WO2021196067A1 - 一种具有灵活抓取目标功能的多自由度连续型机器人 - Google Patents
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Abstract
一种具有灵活抓取目标功能的多自由度连续型机器人，包括驱动装置模块（I）、仿象鼻模块、灵巧手指模块（IV），仿象鼻模块由旋转压缩模块（II）、弯曲压缩模块（III）组成；各模块的端部均保留统一的连接接口，根据实际需求进行组合拼装；驱动装置模块（I）安置在机器人的基座上，旋转压缩模块（II）能够同时产生旋转、压缩形式的运动，弯曲压缩模块（III）可以独立地实现模块的压缩变形、弯曲变形，灵巧手指模块（IV）以多手指协同来实现抓取功能。
Description
本发明属于机器人技术领域，尤其是能够在空间进行多自由度运动，实现兼具小尺寸目标的灵活抓取、大尺寸目标的卷曲缠绕功能的连续型机器人，具体为一种具有灵活抓取目标功能的多自由度连续型机器人。
目前，机器人技术的研究趋于成熟，且已经广泛应用于工业生产、航空航天、民生医疗等诸多领域，机器人的应用已经给人类的生产生活带来了极大的便利。然而，市面上使用最多的是传统刚性机器人，如工业机械臂等。这类机器人只有有限的自由度，其变形能力较差，难以完成空间多自由度的卷曲缠绕功能。
相比于传统机器人，基于仿生学所研究的诸多新型机器人应运而生，基于张拉整体理念设计而成的连续型机器人就是其中一类。这种机器人主要依赖杆件、绳索之间的拉压力实现自平衡，通过合理的结构设计能够设计出各种新颖的机器人结构，如张拉整体球形机器人。现今，张拉整体机器人的研究与应用还非常少见，技术相对不成熟。因此，设计一种具有灵活抓捕目标功能的多自由度连续型机器人具有十分重要的意义。
本发明的目的在于设计一种具有多种运动形式且能够针对目标外形尺寸采用不同抓取形式的连续型机器人，包括驱动装置模块 I 、旋转压缩模块 II 、弯曲压缩模块 III 及灵巧手指模块 IV 。以张拉整体思想作为设计理念，仿照 DNA 双螺旋结构设计了兼具旋转、压缩自由度的旋转压缩模块 II 。以张拉整体思想作为设计理念，仿照象鼻肌肉结构，设计了具有卷曲、压缩自由度的弯曲压缩模块 III 。以张拉整体结构作为设计理念，仿照人体手指的结构功能，设计了能够实现对物体进行抓取的灵巧手指模块 IV 。所述的机器人结构具有模块组合的特点，可以针对不同的工作情况合理的组合以实现新的机器人构型。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种具有灵活抓取目标功能的多自由度连续型机器人，所述多自由度张拉整体机器人以张拉整体结构设计理念为依托，其基本结构由多模块组合拼装而成，包括四部分：驱动装置模块I、旋转压缩模块II、弯曲压缩模块III、灵巧手指模块IV。所述的驱动装置模块I与旋转压缩模块II之间通过上联接板2连接，旋转压缩模块II与弯曲压缩模块III之间通过下联接板8连接，弯曲压缩模块III与灵巧手指模块IV之间通过指间联接板21连接。
所述的驱动装置模块I内部集成机器人结构中绳索控制所需要的绕线盘、齿轮组、电机组等元件，电机组作为动力元件，齿轮组作为减速装置，绕线盘安装在电机主轴上实现缠绕绳索功能，将上述元件组合起来用于实现驱动绳索I5、驱动绳索II9、驱动绳索III20的集中控制。
所述的旋转压缩模块II用于实现机器人的周向旋转、轴向收缩功能，包括模块结构、驱动绳索I5、弹性元件I7、上联接板2以及下联接板8。所述的模块结构外形由六条仿照DNA螺旋结构的铰链交错螺旋而成，每条铰链包括两个固定球铰3、三个可动球铰4和四个连接杆6，十二个固定球铰3等分为2组，分别均布在上联接板2、下联接板8上；所述的每条铰链均以固定球铰3作为首、尾，可动球铰4作为中间铰链，各铰链之间通过连接杆6作为连接构件进行串行连接，且每个球铰旁边均设有能够穿线的过线孔。所述模块结构中横向相邻的可动球铰4之间通过弹性元件I7连接，纵向相邻的可动球铰4通过驱动绳索I5连接。所述的模块结构共包含六根沿模块结构均匀分布的驱动绳索，每根驱动绳索I5的一端依次穿过过线孔固定在模块的远端，另一端固定于电机转轴之上。进一步的，每个可动球铰4周边连接2个弹性元件I7、2个连接杆6以及1根驱动绳索5。
所述的弯曲压缩模块III用于实现机器人的卷曲运动、轴线伸缩运动，达到卷曲缠绕大体积目标，包括多层张拉整体单元、层间连杆11、固定螺栓13、旋转铰链14以及驱动绳索II9。所述弯曲压缩模块III外形结构仿照象鼻肌肉的横、纵肌肉，由多层等截面的张拉整体单元串联拼接而成，所述的每层张拉整体单元包括三个平面连杆10、三个弹性元件II12交替连接而成，这六个零件交错排列形成了张拉整体层单元，相邻张拉整体单元层间通过六个层间连杆11连接。所述的层间连杆11两侧安装旋转铰链14，旋转铰链14与平面连杆10之间采用固定螺栓13进行连接。所述的平面连杆10上留有过线孔，弯曲压缩模块III在纵向上通过六根驱动绳索II9穿过各过线小孔进行连接。
所述的灵巧手指模块IV仿照人体手指下粗上细的特点设计而成，包括三个等规格的手指及其指间联接板21，三个手指均布在指间联接板21之上，用于实现针对小体积目标的抓取功能。所述的每根手指分别由靠近指间联接板21的指根与远离指间联接板21的指尖两部分组成。所述的指根分为三层，每层均由两个横向连杆15与两个弹性元件III19交错连接而成，相邻两层之间用四个指根斜向连杆16连接。所述的指尖基本结构与指根结构类似，每层均由两个横向连杆15与两个弹性元件III19交错连接而成，相邻两层之间用四个指尖斜向连杆18连接。所述的指尖与指根之间用两个指根斜向连杆16和两个之间指尖斜向连杆18连接。所述的指根斜向连杆16和指尖斜向连杆18两侧均安装旋转铰链17，横向连杆15与指根斜向连杆16，横向连杆15与指尖斜向连杆18均依靠旋转铰链17连接。所述的横向连杆15两侧均设有过线孔，四根驱动绳索III20分别一端固定在电机上，另一端依次穿过指根和指间的横向连杆15两侧的过线孔，并固定在指尖末端。其中，除弹性元件III19、驱动绳索III20外的零件均视为刚性杆件，这些刚性杆件模拟了手指的骨骼，弹性元件III19模拟了手指的韧带，驱动绳索III20模拟了手指的肌肉。三根同等规格的手指安装在指间连接板上，协同工作以实现对物体的抓取功能。进一步的，所述的固定球铰3、可动球铰4的材质为光敏树脂，经高精度3D打印技术加以制造。
进一步的，所述的连接杆6之间采用具有弹性变形能力的弹性元件I进行连接，具体材料选用弹簧，使结构具有储存弹性势能的能力。
进一步的，所述的平面连杆10不仅起到平面的支撑作用，也是旋转铰链14的一部分。
进一步的，所述的层间连杆11不仅起到层间的连接作用，也是旋转铰链14的另一部分。
进一步的，所述的四个模块之间采用一致的模块接口，使结构可模块化设计、加工及安装。
进一步的，所述的驱动绳索I5、驱动绳索II9、驱动绳索III20的材质为聚乙烯尼龙绳。
进一步的，所述的具有弹性变形能力的弹性元件I7、弹性元件II12、弹性元件III19为弹簧。
本发明的使用过程为：根据实际工作状况，将所述驱动装置模块I、旋转压缩模块II、弯曲压缩模块III以及弯曲压缩模块IV进行组装。通过控制驱动装置模块I分别拉动驱动绳索I5、驱动绳索II9、驱动绳索III20，分别用来调整机器人的偏转角度、弯曲角度、手指开合程度。对目标的捕获可分为以下两种方案：（1）当目标体积较小，采取灵巧手指模块IV仿照人体手指进行抓取。首先，通过拉动驱动绳索I5、驱动绳索II9，调整旋转压缩模块II、弯曲压缩模块III使弯曲压缩模块IV包围目标。然后，拉动驱动绳索III20使弯曲压缩模块IV合拢，实现对小体积目标的抓捕功能。（2）当目标物体较大，采取弯曲压缩模块III仿照象鼻缠绕包裹进行抓取。此时，弯曲压缩模块IV处于随动状态。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
（1）柔顺性高、易于实现小体积目标的灵活抓取、大体积目标的卷曲缠绕。相较于传统机器人结构，本发明以张拉整体结构的设计理念作为新型机器人结构设计的设计指导，充分发挥张拉整体结构的特点，实现机器人兼具弯曲变形、扭转变形的特点。
（2）采用模块化的设计理念，将机器人分为驱动模块、旋转压缩模块、弯曲压缩模块、灵巧手指模块。各模块分工明确，各自实现特定的功能，为加工、制造、维护等工作提供便利。此外，由于模块化的设计，使机器人可以根据不同工况进行重构，以实现不同功能。
（3）张拉整体结构由于较为抽象，故采用静力学模型作为设计指导。此过程不仅能够有效分析结构设计的可行性，更能够为零部件设计提供理论参考。
（4）除驱动模块外均借鉴了张拉整体结构的设计理念，主体结构完全采用绳索、杆件等轻质构件组成，机器人结构呈现轻量化的特点。
图1是本发明的机器人结构模块说明图；
图2是本发明的旋转压缩模块装配图；
图3是本发明的可动球铰的连接图；
图4是本发明的弯曲压缩模块装配图；
图5是本发明的弯曲压缩模块局部图；
图6是本发明的灵巧手指模块装配图；
图7是本发明的灵巧手指装配图；
图8是本发明的旋转压缩模块的运动示意图；
图9是本发明的弯曲压缩模块的运动示意图；
图10是本发明的灵巧手指的运动示意图；
图11是本发明的模块II、模块III交错组合后的一种机器人结构
图中：I驱动装置模块；II旋转压缩模块；III弯曲压缩模块；IV灵巧手指模块；1驱动装置；2上联接板；3固定球铰；4可动球铰；5驱动绳索I；6连接杆；7弹性元件I；8下联接板；9驱动绳索II；10平面连杆；11层间连杆；12弹性元件II；13固定螺栓；14旋转铰链；15横向连杆；16指根斜向连杆；17旋转铰链；18指尖斜向连杆；19弹性元件III；20驱动绳索III；21指间联接板。
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1，一种具有灵活抓取目标功能的多自由度连续型机器人，包括驱动模块I、旋转压缩模块II、弯曲压缩模块III、灵巧手指模块IV。优先选用步进电机作为驱动模块I的驱动装置1；所述的驱动装置模块I与旋转压缩模块II之间通过上联接板2连接，旋转压缩模块II与弯曲压缩模块III之间通过下联接板8连接，弯曲压缩模块III与灵巧手指模块IV之间通过指间联接板21连接。
如图2所示，所述的旋转压缩模块II包括模块结构、驱动绳索I5、弹性元件I7、上联接板2以及下联接板8；所述的模块结构外形由六条仿照DNA螺旋结构的铰链交错螺旋而成，每条铰链包括两个固定球铰3、三个可动球铰4和四个连接杆6，十二个固定球铰3等分为2组，分别均布在上联接板2、下联接板8上；所述的每条铰链均以固定球铰3作为首、尾，可动球铰4作为中间铰链，各铰链之间通过连接杆6作为连接构件进行串行连接，且每个球铰旁边均设有过线孔；所述模块结构中横向相邻的可动球铰4之间通过弹性元件I7连接，纵向相邻的可动球铰4通过驱动绳索I5连接。所述的模块结构共包含六根沿模块结构均匀分布的驱动绳索I5，每根驱动绳索I5的一端依次穿过过线孔固定在模块端部，另一端固定于电机转轴之上。
如图3所示，每个可动球铰4周边连接了2个弹性元件I7、2个连接杆6以及1根驱动绳索5。
如图4、图5所示，所述的弯曲压缩模块III包括多层张拉整体单元、层间连杆11、旋转铰链14以及驱动绳索II9。所述弯曲压缩模块III外形结构仿照象鼻肌肉的横、纵肌肉，由多层等截面的张拉整体单元串联拼接而成，所述的每层张拉整体单元为类环化形，包括三个平面连杆10、三个弹性元件II12交替连接而成，这六个零件交错排列形成张拉整体层单元，相邻张拉整体单元层间通过六个层间连杆11连接；所述的层间连杆11两侧安装旋转铰链14，旋转铰链14与平面连杆10之间通过固定螺栓13连接；所述的平面连杆10上留有过线孔，弯曲压缩模块III在纵向上通过六根驱动绳索II9穿过各过线小孔进行连接。
如图6所示，所述的灵巧手指模块IV由三个等规格的手指及指间联接板21组成，三个手指均布在指间联接板21之上，共同实现了对物体的抓取功能。
如图7所示，所述手指分为指根和指尖两部分。靠近指间联接板21的三层结构为指根，每层均由两个横向连杆15与两个弹性元件III19交错连接而成，相邻两层之间用四个指根斜向连杆16连接。远离指间联接板21的三层结构为指尖，每层均由两个横向连杆15与两个弹性元件III19交错连接而成，相邻两层之间用四个指尖斜向连杆18连接。指尖与指根之间用两个指根斜向连杆16和两个之间指尖斜向连杆18连接。横向连杆15与指根斜向连杆16，横向连杆15与指尖斜向连杆18均采用旋转铰链17连接。其中，横向连杆15两侧均设有过线孔，四根驱动绳索III20分别一端固定在电机上，另一端依次穿过指根和指间的横向连杆15两侧的过线孔，并固定在指尖末端。
如图8所示，图中的II-1虚线部分代表旋转压缩模块II初始的构型；当同时拉动驱动绳索I7时，旋转压缩模块II螺旋变形后如II-2实线部分所示。
如图9所示，图中的III-1虚线部分代表弯曲压缩模块III初始的构型；当差速拉动驱动绳索II12时，弯曲压缩模块III弯曲变形后如III-2实线部分所示。
如图10所示，图中的IV-1虚线部分代表灵巧手指模块IV中单一手指初始的构型；当差速拉动驱动绳索III20时，手指变形后如IV-2实线部分所示。
将图3、图5、图7模块进行装配，能够同时实现图9、图10、图11所示的变形。
如图11所示，本发明还提供一种模块II、模块III交错组合的机器人结构；这种机器人具有更多的自由度，使机器人运动能够更加灵活。
本发明的使用过程为：根据实际工作状况，将所述驱动装置模块I、旋转压缩模块II、弯曲压缩模块III以及弯曲压缩模块IV进行组装。通过控制驱动装置模块I分别拉动驱动绳索I5、驱动绳索II9、驱动绳索III20，分别调整机器人的偏转角度、弯曲角度、手指开合程度。对目标的捕获可分为以下两种方案：（1）当目标体积较小，采取灵巧手指模块IV仿照人体手指进行抓取。首先，通过拉动驱动绳索I5、驱动绳索II9，调整旋转压缩模块II、弯曲压缩模块III使弯曲压缩模块IV包围目标。然后，拉动驱动绳索III20使弯曲压缩模块IV合拢，实现对小体积目标的抓捕功能。（2）当目标物体较大，采取弯曲压缩模块III仿照象鼻缠绕包裹进行抓取。此时，弯曲压缩模块IV处于随动状态。
以上是对本发明的较佳实施进行的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (3)
- 一种具有灵活抓取目标功能的多自由度连续型机器人，其特征在于，所述多自由度张拉整体机器人的基本结构由多模块组合拼装而成，包括四部分：驱动装置模块I、旋转压缩模块II、弯曲压缩模块III、灵巧手指模块IV；所述的驱动装置模块I与旋转压缩模块II之间通过上联接板2连接，旋转压缩模块II与弯曲压缩模块III之间通过下联接板8连接，弯曲压缩模块III与灵巧手指模块IV之间通过指间联接板21连接；所述的驱动装置模块I内部集成绳索控制所需要的绕线盘、齿轮组、电机组，用于实现驱动绳索I5、驱动绳索II9、驱动绳索III20的集中控制；所述的旋转压缩模块II用于实现机器人的周向旋转、轴向收缩功能，包括模块结构、驱动绳索I5、弹性元件I7、上联接板2以及下联接板8；所述的模块结构外形由六条仿照DNA螺旋结构的铰链交错螺旋而成，每条铰链包括两个固定球铰3、三个可动球铰4和四个连接杆6，十二个固定球铰3等分为2组，分别均布在上联接板2、下联接板8上；所述的每条铰链均以固定球铰3作为首、尾，可动球铰4作为中间铰链，各铰链之间通过连接杆6作为连接构件进行串行连接，且每个球铰旁边均设有过线孔；所述模块结构中横向相邻的可动球铰4之间通过弹性元件I7连接，纵向相邻的可动球铰4通过驱动绳索I5连接；所述的模块结构共包含六根沿模块结构均匀分布的驱动绳索I5，每根驱动绳索I5的一端依次穿过过线孔固定在模块端部，另一端固定于电机转轴之上；所述的弯曲压缩模块III用于实现机器人的卷曲运动、轴线伸缩运动，用于实现卷曲缠绕大体积目标的功能，包括多层张拉整体单元、层间连杆11、旋转铰链14以及驱动绳索II9；所述弯曲压缩模块III外形结构仿照象鼻肌肉的横、纵肌肉，由多层等截面的张拉整体单元串联拼接而成，所述的每层张拉整体单元包括三个平面连杆10、三个弹性元件II12交替连接而成，这六个零件交错排列形成张拉整体层单元，相邻张拉整体单元层间通过六个层间连杆11连接；所述的层间连杆11两侧安装旋转铰链14，旋转铰链14与平面连杆10之间通过固定螺栓13连接；所述的平面连杆10上留有过线孔，弯曲压缩模块III在纵向上通过六根驱动绳索II9穿过各过线小孔进行连接；所述的灵巧手指模块IV仿照人体手指下粗上细的特点设计而成，包括三个等规格的手指及指间联接板21，三个手指均布在指间联接板21之上，用于实现针对小体积目标的抓取功能；所述的每根手指包括指根与指尖两部分；所述的指根分为三层，每层均由两个横向连杆15与两个弹性元件III19交错连接而成，相邻两层之间通过指根斜向连杆16连接；所述的指尖基本结构与指根结构类似，每层均由两个横向连杆15与两个弹性元件III19交错连接而成，相邻两层之间通过指尖斜向连杆18连接；所述的指尖与指根之间通过指根斜向连杆16和两个之间指尖斜向连杆18连接；所述的指根斜向连杆16和指尖斜向连杆18两侧均安装旋转铰链17；横向连杆15与指根斜向连杆16，横向连杆15与指尖斜向连杆18均通过旋转铰链17连接；所述的横向连杆15两侧均设有过线孔，四根驱动绳索III20分别一端固定在电机上，另一端依次穿过指根和指间的横向连杆15两侧的过线孔，并固定在指尖末端。
- 根据权利要求1所述的一种具有灵活抓取目标功能的多自由度连续型机器人，其特征在于，所述的连接杆6之间采用具有弹性变形能力的弹性元件I7连接。
- 根据权利要求1所述的一种具有灵活抓取目标功能的多自由度连续型机器人，其特征在于，所述的驱动绳索I5、驱动绳索II9、驱动绳索III20的材质为聚乙烯尼龙绳。
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