CN106041913A - 一种基于磁斥力的仿生柔性驱动机器人 - Google Patents

一种基于磁斥力的仿生柔性驱动机器人 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于磁斥力的仿生柔性驱动机器人，包含末端效应器、脊柱‑肌腱和驱动机构三部分，其中，脊柱‑肌腱包含多个可相对伸展、压缩的基节，基节的径向尺寸均不相同，尺寸稍小的基节安装于尺寸稍大的基节中；每个基节上具有若干安装有圆形永磁体的导向盘，永磁体对极布置，用于提供磁斥力，使任何长度的基节上的导向盘都沿轴向均布；在每个基节周围均布柔索，用于驱动基节的圆弧运动，且弯曲的半径可变。驱动机构用于控制基节伸展、压缩的长度和控制弯曲运动；对于相邻的两个基节，驱动机构远端基节会跟随驱动机构近端基节的运动。本发明该机器人，具有灵活性大、操控性好以及可通过性强的优点，能够进入受限及狭小空间操作来完成任务。

Description

一种基于磁斥力的仿生柔性驱动机器人
技术领域
本发明涉及柔性机器人，具体涉及一种基于磁斥力的仿生柔性驱动机器人，属于机器人领域。
背景技术
与传统刚性连杆机器人相比，仿生柔性驱动机器人提供可增加的灵巧性和操控性。它能够在3D空间适应复杂曲线，仿生柔性驱动机器人在受限和不易接近环境特别有效，其工作空间取决于基节数量，以及每个基节长度和弯曲半径的范围，机器人可以延曲折路径展开。
经检索发现，申请号为03124110.7的名为《电磁肌肉动力装置》的专利提供了一种类似肌肉收缩的适合机器人模仿人动作和扑翼机模仿鸟类煽动翅膀的结构简单的动力装置，它包含多个磁极组按一定顺序排列组成的腹肌及与其两端连接的肌腱带，其优点是结构简单，容易控制，但是其没有类似人体肌肉的脊柱和肌腱，装置只能实现拉伸和收缩运动，无法形成特定的轨迹，限制了其应用范围。
申请号为CN201510141994.3的名为《一种用于四足机器人的四叶草形状的刚度可调柔顺脊柱》的专利，其通过弹性构件、刚性构件和绳索将足式机器人的刚性躯干设计为具有四叶草形状的刚度可调柔顺脊柱，提高了机器人的动态运动性能，但其所能实现的脊柱弯曲程度有限，无法实现大范围工作空间操作，不能用于受限及狭小空间内的操作和监控。
申请号为CN201510030810.6的名为《仿生脊柱活动节段》的专利，通过气动肌肉改变仿生脊柱的刚性，模拟了生物脊柱活动节段特性，但是气动肌肉的滞后较大，其结构较大，导致其狭小空间工作能力下降。
发明内容
本发明提供了一种基于磁斥力的仿生柔性驱动机器人，可用于通过或进入受限及狭小空间进行操作，完成例如医疗领域的内科微创手术、工业、军事领域的操作、监控等任务。
为了达到上述目的，本发明提供一种基于磁斥力的仿生柔性驱动机器人，其包含：脊柱肌腱，具有能弯曲运动以及能相对伸展或压缩运动的三个以上基节；
驱动机构，具有改变仿生柔性驱动机器人的长度和末端位姿的基节伸展驱动机构及基节弯曲驱动机构；其中，所述基节伸展驱动机构用来改变基节彼此之间的相对位置，所述基节弯曲驱动机构用来驱动基节的弯曲运动；
末端效应器，与所述脊柱肌腱中最后一个基节的末端相连接。
优选地，每个基节中包含脊柱，所述脊柱是允许弯曲、长度伸展或压缩形变的空心的柔性管；任意两个相邻的基节中后一个基节的脊柱的外径比前一个基节的脊柱的内径小，第一个基节的脊柱的外径、内径最大；
除了第一个基节的脊柱的起始端与基节伸展驱动机构直接连接之外，其余任意两个相邻的基节中后一个基节的脊柱的起始端从前一个基节的脊柱的末端穿入，并使后一个基节的脊柱的起始端穿过前一个基节的脊柱来与基节伸展驱动机构连接，实现后一个基节相对于前一个基节的伸展或压缩运动。
优选地，所述基节伸展驱动机构具有对应每个基节进行伸展或压缩运动驱动的以下部件：伸展驱动电动机、齿轮、齿条；
相应基节中的脊柱的起始端与齿条的一端连接；
所述伸展驱动电动机的输出端连接到齿轮的中心轴上，所述齿轮随着所述伸展驱动电动机的输出端旋转而旋转，并带动与该齿轮相啮合的齿条产生平移，使得与该齿条连接的脊柱得以相对伸展或压缩，实现基节的伸展或压缩运动。
优选地，任意一个所述伸展驱动电动机，安装在与之对应的一个伸展驱动电动机盖板及一个基座之间，由穿过所述伸展驱动电动机盖板及基座的若干个伸展驱动电动机盖板固定螺钉进行固定。
优选地，n个基节之中的每个基节具有对应的m个肌腱，n≥3，m≥3；m个肌腱是沿着对应基节的轴向延伸且在该基节周围径向均布的多个柔索，用以在相连接的基节弯曲驱动机构驱动下，带动该基节进行半径可变的弯曲及圆弧运动；
所述基节弯曲驱动机构具有对应每个基节进行伸展或压缩运动驱动的以下部件：m个弯曲驱动电动机、m个换向轮；其中，任意一个弯曲驱动电动机的输出端通过对应的一个换向轮，连接至对应基节中与该弯曲驱动电动机对应的一个肌腱的起始端，进行肌腱换向控制。
优选地，所述基节弯曲驱动机构的基座，具有均布放置的m×n个弯曲驱动电动机槽；任意一个弯曲驱动电动机安装在所述基节弯曲驱动机构的基座的对应一个弯曲驱动电动机槽内。
优选地，每个基节上具有各自安装有永磁体的多个导向盘，相邻导向盘上的永磁体通过对极布置来提供磁斥力，使得伸展或压缩运动后达到任意长度的基节上的导向盘能够沿轴向均布。
优选地，任意一个基节的每个导向盘和永磁体上分别开设有中心孔，使该基节的脊柱能够从中心孔穿过；
每个导向盘还具有m个均布的导向通孔；任意一个基节的m个肌腱，从第一基节的导向盘的导向通孔直到该m个肌腱所属基节的导向盘的导向通孔中依次穿过；任意一个基节的m个肌腱的末端固定连接在所属基节的最后一个导向盘的导向通孔处。
优选地，所述末端效应器为操作机构或敏感器。
本发明提供一种基于磁斥力的仿生柔性驱动机器人，包含末端效应器、脊柱-肌腱和驱动机构三大部分，其中，脊柱-肌腱包含多个可相对伸展、压缩的基节，基节的径向尺寸均不相同，尺寸稍小的基节安装于尺寸稍大的基节中，每个基节上具有若干安装有圆形永磁体的导向盘，相邻导向盘的永磁体对极布置，用于提供磁斥力，磁斥力使任何长度的基节上的导向盘都沿轴向均布；在每个基节周围均布柔索，用于驱动基节的圆弧运动，且弯曲的半径可变。
驱动机构用于控制基节伸展、压缩的长度，和弯曲运动；而且，对于相邻的两个基节，驱动机构远端基节会跟随驱动机构近端基节的运动。该机器人的运动轨迹可以是3D复杂曲线，其工作空间取决于基节数量、每个基节长度和弯曲半径的范围。
与传统刚性连杆串联机器人相比，本发明所述基于磁斥力的仿生柔性驱动机器人具有灵活性大、操控性好以及可通过性强的优点，可进入受限及狭小空间完成连杆串联机器人所无法实现的任务，系统机构简单，成本低，具有一定的推广价值。
附图说明
图1是本发明所述基于磁斥力的仿生柔性驱动机器人的总体结构示意图；
图2a、图2b是本发明中基节在两种状态下的结构示意图；
图3是本发明的基节中在导向盘处安装永磁体的示意图；
图4是本发明图1中基节伸展驱动机构的放大图；
图5是本发明中基节伸展或压缩状态的示意图；
图6是本发明中永磁体对极布置的工作原理图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的一种基于磁斥力的仿生柔性驱动机器人，主要由驱动机构1（包含基节伸展驱动机构1-1和基节弯曲驱动机构1-2）、脊柱-肌腱2（包含多个可弯曲、可相对伸展、压缩的基节2-i，其中，i=1，2，…，n，其中，n为基节的数量，n≥3，图1中为n=3的特例，实际应用中则根据需要改变n的值）、末端效应器3（为操作机构或敏感器等）组成。其中，基节伸展驱动机构1-1用来改变基节2-i彼此之间的相对位置，基节弯曲驱动机构1-2用来驱动基节的弯曲运动，通过基节伸展驱动机构1-1和基节弯曲驱动机构1-2，改变仿生柔性驱动机器人的长度和末端位姿。
如图2a、图2b所示，下文以基节2-1为例，说明各个基节的结构。基节2-1由脊柱2-1-1，三个肌腱2-1-2、2-1-3、2-1-4，多组导向盘2-1-5和圆形永磁体2-1-6组成。脊柱2-1-1是空心的柔性管，用于承担该基节2-1、后续基节2-i和末端效应器3的重量，同时可发生形变。肌腱2-1-2、2-1-3和2-1-4是沿基节21-轴向延伸，并在基节2-1周围沿径向均布的柔索，用于驱动基节2-1进行圆弧运动，且使弯曲的半径可变。
如图3所示，基节2-1上具有各自安装有圆形永磁体2-1-6的多个导向盘2-1-5；导向盘2-1-5和永磁体2-1-6上均具有中心孔，用于通过脊柱2-1-1，导向盘2-1-5还具有三个均布通孔，用于为肌腱2-1-2、2-1-3和2-1-4导向。如图5、图6所示，相邻导向盘2-1-5上的永磁体2-1-6对极布置，用于提供磁斥力；通过磁斥力，使得伸展或压缩运动后达到任何长度的基节上的导向盘2-1-5都能够沿轴向均布。
类似的，基节2-2由脊柱2-2-1，三个肌腱2-2-2、2-2-3、2-2-4，多组导向盘2-2-5和圆形永磁体2-2-6组成；基节2-3由脊柱2-3-1，三个肌腱2-3-2，2-3-3、2-3-4，多组导向盘2-3-5和圆形永磁体2-3-6组成。推导到通用的情况下，基节2-i由脊柱2-i-1，三个肌腱2-i-2、2-i-3、2-i-4，多组导向盘2-i-5和圆形永磁体2-i-6组成。
其中，各个基节2-i的径向尺寸均不相同，且径向尺寸稍小的基节2-(i+1)安装于径向尺寸稍大的基节2-i中，基节2-1的径向尺寸最大，基节2-2次大，……基节2-n最小；基节2-(i+1)可相对基节2-i压缩或伸展。
如图2a所示，基节2-(i+1)的脊柱的外径比基节2-i的脊柱的内径小，基节2-1的脊柱的外径、内径最大；除了基节2-1的脊柱的起始端与基节伸展驱动机构（1-1）直接连接之外，基节2-(i+1)的脊柱的起始端从基节2-i的脊柱的末端穿入，并使基节2-(i+1)的脊柱的起始端穿过基节2-i的脊柱来与基节伸展驱动机构（1-1）连接，实现基节2-(i+1)相对于基节2-i基节的伸展或压缩运动。
配合参见图1、图4所示，每个基节均需要与该基节对应的一个伸展驱动机构，对其进行伸展或压缩运动的驱动。对于具有三个基节的示例情况，基节伸展驱动机构1-1由基节2-1伸展驱动机构1-1-1、基节2-2伸展驱动机构1-1-2、基节2-3伸展驱动机构1-1-3构成。其中，基节2-1伸展驱动机构1-1-1包含伸展驱动电动机1-1-1-1、齿轮1-1-1-2、齿条1-1-1-3、伸展驱动电动机盖板1-1-1-4、伸展驱动电动机盖板固定螺钉1-1-1-5、1-1-1-6、1-1-1-7、1-1-1-8。
类似的，基节2-2伸展驱动机构1-1-2包含伸展驱动电动机1-1-2-1、齿轮1-1-2-2、齿条1-1-2-3、伸展驱动电动机盖板1-1-2-4、伸展驱动电动机盖板固定螺钉1-1-2-5、1-1-2-6、1-1-2-7、1-1-2-8。基节2-3伸展驱动机构1-1-3包含伸展驱动电动机1-1-3-1、齿轮1-1-3-2、齿条1-1-3-3、伸展驱动电动机盖板1-1-3-4、伸展驱动电动机盖板固定螺钉1-1-3-5、1-1-3-6、1-1-3-7、1-1-3-8。
对于具有n个基节的通用情况，基节伸展驱动机构1-1包含基节2-1伸展驱动机构1-1-1，基节2-2伸展驱动机构1-1-2，…，基节2-n伸展驱动机构1-1-n构成。各个基节2-i伸展驱动机构1-1-i的结构类似，基节2-i伸展驱动机构1-1-i包含伸展驱动电动机1-1-i-1、齿轮1-1-i-2、齿条1-1-i-3、伸展驱动电动机盖板1-1-i-4、伸展驱动电动机盖板固定螺钉1-1-i-5、1-1-i-6、1-1-i-7、1-1-i-8。
其中，伸展驱动电动机1-1-i-1安装在伸展驱动电动机盖板1-1-i-4和基座1-2-1之间，通过伸展驱动电动机盖板固定螺钉1-1-i-5、1-1-i-6、1-1-i-7、1-1-i-8固定。伸展驱动电动机1-1-i-1输出端连接到齿轮1-1-i-2中心轴上，齿轮1-1-i-2与齿条1-1-i-3相啮合，齿条1-1-i-3的一端与基节2-i的脊柱2-i-1起始端连接。
如图1所示，对于具有三个基节的情况，基节弯曲驱动机构1-2包含基座1-2-1，弯曲驱动电动机1-2-2，1-2-3，…，1-2-10，换向轮1-2-11，1-2-12，…，1-2-19。弯曲驱动电动机1-2-2，1-2-3，…，1-2-10分别安装在基座1-2-1的弯曲驱动电动机槽内，均布放置。弯曲驱动电动机1-2-2，1-2-3，…，1-2-10的输出端，分别与三个基节的肌腱2-1-2、2-1-3、2-1-4；2-2-2、2-2-3、2-2-4；2-3-2、2-3-3、2-3-4，通过对应的换向轮1-2-11，1-2-12，…，1-2-19相连接。
更通用的情况下，每个基节2-i需要三个换向轮进行肌腱换向，通过三个弯曲驱动电动机控制；肌腱数量增多时弯曲驱动电动机及换向轮数量相应增加。对于基节2-i，基节弯曲驱动机构1-2包含基座1-2-1，弯曲驱动电动机1-2-2，1-2-3，…，1-2-（3n-1），1-2-（3n），1-2-（3n+1），换向轮1-2-（3n+2），1-2-（3n+3），…，1-2-（6n-1），1-2-（6n），1-2-（6n+1）。
如图5所示，每个基节2-i可伸展或压缩，通过伸展驱动电动机1-1-i-1输出端旋转，带动齿轮1-1-i-2旋转，则齿条1-1-i-3产生平移，由于齿条1-1-i-3的一端与基节2-i的脊柱2-i-1起始端连接，因此使脊柱2-i-1进行相对伸展或压缩，从而形成基节2-i的伸展或压缩运动。
如图6所示，永磁体2-1-6对极布置，即相邻的两个永磁体2-1-6为N极对N极，或为S极对S极布置，则永磁体之间产生磁斥力Fmag，使得基节2-i在任何长度都能维持伸长的状态；再通过基节弯曲驱动机构1-2对基节2-i进行弯曲驱动，基节伸展驱动机构1-2对基节2-i进行伸展与压缩运动驱动，从而使其可进入受限及狭小空间工作。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种基于磁斥力的仿生柔性驱动机器人，其特征在于，包含：
脊柱-肌腱（2），具有能弯曲运动以及能相对伸展或压缩运动的三个以上基节；
驱动机构（1），具有改变仿生柔性驱动机器人的长度和末端位姿的基节伸展驱动机构（1-1）及基节弯曲驱动机构（1-2）；其中，所述基节伸展驱动机构（1-1）用来改变基节彼此之间的相对位置，所述基节弯曲驱动机构（1-2）用来驱动基节的弯曲运动；
末端效应器（3），与所述脊柱-肌腱（2）中最后一个基节的末端相连接。
2.根据权利要求1所述基于磁斥力的仿生柔性驱动机器人，其特征在于，
每个基节中包含脊柱，所述脊柱是允许弯曲、长度伸展或压缩形变的空心的柔性管；任意两个相邻的基节中后一个基节的脊柱的外径比前一个基节的脊柱的内径小，第一个基节的脊柱的外径、内径最大；
除了第一个基节的脊柱的起始端与基节伸展驱动机构（1-1）直接连接之外，其余任意两个相邻的基节中后一个基节的脊柱的起始端从前一个基节的脊柱的末端穿入，并使后一个基节的脊柱的起始端穿过前一个基节的脊柱来与基节伸展驱动机构（1-1）连接，实现后一个基节相对于前一个基节的伸展或压缩运动。
3.根据权利要求2所述基于磁斥力的仿生柔性驱动机器人，其特征在于，
所述基节伸展驱动机构（1-1）具有对应每个基节进行伸展或压缩运动驱动的以下部件：伸展驱动电动机、齿轮、齿条；
相应基节中的脊柱的起始端与齿条的一端连接；
所述伸展驱动电动机的输出端连接到齿轮的中心轴上，所述齿轮随着所述伸展驱动电动机的输出端旋转而旋转，并带动与该齿轮相啮合的齿条产生平移，使得与该齿条连接的脊柱得以相对伸展或压缩，实现基节的伸展或压缩运动。
4.根据权利要求3所述基于磁斥力的仿生柔性驱动机器人，其特征在于，
任意一个所述伸展驱动电动机，安装在与之对应的一个伸展驱动电动机盖板及一个基座之间，由穿过所述伸展驱动电动机盖板及基座的若干个伸展驱动电动机盖板固定螺钉进行固定。
5.根据权利要求1或3所述基于磁斥力的仿生柔性驱动机器人，其特征在于，
n个基节之中的每个基节具有对应的m个肌腱，n≥3，m≥3；
m个肌腱是沿着对应基节的轴向延伸且在该基节周围径向均布的多个柔索，用以在相连接的基节弯曲驱动机构（1-2）驱动下，带动该基节进行半径可变的弯曲及圆弧运动；
所述基节弯曲驱动机构（1-2）具有对应每个基节进行伸展或压缩运动驱动的以下部件：m个弯曲驱动电动机、m个换向轮；其中，任意一个弯曲驱动电动机的输出端通过对应的一个换向轮，连接至对应基节中与该弯曲驱动电动机对应的一个肌腱的起始端，进行肌腱换向控制。
6.根据权利要求5所述基于磁斥力的仿生柔性驱动机器人，其特征在于，
所述基节弯曲驱动机构（1-2）的基座，具有均布放置的m×n个弯曲驱动电动机槽；任意一个弯曲驱动电动机安装在所述基节弯曲驱动机构（1-2）的基座的对应一个弯曲驱动电动机槽内。
7.根据权利要求5所述基于磁斥力的仿生柔性驱动机器人，其特征在于，
每个基节上具有各自安装有永磁体的多个导向盘，相邻导向盘上的永磁体通过对极布置来提供磁斥力，使得伸展或压缩运动后达到任意长度的基节上的导向盘能够沿轴向均布。
8.根据权利要求7所述基于磁斥力的仿生柔性驱动机器人，其特征在于，
任意一个基节的每个导向盘和永磁体上分别开设有中心孔，使该基节的脊柱能够从中心孔穿过；
每个导向盘还具有m个均布的导向通孔；任意一个基节的m个肌腱，从第一基节的导向盘的导向通孔直到该m个肌腱所属基节的导向盘的导向通孔中依次穿过；任意一个基节的m个肌腱的末端固定连接在所属基节的最后一个导向盘的导向通孔处。
9.根据权利要求1所述基于磁斥力的仿生柔性驱动机器人，其特征在于，
所述末端效应器（3）为操作机构或敏感器。
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