CN112873190A - 一种多段绳索驱动的连续型张拉整体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多段绳索驱动的连续型张拉整体机器人，包括基座；多个基本单元，所述基本单元的中心均设有弹性连接件，并与所述基本单元弹性连接；多个连接机构；以及三个前后排列的驱动机构；所述驱动机构包括多个绳索和多个驱动所述绳索运动的驱动单元，所述绳索的前端与所述驱动单元连接。本发明设计了一款将伸缩、弯曲、扭转三种变形方式集成于一体的、具有灵活运动能力的一种多段绳索驱动的连续型张拉整体机器人。本发明所设计的机器人本体结构简单灵巧，具有良好的可重构性。以基本单元、连接机构、基座为基础，由弹簧与绳索相互连接形成机器人的本体结构，易于装配的同时降低动力学分析的建模难度，模型准确性高，可达到更好的控制效果。

Description

一种多段绳索驱动的连续型张拉整体机器人

技术领域

本发明涉及多自由度机器人技术领域，具体而言是实现大尺寸目标物缠绕抓取的连续型机器人，尤其涉及一种多段绳索驱动的连续型张拉整体机器人。

背景技术

近年来连续型机器人成为机器人领域的研究热点，具有非常广泛的应用，如医疗、检测、航空航天等。相比于传统的刚性机器人，连续型机器人具有更多的自由度，可以实现灵活的运动，对不同作业环境的适应能力更强，除了末端可以安装执行器完成操作外，机器人本体可以代替执行器的功能，完成抓取、缠绕等大变形动作。

张拉整体结构是由受压的构件与受拉构件而组成，张拉整体结构中的受拉构件与受压构件相结合不仅可以作为驱动对机器人的位姿进行控制，同时也可作为执行器实现对目标物进行缠绕抓取的功能。应用张拉整体结构的连续型机器人更是拥有重量轻、能耗低、根据施加给受拉构件的预应力大小不同可实现变刚度的特点。

目前张拉整体结构在机器人领域的应用大多集中在球形机器人中，近年来在串联式的连续型机器人应用领域逐渐受到了重视。但是串联式张拉整体机器人的研究与应用仍然非常少见，其技术相对不成熟，尤其在其运动的灵活性方面还有待加强。所以拥有灵活运动能力与多种变形方式的多段驱动的连续型张拉整体机器人具有重要的研究意义。

发明内容

为了实现通过缠绕方式抓取物体的绳驱连续型机器人、与提高张拉整体结构机器人的运动灵活性，本发明设计了一款将伸缩、弯曲、扭转三种变形方式集成于一体的、具有灵活运动能力的一种多段绳索驱动的连续型张拉整体机器人。

本发明采用的技术手段如下：

一种多段绳索驱动的连续型张拉整体机器人，包括：

基座；

多个基本单元，呈圆环形，位于所述基座的后部，且多个所述基本单元前后同轴排列；除了最后一个所述基本单元外，其余所有所述基本单元的中心均设有弹性连接件，并与所述基本单元弹性连接；

多个连接机构，最前端的所述连接机构位于所述基座与位于前部的第一个所述弹性连接件之间，并连接所述基座与位于前部的第一个所述弹性连接件，其余的所述连接机构分别位于相临两个所述基本单元之间，且所述连接机构的前端与位于其前部的所述基本单元中的所述弹性连接件连接，后端与位于其后部的所述基本单元的外壁连接；以及

三个前后排列的驱动机构，前端的所述驱动机构安装在所述基座的前表面，中间的所述驱动机构安装在多个所述基本单元中位于前侧的其中一个基本单元上，后部的所述驱动机构安装在多个所述基本单元中位于后侧的其中一个基本单元上；

所述驱动机构包括多个绳索和多个驱动所述绳索运动的驱动单元，所述绳索的前端与所述驱动单元连接；

前端的所述驱动机构的所述绳索的后端穿过所述基座和多个所述基本单元后，与靠近中间的所述驱动机构的基本单元固定连接；

中间的所述驱动机构的所述绳索的后端穿过多个所述基本单元后，与靠近后部的所述驱动机构的基本单元固定连接；

后部的所述驱动机构的所述绳索的后端穿过多个所述基本单元后，与后端的所述基本单元固定连接。

进一步地，所述弹性连接件呈三角形，且其每个角处均加工有弹簧安装槽Ⅰ，所述基本单元的内壁与所述弹簧安装槽Ⅰ相对应的部分加工有弹簧安装槽Ⅱ，弹簧的两端分别穿入所述弹簧安装槽Ⅰ和所述弹簧安装槽Ⅱ中，并通过螺栓固定。

进一步地，所述连接机构为三个倾斜设置的连杆。

进一步地，所述驱动单元包括安装在所述基座或所述基本单元上的驱动电机支座、安装在所述驱动电机支座上的驱动电机、通过轴盖和键安装在所述驱动电机输出端上的收线盘和安装在所述基座或所述基本单元上的变向滑轮，所述绳索的前端通过所述变向滑轮后与所述收线盘连接。

进一步地，所述绳索呈直线穿过多个所述基本单元，且同一个驱动机构中的多个所述绳索的轴线与所述基本单元的轴线平行，相临两个驱动机构中相对应的两个绳索同轴。

或者，所述绳索呈折线穿过多个所述基本单元，所述绳索的轴线与所述基本单元轴线相交。

通过改变绳索的长度可以实现弯曲与伸缩的变形。如三组绳索的驱动长度不同时，机器人实现弯曲变形的运动方式，当三组绳索的驱动长度相同时，可以实现机器人的伸缩变形的运动方式。改变穿绳的方式，将垂直串线改为斜向的穿插穿线后，再次改变驱动绳索的长度可以实现机器人的弯曲、伸缩、扭转变形的运动方式。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明所设计的机器人本体结构简单灵巧，具有良好的可重构性。以基本单元、连接机构、基座为基础，经过弹簧与绳索连接形成机器人的本体结构，易于装配的同时降低动力学分析的建模难度，模型准确性高，可达到更好的控制效果。相比于传统的连续型机器人，例如充气式机器人，本体损坏难以修复。而本发明所设计的机器人部件可灵活组装，部件内部零件的损坏亦可更换修复。

2、本发明所设计的机器人十分轻质，具有较高的材料利用率。由于张拉整体结构仅由质量小的受拉构件与受压构件组成，在机器人体积相同的情况下，刚体的占比大大减少，故与传统的刚体机器人相比具有轻量化的优势。

3、本发明所设计的机器人具有可变刚度特性。通过改变驱动绳索的拉力，可实现变刚度特性，那么在末端负重不同的情况下，仍可保持同样的构型。在此特性下机器人可以自适应地提起重物，降低功耗。

4、本发明所设计的机器人同时具备弯曲、伸缩与扭转三种变形能力。轴向伸缩运动可减少机器人在非工作状态的占用空间，运用多节驱动的方式，增加了机器人的灵活性与可达工作空间。多种运动方式相互组合扩展了机器人可实现的工作任务。

5、本发明所设计的机器人可扩展性强。在机器人本体可以缠绕抓取作为执行器的情况下，其末端还可以添加传统的末端执行器，实现与机器人本体协同工作的功能。同时可以通过不同数目亦或是不同大小的基本单元之间的组合，实现不同的运动效果，从而完成不同的工作任务。

基于上述理由本发明可在机器人等领域广泛推广。

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施方式中一种多段绳索驱动的连续型张拉整体机器人结构示意图(绳索直线穿过)。

图2为本发明具体实施方式中不安装驱动机构的基本单元和安装有驱动机构的基本单元的对比图(左侧为不安装驱动机构，右侧为安装驱动机构)。

图3为本发明具体实施方式中驱动单元结构示意图。

图4为本发明具体实施方式中弹性连接件结构示意图。

图5为本发明具体实施方式中绳索折线穿过绳索走向图。

图6是本发明单驱动弯曲变形方案仿真示意图。

图7是本发明单驱动伸缩变形方案仿真示意图。

图8是本发明单驱动扭转变形方案仿真示意图。

图9是本发明三驱动共同施加方案仿真示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1～9所示，一种多段绳索驱动的连续型张拉整体机器人，包括：

基座1；

多个基本单元2，呈圆环形，位于所述基座1的后部，且多个所述基本单元2前后同轴排列；除了最后一个所述基本单元2外，其余所有所述基本单元2的中心均设有弹性连接件3，并与所述基本单元2弹性连接；

多个连接机构4，最前端的所述连接机4构位于所述基座1与位于前部的第一个所述弹性连接件3之间，并连接所述基座1与位于前部的第一个所述弹性连接件3，其余的所述连接机构4分别位于相临两个所述基本单元2之间，且所述连接机构4的前端与位于其前部的所述基本单元2中的所述弹性连接件3连接，后端与位于其后部的所述基本单元2的侧壁连接；以及

三个前后排列的驱动机构5，前端的所述驱动机构5安装在所述基座1的前表面，中间的所述驱动机构5安装在多个所述基本单元2中位于前侧的其中一个基本单元2上，后部的所述驱动机构5安装在多个所述基本单元2中位于后侧的其中一个基本单元2上；

所述驱动机构5包括三个绳索6和三个驱动所述绳索运动的驱动单元7，所述绳索6的前端与所述驱动单元7连接；

前端的所述驱动机构5的所述绳索6的后端穿过所述基座1和多个所述基本单元2后，与靠近中间的所述驱动机构5的基本单元2固定连接；

中间的所述驱动机构5的所述绳索6的后端穿过多个所述基本单元2后，与靠近后部的所述驱动机构5的基本单元2固定连接；安装有驱动机构5的基本单元2的结构与其他基本单元2相比仅仅多出了一块供驱动机构安装的板而已，如图2所示。

后部的所述驱动机构5的所述绳索6的后端穿过多个所述基本单元2后，与后端的所述基本单元2固定连接。

所述弹性连接件3呈三角形，且其每个角处均加工有弹簧安装槽Ⅰ，所述基本单元2的内壁与所述弹簧安装槽Ⅰ相对应的部分加工有弹簧安装槽Ⅱ，弹簧31的两端分别穿入所述弹簧安装槽Ⅰ和所述弹簧安装槽Ⅱ中，并通过螺栓32固定。

所述连接机构4为三根倾斜设置的连杆。

所述驱动单元7包括安装在所述基座1或所述基本单元2上的驱动电机支座71、安装在所述驱动电机支座71上的驱动电机72、通过轴盖73和键安装在所述驱动电机72输出端上的收线盘74和通过滑轮支架76安装在所述基座1或所述基本单元2上的变向滑轮75，所述绳索6的前端通过所述变向滑轮75后与所述收线盘74连接。

所述绳索6采用聚乙烯尼龙绳等材料制成。

所述基本单元2采用3D打印光敏树脂或轻质的合金材料制成。

如图1所示，所述绳索6呈直线穿过多个所述基本单元2，且同一个驱动机构5中的多个所述绳索6的轴线与所述基本单元2的轴线平行，相临两个驱动机构5中相对应的两个绳索6同轴。

本实施例中还公开了另外一种绳索6的连接方式，为实现扭转运动而设置的交叉引线，如图5所示，所述绳索6呈折线穿过多个所述基本单元2，所述绳索6的轴线与所述基本单元2的轴线相交。如图5中，A、B、C分别为三根绳索6的编号，三根绳索6的走向分别为：A-A1-A2-A3-A4，B-B1-B2-B3-B4，C-C1-C2-C3-C4。通过不同的接线组合可以实现不同的运动姿态。

如图6所示，为本发明单根绳索驱动弯曲变形示意图。

如图7所示，为本发明的轴向伸缩示意图。运动形式是驱动机构5同时驱动三根绳索6，绳索6驱动长度相同时，机器人从原状态进行轴向运动的示意图。

如图8所示，为本发明的扭转示意图。在图5交叉串线的情况下，3根绳索6同时驱动相同的长度。(a)为原状态与扭转状态的对比，机器人从A点经扭转运动后到达B点。(b)和(c)分别为扭转到B点后的轴侧图与俯视图。

如图9所示，为本发明多段驱动示意图。9组驱动同时驱动9根绳索6，机器人各段之间独立弯曲的运动示意图，可以看出多段驱动的情况下机器人具有更高的灵活性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种多段绳索驱动的连续型张拉整体机器人，其特征在于，包括：

基座；

多个基本单元，呈圆环形，位于所述基座的后部，且多个所述基本单元前后同轴排列；除了最后一个所述基本单元外，其余所有所述基本单元的中心均设有弹性连接件，并与所述基本单元弹性连接；

多个连接机构，最前端的所述连接机构位于所述基座与位于前部的第一个所述弹性连接件之间，并连接所述基座与位于前部的第一个所述弹性连接件，其余的所述连接机构分别位于相临两个所述基本单元之间，且所述连接机构的前端与位于其前部的所述基本单元中的所述弹性连接件连接，后端与位于其后部的所述基本单元的外壁连接；以及

三个前后排列的驱动机构，前端的所述驱动机构安装在所述基座的前表面，中间的所述驱动机构安装在多个所述基本单元中位于前侧的其中一个基本单元上，后部的所述驱动机构安装在多个所述基本单元中位于后侧的其中一个基本单元上；

所述驱动机构包括多个绳索和多个驱动所述绳索运动的驱动单元，所述绳索的前端与所述驱动单元连接；

前端的所述驱动机构的所述绳索的后端穿过所述基座和多个所述基本单元后，与靠近中间的所述驱动机构的基本单元固定连接；

中间的所述驱动机构的所述绳索的后端穿过多个所述基本单元后，与靠近后部的所述驱动机构的基本单元固定连接；

后部的所述驱动机构的所述绳索的后端穿过多个所述基本单元后，与后端的所述基本单元固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种多段绳索驱动的连续型张拉整体机器人，其特征在于，所述弹性连接件呈三角形，且其每个角处均加工有弹簧安装槽Ⅰ，所述基本单元的内壁与所述弹簧安装槽Ⅰ相对应的部分加工有弹簧安装槽Ⅱ，弹簧的两端分别穿入所述弹簧安装槽Ⅰ和所述弹簧安装槽Ⅱ中，并通过螺栓固定。

3.根据权利要求2所述的一种多段绳索驱动的连续型张拉整体机器人，其特征在于，所述连接机构为三根倾斜设置的连杆。

4.根据权利要求2所述的一种多段绳索驱动的连续型张拉整体机器人，其特征在于，所述驱动单元包括安装在所述基座或所述基本单元上的驱动电机支座、安装在所述驱动电机支座上的驱动电机、安装在所述驱动电机输出端上的收线盘和安装在所述基座或所述基本单元上的变向滑轮，所述绳索的前端通过所述变向滑轮后与所述收线盘连接。

5.根据权利要求1所述的一种多段绳索驱动的连续型张拉整体机器人，其特征在于，所述绳索呈直线穿过多个所述基本单元，且同一个驱动机构中的多个所述绳索的轴线与所述基本单元的轴线平行，相临两个驱动机构中相对应的两个绳索同轴。

6.根据权利要求1所述的一种多段绳索驱动的连续型张拉整体机器人，其特征在于，所述绳索呈折线穿过多个所述基本单元，所述绳索的轴线与所述基本单元的轴线相交。

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