CN108422410A - 一种刚度可调绳索驱动的仿生并联机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种刚度可调绳索驱动的仿生并联机器人，包括动平台、定平台、固定在动平台与定平台之间的支撑弹簧、直线轴承、平面轴承和驱动绳索。支撑弹簧下端固定在定平台上，上端通过平面轴承与动平台相连。支撑弹簧内部设有上脊柱、万向节和下脊柱，直线轴承固定在动平台上，并与上脊柱上端相连，上脊柱下端连接万向节上端，万向节下端连接下脊柱上端，下脊柱下端固定在定平台上，驱动绳索一端固定在动平台上，另一端穿过定平台作为驱动端。本发明具有刚度可调、运动学分析计算直观、动作柔顺等特点。
Description
技术领域
本发明涉及仿生机器人领域，特别是涉及一种刚度可调绳索驱动的仿生并联机器人。
背景技术
仿生机器人是指依据仿生学原理，模仿生物结构、运动特性等设计的性能优越的机电系统，已逐渐在反恐防爆、太空探索、抢险救灾等不适合由人来承担任务的环境中凸显出良好的应用前景。
机器人根据运动链是否构成闭环可分为串联机器人和并联机器人。串联机器人一般具有结构简单、工作空间大、操作灵活等优点，但存在精度差，惯性大，速度、加速度及负载能力受约束等不足。而并联机器人恰好弥补了串联机器人在机械结构上的缺点，具有运动惯量低、负载能力强、刚度大等热点，在高速度、高精度场合有很大的潜能。
绳索驱动机器人可以用来仿人颈部等部位的运动，一般用脊柱仿人颈椎，绳索仿颈部肌肉，通过驱动绳索来模拟肌肉的拉伸。绳索驱动并联机器人相对于常见的刚性连杆并联机器人有很多优势。绳索可缠绕易缩放，故绳索驱动并联机器人具有更大的工作空间；绳索质量轻，使得绳索驱动并联机器人具有更高的负载/质量比，更适于大负载和高速度的运动控制领域；制造成本低，易于模块化，维修更为容易。目前大部分绳索驱动机器人都是刚度不可调的，而在很多应用场合如用机器人仿生物关节，需要实现机器人的刚度可调，因此研究一类刚度可调的绳索驱动机器人具有重要的现实意义。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种刚度可调绳索驱动的仿生并联机器人。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的刚度可调绳索驱动的仿生并联机器人，包括动平台、定平台、驱动绳索和固定在动平台与定平台之间的支撑弹簧；支撑弹簧下端固定在定平台上，支撑弹簧上端通过第一运动机构与动平台相连，第一运动机构能够使动平台运动时不会带动支撑弹簧运动；支撑弹簧内部设有上脊柱、万向节和下脊柱，上脊柱上端连接设于动平台上的第二运动机构，第二运动机构能够使动平台上下移动或者旋转时不会带动上脊柱运动，上脊柱下端连接万向节上端，万向节下端连接下脊柱上端，下脊柱下端固定在定平台上；驱动绳索一端固定在动平台上，驱动绳索另一端穿过定平台作为驱动端。
进一步，所述第一运动机构包括平面轴承，平面轴承中的松环连接支撑弹簧上端，平面轴承中的紧环连接动平台。
进一步，所述第二运动机构包括直线轴承，直线轴承的外壁固定连接动平台，上脊柱上端从直线轴承的内孔中穿过。
进一步，所述驱动绳索至少有四根。
进一步，所述动平台和定平台均为圆形，驱动绳索有四根，四根驱动绳索另一端分别穿过定平台上的四个通孔，四个通孔等分成两组，每组中的两个通孔相互邻近，两组通孔分别设在相隔180°的位置。
进一步，所述四根驱动绳索一端分别固定在动平台上的四个固定点处，四个固定点等分成两组，每组中的两个固定点相互邻近，两组固定点分别设在相隔180°的位置。
进一步，初始状态下，所述两组固定点之间的连线与两组通孔之间的连线垂直。这样，在结构对称的基础上，保证了绳索驱动力在动平台切线方向的分力足够大，有利于动平台的旋转运动。
进一步，所述驱动绳索有六根，六根驱动绳索另一端分别穿过定平台上的六个通孔，六个通孔等分成三组，每组中的两个通孔相互邻近，三组通孔分别设在相隔 120°的位置。
进一步，所述六根驱动绳索一端分别固定在动平台上的六个固定点处，六个固定点等分成三组，每组中的两个固定点相互邻近，三组固定点分别设在相隔120°的位置。
进一步，初始状态下，所述一组固定点在定平台上的投影落在相邻两组通孔所在圆周的中间。这样在结构对称的基础上，保证了绳索驱动力在动平台切线方向的分力足够大，有利于动平台的旋转运动，且控制精度更高。
有益效果：本发明公开了一种刚度可调绳索驱动的仿生并联机器人，与现有技术相比，具有如下的有益效果：
1)机器人动平台可实现3个自由度的旋转运动(围绕平台中心坐标轴xyz的3 个自由度转动，对应机器人术语俯仰pitch、翻滚roll、偏航yaw)和1个自由度的平动(沿着万向节的上下平移运动)，能够有效模仿人颈部、腰部等部位的运动；
2)并联机器人在运动过程中可以通过上下运动调节刚度，能更真实模拟生物的关节结构，研究刚度对生物运动的影响；
3)并联仿生机器人通过绳索驱动，绳索可缠绕、质量轻，使机器人具有更大的工作空间，更高的负载/质量比，且还有制造成本低、易于模块化和易于维修等优点；
4)并联机器人以万向节为支点进行运动，具有运动学分析计算直观简单的优点。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中的四绳驱动机器人整体结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中的六绳驱动机器人整体结构示意图。
具体实施方式
实施例1：
本实施例公开了一种四绳驱动的刚度可调绳索驱动的仿生并联机器人，如图1 所示，包括动平台10、定平台20、直线轴承50、平面轴承90、驱动绳索以及固定在动平台10与定平台20之间的支撑弹簧30。
支撑弹簧30能够进行上下压缩，没有驱动力时恢复原状，有助于动平台10复位。支撑弹簧30不同的形变量对应不同的刚度，通过上下移动动平台10可以使支撑弹簧30发生形变，从而实现整个装置刚度的调节。
支撑弹簧30固定在定平台上20上，支撑弹簧30上端面连接平面轴承90中的松环，平面轴承90中的紧环连接动平台10下平面。
支撑弹簧30内部设有上脊柱60、万向节70和下脊柱80。直线轴承50的外壁固定连接动平台10，上脊柱60上端从直线轴承50的内孔中穿过，直线轴承50可以沿着上脊柱60上下移动的同时绕着上脊柱60旋转，与直线轴承50固定在一起的动平台10也同样可以做这两个自由度的运动。上脊柱60下端连接万向节70上端，万向节70下端连接下脊柱80上端，下脊柱80下端固定在定平台20上，驱动绳索一端固定在动平台10上，驱动绳索另一端穿过定平台20。
驱动绳索可以有四根，如图1所示，四根驱动绳索分别为第一驱动绳索41、第二驱动绳索42、第三驱动绳索43和第四驱动绳索44。四根驱动绳索另一端分别穿过定平台20上的四个通孔，四个通孔等分成两组，每组中的两个通孔相互邻近，两组通孔分别设在相隔180°的位置。四根驱动绳索一端分别固定在动平台10上的四个固定点处，四个固定点等分成两组，每组中的两个固定点相互邻近，两组固定点分别设在相隔180°的位置。初始状态下，四根驱动绳索不加驱动，动平台10 水平，两组固定点之间的连线与两组通孔之间的连线垂直。
通过给四根驱动绳索加同样大的驱动，可以使动平台10保持水平，同时改变驱动力的大小可以控制动平台10做上下平移运动，同时使支撑柱30产生不同的形变，调节机器人的刚度；同时，给绳索加不同的驱动力可以使动平台10实现3个自由度的旋转运动。例如，如果给第一驱动绳索41和第二驱动绳索42施加同样大的驱动力，给第三驱动绳索43和第四驱动绳索44施加同样大的驱动力，当第三驱动绳索43和第四驱动绳索44上的驱动力大于第一驱动绳索41和第二驱动绳索42 上的驱动力时动平台10做前倾运动。如果给第一驱动绳索41和第三驱动绳索43 加同样大的驱动力，给第二驱动绳索42和第四驱动绳索44施加同样大的驱动力，当第一驱动绳索41和第三驱动绳索43上的驱动力大于第二驱动绳索42和第四驱动绳索44上的驱动力时，动平台10做右倾运动。如果给第一驱动绳索41和第四驱动绳索44加同样大的驱动力，当撤去第二驱动绳索42和第三驱动绳索43上的驱动力时，从上向下看，动平台10顺时针旋转90°，如果给第二驱动绳索42和第三驱动绳索43加上与第一驱动绳索41和第四驱动绳索44同样的驱动力，动平台 10逆时针旋转90°复原。当撤去所有驱动绳索上的驱动力，动平台10在支撑弹簧 30的作用下复位。
实施例2：
本实施例公开了一种六绳驱动的刚度可调绳索驱动的仿生并联机器人，如图2 所示，也包括动平台11、定平台21、支撑弹簧31、直线轴承51、上脊柱61、万向节71、下脊柱81和平面轴承101。和实施例1相比，仅仅是四根驱动绳索变成了六根，没有其他结构上的区别，故相同的结构就不再赘述。
驱动绳索有六根，如图2所示，分别为第一驱动绳索91、第二驱动绳索92、第三驱动绳索93、第四驱动绳索94、第五驱动绳索95和第六驱动绳索96。六根驱动绳索另一端分别穿过定平台21上的六个通孔，六个通孔等分成三组，每组中的两个通孔相互邻近，三组通孔分别设在相隔120°的位置。六根驱动绳索一端分别固定在动平台11上的六个固定点处，六个固定点等分成三组，每组中的两个固定点相互邻近，三组固定点分别设在相隔120°的位置。一组固定点在定平台21上的投影落在相邻两组通孔所在圆周的中间。
通过六根驱动绳索同样可以使动平台11做四个自由度的运动，原理与四绳驱动相似，此处不再赘述。与四绳驱动相比，六绳驱动控制量变多，自由度不变，相对复杂。但六绳驱动机器人更加灵活，控制精度更高。
Claims (10)
1.一种刚度可调绳索驱动的仿生并联机器人，其特征在于：包括动平台、定平台、驱动绳索和固定在动平台与定平台之间的支撑弹簧；支撑弹簧下端固定在定平台上，支撑弹簧上端通过第一运动机构与动平台相连，第一运动机构能够使动平台运动时不会带动支撑弹簧运动；支撑弹簧内部设有上脊柱、万向节和下脊柱，上脊柱上端连接设于动平台上的第二运动机构，第二运动机构能够使动平台上下移动或者旋转时不会带动上脊柱运动，上脊柱下端连接万向节上端，万向节下端连接下脊柱上端，下脊柱下端固定在定平台上；驱动绳索一端固定在动平台上，驱动绳索另一端穿过定平台作为驱动端。
2.根据权利要求1所述的刚度可调绳索驱动的仿生并联机器人，其特征在于：所述第一运动机构包括平面轴承，平面轴承中的松环连接支撑弹簧上端，平面轴承中的紧环连接动平台。
3.根据权利要求1所述的刚度可调绳索驱动的仿生并联机器人，其特征在于：所述第二运动机构包括直线轴承，直线轴承的外壁固定连接动平台，上脊柱上端从直线轴承的内孔中穿过。
4.根据权利要求1所述的刚度可调绳索驱动的仿生并联机器人，其特征在于：所述驱动绳索至少有四根。
5.根据权利要求1所述的刚度可调绳索驱动的仿生并联机器人，其特征在于：所述动平台和定平台均为圆形，驱动绳索有四根，四根驱动绳索另一端分别穿过定平台上的四个通孔，四个通孔等分成两组，每组中的两个通孔相互邻近，两组通孔分别设在相隔180°的位置。
6.根据权利要求5所述的刚度可调绳索驱动的仿生并联机器人，其特征在于：所述四根驱动绳索一端分别固定在动平台上的四个固定点处，四个固定点等分成两组，每组中的两个固定点相互邻近，两组固定点分别设在相隔180°的位置。
7.根据权利要求6所述的刚度可调绳索驱动的仿生并联机器人，其特征在于：初始状态下，所述两组固定点之间的连线与两组通孔之间的连线垂直。
8.根据权利要求7所述的刚度可调绳索驱动的仿生并联机器人，其特征在于：所述驱动绳索有六根，六根驱动绳索另一端分别穿过定平台上的六个通孔，六个通孔等分成三组，每组中的两个通孔相互邻近，三组通孔分别设在相隔120°的位置。
9.根据权利要求8所述的刚度可调绳索驱动的仿生并联机器人，其特征在于：所述六根驱动绳索一端分别固定在动平台上的六个固定点处，六个固定点等分成三组，每组中的两个固定点相互邻近，三组固定点分别设在相隔120°的位置。
10.根据权利要求9所述的刚度可调绳索驱动的仿生并联机器人，其特征在于：初始状态下，所述一组固定点在定平台上的投影落在相邻两组通孔所在圆周的中间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20201203 Address after: 213300 room 428, building a, 218 Hongkou Road, Kunlun Street, Liyang City, Changzhou City, Jiangsu Province (in Zhongguancun Science and Technology Industrial Park, Jiangsu Province) Applicant after: Liyang Research Institute of Southeast University Applicant after: SOUTHEAST University Address before: 211189 Jiangsu Road, Jiangning District, Southeast University, No. 2, No. Applicant before: SOUTHEAST University |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180821 |