CN112809732B - 一种基于复杂滚动接触曲面的刚柔耦合关节 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于复杂滚动接触曲面的刚柔耦合关节，包括两个具有相同构型的滚动接触关节主体、分别固定于各滚动接触关节主体外侧的连接体以及通过连接体固定于滚动接触关节主体外侧的两根柔性杆；各滚动接触关节主体均分别包括由相应连接体固接的四个凸耳，四个凸耳形成两组并分列于滚动接触关节主体的两端，其中一个滚动接触关节主体一端的两个凸耳与另一个滚动接触关节主体一端的两个凸耳之间分别形成滚动接触面，各滚动接触面为过相应柔性杆中心点且与柔性杆中心点处斜率垂直的切线所组成的包络线。在滚动接触的过程中，本发明关节具有中心轴线长度保持不变的优良特性，解决了连续体机器人中刚性结构支撑和柔性力交互之间的耦合问题。

Description

一种基于复杂滚动接触曲面的刚柔耦合关节

技术领域

本发明属于医疗机器人领域，尤其涉及一种基于复杂滚动接触曲面的刚柔耦合关节。

背景技术

经自然腔道的手术是微创医学领域的重要方向之一。具有大转角特点的连续体机器人非常适合腔道环境，目前已在航空发动机检测、空间探索、海底探索等领域进行了广泛应用。近几年，超冗余度的连续体机器人逐渐被应用到经自然腔道手术当中。连续体机器人的关节主要包括传统的刚性关节和滚动式接触的柔性关节。然而与航空航天等领域不同，人体自然腔道除空间细长外，还具有狭小、曲率变化大和动态物理特性变化等特点。为了保证手术安全，就需要保证机器人在人体自然腔道中精准柔顺运动。机器人的设计需要同时满足微型化、精准化、灵活性等要求。由于传统的刚性关节在面对超多关节模块时，其静力学平衡多解问题难以解决。滚动式接触的柔性关节逐渐被受到广泛关注。

滚动式接触的柔性关节主要分为类齿轮啮合的接触滚动关节(如图1中(a)所示)、弹性杆约束的无带滚动PREF(Pulleyless Rolling joint with Elastic Fixtures)关节(如图1中(b)所示)、柔性滚动单元CORE(Compliant Rolling-contact Element)(如图1中(c)所示)三类。其中，齿轮啮合结构存在背隙，难以实现精准控制。同时，小型化齿轮难以加工以及润滑油的使用都限制了其在医疗领域的领用。PREF关节是通过弹性杆的限位避免了滚动接触关节的相对滑动。但是由于弹性约束杆在关节(滚动接触面为类圆形)的转动过程中会相对关节主体产生相对位移，无法提供使关节始终保持滚动接触的张力，因而难以精准控制。柔性滚动单元CORE通过柔软而不可伸长的绳索进行约束，在约束滚动接触关节无相对滑动的同时，提供了使两关节主体保持接触的张力，该种关节同时拥有刚性转动副和柔性机构的特点，但是该结构需要在关节转动轴方向附加限位，避免关节的轴向滑动，且没有提供让关节回复初始位置的弹性，缺乏一定柔顺性。例如公开号为CN110900651A提出的基于滚动接触的柔性关节及具有其的连续体机器人，涉及一种用于航空检修的基于CORE结构滚动接触的柔性关节，可近似看为CORE结构和PREF结构的融合(参见图2)。该结构简单、无销轴配合、轴向承载能力大，在结构上实现了高柔顺运动与高轴向刚度的结合，但是该结构也具有以下缺陷：1)由于弹性杆因为弧形接触面的约束特性，会相对关节主体产生滑动，而柔性杆未进行位置约束，因此在同一转角下柔性杆状态不唯一，因而无法建立精确的动力学理论模型；2)柔性杆与配合槽的间隙导致未形成刚柔耦合构型；3)关节内腔中空间小，不适合需要排布光、气、水、感知等多路通道的医疗环境。

此外，加工、装配等形状误差会对连续体机器人的精准控制造成困难。因此，需要对连续体机器人进行精准的形状检测。如图3所示(A机械臂的末端、B关节主体、C类绳传感器)，一般采用类绳传感器在臂体中心轴线处对连续体机器人进行形状检测。然而，无论是典型的转动副式刚性关节(如图4中(a)和(b)所示)还是典型的以弧面为接触面的滚动接触式柔性关节(如图4中(c)和(d)所示)，在关节转动过程中，轴心线长度不恒定，传感器的测量单元无法一一对应关节转角，导致测量结果不准确，从而无法实现精准闭环控制。

因此，本发明设计了一种适用于人体自然腔道的刚柔耦合关节。该关节是基于复杂滚动接触曲面设计的，具有模型精确、易于微型化加工、可精准控制等优点。

发明内容

为解决连续体机器人的关节结构复杂、刚柔耦合精确模型难以建立、难以小型化加工等问题，本发明提出一种基于复杂滚动接触曲面的刚柔耦合关节。这种关节结构兼具柔性关节与刚性的优点：臂体轴心线长度恒定，便于运动学与动力学建模，可实现精准的闭环空中；转动过程，关节接触稳定，运动具有柔顺性、连续性；此外，结构设计简单，易于加工制造。

本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种基于复杂滚动接触曲面的刚柔耦合关节，其特征在于，包括两个具有相同构型的滚动接触关节主体、分别固定于各滚动接触关节主体外侧的连接体以及通过连接体固定于滚动接触关节主体外侧的两根柔性杆；各滚动接触关节主体均分别包括由相应连接体固接的四个凸耳，四个凸耳形成两组并分列于滚动接触关节主体的两端；其中一个所述滚动接触关节主体一端的两个凸耳与另一个所述滚动接触关节主体一端的两个凸耳之间分别形成滚动接触面，各滚动接触面为过相应柔性杆中心点且与柔性杆中心点处斜率垂直的切线所组成的包络线。

进一步地，当两个相接触的凸耳的形心连线为水平线时，沿该水平线方向和垂直于该水平线方向分别构建X轴和Y轴，以所述柔性杆的固定端为原点O，则各所述滚动接触面的曲线方程为：

其中，L为柔性杆长度；a为柔性杆弯角，a∈[α_min，α_max]，α_min和α_max分别为柔性杆的最小弯角和最大弯角；r为柔性杆的曲率半径。

进一步地，各连接体相对设置的侧面上对称设有用于固定相应柔性杆端部的安装槽。

本发明的特点及有益效果：

本方面提出了一种基于复杂滚动接触曲面的刚柔耦合关节。该关节采用了一种复杂接触曲面及该曲面与柔性杆相配合的构型。在滚动接触的过程中，该关节具有中心轴线长度保持不变的优良特性。此外，滚动面采用CORE结构来保证两端凸耳接触。该复杂接触曲面可以保证柔性杆在关节结构两端完全固定，从而避免结构的不确定性导致的理论模型难以建立、精度损失等问题。该关节构型设计具有结构简约、易于加工制作、易于小型化、轴向承载力大、无磨损、不需要润滑，解决了连续体机器人中刚性结构支撑和柔性力交互之间的耦合问题，非常适合狭小细长、动态物理特性变化、高精准性与安全性要求的自然腔道手术场景。

附图说明

图1是现有的三种滚动接触关节的结构示意图，其中，(a)为类齿轮啮合的接触滚动关节，(b)为弹性杆约束的无带滚动PREF关节，(c)为柔性滚动单元CORE；

图2是现有的一种用于航空检修的滚动接触的柔性关节结构示意图；

图3是现有连续体机器人的形状检测方法示意图；

图4是现有转动时类绳传感器错位情况示意图；

图5是本发明实施例的一种基于复杂滚动接触曲面的刚柔耦合关节的结构示意图；

图6是本发明实施例的刚柔耦合关节中复杂特殊曲线的拟合生成原理图；

图7是本发明滚动接触刚柔耦合关节的应用实例；

图8是由本发明滚动接触刚柔耦合关节构成的绳驱动式滚动接触刚柔耦合关节组的结构示意图；

图中：

1-滚动接触关节主体，2-柔性杆，3-连接体，4-线绳，5-卡线盘，6-传动绳；101-复杂曲面，102-凸耳，103-线槽，104-安装槽，105-第一螺纹孔，106-第二螺纹孔，107-卡线片；501-穿线孔，502-通孔。

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。

本发明公开了一种基于复杂滚动接触曲面的刚柔耦合关节，该刚柔耦合关节的整体结构参见图5，包括两个具有相同构型的滚动接触关节主体1、四根线绳4和通过连接体3固定于两个滚动接触关节主体1外侧的两根柔性杆2。其中，各滚动接触关节主体1均为包含复杂曲面101的刚性结构，具体包括四个凸耳102，连接体3固定于四个凸耳102的外侧；四个凸耳102形成两组，同一组中的两个凸耳相互平行，不同组中的凸耳可采用相同或者交错的方式布设；连接体3具有四个侧面，其中两个相对设置的侧面用于固定相应柔性杆2的端部，另外两个相对设置的侧边用于固定卡线盘5。两个滚动接触关节主体1中两组凸耳40的滚动接触面均为复杂曲面101，当两个相接触的凸耳其形心连线为水平线时，沿该水平线方向和垂直于该水平线方向分别构建X轴和Y轴，以各凸耳上柔性杆2的固定端为原点O，则复杂曲面101的曲线方程为：

其中，L为柔性杆长度；a为柔性杆弯角，a∈[α_min，α_max]，单位为°，α_min和α_max分别为柔性杆的最小弯角和最大弯角，根据本刚柔耦合关节的应用场景设定；r为柔性杆的曲率半径；x和y分别为复杂曲面101上的点沿X轴和Y轴的坐标分量。

复杂曲面101是滚动接触关节主体1的滚动接触面。如图6所示，该复杂曲面101为过柔性杆2中心点且与柔性杆2中心点处斜率垂直的切线所组成的包络线。接触面不是弧线，而是一段复杂的参数曲线。该曲线具有以下特征：复杂曲面101可以保证滚动接触关节主体1在不同的弯曲角度下都沿柔性杆2中点斜率的切线对称。由于复杂曲面101可以保证在关节转动过程中柔性杆2的长度不变，因此，本发明提出的刚柔耦合关节，既具有传统刚性转动副转动功能，又可以通过柔性杆提供稳定可控的恢复应力。

动接触关节主体1是组成连续体机器人的骨架，滚动接触关节主体1可以但不限于使用齿轮啮合、CORE结构、REF结构或者柔性接触材料(如硅胶)等方式保证两个接触面间没有相对滑动。

柔性杆2是柔性结构，可以但不限于使用不锈钢、铍青铜、钛合金等材质。柔性结构在变形时满足圆曲率假设，不会发生机构的干涉以及干涉导致的结构不稳定性。

连接体3对柔性杆2进行完全固定，将滚动接触关节主体1的四个凸耳与柔性杆2固连起来。这样既满足滚动接触关节主体1的刚性转动，又满足柔性杆2的常曲率柔性转动，从而保性滚动接触关节主体1和柔性杆2的耦合。连接体3的固定方式可以但不限于使用胶水、焊接、螺栓、卯榫等固定方式。

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

图7是本发明提出一种滚动接触刚柔耦合关节的最小单元实例。该关节，由滚动接触关节主体1、柔性杆2、连接体3以及四根无弹性的线绳4组成。

滚动接触关节主体1是组成连续体机器人的骨架。每个滚动接触关节主体1均具有4个凸耳102，其中每个转动副由相邻滚动接触关节主体1上对应的凸耳102支撑实现滚动接触。在每个转动副处，相邻的滚动接触关节主体1各由2个凸耳102提供支撑，使接触面径向结构保持稳定。

滚动接触关节主体1的凸耳102在本实施例中使用交叉布置方式，即滚动接触关节主体1一端的两个凸耳与另一端的两个凸耳垂直布置，从而使得两个相连的滚动接触关节主体1的转动平面相互垂直，两个相连的滚动接触关节主体中的一组凸耳可构成类似虎克铰式关节，具有两个自由度，可以使连续体机器人在三维空间运动。

在另一实施例总，一个滚动接触关节主体1上两端的凸耳102可以使用相同布置方式，即平行布置，则组成的连续体机器人在一个平面内运动。

各凸耳102端部的滚动接触曲面是复杂曲面，由上述曲面方程计算得出，在本关节中限定极限转角α_max(关节中轴的夹角)为60度，因此只保留复杂曲面101的中间部分，其余部分切成平面，在满足功能需求同时节省空间。

在各凸耳102的四围(即复杂曲面处和两侧的平面中)均设有线槽103，用于引导线绳4，采用CORE方式保证滚动接触。其中，在凸耳102复杂曲面101处的线槽103用于引导线绳4运动，根据CORE原理，线槽103中的线绳4会在关节转动过程中发生运动；在凸耳102的两侧平面中的线槽103用于固定线绳4，使线绳4不发生运动。为了引导在复杂曲面处并排的线绳4，线槽103的宽度稍大于二倍的线绳4直径，深度为线绳4直径的一半。

连接体3具有四个侧面，用于固定柔性杆2和卡线盘5。具体地，连接体3的其中两个相对设置的侧面上对称设有两个安装槽104，柔性杆2的端部通过胶水固定于该安装槽106内，保证柔性杆的牢固稳定；连接体3的另外两个相对设置的侧面上对称设有两个第一螺纹孔105，该第一螺纹孔105通过配套的螺钉固定卡线盘5，保证绳传动；连接体3的四个侧面上还均分别设有两个第二螺纹孔106，各第二螺纹孔106通过配套的螺钉和卡线片107固定相应线绳4的端部，进而保证CORE结构。

柔性杆2可使用但不限于条形、杆状、片状结构，优选的，本实施例中使用条状结构，其横截面为矩形且沿关节转动轴的轴向为矩形的长边，且条形柔性杆其中一面与相应的凸耳102贴合，该设计确保凸耳102所在的滚动接触关节主体1不会发生轴向滑动，同时给关节提供柔性，避免了在连续体机器人中可能出现的多刚体静力学平衡多解问题，提高了关节在转轴方向的可靠性。

柔性杆2两端完全固定在相应的安装槽104中，在关节转动时，柔性杆2的材料本身和复杂曲面101的设计均保证了在弯曲后的形状满足常曲率模型，且完全固定的创新性设计不仅保证了结构本身的稳定可靠性，更实现了精准刚柔耦合模型的建立。

线绳4采用易于弯曲但不易拉伸的多编PE线，根据CORE原理进行布置，在一个关节副中布设有四根，用来保证关节的滚动约束，即凸耳102的滚动接触曲面的径向接触且曲面切向无相对滑动。

图7是采用绳驱动式连接的滚动接触刚柔耦合关节示意图。通过图7中的传动绳驱动的卡线盘5和固定线绳的卡线片107，可以将不同的关节串联起来。卡线盘5上有圆周阵列分布的穿线孔501，卡线盘5的中间设有2个通孔502，用于和相应的第一螺纹孔105和螺钉相配合以固定卡线盘5和滚动接触关节主体1。卡线盘5可以将传动绳6绳长的变化转换为关节的转角变化。

绳驱动方式有多种，如2根传动绳控制一个转动副，或3根传动绳控制两个相邻的转动副等。优选的，如图8所示，对于本实施例中的转角垂直分布的关节，采用3根传动绳控制4个相邻转动副关节形成的关节组的形式实现空间维度控制。一个连续体机械臂可由多组这样的关节构成，图8仅画出了控制本关节组的三根传动绳6，这些线绳可以但不限于是钢丝绳，在卡线盘5上等圆周分布。

Claims (7)

1.一种基于复杂滚动接触曲面的刚柔耦合关节，其特征在于，包括两个具有相同构型的滚动接触关节主体(1)、分别固定于各滚动接触关节主体(1)外侧的连接体(3)以及通过连接体(3)固定于滚动接触关节主体(1)外侧的两根柔性杆(2)；各滚动接触关节主体(1)均分别包括由相应连接体(3)固接的四个凸耳(102)，四个凸耳(102)形成两组并分列于滚动接触关节主体(1)的两端；其中一个所述滚动接触关节主体(1)一端的两个凸耳与另一个所述滚动接触关节主体(1)一端的两个凸耳之间分别形成滚动接触面，各滚动接触面为过相应柔性杆(2)中心点且与柔性杆(2)中心点处斜率垂直的切线所组成的包络线。

2.根据权利要求1所述的刚柔耦合关节，其特征在于，当两个相接触的凸耳的形心连线为水平线时，沿该水平线方向和垂直于该水平线方向分别构建X轴和Y轴，以所述柔性杆(2)的固定端为原点O，则各所述滚动接触面的曲线方程为：

其中，L为柔性杆长度；a为柔性杆弯角，a∈[α_min,α_max]，α_min和α_max分别为柔性杆的最小弯角和最大弯角；r为柔性杆的曲率半径。

3.根据权利要求1所述的刚柔耦合关节，其特征在于，各滚动接触关节主体(1)内同一组中的两个凸耳相互平行，不同组中的凸耳采用相同或者交错的方式布设。

4.根据权利要求1所述的刚柔耦合关节，其特征在于，各连接体(3)相对设置的侧面上对称设有用于固定相应柔性杆(2)端部的安装槽(104)。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的刚柔耦合关节，其特征在于，两个所述滚动接触关节主体(1)采用齿轮啮合、CORE结构、PREF结构或者柔性接触材料的方式以保证各接触面之间无相对滑动。

6.根据权利要求3所述的刚柔耦合关节，其特征在于，各凸耳的四围均设有用于引导线绳(4)的线槽(103)；各连接体(3)均分别具有四个侧面，其中两个相对设置的侧面对称设有用于固定相应柔性杆(2)端部的安装槽(104)，另外两个相对设置的侧边对称设有用于固定卡线盘(5)的第一螺纹孔(105)；连接体(3)的四个侧面上还均分别设有两个第二螺纹孔(106)，各第二螺纹孔(106)通过配套的螺钉和卡线片(107)固定相应线绳(4)的端部。

7.根据权利要求6所述的刚柔耦合关节，其特征在于，所述线槽(103)的宽度稍大于二倍的线绳(4)直径，深度为线绳(4)直径的一半。

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