CN109397331B - 可伸缩机构、机械臂及机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种可伸缩机构，所述可伸缩机构包括至少两个柔性单元，相邻的所述柔性单元之间嵌套设置；驱动绳组件，所述驱动绳组件连接所述柔性单元；驱动器，连接所述驱动绳组件，所述驱动器延伸和回缩所述驱动绳组件中的驱动绳改变柔性单元的嵌套重合的距离。本发明还提供一种应用上述可伸缩机构的机械臂及机器人系统。本发明提供的所述可伸缩机构通过模块化的关节和绳索驱动的方式实现柔性伸缩，在保证自身对外部执行机构柔性支撑的基础上实现伸缩调节，能够同时解决空间紧凑度不足和工作能力受限的问题，具有广泛的应用前景。所述机械臂及机器人系统能够通过上述的可伸缩机构自如地调节自身工作范围，空间灵活度和作业能力提高。

Description

可伸缩机构、机械臂及机器人系统

技术领域

本发明涉及机器人设计技术领域，尤其涉及一种可伸缩机构、机械臂及机器人系统。

背景技术

机器人技术的不断发展，使得柔性机械臂的应用与研究方兴未艾。柔性机械臂具有无限的自由度，这使得机器人系统能够满足更多的工况环境，在与外界环境发生碰撞时，也能够更好保护自己和环境部件。但是目前的柔性机械臂，还不能解决柔性伸缩问题，柔性机械臂在过长时会占用较大的体积空间，空间紧凑度不足；在过短时又受限于工作空间的狭隘，会制约机器人系统的工作能力。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种可伸缩机构、机械臂及机器人系统，该可伸缩机构能够实现自身的伸缩，使用该可伸缩机构的机械臂及机器人系统具有相对较高的工作能力。

本发明一种可伸缩机构，所述可伸缩机构包括：

至少两个柔性单元，相邻的所述柔性单元之间嵌套设置；

驱动绳组件，所述驱动绳组件连接所述柔性单元；

驱动器，连接所述驱动绳组件，所述驱动器延伸和回缩所述驱动绳组件中的驱动绳改变柔性单元的嵌套重合的距离。

进一步地，所述驱动绳组件包括回缩驱动绳，所述回缩驱动绳一端连接所述驱动器，另一端与所述柔性单元的芯体固定。

进一步地，任一所述柔性单元连接至少一根回缩驱动绳。

进一步地，任一所述柔性单元周向分布若干回缩驱动绳。

进一步地，所述回缩驱动绳穿过所述柔性单元的芯体，与所述柔性单元的第二端固定。

进一步地，所述驱动绳组件包括延伸驱动绳，所述延伸驱动绳一端连接驱动器，另一端依次穿过所述至少两个柔性单元的第一端和第二端，并与其中一个柔性单元固定。

进一步地，所述芯体包括第一芯体以及第二芯体，所述柔性单元包括端面支撑环，所述第一芯体与第二芯体通过端面支撑环连接。

进一步地，所述柔性单元包括至少一个中间支撑环，所述中间支撑环固定在所述柔性单元的第一芯体和第二芯体之间，并且分布在所述柔性单元的第一端和第二端之间。

进一步地，所述柔性单元还包括导向环，所述导向环成对设置，所述导向环设置在第二芯体的第二端，以及嵌套在所述第二芯体内的相邻的柔性单元第一芯体的第一端；

或者，所述导向环设置在第二芯体的第一端，以及相邻的嵌套在所述第二芯体内的柔性单元第一芯面的第二端。

进一步地，所述柔性单元包括导向环，所述导向环成对设置，所述导向环设置在第二芯体的第二端，以及相邻的柔性单元第一芯体的第一端；

或者，所述导向环设置在第二芯体的第一端，以及相邻的柔性单元第一芯面的第二端。

进一步地，相邻的两个所述柔性单元之间的过度区域还设置有过渡环，所述过渡环在与其延伸方向相垂直的横截面为逐渐收缩的圆环。

进一步地，所述过渡环上开设有导绳槽，所述导绳槽用于导向所述驱动绳组件的移动。

进一步地，所述至少两个柔性单元包括初级柔性单元和末级柔性单元，所述末级柔性单元的第二端设置有连接盘，所述连接盘用于连接外部执行机构。

本发明提供一种机械臂，包括可伸缩机构，所述可伸缩机构为上述任意一项所述的可伸缩机构。

本发明提供一种机器人系统，包括机械臂，所述机械臂为上述的机械臂。本发明提供的所述可伸缩机构通过模块化的关节和绳索驱动的方式实现柔性伸缩，在保证自身对外部执行机构柔性支撑的基础上实现伸缩调节，能够同时解决空间紧凑度不足和工作能力受限的问题，具有广泛的应用前景。本发明还提供一种应用上述可伸缩机构的机械臂及机器人系统，所述机械臂及机器人系统能够通过上述的可伸缩机构自如地调节自身工作范围，空间灵活度和作业能力提高。

附图说明

图1为本发明一个实施方式中可伸缩机构的结构示意图；

图2为图1所示可伸缩机构省略部分结构后的剖视示意图；

图3为图1所示多个柔性单元的结构示意图；

图4为图3所示多个柔性单元的分解示意图；

图5为图4所示多个柔性单元省略部分结构后的分解示意图；

图6为图3所示第一柔性单元的结构示意图；

图7为图6所示第一柔性单元的分解示意图；

图8为图2所示可伸缩机构中部分结构的放大示意图；

图9为图1所示可伸缩机构中过渡环的结构示意图。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“装设于”另一个组件，它可以直接装设在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1及图2，图1为本发明一个实施方式中可伸缩机构100的结构示意图，图2为图1所示可伸缩机构100省略部分结构后的剖视示意图。可伸缩机构100用于实现自身的柔性伸缩，从而调节自身的长度。

本实施方式中，可伸缩机构100应用于机器人系统的机械臂中，其作为机器人系统中执行机构的一部分，能够支撑并驱动机械手(图未示)移动，并且依靠自身的柔性和无限自由度高效地执行指定动作，完成作业任务，不仅可以节约人工，还能够进一步地提高生产质量和生产效率。需要说明的是，这里所说的作业任务，可以是机器人系统已有应用的工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造或太空探索，当然也可以是除此之外在其他领域的作业任务，只要可伸缩机构100支撑并驱动的机械手能够完成该任务即可。

可以理解，在其他的实施方式中，可伸缩机构100还可以应用于除机器人系统之外的其他领域，例如可伸缩机构100还可以应用于家具支撑、物流运输等其他领域。

可伸缩机构100包括驱动器10、驱动绳组件20以及至少两个柔性单元30，两个柔性单元30之间嵌套设置，驱动绳组件20的一端连接于驱动器10，另一端连接于每个柔性单元30处，驱动器10延伸和回缩驱动绳组件20中的驱动绳来改变柔性单元31嵌套重合的距离；驱动器10用于控制驱动绳组件20收放，驱动绳组件20用于控制至少两个柔性单元30之间的嵌套重合距离，柔性单元30用于支撑外部执行机构，驱动器10通过控制驱动绳组件20的收放程度来调节两个柔性单元30之间的嵌套重合距离，从而实现可伸缩机构100的伸缩调节。

本实施方式中，柔性单元30的数量为三个，设置数量较多的柔性单元30，能够扩大可伸缩机构100的运动行程，提高可伸缩机构100的工作能力。可以理解，在其他的实施方式中，柔性单元30的数量可以为三个以上，也可以为两个，只要有两个及两个以上的柔性单元30之间相互嵌套，至少两个柔性单元30之间的嵌套重合距离可调即可。

驱动器10用于收放驱动绳组件20，驱动器10可以采用现有的卷扬机形式，通过驱动电机(图未示)拉动轮盘(图未示)上的绳索缠绕来拉动绳索；驱动器10也可以采用直线电机直接拉动绳索或利用传动组件将电机的回转运动转换为直线运动再行拉动绳索。可以理解，在其他的实施方式中，驱动器10还可以采用除现有的卷扬机形式、直线电机直驱形式以及电机间接驱动形式之外的其他形式的驱动器结构，只要驱动器10能够实现对驱动绳组件20的驱动即可。

驱动绳组件20用于控制多个柔性单元30之间的嵌套重合距离，通过改变多个柔性单元30之间的嵌套程度，调节可伸缩机构100的长度。当两个柔性单元30在驱动绳组件20的牵引下，其嵌套重合程度增加时，可伸缩机构100的长度减少；当两个柔性单元30在驱动绳组件20的牵引下，其嵌套重合程度减少时，可伸缩机构100的长度增加。

驱动绳组件20包括驱动绳，所述驱动绳包括一组回缩驱动绳21及一组延伸驱动绳22，回缩驱动绳21及延伸驱动绳22的数量均为多个，回缩驱动绳21仅穿设一个柔性单元30，使得每个柔性单元30上都分布若干回缩驱动绳21，回缩驱动绳21用于控制柔性单元30的回缩；延伸驱动绳22延伸并穿设每个柔性单元30，延伸驱动绳22用于控制多个柔性单元30一并延伸。

回缩驱动绳21的一端连接驱动器10，另一端与柔性单元30固定。任一柔性单元30连接至少一根回缩驱动绳21，具体的，每一个柔性单元30上固定至少一根所述回缩驱动绳21，每一个柔性单元30上沿周向分布若干回缩驱动绳。回缩驱动绳21贯穿对应连接的柔性单元30的两端，回缩驱动绳21的一端卡抵在柔性单元30的端面处，其可以沿可伸缩机构100的收缩方向拉动柔性单元30。

本实施方式中，每一个柔性单元30上分布有四根回缩驱动绳21，四根回缩驱动绳21驱动一个柔性单元30的回缩作动，四根回缩驱动绳21在柔性单元30的周向上均匀分布，此时柔性单元30的作动相对稳定。可以理解，在其他的实施方式中，回缩驱动绳21还可以采用其他的数量配设柔性单元30，例如驱动每个柔性单元30回缩的回缩驱动绳21还可以为一个、两个、三个及四个以上，设置较多的回缩驱动绳21有助于提高柔性单元30回缩时的稳定性；多个回缩驱动绳21的布设方式也可以采用除均匀周向布设之外的其他方式。

延伸驱动绳22顺次穿设多个柔性单元30，具体地，延伸驱动绳22的一端连接于驱动器10，另一端穿设柔性单元30，延伸驱动绳22穿设多个柔性单元30，使得延伸驱动绳22可以在驱动器10回收自身时，通过自身的穿设和移动增加多个柔性单元30之间的嵌套重合程度，从而实现可伸缩机构100的延伸。

本实施方式中，延伸驱动绳22的数量为四根，四根延伸驱动绳22在柔性单元30自身的周向均匀分布。可以理解，在其他的实施方式中，延伸驱动绳22的数量还可以为一个、两个、三个或四个以上，只要延伸驱动绳22能够实现对柔性单元30的延伸驱动即可。

所述驱动绳还包括用于驱动柔性单元弯曲的弯曲驱动绳(图未示)，所述弯曲驱动绳一端连接驱动器，另一端与所述柔性单元固定，该弯曲驱动绳作用于每个柔性单元30，用于控制柔性单元30弯曲，任一柔性单元周向分布若干弯曲驱动绳，具体的，每一个柔性单元上周向分布若干弯曲驱动绳。所述驱动器选择性的回缩弯曲驱动绳以弯曲伸缩结构，从而实现可伸缩机构100在空间上的弯扭和移动。

在本实施方式中，回缩驱动绳21可作为弯曲驱动绳，当四根回缩驱动绳21中的一根回缩，而另外三根不回缩时，柔性单元30就表现为空间上的单向弯曲，此时弯曲驱动绳无需额外设置。可以理解，当回缩驱动绳21还负责弯曲驱动的作用时，回缩驱动绳21的数量需要为三个及三个以上，如此设置，回缩驱动绳21才可以满足可伸缩机构100在空间分布上的弯曲驱动。

当然，当回缩驱动绳21不承担弯曲驱动的工作任务时，回缩驱动绳21的数量依然可以设置为1个及2个，此时可伸缩机构100需要设置额外的弯曲驱动绳来驱动柔性单元30弯曲。

本实施方式中，回缩驱动绳21与延伸驱动绳22均采用非弹性绳，以匹配可伸缩机构100的弹性运动特性，更好地实现自身在可伸缩机构100内的滑动。当然，在其他的实施方式中，回缩驱动绳21与延伸驱动绳22也可以采用弹性绳，此时弹性绳能承受的力可以大于使柔性单元30伸缩或者变形弯曲的阻力。

请一并参阅图3至图5，图3为图1所示多个柔性单元30的结构示意图，图4为图3所示多个柔性单元30的分解示意图，图5为图4所示多个柔性单元30省略部分结构后的分解示意图。柔性单元30是可伸缩机构100实现伸缩的模块化关节，其能够在柔性弯曲的基础上实现关节模块之间的收缩延长，多个柔性单元30之间相互嵌套并构成可伸缩机构100能够延展的主体部分。

为了详细阐释柔性单元30的结构，本发明先描述每个柔性单元30都具有的通用结构，再结合标号描述本实施方式中各个柔性单元30的具体结构。

每个柔性单元30包括芯体(未标号)，所述芯体包括相对设置的第一芯体(未标号)以及第二芯体(未标号)，所述第一芯体为外芯，所述第二芯体为内芯，所述第二芯体嵌套在第一芯体内部，所述第一芯体为圆筒状，所述第二芯体为圆筒状，第一芯体的半径大于第二芯体，第一芯体和第二芯体之间形成中空的区域，所述中空区域设置有若干支撑环(未标号)，所述第一芯体与第二芯体通过支撑环连接，第二芯体的内部近端还设置有导向环(未标号)，延伸驱动绳22穿设该导向环。

本发明中，每个柔性单元30的第一芯体和第二芯体从俯视看是封闭的结构，内或内部指形成封闭的里边或界线内的地方或空间，第一芯体的内部和外部，第二芯体的内部和外部。

每个柔性单元30均包括第一端301和第二端302，所述第一端301为近端，所述近端为相对靠近驱动器10的一端，所述第二端302为远端，所述远端为相对远离驱动器10的一端。在所述第一端301上设置有近端支撑环(未标号)，在所述第二端302上设置有远端支撑环(未标号)，近端支撑环和远端支撑环之间设置有若干中间支撑环(未标号)。

本实施方式中，柔性单元30的数量为三个，分别为初级柔性单元31、次级柔性单元32及末级柔性单元33，末级柔性单元33嵌套在次级柔性单元32的内部，次级柔性单元32嵌套在初级柔性单元31的内部，三个柔性单元30之间的嵌套，使得当相邻的两个柔性单元30之间的嵌套重合距离改变时，可伸缩机构100的长度能够随之变化，从而适应不同工况的要求。

进一步地，由于柔性单元30的数量为三个，因此回缩驱动绳21的数量对应设置为12根，其中四根回缩驱动绳21对应连接初级柔性单元31，四根回缩驱动绳21对应连接次级柔性单元32，余下的四根回缩驱动绳21对应连接末级柔性单元33。

此时，延伸驱动绳22的一端连接驱动器10，另一端顺次穿设嵌套的至少两个柔性单元30的第一端301和第二端302，延伸驱动绳22与柔性单元30的接触部分形成滑动连接，延伸驱动绳22的另一端卡抵于在最末级柔性单元30的端面处。延伸驱动绳22蜿蜒地穿设柔性单元30，使得延伸驱动绳22可以在驱动器10回收所述延伸驱动绳22时，通过移动使柔性单元30远端和下一级柔性单元30的近端相互靠近，增加多个柔性单元30之间的嵌套重合程度，从而实现机械臂100的延伸。

可以理解，在其他的实施方式中，柔性单元30的数量还可以为两个或者三个以上，也即在初级柔性单元31与末级柔性单元33之间设置多个次级柔性单元32，或者不设置次级柔性单元32，只要初级柔性单元能够与末级柔性单元相互嵌套即可。两个柔性单元30之间嵌套重合距离的改变就能够实现可伸缩机构100的长度变化，当柔性单元30的数量发生变化时，回缩驱动绳21及延伸驱动绳22的数量也可以对应调整，例如在每个柔性单元30上仅配设一根回缩驱动绳21时，可伸缩机构100上就需要配设三根回缩驱动绳21来分别驱动一个柔性单元30。

本实施方式中，末级柔性单元33的长度小于次级柔性单元32的长度，次级柔性单元32的长度小于初级柔性单元31的长度，以匹配可伸缩机构100在作业时的强度要求。当然，在其他的实施方式中，多个柔性单元30之间的长度还可以按照其他方式设置。

请一并参阅图2、图6及图7，图6为图3所示初级柔性单元31的结构示意图，图7为图6所示初级柔性单元31的分解示意图。初级柔性单元31包括初级芯体311、初级端面支撑环312及初级导向环313，初级端面支撑环312的数量为两个，分别设置在初级芯体311的两个端面处，其一为上述的近端支撑环，设置在靠近第一端301的位置上；另一个为远端支撑环，设置在靠近第二端302的位置上。

初级导向环313设置在初级芯体311远离驱动器10一端的端面处，初级芯体311用于弹性支撑次级柔性单元32，初级端面支撑环312用于增加初级柔性单元31的刚性，避免出现初级柔性单元31在伸缩过程中因自身弹性过大仅发生局部剧烈变形，导致伸缩移动失败的情形，初级导向环313用于导向次级柔性单元32的伸缩移动。

初级芯体311是初级柔性单元31的主体，其套设次级柔性单元32，初级芯体311大致呈圆筒形，其由弹性材料制成，初级芯体311依靠自身的弹性支撑次级柔性单元32。

本实施方式中，初级芯体311为内芯，其采用内芯作为主体结构，也即初级芯体311为第一芯体，此时初级端面支撑环312及初级导向环313均套设在内芯的外侧面上，初级柔性单元31通过内芯嵌套次级柔性单元32与末级柔性单元33。

可以理解，初级芯体311还可以为外芯，其采用外芯为主体结构，也即初级芯体311为第二芯体，当初级芯体311为外芯时，初级端面支撑环312及初级导向环313均嵌设在外芯的内侧面上，初级柔性单元31通过外芯嵌套次级柔性单元32与末级柔性单元33。

为了便于描述，本发明后文均以初级芯体311采用内芯作为主体结构的方案作为描述对象。

初级端面支撑环312大致呈圆环状，初级端面支撑环312的数量分别为两个，两个初级端面支撑环312分别固定在初级芯体311的两个端面处，靠近驱动器10的初级端面支撑环312固定连接于驱动器10，从而实现初级柔性单元31与驱动器10之间的固定连接。初级端面支撑环312供回缩驱动绳21及延伸驱动绳22穿设，对应于第一柔性单元30的回缩驱动绳21一端固定连接于驱动器10，另一端卡抵于远离驱动器10的初级端面支撑环312；延伸驱动绳22贯穿两个初级端面支撑环312后再连接于次级柔性单元32，从而实现初级柔性单元31与次级柔性单元32的作动联动。

本实施方式中，初级端面支撑环312通过胶固的方式固定在初级芯体311上。当然，在其他的实施方式中，初级端面支撑环312还可以通过除胶固之外的其他方式固定在初级芯体311上。

初级导向环313大致呈圆环状，其装设在初级芯体311中远离驱动器10的端面处，初级导向环313的端面与初级芯体311的端面大致平齐，初级导向环313用于导向嵌套在初级芯体311内的次级柔性单元32，使得次级柔性单元32能够顺畅地在初级柔性单元31内滑动。初级导向环313还具有限位功能，初级导向环313用于限位相临近的次级柔性单元32的运动行程，当次级柔性单元32运动至最大运动行程处时，初级导向环313会卡抵次级柔性单元32的部分结构(即后文次级柔性单元32中的次级导向环323)并限制次级柔性单元32的移动，从而将次级柔性单元32限位在初级柔性单元31的内部，避免次级柔性单元32与初级柔性单元31在过大的绳驱作用力下分离。

当然，若不考虑对行程的限位，初级导向环313也可以省略。

本实施方式中，为了进一步提高初级柔性单元31的刚性，初级芯体311的外壁上还设置有初级中间支撑环314，初级中间支撑环314供回缩驱动绳21与延伸驱动绳22穿设，不仅能够进一步提高初级柔性单元31的刚度，保证初级柔性单元31在伸缩时的刚度和运动稳定性，而且可以导向回缩驱动绳21与延伸驱动绳22的运动，提高回缩驱动绳21与伸缩驱动绳22运动的稳定性与可靠性。

进一步地，初级中间支撑环314的数量为三个，三个初级中间支撑环314相互间隔设置，初级中间支撑环314通过胶固的方式固定在初级芯体311的外壁上。可以理解，在其他的实施方式中，初级中间支撑环314的数量还可以除三个之外的其他数量，初级中间支撑环314的固定方式以及多个初级中间支撑环314的排布方式也不仅限于上述描述的方式，只要能够实现初级中间支撑环314的固定和对初级芯体311的刚度提高即可。当然，若初级芯体311的刚度满足需要，初级中间支撑环314也可以省略。

本实施方式中，由于初级芯体311采用内芯作为相互嵌套的支撑体，为了将内芯与外界环境隔绝以保护内芯，初级柔性单元31在内芯及两个初级端面支撑环312的外侧圆周上还同时设置了外芯，也即同时设置了第一芯体(内芯)与第二芯体(外芯)，标号第二芯体为315，此时初级第二芯体315包覆初级柔性单元31的初级芯体311(第二芯体)，初级端面支撑环312、初级导向环313、初级中间支撑环314均嵌套在初级第二芯体315的内侧圆周面处，在内芯的外侧面上包覆初级第二芯体315能够进一步提高可伸缩机构100的可靠性和美观度，并且提高初级柔性单元31整体的连接可靠性。

当然，若不考虑对内芯的保护以及初级柔性单元31整体连接可靠性的提升，初级第二芯体315也可以省略。

同样的原理，若初级芯体311采用外芯作为初级柔性单元31的主体结构，为了进一步保证初级柔性单元31的整体连接可靠性，外芯的内侧面处还可以设置内芯，此时初级端面支撑环312、初级导向环313、初级中间支撑环314均套设在内芯的外侧面上。

总结而言，初级柔性单元31可以以择一或者并列的方式挑选第一芯体(内芯)或者第二芯体(外芯)作为初级芯体311的结构，当初级芯体311采用内芯时，初级芯体311的外部可以设置外芯，也可以不设置外芯；当初级芯体311采用外芯时，初级芯体311的内部可以设置内芯，也可以不设置内芯。

次级柔性单元32的结构与初级柔性单元31类似，次级柔性单元32包括次级芯体321(内芯，也即次级第一芯体)、次级端面支撑环322、次级导向环323、次级中间支撑环324及次级第二芯体325，次级柔性单元32中次级芯体321、次级端面支撑环322、次级导向环323、次级中间支撑环324及次级第二芯体325的作用及连接关系与初级柔性单元31中的初级芯体311、初级端面支撑环312、初级导向环313、初级中间支撑环314及初级第二芯体315的作用及连接关系对应相同，在此不作赘述。

需要说明的是，次级柔性单元32中的次级导向环323、次级中间支撑环324及次级第二芯体325也可以省略。

此外，为了与初级柔性单元31选择内芯作为主体结构，次级芯体321也选择内芯作为第二柔性单元31的主体结构。可以理解，若初级柔性单元31选择外芯作为主体结构，那么次级芯体321需要选择外芯作为第二柔性单元31的主体结构，也即初级柔性单元31与次级柔性单元32在主体结构的选择上保持一致，以避免安装干涉、无法装配等问题的出现。

末级柔性单元33的结构也与初级柔性单元31类似，末级柔性单元33包括末级芯体331、末级端面支撑环332、末级中间支撑环334及末级第二芯体335，末级柔性单元33中末级芯体331、末级端面支撑环332、第三导向环333、末级中间支撑环334及末级第二芯体335的作用及连接关系与与初级柔性单元31中的初级芯体311、初级端面支撑环312、初级导向环313、初级中间支撑环314及初级第二芯体315的作用及连接关系对应相同，在此不作赘述。

需要说明的是，由于初级柔性单元31仅需要对次级柔性单元32的最大伸缩量进行限位，因此初级导向环313的数量仅为一个，设置在初级柔性单元31远离驱动器10的端面处；次级柔性单元32需要与初级柔性单元31及末级柔性单元33相互限位，因此次级导向环323的数量设置为两个，分别设置在次级柔性单元32的两端；末级柔性单元33仅与第二柔性单元相互限位，因此末级柔性单元333的数量仅为一个，设置在末级柔性单元33靠近驱动器10的端面处。当然，若不考虑相互限位，初级导向环313、次级导向环323及第三导向环333均可省略；此外，末级柔性单元33中的末级中间支撑环334及末级第二芯体335也是可以省略的。

同样的道理，末级柔性单元33也需要与初级柔性单元31及次级柔性单元32在主体结构的选择上保持一致，若初级柔性单元31及次级柔性单元32选择内芯作为主体结构，那么末级柔性单元33也需要选择内芯作为主体结构；初级柔性单元31及次级柔性单元32选择外芯作为主体结构，那么末级柔性单元33也需要选择外芯作为主体结构，以避免安装干涉、无法装配等问题的出现。可以理解，每个柔性单元30内均需设置芯体以及两个端面支撑环，安装在芯体端部的导向环以及进一步增加芯体刚度的中间支撑环可以根据工况要求选取安装；芯体采用内芯还是外芯，也可以根据实际的工况要求选取。

次级柔性单元32的次级端面支撑环322伸入初级柔性单元31的初级端面支撑环312内部，并形成相互重叠的部分；末级柔性单元33的末级端面支撑环332伸入次级柔性单元32的次级端面支撑环322内部，也形成相互重叠的部分。驱动器10通过收放驱动绳组件20调节三个柔性单元30之间的嵌套重合距离，从而改变可伸缩机构100的长度。

请再参阅图8，图8为图2所示可伸缩机构100中部分结构的放大示意图。图8示意图延伸驱动绳22的包饶方向，下面结合图8描述延伸驱动绳22的包饶方式：

延伸驱动绳22的一端卡抵在两个末级端面支撑环332中更靠近驱动器10的末级端面支撑环332上，延伸驱动绳22通过卡抵的方式实现自身与末级柔性单元33的相互连接；

延伸驱动绳22自上述的末级端面支撑环332处包饶至两个次级端面支撑环322中相对远离驱动器10的次级端面支撑环322处，延伸驱动绳22通过穿设的方式实现自身与次级柔性单元32的相互连接；

延伸驱动绳22再穿过上述的次级端面支撑环322并且延伸至另一个次级端面支撑环322处，延伸驱动绳22再包饶靠近驱动器10的次级端面支撑环322并且延伸至相对远离驱动器10的初级端面支撑环312处，延伸驱动绳22再穿过两个初级端面支撑环312并连接于驱动器10，从而实现自身与第一柔性单元33的相互连接。

下面再阐释可伸缩机构100伸缩调节的原理：

(1)可伸缩机构100的延伸：驱动器10回收延伸驱动绳22，由于延伸驱动绳22的一端连接于驱动器10，另一端卡抵在两个末级端面支撑环332中更靠近驱动器10的末级端面支撑环332上，因此延伸驱动绳22一端的回收会牵引延伸驱动绳22另一端的回收；由于延伸驱动绳22连接末级柔性单元33相对于驱动器10的近端和次级柔性单元32相对于驱动器10的远端，因此延伸驱动绳22的回收会减少次级柔性单元32和末级柔性单元33之间的嵌套重合程度；同理，延伸驱动绳22也连接次级柔性单元32相对于驱动器10的近端和初级柔性单元31相对于驱动器10的远端，因此延伸驱动绳22的回收也会减少次级柔性单元32和初级柔性单元31之间的嵌套重合程度，驱动器10对延伸驱动绳22的回收，减少了多个柔性单元30之间的嵌套重合程度，从而实现了可伸缩机构100的延伸；

(2)可伸缩机构100的收缩：驱动器10控制回缩驱动绳21缩回，由于回缩驱动绳21与对应的柔性单元30相连接，因此回缩驱动绳21的回缩将牵引对应的柔性单元30回缩，增大了对应连接的柔性单元30与套设自身的柔性单元30之间的嵌套重合程度；各级的回缩驱动绳21控制对应级别的柔性单元30回缩，多个柔性单元30之间以关节嵌套的形式减少整体的长度，从而实现了可伸缩机构100的收缩。

上述是以三个柔性单元30为例描述可伸缩机构100的延伸和收缩，可以理解，柔性单元30的数量为两个或者三个以上时，可伸缩机构100的延伸和收缩原理相同，在此不做赘述。

请再参阅图1，在本实施方式中，第三柔性单元30远离驱动器10的一端上还设置有连接盘40，连接盘40固设在第三柔性单元30的端面上，连接盘40用于连接机器人系统中的机械手，从而实现机械手与可伸缩机构100的固定连接。

请一并参阅图9，图9为图1所示可伸缩机构100中过渡环50的结构示意图。在本实施方式中，相邻的两个柔性单元30之间设置有过渡环50，过渡环50在与其延伸方向相垂直的横截面为逐渐收缩的圆环状，过渡环50为设置在两个柔性单元30之间的过渡段，过渡环50用于均匀过渡柔性单元30的外径变化，使得整个可伸缩机构100的臂长均匀变化，从而缓解可伸缩机构100上的应力集中，进一步提高可伸缩机构100的可靠性与稳定性。

进一步地，由于本实施方式中柔性单元30的数量为三个，因此过渡环50的数量为两个，分别设置在初级柔性单元31与次级柔性单元32之间，以及次级柔性单元32与末级柔性单元33之间。可以理解，当柔性单元30的数量改变时，过渡环50的数量也可以对应配设。

本实施方式中，过渡环50上开设有导绳槽51，导绳槽51用于供延伸驱动绳22穿设，从而实现对延伸驱动绳22的导向。导绳槽51的形状不限于图示的矩形，还可以采用圆形等其他形状。

过渡环50上还开设有螺纹孔52，过渡环50通过螺纹孔52用于螺接对应的柔性单元30，从而实现过渡环50与对应的柔性单元30之间的相互固定。例如，当过渡环50装设在初级柔性单元31上时，过渡环50通过螺纹孔52螺接初级柔性单元31中的初级端面支撑环312；当过渡环50装设在次级柔性单元32上时，过渡环50通过螺纹孔52螺接次级柔性单元32中的次级端面支撑环322。

当然，若过渡环50采用除螺纹连接之外的其他方式固设在对应的柔性单元30上，过渡环50上的螺纹孔52也可以省略。

本实施方式中，驱动器10与初级柔性单元31之间还设置有驱动连接器60，驱动连接器60用于导向驱动绳组件20的移动，使得驱动绳组件20能够顺畅地通过各个柔性单元30到达驱动器10处。

本实施方式中，为了进一步顺畅驱动绳组件20的移动，多个柔性单元30中供回缩驱动绳21与延伸驱动绳22穿设的部件上均设置有过绳孔(图未示)，回缩驱动绳21与延伸驱动绳22贯穿过绳孔，并与过绳孔滑动连接。

具体地，本实施方式中的初级柔性单元31中的初级端面支撑环312、初级导向环313及初级中间支撑环314上开设有过绳孔(图未示)，次级柔性单元32中的次级端面支撑环322、次级导向环323及次级中间支撑环324上开设有过绳孔，以及末级柔性单元33中末级端面支撑环332及末级中间支撑环334上开设有过绳孔。

进一步地，初级柔性单元31中的初级端面支撑环312、初级导向环313及初级中间支撑环314上开设的过绳孔(图未示)，次级柔性单元32中的次级端面支撑环322、次级导向环323及次级中间支撑环324上开设的过绳孔，以及末级柔性单元33中末级端面支撑环332及末级中间支撑环334上开设的过绳孔均具有倒角。倒角的开设，能够提高驱动绳组件20在过绳孔内的穿设，避免驱动绳组件20因摩擦力的阻碍而卡死。

本发明提供的可伸缩机构100通过模块化的关节和绳索驱动的方式实现柔性伸缩，在保证自身对外部执行机构柔性支撑的基础上实现伸缩调节，能够同时解决空间紧凑度不足和工作能力受限的问题，具有广泛的应用前景。

本发明还提供一种机械臂，包括上述可伸缩机构，所述可伸缩机构中的所述末级柔性单元支撑外部执行机构，例如吸盘、夹具、机械夹爪等。

本发明还提供一种应用上述机械臂的机器人系统(图未示)，该机器人系统能够通过上述的机械臂自如地调节自身工作范围，空间灵活度和作业能力提高。

本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种可伸缩机构，其特征在于，所述可伸缩机构包括：

三个柔性单元，分别为初级柔性单元、次级柔性单元及末级柔性单元，末级柔性单元嵌套在次级柔性单元的内部，次级柔性单元嵌套在初级柔性单元的内部，其中初级柔性单元包括初级芯体和两个初级端面支撑环，两个初级端面支撑环分别设置在初级芯体的两个端面处，次级柔性单元包括次级芯体和两个次级端面支撑环，两个次级端面支撑环分别设置在次级芯体的两个端面处，末级柔性单元包括末级芯体和两个末级端面支撑环,两个末级端面支撑环分别设置在末级芯体的两个端面处；

驱动绳组件，所述驱动绳组件连接所述柔性单元；

驱动器，连接所述驱动绳组件，靠近驱动器的初级端面支撑环固定连接于驱动器，所述驱动器延伸和回缩所述驱动绳组件中的驱动绳改变柔性单元的嵌套重合的距离；

所述驱动绳组件包括回缩驱动绳，所述回缩驱动绳一端连接所述驱动器，另一端与所述柔性单元的芯体固定，回缩驱动绳仅穿设一个柔性单元，使得每个柔性单元上都分布若干回缩驱动绳，回缩驱动绳用于控制柔性单元的回缩；

所述驱动绳组件包括延伸驱动绳，延伸驱动绳的一端卡抵在两个末级端面支撑环中更靠近驱动器的末级端面支撑环上，延伸驱动绳自上述的末级端面支撑环处包饶至两个次级端面支撑环中相对远离驱动器的次级端面支撑环处，延伸驱动绳再穿过上述的次级端面支撑环并且延伸至另一个次级端面支撑环处，延伸驱动绳再包饶靠近驱动器的次级端面支撑环并且延伸至相对远离驱动器的初级端面支撑环处，延伸驱动绳再穿过两个初级端面支撑环并连接于驱动器。

2.如权利要求1所述的可伸缩机构，其特征在于，任一所述柔性单元周向分布若干回缩驱动绳。

3.如权利要求1所述的可伸缩机构，其特征在于，相邻的两个所述柔性单元之间的过度区域还设置有过渡环，所述过渡环在与其延伸方向相垂直的横截面为逐渐收缩的圆环。

4.如权利要求3所述的可伸缩机构，其特征在于，所述过渡环上开设有导绳槽，所述导绳槽用于导向所述驱动绳组件的移动。

5.如权利要求4所述的可伸缩机构，其特征在于，所述末级柔性单元远离驱动器的一端上还设置有连接盘，所述连接盘用于连接外部执行机构。

6.一种机械臂，包括可伸缩机构，其特征在于，所述可伸缩机构为权利要求1-5任意一项所述的可伸缩机构。

7.一种机器人系统，包括机械臂，其特征在于，所述机械臂为权利要求6所述的机械臂。