CN108858221A - 可重构线驱动连续型机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，涉及可重构线驱动连续型机器人，主要由端部连接结构、柔性臂末端结构、驱动装置和外层保护装置组成。驱动线快拆卡锁及柔性支撑快拆卡锁是一种快速拆卸连接结构，实现多节连续型柔性臂的可重构连接；过线卡盘将驱动线的驱动力传递至柔性支撑骨架对应的位置处，保证连续型机器人的柔顺变形；外层保护装置为可拆装式，保护柔性臂节的内部结构；采用分布式的驱动装置布置方式，将驱动电机内置，避免了连续型机器人基座处驱动装置过于庞大的问题。本发明可实现连续型机器人柔性臂节的可重构目标，结合每个柔性臂节根部的驱动电机‑绳索驱动装置协同工作，实现连续型机器人整体的复杂三维空间运动，并且控制简单、易于操作。

Description

可重构线驱动连续型机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及可重构线驱动连续型机器人。

背景技术

现有的连续型机器人驱动方式主要有气压驱动，形状记忆合金驱动和驱动电机-绳索驱动等，气动驱动能够实现更为柔软的结构形式，通过在单节连续型机器人腔内通入不同气压的气体，实现弯曲，可以使得连续型机器人具备更高的柔性，但同时气动形式需要庞大的气压驱动装置，结构较为复杂，实际应用不便，且后期维护难度较大。形状记忆合金具备结构形式简单，驱动控制方便等优势，形状记忆合金在不同的温度下会发生相应的变形，多根形状记忆合金的配合驱动可实现连续型机器人的位形变化，但是形状记忆合金响应速度较低，动作缓慢，且受环境温度的影响较大。现今驱动电机的运用较为成熟，驱动电机-绳索驱动也是最常见的线驱动方式，具有响应速度快，控制精确，易于操作且可实现性强的优点。目前驱动电机-绳索驱动的连续型机器人均采用外置驱动电机的设计思想，驱动电机安装至柔性臂基座处，当需要增加连续型机器人的臂节数时，基座处的驱动电机数量亦会随之增加，导致驱动电机组体积庞大，且存在驱动力耦合问题，在进行臂节运动控制时，需要进行解耦运算，导致控制难度增大。连续型机器人柔性臂节的外层保护套，大多采用塑料波纹管，其具有足够的柔性，但是其在保护强度上有一定的不足。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种可重构线驱动连续型机器人。本发明采用驱动电机绳索驱动，具有较高的自由度，可用于复杂环境探测，灾后障碍搜救以及太空垃圾等的缠绕抓捕等，主要应用在机械制造、医疗、航空航天等领域。

本发明的技术方案：

可重构线驱动连续型机器人，主要由端部连接结构、柔性臂末端结构、驱动装置和外层保护装置组成；

所述的端部连接结构，为顶部卡盘或驱动电机安装基座31；当臂节为末端臂节时，端部连接结构为顶部卡盘，顶部卡盘为圆盘结构，圆盘边缘对称设有三个锁线孔11，与当前臂节的驱动线快拆卡锁24相配合；顶部卡盘中心周围设有快拆卡锁安装槽12，与柔性支撑快拆卡锁25相配合，用于将柔性支撑骨架21固定在顶部卡盘上；顶部卡盘的侧壁上设有顶部防滑槽13，顶部防滑槽13与保护套43相接触；顶部卡盘外侧安装末端执行装置；当臂节为中间臂节时，端部连接结构为驱动电机安装基座31，驱动电机安装基座31圆周均布三个驱动电机安装基座锁线孔，与前段臂节的驱动线快拆卡锁24相配合，驱动电机安装基座31中心安装孔的周围设有三个卡槽，与柔性支撑快拆卡锁25相配合；

所述的柔性臂末端结构，主要由柔性支撑骨架21、过线卡盘22、驱动线23、驱动线快拆卡锁24和柔性支撑快拆卡锁25组成；

所述的过线卡盘22，为圆环结构，圆环上均布三个过线孔26，三个连接支架的一端固定在圆环上，另一端在圆环的中心相连接，连接点处设有紧固锁孔27，过线卡盘22的侧壁上设有防滑槽28；所述的驱动线快拆卡锁24，由底部圆盘和柱形卡锁固定连接组成，驱动线快拆卡锁24的底部圆盘与驱动线23连接；所述的驱动线23穿过过线孔26，经过换向轮32与驱动电机输出轮33相连接；所述的柔性支撑骨架21为圆柱形结构，穿过紧固锁孔27；所述的柔性支撑快拆卡锁25为三角爪型结构，安装在柔性支撑骨架21的端部；

所述的驱动装置，主要由驱动电机安装基座31、换向轮32、驱动电机输出轮33、驱动电机34、驱动电机安装固定支架35和光电编码器36组成；

所述的驱动电机安装基座31为圆盘结构，中心设有柔性支撑安装孔，与柔性支撑骨架21相配合；柔性支撑安装孔的周围设有三个快拆卡锁安装槽，与柔性支撑快拆卡锁25相配合；驱动电机安装基座31的圆盘侧壁上设有防滑槽37，与保护套43相接触；所述的驱动电机34，在每组驱动装置上有三个，通过驱动电机安装固定支架35对称安装在驱动电机安装基座31的一侧；所述的驱动电机输出轮33，在每组驱动装置上有三个，安装在驱动电机安装基座31另一侧，均布在柔性支撑安装孔的周围，驱动电机输出轮33与驱动电机34的输出轴相连；所述的换向轮32，在每组驱动装置上有三个，安装在驱动电机安装基座31上，均匀布置在三个驱动电机输出轮33的外侧，保证驱动线23与驱动电机输出轮33外轮廓相切，电机输出轮33上设有多个驱动线防滑孔38，保证驱动线23与驱动电机输出轮33的稳固连接，电机输出轮33上设有两个相互垂直的输出轮安装孔39，通过螺钉将驱动电机输出轮33与电机输出轴相连接；所述的光电编码器36，在每组驱动装置上有三个，分别与换向轮32相连接，光电编码器36通过检测换向轮32的旋转圈数来测量驱动线23的伸缩量；

所述的驱动线23，其一端连接在驱动电机输出轮33上，依次通过换向轮32和过线孔26，另一端连接在驱动线快拆卡锁24的底部圆盘，通过驱动线快拆卡锁24与下一臂节的驱动电机安装基座锁线孔或顶部卡盘的锁线孔11相连接；所述的柔性支撑骨架21，其一端安装在驱动电机安装基座31的中心安装孔，柔性支撑骨架21穿过紧固锁孔27后，柔性支撑骨架21另一端的柔性支撑快拆卡锁25安装在下一节的驱动电机安装基座31的三个快拆卡锁安装槽中或安装在顶部卡盘的快拆卡锁安装槽12中，实现与下一臂节或末端执行装置的连接；

所述的外层保护装置，主要由紧固带41、连接扣42、保护套43和加强蛇皮网44组成；所述的保护套43套在装置的外部，每组外层保护装置的保护套43数量与每节臂的过线卡盘22及驱动电机安装基座31的总数量相一致；所述的紧固带41套在基座防滑槽37或顶部防滑槽13以及防滑槽28位置对应的保护套43上，并通过连接扣42进行固定；所述的加强蛇皮网44套在保护套43的夹层处，用于加强外层保护装置的强度。

所述的柔性支撑骨架21的材质为玻璃纤维。

所述的驱动电机34为直流减速驱动电机。

所述的保护套43的材质为橡胶。

本发明的有益效果：

(1)柔性臂末端结构的驱动线快拆卡锁及柔性支撑快拆卡锁是一种快速拆卸连接结构，主要功能是实现了多节连续型柔性臂的可重构连接；

(2)过线卡盘将驱动线的驱动力传递至柔性支撑骨架对应的位置处，保证了连续型机器人的柔顺变形，并采用内部镂空设计，在保证功能性的前提下实现整体臂节的轻量化；

(3)外层保护装置为可拆装式，同时可以满足对柔性臂节内部结构的保护作用及整体结构的可重构设计目的；

(4)采用分布式的驱动器布置方式，将驱动电机内置，避免了多节连续型柔性臂串联时基座处驱动装置过于庞大的问题，进而实现连续型臂节可重构设计的目的，此外将驱动电机内置，还可以巧妙的避开在运动控制时的驱动力解耦问题。

本发明可实现连续型机器人柔性臂节的可重构目标，通过柔性臂节的数量组合，结合每个柔性臂节根部的驱动电机-绳索驱动装置协同工作，可实现连续型机器人整体的复杂三维空间运动，并且具有控制简单可靠，易于操作的优点。

附图说明

图1(a)为顶部卡盘的主视图；

图1(b)为顶部卡盘的侧视图；

图1(c)为顶部卡盘安装末端执行装置的示意图；

图2(a)为柔性臂末端结构的示意图；

图2(b)为过线卡盘的主视图；

图2(c)为过线卡盘的侧视图；

图2(d)为驱动线快拆卡锁的等轴测示意图；

图2(e)为柔性支撑快拆卡锁的等轴测示意图；

图3(a)为驱动装置的俯视图；

图3(b)为驱动装置的主视图；

图3(c)为驱动装置的输出轮主视图；

图4(a)为外层保护装置的示意图；

图4(b)为紧固带和连接扣的示意图；

图5为分布式驱动装置的布置图；

图6为连续型机器人空间运动图。

图中：11锁线孔；12快拆卡锁安装槽；13顶部防滑槽；

21柔性支撑骨架；22过线卡盘；23驱动线；24驱动线快拆卡锁；

25柔性支撑快拆卡锁；26过线孔；27紧固锁孔；28防滑槽；

31驱动电机安装基座；32换向轮；33驱动电机输出轮；34驱动电机；

35驱动电机安装固定支架；36光电编码器；37基座防滑槽；

38驱动线防滑孔；39输出轮安装孔；

41紧固带；42连接扣；43保护套；44加强蛇皮网；

51驱动装置a；52驱动装置b。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明的静态结构：顶部卡盘的结构如图1(a)和图1(b)所示，顶部卡盘为圆盘结构，圆盘边缘均布设有三个锁线孔11，与末端臂节的驱动线快拆卡锁24相配合；圆盘中心周围设有三个快拆卡锁安装槽12，与柔性支撑快拆卡锁25相配合，用于将柔性支撑骨架21固定在顶部卡盘上；圆盘的侧壁上设有顶部防滑槽13，顶部防滑槽13与保护套43相接触；顶部卡盘外侧可安装末端执行装置摄像头或机械钳，顶部卡盘安装末端执行装置时如图1(c)所示。

本发明的可重构结构，包括三个部分，柔性臂末端结构、驱动装置和外层保护装置。

图2(a)～图2(e)是柔性臂节末端结构的示意图，柔性支撑骨架21的材料为玻璃纤维，柔性支撑骨架21与过线卡盘22在紧固锁孔27处固接，驱动线23通过过线孔26经由换向轮32连接至驱动电机输出轮33；柔性支撑快拆卡锁25与下节柔性臂驱动电机安装基座31的快拆卡锁安装槽或与顶部卡盘的快拆卡锁安装槽12相连接；防滑槽28与保护套43在对应位置相连接。

图3(a)～图3(c)为驱动装置的示意图，三个驱动电机34绕驱动电机安装基座31的中心呈120°圆周均布，实现平面内任意方向的弯曲。驱动线23经过换向轮32换向之后与驱动电机输出轮33连接，通过合理的设计换向轮32的位置，保证驱动线23始终与驱动电机输出轮33外轮廓相切，驱动线23在驱动电机输出轮33上缠绕，以保证驱动线23不会脱离换向轮32，电机输出轮33上设有6个驱动线防滑孔38，保证驱动线23与驱动电机输出轮33的稳固连接，电机输出轮33上设有两个相互垂直的输出轮安装孔39，通过吉米螺钉将输出轮33与电机输出轴相连接；驱动电机输出轮33与驱动电机34的输出轴相连，驱动电机34通过驱动电机安装固定支架35安装在驱动电机安装基座31上；光电编码器36通过检测换向轮32的旋转圈数来测量驱动线23的伸缩量。

图4(a)和图4(b)为外层保护装置，紧固带41通过连接扣42将保护套43与基座防滑槽37(或顶部防滑槽13)和防滑槽28位置紧固，加强蛇皮网44在保护套43的夹层处，作用是为了加强外部保护层强度。

图5为分布式驱动装置的布置图；驱动装置a51和驱动装置b52顺次连接，实现任意段重构和空间目标运动位姿。

本发明的动态驱动：如图6所示，控制驱动电机34的转速并结合光电编码器36的检测数值，来控制驱动电机输出轮33的转动，驱动电机输出轮33的转动带动驱动线23经过换向轮32穿过过线孔26连接至下节驱动电机安装基座31处的驱动电机安装基座锁线孔(或连接至顶部卡盘的锁线孔11)，在每个过线卡盘22与柔性支撑骨架21连接位置产生驱动力矩，使其发生弯曲变形，三个呈120°布置的驱动电机34配合控制能使机器人在平面内任意方向发生弯曲，多节串联可以产生空间任意弯曲，实现本发明的动态驱动。

Claims (5)

1.可重构线驱动连续型机器人，其特征在于，所述的机器人主要由端部连接结构、柔性臂末端结构、驱动装置和外层保护装置组成；

所述的端部连接结构，为顶部卡盘或驱动电机安装基座(31)；当臂节为末端臂节时，端部连接结构为顶部卡盘，顶部卡盘为圆盘结构，圆盘边缘对称设有三个锁线孔(11)，与当前臂节的驱动线快拆卡锁(24)相配合；顶部卡盘中心周围设有快拆卡锁安装槽(12)，与柔性支撑快拆卡锁(25)相配合，用于将柔性支撑骨架(21)固定在顶部卡盘上；顶部卡盘的侧壁上设有顶部防滑槽(13)，顶部防滑槽(13)与保护套(43)相接触；顶部卡盘外侧安装末端执行装置；当臂节为中间臂节时，端部连接结构为驱动电机安装基座(31)，驱动电机安装基座(31)圆周均布三个驱动电机安装基座锁线孔，与前段臂节的驱动线快拆卡锁(24)相配合，驱动电机安装基座(31)中心安装孔的周围设有三个卡槽，与柔性支撑快拆卡锁(25)相配合；

所述的柔性臂末端结构，主要由柔性支撑骨架(21)、过线卡盘(22)、驱动线(23)、驱动线快拆卡锁(24)和柔性支撑快拆卡锁(25)组成；

所述的过线卡盘(22)，为圆环结构，圆环上均布三个过线孔(26)，三个连接支架的一端固定在圆环上，另一端在圆环的中心相连接，连接点处设有紧固锁孔(27)，过线卡盘(22)的侧壁上设有防滑槽(28)；所述的驱动线快拆卡锁(24)，由底部圆盘和柱形卡锁固定连接组成，驱动线快拆卡锁(24)的底部圆盘与驱动线(23)连接；所述的驱动线(23)穿过过线孔(26)，经过换向轮(32)与驱动电机输出轮(33)相连接；所述的柔性支撑骨架(21)为圆柱形结构，穿过紧固锁孔(27)；所述的柔性支撑快拆卡锁(25)为三角爪型结构，安装在柔性支撑骨架(21)的端部；

所述的驱动装置，主要由驱动电机安装基座(31)、换向轮(32)、驱动电机输出轮(33)、驱动电机(34)、驱动电机安装固定支架(35)和光电编码器(36)组成；

所述的驱动电机安装基座(31)为圆盘结构，中心设有柔性支撑安装孔，与柔性支撑骨架(21)相配合；柔性支撑安装孔的周围设有三个快拆卡锁安装槽，与柔性支撑快拆卡锁(25)相配合；驱动电机安装基座(31)的圆盘侧壁上设有防滑槽(37)，与保护套(43)相接触；所述的驱动电机(34)，在每组驱动装置上有三个，通过驱动电机安装固定支架(35)对称安装在驱动电机安装基座(31)的一侧；所述的驱动电机输出轮(33)，在每组驱动装置上有三个，安装在驱动电机安装基座(31)另一侧，均布在柔性支撑安装孔的周围，驱动电机输出轮(33)与驱动电机(34)的输出轴相连；所述的换向轮(32)，在每组驱动装置上有三个，安装在驱动电机安装基座(31)上，均匀布置在三个驱动电机输出轮(33)的外侧，保证驱动线(23)与驱动电机输出轮(33)外轮廓相切，电机输出轮(33)上设有多个驱动线防滑孔(38)，保证驱动线(23)与驱动电机输出轮(33)的稳固连接，电机输出轮(33)上设有两个相互垂直的输出轮安装孔(39)，通过螺钉将驱动电机输出轮(33)与电机输出轴相连接；所述的光电编码器(36)，在每组驱动装置上有三个，分别与换向轮(32)相连接，光电编码器(36)通过检测换向轮(32)的旋转圈数来测量驱动线(23)的伸缩量；

所述的驱动线(23)，其一端连接在驱动电机输出轮(33)上，依次通过换向轮(32)和过线孔(26)，另一端连接在驱动线快拆卡锁(24)的底部圆盘，通过驱动线快拆卡锁(24)与下一臂节的驱动电机安装基座锁线孔或顶部卡盘的锁线孔(11)相连接；所述的柔性支撑骨架(21)，其一端安装在驱动电机安装基座(31)的中心安装孔，柔性支撑骨架(21)穿过紧固锁孔(27)后，柔性支撑骨架(21)另一端的柔性支撑快拆卡锁(25)安装在下一节的驱动电机安装基座(31)的三个快拆卡锁安装槽中或安装在顶部卡盘的快拆卡锁安装槽(12)中，实现与下一臂节或末端执行装置的连接；

所述的外层保护装置，主要由紧固带(41)、连接扣(42)、保护套(43)和加强蛇皮网(44)组成；所述的保护套(43)套在装置的外部，每组外层保护装置的保护套(43)数量与每节臂的过线卡盘(22)及驱动电机安装基座(31)的总数量相一致；所述的紧固带(41)套在基座防滑槽(37)或顶部防滑槽(13)以及防滑槽(28)位置对应的保护套(43)上，并通过连接扣(42)进行固定；所述的加强蛇皮网(44)套在保护套(43)的夹层处，用于加强外层保护装置的强度。

2.根据权利要求1所述的可重构线驱动连续型机器人，其特征在于，所述的柔性支撑骨架(21)的材质为玻璃纤维。

3.根据权利要求1或2所述的可重构线驱动连续型机器人，其特征在于，所述的驱动电机(34)为直流减速驱动电机。

4.根据权利要求1或2所述的可重构线驱动连续型机器人，其特征在于，所述的保护套(43)的材质为橡胶。

5.根据权利要求3所述的可重构线驱动连续型机器人，其特征在于，所述的保护套(43)的材质为橡胶。