CN113172645A

CN113172645A - 一种连续体机器人

Info

Publication number: CN113172645A
Application number: CN202110470975.0A
Authority: CN
Inventors: 刘磊; 孙富春; 郭娜
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2021-04-28
Filing date: 2021-04-28
Publication date: 2021-07-27
Anticipated expiration: 2041-04-28
Also published as: CN113172645B

Abstract

本发明提出的一种连续体机器人，包括驱动线绳及其驱动系统、线管、执行臂及其驱动系统；线绳驱动系统用于控制所有驱动线绳，包括支撑架，均匀固定于支撑架上且与驱动线绳数量对应的的若干线绳驱动装置和换路机构；执行臂驱动给系统用于将线管内的驱动线绳引入执行臂，并通过驱动线绳向执行臂提供驱动力；执行臂包括多个依次连接的关节段，各关节段分别由相应的驱动线绳控制运动；各关节段均分别由多个相同的关节依次串联构成，各关节均分别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。本发明具有关节模型精确、易于微型化加工、驱动结构简单等优点。

Description

一种连续体机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种连续体机器人。

背景技术

相比刚性机器人，连续型机器人自由度高度冗余，其机器人本体运动灵活、可产生较大变形，从而具有可在狭窄及非结构化环境移动的优势，极大的弥补了刚性机器人的不足，逐渐成为机器人研究的焦点和热点。

目前，连续体机器人在仿生运动、工业检查修复、灾害防恐救援、物体抓持、微创手术、医疗康复和人机交互等领域得到了广泛应用，但是仍然存在一些缺点：1、精准的感知系统由于难以集成到连续体机器人狭小的内腔空间中以及高度柔顺的连续体机器人执行臂上，导致实时控制精度不高；2、传统的刚性关节连续体机器人在面对超多关节模块时，其静力学平衡多解问题难以解决；3、驱动结构存在设备沉重，以及空间利用率和通用性难以兼得的问题。

发明内容

本发明的目的是解决连续体机器人在医疗微创手术领域应用中存在的关节结构复杂、难以小型化加工、无法精准建模控制、驱动系统设备沉重并且空间利用率低等问题，提出一种连续体机器人，本发明具有关节模型精确、易于微型化加工、驱动结构简单、空间占用率小、控制精准和具有翻滚自由度等优点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种连续体机器人，其特征在于，包括若干驱动线绳、线绳驱动系统、线管、执行臂和执行臂驱动系统；

所述线绳驱动系统，用于控制所有驱动线绳，包括支撑架，均匀固定于所述支撑架上且与所述驱动线绳数量对应的的若干线绳驱动装置和换路机构；各线绳驱动装置均分别包括驱动轴、导向轮、引导装置和供能装置；所述引导装置包括压轮和定位部件，所述压轮和导向轮均安装于该定位部件上；所述驱动轴沿其轴向依次分为花键轴、线槽轴和丝杆轴；所述花键轴通过花键螺母与所述供能装置连接，由所述供能装置驱动所述花键轴转动，且所述花键轴与花键螺母键配合实现所述驱动轴的周向定位；所述线槽轴用于固定和缠绕相应的驱动线绳，该驱动线绳由所述导向轮导出，且通过所述线槽轴与压轮之间的滚动接触以压紧驱动线绳；所述丝杆轴与一丝杆螺母相配合，使得所述驱动轴在旋转的同时产生沿轴向的平移；所述换路机构用于将各线绳驱动装置引出的所述驱动线绳导入所述线管，且所有驱动线绳在线管内均匀分布；

所述执行臂驱动系统，用于将线管内的驱动线绳引入所述执行臂，并通过驱动线绳向所述执行臂提供驱动力；

所述执行臂，包括多个依次连接的关节段，执行臂的尾端与所述执行臂驱动系统固定，各驱动线绳从所述执行臂驱动系统进入执行臂后，执行臂的各关节段分别由相应的驱动线绳控制运动；各关节段均分别由多个相同的关节依次串联构成，各关节均分别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，所述执行臂驱动系统包括由翻转部进给部翻滚部和进给部通过轴承配合形成的执行机构，用于驱动所述执行机构沿滑轴滑动的进给驱动装置，分别位于所述滑轴两端且共第一轴设置的第一定轴机构和第二定轴机构，以及通过所述第一定轴机构使滑轴和执行机构的翻转部绕所述第一轴旋转的旋转驱动装置；所述线管的出线端穿过第一定轴机构后伸入执行机构内，然后由直径小于线管的连接管将各驱动线绳引出第一定轴机构，所述执行臂的尾端穿过第二定轴机构后与连接管引出的各驱动线绳连接；在所述第一定轴机构和第二定轴机构之间还设有用于将所述执行臂、线管和连接管均收束到所述第一轴的中轴线处的引导机构，使得所述执行臂和连接管之间无摩擦接触。

与现有技术相比，本发明提出的一种连续体机器人可分为执行臂、执行臂驱动系统、线绳驱动系统三部分，分别具有如下特点及有益效果：

在执行臂方面，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。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。

在执行臂驱动系统方面，本发明提出了一种可以在保证前端执行臂轴向平移同时又进行翻滚的进给装置，也提出了一种实时矫正执行臂位姿和收束牵引驱动线管的柔性带装置，保证在使用之前或过程中可以对执行臂进行姿态校准，并且在不使用时避免执行臂的重量使驱动线绳产生不利的形变。该执行臂驱动系统具有控制精准、功能多样、空间利用率高等优势，适合用于医疗微创手术等场景中，同时其具有翻滚自由度，对于连续体机器人前端执行臂在与外部环境进行挤压和摩擦时前进具有一定的帮助。

在执行臂驱动系统方面，本发明提出了一种既有绕轴转动，又有轴向移动的驱动轴，将旋转运动转换为了一个旋转运动加一个平移运动，保证了滚筒式线驱动控制方式的稳定性。该驱动装置通过电机的转动控制驱动轴的转动，从而实现线驱动中的驱动线绳伸缩的控制。该控制装置把丝杆传动和滚筒绕线方式相结合，使其同时具有直线丝杆导轨控制精准和绞车类结构绕线量大、移置方便的优点，同时结构简单，占用空间小，适用于小型连续体机器人的驱动控制以及需要实现搬运的急救场景下的应用。

本发明中的线绳驱动系统控制驱动线绳的伸缩运动，其通过线管将驱动线绳导引到执行臂驱动系统中；执行臂驱动系统将线管进行固定，将驱动线绳导引到执行臂中，并控制执行臂进行前进与翻滚；执行臂在整体进给和翻滚运动下，各段连续体关节在驱动线绳的控制下高度灵活地运动穿越障碍、进入挤压空间等，进行探测、操作等任务。

附图说明

图1是本发明实施例的一种连续体机器人的整体装配的示意图；

图2是图1所示连续体机器人中驱动系统的整体装配的示意图；

图3的(a)～(c)分别是图1所示连续体机器人中驱动系统的驱动绳控制装置的结构示意图；

图4是图1所示连续体机器人中驱动系统的换路机构区域的示意图；

图5是图1所示连续体机器人中执行臂驱动系统的整体装配的示意图；

图6是图5所示执行臂驱动系统中旋转进给装置的结构示意图；

图7的(a)和(b)是图5所示本执行臂驱动系统中柔性带工作原理的示意图；

图8是图1所示连续体机器人中执行臂的整体装配的示意图；

图9是图8所示执行臂中关节之间的配合示意图；

图10是图8所示执行臂中关节的接触曲面的示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种执行臂可翻滚的连续体机器人结合附图及实施例详细说明如下：

实施例

本发明实施例的一种执行臂可翻滚的连续体机器人的整体结构参见图1，总体上由线绳驱动系统1、线管2、执行臂驱动系统3、执行臂4和若干驱动线绳5组成，其中，驱动线绳5、线管2和执行臂4均为柔性结构。下面对各组成部分分别进行描述。

1、线绳驱动系统

线绳驱动系统1的整体结构参加图2，其可以控制16根驱动线绳5。线绳驱动系统1包括由若干作为支撑骨架的柱体(本实施例中采用铝方管)和分层固定于柱体之间的若干个固定板(10201、10202、10203、10204)构成的支撑架，均匀分布于该支撑架中下区域的16个线绳驱动装置101，以及位于支撑架上部区域的16个力传感器104和换路机构105。

(1)支撑架

参见图2，支撑架作为线绳驱动系统的骨架，用于实现线绳驱动装置101、力传感器104和换路机构105的安装与固定。本实施例中，支撑架整体呈长方体，包括20根竖向铝方管103a、4根水平向铝方管103b和4个固定板10201、10202、10203、10204。20根竖向铝方管103a构成成长方体的棱边，4根水平向铝方管103b固定于竖向铝方管103a的底部；4个固定板10201、10202、10203、10204沿竖向依次设置，将竖向铝方管103a形成的长方体空间分割成不同的区域，其中8个线绳驱动装置安装于第一固定板10201上，剩余的8个线绳驱动装置位于第二固定板10202上，换路机构105安装于第三固定板10203上，力传感器104安装于第四固定板10204上，第四固定板10204的中心处设有引线孔1020401，用于将所有驱动线绳5通过线管2从该圆孔中引出。

(2)线绳驱动装置

16个线绳驱动装置分别控制相应的1根驱动线绳5，各线绳驱动装置的结构均相同，现以其中一个线绳驱动装置101为例进行说明。参见图3中(a)，线绳驱动装置101包括驱动轴10101、丝杆螺母10102、花键螺母10103、固定座10104、导引装置10105、伺服电机10106、电机固定板10107、同步带和带轮10108、限位板10109和导向轮101010。其中，伺服电机10106、电机固定板10177、同步带和带轮10108以及限位板10109共同构成供能装置。

参见图3中(b)，驱动轴10101由沿其轴向依次排布的花键轴1010101、线槽轴1010102和丝杆轴1010103组成，分别与丝杆螺母10102、花键螺母10103和驱动线绳5形成配合关系。

图3的(b)中，驱动轴10101的左段为花键轴1010101，用于在传递伺服电机10106的旋转运动的同时保证驱动轴10101可以沿该驱动轴的轴向进行平移运动。花键可以但不限于使用滚珠花键、矩形花键等完成相同运动形式，本实例中使用滚珠花键。花键螺母10103中的滚珠与花键轴1010101上的沟槽形成花键配合，花键轴1010101与花键轴螺母10103形成驱动轴10101的周向定位，即花键轴1010101和花键螺母10103在轴向可以自由移动，但是在周向的旋转上花键轴1010101和花键螺母10103保持一致。除花键螺母外，其他能实现仅使驱动轴旋转，但是不限制驱动轴的轴向平移的零配件对本发明同样适用。

图3的(b)中，驱动轴10101的中段为线槽轴1010102，用于固定和缠绕驱动线绳5。线槽轴1010102上设有螺旋形线槽，螺旋形线槽的导程和旋向分别与丝杆轴1010103的导程和旋向相同，其线槽形状大小和圈数等尺寸可以根据驱动线绳5的粗细、伸缩范围自行设计。线槽轴1010102的两端均分别设有穿线孔和顶丝固定孔，用于穿过驱动线绳5和固定住驱动线绳5的绳头。固定好后，驱动线绳5螺旋缠绕在线槽之中，最优的，在位于线槽全长中间的地方将驱动线绳5通过导向轮101010引出，则需要驱动线绳5伸长时，驱动轴10101按一个方向旋转，已缠绕的驱动线绳5就被释放；需要驱动线绳5缩短时，驱动轴10101反方向旋转，未被缠绕的驱动线绳5就会被缠绕至线槽中。若驱动线绳5由位于线槽全长中间的地方导出，即驱动线绳5的初始位置设置在线槽轴1010102中间，在极限使用情况时，会使驱动线绳5的放出和收回量相同。具体地，驱动线绳5在放出和收回时，会分别从线槽轴1010102中间两边的线槽导出，考虑极限情况，即驱动线绳5完全缠绕在线槽轴1010102或完全脱离线槽轴1010102时，初始位置放置在中间，会使驱动线绳5的放出和收回量相同。线槽轴1010102的缠绕方式约束了驱动线绳5的斜度，避免了驱动线绳5的无规律堆叠，相较于绞车的缠绕方式提高了控制精准度；通过改变线槽轴1010102的直径、导程、长度等参数即可灵活改变控制驱动线绳伸缩量的范围，一般可在设计时线槽轴1010102上可留下较多的缠绕余量，相较于丝杆直线导轨的导轨滑块的输出方式更为灵活、且占用空间小。

图3的(b)中，驱动轴10101的右段为丝杆轴1010103，其与丝杆螺母10102配合，使得驱动轴10101在旋转的同时产生轴向的平移。

固定座10104为U形支座，固定座10104的一端侧壁上设有供花键轴1010101穿过的第一通孔1010401，在穿过该第一通孔1010401后的花键轴1010101上套设花键螺母10103，且花键螺母10103的两端分别设有一个止推衬套1010301，以约束花键螺母10103沿花键轴1010101轴向的平移(即花键螺母10103轴向被止推轴承1010301限位，只能旋转不能轴向移动，花键轴1010101与花键螺母10103只有旋转是一致的，花键轴1010101可以相对花键螺母10103轴向滑动)，其中靠近固定座10104(图中所示为右侧)的止推衬套由固定座10104限位，远离固定座10104(图中所示为左侧)的止推衬套由一限位板10109限位。固定座10104的另一端侧壁上设有供丝杆轴1010103和丝杆螺母10102穿过的第二通孔1010402，通过丝杆轴1010103旋进或旋出丝杠螺母10102改变驱动轴10101沿其轴向的平移位置。

供能装置中，同步带和带轮10108包括主动带轮1010803、从动带轮1010802以及连接于两带轮之间的同步带1010801。通过固定于固定座10104靠近花键轴1010101的侧壁上的电机固定板10107将伺服电机10106安装于固定座10104的下部。伺服电机10106的输出轴穿过电机固定板10107，并在伺服电机10106的输出轴上固定套设主动带轮1010803，从动带轮1010802固定套接于花键螺母10103上。主动带轮1010803将伺服电机10106输出轴的旋转运动通过同步带1010801传递至从动带轮1010802，进而带动花键螺母10103转动，花键螺母10103通过与花键轴1010101之间的花键配合可沿花键轴1010101的轴向作平移运动并带动花键轴1010101同步转动。

参见图3中(c)，导引装置10105主要包括压轮1010503和定位部件；定位部件包括定位主体1010501、定位销轴1010502和旋转弹簧1010504。

定位主体1010501中部具有容纳压轮1010503的腔体1010505，压轮1010503采用带有光轴的包胶压轮，定位主体1010501的侧壁上开设有供压轮1010503的光轴穿过的槽口；定位主体1010501侧壁上位于槽口附件还设有用于给旋转弹簧1010504提供轴向定位的圆柱凸起1010506，定位主体1010501的侧壁上还设有用于固定旋转弹簧1010504一端的块状凸起1010507。定位主体1010501的顶部设有与定位销轴1010502紧配合的通孔；定位主体1010501的底部通过螺栓与固定座10104的底部连接。

旋转弹簧1010504的一端与压轮1010503的光轴上的凹槽限位接触，旋转弹簧1010504的主体在定位主体1010501的圆柱凸起1010506缠绕后，其另一端由块状凸起1010507固定。通过旋转弹簧1010504给压轮1010503施加一定的推力，以保证压轮1010503与线槽轴1010102之间的滚动接触。

定位销轴1010502用于轴向固定导向轮101010，从而完成驱动线绳5的换向输出。

压轮1010503的光轴受定位主体1010501的槽口约束，可在槽口区域内自由平移；压轮1010503在定位主体1010501的腔体1010505内仅可沿压轮的轴向自由转动，压轮1010503的光轴与压轮主体之间通过轴承配合，因此压轮1010503的光轴不转动，仅压轮1010503转动，压轮1010503的光轴与旋转弹簧1010504和定位主体1010501的槽口配合，在槽口内平移运动。压轮1010503的光轴始终受到旋转弹簧1010504的推力，这保证了压轮1010503的滚筒表面与线槽轴1010102的滚动接触配合，在驱动轴10101旋转时，压轮1010503也会滚动旋转，从而在线槽轴1010102上缠绕的驱动线绳5被压轮1010503压紧，保证了驱动线绳5在线槽轴1010102中线槽上的约束，避免绞车式缠绕可能出现的驱动线绳未完全贴合滚筒导致驱动线绳伸缩量不可控的情况。进一步地，压轮1010503采用包胶压轮，可减小对驱动线绳5的摩擦，进而延长驱动线绳5的使用周期。

线绳驱动装置101的整体运作方式为，固定座10104的中间部分完全固定导引装置10105、右侧完全固定丝杆螺母10102，左侧完全固定电机固定板10107和轴向约束花键螺母10103右侧的止推衬套1010301。

电机固定板10107上固定伺服电机10106。

限位板10109通过直柱1010902与固定座10104固定，其中间的孔1010901轴向约束花键螺母10103左侧的止推衬套1010301。

因为花键螺母10103两边的止推衬套1010301均被约束，所以花键螺母10103被止推衬套1010301轴向约束。

从动带轮1010802与花键螺母10103固定，主动带轮1010802与伺服电机10106的输出轴固定，同步带1010801用于两带轮间的传动，从而实现将动力通过同步带和带轮10108传递给花键螺母10103，再由花键螺母10103传递给驱动轴10101的传动过程。

其整体传动方式为，花键轴1010101通过与从动带轮1010802固定，将伺服电机10106输出的旋转运动转换为驱动轴10101的旋转运动，而丝杆轴1010103与固定在固定座10104上的丝杆螺母10102配合，使驱动轴10101在旋转的同时，固定的丝杆螺母10102带动驱动轴10101产生沿轴方向的平移运动。

驱动线绳4缠绕于线槽轴1010102上，线槽的导程与旋向均与丝杆轴1010103相同，因此，在驱动轴10101旋转过程中，线槽轴1010102上导出驱动线绳的位置始终保持不变。

导引装置10105中的压轮1010503压紧线槽轴1010102，使驱动线绳5被约束在线槽中，保证驱动线绳5的伸缩量可控。同时导引装置10105上的定位销轴1010502轴向固定导向轮101010，对于驱动线绳从其他方向导出的情况，可以根据使用需求，设计不同包含若干个导向轮101010的线绳导引系统，实现驱动线绳5从不同方向导出。。

由此通过调节伺服电机10106的控制参数，实现了对驱动线绳5的伸缩量的精准控制。

本发明实施例中，安装于固定板10201上的8个线绳驱动装置呈2×4的阵列形式排布，其中，各线绳驱动装置的固定座10104的侧壁与第一固定板10201的下表面固定连接(图3中(a)和(b)未将固定板10201示意出)，固定板10201的相应位置设有供各花键轴穿的通孔；各线绳驱动装置的电机固定板10107安装于第一固定板10201的上表面；各线绳驱动装置所驱动的驱动线绳5均通过换路机构105实现驱动线绳方向的改变以引入相应的一个线管2内。同理，剩余的8个线绳驱动装置以相同的方式安装于固定板10202上并通过换路机构105引入相应的一个线管2内，此处不再赘述。

(3)换路机构和力传感器

本发明实施例中将换路机构105和力传感器104安装于第三固定板10203和第四固定板10204之间的区域。其中，换路机构105包括16个安装于第三固定板10203之上且呈圆周均布的定向滑轮组10501和安装于第三固定板10203上与第四固定板10204的引线孔1020401正对位置处的一个引出滑轮组10502，参见图4(图4中仅示意出了一个定向滑轮组，隐藏了其余的定向滑轮组)；定向滑轮组中的各定向滑轮分别由相应的一个立柱10503固定于第三固定板10203上；引出滑轮组10502安装于一个支座上，该支座具有3个沿竖向间隔设置的安装平台10504，第三固定板10203和各安装平台10504上均分别固定有圆周均布的4个引出滑轮，共计16个引出滑轮，将本实施例中的固定各定向滑轮组10501的16个立柱设计成4种高度，分别与第三固定板10203和3个安装平台10504的高度相对应，处于同一高度的4个定向滑轮组10501分别与相同高度安装平台10504上的4个引出滑轮分别与相应的各定向滑轮组分别将对应的一根驱动线绳5引入引出滑轮组10502。由各线绳驱动装置101引出的驱动线绳5依次通过相对应的一个定向滑轮组和一个引出滑轮导入线管2中。

换路机构105主要由16个定滑轮组构成，其根据不同驱动线绳5进入第三固定板10203的起点位置和进入指定的线管2中的终点位置进行设计。最终保证16根驱动线绳5被导引到等圆周分布线管的孔中。图4中所标记的驱动线绳5说明了该定滑轮组对驱动线绳的导引过程。

第四固定板10204的底面固定力传感器104，力传感器104下端固定一个定滑轮，在换路机构105的导引过程中，通过对滑轮组的设计，16根驱动线绳5均会竖直进入和竖直离开力传感器104下固定的定滑轮，从而驱动线绳5的拉力通过定滑轮传导至力传感器104，实现了对驱动线绳5拉力的测量，在连续体机器人运动的过程中可以实时测量各线绳上的拉力。

第四固定板10204中心位置的零件用于导引驱动线绳5进入线管2和固定线管2的线管头，线管2的另一端线管头固定在执行臂驱动系统3中，保证驱动线绳5从线绳驱动系统1顺利导引进入执行臂驱动系统3。

2、执行臂驱动系统

执行臂驱动系统3用于通过导引驱动线绳5向执行臂4提供驱动力，可以采用目前已有的执行臂驱动系统，现有大多数连续体机器人的执行臂驱动系统仅能提供沿轴向的进给运动。

本发明对现有执行臂驱动系统进行了改进，提出了一种可同时驱动执行臂进给与旋转的系统。本实施例中执行臂驱动系统3整体结构参见图5，包括执行机构301，用于驱动执行机构301沿滑轴302滑动的进给驱动装置304，分别设置于滑轴302两端且共第一轴设置的第一定轴机构30301和第二定轴机构30302，通过第一定轴机构30301使滑轴302和执行机构301绕执行机构301轴向旋转的旋转驱动装置305；线管2的出线端穿过第一定轴机构30301后伸入执行机构301内，然后由直径小于线管2的连接管2a将各驱动线绳5引出第一定轴机构30301，执行臂4的端部穿过第二定轴机构30302后与连接管2a引出的各驱动线绳5连接；在第一定轴机构30301和第二定轴机构30302之间还设有用于将执行臂4、线管2和连接管2a均收束到滑轴302的中轴线处的引导机构306，使得执行臂4和连接管2a之间无摩擦接触。下面结合图5～图7对本发明实施例的执行臂驱动系统3进行详细描述。

本实施例的执行臂驱动系统3中各组成部件均由一个支架307实现安装。该支架307由若干纵横设置的杆件(本实施例中该杆件采用铝方管)30701固接组成的支架主体和固定于支架主体两端的支撑板30702(图5中隐藏了位于前端即左侧的支撑板)。第一定轴机构30301安装于后端的支撑板30302上，第二定轴机构30302安装于前端的支撑板上。

进给驱动装置304和旋转驱动装置305均以伺服电机作为动力源。进给驱动装置304通过同步带传动，将动力输出到直线丝杆滑台上，使得滑块30401在导轨30402上实现前进与后退，而滑块30401与执行装置301固连，从而实现了执行装置301的进给。旋转驱动装置305通过同步带传动到第一定轴机构30301上，从而带动执行装置301的旋转。

执行机构301是执行臂驱动系统3中的运动执行部件，其前端与执行臂4的尾部固定，后端与线管2固定。执行机构301内固定有用于引导驱动线绳5的连接管2a，使驱动线绳5从较大直径的线管2中引导进入执行臂4的卡线盘的孔中，从而控制执行臂4运动，连接管2a为刚性管体，沿第一轴的轴线设置。

具体地，参见图6、7，本实施例的执行机构301包括通过轴承配合的翻转部30101和进给部30102。本实施例的翻转部30101包括间隔设置的第一转盘301011和第二转盘301012，线管2穿过第一转盘301011后与连接管2a相接，该连接管2a穿过第二转盘301012后将各驱动线绳5引出至执行臂4；第一转盘301011和第二转盘301012相对的一侧分别设有十字形的线管导引片3010111和3010121，线管2穿过该线管导引片3010111后与设置于第一、第二转盘之间的一个线管固定板3010112(图7中该线管固定板3010112被隐藏)一侧固定，该线管固定板3010112的另一侧与连接管2a固接，驱动线绳5穿过线管固定板3010112后进入连接管2a，连接管2a穿过第二转盘301012及其上的线管导引片3010121后最终将驱动线绳5引入至执行臂4的尾部。线管导引片3010111和3010121上还分别设有用于连接引导机构306的零部件，将在下文中描述。进给部30102为一角块，该角块具有底部平板301021和与该平板301021固接的两个均设有中心通孔301022的肋板301023，翻转部30101的两个转盘分别位于相应一个肋板的通孔中，通过轴承配合，可在肋板的通孔中自由转动，两个肋板301023在各自通孔301022的外围设有挡边，用于限制翻转部30101和进给部30102之间沿滑轴302的相对运动，即翻转部30101和进给部30102沿滑轴302同步滑动。因此可以将两个肋板看作滚动轴承的外圈，两个转盘看作滚动轴承的内圈，进给部30102在受到进给驱动装置304的驱动力时仅沿滑轴302进行往复平移；翻转部30101连同进给部30102一起沿滑轴302往复平移；当旋转驱动装置305驱动滑轴302转动时，翻转部30101连同滑轴302一起在进给部30102内自由转动，进而翻转部通过连接管2a带动执行臂4进行翻转。

参见图6，两个定轴机构相对设置，第一定轴机构30301包括由沿翻转部30102至第一定轴机构30301方向依次设置的第一滑轴固定板303011、第一凸台303012以及与第一凸台轴承配合的第一轴承座303013，且第一定轴机构30301的各部件的中心均设有供线管2穿过的第一通孔，第一轴承座303013上还均匀分布有若干用于固定滑轴302后端(图中所示为右端)的第一卡环303013a；第一凸台303012与第一滑轴固定板303011之间通过螺栓固定，同时第一凸台303012与旋转驱动装置305的输出端通过同步带连接，由旋转驱动装置305带动第一凸台303012、第一滑轴固定板303011和滑轴302进行同步旋转；第一轴承座303013与右侧的支撑板30702之间通过螺栓固定，由于第一凸台303012与第一轴承座303013之间采用轴承配合，在第一凸台303012和第一滑轴固定板303011旋转的过程中，第一轴承座303013一直保持静止。第二定轴机构30302包括由沿翻转部30102至第二定轴机构30302方向依次设置的第二滑轴固定板303021、第二凸台303022以及与第二凸台轴承配合的第二轴承座303023，且第二定轴机构30302的各部件的中心均设有执行臂4穿过的第二通孔，第二轴承座303023上还均匀分布有若干用于固定滑轴302前端(图中所示为左端)的第二卡环303023a；第二凸台303022与第二滑轴固定板303021之间通过螺栓固定，同时旋转驱动装置305的输出端依次通过第一定轴机构30301和滑轴302带动第二凸台303022与第二滑轴固定板303021同步旋转；第二轴承座303023与左侧的支撑板之间通过螺栓固定，由于第二凸台303022与第二轴承座303023之间采用轴承配合，在第二凸台303022和第二滑轴固定板303021旋转的过程中，第二轴承座303023一直保持静止。

本实施例中，进给驱动装置304和翻转驱动装置305之间通过执行机构301和滑轴轴302进行衔接，做到了实时的进给与翻滚。

图7展示了执行臂驱动系统3中引导机构306的运行方法，其功能是将执行臂4、线管2和连接管2a均收束到执行机构301的翻转部30101的中心位置，特点是引导机构306与执行臂4和线管2之间均没有摩擦，不会造成损坏。其中，由于执行臂4和线管2为柔性结构，因此位于柔性带之间的执行臂4和线管2的弯曲变化会受到柔性带的约束；而连接管2a为刚性结构，虽然其位于柔性带围合而成的空间内，但连接管2a的形状不发生改变。

图7(a)为引导机构306在执行臂驱动系统3中的整体装配图，本实施例中，引导机构306包括四条柔性带，均匀圆周分布在执行机构301中翻转部30101的轴心位置。为了展示柔性带的内部情况，前方的柔性带被隐藏。图7(b)为上端柔性带303的示意图。柔性带的前端柔性带带头30601和后端柔性带带头30606分别固定在执行机构301的线管导引片3010121和3010111的外侧(图中显示的外侧为分别面向第二定轴机构和第一定轴机构的一侧)，柔性带的前端弯曲部位30603和后端弯曲部位30604分别绕过第二光轴固定板303021和第一光轴固定板303011，从而实现换向，同时保证整个柔性带处于预紧状态。执行臂导引带30602和线管导引带30605分别对其中的执行臂4和线管2进行导引。具体地，柔性带的后端柔性带带头30606被线管导引片3010111上靠近其中心的卡片固定，柔性带紧邻线管2的外围沿第一轴向第一定轴机构30301延伸，柔性带经第一定轴机构30301进行换向后沿平行于第一轴的方向延伸，先后穿过第一转盘301011、第二转盘301012和第二定轴机构30302后由该第二定轴机构30302对柔性带进行再次换向，使柔性带紧邻连接管2a的外围沿平行于第一轴的方向向第二转盘301012延伸，最终柔性带的前端柔性带带头30601被第二转盘301012的中心端头固定。

在执行机构301的翻转部30101旋转时，柔性带会跟随整个翻转部30101旋转，在执行机构301的进给部30102沿滑轴302进给时，柔性带会跟随执行机构301的进给部30102前后滑动，如在执行机构301的进给部30102向后(图7中向右)进给时，柔性带通过前端弯曲部位30603进入执行臂导引带30602部分，新进入执行臂驱动系统3的执行臂4会被导引在4条柔性带中。执行臂导引带30602的长度增加，对应的线管导引带30605部分长度减少，长度增加与减少的变化量相同，这样柔性带始终处于预紧的状态，同时对执行臂4、连接管2a和线管2均做到了无摩擦、无损害的收束与释放的引导。

本实施例提供的执行臂驱动系统3的特点在于将翻转自由度与进给自由度融合，使得执行臂4在进给过程中可以进行旋转，翻转前进姿态的执行臂4在进入柔性狭小腔体内具有优势。同时设计了柔性导引系统，通过设计与柔性带相关的机构，实现了对执行臂4和线管2的实时自主的无摩擦损耗的导引，该设计可以引导并保证在执行臂驱动系统3中的执行臂4处于竖直状态，从而可以进行使用前和使用过程中的的姿态校准。

3、执行臂

执行臂4包括多个依次连接的关节段，如图8所示，各关节段均分别由多个相同的关节依次串联而成，执行臂4尾端与执行臂驱动系统3固定，驱动线绳5从执行臂驱动系统3进入执行臂4后，执行臂4的每个关节段分别由3根等圆周分布的驱动线绳501、驱动线绳502和驱动线绳503控制运动。

图9是本发明提出的执行臂4中的连续体关节实例。该关节包括2个具有相同构型的滚动接触关节主体401、4根无弹性的连接线绳404和通过连接体403固定于2个滚动接触关节主体401外侧的2根柔性杆402。其中，各滚动接触关节主体401均为包含复杂曲面40101的刚性结构，具体包括四个凸耳40102，连接体403固定于四个凸耳40102的外侧；四个凸耳40102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403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402的端部，另外两个相对设置的侧边用于固定关节卡线盘405。两个滚动接触关节主体401中两组凸耳40102的滚动接触面均为复杂曲面40101，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402的固定端为原点O，则复杂曲面40101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40101上的点沿X轴和Y轴的坐标分量。

复杂曲面40101是滚动接触关节主体401的滚动接触面。如图10所示，该复杂曲面40101为过柔性杆402中心点且与柔性杆402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40101可以保证滚动接触关节主体401在不同的弯曲角度下都沿柔性杆402中点斜率的切线对称。由于复杂曲面40101可以保证在关节转动过程中柔性杆402的长度不变，因此，本发明的刚柔耦合关节，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。

滚动接触关节主体401是组成连续体机器人的骨架。每个滚动接触关节主体401均具有4个凸耳40102，其中每个转动副由相邻滚动接触关节主体401上对应的凸耳40102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40102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40102在本实施例中使用交叉布置方式，即滚动接触关节主体401一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401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。各凸耳40102端部的滚动接触曲面是复杂曲面40101，其轮廓线由上述曲线方程计算得出。在本关节中，限定极限转角(关节中轴的夹角)为60度，因此只保留复杂曲面40101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40102的四围(即复杂曲面处和两侧的平面中)均设有线槽40103，用于引导连接线绳404，采用CORE方式保证滚动接触。其中，在凸耳40102复杂曲面40101处的线槽40103用于引导连接线绳404运动，根据CORE原理，线槽40103中的连接线绳404会在关节转动过程中发生运动；在凸耳40102的两侧平面中的线槽40103用于固定连接线绳404，使连接线绳404不发生运动。为了引导在复杂曲面处并排的连接线绳404，线槽40103的宽度稍大于二倍的连接线绳404直径，深度为连接线绳404直径的一半。

连接体403对柔性杆402进行完全固定，将滚动接触关节主体401的四个凸耳与柔性杆402固连起来。这样既满足滚动接触关节主体401的刚性转动，又满足柔性杆402的常曲率柔性转动，从而保性滚动接触关节主体401和柔性杆402的耦合。连接体403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。本实施例中，连接体403具有四个侧面，用于固定柔性杆402和卡线盘405。具体地，连接体403的其中两个相对设置的侧面上对称设有两个安装槽40301，柔性杆402的端部固定于该安装槽40301内，保证柔性杆的牢固稳定；连接体403的另外两个相对设置的侧面上对称设有两个第一螺纹孔40302，该第一螺纹孔40302通过配套的螺钉固定卡线盘405，保证绳传动。

柔性杆402是柔性结构，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。柔性杆402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40102贴合，该设计确保凸耳40102所在的滚动接触关节不会发生轴向滑动，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402两端完全固定在相应的安装槽40301中，在关节转动时，柔性杆402的材料本身和复杂曲面40101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。

连接线绳404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。

Claims

1.一种连续体机器人，其特征在于，包括若干驱动线绳、线绳驱动系统、线管、执行臂和执行臂驱动系统；

2.根据权利要求1所述的连续体机器人，其特征在于，各线绳驱动机构中，所述线槽轴上设有螺旋形线槽，该螺旋形线槽的导程和旋向分别与所述丝杆轴的导程和旋向相同。

3.根据权利要求2所述的连续体机器人，其特征在于，各线绳驱动机构中，所述供能装置包括驱动电机、固定套接于该驱动电机的输出轴上的主动带轮、固定套接于所述花键螺母上的从动带轮、以及连接于所述主动带轮和从动带轮之间的传动带；

各线绳驱动机构，均分别包括一固定座，所述固定座一端设有供所述花键轴穿过的第一通孔，在穿过该第一通孔后的花键轴上套设所述花键螺母；所述固定座另一端设有供所述丝杆螺母和丝杆轴穿过的第二通孔，以及供所述驱动电机输出轴穿过的第三通孔；所述定位部件位于所述固定座一侧，且两者固接。

4.根据权利要求3所述的连续体机器人，其特征在于，各线绳驱动机构中，所述定位部件中部具有容纳所述压轮的腔体，所述压轮在该腔体内仅可沿压轮的轴线自由转动；所述定位部件的一侧设有与所述压轮的转轴连接的弹簧，用于保证所述压轮的滚筒表面与线槽轴之间的滚动接触配合。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的连续体机器人，其特征在于，在所述换向机构上还设有力传感器，用于检测各驱动线绳上的拉力。

6.根据权利要求1所述的连续体机器人，其特征在于，所述执行臂驱动系统包括由翻转部和进给部通过轴承配合形成的执行机构，用于驱动所述执行机构沿滑轴滑动的进给驱动装置，分别位于所述滑轴两端且共第一轴设置的第一定轴机构和第二定轴机构，以及通过所述第一定轴机构使滑轴和执行机构的翻转部绕所述第一轴旋转的旋转驱动装置；所述线管的出线端穿过第一定轴机构后伸入执行机构内，然后由直径小于线管的连接管将各驱动线绳引出第一定轴机构，所述执行臂的尾端穿过第二定轴机构后与连接管引出的各驱动线绳连接；在所述第一定轴机构和第二定轴机构之间还设有用于将所述执行臂、线管和连接管均收束到所述第一轴的中轴线处的引导机构，使得所述执行臂和连接管之间无摩擦接触。

7.根据权利要求6所述的连续体机器人，其特征在于，所述执行机构的翻转部包括间隔设置的第一转盘和第二转盘，所述线管穿过第一转盘后与连接管相接，该连接管穿过所述第二转盘后将各驱动线绳引出至执行臂；所述引导机构位于所述第一定轴机构和第二定轴机构之间、并贯穿所述执行机构的翻转部设置，包括至少3个圆周均布且始终处于预紧状态的柔性带，各柔性带对位于所述第一定轴机构和第二定轴机构之间的线管、连接管和执行臂形成包络，将避免线管、连接管和执行臂限制于各柔性带围合形成的区域内；各柔性带的后端均被第一转盘的中心端头固定，各柔性带紧邻线管的外围沿第一轴向第一定轴机构延伸，各柔性带经第一定轴机构进行换向后沿平行于第一轴的方向延伸，先后穿过第一转盘、第二转盘和第二定轴机构后由该第二定轴机构对柔性带进行再次换向，使各柔性带紧邻连接管的外围沿平行于第一轴的方向向第二转盘延伸，最终各柔性带的前端均被第二转盘的中心端头固定；各柔性带随同执行机构的翻转部进行同步旋转，同时，各柔性带随同执行机构的进给部运动时，位于第一转盘和第一定轴机构之间柔性带的长度增加量或减少量与第二转盘与第二定轴机构之间的柔性带的长度减少量或增加量相等。

8.根据权利要求7所述的连续体机器人，其特征在于，所述进给驱动装置以驱动电机作为动力源，该动力源通过丝杠导轨机构驱动执行机构的进给部沿滑轴往复滑动。

9.根据权利要求1所述的连续体机器人，其特征在于，所述执行臂中，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。

10.根据权利要求8或9所述的连续体机器人，其特征在于，所述执行臂中，各滚动接触关节主体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；各凸耳的四围均设有用于引导驱动线绳的线槽；各连接体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端部的安装槽，另外两个相对设置的侧边对称设有用于固定卡线盘的第一螺纹孔；连接体的四个侧面上还均分别设有两个第二螺纹孔，各第二螺纹孔通过配套的螺钉和卡线片固定相应驱动线绳的端部。