第二连接板4、第二弯曲关节5、传动连接板6、回转关节、驱动盘16和转动心轴15，位于基座12外侧。第一驱动绳索18的一端和第二驱动绳索10的一端分别固定连接在第二弯曲关节5上，第一驱动绳索18的另一端和第二驱动绳索10的另一端分别穿过传动连接板6、回转关节和基座12，位于基座12外侧。第三驱动绳索11的一端和第四驱动绳索的一端分别固定连接在第一弯曲关节3上，第三驱动绳索11的另一端和第四驱动绳索的另一端分别穿过第二连接板4、第二弯曲关节5、传动连接板6、回转关节和基座12，位于基座12外侧。作为优选，第一驱动绳索18和第二驱动绳索10相对设置，第三驱动绳索11和第四驱动绳索相对设置。第一驱动套管13、第二驱动套管19和传动变向销钉9分别连接在基座12上。回转关节驱动绳索8的一端穿出第一驱动套管13，另一端绕过传动变向销钉9和驱动盘16，从第二驱动套管19中穿出。

进一步，如图1所示，所述的回转关节包括n个回转单元7，n个回转单元7呈一排依次布设，相邻两个回转单元7相连接；n为大于等于2的整数。回转单元之间通过连接销钉17实现连接。相邻两个回转单元7之间分别通过内圈和外圈的连接销钉17实现互连。如图3所示，所述的回转单元7包括空心圆盘体701和回转体702，空心圆盘体701内设有m个带有缺口的限位环703，回转体702包括第一中空圆柱体704和通过连接叶片705与第一中空圆柱体704连接的m个第二中空圆柱体706，每个第二中空圆柱体706位于一个限位环703中，且连接叶片705穿过限位环703的缺口；m为大于2的整数。回转体702可以旋转，其旋转角度受到限位环703缺口的限制。作为优选，m为3。设置3个限位环703，可利用三角形稳定性原理，使得结构更加稳定。

进一步，所述的n为5。设置5片回转单元目的是增加回转角度，每一片回转单元最大回转在10°左右，利用5片串联可以实现较大的回转角度，即正负45°。实现方法就是：利用连接销钉17将5片回转单元依次串联连接。

进一步，如图4和图5所示，所述的夹持器1包括呈U形的外弹性片101和呈V形内弹性片102，内弹性片102的开口端分别固定连接在外弹性片101的两侧壁面上，外弹性片101的底端和内弹性片102的底端设有相互对应的通孔，且外弹性片101的底端和内弹性片102的底端之间有间隙；夹持器驱动套管14的一端穿过外弹性片101的底端通孔和内弹性片102的底端通孔，固定连接在内弹性片102上。夹持器驱动套管14的移动，可以带动内弹性片102开口端的张合，进而带动外弹性片101的张合，实现夹持器1的夹持功能。

进一步，如图6和图7所示，所述的第一弯曲关节3包括呈空心的上环301、呈空心的下环302、第一半圆盘303、第二半圆盘304和第三半圆盘305，上环301和下环302同轴布设，且上环301位于下环302上方；第一半圆盘303、第二半圆盘304和第三半圆盘305从上向下依次布设在上环301和下环302之间，且第一半圆盘303和上环301固定连接，第三半圆盘305和下环302固定连接，第一半圆盘303和第二半圆盘304之间通过半圆环306连接，第二半圆盘304和第三半圆盘305通过半圆环306连接，第一半圆盘303和第二半圆盘304之间有间隙，第二半圆盘304和第三半圆盘305之间有间隙；在上环301下方设有上柱体307，在下环302的上方设有下柱体308，上柱体307和下柱体308相对，且上柱体307和下柱体308之间有间隙。这样，第一弯曲关节3发生弯曲变形时，一侧受到上柱体307和下柱体308的限位，即最大弯曲距离为上柱体307和下柱体308之间的空隙距离；另一侧受到第一半圆盘303、第二半圆盘304和第三半圆盘305的限位，即最大弯曲距离为第一半圆盘303与第二半圆盘304之间的间隙距离和第二半圆盘304与第三半圆盘305之间的间隙距离之和。第一弯曲关节3整体采用C型结构，为了增加变形量，在第一弯曲关节3中采用了双C型柔性铰链（即半圆环306），大大增加了弯曲范围，同时添加了上柱体307和下柱体308，可以保证关节在弯曲过程中由于力过大引起的永久性损害。

进一步，所述的第二弯曲关节5和第一弯曲关节3具有相同的结构，且第二弯曲关节5和第一弯曲关节3错位90°。第二弯曲关节5和第一弯曲关节3没有对齐设置。第二弯曲关节5和第一弯曲关节3的位置错位90°，可以实现空间任意方向的弯曲，即实现三维弯曲。该弯曲机构利用两个相互垂直的单轴弯曲进行叠加，就是两个弯曲的合成，可以实现空间任意方向的弯曲。

进一步，所述的第一半圆盘303和第二半圆盘304之间的间隙宽度沿着第一半圆盘303的端部到中部逐渐增加；第二半圆盘304和第三半圆盘305之间的间隙宽度沿着第三半圆盘305的端部到中部逐渐增加；上柱体307和第一半圆盘303的中部相对。这样在受力时，第一半圆盘303和第二半圆盘304发生弯曲变形，两者之间有足够的间隙，来避免第一半圆盘303和第二半圆盘304变形时受到干涉。同样，第二半圆盘304和第三半圆盘305发生弯曲变形，两者之间有足够的间隙，来避免第二半圆盘304和第三半圆盘305变形时受到干涉。

进一步，所述的半圆环306为四个，两个半圆环306分别连接第一半圆盘303的端部和第二半圆盘304的端部；其余两个半圆环306分别连接第三半圆盘305的端部和第二半圆盘304的端部。这样有利于第一半圆盘303和第二半圆盘304之间，以及第三半圆盘305和第二半圆盘304之间连接的稳定性，且具有良好的弯曲弹性。

在上述结构的末端执行器中，所述的第一连接板2的纵截面为半圆形。第一连接板2呈半圆形是为了在其顶部开螺纹孔，安装紧定螺钉，从而将夹持器1压紧在第一连接板2上。夹持器1通过其尾部的矩形块固定在第一连接板2的中心孔中，在中心孔的侧边上有紧定螺钉，实现夹持器1的紧定安装。

本发明的套索驱动的柔顺末端执行器的所有关节都是全柔顺机构。夹持器1位于整个执行器的最前端，可以实现夹持和松开的动作。夹持器1的内弹性片102呈V型结构，内弹性片102和外弹性片101底部中心均有通孔用来安装套管和绳索，当绳索的拉力传递到内弹性片102时，夹持器1就将拉力转变为自身的弹性势能，发生弹性变形，将钳口闭合；当撤去绳索上的拉力时，夹持器1在弹性势能的驱动下会自动恢复原形。

第一弯曲关节3和第二弯曲关节5采用C型结构，为了增加变形量，在弯曲关节中采用了双C型柔性铰链（即第一半圆盘303端部和第二半圆盘304端部之间用两个半圆环306连接，第二半圆盘304端部和第三半圆盘305端部之间用两个半圆环306连接）。

回转关节采用大圆弧设计，通过增大圆弧的长度和半径来实现内圈和外圈（外圈对应的是空心圆盘体701，内圈对应的是回转体702）之间大的变形量。

回转关节驱动绳索9带动驱动圆盘16进行双向旋转，传动变向销钉21实现了将水平方向的拉力变成了竖直方向的拉力，夹持器驱动套管14内部的绳索通过拉力的传递实现夹持器1的夹紧和松开，第一驱动绳索18、第二驱动绳索10、第三驱动绳索11和第四驱动绳索各自通过在绳索驱动端施加拉力而实现第一弯曲关节3和第二弯曲关节5的弯曲和复位。回转关节运动方式是，将回转关节套在驱动盘16上，当在回转单元7外圈上均布的孔中施加扭矩时，回转单元7的空心圆盘体701和回转体702之间就会发生相对的扭转，实现回转运动。由于一个回转单元7的回转角度有限，当需要较大回转角度时，需要将多片回转单元7相串联。串联的方式就是将两片回转单元7的空心圆盘体701或回转体702上的孔用定位销钉连接起来。相邻的回转单元7的空心圆盘体701和回转体702间隔开来连接。

本发明的创新之处是利用柔顺机构学知识和原理设计弹性元件，各个关节模块通过柔顺铰链技术进行结构方案选型与设计。该末端执行器设计紧凑，采用柔顺结构避免了刚性运动副的摩擦及安装误差，主要适用于灾后废墟中的搜救以及大型设备的无损检测等。

Claims (10)

1.一种套索驱动的柔顺末端执行器，其特征在于，该末端执行器包括夹持器（1）、第一连接板（2）、第一弯曲关节（3）、第二连接板（4）、第二弯曲关节（5）、传动连接板（6）、回转关节、基座（12）、第一驱动套管（13）、夹持器驱动套管（14）、转动心轴（15）、驱动盘（16）、第一驱动绳索（18）、第二驱动套管（19）、回转关节驱动绳索（8）、传动变向销钉（9）、第二驱动绳索（10）、第三驱动绳索（11）、第四驱动绳索；其中，

夹持器（1）通过第一连接板（2）与第一弯曲关节（3）的一端固定连接，第一弯曲关节（3）的另一端通过第二连接板（4）与第二弯曲关节（5）的一端固定连接，第二弯曲关节（5）的另一端通过传动连接板（6）与回转关节的一端固定连接，回转关节的另一端固定连接在驱动盘（16）上，驱动盘（16）与转动心轴（15）固定连接，转动心轴（15）通过轴承连接在基座（12）的通孔中；夹持器驱动套管（14）的一端固定连接在夹持器（1）上，夹持器驱动套管（14）的另一端依次穿过第一连接板（2）、第一弯曲关节（3）、第二连接板（4）、第二弯曲关节（5）、传动连接板（6）、回转关节、驱动盘（16）和转动心轴（15），位于基座（12）外侧；第一驱动绳索（18）的一端和第二驱动绳索（10）的一端分别固定连接在第二弯曲关节（5）上，第一驱动绳索（18）的另一端和第二驱动绳索（10）的另一端分别穿过传动连接板（6）、回转关节和基座（12），位于基座（12）外侧；第三驱动绳索（11）的一端和第四驱动绳索的一端分别固定连接在第一弯曲关节（3）上，第三驱动绳索（11）的另一端和第四驱动绳索的另一端分别穿过第二连接板（4）、第二弯曲关节（5）、传动连接板（6）、回转关节和基座（12），位于基座（12）外侧；第一驱动套管（13）、第二驱动套管（19）和传动变向销钉（9）分别连接在基座（12）上，回转关节驱动绳索（8）的一端穿出第一驱动套管（13），另一端绕过传动变向销钉（9）和驱动盘（16），从第二驱动套管（19）中穿出。

2.按照权利要求1所述的套索驱动的柔顺末端执行器，其特征在于，所述的回转关节包括n个回转单元（7），n个回转单元（7）呈一排依次布设，相邻两个回转单元（7）相接触；n为大于等于2的整数。

3.按照权利要求1所述的套索驱动的柔顺末端执行器，其特征在于，所述的n为5。

4.按照权利要求1所述的套索驱动的柔顺末端执行器，其特征在于，所述的夹持器（1）包括呈U形的外弹性片（101）和呈V形内弹性片（102），内弹性片（102）的开口端分别固定连接在外弹性片（101）的两侧壁面上，外弹性片（101）的底端和内弹性片（102）的底端设有相互对应的通孔，且外弹性片（101）的底端和内弹性片（102）的底端之间有间隙；夹持器驱动套管（14）的一端穿过外弹性片（101）的底端通孔和内弹性片（102）的底端通孔，固定连接在内弹性片（102）上。

5.按照权利要求1所述的套索驱动的柔顺末端执行器，其特征在于，所述的第一弯曲关节（3）包括呈空心的上环（301）、呈空心的下环（302）、第一半圆盘（303）、第二半圆盘（304）和第三半圆盘（305），上环（301）和下环（302）同轴布设，且上环（301）位于下环（302）上方；第一半圆盘（303）、第二半圆盘（304）和第三半圆盘（305）从上向下依次布设在上环（301）和下环（302）之间，且第一半圆盘（303）和上环（301）固定连接，第三半圆盘（305）和下环（302）固定连接，第一半圆盘（303）和第二半圆盘（304）之间通过半圆环（306）连接，第二半圆盘（304）和第三半圆盘（305）通过半圆环（306）连接，第一半圆盘（303）和第二半圆盘（304）之间有间隙，第二半圆盘（304）和第三半圆盘（305）之间有间隙；在上环（301）下方设有上柱体（307），在下环（302）的上方设有下柱体（308），上柱体（307）和下柱体（308）相对，且上柱体（307）和下柱体（308）之间有间隙。

6.按照权利要求5所述的套索驱动的柔顺末端执行器，其特征在于，所述的第二弯曲关节（5）和第一弯曲关节（3）具有相同的结构，且第二弯曲关节（5）和第一弯曲关节（3）错位90°。

7.按照权利要求5所述的套索驱动的柔顺末端执行器，其特征在于，所述的第一半圆盘（303）和第二半圆盘（304）之间的间隙宽度沿着第一半圆盘（303）的端部到中部逐渐增加；第二半圆盘（304）和第三半圆盘（305）之间的间隙宽度沿着第三半圆盘（305）的端部到中部逐渐增加；上柱体（307）和第一半圆盘（303）的中部相对。

8.按照权利要求5所述的套索驱动的柔顺末端执行器，其特征在于，所述的半圆环（306）为四个，两个半圆环（306）分别连接第一半圆盘（303）的端部和第二半圆盘（304）的端部；其余两个半圆环（306）分别连接第三半圆盘（305）的端部和第二半圆盘（304）的端部。

9.按照权利要求2所述的套索驱动的柔顺末端执行器，其特征在于，所述的回转单元（7）包括空心圆盘体（701）和回转体（702），空心圆盘体（701）内设有m个带有缺口的限位环（703），回转体（702）包括第一中空圆柱体（704）和通过连接叶片（705）与第一中空圆柱体（704）连接的m个第二中空圆柱体（706），每个第二中空圆柱体（706）位于一个限位环（703）中，且连接叶片（705）穿过限位环（703）的缺口；m为大于2的整数。

10.按照权利要求9所述的套索驱动的柔顺末端执行器，其特征在于，所述的m为3。

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