CN107263452A - 一种并联式线驱动软体机器人弯曲扭转变形模块 - Google Patents

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闫继宏
张新彬
张若禹
赵杰
杨璎珞
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    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/003—Programme-controlled manipulators having parallel kinematics
    • B25J9/0078—Programme-controlled manipulators having parallel kinematics actuated by cables

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Abstract

一种并联式线驱动软体机器人弯曲扭转变形模块，它涉及一种扭转变形模块。本发明解决现有的软体机器人纯粹的弯曲模块缺少扭转自由度导致运动形式单一，有些空间位姿不易达到的问题。弹性主体和塑形端盖均为圆柱体，塑形端盖安装在弹性主体的前端面上，三个锁头沿塑形端盖的圆周方向均布设置在塑形端盖的外端面上，六根软硅胶管内嵌在弹性主体内且二者制成一体，六根软硅胶管在弹性主体的两端两两相交设置且沿弹性主体的圆周方向均布设置，每根软硅胶管内穿装有一根软钢丝绳，弹性主体前端相邻两根软钢丝绳穿过塑形端盖通过一个锁头固定，弹性主体末端相邻两根软钢丝绳通过电机驱动。本发明用于并联式线驱动软体机器人。

Description

一种并联式线驱动软体机器人弯曲扭转变形模块
技术领域
本发明涉及一种弯曲扭转变形模块，具体涉及一种并联式线驱动软体机器人弯曲扭转变形模块。
背景技术
近几年，随着传统刚性机器人在某些特定应用环境下难以满足人类的需求，世界范围内掀起了软体机器人研究的热潮，软体机器人是机器人研究的一个全新的热点方向，涉及仿生学、机器人学、柔性力学、软材料学以及控制等学科，设计灵感来自于自然界的软体动物或器官。针对任务明确、不确定性低的可控环境，传统机器人凭借自身高精度、高刚度、速度快、重复性好等特点，在工业制造、医疗设备、航空航天等领域得到了广泛应用。
然而，当环境复杂、任务要求不确定时，需要确保人机交互的安全性。软体机器人形态结构简单，由于其固有的柔顺性，能够抵御外部冲击，可适应不利的环境条件，且相较于传统机器人，具有设计灵活、易于制造、成本低廉等优点。软体机器人采用超弹性材料制作本体结构，理论上具有无限的自由度和连续变形能力，可以极大程度上适应环境的不确定性；同时由于其柔软接触、被动顺从的优点，使接触碰撞力最小化，弥补了刚性机器人的缺点，因此主要用于夹持器、外骨骼、医疗辅助器械等领域。目前主要借助柔性材料(如：超弹性硅橡胶、电活性聚合物、水凝胶等)以及新型驱动技术(如：流体驱动、电磁致伸缩、线驱动、磁流变等)进行变形运动。
研究文献发现，目前大量的研究工作致力于研究弯曲致动器的结构和控制，同时有关弯曲模块的特性表征实验也大量展开。如哈佛大学、康奈尔大学、加州大学圣地亚哥分校、麻省理工学院等研制了基于流体驱动的硅橡胶软体弯曲模块并进行了运动学建模分析。有关线驱动和扭转模块的研究很少，仍处在初级阶段。但线驱动相对于流体驱动具有响应速度快、控制精度高等优点；同时如果将扭转变形和弯曲变形相结合，灵活性和应用范围将大大提升。流体驱动对软体模块的密闭性要求很高，泄露问题会造成控制精度大大减弱，同时充入流体的压强过大也会引起破坏软体结构的风险；采用线驱动只需将牵引线的一端固定另一端施加牵引力即可，相较于流体驱动对软体机器人的制造工艺要求低，制作简单，同时采用电机牵引响应速度快、控制精度高。从软体仿生角度，仔细观察人手的运动方式，不仅有弯曲作用，也有扭转作用；从应用环境角度，扭转运动和弯曲运动结合，更容易克服阻力，从而顺利通过狭窄弯曲复杂的空间；从运动形式角度，纯粹的弯曲模块缺少扭转自由度，导致运动形式单一，有些空间位姿不易到达。因此，急需设计一款运动形式简洁、制造简便、操作简单的弯曲扭转软体机器人。
综上，现有的软体机器人纯粹的弯曲模块缺少扭转自由度导致运动形式单一，有些空间位姿不易达到。
发明内容
本发明为解决现有的软体机器人纯粹的弯曲模块缺少扭转自由度导致运动形式单一，有些空间位姿不易达到的问题，进而提供一种并联式线驱动软体机器人弯曲扭转变形模块。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
本发明的并联式线驱动软体机器人弯曲扭转变形模块包括弹性主体1、六根软硅胶管2、三个锁头3、六根软钢丝绳4和塑形端盖5；弹性主体1和塑形端盖5均为圆柱体，塑形端盖5安装在弹性主体1的前端面上，三个锁头3沿塑形端盖5的圆周方向均布设置在塑形端盖5的外端面上，六根软硅胶管2内嵌在弹性主体1内且二者制成一体，六根软硅胶管2在弹性主体1的两端两两相交设置且沿弹性主体1的圆周方向均布设置，每根软硅胶管2内穿装有一根软钢丝绳4，弹性主体1前端相邻两根软钢丝绳4穿过塑形端盖5通过一个锁头3固定，弹性主体1末端相邻两根软钢丝绳4通过电机驱动。
进一步地，所述弹性主体1和软硅胶管2均为超弹性硅橡胶复合材料。
进一步地，塑形端盖5的材质为塑料。
进一步地，塑形端盖5和弹性主体1的轴心位于同一直线上。
进一步地，软钢丝绳4的材质为304钢。
进一步地，弹性主体1末端的软钢丝绳4通过电机将驱动力传导到塑性端盖5上，塑性端盖5与弹性主体1紧密贴合从而带动弹性主体1运动，通过驱动弹性主体1上不同的软钢丝绳4可以实现弯曲变形运动和扭转变形运动。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明的并联式线驱动软体机器人弯曲扭转变形模块利用拉伸软钢丝绳时在前端盖上产生的拉力进行制动，不需额外的传动元件即可实现弹性主体扭转和弯曲变形运动；从而达到三维作业空间任意位置点，动作执行效率高，驱动高效；
本发明的并联式线驱动软体机器人弯曲扭转变形模块采用超弹性硅胶材料制成，可以承受高强度的挤压力；结构形态简单，易于加工制造；
本发明的并联式线驱动软体机器人弯曲扭转变形模块采用并联排布驱动结构，参照并联机器人结构形式，在圆柱体内部排布六根驱动线，当拉伸任意两根驱动线时，模块产生弯曲变形运动，将六根线按从前端到末端排布方向分成顺时针和逆时针两组，同时拉伸任意一组中的三根线可使模块产生扭转变形运动；
本发明应用范围广泛，可用于与弯曲模块、伸长模块串联，形成超冗余机械臂，用于微创手术；也可用于夹持器，辅助医疗设备等。
附图说明
图1是本发明的并联式线驱动软体机器人弯曲扭转变形模块整体结构透视图；
图2是本发明的并联式线驱动软体机器人弯曲扭转变形模块整体侧面俯视图；
图3是本发明的具体实施方式一中塑形端盖5的前端俯视图；
图4是图2的I-I剖视图；
图5是图3的II-II剖视图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1～5所示，本实施方式的并联式线驱动软体机器人弯曲扭转变形模块包括弹性主体1、六根软硅胶管2、三个锁头3、六根软钢丝绳4和塑形端盖5；弹性主体1和塑形端盖5均为圆柱体，塑形端盖5安装在弹性主体1的前端面上，三个锁头3沿塑形端盖5的圆周方向均布设置在塑形端盖5的外端面上，六根软硅胶管2内嵌在弹性主体1内且二者制成一体，六根软硅胶管2在弹性主体1的两端两两相交设置且沿弹性主体1的圆周方向均布设置，每根软硅胶管2内穿装有一根软钢丝绳4，弹性主体1前端相邻两根软钢丝绳4穿过塑形端盖5通过一个锁头3固定，弹性主体1末端相邻两根软钢丝绳4通过电机驱动。
具体实施方式二：如图1和图2所示，本实施方式所述弹性主体1和软硅胶管2均为超弹性硅橡胶复合材料。如此设计，可以承受高强度的挤压力；结构形态简单，易于加工制造。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：如图1～3所示，本实施方式塑形端盖5的材质为塑料。如此设计，塑形端盖5采用3D打印而成，刚度和硬度大于弹性主体1，塑形端盖5用于驱动线拉力的主要承载体。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：如图1和图2所示，本实施方式塑形端盖5和弹性主体1的轴心位于同一直线上。如此设计，可增加塑形端盖5受力时的稳定性，避免出现倾覆力矩。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：如图1和图2所示，本实施方式软钢丝绳4的材质为304钢。如此设计，软钢丝绳4通过软硅胶管2从末端延伸到塑形端盖5，每相邻的两根软钢丝绳4共用一个锁头3固定锁死，在软钢丝绳4的末端施加驱动力；软钢丝绳4质地柔软，韧性大。可承载较大的拉力，不易断裂，可随意变形。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或四相同。
具体实施方式六：如图1和图2所示，本实施方式弹性主体1末端的软钢丝绳4通过电机将驱动力传导到塑性端盖5上，塑性端盖5与弹性主体1紧密贴合从而带动弹性主体1运动，通过驱动弹性主体1上不同的软钢丝绳4可以实现弯曲变形运动和扭转变形运动。如此设计，在软体机器人模块末端，对任意两根软钢丝绳4施加拉力可使模块弯曲变形运动，通过力的大小变化实现不同的弯曲角度；对顺时针旋向的三根软钢丝绳4同时施加相同大小的力可使弹性主体1扭转变形运动，通过力的大小变化实现不同的扭转角度，最大扭转角度约60°，逆时针旋向同理。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

Claims (6)

1.一种并联式线驱动软体机器人弯曲扭转变形模块，其特征在于：所述弯曲扭转变形模块包括弹性主体(1)、六根软硅胶管(2)、三个锁头(3)、六根软钢丝绳(4)和塑形端盖(5)；弹性主体(1)和塑形端盖(5)均为圆柱体，塑形端盖(5)安装在弹性主体(1)的前端面上，三个锁头(3)沿塑形端盖(5)的圆周方向均布设置在塑形端盖(5)的外端面上，六根软硅胶管(2)内嵌在弹性主体(1)内且二者制成一体，六根软硅胶管(2)在弹性主体(1)的两端两两相交设置且沿弹性主体(1)的圆周方向均布设置，每根软硅胶管(2)内穿装有一根软钢丝绳(4)，弹性主体(1)前端相邻两根软钢丝绳(4)穿过塑形端盖(5)通过一个锁头(3)固定，弹性主体(1)末端相邻两根软钢丝绳(4)通过电机驱动。
2.根据权利要求1所述的并联式线驱动软体机器人弯曲扭转变形模块，其特征在于：所述弹性主体(1)和软硅胶管(2)均为超弹性硅橡胶复合材料。
3.根据权利要求1或2所述的并联式线驱动软体机器人弯曲扭转变形模块，其特征在于：塑形端盖(5)的材质为塑料。
4.根据权利要求3所述的并联式线驱动软体机器人弯曲扭转变形模块，其特征在于：塑形端盖(5)和弹性主体(1)的轴心位于同一直线上。
5.根据权利要求1、2或4所述的并联式线驱动软体机器人弯曲扭转变形模块，其特征在于：软钢丝绳(4)的材质为304钢。
6.根据权利要求5所述的并联式线驱动软体机器人弯曲扭转变形模块，其特征在于：弹性主体(1)末端的软钢丝绳(4)通过电机将驱动力传导到塑性端盖(5)上，塑性端盖(5)与弹性主体(1)紧密贴合从而带动弹性主体(1)运动，通过驱动弹性主体(1)上不同的软钢丝绳(4)可以实现弯曲变形运动和扭转变形运动。
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