CN110802632A - 一种智能变刚度柔性关节及柔性机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能变刚度柔性关节及柔性机器人系统，智能变刚度柔性关节包括：拉线，底部端头，底部线孔，柔性外表层，线圈层，柔性内表层，顶部端头，底部外侧接头，底部内侧接头，电极引线，变刚度芯体，磁流颗粒，弹性流体，顶部内接头，顶部线孔，顶部外接头，芯轴。对于柔性机器人系统的执行端部，还包括执行部件，内接螺纹，拉线端子。柔性机器人系统还包括保护层，转接关节，端部关节，执行关节。本发明操作简单，并未额外增加绳驱数量，具有智能化，高精度的特点。

Description

一种智能变刚度柔性关节及柔性机器人系统

技术领域

本发明涉及一种智能变刚度柔性关节及柔性机器人系统，特别涉及基于智能材料的可控变刚度调整和提高各关节位置精度的机器人系统，属于医疗器械技术领域。

背景技术

柔性机器人具有多个自由度、大应变能力、高安全性和高灵活性，以及适用于复杂的非结构化环境的巨大潜能，已逐渐成为机器人研究领域的焦点。在此研究领域，诞生了一系列结构精巧、运动自如、环境适应能力强的软体机器人，如美国哈佛大学的海星机械手、四足变形机器人、美国塔夫茨大学的毛毛虫机器人、欧盟委员会耗资1000万欧元资助的章鱼机械触手等。柔性机器人的广阔应用前景，使得与之相关的各项理论和技术蓬勃发展。

在医学领域，柔性机器人对于微创手术意义重大。微创外科手术是指利用胸腔镜、腹腔镜等现代医疗器械及相关设备进行的手术，兴起于上世纪80年代，又被称为介入式手术。手术器械经由患者身体上的若干个最低限度的小切口进入体内，在视觉显示系统的引导下进行手术操作。传统手术中手术器具的操作是医生在患者体外手工控制，手术时间长，且成功率受到较大影响。与其相比，微创手术具有创口小，疼痛轻，术后恢复快，住院时间短等优点，大大减少了手术过程给病人带来的痛苦和不便，提高了手术质量，因而得到了越来越广泛的应用。

柔性机器人其按驱动方式分类可分为流体弹性驱动型(FEA)、绳线肌腱驱动型(TDA)、形状记忆合金驱动型(SMA)、气动人工肌肉驱动型(PAM)、电活性聚合物驱动型(EAPs)以及混合驱动型等。

绳线肌腱驱动方式是将线缆沿机械臂轴线方向布置，通过拉动线缆，驱动机械臂进行弯曲或扭转。其设计一般基于“肌肉性静水骨骼”组织结构，用驱动线来模拟“纵向肌肉”，通过驱动电动机转动收紧或者放松驱动线，使软体操作臂弯曲或伸展，实现手术所需的运动或变形功能。

然而，为减小柔性机器人的外形尺寸及能量消耗，目前线驱动中绳子仅驱动大关节，其间的小关节无驱动，是与大关节的运动相互耦合的。简言之，小关节所在位置为被动实现，这会影响柔性机器人整体的空间构形精度。

发明内容

本发明针对目前柔性机器人无法实现每个关节位置调整从而影响整机构形的问题，本发明专利提出一种智能变刚度柔性关节及柔性机器人系统。变刚度柔性关节可通过外接电流对磁流变弹性材料的刚度调节实现，并不增加绳驱数量及电机驱动部件。本专利提出的柔性机器人系统是由柔性芯轴和变刚度柔性关节组合而成，具备刚柔耦合特性，一方面满足空间定位精度的要求，另一方面为每个关节的定位提供了控制手段，提高整体构形精度。

本发明提供一种智能变刚度柔性关节，该智能变刚度柔性关节包括：拉线，底部端头，底部线孔，柔性外表层，线圈层，柔性内表层，顶部端头，底部外侧接头，底部内侧接头，电极引线，变刚度芯体，顶部内接头，顶部线孔，顶部外接头，芯轴。

底部端头位于变刚度柔性关节的一侧，用于多个变刚度柔性关节的连接。底部端头上设置了底部外侧接头、底部线孔、底部内侧接头。底部外侧接头在变刚度柔性关节连接时，位于另一变刚度柔性关节的内部。底部内侧接头位于本变刚度柔性关节的内部。底部内侧接头与变刚度芯体和柔性内表层接触，三者之间固定连接，具体为胶接；其中，底部内侧接头为非金属材料，可以为特氟龙、橡胶、复合材料等。底部外侧接头和底部内侧接头均设置了外螺纹结构，以方便变刚度柔性关节间的连接。底部线孔呈圆周向布置，以供拉线和电极引线通过。

变刚度芯体位于底部端头和顶部端头之间，且位于变刚度柔性关节的最内层；沿径向向外依次是变刚度芯体、柔性内表层、线圈层，柔性外表层。变刚度芯体包含磁流颗粒和弹性流体，是一种可变刚度的磁流变弹性材料，它是通过将微米级的磁流颗粒均匀散布在塑性态的高分子聚合物基体中，并在一定强度的磁场下固化而形成的一种黏弹性材料。在外加磁场作用下，其力学、磁学、电学等性能会发生改变，具有性能可控的特性；且其固态属性克服了磁流变液沉降和密封稳定性差的缺点。

磁流颗粒材料为羰基铁粉，大小约为5～10μm，具有矫顽力低、磁化率高、饱和磁感应强度高、稳定性好、磁损耗低等特点。

弹性流体为可固化硅橡胶和硅油的混合物。

变刚度芯体的制备过程：将硅油与硅橡胶充分混合，并加入磁流颗粒材料，磁流颗粒材料所占比例不低于40％。对混合物采用搅拌方式均匀混合，混合时间不少于半小时；随后将混合物置于真空舱内，并多次循环抽真空，以充分去除液体中的气泡；随后将混合物灌入模具，并施加一定预紧力(预紧力不低于50N)；充分固化形成变刚度芯体，固化时间不低于24小时。

芯轴贯穿整个柔性机器人系统内部，位于最内层，其作用在于提供一定弹性和刚度，并具有较高的回弹能力。芯轴材料为钢或特氟龙塑料。

柔性内表层位于线圈层和变刚度芯体之间，主要起到隔离作用，并保护变刚度芯体。柔性内表层材料为非金属，可以为聚四氟乙烯或硅橡胶。柔性内表层表面有一定塑性，利于线圈的缠绕和定位。

线圈层位于柔性外表层和柔性内表层之间，其作用是在线圈形成的圆柱内产生均匀磁场，且磁场强度可以通过电流大小调整。因为变刚度芯体位于线圈内部，当外部电源通过与线圈相连的电极引线接入时，调节电流大小，引起变刚度芯体的磁场环境变化，进而改变了变刚度芯体的刚度。

柔性外表层位于最外层，主要起到绝缘及防护作用，材料为聚四氟乙烯或硅胶。

本发明进一步提供一种柔性机器人系统的执行端部，即在变刚度柔性关节的顶部端头处连接有执行部件，所述的执行部件通过内接螺纹与顶部外接头的外螺纹配合连接；该执行端部还包括有拉线端子，用于固定拉线。

本发明进一步提供一种柔性机器人系统，由多个变刚度柔性关节串联组成转接关节，端部关节，执行关节，外部设置有保护层；其中转接关节依次串联，端部关节与执行关节相连，构成执行元件；拉线依次穿过多个变刚度柔性关节。

柔性机器人系统的执行端部可以连接执行部件，具体为执行部件的内接螺纹和变刚度柔性关节的顶部外接头上的外螺纹连接。根据柔性机器人的使用工况，该执行部件可以为视觉传感器、微型操作手爪、激光焊枪、照明设备等。

当外部力施加至拉线时，拉线收紧，在顶部端头处产生力和弯矩作用，因多个变刚度柔性关节固定连接在一起，致使每个变刚度柔性关节均产生弯曲形变。因此，执行部件的空间位置由柔性关节的形变共同决定。

进一步，每个柔性关节的刚度是由变刚度芯体和芯轴共同决定，因此，当调节电流大小时，磁场强度变化引起变刚度芯体刚度的变化，进而导致整个柔性关节的刚度变化。当外部力施加时，可通过调整电流大小调节关节的刚度和变形，进而控制执行部件的空间位置。

本发明提出一种智能变刚度柔性关节及柔性机器人系统，组合了大刚度芯轴和磁流变弹性体材料，具有明显的刚柔耦合特点，其中大刚度芯轴具备姿态稳定的特点，磁流变弹性材料在不同磁场强度下呈现不同的弹性模量(刚度)，二者结合即可实现精确的位置，也可实现智能化的刚度调节。本发明提出的柔性机器人系统由多个变刚度柔性关节组合而成，末端可携带外置设备，如摄像头、手术器械、加工设备等，当拉绳控制末端位姿后，可通过每个关节的刚度调节，实现各关节节点的空间位置，即实现了整机的空间构形。系统解决了现有柔性机器人关节耦合精度不高的问题，智能化程度高，具有操作简单，能耗低，效率高的特点。

附图说明

图1智能变刚度柔性关节

图2底部端头主视图

图3底部端头左视图

图4柔性机器人的执行端部

图5柔性机器人系统

图6柔性机器人受力分析模型

0拉线，1底部端头，2底部线孔，3柔性外表层，4线圈层，5柔性内表层，6顶部端头，7底部外侧接头，8底部内侧接头，9电极引线，10变刚度芯体，11磁流颗粒，12弹性流体，13顶部内接头，14顶部线孔，15顶部外接头，16芯轴，17执行部件，18内接螺纹，19拉线端子，a保护层，b转接关节，c端部关节，d执行关节。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

具体而言，本发明的智能变刚度柔性关节包括：拉线0，底部端头1，底部线孔2，柔性外表层3，线圈层4，柔性内表层5，顶部端头6，底部外侧接头7，底部内侧接头8，电极引线9，变刚度芯体10，磁流颗粒11，弹性流体12，顶部内接头13，顶部线孔14，顶部外接头15，芯轴16。对于柔性机器人系统的执行端部，还包括执行部件17，内接螺纹18，拉线端子19。柔性机器人系统还包括保护层a，转接关节b，端部关节c，执行关节d。

智能变刚度柔性关节为多层结构，其中：

底部端头1和顶部端头6分位于智能变刚度柔性关节的两端。

底部端头1上设置了底部线孔2，底部外侧接头7，底部内侧接头8。底部线孔2为圆周布置，个数为4～10个，分别为拉线0和电极引线9穿过提供通道。底部外侧接头7和底部内侧接头8在底部端头1两侧，为对称布置。底部外侧接头7和底部内侧接头8上均设置了外螺纹，方便与其他变刚度柔性关节的连接。

顶部端头6上设置了顶部内接头13，顶部线孔14，顶部外接头15。顶部线孔14呈圆周布置，个数为4～10个，分别为拉线0和电极引线9穿过提供通道。顶部内接头13和顶部外接头15对称布置在顶部端头6的两侧，其上均设置了外螺纹。

拉线0从变刚度柔性关节一端顶部端头6上设置的顶部线孔14穿过，并从另一端底部端头1上的底部线孔2穿出。拉线0材料为无弹性过塑钢。

智能变刚度柔性关节从内层向外层分别为芯轴16、变刚度芯体10、柔性内表层5、线圈层4、柔性外表层3。

芯轴16位于最内层，其作用在于提供一定弹性和刚度，并具有较高的回弹能力。芯轴16从一端的顶部端头6中心穿过，并穿过变刚度芯体10的中心轴，从另一端的底部端头1中心孔穿出，并进入下一个变刚度柔性关节。从整个柔性机器人系统来看，芯轴贯穿整个柔性机器人。芯轴16材料为钢或特氟龙塑料。

变刚度芯体10位于底部端头1和顶部端头6之间，其外层是柔性内表层5，内部为芯轴16。变刚度芯体10是变刚度柔性关节的关键部件，是由磁流颗粒11和弹性流体12制备而成。磁流颗粒11的材料为羰基铁粉，颗粒大小为5～10μm。弹性流体12为可固化硅橡胶和硅油的混合物。

变刚度芯体10的制备过程：将硅油与硅橡胶充分混合成为弹性流体12，并加入磁流颗粒11材料，充分均匀混合；随后将混合物置于真空舱内，并多次循环抽真空，以充分去除液体中的气泡；随后将混合物灌入模具，并施加一定预紧力，充分固化形成变刚度芯体10。

柔性内表层5位于线圈层4和变刚度芯体10之间，内侧为变刚度芯体10，外侧为线圈层4。柔性内表层5主要起到对变刚度芯体10的保护作用，并为线圈层4内的导线起到绝缘隔离的作用。柔性内表层5材料为聚四氟乙烯或硅胶。

线圈层4内侧为柔性内表层5，外侧为柔性外表层3。线圈层4由多根绝缘导线缠绕而成，当外部电源通过电极引线9向线圈层4供电时，导线内部形成电流，线圈层4围绕的区域内形成磁场，而变刚度芯体10受磁场作用，其刚度会改变。因此，柔性变刚度关节的刚度可通过外部电源向电极引线9的供电调整，实现刚度智能化调节。

柔性外表层3位于最外层，内侧为线圈层4，其作用是防止外部环境的干扰，包括外力、噪声、湿热环境等。柔性外表层3的材料为聚四氟乙烯或硅橡胶。

柔性机器人系统的执行端部还包括执行部件17，内接螺纹18，拉线端子19。

执行端部是柔性机器人系统的执行关节，主要作用是携带执行设备，如视觉传感器、微型操作手爪、激光焊枪、照明设备等。执行端部是柔性机器人系统的最末端环节，其姿态可通过拉线0和变刚度调整，进而控制执行设备的空间位置和姿态，实现探测、夹持、加工等功能。

执行部件17通过其上设置的内接螺纹18和顶部外接头15上的外螺纹固定连接，即执行部件17和柔性变刚度关节固定相连。

拉线0的一端与拉线端子19相连，因拉线端子19的尺寸大于顶部线孔14的直径，当拉线0受力时，拉线端子19接触顶部端头，即对顶部端头6形成了弯矩作用。又因为多个柔性变刚度关节均固定连接在一起，弯矩传递至每个关节，从而致使各柔性关节的弯曲变形。

柔性机器人系统还包括保护层a，转接关节b，端部关节c，执行关节d。

柔性机器人系统是由多个变刚度柔性关节串联组成，并在最外层设置了保护层a，以防止外界接触或摩擦。其中转接关节b依次串联，端部关节c与执行关节d固定相连，构成执行端部，以实现柔性机器人的任务操作。

具体实施时：

(1)执行部件17与末端的柔性变刚度关节相连；

(2)柔性变刚度关节依次串联，拉线0一端与拉线端子19固定连接，另一端穿过各柔性变刚度关节的顶部线孔14和底部线孔2；

(3)根据图6的原理分析，每个关节处的位移及转角可表示为：

进而可以得到关节位移和各关节弹性模量(刚度)的对应矩阵：

可以明显看出，每一点的位置均可通过调整刚度和受弯矩调整，即实现了柔性机器人空间姿态的控制。

(4)当柔性机器人系统的空间曲线姿态给定后，通过拉线0施加一定拉力f1，f2，即在末端形成弯矩M。

(5)外界电源通过电极引线9向线圈层4供电，各环节均获得初始刚度E，此时测试各关节位置，并与目标做差，即可获得误差矩阵：

(6)通过误差矩阵计算刚度差值，进而确定输入电流值。调整电源的供电电流，即调整磁场大小及刚度。再次测试各关节位置，并代入矩阵5，如此反复，直至位置误差达到目标值。

Claims (9)

1.一种智能变刚度柔性关节，其特征在于：该智能变刚度柔性关节包括：拉线，底部端头，底部线孔，柔性外表层，线圈层，柔性内表层，顶部端头，底部外侧接头，底部内侧接头，电极引线，变刚度芯体，顶部内接头，顶部线孔，顶部外接头，芯轴；

底部端头位于变刚度柔性关节的一侧，用于多个变刚度柔性关节的连接；底部端头上设置了底部外侧接头、底部线孔、底部内侧接头；底部外侧接头在变刚度柔性关节连接时，位于另一变刚度柔性关节的内部；底部内侧接头位于本变刚度柔性关节的内部；底部内侧接头与变刚度芯体和柔性内表层接触，三者之间固定连接；底部线孔呈圆周向布置，以供拉线和电极引线通过；

变刚度芯体位于底部端头和顶部端头之间，且位于变刚度柔性关节的最内层；变刚度芯体包含磁流颗粒和弹性流体；

芯轴贯穿整个柔性机器人系统内部，位于最内层，其作用在于提供一定弹性和刚度，并具有较高的回弹能力；

柔性内表层位于线圈层和变刚度芯体之间，主要起到隔离作用，并保护变刚度芯体；

线圈层位于柔性外表层和柔性内表层之间，其作用是在线圈形成的圆柱内产生均匀磁场，且磁场强度可以通过电流大小调整；

柔性外表层位于最外层，主要起到绝缘及防护作用。

2.根据权利要求1所述的一种智能变刚度柔性关节，其特征在于：所述的磁流颗粒材料为羰基铁粉，大小为5～10μm。

3.根据权利要求1所述的一种智能变刚度柔性关节，其特征在于：所述的弹性流体为可固化硅橡胶和硅油的混合物。

4.根据权利要求1所述的一种智能变刚度柔性关节，其特征在于：所述的芯轴材料为钢或特氟龙塑料。

5.根据权利要求1所述的一种智能变刚度柔性关节，其特征在于：所述的柔性内表层材料为非金属，为聚四氟乙烯或硅橡胶。

6.根据权利要求1所述的一种智能变刚度柔性关节，其特征在于：所述的柔性外表层材料为聚四氟乙烯或硅胶。

7.一种柔性机器人系统的执行端部，其特征在于：在变刚度柔性关节的顶部端头处连接有执行部件，所述的执行部件通过内接螺纹与变刚度柔性关节的顶部外接头的外螺纹配合连接；该执行端部还包括有拉线端子，用于固定拉线。

8.一种柔性机器人系统，其特征在于：由多个变刚度柔性关节串联组成转接关节、端部关节和执行关节，外部设置有保护层；其中转接关节依次串联，端部关节与执行关节相连，构成执行元件；拉线依次穿过多个变刚度柔性关节。

9.一种变刚度芯体的制备过程，其特征在于：将硅油与硅橡胶充分混合，并加入磁流颗粒材料，磁流颗粒材料所占比例不低于40％；对混合物采用搅拌方式均匀混合，混合时间不少于半小时；随后将混合物置于真空舱内，并多次循环抽真空，以充分去除液体中的气泡；随后将混合物灌入模具，并施加预紧力；充分固化形成变刚度芯体，固化时间不低于24小时。

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