CN104440944B - 一种具有脊柱结构原理的超灵巧机械臂 - Google Patents

Abstract

一种具有脊柱结构原理的超灵巧机械臂，为解决现有超灵巧机械臂存在承受外部载荷能力差、外部载荷作用下稳定性差和运动行为复杂的问题。数个椎骨和数个闭合缓冲件依次相间安装在弹性骨架上，每个约束片的一侧设有半圆凹槽，每个约束片的另一侧为直边，两个约束片左右扣合设置，两个弧形垫片对称设置在约束环的上、下端，且两个弧形垫片与约束片固定连接在一起，两个弧形垫片与约束环形成的闭合腔体内填充有弹性核，滑轮组上的每个滑轮上缠绕一根腱绳，滑轮组上的数个滑轮直径由减速器一端至外端依次递减，两个肌肉群式驱动机构对称设置在脊柱式结构本体两侧的下端，腱绳的另一端连接在椎骨上。本发明用于受限空间或危险环境中执行操作的机器人。

Description

一种具有脊柱结构原理的超灵巧机械臂

技术领域

本发明涉及一种机械臂，具体涉及一种具有脊柱结构原理的超灵巧机械臂。

背景技术

超灵巧机械臂(Hyper-DexterousManipulator，HDM)是一种在复杂的或者非结构环境中面对各种未知任务能够像蛇、象鼻或者章鱼触手等一样具有惊人的运动、操作和灵巧性能的机器人。由于其固有的超灵巧特性，超灵巧机械臂在受限空间或狭小空间面对未知任务的运动和操作能力远高于传统的关节式机械臂，在空间操控、工业及医疗等领域中都具有重要的应用价值及潜在价值，体现了机器人技术的进步方向。

在医疗领域，超灵巧机械臂在介入操作过程中最大限度地利用了机械臂与生物组织的柔性及其相互间的被动顺应运动，从而摆脱了对运动学精确计算及主动控制的依赖，其机构和结构设计更多关注于微创、无创等功能要求。而对于空间操控和工业领域的应用，其运动的主动控制能力和控制精度却是一个基本的功能要求。这就引出了超灵巧机械臂在空间操控和工业应用中的一个最重要特征就是其末端作业载荷通常远高于医疗领域。现有超灵巧机械臂的结构以连续体形式为主，这种结构往往具有较低的刚度，这导致其承受外部载荷的能力差以及外部载荷作用下的稳定性差，并且外部作业载荷的增大可能引发机器人复杂的运动行为，严重影响其可控操作性能。从技术角度来看，因为任务和环境的不同，根本无法通过对医疗领域超灵巧机械臂的功能移植或功能复制来应对空间操控和工业领域的需求。

发明内容

本发明为了解决现有超灵巧机械臂存在承受外部载荷能力差、外部载荷作用下稳定性差和运动行为复杂的问题，从而提出了一种具有脊柱结构原理的超灵巧机械臂。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

本发明的一种具有脊柱结构原理的超灵巧机械臂包括脊柱式结构本体和两个肌肉群式驱动机构，所述脊柱式结构本体包括弹性骨架、数个椎骨和数个闭合缓冲件，数个椎骨和数个闭合缓冲件依次相间安装在弹性骨架上，并且椎骨的数目比闭合缓冲件的数目多一个，所述闭合缓冲件包括约束环、弹性核和两个弧形垫片，约束环由两个约束片组成，每个约束片的一侧设有半圆凹槽，每个约束片的另一侧为直边，两个约束片左右扣合设置，两个弧形垫片对称设置在约束环的上、下端，且两个弧形垫片与约束片固定连接在一起，两个弧形垫片与约束环形成的闭合腔体内填充有弹性核，每个肌肉群式驱动机构包括电机、减速器、滑轮组和数根腱绳，电机的输出轴通过减速器与滑轮组相连接，滑轮组上的每个滑轮上缠绕一根腱绳，滑轮组上的数个滑轮直径由减速器一端至外端依次递减，两个肌肉群式驱动机构对称设置在脊柱式结构本体两侧的下端，且腱绳的另一端连接在椎骨上，大直径滑轮上的腱绳至小直径滑轮上的腱绳依次对应上方的至下方的椎骨。

本发明的具有一下有益效果：

一、本发明通过肌肉群式驱动机构驱动滑轮组，进而带动腱绳作用于椎骨，实现超灵巧机械臂的弯曲/伸展运动。本发明将脊柱的结构原理应用于超灵巧机械臂的设计，具有轻质、灵巧、柔顺、结构简单、承受外部载荷的能力强和稳定性好等优点，解决了超灵巧机械臂承受外部载荷能力差、外部载荷作用下稳定性差和运动行为复杂的问题。本发明有效地提高超灵巧机械臂承受外部载荷的能力和外部载荷作用下的稳定性，并且保证了机械臂运动过程的变形为常曲率，有效避免了机械臂当外部载荷增大时的复杂运动行为。

二、本发明基于模块化设计思想，闭合缓冲系统和椎骨分别都是模块化设计，模块之间可以互换，方便拆装和维护，节约了成本；本发明采用肌肉群式的驱动机构，通过腱绳实现机器人的弯曲/伸展运动，结构简单，效率高，便于维护，提高了超灵巧机械臂负载能力和负载的稳定性，简化了超灵巧机械臂的运动学计算。

附图说明

图1为具有脊柱结构原理的超灵巧机械臂的整体结构示意图；

图2为闭合缓冲件3的结构示意图；

图3为约束环3-1的结构示意图；

图4为脊柱式结构本体A伸直状态的示意图；

图5为脊柱式结构本体A弯曲状态的示意图；

图6为单个滑轮的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图3具体说明本实施方式，本实施方式包括脊柱式结构本体A和两个肌肉群式驱动机构，脊柱式结构本体A包括弹性骨架2、数个椎骨1和数个闭合缓冲件3，数个椎骨1和数个闭合缓冲件3依次相间安装在弹性骨架2上，并且椎骨1的数目比闭合缓冲件3的数目多一个，这样设计可以保证脊柱式结构本体A的两端均为椎骨1，相邻的两个椎骨1之间通过约束环3-1连接在一起，闭合缓冲件3包括约束环3-1、弹性核3-2和两个弧形垫片3-3，约束环3-1由两个约束片3-1-1组成，每个约束片3-1-1的一侧设有半圆凹槽3-1-1-1，每个约束片3-1-1的另一侧为直边3-1-1-2，两个约束片3-1-1左右扣合设置，两个弧形垫片3-3对称设置在约束环3-1的上、下端，且两个弧形垫片3-3与约束片3-1-1固定连接在一起，两个弧形垫片3-3与约束环3-1形成的闭合腔体内填充有弹性核3-2，闭合缓冲件3具有缓冲、负载和运动轴点的功能；每个肌肉群式驱动机构B包括电机5、减速器6、滑轮组7和数根腱绳4，电机5的输出轴通过减速器6与滑轮组7相连接，滑轮组7上的每个滑轮上缠绕一根腱绳4，滑轮组7上的数个滑轮直径由减速器6一端至外端依次递减，两个肌肉群式驱动机构对称设置在脊柱式结构本体两侧的下端，且腱绳4的另一端连接在椎骨1上，大直径滑轮上的腱绳4至小直径滑轮上的腱绳4依次对应上方的至下方的椎骨1。

具体实施方式二：结合图4和图5具体说明本实施方式，本实施方式的每根腱绳4的长度改变量△x为

$\mathrm{\Δ}x=\left|x-x^{\′}\right|=\frac{r}{\mathrm{\ρ}}x$

$x^{\′}=\frac{x}{\mathrm{\ρ}}(\mathrm{\ρ}-r)$

其中，r为脊柱式结构本体A的半径，x为脊柱式结构本体A伸直状态下腱绳4与椎骨1连接点M到基平面O-O的距离，ρ为脊柱式结构本体A变形后的曲率半径，x′为脊柱式结构本体A变形后腱绳4与椎骨1连接点M沿着脊柱式结构本体A表面到基平面O-O的弧长，长度改变量△x为该腱绳4在脊柱式结构本体A变形前长度与脊柱式结构本体A变形后长度的差值。脊柱式结构本体A的变形为常曲率变形，变形过程中脊柱式结构本体A的轴线长度不发生变化，为中性轴。根据上式，脊柱式结构本体A的运动可以通过驱动一组具有一定半径比的滑轮组7来实现。本实施方式可以将脊柱式结构本体A承受载荷的长度从脊柱式结构本体A的臂长减小到闭合缓冲件3的高度，有效提高了外部载荷作用下的稳定性，并且保证了机械臂运动过程的变形为常曲率，有效避免了机械臂当外部载荷增大时的复杂运动行为。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图4和图5具体说明本实施方式，本实施方式的各个腱绳4的长度改变量△x分别正比于伸直状态下距离x和脊柱式结构本体A的半径r。即x和r大时，该腱绳4的长度改变量△x也大，x和r小时，该腱绳4的长度改变量△x也小。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图4和图5具体说明本实施方式，本实施方式的各个腱绳4的长度改变量△x分别反比于机械臂变形后的曲率半径ρ。即ρ大时，该腱绳4的长度改变量△x小，ρ小时，该腱绳4的长度改变量△x大。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图4和图6具体说明本实施方式，本实施方式的滑轮组7上的各个滑轮的半径r′分别正比于其对应的伸直状态下距离x，即x大时，该腱绳4所在的滑轮的半径r′也大，x小时，该腱绳4所在的滑轮的半径r′也小。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式的椎骨1采用金属材料，如铝合金、钛合金或者高强度合金钢等。由于上述材料强度和硬度较高。椎骨1起到支撑和受力的作用，应采用强度和硬度较高的金属材料。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式的弹性骨架2采用镍钛合金或橡胶。由于弹性骨架2相当于脊柱结构中的长韧带，应具有良好的弹性和韧性，以维持着超灵巧机械臂的整体稳定性，镍钛合金或橡胶均具有良好的弹性和韧性。其它组成及连接关系与具体实施方式五或六相同。

具体实施方式八：结合图2具体说明本实施方式，本实施方式的弹性核3-2采用硅胶、橡胶、水凝胶或金属橡胶。由于弹性核3-2相当于脊柱结构中的髓核，应具有良好的粘弹性和可塑性，弹性核3-2在承受外力时，可以将力均匀地传递到周围的约束环3-1，弹性核3-2具有平衡应力的作用，当弹性核3-2突然受到外力时，可以通过改变形态将应力传送到约束环3-1的各部分，再经过约束环3-1的张应力将其分散，弹性核3-2应具有吸收和传递外力振荡的作用，因此，弹性核3-2采用硅胶、橡胶、水凝胶类物质或者金属橡胶等。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图2具体说明本实施方式，本实施方式的约束片3-1-1采用蜘蛛丝、尼龙材料或蚕丝。由于约束片3-1-1相当于脊柱结构中的纤维环和椎间韧带，应采用弹性和抗断裂能力高的材料。约束环3-1相当于脊柱结构中的纤维环和椎间韧带，一方面具有限制超灵巧机械臂过度运动的功能，另一方面可以吸收来自弹性核3-2的震荡，弹性核3-2在受压情况下，形态可轻度变扁，并将所受的压力均匀地分布于约束环3-1各部分，使约束环3-1延长，当整个超灵巧机械臂的约束环3-1均发生此改变时，脊柱式结构本体A所受的压力即被约束环3-1吸收，因此，约束片3-1-1应采用蜘蛛丝、尼龙类材料或者蚕丝等。其它组成及连接关系与具体实施方式五、六或八相同。

具体实施方式十：结合图3具体说明本实施方式，本实施方式的弧形垫片3-3采用镍钛合金或工程塑料。由于弧形垫片3-3相当于脊柱结构中的软骨终板，应具有缓冲髓核传递来的高负荷压力，应采用弹性和硬度介于椎骨1和弹性核3-2材料之间的材料。其它组成及连接关系与具体实施方式九相同。

Claims (10)

1.一种具有脊柱结构原理的超灵巧机械臂，其特征在于：所述机械臂包括脊柱式结构本体(A)和两个肌肉群式驱动机构，所述脊柱式结构本体(A)包括弹性骨架(2)、数个椎骨(1)和数个闭合缓冲件(3)，数个椎骨(1)和数个闭合缓冲件(3)依次相间安装在弹性骨架(2)上，并且椎骨(1)的数目比闭合缓冲件(3)的数目多一个，所述闭合缓冲件(3)包括约束环(3-1)、弹性核(3-2)和两个弧形垫片(3-3)，约束环(3-1)由两个约束片(3-1-1)组成，每个约束片(3-1-1)的一侧设有半圆凹槽(3-1-1-1)，每个约束片(3-1-1)的另一侧为直边(3-1-1-2)，两个约束片(3-1-1)左右扣合设置，两个弧形垫片(3-3)对称设置在约束环(3-1)的上、下端，且两个弧形垫片(3-3)与约束片(3-1-1)固定连接在一起，两个弧形垫片(3-3)与约束环(3-1)形成的闭合腔体内填充有弹性核(3-2)，每个肌肉群式驱动机构(B)包括电机(5)、减速器(6)、滑轮组(7)和数根腱绳(4)，电机(5)的输出轴通过减速器(6)与滑轮组(7)相连接，滑轮组(7)上的每个滑轮上缠绕一根腱绳(4)，滑轮组(7)上的数个滑轮直径由减速器(6)一端至外端依次递减，两个肌肉群式驱动机构对称设置在脊柱式结构本体两侧的下端，且腱绳(4)的另一端连接在椎骨(1)上，大直径滑轮上的腱绳(4)至小直径滑轮上的腱绳(4)依次对应上方的至下方的椎骨(1)。

2.根据权利要求1所述的一种具有脊柱结构原理的超灵巧机械臂，其特征在于：每根腱绳(4)的长度改变量△x为

$\mathrm{\Δ}x=|x-x^{\′}|=\frac{r}{\mathrm{\ρ}}x$

$x^{\′}=\frac{x}{\mathrm{\ρ}}(\mathrm{\ρ}-r)$

其中，r为脊柱式结构本体(A)的半径，x为脊柱式结构本体(A)伸直状态下腱绳(4)与椎骨(1)连接点(M)到基平面(O-O)的距离，ρ为脊柱式结构本体(A)变形后的曲率半径，x′为脊柱式结构本体(A)变形后腱绳(4)与椎骨(1)连接点(M)沿着脊柱式结构本体(A)表面到基平面(O-O)的弧长，长度改变量△x为该腱绳(4)在脊柱式结构本体(A)变形前长度与脊柱式结构本体(A)变形后长度的差值。

3.根据权利要求2所述的一种具有脊柱结构原理的超灵巧机械臂，其特征在于：各个腱绳(4)的长度改变量△x分别正比于伸直状态下距离x和脊柱式结构本体(A)的半径r。

4.根据权利要求3所述的一种具有脊柱结构原理的超灵巧机械臂，其特征在于：各个腱绳(4)的长度改变量△x分别反比于机械臂变形后的曲率半径ρ。

5.根据权利要求4所述的一种具有脊柱结构原理的超灵巧机械臂，其特征在于：所述滑轮组(7)上的各个滑轮的半径r′分别正比于其对应的伸直状态下距离x。

6.根据权利要求5所述的一种具有脊柱结构原理的超灵巧机械臂，其特征在于：所述椎骨(1)采用金属材料。

7.根据权利要求5或6所述的一种具有脊柱结构原理的超灵巧机械臂，其特征在于：所述弹性骨架(2)采用镍钛合金或橡胶。

8.根据权利要求7所述的一种具有脊柱结构原理的超灵巧机械臂，其特征在于：所述弹性核(3-2)采用硅胶、橡胶、水凝胶或金属橡胶。

9.根据权利要求5、6或8所述的一种具有脊柱结构原理的超灵巧机械臂，其特征在于：所述约束片(3-1-1)采用蜘蛛丝、尼龙材料或蚕丝。

10.根据权利要求9所述的一种具有脊柱结构原理的超灵巧机械臂，其特征在于：所述弧形垫片(3-3)采用镍钛合金或工程塑料。