CN110900651B - 基于滚动接触的柔性关节及具有其的连续体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于滚动接触的柔性关节及具有其的连续体机器人，包括两个相互连接的滚动体；所述滚动体具有位于所述滚动体上端的第一接触面、和位于所述滚动体下端的第二接触面；两个所述滚动体通过第一接触面和第二接触面形成为滚动连接；所述滚动体中部插接有中央簧片；相邻所述滚动体滚动运动后通过所述中央簧片提供恢复力矩。本发明的柔性关节为CORE与簧片柔性铰链的结合，兼具传统刚性转动副和柔性铰链的优点，结构简单、加工方便、无销轴配合、无摩擦损耗、无需润滑、环境友好，轴向承载能力大，应用在连续体机器人中在结构上实现了高柔顺运动与高轴向刚度的结合。

Description

基于滚动接触的柔性关节及具有其的连续体机器人

技术领域

本发明涉及航空检修/航空检测技术领域，尤其涉及一种基于滚动接触的柔性关节及具有其的连续体机器人。

背景技术

检测、维修是飞机全寿命周期服役中的重要环节，飞机维修成本占其运营成本的很大一部分。维修主要包括原位维修和离位送修两大类：离位送修成本大，周期长；原位检修能大大缩短周期，但因种种限制不常采用。航空检测与维修领域对可实现原位检修作业机器人的需求十分迫切。

连续体机器人因自由度多、灵活性强，可以在不破坏环境的前提下实现复杂、狭小环境作业，为航空受限环境作业提供了新手段。与传统销轴转动副相比，柔性机构结构简单，加工方便；无间隙，无摩擦损耗；无需润滑，环境友好；精度和分辨率高，被较多地用于连续体机器人。柔性滚动接触单元(Compliant Rolling-contact Element，CORE)因为辅助接触的引入而同时具有柔性机构和销轴转动副的优点，将其应用在连续体机器人中，或可解决连续体机器人柔顺性与载荷之间的矛盾。

一般情况下，连续体机器人臂体由多个单元关节串联而成，各关节之间为刚性小片段或可视为刚性小片段。因此，与软体机器人不同，它的轴向长度固定或可控，且具有一定的抗压能力。整条臂体的力学特性很大程度上取决于单元关节的力学特性。目前单元关节有刚性和柔性两大类，可依此将连续体机器人分类。

S1、刚性单元连续体机器人：

各单元关节为销轴式转动副、普通球铰或虎克铰等传统刚性转动副，理论上轴向为绝对刚性。可以独立控制关节的每个自由度或分段控制几个关节组成的段。关节独立控制时的横向性能往往由驱动机构(如缆绳)决定。分段控制时需有弹簧、橡胶等柔性机构保证段内各个关节弯曲的均匀分布。分段控制时段内有冗余自由度，横向力学性能较差。

S2、柔性单元连续体机器人：

各单元关节为柔性铰、弹性杆、簧片等柔性关节，轴向不是绝对刚性(也有少量基于辅助接触的关节有较大的轴向刚度)。由于大多数柔性机构最大弯曲角度较小或弯曲角度较大后力学性能较差，柔性单元连续体机器人多为分段控制，有内部冗余自由度，横向力学性能由驱动机构和单元关节共同决定。

基于辅助接触接触的柔性单元在连续体机器人中的应用较少。

韩国科学技术院的Jung-wook Suh等人提出了一种基于摩擦的无带滚动关节，并将其运用在医疗内窥镜中。如图1所示，它通过弹性缆绳约束滚动副，通过摩擦实现近似纯滚动。该设计的缺点是靠滚动接触表面摩擦实现纯滚动不是特别可靠，约束绳的张力很难选择和调控。

帝国理工学院的Yang Hu等人基于螺旋弹簧的外型设计了用于蛇形臂机器人的滚动关节。如图2所示，它巧妙地利用了弹簧本身的收缩力约束滚动副，实现了滚动接触。此设计的缺点是滚动单元之间不是纯滚动，甚至可能因轴向载荷存在轴向滑动。

现有方案存在的技术问题

1、对于传统刚性转动副：

轴向刚度较好的传统刚性转动副的销和孔之间存在间隙，引入了一些寄生运动和摩擦，这使得其精度主要取决于加工和装配精度，由于磨损，这些问题随着时间的推移变得更复杂。

2、对于普通柔性铰链：

一般来讲，柔性铰链是指利用材料的变形传递或转换运动、力或能量的新型转动副。

为了减小机器人臂体部分的体积和质量，连续体机器人多为绳索或杆驱动，其轴向负载因驱动绳上的拉力而变得很大，对于结构简单，无需或很少装配的柔性单元连续体机器人，其轴向承载能力一般较小，轴向变形使得建模和控制变得困难，精度难以保证。

此外，组合式簧片型柔性铰链(如梯形簧片柔性铰链)的比转角(最大转角与尺寸的比值)较小，用于对尺寸有严格要求的连续体机器人时会造成尺寸过大或转角过小的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现纯滚动连接、摩擦小、装配简单、转动角度大的基于滚动接触的柔性关节及具有其的连续体机器人。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的基于滚动接触的柔性关节，该柔性关节包括：

两个相互连接的滚动体；

所示滚动体具有位于所述滚动体上端的第一接触面、和位于所述滚动体下端的第二接触面；

所述第一接触面和第二接触面均被配置为弧形结构；

两个所述滚动体通过第一接触面和第二接触面形成为滚动连接；

所述滚动体中部插接有中央簧片；

相邻所述滚动体滚动运动后通过所述中央簧片提供恢复力矩。

进一步的，所述滚动体的一端的中部向外凸出形成为所述第一接触面，所述滚动体的另一端的中部向外凸出形成为所述第二接触面；

所述滚动体的第二接触面与位于其工艺上游的滚动体的第一接触面接触；

相邻所述滚动体之间通过约束绳连为一体；

相邻所述滚动体通过约束绳的约束形成为滚动连接。

进一步的，所述滚动体沿所述第一接触面和第二接触面的宽度方向对称开设有贯穿所述滚动体的约束绳穿设孔；

所述约束绳穿设孔分为第一约束绳穿设孔和第二约束绳穿设孔；

相邻所述滚动体之间的约束绳按照以此穿过第一约束绳穿设孔和第二约束绳穿设孔的方式穿线以形成为滚动连接；

所述滚动体的侧面具有约束线紧定螺钉孔。

进一步的，所述滚动体沿垂直于所述第一接触面和第二接触面的方向开设有中央簧片插槽；

所述滚动体靠近所述第一接触面一侧的所述中央簧片插槽内插接有所述中央簧片，且所述中央簧片部分延伸至所述中央簧片插槽外部；

所述滚动体的中央簧片部分嵌入与其相邻并位于其工艺下游的滚动体的靠近所述第二接触面的中央簧片插槽内。

进一步的，所述中央簧片插槽中部向外扩展有弧形槽。

进一步的，所述第一接触面和第二接触面的两端具有沿其面形延伸的约束绳走线槽。

本发明公开的连续体机器人，该连续体机器人包括臂体、以及与所述臂体连接并驱动所述臂体运动的驱动机构，所述臂体由如上所述的柔性关节组成。

进一步的，所述臂体由臂体头部至臂体尾部具有三段臂体分体；

三段所述臂体分体由臂体头部至臂体尾部长度依次增大；

每段所述臂体分体包括多组所述柔性关节；

所述臂体沿其长度方向的两侧具有驱动绳穿设孔。

进一步的，所述驱动机构包括底板、驱动电机安装板、以及集成于所述驱动电机安装板上的多个驱动电机；

每个所述驱动电机均具有一动力输出端，所述动力输出端通过绕线盘驱动一根驱动绳运动；

所述驱动电机为行星减速步进电机；

每个所述驱动电机的动力输出端的绕线盘的高度不同；

所述底板沿其周向布置有多根铝型材，所述铝型材的上端固定有导轨；

所述臂体与所述导轨滑动连接以沿所述导轨的轨迹移动。

进一步的，所述驱动电机安装板的下端集成有驱动器固定板；

所述臂体尾部具有与所述驱动器固定板固连的柔性体以通过所述驱动机构转动以驱动臂体进给运动；

所述柔性体为柔性杆或柔性管。

在上述技术方案中，本发明提供的一种基于滚动接触的柔性关节及具有其的连续体机器人，具有以下有益效果：

本发明的柔性关节的两个滚动体通过约束绳约束形成为基于CORE的纯滚动转动副，由于滚动接触的引入，使得其轴向承载能力大大增加；中央簧片能够在中央簧片插槽内滑动，提供柔性关节的恢复力矩，对于分段控制的连续体机器人，关节的恢复力矩可以保证段内各关节均匀弯曲，使机器人形状变的可预测。

本发明的柔性关节为CORE与簧片柔性铰链的结合，兼具传统刚性转动副和柔性铰链的优点，结构简单、加工方便、无销轴配合、无摩擦损耗、无需润滑、环境友好，轴向承载能力大，应用在连续体机器人中在结构上实现了高柔顺运动与高轴向刚度的结合。

本发明设计了约束绳走线槽，确保接触更紧密。

本发明还公开了一种基于上述柔性关节的连续体机器人，其通过驱动机构控制驱动绳改变长度的方式驱动连续体机器人运动，实现弯曲运动。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中柔性关节的第一种结构示意图；

图2为现有技术中柔性关节的第二种结构示意图。

图3为本发明实施例提供的基于滚动接触的柔性关节的滚动体的结构示意图一；

图4为本发明实施例提供的基于滚动接触的柔性关节的滚动体的结构示意图二；

图5为本发明实施例提供的基于滚动接触的柔性关节的第一种结构形式的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的基于滚动接触的柔性关节的第二种结构形式的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的基于滚动接触的柔性关节的基于CORE的滚动连接原理图；

图8为本发明实施例提供的连续体机器人的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的连续体机器人的臂体的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的连续体机器人的驱动电机的布置图；

图11为本发明实施例提供的连续体机器人的导轨的布置图。

附图标记说明：

1、滚动体；2、约束绳；3、臂体；4、驱动机构；

101、第一接触面；102、第二接触面；103、第一约束绳穿设孔；104、第二约束绳穿设孔；105、约束绳走线槽；106、约束绳紧定螺钉孔；107、驱动绳穿设孔；108、中央簧片；109、中央簧片插槽；110、弧形槽；

301、柔性体；302、驱动绳；

401、底板；402、驱动电机安装板；403、驱动电机；404、绕线盘；405、驱动器固定板；406、铝型材；407、导轨。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

参见图3～图7所示；

实施例一：

本发明的实施例一公开了一种基于滚动接触的柔性关节，该柔性关节包括：

两个相互连接的滚动体1；

滚动体1具有位于滚动体1上端的第一接触面101、和位于滚动体1下端的第二接触面102；

第一接触面101和第二接触面102均被配置为弧形结构；

两个滚动体1通过第一接触面101和第二接触面102形成为滚动连接；

滚动体1中部插接有中央簧片108，且中央簧片108能够相对于滚动体1滑动；

相邻滚动体1滚动运动后通过中央簧片108提供恢复力矩。

具体的，本实施例一公开的柔性关节通过相邻滚动体1的第一接触面101和第二接触面102的接触，实现纯滚动连接，同时，滚动体1滚动后会朝向一侧偏移，在滚动体1之间安装上述的中央簧片108能够提供滚动体1恢复形态的恢复力矩。本实施例一的柔性关节相邻滚动体1引入滚动接触，使其轴向承载能力大大增强。

优选的，本实施例一中滚动体1的一端的中部向外凸出形成为第一接触面101，滚动体1的另一端的中部向外凸出形成为第二接触面102；

滚动体1的第二接触面102与位于其工艺上游的滚动体1的第一接触面101接触；

相邻滚动体1之间通过约束绳2连为一体；

相邻滚动体1通过约束绳2的约束形成为滚动连接。

其中，上述的滚动体1沿第一接触面101和第二接触面102的宽度方向对称开设有贯穿滚动体1的约束绳穿设孔；

约束绳穿设孔分为第一约束绳穿设孔103和第二约束绳穿设孔104；

相邻滚动体1之间的约束绳2按照以此穿过第一约束绳穿设孔103和第二约束绳穿设孔104的方式穿线以形成为滚动连接；

滚动体1的侧面具有约束线紧定螺钉孔106。

该处详细介绍了滚动体1的结构，针对单一滚动体来说，其上形成的第一接触面101和第二接触面102不单单限制于平面构型，其还可以以滚动接触部分交叉布置的方式构成空间构型，即第一接触面101和第二接触面102的延伸方向交叉布置。而无论以何种方式构型，相邻滚动体1的第一接触面101和第二接触面102均通过约束绳2约束以形成为沿第一接触面101/第二接触面102面形移动的滚动连接。同时，基于CORE的原理，约束绳2的穿设按照依次穿设第一约束绳穿设孔103和第二约束绳穿设孔104的方式穿线，即当约束绳2从第一个滚动体1的第一约束绳穿设孔103穿过时，其需要穿过位于下一个/上一个滚动体1的第二约束绳穿设孔104以形成交替的走线方式。以此才可以形成为纯滚动连接。

优选的，本实施例一中滚动体1沿垂直于第一接触面101和第二接触面102的方向开设有中央簧片插槽109；

滚动体1靠近第一接触面101一侧的中央簧片插槽109内配合有中央簧片108，中央簧片108滑动于中央簧片插槽109内，且中央簧片108部分延伸至中央簧片插槽109外部；

滚动体1的中央簧片108部分延伸至与其相邻并位于其工艺下游的滚动体1的靠近第二接触面102的中央簧片插槽109内。

中央簧片108的引入主要是在滚动体1滚动后能够提供恢复力矩，让其具有一定的可预测性。

作为优选的技术方案：上述的中央簧片插槽109中部向外扩展有弧形槽110。

上述的第一接触面101和第二接触面102的两端具有沿其面形延伸的约束绳走线槽105。约束绳走线槽105在约束绳2布置时将约束绳2部分嵌入，能够确保相邻滚动体1接触更加紧密。

参见图8～图11所示；

实施例二：

需要说明的是本实施例二公开的连续体机器人主要设计要点还是实施例一中的柔性关节，用以驱动臂体3活动的驱动机构仅为示范性的说明，并非局限于该种驱动机构4。

其中臂体结构的说明为：

滚动体1：连续体机器人臂体3部分的基本组成要素，也是最小结构单元；

关节：连续体机器人臂体3部分实现弯曲运动的最小运动单元，即实施例一中的柔性关节，一般由两个滚动体1组成；

段：同一组驱动绳302驱动的多个滚动体1的组合，同一段中的多个滚动体1共同完成一个自由度的弯曲运动，因此，段内存在局部自由度；

臂体3：所有段组成的集合，连续体机器人的主体部分；

头部：臂体3远离驱动机构4的部分；

尾部：臂体3靠近驱动机构4的部分。

本实施例二公开的连续体机器人，该连续体机器人包括臂体3、以及与臂体3连接并驱动臂体3运动的驱动机构4，臂体3由如上所述的柔性关节组成。

其中，臂体3由臂体头部至臂体尾部具有三段臂体分体；

三段臂体分体由臂体头部至臂体尾部长度依次增大；

每段臂体分体包括多组柔性关节；

臂体3沿其长度方向的两侧具有驱动绳穿设孔107。

更进一步的，上述的驱动机构4包括底板401、驱动电机安装板402、以及集成于驱动电机安装板402上的多个驱动电机403；

每个驱动电机403均具有一动力输出端，动力输出端通过绕线盘404驱动一根驱动绳302运动；

驱动电机403为行星减速步进电机；

每个驱动电机403的动力输出端的绕线盘404的高度不同；

底板401沿其周向布置有多根铝型材406，铝型材406的上端固定有导轨407；

臂体3与导轨407滑动连接以沿导轨407的轨迹移动。

驱动电机安装板402的的下端集成有驱动器固定板405；

臂体尾部具有与驱动器固定板405固连的柔性体301以通过驱动机构4转动以驱动臂体3进给运动；

柔性体301为柔性杆或柔性管。

本实施例二中的驱动电机403选用行星减速步进电机，通过驱动电机403的绕线盘404控制驱动绳302长度的变化，而其上的导轨407与臂体3滑动连接以形成为沿导轨407的轨迹盘绕运动的形式。该驱动机构4还具有用以传动的轴承等部件，该处不做重点，不再赘述。同时，驱动机构4配设控制系统，控制系统由单片机和步进电机驱动器组成，实现驱动绳302长度变化的技术，控制信号的转化和步进电机驱动电流的输出。

本实施例二中的导轨407截面呈燕尾形，臂体3只能沿其周向滑动，而臂体尾部的柔性体301去驱动器固定板405固连，驱动电机403转动带动驱动机构4转动时，臂体3沿导轨407滑动，控制滑动至导轨407末端直线部分的驱动绳302张紧，使得其伸出导轨407时保持直线以便后续控制。

在上述技术方案中，本发明提供的一种基于滚动接触的柔性关节及具有其的连续体机器人，具有以下有益效果：

本发明的柔性关节的两个滚动体1通过约束绳2约束形成为基于CORE的纯滚动转动副，由于滚动接触的引入，使得其轴向承载能力大大增加；中央簧片108能够在中央簧片插槽109内滑动，提供柔性关节的恢复力矩，对于分段控制的连续体机器人，关节的恢复力矩可以保证段内各关节均匀弯曲，使机器人形状变的可预测。

本发明的柔性关节为CORE与簧片柔性铰链的结合，兼具传统刚性转动副和柔性铰链的优点，结构简单、加工方便、无销轴配合、无摩擦损耗、无需润滑、环境友好，轴向承载能力大，应用在连续体机器人中在结构上实现了高柔顺运动与高轴向刚度的结合。

本发明设计了约束绳走线槽105，确保相邻滚动体1接触更紧密。

本发明还公开了一种基于上述柔性关节的连续体机器人，其通过驱动机构4控制驱动绳302改变长度的方式驱动连续体机器人运动，实现周向进给。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (5)

1.基于滚动接触的柔性关节，其特征在于，该柔性关节包括：

两个相互连接的滚动体(1)；

所述滚动体(1)具有位于所述滚动体(1)上端的第一接触面(101)、和位于所述滚动体(1)下端的第二接触面(102)；

所述第一接触面(101)和第二接触面(102)均被配置为弧形结构；

两个所述滚动体(1)通过第一接触面(101)和第二接触面(102)形成为滚动连接；

所述滚动体(1)中部插接有中央簧片(108)，且所述中央簧片(108)能够相对于所述滚动体(1)滑动；

相邻所述滚动体(1)滚动运动后通过所述中央簧片(108)提供恢复力矩；

所述滚动体(1)的一端的中部向外凸出形成为所述第一接触面(101)，所述滚动体(1)的另一端的中部向外凸出形成为所述第二接触面(102)；

所述滚动体(1)的第二接触面(102)与位于其工艺上游的滚动体(1)的第一接触面(101)接触；

相邻所述滚动体(1)之间通过约束绳(2)连为一体；

相邻所述滚动体(1)通过约束绳(2)的约束形成为滚动连接；

所述滚动体(1)沿所述第一接触面(101)和第二接触面(102)的宽度方向对称开设有贯穿所述滚动体(1)的约束绳穿设孔；

所述约束绳穿设孔分为第一约束绳穿设孔(103)和第二约束绳穿设孔(104)；

相邻所述滚动体(1)之间的约束绳(2)按照依次穿过第一约束绳穿设孔(103)和第二约束绳穿设孔(104)的方式穿线以形成为滚动连接；

所述滚动体(1)的侧面具有约束线紧定螺钉孔(106)；

所述第一接触面(101)和第二接触面(102)的两端具有沿其面形延伸的约束绳走线槽(105)；

所述滚动体(1)沿垂直于所述第一接触面(101)和第二接触面(102)的方向开设有中央簧片插槽(109)；

所述滚动体(1)靠近所述第一接触面(101)一侧的所述中央簧片插槽(109)内配合有所述中央簧片(108)，所述中央簧片(108)滑动于所述中央簧片插槽(109)内，且所述中央簧片(108)部分延伸至所述中央簧片插槽(109)外部；

所述滚动体(1)的中央簧片(108)部分延伸至与其相邻并位于其工艺下游的滚动体(1)的靠近所述第二接触面(102)的中央簧片插槽(109)内；

所述中央簧片插槽(109)中部向外扩展有弧形槽(110)。

2.连续体机器人，该连续体机器人包括臂体(3)、以及与所述臂体(3)连接并驱动所述臂体(3)运动的驱动机构(4)，其特征在于，所述臂体(3)由如权利要求1中所述的柔性关节组成。

3.根据权利要求2所述的连续体机器人，其特征在于，所述臂体(3)由臂体头部至臂体尾部具有三段臂体分体；

三段所述臂体分体由臂体头部至臂体尾部长度依次增大；

每段所述臂体分体包括多组所述柔性关节；

所述臂体(3)沿其长度方向的两侧具有驱动绳穿设孔。

4.根据权利要求3所述的连续体机器人，其特征在于，所述驱动机构(4)包括底板(401)、驱动电机安装板(402)、以及集成于所述驱动电机安装板(402)上的多个驱动电机(403)；

每个所述驱动电机(403)均具有一动力输出端，所述动力输出端通过绕线盘(404)驱动一根驱动绳(302)运动；

所述驱动电机(403)为行星减速步进电机；

每个所述驱动电机(403)的动力输出端的绕线盘(404)的高度不同；

所述底板(401)沿其周向布置有多根铝型材(406)，所述铝型材(406)的上端固定有导轨(407)；

所述臂体(3)与所述导轨(407)滑动连接以沿所述导轨(407)的轨迹移动。

5.根据权利要求4所述的连续体机器人，其特征在于，所述驱动电机安装板(402)的下端集成有驱动器固定板(405)；

所述臂体尾部具有与所述驱动器固定板(405)固连的柔性体(301) 以通过所述驱动机构(4)转动以驱动臂体(3)进给运动；

所述柔性体(301)为柔性杆或柔性管。

Images