CN113787503B - 一种连续体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续体机器人，包括：本体、预紧线轮、固定平台、舵机和牵引丝；其中，本体包括正交轴骨架和\或平行轴骨架，相邻两个所述正交轴骨架的转动轴相互正交，相邻两个所述平行轴骨架的转动轴相互平行；所述本体一端固定于固定平台上，牵引丝穿过本体将各正交轴骨架和\或平行轴骨架连接，并固定于本体末端；所述牵引丝、预紧线轮和舵机依次连接，通过舵机驱动预紧线轮转动，拉紧或放松牵引丝，从而带动所述本体末端到达预设位置。本发明通过连续体本体、牵引丝、预紧线轮、舵机、固定平台和控制组件的相互配合，拓展了灵活性，简化了运动学控制，提高精度与稳定性。

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，更具体地，涉及一种连续体机器人。

背景技术

机器人技术综合了机械结构、微电子和计算机、自动控制和驱动、传感和信息处理以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是典型的光机电一体化技术。随着传感器、人工智能、控制理论和方法的不断发展，机器人技术取得了突飞猛进的进步，其应用领域在不断地扩大，概念也在不断地拓展，不再局限于搬运焊接以及大批量作业的工业机器人，人类已经研制成功或正在研制用于危险环境作业、海洋资源探测、核能利用、军事侦察、空间探测以及外科手术的特种机器人。

现有的机器人操作器的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，可自行加工制造工业机器人的关键元器件，但在技术水平上可靠性低，应用领域窄，生产线系统技术不高。

目前已有的连续体机械臂其中一类刚度差，运动学控制较为困难，精度不高；另一类刚度好，精度较高，但灵活性不好；且以上两类均为开环控制稳定性不好，受外界环境的影响较大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种连续体机器人，其目的在于通过连续体本体、牵引丝、预紧线轮、舵机、固定平台和控制组件的相互配合，拓展了灵活性，简化了运动学控制，提高精度与稳定性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种连续体机器人，包括：本体、预紧线轮、固定平台、舵机和牵引丝；其中，本体包括正交轴骨架和\或平行轴骨架，相邻两个所述正交轴骨架的转动轴相互正交，相邻两个所述平行轴骨架的转动轴相互平行；所述本体一端固定于固定平台上，牵引丝穿过本体将各正交轴骨架和\或平行轴骨架连接，并固定于本体末端；所述牵引丝、预紧线轮和舵机依次连接，通过舵机驱动预紧线轮转动，拉紧或放松牵引丝，从而带动所述本体末端到达预设位置。

优选地，所述正交轴骨架为中空柱状结构，所述正交轴骨架包括第一凸起转动部、第一凹陷连接部和第一孔，所述第一凸起转动部和第一凹陷连接部在柱体上间隔设置，所述第一孔用于使牵引丝穿过。

优选地，所述平行轴骨架为中空柱状结构，所述平行轴骨架包括第二凸起转动部、第二凹陷连接部和第二孔，所述第二凸起转动部和第二凹陷连接部位于柱体上与中心轴平行的同一条直线上，所述第二孔用于使牵引丝穿过。

优选地，所述第一凸起转动部、第一凹陷连接部、第二凸起转动部和第二凹陷连接部均具有尺寸相配合的圆柱面，以使得任一转动部能够在任一连接部中转动；

所述第一凸起转动部上的圆柱面和第一凹陷连接部上的圆柱面所对应的轴相互正交，所述第二凸起转动部上的圆柱面和第二凹陷连接部上的圆柱面所对应的轴相互平行。

优选地，所述本体的最大弯曲角度为：本体仅包括平行轴骨架时的最大弯曲角度﹥本体包括正交轴骨架和平行轴骨架时的最大弯曲角度﹥本体仅包括正交轴骨架时的最大弯曲角度。

优选地，所述本体通过夹持杆与固定平台连接，所述夹持杆为中空柱状结构。

优选地，所述预紧线轮包括内线轮、外线轮、弹簧、线轮固定片和牵引丝夹紧片；

所述外线轮套设于所述内线轮上，所述线轮固定片用于限制外线轮与内线轮之间的轴向位移；所述弹簧设于内线轮与所述外线轮之间，用于限制二者在预设范围内的相对转动，从而产生预紧力；所述牵引丝夹紧片通过固定孔固定于所述外线轮上，所述牵引丝夹紧片用于将牵引丝夹紧于外线轮上，通过外线轮的转动拉紧或放松牵引丝。

优选地，所述固定平台包括连续体夹具、支撑梁和底板；所述连续体夹具固定于所述支撑梁上，所述支撑梁设于所述底板上；连续体夹具用于夹紧固定所述夹持杆。

优选地，所述预紧线轮和舵机均为4个，分别与4根牵引丝连接，该4根牵引丝分别穿过本体上均匀分布的孔并固定于本体末端。

优选地，所述连续体机器人还包括控制器，所述控制器用于发送控制指令，所述舵机接收所述控制指令，带动所述预紧线轮转动以拉紧或放松所述牵引丝从而使所述本体末端到达预设位置。

优选地，所述连续体机器人还包括检测传感器，所述检测传感器设置于本体上，用于检测所述本体的弯曲程度，所述控制器还用于根据所述弯曲程度调整所述本体末端的位置。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果：

(1)本发明中本体包括正交轴骨架和\或平行轴骨架，相邻两个所述正交轴骨架的转动轴相互正交，相邻两个所述平行轴骨架的转动轴相互平行。即该本体可以由至少两个正交轴骨架构成，也可以由至少两个平行轴骨架构成，还可以由正交轴骨架和平行轴骨架的组合构成。本发明通过采用不同个数的正交轴骨架或平行轴骨架，或者采用不同个数、不同位置的正交轴骨架与平行轴骨架串接的组合，可以形成不同长度、不同弯曲程度的连续体机器人本体，这些不同的连续体机器人本体拥有着不同的机器人工作空间，从而拓展了连续体机械人的灵活性。

(2)本发明中所述第一凸起转动部、第一凹陷连接部、第二凸起转动部和第二凹陷连接部均具有尺寸相配合的圆柱面，以使得任一转动部能够在任一连接部中转动，实现了任意两个骨架之间(平行轴骨架与平行轴骨架、正交轴骨架与正交轴骨架、正交轴骨架与平行轴骨架、平行轴骨架与正交轴骨架)类似转轴的联接简化了运动学模型。

(3)本发明中正交轴骨架、平行轴骨架、夹持杆均为中空柱状结构，使得本体的外径更小，内径更大，内外径的比值可达60％，能够进入更微小的腔道，内部空间能够通过更多的设备。

(4)本发明中预紧线轮中利用内线轮、外线轮、弹簧的结构配合提供了预紧力，简化了控制方案。

(5)本发明中在本体上设置检测传感器，该检测传感器例如可以为可检测任意两个骨架之间转角的传感器，从而获得连续体机器人本体末端当前的实际位置，从而通过控制器根据弯曲程度(实际位置)调整所述本体末端的位置，进而实现闭环控制，以获得更高的精度。

(6)本发明中本体、牵引丝、预紧线轮、舵机等组件都集成在固定平台上，结构紧凑。

附图说明

图1是本发明实施例提供的连续体机器人的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的连续体机器人中本体和夹持杆连接的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的连续体机器人中正交轴骨架的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的连续体机器人中平行轴骨架的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的连续体机器人中预紧线轮的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的连续体机器人中内线轮、外线轮和弹簧连接的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的连续体机器人中固定平台的结构示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-连续体机器人本体，2-预紧线轮，3-固定平台，4-舵机，5-夹持杆，6-正交轴骨架，7-平行轴骨架，8-内线轮，9-外线轮，10-弹簧，11-线轮固定片，12-牵引丝夹紧片，13-连续体夹具，14-支撑梁，15-底板；

601-第一凸起转动部，602-第一凹陷连接部，603-第一孔，701-第二凸起转动部，702-第二凹陷连接部，703-第二孔，801-内线轮上的凸起挡块，901-固定孔，902-外线轮上的齿，601a-第一凸起转动部上的圆柱面，602a-第一凹陷连接部上的圆柱面，701a-第二凸起转动部上的圆柱面，702a-第二凹陷连接部上的圆柱面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供一种连续体机器人，包括：本体1、预紧线轮2、固定平台3、舵机4和牵引丝；其中，本体1包括正交轴骨架6和\或平行轴骨架7，相邻两个所述正交轴骨架6的转动轴相互正交，相邻两个所述平行轴骨架7的转动轴相互平行；所述本体1一端固定于固定平台3上，牵引丝穿过本体1将各正交轴骨架6和\或平行轴骨架7连接，并固定于本体1末端；所述牵引丝、预紧线轮2和舵机4依次连接，通过舵机4驱动预紧线轮2转动，拉紧或放松牵引丝，从而带动所述本体1末端到达预设位置。

具体地，所述正交轴骨架6为中空柱状结构，所述正交轴骨架6包括第一凸起转动部601、第一凹陷连接部602和第一孔603，所述第一凸起转动部601和第一凹陷连接部602在柱体上间隔设置，所述第一孔603用于使牵引丝穿过；所述平行轴骨架7为中空柱状结构，所述平行轴骨架7包括第二凸起转动部701、第二凹陷连接部702和第二孔703，所述第二凸起转动部701和第二凹陷连接部702位于柱体上与中心轴平行的同一条直线上，所述第二孔703用于使牵引丝穿过。

所述本体1通过夹持杆5与固定平台3连接，所述夹持杆5为中空柱状结构。

其中，所述第一凸起转动部601、第一凹陷连接部602、第二凸起转动部701和第二凹陷连接部702均为尺寸相配合的圆柱面，以使得任一转动部能够在任一连接部中转动；所述第一凸起转动部601上的圆柱面601a和第一凹陷连接部602上的圆柱面602a所对应的轴相互正交，所述第二凸起转动部701上的圆柱面701a和第二凹陷连接部702上的圆柱面702a所对应的轴相互平行。实现了任意两个骨架之间(平行轴骨架与平行轴骨架、正交轴骨架与正交轴骨架、正交轴骨架与平行轴骨架、平行轴骨架与正交轴骨架)类似转轴的联接简化了运动学模型。相应地，夹持杆5上也设置了与任意转动部尺寸相配合的圆柱面连接部，使得夹持杆5可与所述正交轴骨架6或平行轴骨架7相联接，这样的联接相当于一个非固定铰链，两部件可绕该铰链转轴发生相对转动。

所述本体1的最大弯曲角度为：本体1仅包括平行轴骨架7时的最大弯曲角度﹥本体1包括正交轴骨架6和平行轴骨架7时的最大弯曲角度﹥本体1仅包括正交轴骨架6时的最大弯曲角度。

所述连续体机器人本体1由一个所述夹持杆5与预设数量的所述正交轴骨架6和\或预设数量的所述平行轴骨架7按照预设顺序串接而成，所述正交轴骨架6的数量、所述平行轴骨架7的数量和串接顺序可根据实际不同需求而改变。例如，本实施例中，参见图2，采用了一个夹持杆5和5个正交轴骨架6以及5个平行轴骨架7的组合构成，以形成末端弯曲程度更大的连续体机器人。所述牵引丝穿过所述夹持杆5、所述正交轴骨架6和所述平行轴骨架7所串接组成的所述连续体机器人本体1的线孔，所述牵引丝的一端与所述连续体机器人本体1的末端固定联接，所述牵引丝可通过特定的位移牵引所述连续体机器人本体1，从而使各可转动部件转动特定的角度。

在一种可行的方式中，所述预紧线轮2包括内线轮8、外线轮9、弹簧10、线轮固定片11和牵引丝夹紧片12；所述外线轮9套设于所述内线轮8上，通过圆柱面的配合使所述外线轮9只能与所述内线轮8发生相对转动与轴向位移。所述线轮固定片11用于限制外线轮9与内线轮8之间的轴向位移，从而使所述外线轮9与所述内线轮8之间只能发生相对转动。

参见图6，内线轮8设置在外线轮内，内线轮上的凸起挡块801与外线轮上的齿构成限位，所述弹簧10设于内线轮上的凸起挡块801与所述外线轮上的齿902之间，用于限制二者在预设范围内的相对转动，从而产生预紧力。具体地，通过所述弹簧10的作用，所述内线轮8若与所述外线轮9发生相对转动，所述弹簧10将发生形变，故力会作用在所述内线轮8与所述外线轮9之间，从而产生一定的扭矩，进而产生一定的力作用在牵引丝上，又因为结构限制，相对转动角度是有限的，当转动到极限位置且所述内线轮8与所述外线轮9之间没有限位结构的接触应力时，所述预紧线轮2就产生设定的预紧力了；利用螺钉将所述牵引丝夹紧片12通过固定孔901固定于所述外线轮9上，所述牵引丝夹紧片12用于将牵引丝夹紧于外线轮9上，即所述牵引丝夹紧片12可以牢牢夹住所述牵引丝，使被夹住的所述牵引丝这一端不会与所述外线轮9发生相对移动。从而通过外线轮9的转动拉紧或放松牵引丝。

所述固定平台3包括连续体夹具13、支撑梁14和底板15；所述连续体夹具13固定于所述支撑梁14上，所述支撑梁14设于所述底板15上；连续体夹具13用于夹紧固定所述夹持杆5。固定平台3使得整套装置小巧且结构紧凑。

示例性地，在本实施例中，所述预紧线轮2和舵机4均为4个，分别与4根牵引丝连接，该4根牵引丝分别穿过本体1上均匀分布的孔并固定于本体1末端。

另外，所述连续体机器人还包括控制器，所述控制器用于发送控制指令，所述舵机4接收所述控制指令，带动所述预紧线轮2转动以拉紧或放松所述牵引丝从而使所述本体1末端到达预设位置。所述连续体机器人还包括检测传感器，所述检测传感器设置于本体1上，用于检测所述本体1的弯曲程度，所述控制器还用于根据所述弯曲程度调整所述本体1末端的位置。

综上，本发明的优选实例采用可根据实际情况采用不同骨架结构配置的连续体机器人本体以及控制器和检测传感器的闭环控制，提高了连续体机械臂的灵活性和控制精度；预紧线轮从结构的角度提供了预紧力，简化了控制方案；连续体机器人本体的外径更小，内径更大，能够进入更微小的腔道，内部空间能够通过更多的设备；连续体机器人本体、牵引丝、预紧线轮、舵机等组件都集成在固定平台上，结构小巧紧凑。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种连续体机器人，其特征在于，包括：本体(1)、预紧线轮(2)、固定平台(3)、舵机(4)和牵引丝；

其中，本体(1)包括正交轴骨架(6)和\或平行轴骨架(7)，相邻两个所述正交轴骨架(6)的转动轴相互正交，相邻两个所述平行轴骨架(7)的转动轴相互平行；

所述本体(1)一端固定于固定平台(3)上，牵引丝穿过本体(1)将各正交轴骨架(6)和\或平行轴骨架(7)连接，并固定于本体(1)末端；所述牵引丝、预紧线轮(2)和舵机(4)依次连接，通过舵机(4)驱动预紧线轮(2)转动，拉紧或放松牵引丝，从而带动所述本体(1)末端到达预设位置；

所述预紧线轮(2)包括内线轮(8)、外线轮(9)、弹簧(10)、线轮固定片(11)和牵引丝夹紧片(12)；

所述外线轮(9)套设于所述内线轮(8)上，所述线轮固定片(11)用于限制外线轮(9)与内线轮(8)之间的轴向位移；所述弹簧(10)设于内线轮(8)与所述外线轮(9)之间，用于限制二者在预设范围内的相对转动，从而产生预紧力；

所述牵引丝夹紧片(12)通过固定孔(901)固定于所述外线轮(9)上，所述牵引丝夹紧片(12)用于将牵引丝夹紧于外线轮(9)上，通过外线轮(9)的转动拉紧或放松牵引丝。

2.如权利要求1所述的连续体机器人，其特征在于，所述正交轴骨架(6)为中空柱状结构，所述正交轴骨架(6)包括第一凸起转动部(601)、第一凹陷连接部(602)和第一孔(603)，所述第一凸起转动部(601)和第一凹陷连接部(602)在柱体上间隔设置，所述第一孔(603)用于使牵引丝穿过；

所述平行轴骨架(7)为中空柱状结构，所述平行轴骨架(7)包括第二凸起转动部(701)、第二凹陷连接部(702)和第二孔(703)，所述第二凸起转动部(701)和第二凹陷连接部(702)位于柱体上与中心轴平行的同一条直线上，所述第二孔(703)用于使牵引丝穿过。

3.如权利要求2所述的连续体机器人，其特征在于，所述第一凸起转动部(601)、第一凹陷连接部(602)、第二凸起转动部(701)和第二凹陷连接部(702)均具有尺寸相配合的圆柱面，以使得任一转动部能够在任一连接部中转动；

所述第一凸起转动部(601)上的圆柱面(601a)和第一凹陷连接部(602)上的圆柱面(602a)所对应的轴相互正交，所述第二凸起转动部(701)上的圆柱面(701a)和第二凹陷连接部(702)上的圆柱面(702a)所对应的轴相互平行。

4.如权利要求1所述的连续体机器人，其特征在于，所述本体(1)通过夹持杆(5)与固定平台(3)连接，所述夹持杆(5)为中空柱状结构。

5.如权利要求4所述的连续体机器人，其特征在于，所述固定平台(3)包括连续体夹具(13)、支撑梁(14)和底板(15)；

所述连续体夹具(13)固定于所述支撑梁(14)上，所述支撑梁(14)设于所述底板(15)上；连续体夹具(13)用于夹紧固定所述夹持杆(5)。

6.如权利要求1-4任一项所述的连续体机器人，其特征在于，所述预紧线轮(2)和舵机(4)均为4个，分别与4根牵引丝连接，该4根牵引丝分别穿过本体(1)上均匀分布的孔并固定于本体(1)末端。

7.如权利要求1所述的连续体机器人，其特征在于，所述连续体机器人还包括控制器，所述控制器用于发送控制指令，所述舵机(4)接收所述控制指令，带动所述预紧线轮(2)转动以拉紧或放松所述牵引丝从而使所述本体(1)末端到达预设位置。

8.如权利要求7所述的连续体机器人，其特征在于，所述连续体机器人还包括检测传感器，所述检测传感器设置于本体(1)上，用于检测所述本体(1)的弯曲程度，所述控制器还用于根据所述弯曲程度调整所述本体(1)末端的位置。

Images