CN104760055A - 海龟机器人及其柔性脖子装置 - Google Patents

Abstract

一种海龟机器人包括主体（200），在该主体（200）的一端设置有柔性脖子装置（100）。该柔性脖子装置（100）包括脖子主体（10）以及用于驱动脖子伸缩和扭转的驱动部（20），所述脖子主体包括沿脖子轴线方向设置的至少三根弹簧（11），所述驱动部包括通过各自的牵引绳（14）分别控制对应的弹簧（11）的驱动组（21），本发明柔性脖子运动灵活，很容易实现机器人快速运动，有效的解决了驱动能力不足的问题；柔性脖子可轻松容易实现伸长、收缩、向左弯曲、向右弯曲运动，运动灵活性极高。

Description

海龟机器人及其柔性脖子装置

技术领域

本发明涉及机器人技术，特别涉及机器人及其柔性脖子的结构设计。

背景技术

随着我国经济的不断发展，人们越来越意识到文化在国家发展中起着举足轻重的作用，国家也不断的强文化整体实力和竞争力，推动文化事业全面繁荣、文化产业快速发展。科技创新是文化发展的重要动力，文化与科技的融合，推动着人类的文明与进步，机器人戏剧是文化与科技高度融合的典范，是新的艺术表现形式。

机器人戏剧是高新科技与传统文化的结合，是传播传统文化的有效途径，各种表演机器人通过拍演戏剧的形式展现传统文化魅力，尤其是足类海龟表演机器人结合仿生学原理，通过编排戏剧表演形式可以向人们展示着惟妙惟肖的魅力传统文化。海龟机器人是表演机器人中的重要角色。从仿生学原理出发，进行海龟机器人机械设计时，应着重突出生物海龟比较有特点部分。生物海龟的脖子柔韧性极高，不仅可以自由的伸缩，还可以灵活的左右摆动，如何实现海龟机器人脖子的灵活、柔韧性是海龟机器人设计时应重点突出、解决的问题。

目前可实现机器人高度柔性的还比较少，比较典型有Matthias Rolf and Jochen J. Steil 研制的Bionic Handling Assistant。该机器人主要材料采用尼龙组成，机器人采用完全气动驱动，使得机器人的重量较轻、灵活性极高。该机器人由三节组成，采用三级驱动，每节部分末端为驱动部件，机器人腕部采用球轴承，驱动采用三电机驱动方式，机器人带有三个柔性手指，也是由底部电机进行驱动，机器人除驱动部分的总体长度为0.75m。当底部电机提供气压时，机器人可以实现灵活伸缩运动以及像大象鼻子一样的圆弧运动。当电机提供全部气压时，机器人总体长度可达1.2m。机器人集成12个长度传感器，每个传感器与一个电机进行连接，通过传感器数据反馈，可以容易计算机器人整体姿态。九个电机部分与缆线电位计相连，可以方便容易的测量基座与电机底部长度的变化。此外，该机器人进行了连续正想运动学分析，用以机器人的精确控制。该机器人柔性虽较高，但总体结构较复杂且加工困难，机器人总量较大，不适合作为机器人脖子部分设计。(Matthias Rolf and Jochen J. Steil, “Constant curvature continuum kinematics as fast approximate model for the Bionic Handling Assistant” International Conference onIntelligent Robots and Systems, October 7-12, 2012.)。克拉约瓦大学研制的tentacle arm总体采用圆柱形外部结构，机器人采用步进电机进行驱动，电机的旋转带动缆绳的运动，缆绳末端与机器人的每节末端通过螺栓进行连接，通过控制电机的正反转实现缆绳的伸长、缩短，从而控制机器人的摆动。机器人的中间脊线采用一根缆绳进行连接，通过控制不同缆线的伸缩可以实现机器人末端在不同平面内 运动。该机器人采用开环控制，但机器人集成视觉系统可以实现机器人末端精确控制。该机器人采用4轴步进运动控制板，控制3相步进电机驱动机器人运动。

tentacle arm机器人采用绳驱结构，使得机器人的总体柔性提高较大，但由于机器人分节数的限制，使得机器人的柔性难以满足海龟机器人脖子柔性的要求。此外该机器人的重量巨大，也不适合小型海龟机器人脖子的设计需要。(Giuseppe Boccolato, Ionut Dinulescu, Alice Predescu, Florin Manta, Sorin Dumitru, “3D Control for a Tronconic Tentacle”, International Conference on Computer Modelling and Simulation International Conference on Computer Modelling and Simulation, 12th , 2010.)。

   专利申请方面，专利申请号为201110100621.3的专利提出柔性尺蠖机器人，该机器人的驱动采用舵机驱动，柔性部分采用腰部转板进行连接，通过舵机牵拉绳索实现腰板的转动，从而实现机器人的伸缩。此发明的机器人可以实现伸缩，但偏转运动难以实现，难以满足海龟机器人灵活运动的需要。专利申请号为200710052520.7的专利提出一种多关节柔性机械臂，该机器人采用相同模块的关节进行串联，每个关节有一个扭转关节和弯曲关节，总体柔性无法满足海龟机器人柔性脖子的柔韧性要求。

现有的柔性机器人，一种为在总体关节内部加入柔性部件，机器人的总体仍呈刚性，柔韧性并不大。另一种采用电机直接牵拉缆绳机构，由于分节数的限制，使得机器人的柔性也很难满足海龟机器人柔性脖子的柔韧性需求。

发明内容

本发明公布一种面向机器人戏剧的海龟机器人柔性脖子，采用绳驱方式，脖子末端设计有直流电机-蜗轮蜗杆减速器装置，连接轮与牵引绳相连，通过电机驱动实现连接轮牵引刚性绳，从而实现柔性脖子本体的运动，通过控制电机速度可很容易实现机器人快速运动，有效的解决了传统刚性关节机器人速度低的问题。

本发明为解决上述技术问题而设计的这种机器人和柔性脖子包括主体，在该主体的一端设置有柔性脖子装置。所述柔性脖子装置通过其驱动部中的连接件与主体固定连接。而这种柔性脖子装置则包括脖子主体以及用于驱动脖子伸缩和扭转的驱动部，所述脖子主体包括沿脖子轴线方向设置的至少三根弹簧以及其两端设置的底部连接板和顶部固定板，所述驱动部包括与上述弹簧数量对应的驱动组，每个驱动组通过各自的牵引绳分别控制所述至少三根弹簧中对应的弹簧。

进一步改进是：所述每个驱动组中均包括驱动电机、驱动电机输出端连接的减速装置以及设置于减速装置输出端的缠绕轮，该驱动组对应的牵引绳缠绕在该驱动组的缠绕轮上，所述减速装置采用蜗轮蜗杆装置。

进一步改进是：所述至少三根弹簧中的每根弹簧均由至少两段弹簧串联而成，在该两段弹簧之间设置有用于固定上述两段弹簧的中间连接板。所述驱动部还包括托架，所述驱动部中各驱动组均固定在该托架上，所述底部连接板上设有连接板，所述托架与该连接板固定连接。

进一步改进是：所述脖子主体中采用四根弹簧，呈四边形布置，所述驱动部中驱动组也为四组，与所述四根弹簧的位置对应设置。

本发明柔性脖子的本体采用间断弹簧结构，相邻弹簧部分采用圆板件进行固连，弹簧与圆板件之间可以采用高凝固剂进行粘连，脖子总体机体部分呈柔性，运动过程中很灵活，有效的解决了刚性关节的运动灵活差的问题；柔性脖子驱动采用绳驱方式，脖子末端设计有直流电机-蜗轮蜗杆减速器装置，通过设计的连接轮与牵引绳相连，通过电机驱动实现连接轮牵引刚性绳，从而实现柔性脖子本体的运动，通过控制电机速度可很容易实现机器人快速运动，有效的解决了传统刚性关节机器人速度低的问题；过控制驱动部分的启停可以轻松实现机器人的运动与停止。由于机器人总体结构采用轻质弹簧、板件，使得对驱动的需求较小，有效的解决了传统机器人驱动需求大、能耗大的问题；柔性脖子总体使用轻质材料，质量和惯量均较小。脖子本体结构采用一定刚度的柔性弹簧，使得对驱动的要求也不大，有效的解决了驱动能力不足的问题；柔性脖子可轻松容易实现伸长、收缩、向左弯曲、向右弯曲运动，运动灵活极高。

附图说明

图1是本发明海龟机器人的立体示意图。 图2是本发明柔性脖子主体的结构示意图。 图3是本发明柔性脖子中驱动部的立体示意图。

具体实施方式

结合上述附图说明本发明的具体实施例。

由图1至图3中可知，本发明的海龟机器人包括主体200，在该主体200的一端设置有柔性脖子装置100。本发明中的海龟机器人采用柔性脖子的设计，可以非常方便的进行伸缩、弯曲等动作，特别能适合表演性机器人的要求。

由图2和图3中可知，而本发明中的柔性脖子装置100包括脖子主体10以及用于驱动脖子伸缩和扭转的驱动部20，所述脖子主体包括沿脖子轴线方向设置的至少三根弹簧11以及其两端设置的底部连接板12和顶部固定板13，所述驱动部包括与上述弹簧11数量对应的驱动组21，每个驱动组通过各自的牵引绳14分别控制所述至少三根弹簧中对应的弹簧11。本发明采用柔性弹簧作为脖子的主体，驱动部通过牵引绳控制一根或两根弹簧的伸缩，完成各个方向的弯曲动作，比刚性关节结构的脖子更加柔和灵活，解决了刚性关节运动灵活差的问题，还可以通过整体统一控制，完成伸缩动作，操作十分方便。

由图3中可知，本发明中所述每个驱动组21中均包括驱动电机211、驱动电机211输出端连接的减速装置212以及设置于减速装置212输出端的缠绕轮213，该驱动组21对应的牵引绳14缠绕在该驱动组21的缠绕轮213上，减速装置212为蜗轮蜗杆装置。本发明中的驱动组由驱动电机211输出动力，经过蜗轮蜗杆装置减速后驱动缠绕轮213转到，完成牵引绳的缠绕和释放的动作，进而实现对柔性弹簧的控制。

由图2中可知，本发明中所述至少三根弹簧11中的每根弹簧11均由至少两段弹簧串联而成，在该两段弹簧之间设置有用于固定上述两段弹簧的中间连接板15。本发明采用分段弹簧的结构设计，一方面不影响脖子的柔韧性，另外一方面还可以满足脖子具有一定承载能力的要求，两段弹簧与中间连接板的固定可以采用弹簧座结构，也可以采用粘接的方式，而在实际应用中，可以根据实际的需要，设置弹簧的分段数量。

由图2中可知，所述驱动部20还包括托架22，所述驱动部20中各驱动组21均固定在该托架22上，所述底部连接板12上设有连接板121，所述托架22与该连接板121固定连接。所述柔性脖子装置100通过其驱动部20中的连接件23与主体200固定连接。本发明中由于采用多驱动组的设置，因此，需要托架对整个驱动部进行统一的固定，脖子主体与托架进行固定连接。

由图2中可知，本发明中所述脖子主体中的至少三根弹簧11更优选的方案是设计为四根弹簧，呈四边形布置，所述驱动部20中驱动组也为四组，与所述四根弹簧11的位置对应设置。设计为四根弹簧结构，使得脖子弯曲动作更加灵活，控制也更加方便。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种柔性脖子装置，其特征在于：该柔性脖子装置（100）包括脖子主体（10）以及用于驱动脖子伸缩和扭转的驱动部（20），所述脖子主体包括沿脖子轴线方向设置的至少三根弹簧（11）以及其两端设置的底部连接板（12）和顶部固定板（13），所述驱动部包括与上述弹簧（11）数量对应的驱动组（21），每个驱动组通过各自的牵引绳（14）分别控制所述至少三根弹簧中对应的弹簧（11）。

2.根据权利要求1所述的柔性脖子装置，其特征在于：所述每个驱动组（21）中均包括驱动电机（211）、驱动电机（211）输出端连接的减速装置（212）以及设置于减速装置（212）输出端的缠绕轮（213），该驱动组（21）对应的牵引绳（14）缠绕在该驱动组（21）的缠绕轮（213）上。

3.根据权利要求1所述的柔性脖子装置，其特征在于：所述减速装置（212）为蜗轮蜗杆装置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的柔性脖子装置，其特征在于：所述至少三根弹簧（11）中的每根弹簧（11）均由至少两段弹簧串联而成，在该两段弹簧之间设置有用于固定上述两段弹簧的中间连接板（15）。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的柔性脖子装置，其特征在于：所述驱动部（20）还包括托架（22），所述驱动部（20）中各驱动组（21）均固定在该托架（22）上。

6.根据权利要求5所述的柔性脖子装置，其特征在于：所述底部连接板（12）上设有连接板（121），所述托架（22）与该连接板（121）固定连接。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的柔性脖子装置，其特征在于：所述脖子主体中的至少三根弹簧（11）为四根，呈四边形布置，所述驱动部（20）中驱动组也为四组，与所述四根弹簧（11）的位置对应设置。

8.一种采用权利要求1至7中任一项所述柔性脖子装置的海龟机器人，其特征在于：该海龟机器人包括主体（200），在该主体（200）的一端设置有柔性脖子装置（100）。

9.根据权利要求8所述的海龟机器人，其特征在于：所述柔性脖子装置（100）通过其驱动部（20）中的连接件（23）与主体（200）固定连接。