CN111319033A - 连续体机器人 - Google Patents

Abstract

一种连续体臂机器人区段，其中该区段包括至少三个节段，以基部、至少一个中间节段和顶端节段为特征。每个节段对应于成对的相邻盘之间的至少一个互连部分，成对的相邻盘形成连续体臂机器人的区段的主干。基部节段具有比至少一个中间节段和顶端节段更大的刚度，并且至少一个中间节段具有比顶端节段更大的刚度。还提供了一种调整连续体臂的刚度的方法。该方法包括将第一加强部件施加到节段的步骤。将第二个加强部件施加到不同节段。第一加强装置导致基部节段具有比中间节段更大的刚度，并且第二加强装置导致中间节段具有比基部节段更低的刚度，但是比顶端节段更高。

Description

连续体机器人

技术领域

本发明涉及一种连续体机器人，特别是用于连续体机器人的臂区段的设计。该区段能够是形成全长臂的一部分或多个区段，其能够在密闭或危险的环境中检查或维修部件。

背景技术

在复杂结构的制造、检查和维修中的机器人的使用正在增长，因为这些设备能够进入人类不能进入的点。为了执行这样的任务，存在大量机器人设计和配置，其期望用于不同目的。特别地，蛇臂或连续体机器人具有特别的意义。与传统的刚性连杆机器人不同，这些连续体机器人具有许多自由度，其允许它们特别适合进入密闭空间。这允许它们被用于从外科手术到航空发动机的现场维修的广泛范围的目的。

连续体机器人大体由几个独立控制的区段构成，其中每个区段具有一个或两个自由度，其允许它们被容易地操纵。区段的每个元件通过刚性或顺应性关节连接，其能够通过拉动线缆或调整气动或液压致动器来被操纵；因此，允许它们被铰接至不同的目标定向。连续体机器人的最常见设计之一是由使用刚性连结区段构成，刚性连结区段使用旋转/万向/球形(R/U/S)关节联接在一起。但是，关于这种系统的使用存在问题；这是因为在使直径接近臂的内直径的输送管贯穿R/U/S关节中的困难。该问题是关节的弯折半径小的结果。该小半径能够导致在输送管中形成扭结，这能够妨碍工具的功能或材料沿管的输送。为了克服这个，连续体区段能够以刚性连杆之间的弹性体区段为特征；这用于将弯折均匀地分配在该区段的整个长度上。因此，弹性体区段的使用允许更连续的曲率，其允许输送管贯穿机器人臂的中间。因此，当与刚性关节的连续体臂相比时，通过在连续体机器人的区段中采用弹性体材料，允许机器人的臂具有更好的弯折能力。

然而，这种类型的机器人的问题之一是，当使用运动学模型控制机器人的臂时，区段被认为是圆形曲线。在此情况下，运动学模型提供了一种控制/确定多个连结体的运动的手段。然而，物理测试表明，连续体区段不会以连续和圆形曲率半径弯折。因此，模型与臂的实际形状之间的差异能够致使机器人出现大量的位置误差。因此，存在需要来使连续体区段更好地匹配圆形曲率，使得连续体机器人的控制更加可靠。

发明内容

根据第一方面，提供了一种连续体臂机器人区段，其中该区段包括至少三个节段，以基部、至少一个中间节段和顶端节段为特征，其中每个节段对应于成对的相邻盘之间的至少一个互连部分，成对的相邻盘形成连续体臂机器人的区段的主干，其中基部节段具有比至少一个中间节段和顶端节段更大的刚度，并且至少一个中间节段具有比顶端节段更大的刚度。

通过采用本公开的教导，连续体机器人能够具有在弯折时以圆形形状弯曲的区段，并且还适于形成其它弯折形状，如二次曲线。这样，当在密闭空间内导航时，或在其中需要臂的极端控制的情况下，这将为机器人提供更好的可达性。此外，由于这些区段具有固定设计，因此它们能够在现场被调整，以改进机器人臂的性能。

每个节段可由顺应性和旋转关节对制成。

关节的刚度可通过旋转关节的表面粗糙度来确定。

关节的刚度可通过旋转关节内的盘的材料来确定。

节段可由非恒定刚度关节制成，非恒定刚度关节包括通过具有2个自由度或1个自由度的互连部分分开的盘。

互连部分可具有变化的厚度，其中基部节段是最厚的互连部分并且具有最硬的区段，中间节段具有中等厚度的互连部分，所述中等厚度的互连部分具有中等刚度，且顶端节段具有最薄的互连部分并具有最低的刚度。

互连区段可由一种或多种金属材料制成，如钛、铝、钢、钨和/或碳化硅。

互连区段可由一种或多种非金属材料制成，如尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或碳增强塑料。

节段可具有围绕盘和互连部分的壁区段。

壁区段可具有基本对应于每个节段的刚度的不同厚度。

壁区段可由具有不同的刚度分布（profile）的材料制成，刚度分布对应于每个节段的不同的刚度。

至少一个套筒可围绕节段设置，以便调整所述区段的刚度。

套筒区段可由热塑性材料、形状记忆合金和形状记忆聚合物中的一种或多种制成。

至少一个加强构件可设置在节段上，以便调整所述区段的刚度。

加强构件可由热塑性材料、形状记忆合金和形状记忆聚合物中的一种或多种制成。

根据第二方面，提供了一种具有一个或多个臂的连续体机器人，每个臂包括如前述任意权利要求中所述的至少一个连续体机器人臂区段。

连续体机器人可用于气体涡轮发动机的检查和/或维修。

根据第三方面，提供了一种调整连续体臂区段的刚度的方法，该连续体臂区段以基部、至少一个中间节段和顶端节段为特征，其中每个节段对应于成对的相邻盘之间的至少一个互连部分，成对的相邻盘形成连续体臂机器人的区段的主干，该方法包括以下步骤：将第一加强部件施加到节段；然后将第二加强部件施加到不同的节段，使得第一加强部件导致基部节段具有比中间节段更大的刚度，并且第二加强部件导致中间节段具有比基部节段更低的刚度，但是比顶端节段更高。

第一加强部件的施加和/或将第二加强部件施加到不同的节段可包括在节段的外表面上增加套筒，或插入加强支柱。

在本文中，连续体机器人是具有大量或无限多个自由度的超冗余机器人。这些机器人用作自我支承的连续弯曲操纵器。为了满足这些要求，机器人由单独的区段制成，每个区段都通过不同的腱组控制。这样的连续体机器人的实例在图1中示出。连续体机器人有两个区段；第一区段12和第二区段14。第一区段12通过线缆13控制，同时第二区段14通过线缆15控制。连续体臂机器人中的线缆被约束在盘部件11的孔中。通过拉动腱16，每个区段能够相对于彼此移动，使得机器人能够被操纵。线缆的移动由电机/人工肌肉致动。

本领域技术人员将领会的是，除非其中相互排斥，否则关于以上方面中的任何一个描述的特征可加上必要的修正应用于任何其它方面。此外，除非其中相互排斥，否则本文描述的任何特征可应用于任何方面和/或与本文描述的任何其它特征组合。

附图说明

现在将参考附图仅通过实例的方式来描述实施例，在附图中：

图1是以两个单独的臂区段为特征的连续体臂机器人的一部分的现有技术实例；

图2是简单的顺应性关节结构的现有技术实例；

图3A-3D是用于连续体臂机器人中的连续体区段的现有技术实例；

图4A-B呈现了作为本公开的一部分的具有两个自由度的连续体区段的两个实施例；图4A呈现了使用单件互连件的本公开的实例，图4B呈现了其中互连件由多个互连部分形成的本公开的实例；

图5A-B呈现了作为本公开的一部分的具有单个自由度的连续体区段的两个实施例；图5A呈现了使用单件互连件的本公开的实例，图5B呈现了其中互连件由多个互连部分形成的本公开的实例；

图6A-B呈现了本公开的具有两个自由度的连续体区段的实施例，其中为每个分开的节段提供了壁区段；图6A呈现了实施例的外视图，同时图6B呈现了本公开的断面视图；

图7A-D呈现了连续体区段的两个实施例，该连续体区段包括刚性旋转关节和顺应性关节；图7A呈现了这种关节的单个节段的断面，同时图7B呈现了关节结构的外侧视图；图7C呈现了本公开的实施例，其中旋转关节具有不同的表面粗糙度；以及图7D呈现了本公开的实施例，其中旋转关节具有不同的材料，该不同的材料具有不同的盘的材料。

具体实施方式

现在将参考对应的附图论述本公开的方面和实施例。其它方面和实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。

图2显示了双顺应性关节结构20的现有技术示意图。在此情况下，存在三个盘(A、B、C)，其使用顺应性关节22和24联接在一起，使得第一顺应性关节22将盘A连结到盘B，并且第二顺应性关节24将盘B连接到盘C。两个顺应性关节相对于彼此成角，使得它们相对于彼此旋转90°。区段的这种配置允许通过操纵盘B和C之间的顺应性关节而沿线A-A收缩/延伸，同时能够通过操纵盘A和B之间的顺应性关节沿线B-B做出关节的移动。能够通过连接到盘的线缆或致动器的移动来完成关节的操纵。通过受控的运动，例如通过拉动或推动附接到盘的线缆或致动器，导致了操纵盘。这允许具有多个这些区段的连续体臂机器人能够以多个自由度移动，并因此允许沿复杂的通路移动并在难以到达的物体上工作。使用一系列定位在限制区域外侧的近侧电机拉动线缆的移动。在使用内置传感器(例如：位置或力)的开环或闭环控制中，电机的受控线性或旋转移动与线缆且因此连续体机器人臂盘的准确移动相对应。臂的移动因此能够通过操作运动学模型的计算机程序控制。这些用于操纵连续体臂的计算机程序包括正向和反向运动学模型二者。在大多数这些模型中，连续体机器人的区段的形状被认为是具有圆形曲率。该建模被选择为其使形状的数学更容易，并因此需要更少的计算时间来得出定位臂所需的移动。如上所述，在没有对臂区段的更大改进的情况下，这种建模是不合适的，并且需要更大的建模复杂度，且因此需要更多的计算时间，或这种臂中的任何移动都会导致机器人臂的固有的准确性的不足，这能够损坏正在被检查或正在其上工作的任何设备和/或机器人臂。

在图3A和3B中示出了在机器人中使用的现有技术连续体区段的区段的实例。此处，形成区段的多个盘通过交替的短和长的弹性体关节连结。关节的不同长度为区段提供了不同的刚度，因此短区段比长区段弯折更小。备选地，如图3C和3D中所示，也已使用了具有相同长度的薄区段和厚区段或薄-薄-厚-厚关节。这又导致区段的每个节段具有一定的刚度，其中较厚的区段比较薄的区段更硬。这些不能克服上面呈现的曲率半径不理想的问题，并因此能够导致关于贯穿关节区段的中心的输送管的问题。

通过允许沿区段的长度调整刚度，能够实现在盘之间使用这些交替的厚或薄的互连区段的改进。这通过将连续体区段的长度分开成三个或更多个节段来完成，使得它们至少形成顶端节段、中间节段和基部节段。这些分开的节段中的每个都设有具有不同刚度水平的盘互连件。为了实现这一点，基部节段在基部节段中的盘之间具有宽的互连件，为其提供更高的刚性程度。中间区段可设有中等厚度的盘互连件。同时顶端节段然后在盘之间设有最窄的互连件。通过在基部处具有宽的互连件和用于中间节段和顶端节段的逐渐变薄的区段，为这三个节段提供了不同刚度水平。在基部具有最高刚度水平的情况下，该基部将防止区段在开始时扭结，从而允许将管容易地容纳在其中。这些互连件能够具有如图4A中所呈现的单件构造。备选地，互连件可由具有标准厚度的多个部分形成。因此，为了实现节段的变化的厚度，能够将互连件增加在一起，使得基部节段具有联接在一起以形成完整互连结构的三个互连部分，如图4B中所呈现。中间节段可具有联接在一起的两个互连部分，以形成完整的互连件。具有最低刚度的顶端区段可仅以单个互连部分为特征。然而，如本领域技术人员将领会的，这能够是每个节段的任何合适数量的互连部分。每个节段能够以2个自由度弯折。

在上面的实例中，该节段的每个节段具有两个互连级，然而如图5中所示，对于单个自由度关节，其中仅单个互连件形成每个节段，可能实现相同的效果。在此情况下，如上所述，互连部分能够是单个单元(图5A)，或能够由联接在一起的多个互连部分(图5B)形成。在此情况下，基部节段具有最高的刚度，并且可以宽的互连区段或较大数量的互连部分为特征。中间节段较窄，或具有较少数量的互连部分。最后，顶端区段比其它区段更窄，或以最少数量的互连部分为特征。

尽管已经根据互连件的厚度呈现了实施例，但是通过使用具有不同刚度特性的材料也能够产生类似的效果。这能够使用相同厚度的互连件来实现，但其中互连件使用比中间节段的互连件具有更高的刚度水平的材料制成，而中间节段的互连件的刚度水平转而又比顶端节段中的互连件刚度水平更高。能够采用的此类材料的实例是钛64合金(105-120GPa)、铝(69 GPA)、钢(200 GPa)、钨(400 GPa)、碳化硅(450 GPz)。备选地，对于要求较小的刚性/刚度的设备，能够考虑诸如尼龙(4 GPa)、PET(2 GPa)或碳增强塑料(50 GPa)的材料。

此公开的备选实施例在于，不是改变互连件的厚度或刚度而是提供用于盘和互连件的壁，其形成三个分开的节段，三个分开的节段形成完整的区段，该区段形成连续体臂的一部分。这些分开的节段中的每个的壁部分都设有不同的刚度，使得基部节段比中间更硬，中间转而又比顶端更硬。在图6A和6B中示出了这样的实例。在此情况下，这些壁中的每个的材料都是相同的，并且壁区段具有不同的厚度，使得基部区段以宽的壁区段为特征，中间节段具有中等的壁厚度，以及顶端节段，其具有薄的壁区段。用于壁区段的合适材料可为弹性镍钛诺、弹簧钢。备选地，能够使用塑料或橡胶材料。壁区段能够由具有不同刚度水平的材料制成，使得壁区段的刚度在该区段的这些节段中从基部到顶端减小。

备选实施例利用集成到单个区段中的旋转和顺应性关节并沿纵轴线调整刚度。这样的单个关节的实例在图7A中示出。示出的单个部件具有顺应性关节部分72和刚性旋转关节74。在该实施例中，沿纵轴线，顺应性关节的刚度是恒定的，同时旋转关节的刚度能够变化。通过将这些旋转和顺应性关节节段组合在一起来形成区段。如在本公开中的这种实例在图7B中示出。该图呈现了实例，其中这些刚性旋转和顺应性关节中的三个形成单个关节区段。这些关节区段中的每个均形成为具有基部节段、中间节段和顶端节段。在此情况下，区段之间的旋转关节设有具有不同表面粗糙度或由不同材料制成的关节。通过改变关节的表面粗糙度意味着能够改变关节的柔韧性，这改变了关节的刚度。在本公开中，基部节段具有最大的表面粗糙度，使得该关节最硬。中间节段具有中等的表面粗糙度，并因此形成中间刚度的关节。顶端节段具有最低的表面粗糙度，并因此形成最不硬的关节。对关节的表面粗糙度和刚度的参照是在与每个其它关节相比时。例如，中间节段的表面粗糙度可具有基部节段的表面粗糙度的10-99％。顶端节段可具有中间节段的表面粗糙度的10-99％。分别对于基部到中间区段，且然后再对于中间到顶端节段两者，该粗糙度差可在大约10-75％的范围内。使用具有不同表面粗糙度的关节的备选方案是使表面粗糙度相同，但替代为具有用于盘的不同的材料。能够采用的材料的实例是钛64合金(105-120 GPa)、铝(69 GPA)、钢(200 GPa)、钨(400 GPa)、碳化硅(450 GPz)。备选地，对于要求较小的刚性/刚度的设备，能够考虑诸如尼龙(4 GPa)、PET(2 GPa)或碳增强塑料(50 GPa)的材料。这导致沿纵轴线的摩擦水平不同，因此允许沿纵轴线调整节段的刚度。

通过采用本公开的教示，连续体机器人能够具有区段，其在弯折时以圆形形状弯曲，以及诸如二次曲线的其它弯折形状。这样，当在密闭空间内导航时，或在其中需要臂的极端控制的情况下，这将为机器人提供更好的可达性。以如上文所述的区段为特征的连续体机器人能够包括经由管道镜端口部署到航空发动机的气体路径中，以便执行精确的维修和检查活动。这能够包括准确部署研磨工具或沉积工具，或非破坏性测试末端执行器(如超声阵列或涡流探头)。其它准确的检查和/或维修活动能够在如工业气体涡轮机、风力涡轮机的密闭环境中执行，或在例如钥匙孔外科手术中执行。此外，由于这些区段具有固定设计，因此它们能够在现场被调整，以改进机器人臂的性能。

上面论述的任何实施例具有的益处在于，如果由于老化或损坏而导致区段的曲率不再与圆形的曲率匹配，则能够在适当的位置增加加强部件。备选地，能够将加强部件增加到由三个或更多个节段形成的区段中，其中关节具有相同的刚度以产生比中间更高的刚度的基部，中间转而又比顶端更高，如本公开的其它实施例中那样。例如，能够通过在节段上增加支柱或通过增加一定厚度的套筒来调整节段的刚度来完成加强。这些节段或套筒能够由热塑性材料、形状记忆合金和/或形状记忆聚合物制成。备选地，如果刚度太大，机器人臂区段与圆形的曲率不是接近地相似，则能够使用移除加强部件来减小区段的刚度。这样的设计允许制造通用系统，但是通过为这些区段中的每个定制的刚度，附加的加强部件允许机器人臂被使用在多个环境中。潜在地，加强部件能够由诸如形状记忆合金或电流/热激活材料的材料或对于本领域技术人员将显而易见的其它材料制成。具有不同刚度值的套筒的使用能够被使用。例如，这能够在全部具有相同刚度值的区段上起作用，使得在基部节段周围提供具有最高刚度的套筒，在中间节段周围提供具有较小刚度的套筒，并且为顶端节段提供具有最低刚度的套筒。

尽管已经描述了具有三个节段的实施例，但是本发明不限于此。如果刚度从区段的基部到顶端降低，则能够增加更多的节段。通过使用更多的节段，曲率的控制可更大，作为具有更复杂的部件的折衷。

将理解的是，本发明不限于上述实施例，且能够做出各种改型和改进，而不脱离本文所述的构想。除非其中相互排斥，否则任何特征都可分开采用或与任何其它特征组合采用，且本公开延伸至并包括本文所述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

Claims (15)

1.一种连续体臂机器人区段，其中所述区段包括至少三个节段，以基部、至少一个中间节段和顶端节段为特征，其中每个节段对应于成对的相邻盘之间的至少一个互连部分，所述成对的相邻盘形成所述连续体臂机器人的区段的主干，其中所述基部节段具有比所述至少一个中间节段和顶端节段更大的刚度，并且所述至少一个中间节段具有比所述顶端节段更大的刚度。

2.如权利要求1中所述的连续体臂机器人区段，其中每个节段由顺应性和旋转关节对制成。

3.如权利要求2中所述的连续体臂机器人区段，其中所述关节的刚度通过所述旋转关节的表面粗糙度确定。

4.如权利要求2或权利要求3中所述的连续体臂机器人区段，其中所述关节的刚度通过所述旋转关节内的盘的材料确定。

5.如权利要求1中所述的连续体臂机器人区段，其中所述节段由非恒定刚度关节制成，所述非恒定刚度关节包括通过具有2个自由度或1个自由度的互连部分分开的盘。

6.如权利要求5中所述的连续体臂机器人区段，其中所述互连部分具有变化的厚度，其中所述基部节段是最厚的互连部分并且具有最硬的区段，所述中间节段具有中等厚度的互连部分，所述中等厚度的互连部分具有中间刚度，且所述顶端节段具有最薄的互连部分并具有最低的刚度。

7.如权利要求5或权利要求6中所述的连续体臂机器人区段，其中所述节段具有围绕所述盘和互连部分的壁区段。

8.如权利要求7中所述的连续体臂机器人区段，其中所述壁区段具有基本对应于每个所述节段的刚度的不同厚度。

9.如权利要求8中所述的连续体臂机器人区段，其中所述壁区段由具有不同刚度分布的材料制成，其对应于每个所述节段的不同刚度。

10.如权利要求1中所述的连续体臂机器人区段，其中至少一个套筒围绕节段设置，以便调整所述区段的刚度。

11.如权利要求1中所述的连续体臂机器人区段，其中至少一个加强构件设置在节段上，以便调整所述区段的刚度。

12.一种具有一个或多个臂的连续体机器人，每个臂包括如权利要求1至权利要求11中任一项所述的至少一个连续体机器人臂区段。

13.如权利要求12中所述的连续体机器人，所述连续体机器人用于气体涡轮发动机的检查和/或维修。

14. 一种调整连续体臂区段的刚度的方法，所述连续体臂区段以基部、至少一个中间节段和顶端节段为特征，其中每个节段对应于成对的相邻盘之间的至少一个互连部分，所述成对的相邻盘形成连续体臂机器人的区段的主干，所述方法包括以下步骤：

将第一加强部件施加到节段；然后

将第二加强部件施加到不同的节段，使得所述第一加强部件导致所述基部节段具有比所述中间节段更大的刚度，并且所述第二加强部件导致所述中间节段具有比所述基部节段更低的刚度，但是比所述顶端节段更高。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述第一加强部件的施加和/或将所述第二加强部件施加到不同的节段中包括在所述节段的外表面上增加套筒，或插入加强支柱。

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