CN109909988B - 一种多稳态变刚度机器人结构 - Google Patents

Abstract

一种多稳态变刚度机器人结构，包括单元主体和刚度调节机构；单元主体的外轮廓为凸多边形形状，若干个单元主体并排设置形成链式单元体，链式单元体的上设置有刚度调节机构；本发明具有刚度陡变功能(能在短时间内实现超过100倍的刚度变化)；实现刚度陡变的结构简单精巧，且仅用绳索来驱动；本发明为模块化设计，各个模块结构简单，连接方式明了，制作成本较低，具有较强的实用性。

Description

一种多稳态变刚度机器人结构

技术领域

本发明属于机器人领域，特别涉及一种多稳态变刚度机器人结构。

背景技术

在太空探测、未来战场支援、水下作业、加工制造、农业生产、医疗康复等领域，通常要求机器人具有多稳态、变刚度，以适应复杂多变的环境、任务和操作对象。现有的一些并联机器人多采用Gough-Stewart构型，虽然具有较大的刚度，但其刚度调节范围较小；而已有的软体机器人，虽然刚度调节范围较大，但无法具有较大的刚度，往往需要加一系列的支撑环来维持形状和刚度，除了增加了机器人结构的复杂度以外，刚度也不能连续可控调节，且刚度调节耗时较长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多稳态变刚度机器人结构，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种多稳态变刚度机器人结构，包括单元主体和刚度调节机构；单元主体的外轮廓为凸多边形形状，若干个单元主体并排设置形成链式单元体，链式单元体的各个单元通过刚度调节机构连接；

刚度调节机构包括绳索、槽轮和绳索收放装置；单元主体的两端面的中心处均设置有槽轮；绳索的一端连接在绳索收放装置上，另一端依次缠绕在链式单元体同侧的槽轮上；单元主体的中部开设有槽轮安置槽，槽轮设置在槽轮安置槽内。

进一步的，每个槽轮上先绕一圈，绕到末端单元的槽轮时，绳索从末端槽轮的一侧绕入，从对称侧绕出，接着再反向回绕之前槽轮，同样绕一圈，最终回到绳索收放装置；绳索的一端连接在链式单元体的末端单元上，并依次缠绕在中间单元内置的槽轮上，最终将绳索的另一端连到绳索收放装置。

进一步的，单元主体上每两个相邻的侧面之间的棱边上设置有若干个限位转轴或限位转轴槽，同一棱边上均为限位转轴或均为限位转轴槽，且限位转轴和限位转轴槽交错间隔设置；限位转轴和限位转轴槽大小形状相互匹配。

进一步的，单元主体每个侧面上均设置有限位块或限位槽；限位块和限位槽在单元主体上交错间隔设置；限位块和限位槽大小形状相互匹配。

进一步的，单元主体的两个端面的几何中心之间开设有轴孔，轴孔内设置有轴，轴孔与轴过盈配合；轴的两端均伸出单元主体的端面，伸出部分固定套设有轴承，轴承上套设有槽轮；槽轮置于单元主体的两端或单元主体中间。

进一步的，绳索收放装置包括固定端和活动端；绳索的一端固定在活动端上，另一端穿过固定端后依次绕过各单元的槽轮，缠绕完成后，穿过固定端固定在活动端上；通过活动端的前后移动完成绳索的张紧。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明当活动端靠近固定端时，会带动绳索，使之放松缠绕，此时多稳态变刚度机器人的各单元之间，侧面不再紧紧贴合，甚至能通过外力相对转动，这时多稳态变刚度机器人处于小刚度状态，抵抗外力的能力较弱；而当活动端远离固定端时，会拉紧绳索，各单元相连的侧面紧紧贴合，这时多稳态变刚度机器人处于大刚度状态，抵抗外力的能力大大加强。

本发明具有变刚度功能，能实现刚度陡变，刚度变化量大，超过100倍；刚度陡变的实现形式比较精巧，仅用绳索来控制，无需其他模块或机构；刚度变化时间与驱动有关，若驱动足够快，刚度的变化时间就足够短，能实现陡变；

本发明结构形式简单，大多都是块状结构，没有复杂的机构，与其他种类的多稳态变刚度机器人相比，无论是加工还是控制，都更容易实现，整体的造价较低。

附图说明

图1是多稳态变刚度机器人单元槽轮外置的外观示意图

图2a是多稳态变刚度机器人单元槽轮外置的剖面图；

图2b是多稳态变刚度机器人单元槽轮内置的外观示意图

图2c是多稳态变刚度机器人单元槽轮内置的剖面图；

图3a是槽轮外置的多稳态变刚度机器人示意图；

图3b是槽轮内置的多稳态变刚度机器人示意图；

图3c是小刚度状态多稳态变刚度机器人示意图。

图3d是大刚度状态多稳态变刚度机器人示意图。

图4a是槽轮外置的多稳态变刚度机器人一根绳索的缠绕方式示意图。

图4b是槽轮外置的多稳态变刚度机器人两根绳索的缠绕方式示意图。

图4c是槽轮内置的多稳态变刚度机器人一根绳索的缠绕方式示意图。

图中，1、单元主体；2、限位转轴；3、限位转轴槽；4、限位块；5、限位槽；6、槽轮；7、轴承；8、轴；9、轴孔；10、绳索；11、固定端；12、活动端。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1至图4，一种多稳态变刚度机器人结构，包括单元主体1和刚度调节机构；单元主体1的外轮廓为凸多边形形状，若干个单元主体1并排设置形成链式单元体，链式单元体的各个单元通过刚度调节机构连接；

刚度调节机构包括绳索10、槽轮6和绳索收放装置；单元主体1的两端面的中心处均设置有槽轮6；绳索10的一端连接在绳索收放装置上，另一端依次缠绕在链式单元体同侧的槽轮6上；单元主体1的中部开设有槽轮安置槽，槽轮6设置在槽轮安置槽内。

每个槽轮6上先绕一圈，绕到末端单元的槽轮6时，绳索10从末端槽轮6的一侧绕入，从对称侧绕出，接着再反向回绕之前槽轮6，同样绕一圈，最终回到绳索收放装置；绳索10的一端连接在链式单元体的末端单元上，并依次缠绕在中间单元内置的槽轮6上，最终将绳索的另一端连到绳索收放装置。

单元主体1上每两个相邻的侧面之间的棱边上设置有若干个限位转轴2或限位转轴槽3，同一棱边上均为限位转轴2或均为限位转轴槽3，且限位转轴2和限位转轴槽3交错间隔设置；限位转轴2和限位转轴槽3大小形状相互匹配。

单元主体1每个侧面上均设置有限位块4或限位槽5；限位块4和限位槽5在单元主体1上交错间隔设置；限位块4和限位槽5大小形状相互匹配。

单元主体1的两个端面的几何中心之间开设有轴孔9，轴孔9内设置有轴8，轴孔9与轴8过盈配合；轴8的两端均伸出单元主体1的端面，伸出部分固定套设有轴承7，轴承7上套设有槽轮6；槽轮6置于单元主体1的两端或单元主体1中间。

绳索收放装置包括固定端11和活动端12；绳索10的一端固定在活动端12上，另一端穿过固定端11后依次绕过各单元的槽轮6，缠绕完成后，穿过固定端11固定在活动端12上；通过活动端12的前后移动完成绳索10的张紧。

实施例一

如图1、图2a、图2b、图3a和图3b所示，一种多稳态变刚度机器人，至少包括单元主体1、限位转轴2、限位转轴槽3、限位块4、限位槽5、槽轮6、轴承7、轴8、轴孔9、绳索10、固定端11、活动端12。其中单元主体1、限位转轴2、限位转轴槽3、限位块4、限位槽5、槽轮6、轴承7、轴8、轴孔9构成一个基本单元。单元主体1为六边形块状结构，六个侧面间隔分布着限位块4与限位槽5，限位转轴2与限位转轴槽3间隔分布在平行于单元主体1轴线方向的六条棱边上；单元主体1的中心线处有轴孔9，与轴8过盈配合；在轴8两端分别套有轴承7，且轴承7外圈套有槽轮6。多组单元侧面贴合，且限位转轴2与限位转轴槽3、限位块4与限位槽5，相互啮合、嵌入，共同组成多稳态变刚度机器人的一种链式稳态。起始单元的最边缘侧面，通过螺栓与固定端11的一个侧面固定连接，而跟固定端11相同大小的活动端12，平行置于固定端11的另一侧，且与固定端11之间留有间距。将一根绳索10的首端先后穿过活动端12与固定端11的右下侧通孔，并绕在各单元同侧的槽轮6上，每个槽轮6上先绕一圈，绕到末端单元的槽轮6时，绕一圈半，即绳索10从末端单元槽轮6的一侧绕入，从对称侧绕出；接着再回绕之前单元的槽轮6，同样是绕一圈，最终从固定端11与活动端12的右上侧通孔伸出，此时绳索10的首端再穿入活动端12与固定端11左上侧通孔，按照上述缠绕方式再将各单元的另一侧槽轮6缠绕，最终绳索10的首端从固定端11与活动端12的左下侧通孔伸出，且绳索10的首端和末端，与活动端12固定在一起。

所述的限位转轴2、限位转轴槽3、限位块4、限位槽5，其中限位转轴2是圆柱形结构，限位转轴槽3是圆柱形槽状结构，限位块4是长方体结构，限位槽5是长方体槽状结构，它们能在两单元转动过程及处于稳态时，起到限位作用。

所述的轴承7，与轴8和槽轮6之间的配合，均是过盈配合。

所述的固定端11与活动端12，两者之间能发生相对位置的变化，使活动端12能控制动绳索10的松紧程度；固定端11可固定在机架、机械臂等所需位置，活动端12可以连接在丝杠滑台或推杆电机的活动端，方便控制；固定端11与活动端12的形状大小，可根据工况要求来设计。

所述的单元主体1的形状及限位转轴2、限位转轴槽3、限位块4、限位槽5的尺寸、数量和分布方式，及单元的数量，均可根据工作环境中对多稳态变刚度机器人单元各方面的要求来设计。

实施例二

如图3c和图3d所示，一种多稳态变刚度机器人，其刚度陡变的实现原理是：移动活动端12，使其靠近固定端11，绳索10放松，多稳态变刚度机器人各单元之间的作用力减小，这时多稳态变刚度机器人处于小刚度状态，抵抗外力的能力较弱；而当活动端12远离固定端11时，绳索10张紧，这时多稳态变刚度机器人处于大刚度状态，其抵抗外力的能力大大加强。多稳态变刚度机器人的大、小刚度状态间的切换时间较短，同时其刚度的变化量可达到百倍以上。

所述的绳索10的松紧程度，最大放松程度应为两个相邻单元，可以通过限位转轴2与限位转轴槽3来相对转动，但不能滑脱；最大拉紧程度应为在绳索10的许用拉力下，单元主体1、槽轮6、轴承7、固定端11、活动端12均不会发生挤压破坏，轴8不会发生剪切破坏。

实施例三

如图4a和图4b所示，绳索10的首端先后穿过活动端12与固定端11的右下侧通孔，并绕在各单元同侧的槽轮6上，每个槽轮6上先绕一圈，绕到末端单元的槽轮6时，绕一圈半，即绳索10从末端单元槽轮6的一侧绕入，从对称侧绕出；接着再回绕之前单元的槽轮6，同样是绕一圈，最终从固定端11与活动端12的右上侧通孔伸出，此时绳索10的首端再穿入活动端12与固定端11左上侧通孔，按照上述缠绕方式再将各单元的另一侧槽轮6缠绕，最终绳索10的首端从固定端11与活动端12的左下侧通孔伸出，且绳索10的首端和末端，与活动端12固定在一起。

所述的绳索10可以是一根来回穿插缠绕单元两侧，也可以采用两根分别缠绕；采用上述缠绕方式，单元两侧均有绳索10，对称分布，受力均匀；槽轮6两侧均有绳索10，能避免仅单侧有绳索10时，单元容易以限位转轴2为转轴，发生转动翘起。

所述的绳索10的缠绕方式，在具有上述功能的情况下，还是最精简的缠绕方式，缠绕过程简单，所占空间最小，在不改变绳索10线径的情况下，尽可能地减小了槽轮6的厚度。

Claims (4)

1.一种多稳态变刚度机器人结构，其特征在于，包括单元主体(1)和刚度调节机构；单元主体(1)的外轮廓为凸多边形形状，若干个单元主体(1)并排设置形成链式单元体，链式单元体的各个单元通过刚度调节机构连接；

刚度调节机构包括绳索(10)、槽轮(6)和绳索收放装置；单元主体(1)的两端面的中心处均设置有槽轮(6)；绳索(10)的一端连接在绳索收放装置上，另一端依次缠绕在链式单元体同侧的槽轮(6)上；单元主体(1)的中部开设有槽轮安置槽，槽轮(6)设置在槽轮安置槽内；

每个槽轮(6)上先绕一圈，绕到末端单元的槽轮(6)时，绳索(10)从末端槽轮(6)的一侧绕入，从对称侧绕出，接着再反向回绕之前槽轮(6)，同样绕一圈，最终回到绳索收放装置；绳索(10)的一端连接在链式单元体的末端单元上，并依次缠绕在中间单元内置的槽轮(6)上，最终将绳索的另一端连到绳索收放装置；

单元主体(1)上每两个相邻的侧面之间的棱边上设置有若干个限位转轴(2)或限位转轴槽(3)，同一棱边上均为限位转轴(2)或均为限位转轴槽(3)，且限位转轴(2)和限位转轴槽(3)交错间隔设置；限位转轴(2)和限位转轴槽(3)大小形状相互匹配。

2.根据权利要求1所述的一种多稳态变刚度机器人结构，其特征在于，单元主体(1)每个侧面上均设置有限位块(4)或限位槽(5)；限位块(4)和限位槽(5)在单元主体(1)上交错间隔设置；限位块(4)和限位槽(5)大小形状相互匹配。

3.根据权利要求1所述的一种多稳态变刚度机器人结构，其特征在于，单元主体(1)的两个端面的几何中心之间开设有轴孔(9)，轴孔(9)内设置有轴(8)，轴孔(9)与轴(8)过盈配合；轴(8)的两端均伸出单元主体(1)的端面，伸出部分固定套设有轴承(7)，轴承(7)上套设有槽轮(6)；槽轮(6)置于单元主体(1)的两端或单元主体(1)中间。

4.根据权利要求1所述的一种多稳态变刚度机器人结构，其特征在于，绳索收放装置包括固定端(11)和活动端(12)；绳索(10)的一端固定在活动端(12)上，另一端穿过固定端(11)后依次绕过各单元的槽轮(6)，缠绕完成后，穿过固定端(11)固定在活动端(12)上；通过活动端(12)的前后移动完成绳索(10)的张紧。

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