CN113618775A - 一种连续体机器人关节及连续体机器人 - Google Patents

Abstract

一种连续体机器人关节及连续体机器人，包括上主体片、下主体片、弹性体和中间连接件；上主体片和下主体片上均开有矩形通孔；中间连接件的两端分别设置在上主体片和下主体片的矩形通孔；上主体片和下主体片外侧边缘之间固定设置有若干弹性体。本发明通过圆片、上主体片以及下主体片的配合，实现了刚性转动副，运动学较为简单。本产品安装简单，将几个片相互插入即可，安装时可以选择让柔性单元可以处于预拉伸状态，借助弹性回复力在相邻片之间形成稳定可靠的装配，增加接触的稳定性，提高承载能力。

Description

一种连续体机器人关节及连续体机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种连续体机器人关节及连续体机器人。

背景技术

连续体机器人由于其细长灵活的特性，被应用于管道探测、发动机检修、手术医疗等领域。现有的连续体机器人关节，从结构上可以分为刚性关节和柔性关节。刚性关节承载能力大，运动学建模容易，但往往需要复杂的加工装配(如铣削、钻孔)，由于手术机器人往往在毫米级别，所以刚性单元加工难度较大，而一个连续体机器人往往有很多此种关节(多的可能几十上百个)，成本巨大。柔性关节可以一体制作，但承载能力较弱，在不同负载状态下变形情况不同，给运动控制带来的困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种连续体机器人关节及连续体机器人，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种连续体机器人关节，包括上主体片、下主体片、弹性体和中间连接件；上主体片和下主体片上均开有矩形通孔；中间连接件的两端分别设置在上主体片和下主体片的矩形通孔；上主体片和下主体片外侧边缘之间固定设置有若干弹性体。

进一步的，中间连接件为圆形轮廓片或运动约束插片。

进一步的，圆形轮廓片的直径大于矩形通孔的长度，每个关节至少有一个圆形轮廓片。

进一步的，运动约束插片包括插入结构、主体和运动导向轮廓结构；主体的两端分别设置插入结构和运动导向轮廓结构；插入结构插入下主体片矩形通孔内，运动导向轮廓结构插入上主体片的矩形通孔中，运动约束插片与下主体片过盈配合，运动约束插片与上主体片间隙配合；每个关节至少有一个运动约束插片。

进一步的，运动导向轮廓结构上设置有柱状的抗扭增强结构；运动约束插片的侧面设置有限位结构。

进一步的，上主体片和下主体片的外边缘均设有凸起或窄缝用于安装弹性体。

进一步的，弹性体为S形或折线形或其他可以与运动协调的形状；弹性体的两端设置有与凸起或窄缝相匹配的套筒结构、弯折结构或带多根横小枝的结构，弹性体装配时在预拉伸状态下或原始状态下装配，预拉伸方向为两安装位置连线。

进一步的，上主体片和下主体片上均开有多个穿线孔，穿线孔用于穿线或者安装外部连接设备。

进一步的，上述所有零件都可以通过平面加工的方式制造出来。柔性单元可以处于预拉伸状态进行装配。

进一步的，一种连续体机器人，由多个此种关节串联而成，通过穿线孔中的驱动丝进行驱动。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明通过圆片、上主体片以及下主体片的配合，实现了刚性转动副，运动学较为简单。本产品安装简单，将几个片相互插入即可，安装时可以选择让柔性单元可以处于预拉伸状态，借助弹性回复力在相邻片之间形成稳定可靠的装配，增加接触的稳定性，提高承载能力。

普通柔性关节，在运动时往往存在轴飘问题，即转动的中心轴相对整个关节来说不是固定的，而是随着关节转动而移动，这为运动控制带来了很大的问题。同时，柔性关节的变形和受力情况相关，不同受力情况，变形情况不同，运动的轨迹就可能不同，这也使得控制困难。此外，柔性转动关节在承受侧向力、扭矩(方向是沿着垂直于主体片上表面的轴)等载荷时，也会产生变形，导致控制困难，变形过大时，关节将无法作为一个转动关节工作，因此柔性转动关节对这些载荷的承载能力弱。这个问题对于单个关节是很严重的，而放在连续体机器人上会更加显著，因为一般连续体机器人的长径比都很大，即很细长，而工作时又常常出现伸出的臂和固定端呈现L形形状，这就导致在臂的末端加上一个很小的载荷时(例如L的最上面)，对连续体固定端(例如L的右下角)会产生一个很大的转矩，此时一般的柔性关节在此种载荷下，会发生变形，导致不能正常工作，限制了整个机器人的承载能力。本发明采用了柔性关节和运动约插片相结合的形式，首先，由于插片的存在，关节运动受到约束，一定沿着插片的轮廓运动。其次，在受到侧向力、扭矩等其他载荷时，刚性结构承受这些载荷，柔性结构不会发生影响转动的变形，提高了整个关节和整个机器人的承载能力。

本发明可以完全由平板进行加工得到，无需复杂的加工工艺，就可以得到精度较高尺寸较小的产品，而且由于平面加工，相较一般的连续体机器人所需的体加工，成本更低。一般连续体机器人不是由平板件组合得到，需要先加工出外形，然后用激光或高速钻头钻出穿线孔，在此过程中，一方面，整体尺寸较小，精度要求高，加工困难，常常需要高精度机床精密加工，另一方面，由于不是一次制作成型而是需要多道工序，需要反复拆装定位，既增大了制作难度，又由于需要特制精密的夹具而导致成本上升。一个连续体机器人又往往需要几十个此种零件，这也是现在相关机器人成本居高不下的原因之一。本发明则不同，由于采用平面加工，可以用一台设备直接加工出所有零件，无需多道工序，无需定制夹具；此外，采用刻蚀、激光、冲压等平面加工方式，可以高效制作出大量高精度的零件，极大降低了生产成本。

附图说明

图1是本发明实例1的关节示意图

图2是本发明的上主体片示意图

图3是本发明的圆片示意图

图4是本发明的下主体片示意图

图5是本发明的弹性体示意图

图6是本发明的增加了可转圆形轮廓片数目的关节示意图

图7是本发明的实例2关节示意图

图8是本发明的实例3关节示意图

图9是本发明的实例4关节示意图

图10是本发明的实例5，一种连续体机器人

图11是本发明的实例6，一种连续体机器人

图12是本发明的实例7，一种关节示意图

图13是本发明的运动约束插片示意图

图14是本发明的实例7的主体片示意图

图15是本发明的实例7的弹性体示意图

图16是本发明的实例7剖面图

图17是本发明的实例8的关节示意图

图18是本发明的实例8的运动约束插片示意图

图19是本发明的实例8的主体片示意图

图20是本发明的实例8隐去上主体片的关节示意图

图21是本发明的实例8两约束插片不同向安装示意图

图22是本发明的实例8两约束插片形状不同示意图

图23是本发明的一种带横枝的弹性体示意图

图中：1、上主体片；2、下主体片；3、圆形轮廓片；31、运动约束插片；4、弹性体安装凸起；5、弹性体；6、下主体片方形通孔；7、上主体片方形通孔；18、穿线孔；9、S形弹性体；10、折线弹性体；11、末端折弯弹性体；12、凸起；16、刚性体。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

一种连续体机器人关节，至少包括上主体片、下主体片、可转圆形轮廓片和弹性体。上主体片和下主体片均开有方形通孔，两者相对设置；可转圆形轮廓片下端插在下主体片的方形通孔中，上端插在上主体片的方形通孔中，可转圆形轮廓片直径大于通孔的长度，可转圆形轮廓片厚度与通孔的宽度接近；上主体片和下主体片外边缘均有凸起或窄缝用于安装弹性体，弹性体一端和固定在上主体片上，另一端和下主体片固定。

上主体片和下主体片上均开有多个孔，用于穿线或者供使用者安装其他东西(如弹簧、信号线、光纤等)。

上主体片和下主体片形状不需要完全一致。

每个关节至少有一个圆形轮廓片。

圆片至少可以相对上主体片和下主体片之一转动。

圆片外轮廓是圆形，但中间可以打孔或作出各种花纹。

每个关节至少有一个弹性体。

弹性体安装位置不一定要在圆片的圆柱体中心轴线上。

弹性体形状不固定，可以是S形，波浪形也可以是其他与运动相协调的柔顺机构的造型。

所述的关节当受到外力驱动时，上主体片相对下主体片发生运动，转动中心和圆片的圆柱体中心轴线重合，同时安装的弹性体发生弹性变形，产生一个恢复力矩。

在此基础上，再增加多个弹性体，如外围包裹一个弹簧或插入一个弹簧等应视为受本发明保护。

多个此种关节串联(将一个关节的下主体片和另一个关节的上主体片连接)，驱动丝从前到后穿过，就形成了连续体机器人。

这里的串联可以是相邻两个关节的转动中心轴正交，也可以是成任意角度。

这里的驱动丝包括各种材料的驱动丝，如镍钛合金丝、鱼线、钢丝绳等。

实施例1如图1所示，一种新型连续体机器人关节，至少包括上主体片1、下主体片2、圆形轮廓片3和弹性体5。上主体片1和下主体片2均开有若干方形通孔，两者相对设置，在本实例中，各自开有八个方形通孔，且上主体片1和下主体片2形状完全相同。可转圆形轮廓片3下端插在下主体片方形通孔6中，上端插在上主体片方形通孔7中，可转圆形轮廓片3直径大于方形通孔的长度，在本实例中可转圆形轮廓片3厚度略小于方形通孔的宽度。上主体片1和下主体片2外边缘均有弹性体安装凸4起用于安装弹性体5。弹性体5一端连接上主体片1，另一端和下主体片2连接，同时弹性体5孔的尺寸略小于弹性体安装凸起，形成过盈配合，保证不会轻易脱出。在上主体片1和下主体片2上，打有若干个穿线孔18，这些穿线孔18可以用于安装驱动丝或其他需要的设备(如电线、光纤)。

在工作过程中，外力作用下上主体片1相对于下主体片2运动，由于圆片3和弹性体5的共同作用，整个关节变成一个绕着圆形轮廓片3的圆柱中心轴转动的转动副。

在实际实施中，可转圆形轮廓片3数目≥1，弹性体5数目≥1，圆片和弹性体可以非对称的布置。如图1所示，安装了两个可转圆形轮廓片3和两个弹性体5，如图6所示，增加可转圆形轮廓片4数目到三个，减少了弹性体5数目到一个。

在实际实施中，弹性体的形状可以是任意设置的形状，由设计者根据自身需要进行调整。如图7所示，出于材料、加工和刚度等多方面考虑，在实例2中将S形的弹性体5替代为“双C形”弹性体。

同时弹性体安装位置也可以改变。如图8的实例3所示，将弹性体替代为类似弹簧的折线弹性体，并且将安装位置从图1所示的与可转圆形轮廓片4圆柱中心线平行的凸起位置，转到图8的与圆柱中心线垂直的弹性体安装凸起。在关节转动过程中，折线弹性体受力变形，产生回复力矩。

安装弹性体的方式除了凸起以外还可以用窄槽的形式安装，在实例4中，如图9所示，末端折弯弹性体的上下两端分别安装在上下两个主体片的窄槽中。同样的，窄槽的位置、数量、形状等可以依据设计者需求进行调整(例如窄槽和凸起同时使用。)

一种连续体机器人由多个本发明所提及的关节串联而成，通过由孔中穿过的驱动丝进行驱动。在工作中，驱动丝长度变化，使孔受力，带动关节转动，从而使整个连续体机器人末端移动。这里所说的驱动丝，指一切起驱动作用的丝，包括不限于镍钛合金丝、鱼线、钢丝、细金属丝等材料。

这里所说的相邻关节，转动中心轴可以平行也可以相互垂直，而且相邻关节可以不完全结构一致。

这里所说的串联，可以是经过弹性体相连接，也可以经过刚性连接(包括刚性连接件、焊接、胶合等)。

如图10所示的实例5中，每两个主体片之间，是由弹性体5和可转圆形轮廓片3连接而成，图示连续体机器人就可以看做关节一13和关节二14之间通过弹性体5和可转圆形轮廓片3相连接，而连接处形成了一个新的关节三15。

如图11所示的实例6中，相邻两个单元之间，通过刚性连接件16相连接。

实例如图12所示，一个关节包括上主体片1，下主体片2，运动约束插片31，弹性体5。其中，运动约束插片31包括插入结构6、运动导向轮廓结构8；上主体片1和下主体片2上开有运动导向通孔、插片安装通孔，和穿线孔18，在边缘还有弹性体安装凸起12；运动约束插片31的与下主体片2相对固定，其插入结构6插入下主体片的插片安装通孔中，运动导向轮廓结构8插入上主体片1的运动导向通孔中，本实例中运动约束插片31的与下主体片2过盈配合，运动约束插片31的与上主体片1间隙配合；弹性体的两个弹性体安装孔分别套在上主体片1和下主体片2上的弹性体安装凸起12上。

如图17所示，在每个关节中，可以有多个运动导向轮廓结构8；同时也会有多个运动导向通孔、插片安装通孔，而这两类孔形状可以相同，如图19所示。

在一个关节有多个运动导向轮廓结构8的情况下，这些运动导向轮廓结构8可以与同一个主体片相对固定，也可以与不同的主体片相对固定，如图21所示。

同一个关节，所用的运动约束插片31可以不同，只要满足运动导向轮廓结构8所约束的相对运动一致就可以，如图22所示，就用了两个不同但约束的相对运动一致的插片。

关节所用的弹性体，除了采用包住凸起的方式以外，也可以采用嵌入窄缝的形式，如图23所示，弹性体末端有横的小枝，四根小枝分别卡住主体片的上下两面，小枝之间部分被窄缝夹紧，从而安装在关节上。

Claims (10)

1.一种连续体机器人关节，其特征在于，包括上主体片(1)、下主体片(2)、弹性体(5)和中间连接件；上主体片(1)和下主体片(2)上均开有矩形通孔；中间连接件的两端分别设置在上主体片(1)和下主体片(2)的矩形通孔；上主体片(1)和下主体片(2)外侧边缘之间固定设置有若干弹性体(5)。

2.根据权利要求1所述的一种连续体机器人关节，其特征在于，中间连接件为圆形轮廓片(3)或运动约束插片(31)。

3.根据权利要求2所述的一种连续体机器人关节，其特征在于，圆形轮廓片(3)的直径大于矩形通孔的长度，每个关节至少有一个圆形轮廓片。

4.根据权利要求2所述的一种连续体机器人关节，其特征在于，运动约束插片(31)包括插入结构(6)、主体和运动导向轮廓结构(8)；主体的两端分别设置插入结构(6)和运动导向轮廓结构(8)；插入结构(6)插入下主体片矩形通孔内，运动导向轮廓结构(8)插入上主体片(1)的矩形通孔中，运动约束插片(31)与下主体片(2)过盈配合，运动约束插片(31)与上主体片(1)间隙配合；每个关节至少有一个运动约束插片(31)。

5.根据权利要求4所述的一种连续体机器人关节，其特征在于，运动导向轮廓结构(8)上设置有柱状的抗扭增强结构(9)；运动约束插片(31)的侧面设置有限位结构(7)。

6.根据权利要求1所述的一种连续体机器人关节，其特征在于，上主体片(1)和下主体片(2)的外边缘均设有凸起(12)或窄缝用于安装弹性体(5)。

7.根据权利要求6所述的一种连续体机器人关节，其特征在于，弹性体(5)为S形或折线形或其他与运动协调的形状；弹性体(5)的两端设置有与凸起或窄缝相匹配的套筒结构、弯折结构或带多根横小枝的结构，弹性体装配时在预拉伸状态下或原始状态下装配，预拉伸方向为两安装位置连线。

8.根据权利要求1所述的一种连续体机器人关节，其特征在于，上主体片(1)和下主体片(2)上均开有多个穿线孔(18)，穿线孔(18)用于穿线或者安装外部连接设备。

9.根据权利要求1所述的一种连续体机器人关节，其特征在于，上主体片(1)、下主体片(2)、弹性体(5)和中间连接件均采用平面加工方式制造。

10.一种连续体机器人，其特征在于，基于权利要求1至9任意一项所述的一种连续体机器人关节，多个关节串联形成连续体机器人。

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