CN113715042B - 一种螺旋盘绕式多段柔性机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋盘绕式多段柔性机器人，包括驱动底盘、旋转平台、搭载外壳和柔性机械臂；驱动底盘位于该机器人底部，与旋转平台固连并驱动旋转平台转动；旋转平台具有卡孔，卡孔的孔壁与搭载外壳的卡销外周面相适配，用于夹紧搭载外壳，并将转动传递至搭载外壳；搭载外壳具有螺旋凹槽，螺旋凹槽的表面与柔性机械臂外周面相适配；搭载外壳具有切向底座，切向底座与柔性机械臂底端连接；柔性机械臂为该机器人的执行部件，由若干单段柔性臂首尾连接组成；该机器人结构紧凑，解决了目前单段柔性机器人工作空间小、姿态单一，以及多段柔性机器人占用空间大、收置困难的问题，提高了适用性、灵活性和便携性。

Description

一种螺旋盘绕式多段柔性机器人

技术领域

本发明涉及柔性机器人设计技术领域，具体而言，涉及一种螺旋盘绕式多段柔性机器人。

背景技术

面对复杂的工作环境和操作要求，具有高柔顺性、环境适应性的柔性机器人引起了国内外学者和科研机构的关注，尤其在救援救灾、勘探检测、军事侦察及医疗手术等领域，柔性机器人得到了广泛的研究和应用。柔性机器人是一种新兴的仿生机器人，通常由低弹性模量的柔性材料制造而成，其本身具有连续可变形的结构和类似肌肉的驱动装置，具有多自由度，可以模仿生物系统的运动，这些特性使其表现出前所未有的灵活性和适应性，为救援、勘探等狭小空间作业提供了天然优势。

目前大多数柔性机器人采用绳索牵引的驱动方式，即利用圆周等分的若干驱动丝拖拽一段柔性机器人的末端，通过驱动丝牵引量的配合使该段柔性机器人发生相应弯曲。单段柔性机器人只能按照常曲率假设进行类似圆弧的弯曲，因此其所能到达的工作位置十分有限，柔性机器人高灵活性的优势无法得到体现。

多段柔性机器人由若干单段柔性机器人首尾相连组成，通过各段柔性机器人的弯曲相互组合，多段柔性机器人可以弥补单段柔性机器人工作空间较小，姿态单一的短板，但多段柔性机器人伸出和收回的实现方式是影响其工作性能和应用场景的关键因素。目前多段柔性机器人常采取直线推进式伸出策略，该伸出策略要求机器人在伸出的反方向留有足够的空间以存放多段机器人，使得机器人结构冗长，大大限制其适用场景。

发明内容

本发明的目的包括提供一种螺旋盘绕式多段柔性机器人，以解决单段柔性机器人工作空间小、姿态单一的技术问题，以及解决现有多段柔性机器人结构冗长、收置困难的技术问题。

为解决上述问题，本发明提供一种螺旋盘绕式多段柔性机器人，该机器人包括驱动底盘、旋转平台、搭载外壳、散热盖和柔性机械臂；

所述一种螺旋盘绕式多段柔性机器人整体外观结构类似于圆柱筒状，所述柔性机械臂于外周螺旋盘绕收置，工作时柔性机械臂主动解卷或绕卷以进行相应工作；

进一步地，所述一种螺旋盘绕式多段柔性机器人在工作时，所述驱动底盘支撑该机器人整体并驱动其上部所述旋转平台旋转，旋转平台支撑其上部所述搭载外壳并将旋转运动传递至搭载外壳，搭载外壳与所述柔性机械臂底端相连，支撑柔性机械臂，同时搭载外壳对柔性机械臂的盘绕起搭载和引导作用；

进一步地，所述一种螺旋盘绕式多段柔性机器人在工作时，随着所述搭载外壳的转动，所述柔性机械臂做相应的弯曲运动，即可实现柔性机械臂在搭载外壳上的盘绕收回和展开伸出，以合适长度进行机器人具体工作；

所述驱动底盘位于机器人的底部，以三点支撑的方式支撑整个机器人，提高机器人的稳定性，同时为机器人的供电和通信留出足够的布线空间；所述驱动底盘与其上所述旋转平台直接连接，驱动旋转平台带动所述搭载外壳和所述柔性机械臂旋转，为柔性机械臂的伸出和收回提供条件；

进一步地，所述驱动底盘由底部支撑板、电动转台、连接板、支撑环套和支撑曲板组成；

进一步地，所述连接板固连在所述电动转台上，负责向上部所述旋转平台传递旋转运动，并负责调整所述驱动底盘与旋转平台间的间距；

进一步地，所述底部支撑板位于所述电动转台下方，并与电动转台固连，负责稳定电动转台的转动和分散电动转台所承受载荷；

进一步地，所述支撑环套为一个完整圆周环套的三分之一，即三个所述支撑环套首尾相接可以形成紧密的圆周；

进一步地，一个所述支撑环套与一个所述支撑曲板组成一组支撑组件，三组所述支撑组件圆周包裹所述底部支撑板并与其固连，将底部支撑板撑离地面并承载机器人的全部重量；

进一步地，所述支撑环套具有弧槽口，所述弧槽口的内壁与所述支撑曲板的外周面相适配，能够夹紧支撑曲板，为支撑环套与支撑曲板间的紧固提供条件；

所述旋转平台位于所述驱动底盘与所述搭载外壳之间，负责将所述电动转台的转动传递至搭载外壳；所述旋转平台为所述搭载外壳提供快捷安装及拆卸的接口结构及方法，提高机器人的可操作性；

进一步地，所述旋转平台由旋转盘和连接环套组成；

进一步地，所述旋转盘为一个圆形薄盘，具有三个传动定位块，呈圆周均匀分布，所述传动定位块的外弧面与所述连接环套的内弧面相适配，连接环套可以套装在所述旋转盘上；

进一步地，所述传动定位块具有传动定位槽；

进一步地，所述连接环套具有三个传动定位齿，在其内弧面呈圆周均匀分布，所述传动定位齿的外表面与所述传动定位槽的内表面相适配，能够对所述连接环套在所述旋转盘上的套装进行定位，同时将旋转盘的转动传递给连接环套；

进一步地，所述连接环套具有六个弧槽卡孔，沿圆周均匀分布，为所述搭载外壳的转动、定位及快捷安装及拆卸提供接口；

所述搭载外壳位于所述旋转平台上部，随旋转平台转动，并可在旋转平台上快速安装及拆卸；所述搭载外壳为所述柔性机械臂提供安装底座，提供柔性机械臂进行各种工作所需支撑力，同时负责柔性机械臂盘绕状态时的收置搭载，直接参与柔性机械臂的伸出和收回动作；

进一步地，所述搭载外壳为螺旋滚筒；

进一步地，所述搭载外壳具有螺旋凹槽，所述螺旋凹槽呈螺旋线状分布于搭载外壳外周，沿径向向内凹陷；所述螺旋凹槽的长度略大于所述柔性机械臂的总长度；

进一步地，所述螺旋凹槽的表面与所述柔性机械臂的外包络相适配，对盘绕收置状态下的柔性机械臂提供搭载支撑，同时对柔性机械臂的绕卷收回和解卷伸出起引导作用；

进一步地，所述搭载外壳具有六个弧槽卡销，在其底部沿圆周均匀分布，所述弧槽卡销的外表面与所述弧槽卡孔的内表面相适配，能够对搭载外壳在所述旋转平台上的装配进行定位，并将旋转平台的转动传递至搭载外壳；所述弧槽卡销与所述弧槽卡孔的配合能够实现所述搭载外壳在所述旋转平台上的快捷安装与拆卸；

进一步地，所述搭载外壳具有切向底座，所述切向底座位于搭载外壳的底部外周，朝向螺旋曲线的切线；所述切向底座与所述柔性机械臂的底端相适配，实现柔性机械臂与搭载外壳的连接，为柔性机械臂提供固定和支撑；

进一步地，所述搭载外壳具有散热窗，所述散热窗用于该机器人运行时搭载外壳内所述柔性机械臂的驱动模块的散热；

所述散热盖位于该机器人的顶端，通过定位销轴装配在所述搭载外壳上，用以对搭载外壳内所述柔性机械臂的驱动模块进行保护和散热；

所述柔性机械臂为该机器人进行各类工作的执行部件，其底端与所述搭载外壳固连；所述柔性机械臂处于收置状态的部分盘绕于搭载外壳外周，由搭载外壳搭载，处于工作状态的部分脱离搭载外壳展开伸出；

进一步地，所述柔性机械臂的盘绕收回和展开伸出动作是依据所述搭载外壳的转动，柔性机械臂做反方向的绕卷弯曲或解卷弯曲实现的；所述柔性机械臂的收回和伸出动作以所述螺旋凹槽为引导；

进一步地，所述柔性机械臂由若干单段柔性臂拼接组成，所述单段柔性臂为模块化结构部件，首尾相接即可组成不同长度的柔性机械臂；所述柔性机械臂中每段所述单段柔性臂独立驱动并独立运动；

进一步地，所述单段柔性臂由波纹套管、节片、虎克铰和驱动丝组成；

进一步地，所述单段柔性臂包含五个所述波纹套管、五个所述节片、五个所述虎克铰以及三根所述驱动丝；

进一步地，所述虎克铰为万向联轴器万向节；

进一步地，所述节片为圆柱状，两端中心处具有轴向内孔，所述轴向内孔的孔壁与所述虎克铰的外周面相适配，每个轴向内孔可与虎克铰的一端连接；

进一步地，所述节片通过虎克铰逐个相连，组成所述单段柔性臂的中心骨干；

进一步地，所述节片具有三个穿线通孔，于节片外缘呈圆周均匀分布，所述穿线通孔的孔壁与所述驱动丝的外周面相适配，穿线通孔的孔径略大于驱动丝的直径，驱动丝可通过穿线通孔穿梭移动；

进一步地，所述驱动丝连续穿过各所述节片上对应的所述穿线通孔；所述驱动丝的一端与所述单段柔性臂最顶端的所述节片固连，另一端由所述单段柔性臂的驱动模块牵引；

进一步地，所述驱动丝共三根，与所述单段柔性臂平行，在单段柔性臂内呈圆周均匀分布；拖拽所述驱动丝可使单段柔性臂发生变形，通过各驱动丝牵引量的配合，可驱动单段柔性臂发生相应弯曲运动；

进一步地，所述波纹套管由柔性材料制成；

进一步地，所述波纹套管由TPU热塑性聚氨酯弹性体橡胶材料制成，具有柔性和弹性；

进一步地，所述波纹套管两端分别具有第一连接环和第二连接环，所述第一连接环内表面与所述节片外周面相适配，波纹套管通过第一连接环与节片连接；所述第二连接环内表面与所述第一连接环外周面相适配，波纹套管通过第二连接环与已和第一连接环连接的节片连接；

进一步地，所述波纹套管装配在相邻的所述节片间，呈首尾相接状，组成所述单段柔性臂的外包络，为单段柔性臂提供柔顺条件和变形回弹力；

进一步地，所述波纹套管的轴向长度略大于相邻所述节片间的实际装配距离，即所述波纹套管在装配时呈压缩状态，为所述单段柔性臂弯曲运动提供预留变形量；

进一步地，所述波纹套管的外周波峰形成的所述单段柔性臂的外包络面与所述螺旋凹槽的表面相适配，螺旋凹槽对单段柔性臂进行搭载和引导。

本发明所提供的螺旋盘绕式多段柔性机器人具有如下有益效果：

本发明所提供的螺旋盘绕式多段柔性机器人，用于柔性机器人的研究与应用。该机器人整体外观结构类似于圆柱筒状，分上下三层布置，作为执行部件的柔性机械臂在收置状态时盘绕于搭载外壳上，在工作状态时解卷脱离搭载外壳进行工作。使用时，驱动底盘驱动旋转平台转动，旋转平台将转动传递至搭载外壳，随着搭载外壳的转动，柔性机械臂做相应弯曲运动，即可实现盘绕收回或展开伸出动作，从而进行各类工作。由于，驱动底盘采用底部支撑板与支撑组件结合的三点支撑方式，机器人可以适用于不同地面条件的工况，并为机器人工作提供足够支撑力，保证机器人整体稳固；旋转平台采用旋转盘负责支撑，连接环套负责传动的方式，旋转盘作为薄圆盘，与电动转台采用面接触，保证了转动传递的稳定性，连接环套通过弧槽卡孔传动，可以实现搭载外壳的快速装卸；柔性机械臂由多个独立弯曲运动的单段柔性臂首尾相接组成，各单段柔性臂弯曲姿态的组合可形成多样的柔性机械臂姿态配置，使该机器人具有较大的工作空间和丰富的姿态构型；搭载外壳采用螺旋滚筒的结构形式，搭载外壳内可以布置柔性机械臂的驱动模块，提高空间利用率，缩小机器人整体所占用的空间；搭载外壳具有螺旋凹槽，能够搭载盘绕收置状态下的柔性机械臂并能够引导柔性机械臂进行解卷伸出和绕卷收回，提供了一种全新的多段柔性机器人伸出与收回策略，使该机器人结构紧凑、收置容易、便于携带，适用于更多样的应用场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实施例提供的螺旋盘绕式多段柔性机器人的正视示意图；

图2为本实施例中，驱动底盘的立体结构示意图；

图3为本实施例中，支撑组件的分体结构示意图；

图4为本实施例中，旋转平台的立体结构示意图；

图5为本实施例中，旋转盘的立体结构示意图；

图6为本实施例中，连接环套的立体结构示意图；

图7为本实施例中，搭载外壳的立体结构示意图；

图8为本实施例中，散热盖的立体结构示意图；

图9为本实施例中，柔性机械臂的立体结构示意图；

图10为本实施例中，单段柔性臂的剖面示意图；

图11为本实施例中，节片的立体结构示意图；

图12为本实施例中，波纹套管的立体结构示意图。

附图标记说明：

100-驱动底盘；110-支撑组件；120-底部支撑板；130-电动转台；140-连接板；111-支撑环套；112-支撑曲板；1111-弧槽口；

200-旋转平台；210-旋转盘；220-连接环套；211-传动定位块；221-传动定位齿；222-弧槽卡孔；2111-传动定位槽；

300-搭载外壳；310-螺旋凹槽；320-弧槽卡销；330-切向底座；340-散热窗；

400-散热盖；410-定位销轴；

500-柔性机械臂；510-单段柔性臂；511-节片；512-虎克铰；513-驱动丝；514-波纹套管；5111-轴向内孔；5112-穿线通孔；5141-第一连接环；5142-第二连接环；5143-外周波峰。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例提供一种螺旋盘绕式多段柔性机器人，用于柔性机器人的研究与应用，结合图1-图12，具体如下所述。

结合图1-图10所示，本实施例所提供的螺旋盘绕式多段柔性机器人包括驱动底盘100、旋转平台200、搭载外壳300、散热盖400和柔性机械臂500；驱动底盘100位于该机器人的底部，以三点支撑的方式支撑整个机器人，且与其上部旋转平台200直接连接，能够驱动旋转平台200带动搭载平台300和柔性机械臂500旋转；旋转平台200位于驱动底盘100和搭载外壳300之间，能够将电动转台130的转动传递至搭载外壳300，且能够为搭载外壳300提供快捷安装及拆卸的接口结构；搭载外壳300位于旋转平台200上部并随之转动，能够在旋转平台200上快速装拆，且具有切向底座330，能够为柔性机械臂500提供安装平台，并提供柔性机械臂500所需支撑力，此外搭载外壳300具有螺旋凹槽310，能够对柔性机械臂500进行搭载和引导，参与柔性机械臂500的伸出和收回动作；柔性机械臂500为该机器人的执行部件，固连于搭载外壳300上，其处于收置状态的部分盘绕搭载于搭载外壳300外周，处于工作状态的部分脱离搭载外壳300展开伸出，且随着搭载外壳300的转动，柔性机械臂500做反方向的绕卷弯曲或解卷弯曲，能够实现柔性机械臂500的盘绕收回和展开伸出。

本实施例所提供的螺旋盘绕式多段柔性机器人，用于柔性机器人研究与应用。使用时，驱动底盘驱动旋转平台转动，旋转平台将转动传递至搭载外壳，随着搭载外壳的转动，柔性机械臂做相应弯曲运动，即可实现盘绕收回或展开伸出动作，从而进行各类工作。由于，驱动底盘采用底部支撑板与支撑组件结合的三点支撑方式，机器人可以适用于不同地面条件的工况，并为机器人工作提供足够支撑力，保证机器人整体稳固；旋转平台采用旋转盘负责支撑，连接环套负责传动的方式，旋转盘作为薄圆盘，与电动转台采用面接触，保证了转动传递的稳定性，连接环套通过弧槽卡孔传动，可以实现搭载外壳的快速装卸；柔性机械臂由多个独立弯曲运动的单段柔性臂首尾相接组成，各单段柔性臂弯曲姿态的组合可形成多样的柔性机械臂姿态配置，使该机器人具有较大的工作空间和丰富的姿态构型；搭载外壳采用螺旋滚筒的结构形式，搭载外壳内可以布置柔性机械臂的驱动模块，提高空间利用率，缩小机器人整体所占用的空间；搭载外壳具有螺旋凹槽，能够搭载盘绕收置状态下的柔性机械臂并能够引导柔性机械臂进行解卷伸出和绕卷收回，提供了一种全新的多段柔性机器人伸出与收回策略，使该机器人结构紧凑、收置容易、便于携带，适用于更多样的应用场景。

本实施例中，如图1所示，该机器人整体外观结构类似于圆柱筒状，柔性机械臂500于外周螺旋盘绕收置，工作时柔性机械臂500主动解卷或绕卷以进行相应工作，这种全新的多段柔性机器人伸出与收回策略，使该机器人具有运动灵活，占用空间小，便于收置和运输携带，适用性强的优点。

具体的，该机器人工作时，驱动底盘100支撑该机器人整体并驱动其上部旋转平台200旋转，旋转平台200支撑其上部搭载外壳300并将旋转运动传递至搭载外壳300，搭载外壳300与所述柔性机械臂500底端相连，支撑柔性机械臂500，同时搭载外壳300对柔性机械臂500的盘绕起搭载和引导作用，该机器人主要采用盘套类零件通过面接触进行传动，各部分运动非常稳定。

需要说明的是，随着搭载外壳300的转动，柔性机械臂500做相应的反方向的弯曲运动，即可实现柔性机械臂500在搭载外壳300上的盘绕收回和展开伸出，以合适的长度进行机器人具体工作，机器人工作范围可调，适合复杂、多样的工作环境，灵活性高，适用性强。

本实施例中，如图1-3所示，驱动底盘100位于机器人底部，以三点支撑的方式支撑整个机器人，机器人能够适用于不同地面条件的工况，稳定性高，同时为机器人的供电和通信留出了充足的布线空间；驱动底盘100与其上旋转平台200直接连接，驱动旋转平台200带动搭载外壳300和柔性机械臂500旋转，能够为柔性机械臂500的伸出和收回提供条件。

具体的，驱动底盘100由支撑组件110、底部支撑板120、电动转台130、连接板140组成，其中支撑组件110由支撑环套111和支撑曲板112组成；连接板140固连在电动转台130上，能够向上部旋转平台200传递旋转运动，并能够调整驱动底盘100与旋转平台200间的间距；底部支撑板120位于电动转台130下方，并与电动转台130固连，能够稳定电动转台130的转动和分散电动转台130所承受载荷；一个支撑环套111与一个支撑曲板112组成一组支撑组件110，三组支撑组件110圆周包裹底部支撑板120并与其固连，能够将底部支撑板120撑离地面并承载机器人的全部重量，这种支撑方式能够为机器人提供足够支撑力，保证机器人整体稳固。

具体的，支撑环套111具有弧槽口1111，弧槽口1111的内壁与支撑曲板112的外周面相适配，能够夹紧支撑曲板112，为支撑环套111与支撑曲板112间的紧固提供条件。

需要说明的是，支撑环套111为一个完整圆周环套的三分之一，即三个支撑环套111首尾相接可以形成紧密的圆周。

本实施例中，如图1及图4-6所示，旋转平台200位于驱动底盘100与搭载外壳300之间，负责将电动转台130的转动传递至搭载外壳300；旋转平台200为搭载外壳300提供了快捷安装及拆卸的接口结构及方法，机器人的可操作性高。

具体的，旋转平台200由旋转盘210和连接环套220组成，旋转盘210为一个圆形薄盘，具有三个传动定位块211，呈圆周均匀分布，传动定位块211的外弧面与连接环套220的内弧面相适配，连接环套220可以套装在旋转盘210上。

需要说明的是，每个传动定位块211具有一个传动定位槽2111。

具体的，本实施例中，连接环套220具有三个传动定位齿221，在其内弧面呈圆周均匀分布，传动定位齿221的外表面与传动定位槽2111的内表面相适配，能够对连接环套220在旋转盘210上的套装进行定位，同时能够将旋转盘210的转动传递给连接环套220；连接环套220具有六个弧槽卡孔222，沿圆周均匀分布，为搭载外壳300在旋转平台200上的定位、传动及快速安装和拆卸提供了接口结构。

本实施例中，如图1及图7所示，搭载外壳300位于旋转平台200上部，随旋转平台200转动，并能够在旋转平台200上快速安装及拆卸；搭载外壳300为柔性机械臂500提供安装底座，提供柔性机械臂500进行各类工作所需支撑力，同时负责柔性机械臂500盘绕状态时的收置搭载，直接参与柔性机械臂500的伸出和收回动作；搭载外壳300内可以布置柔性机械臂的驱动模块，机器人空间利用率高，整体所占用的空间小。

具体的，搭载外壳300为一个螺旋滚筒，具有螺旋凹槽310，螺旋凹槽310呈螺旋线状分布于搭载外壳300外周，沿径向向内凹陷；螺旋凹槽310的表面与柔性机械臂500的外包络相适配，能够对盘绕收置状态下的柔性机械臂500提供搭载支撑，同时对柔性机械臂500的绕卷收回和解卷伸出起引导作用，该机器人基于螺旋凹槽310提供了全新的多段柔性机器人伸出和收回方式，使机器人结构紧凑，便于收置，便携性好，适用性强。

需要说明的是，螺旋凹槽310的长度略大于柔性机械臂500的总长度。

具体的，搭载外壳300具有六个弧槽卡销320，在其底部沿圆周均匀分布，弧槽卡销320的外表面与弧槽卡孔222的内表面相适配，能够对搭载外壳300在旋转平台200上的装配进行定位，并将旋转平台200的转动传递至搭载外壳300；弧槽卡销320与弧槽卡孔222的配合能够实现搭载外壳300在旋转平台200上的快捷安装与拆卸。

具体的，搭载外壳300具有切向底座330，切向底座330位于搭载外壳300的底部外周，朝向螺旋曲线的切线；切向底座330与柔性机械臂500的底端相适配，能够实现柔性机械臂500与搭载外壳300的连接，且能够为柔性机械臂500提供固定和支撑。

具体的，搭载外壳300具有散热窗340，散热窗340能够在该机器人运行时对搭载外壳300内柔性机械臂500的驱动模块和控制系统进行散热。

本实施例中，如图1及图8所示，散热盖400位于该机器人的顶端，通过定位销轴410装配在搭载外壳300上，能够对搭载外壳300内柔性机械臂500的驱动模块和控制系统进行保护和散热。

本实施例中，如图1及图9-12所示，柔性机械臂500为该机器人进行各类工作的执行部件，其底端与搭载外壳300固连；柔性机械臂500处于收置状态的部分盘绕于搭载外壳300外周，由搭载外壳300搭载，处于工作状态的部分脱离搭载外壳300展开伸出。

具体的，柔性机械臂500的盘绕收回和展开伸出动作是依据搭载外壳300的转动，柔性机械臂500做反方向的绕卷弯曲或解卷弯曲实现的；柔性机械臂500的收回和伸出动作以螺旋凹槽310为引导。

具体的，柔性机械臂500由若干单段柔性臂510拼接组成，单段柔性臂510为模块化结构部件，首尾相接即可组成不同长度的柔性机械臂500；柔性机械臂500中每段单段柔性臂510独立驱动并独立运动，各单段柔性臂510弯曲姿态的组合能够形成多样的柔性机械臂500姿态配置，使该机器人具有较大的工作空间和丰富的姿态构型。

具体的，单段柔性臂510由五个波纹套管514、五个节片511、五个虎克铰512和三根驱动丝513组成；节片511为圆柱状，两端中心处具有轴向内孔5111，轴向内孔5111的孔壁与虎克铰512的外周面相适配，每个轴向内孔5111可与虎克铰512的一端连接，节片511通过虎克铰512逐个相连，组成单段柔性臂510的中心骨干，能够承载单段柔性臂510所受载荷，具有承载力大的优点。

需要说明的是，虎克铰512为十字轴式万向联轴器，又称万向节。

具体的，节片511具有三个穿线通孔5112，于节片511外缘呈圆周均匀分布，穿线通孔5112的孔壁与驱动丝513的外周面相适配，驱动丝513可通过穿线通孔5112穿梭移动；驱动丝513连续穿过各节片511上对应的穿线通孔5112；驱动丝513的一端与单段柔性臂510最顶端的节片511固连，另一端由单段柔性臂510的驱动模块牵引；驱动丝513共三根，与单段柔性臂510平行，在单段柔性臂510内呈圆周均匀分布；拖拽驱动丝513可使单段柔性臂510发生变形，通过各驱动丝513牵引量的配合，能够驱动单段柔性臂510发生相应弯曲运动，具有运动灵活的优点。

需要说明的是，穿线通孔5112的孔径略大于驱动丝513的直径，穿线通孔5112能够对驱动丝513起限位作用，且驱动丝513能够在穿线通孔5112内自由移动，摩擦力小。

具体的，在本实施例中，波纹套管514由TPU材料制成，具有柔性和弹性，其两端分别具有第一连接环5141和第二连接环5142，第一连接环5141内表面与节片511外周面相适配，波纹套管514通过第一连接环5141与节片511连接；第二连接环5142内表面与第一连接环5141外周面相适配，波纹套管514通过第二连接环5142与已和第一连接环5141连接的节片511连接；波纹套管514装配在相邻的节片511间，呈首尾相接状，组成单段柔性臂510的外包络；波纹套管514的外周波峰5143形成的单段柔性臂510的外包络面与螺旋凹槽310的表面相适配，螺旋凹槽310能够对单段柔性臂510进行搭载和引导；波纹套管514的结构及材质特性使单段柔性臂510具有变形柔顺平滑且回弹力大的优点，同时波纹状的外包络摩擦力大，便于柔性机械臂500在搭载外壳300上的盘绕收置和伸出收回动作。

需要说明的是，波纹套管514的轴向长度略大于相邻节片511间的实际装配距离，即波纹套管514在装配时呈压缩状态，为单段柔性臂510弯曲运动提供预留变形量，使单段柔性臂510运动灵活且运动范围大。

所述搭载外壳300具有六个弧槽卡销320，在其底部沿圆周均匀分布，所述弧槽卡销320的外表面与所述弧槽卡孔222的内表面相适配，能够对搭载外壳300在所述旋转平台200上的装配进行定位，且能够将旋转平台200的转动传递至搭载外壳300；所述弧槽卡销320与所述弧槽卡孔222的配合能够实现搭载外壳300在旋转平台200上的快捷安装与拆卸。

所述搭载外壳300具有切向底座330，所述切向底座330位于搭载外壳300的底部外周，朝向螺旋曲线的切线；所述切向底座330与所述柔性机械臂500的底端相适配，能够固定和支撑柔性机械臂500。

所述搭载外壳300具有散热窗340，所述散热窗340能够对搭载外壳300内的部分进行散热。

所述柔性机械臂500由若干单段柔性臂510拼接组成，所述单段柔性臂510首尾相接可组成不同长度的柔性机械臂500；所述柔性机械臂500中每段所述单段柔性臂510独立运动，各单段柔性臂510的弯曲姿态能够组合形成多样的柔性机械臂500姿态构型。

所述单段柔性臂510由波纹套管514、节片511、虎克铰512和驱动丝513组成，所述节片511为圆柱状，两端中心处具有轴向内孔5111，所述轴向内孔5111的孔壁与所述虎克铰512的外周面相适配，可与虎克铰512的一端连接。

所述节片511通过所述虎克铰512逐个相连，组成所述单段柔性臂510的中心骨干，能够承载单段柔性臂510所受载荷。

所述节片511具有三个穿线通孔5112，于节片511外缘呈圆周均匀分布，所述穿线通孔5112的孔径略大于所述驱动丝513的直径，能够对驱动丝513起限位作用，且驱动丝513能够通过穿线通孔5112自由穿梭移动。

所述驱动丝513连续穿过各所述节片511上对应的所述穿线通孔5112，与所述单段柔性臂510平行，驱动丝513的一端与所述单段柔性臂510最顶端的节片511固连，另一端用于牵引；所述驱动丝513共三根，在单段柔性臂510内呈圆周均匀分布；拖拽所述驱动丝513可使所述单段柔性臂510发生变形，通过各驱动丝513牵引量的配合，能够驱动单段柔性臂510发生相应的弯曲运动。

所述波纹套管514由TPU热塑性聚氨酯弹性体橡胶材料制成，具有柔性和弹性。

所述波纹套管514两端分别具有第一连接环5141和第二连接环5142，所述第一连接环5141内表面与所述节片511外周面相适配，波纹套管514通过第一连接环5141与节片511连接，所述第二连接环5142内表面与第一连接环5141外周面相适配，波纹套管514通过第二连接环5142与已和第一连接环5141连接的节片511连接。

所述波纹套管514装配在相邻的所述节片511间，呈首尾相接状，组成所述单段柔性臂510的外包络。

所述波纹套管514的轴向长度略大于相邻所述节片511间的实际装配距离，波纹套管514在装配时呈压缩状态，能够为所述单段柔性臂510弯曲运动提供预留变形量。

综上所述，本实施例所提供的螺旋盘绕式多段柔性机器人具有如下效果：

1、本实施例提供一种螺旋盘绕式多段柔性机器人，用于柔性机器人研究与应用，该机器人通过驱动底盘驱动旋转平台转动，旋转平台将转动传递至搭载外壳，随着搭载外壳的转动，柔性机械臂做相应的反方向的弯曲运动，即可实现盘绕收回或展开伸出动作，从而进行各类工作，该机器人提供了一种全新的多段柔性机器人伸出与收回策略，运动灵活，占用空间小，便于收置和运输携带，适用于更多的应用场景。

2、本实施例中，采用盘套类零件，通过面接触的形式进行驱动底盘、旋转平台、搭载外壳和柔性机械臂间的连接和传动，各部分运动非常稳定。

3、本实施例中，柔性机械臂可在搭载外壳上自由盘绕收回和展开伸出，以合适的长度进行机器人具体工作，机器人工作范围可调，适合复杂、多样的工作环境，灵活性高，适用性强。

4、本实施例中，驱动底盘以三点支撑的方式支撑整个机器人，机器人能够适用于不同地面条件的工况，这种支撑方式能够为机器人提供足够支撑力，保证机器人整体稳固，同时能够为机器人的供电和通信留出充足的布线空间。

5、本实施例中，旋转平台的旋转盘与连接环套之间以及连接环套与搭载外壳之间均采用了集定位与传动于一体的结构形式，缩小了连接结构所占用空间，简化了机器人装配及操作过程。

6、本实施例中，旋转平台提供了搭载外壳在其上的快速安装和拆卸接口，通过弧槽卡孔和弧槽卡销的配合，搭载外壳与旋转平台的装配及分离方便快捷，便于对搭载外壳内的部分进行调试和操作。

7、本实施例中，搭载外壳采用螺旋滚筒的结构形式，搭载外壳内可以布置柔性机械臂的驱动模块，机器人空间利用率高，整体所占用的空间小。

8、本实施例中，搭载外壳具有螺旋凹槽，能够对盘绕收置状态下的柔性机械臂提供搭载支撑，同时对柔性机械臂的绕卷收回和解卷伸出起引导作用，使机器人结构紧凑，便于收置，便携性好，适用性强。

9、本实施例中，散热盖以及搭载外壳的散热窗能够在机器人运行时，对搭载外壳内柔性机械臂的驱动模块和控制系统进行散热，保证机器人运行顺畅并具有良好的工作性能。

10、本实施例中，柔性机械臂由多个单段柔性臂首尾相接组成，单段柔性臂的个数可根据实际工作场景选择，结构灵活，适用性强。此外，柔性机械臂中每段单段柔性臂独立驱动并独立运动，各单段柔性臂弯曲姿态的组合能够形成多样的柔性机械臂姿态配置，使该机器人具有较大的工作空间和丰富的姿态构型。

11、本实施例中，柔性机械臂采用通过虎克铰逐个相连的节片作为中心骨干，与传统柔性机器人采用的柔性或弹性主体结构相比，具有刚性大、承载力大的优点。

12、本实施例中，柔性机械臂采用波纹套管作为外包络，波纹状的结构特点及TPU材料的特性使得柔性机械臂具有变形柔顺平滑且回弹力大的优点。此外，波纹状的外包络摩擦力大，便于柔性机械臂在搭载外壳上的盘绕收置和伸出收回动作。

需要说明的是，本申请中涉及的“上”、“下”、“左”、“右”、“前”和“后”等方位描述，均结合图中视角为基准做的示意性说明，并不作为限定。

此外，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种螺旋盘绕式多段柔性机器人，其特征在于，包括驱动底盘（100）、旋转平台（200）、搭载外壳（300）、散热盖（400）和柔性机械臂（500）；

所述驱动底盘（100）位于机器人底部，以三点支撑的方式支撑整个机器人，且与其上所述旋转平台（200）连接，能够驱动旋转平台（200）旋转；

所述旋转平台（200）位于所述驱动底盘（100）与所述搭载外壳（300）之间，用于将驱动底盘（100）的旋转传递至搭载外壳（300）；

所述搭载外壳（300）位于机器人上部，随所述旋转平台（200）转动，能够使所述柔性机械臂（500）在其周围盘绕，用于搭载柔性机械臂（500）；

所述柔性机械臂（500）在所述搭载外壳（300）外周盘绕收置，使用时能够脱离搭载外壳（300）展开伸出；

所述散热盖（400）为一个有孔的圆形薄盘，能够装配于所述搭载外壳（300）顶端，用于对搭载外壳（300）内部分进行保护和散热；

随着所述搭载外壳（300）的转动，所述柔性机械臂（500）做反方向的弯曲运动，即可实现柔性机械臂（500）在搭载外壳（300）上的盘绕收回和展开伸出，能够调节机器人长度；

所述驱动底盘（100）包括支撑组件（110）、底部支撑板（120）、电动转台（130）和连接板（140），所述支撑组件（110）包括支撑环套（111）和支撑曲板（112）；所述连接板（140）固连在所述电动转台（130）上，能够向所述旋转平台（200）传递旋转运动；所述底部支撑板（120）固连在电动转台（130）下方，能够分散电动转台（130）所承受载荷；三组所述支撑组件（110）圆周包裹底部支撑板（120）并与之固连，能够将底部支撑板（120）撑离地面并承载机器人重量；

所述支撑环套（111）为一个完整圆周环套的三分之一，即三个支撑环套（111）首尾相接能够形成紧密的圆周；

所述支撑环套（111）具有弧槽口（1111），所述弧槽口（1111）的内壁与所述支撑曲板（112）的外周面相适配，能够夹紧支撑曲板（112）；

所述旋转平台（200）包括旋转盘（210）和连接环套（220），所述旋转盘（210）为一个圆形薄盘，具有三个圆周均匀分布的传动定位块（211），所述传动定位块（211）的外弧面与所述连接环套（220）的内弧面相适配，连接环套（220）能够套装在旋转盘（210）上；

所述传动定位块（211）具有传动定位槽（2111）；

所述连接环套（220）具有三个传动定位齿（221），在其内弧面呈圆周均匀分布，所述传动定位齿（221）的外表面与所述传动定位槽（2111）的内表面相适配，能够对连接环套（220）在所述旋转盘（210）上的套装进行定位，且能够将旋转盘（210）的转动传递给连接环套（220）；

所述连接环套（220）具有六个弧槽卡孔（222），沿圆周均匀分布；

所述搭载外壳（300）为一个螺旋滚筒，具有螺旋凹槽（310），所述螺旋凹槽（310）呈螺旋线状分布于搭载外壳（300）外周，沿径向向内凹陷；所述螺旋凹槽（310）的表面与所述柔性机械臂（500）的外包络相适配，能够对盘绕状态下的柔性机械臂（500）提供搭载支撑，且能够对柔性机械臂（500）的盘绕收回和展开伸出进行引导。