专利名称：仿生蛇嘴机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种仿生机构，特别涉及一种仿生蛇嘴机构，用于对蛇嘴运动模式的研究，并可进一步推广应用于微创手术医疗器械，进行手术清创、活检取样等，属于机器人技术与医疗技术领域。
背景技术：
仿生学是模仿生物建造技术装置的科学，是生物学、数学和工程技术学互相渗透而结合成的一门新兴的边缘科学。近年来仿生学、机器人学、生物解剖学、新型材料和驱动装置的进步促进了仿生蛇技术的发展。目前对蛇的仿生研究主要集中在蛇的无肢运动方面，美国、日本、德国、英国、法国等国家都开展了蛇形机器人的研究工作，并研制出许多样机。日本东京大学的Hirose教授第一个从仿生学的观点研究蛇行机器人，在1972年研制了第一台蛇形机器人样机。蛇嘴能够张大到吞下几倍于自身体积的猎物，通常人嘴只能张大到30度，而蛇嘴却能张大到150度，因此开发一种能够模拟蛇嘴运动的仿生机构具有重要意义，对目前专利技术的检索尚未发现对蛇嘴仿生机构研究的相关资料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有仿生蛇技术领域存在的空白，提供一种仿生蛇嘴机构，其能够逼真模仿蛇嘴的运动姿态，实现大空间范围的张合，达到远程进行多种抓取工作的目的。为实现以上目的，本发明的技术方案中，采用不锈钢作为仿生蛇嘴机构材料，通过连杆机构与滑轮机构相结合来实现对蛇嘴的上下颚张合运动、上颚尖牙运动和下颚前端分离运动的仿生模拟。本发明为解决其技术问题所采取的具体技术方案是一种仿生蛇嘴机构，其包括能够模仿蛇嘴运动的头部框架系统、动力驱动部分和运动转换部分，其中，所述头部框架系统包括上颚闭环铰链机构，为由顶骨、两尖牙杆件、两上颚骨杆件和两方形骨杆件组成的左右两侧结构对称的连杆机构，顶骨两端分别通过连接轴铰接两尖牙杆件和两方形骨杆件，两上颚骨杆件两端分别通过连接轴铰接两尖牙杆件和两方形骨杆件；下颚部件，为由两下颚尾部杆件、两下颚前端杆件和两侧连杆组成的左右两侧结构对称的连杆机构，两下颚尾部杆件通过连接轴分别铰接两方形骨杆件，两下颚前端杆件通过连接轴分别铰接两下颚尾部杆件，并且该连接轴线垂直于两下颚尾部杆件与两方形骨杆件的连接轴线，两下颚前端杆件的前端通过相互铰接的两侧连杆用连接轴进行连接；所述动力驱动部分位于所述仿生蛇嘴机构的远端，其包括动力源和带动头部框架系统运动的若干驱动钢丝；
所述运动转换部分包括钢丝固定部件，包括若干钢丝固定螺钉，其将所述驱动钢丝固定在头部框架系统的杆件表面上；钢丝限位部件，包括限位螺钉和限位槽，限位螺钉拧固在所述下颚尾部杆件的下表面，其头部开设有对驱动钢丝进行限位的通孔，限位槽为等深的平行槽，分布于下颚尾部杆件的同一圆柱表面上；钢丝导向滑轮部件，包括方形骨导向滑轮和下颚导向滑轮，方形骨导向滑轮为滑轮并联结构，设置于所述方形骨杆件与上颚骨杆件的连接轴上，每一滑轮对一驱动钢丝进行导向，下颚导向滑轮设置于所述下颚尾部杆件与下颚前端杆件的连接轴上，其两侧同时对两驱动钢丝进行导向。本发明所述的仿生蛇嘴机构，其头部框架系统和运动转换部分由不锈钢制成，所述驱动钢丝采用直径为0. 5mm的不锈钢钢丝；所述顶骨的长度为60mm ；所述动力源采用电机、人力手柄或其它液压、气动旋转部件；所述方形骨导向滑轮由5个并列布置于连接轴上的滑轮组成，各滑轮之间独立转动且通过套筒隔开，该滑轮内孔通过轴承穿置于所述连接轴上，该连接轴的后端设有止动台肩，前端拧固有锁紧螺母，该滑轮直径为10mm，厚度为 2mm，两侧设有轴承挡圈，该轴承挡圈由厚度为0. 5mm的不锈钢片加工而成，本发明所述的仿生蛇嘴机构采用两组多连杆机构与多组滑轮机构相结合的结构， 实现了蛇嘴的运动模式，机构简单合理，通过钢丝牵引进行运动控制，具有结构简单、重量轻、运动空间大、易于操作等优点，能够适应小型化与远程操作的场合。所述仿生蛇嘴机构利用通过导轮导向与限位螺钉限位的钢丝实现牵引运动，上颚驱动钢丝与下颚驱动钢丝穿过限位螺栓上的导孔与导轮固定在上颚与下颚上，六个驱动电机分别带动仿生蛇嘴的上颚尖牙运动、下颚张开收回运动与下颚前端分离运动；所述的仿生蛇嘴机构左右颚呈对称结构，左右相同部位的驱动钢丝由同一动力源控制，保证运动的协调平稳性。所述仿生蛇嘴机构具有闭合体积小、容量大、简单方便的特点，不仅可用于微创手术医疗器械的开发，进行微创手术清创、活检取样等，而且可实现多种抓取用途，具有广泛的实际应用价值。
图1为本发明的结构示意图。图2为本发明的立体示意图。图3为本发明钢丝牵引方式示意图。图4为本发明方形骨导向滑轮结构示意图。图中，1上颚闭环铰链机构，2方形骨杆件，3下颚部件，4顶骨，5-1、5_2尖牙杆件， 6-1、6-2上颚骨杆件，7-1、7-2下颚尾部杆件，8_1、8_2下颚前端杆件，9_1、9_2侧连杆， 10方形骨导向滑轮，11限位槽，12下颚导向滑轮，13限位螺钉，14钢丝固定螺母，15下颚尾部杆件上表面钢丝固定螺钉，16下颚前端杆件钢丝固定螺钉，17方形骨杆件钢丝固定螺钉，18连接轴，19紧固螺母，20滑轮，21轴承挡圈，22螺钉，23轴承，M套筒，Cl 下颚部件闭合驱动钢丝，C2方形骨杆件张开驱动钢丝，C3下颚部件侧向张开驱动钢丝，C4下颚部件张开驱动钢丝，C5下颚部件侧向收回驱动钢丝，C6方形骨杆件收回驱动钢丝。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。本发明所述的仿生蛇嘴机构包括能够模仿蛇嘴运动模式的头部框架系统、动力驱动部分和运动转换部分。本发明整体结构如图1所示，其立体结构如图2所示。所述仿生蛇头部框架系统包括上颚闭环铰链机构1和下颚部件3。所述上颚闭环铰链机构1为左右两侧结构对称的四连杆摇杆机构，其由顶骨4、对称的两尖牙杆件5-1和 5-2、对称的两上颚骨杆件6-1和6-2及两方形骨杆件2组成。所述顶骨4为一框形构件， 其长度为60mm ；该顶骨4前端的左右两侧通过连接轴分别铰接两尖牙杆件5_1和5_2的一端，其后端的左右两侧通过连接轴分别铰接两方形骨杆件2的一端。所述两上颚骨杆件6-1 和6-2的前端分别通过连接轴铰接两尖牙杆件5-1和5-2的另一端，其后端分别通过连接轴铰接两方形骨杆件2的另一端。从而，顶骨4、两尖牙杆件5-1和5-2、两上颚骨杆件6-1 和6-2及两方形骨杆件2依次首尾衔接构成一闭环的四连杆机构，具体地说，是以顶骨4、两上颚骨杆件6-1和6-2为摇杆的双摇杆机构，其用以模拟蛇的上颚。所述下颚部件3为一两侧结构对称的空间连杆机构，用以模拟蛇的下颚。该下颚部件3由对称的两下颚尾部杆件7-1和7-2、对称的两下颚前端杆件8-1和8-2及对称的两侧连杆9-1和9-2组成。所述两下颚尾部杆件7-1和7-2的后端通过连接轴分别铰接两方形骨杆件2的后端，以实现蛇嘴的张合运动；两下颚前端杆件8-1和8-2的后端通过连接轴分别铰接两下颚尾部杆件7-1和7-2的前端，并且该连接轴的轴线垂直于两下颚尾部杆件7-1和7-2与两方形骨杆件2的连接轴的轴线，以实现两下颚前端杆件8-1和8-2的左右摆动；所述侧连杆9-1和侧连杆9-2通过连接轴相互铰接，并且其两端通过连接轴分别铰接两下颚前端杆件8-1和8-2的前端，从而实现蛇下颚的侧向扩张动作。所述头部框架系统的所有构件由不锈钢制成，其两上颚骨杆件6-1和6-2的后端与模仿蛇体运动的柔性臂连接。所述动力驱动部分为实现所述仿生蛇嘴机构运动的动力驱动源，其位于所述仿生蛇嘴机构的远端，包括动力源和带动头部框架系统运动的若干驱动钢丝。所述动力源可采用电机、人力手柄或其他液压、气动旋转部件，仅需要提供正反转的旋转动力即可，其用以牵动所述驱动钢丝。所述若干驱动钢丝采用直径为0. 5mm的不锈钢钢丝，其通过所述柔性臂中的导孔连接远端的动力源。请参阅图3，所述若干驱动钢丝包括对称相同的左、右两组， 每一组驱动钢丝包括下颚部件闭合驱动钢丝Cl、方形骨杆件张开驱动钢丝C2、下颚部件侧向张开驱动钢丝C3、下颚部件张开驱动钢丝C4、下颚部件侧向收回驱动钢丝C5和方形骨杆件收回驱动钢丝C6。所述运动转换部分由不锈钢制成，其用以实现所述动力驱动部分对所述头部框架系统运动的动力传动和控制，该运动转换部分包括结构对称相同的左、右两部，每一运动转换部分包括钢丝固定部件、钢丝限位部件和钢丝导向滑轮部件，以下以左运动转换部分为例说明其结构，右运动转换部分与左运动转换部分对称相同。所述钢丝固定部件用以将所述驱动钢丝固定在所述头部框架系统的各杆件表面上，其包括若干钢丝固定螺钉下颚尾部杆件上表面钢丝固定螺钉15，设置于所述下颚尾
5部杆件7-1的上表面，并且将所述驱动钢丝Cl固定在下颚尾部杆件7-1的上表面；下颚前端杆件钢丝固定螺钉16，设置于所述下颚前端杆件8-1的下表面，并且将驱动钢丝C3、C5 固定在下颚前端杆件8-1的下表面；方形骨杆件钢丝固定螺钉17，设置于所述方形骨杆件2 的外侧表面，并且将驱动钢丝C2、C6固定在方形骨杆件2的外侧表面。所述钢丝限位部件用以对驱动钢丝进行限位，其包括限位螺钉13和限位槽11。所述限位螺钉13拧固在所述下颚尾部杆件7-1的下表面，其头部开设有对驱动钢丝C3、C5进行限位的通孔，该限位螺钉13通过螺纹连接钢丝固定螺母14，该固定螺母14拧紧且与下颚尾部杆件7-1的下表面贴合，从而将驱动钢丝C4固定在下颚尾部杆件7-1的下表面。所述限位槽11为等深的平行槽，开设于下颚尾部杆件7-1的后部且分布于同一圆柱表面上，其用以对下颚部件侧向张开驱动钢丝C3、下颚部件张开驱动钢丝C4和下颚部件侧向收回驱动钢丝C5进行限位。所述钢丝导向滑轮部件用以对驱动钢丝进行导向，其包括方形骨导向滑轮10和下颚导向滑轮12。所述方形骨导向滑轮10通过轴承设置于所述方形骨杆件2与上颚骨杆件6-1的连接轴18上。该方形骨导向滑轮10的结构如图4所示，其为滑轮并联结构，由5 个结构相同的滑轮20组成，该5个滑轮20平行并列布置于连接轴18上，各滑轮20相互独立转动，并且之间通过套筒M隔开，该5个滑轮20分别对下颚部件闭合驱动钢丝Cl、方形骨杆件张开驱动钢丝C2、下颚部件侧向张开驱动钢丝C3、下颚部件张开驱动钢丝C4和下颚部件侧向收回驱动钢丝C5进行导向，每一滑轮20对一驱动钢丝进行导向。所述滑轮20的直径为10mm，厚度为2mm，该滑轮20的内孔通过轴承23穿置于所述连接轴18上，其两侧设有轴承挡圈21，该轴承挡圈21由厚度为0. 5mm的不锈钢片加工而成，其上开有通孔，通过螺钉22固定在滑轮20的表面以对轴承23进行轴向固定。所述连接轴18的后端设有止动台肩，前端设有螺纹，上面拧固有锁紧螺母19以对滑轮组进行轴向锁紧。所述下颚导向滑轮 12设置于所述下颚尾部杆件7-1与下颚前端杆件8-1的连接轴上，其两侧用以同时对两驱动钢丝C3和C5进行导向。所述驱动钢丝的牵引方式如图3所示。所述下颚部件侧向张开驱动钢丝C3与下颚部件侧向收回驱动钢丝C5通过方形骨导向滑轮10和限位槽11的导向，穿过限位螺钉13 上的限位导孔，分别绕经所述下颚导向滑轮12的两侧，由下颚前端杆件钢丝固定螺钉16固定在下颚前端杆件8-1的下表面上，通过同一动力源的正反转驱动实现下颚部件3的侧向张开与收回运动。所述下颚部件张开驱动钢丝C4通过方形骨导向滑轮10和限位槽11的导向，由限位螺钉13上的钢丝固定螺母14固定在下颚尾部杆件7-1的下表面，通过动力源驱动实现下颚部件3的张开运动。所述下颚部件闭合驱动钢丝Cl通过方形骨导向滑轮10 的导向，由下颚尾部杆件上表面钢丝固定螺钉15固定在下颚尾部杆件7-1的上表面，实现下颚部件3的闭合运动。所述方形骨杆件张开驱动钢丝C2通过方形骨导向滑轮10的导向， 由方形骨杆件钢丝固定螺钉17固定在方形骨杆件2的外侧表面，实现方形骨杆件2的张开运动，带动尖牙杆件5-1的伸出。所述方形骨杆件收回驱动钢丝C6由方形骨杆件钢丝固定螺钉17固定在方形骨杆件2的外侧表面，通过动力源驱动实现方形骨杆件2的收回，带动尖牙杆件5-1的收回运动。通过分析计算对各导向滑轮的位置及半径进行设置，使机构运动以及驱动钢丝受力更加合理。两侧控制同一运动的对应驱动钢丝由同一动力源控制，以保证运动的协调性。
为方便叙述，下面以所述仿生蛇嘴机构的左侧结构作运动过程说明，右侧运动过程与左侧相同。本发明所述仿生蛇嘴机构的运动过程如下所述仿生蛇嘴机构张开时，下颚部件张开驱动钢丝C4拉紧，下颚部件闭合驱动钢丝Cl放松，通过动力源带动下颚部件张开驱动钢丝C4，使仿生嘴张开，上颚与下颚张开夹角最大可达150。，之后方形骨杆件张开驱动钢丝C2拉紧，方形骨杆件收回驱动钢丝C6放松，带动尖牙杆件5-1向外伸出，下颚部件侧向张开驱动钢丝C3拉紧，同时下颚部件侧向收回驱动钢丝C5放松，使下颚部件3实现侧向扩张。所述仿生蛇嘴机构闭合时，下颚部件闭合驱动钢丝Cl拉紧，下颚部件张开驱动钢丝C4放松，下颚部件3收回，下颚部件侧向收回驱动钢丝C5拉紧，下颚部件侧向张开驱动钢丝C3放松，下颚部件3侧向收回，闭合过程中通过方形骨杆件收回驱动钢丝C6拉紧和下颚部件张开驱动钢丝C4放松来使尖牙杆件5-1 收回，将咬合目标带入仿生蛇嘴中。所述的仿生蛇嘴机构两侧为完全对称结构，控制两侧相同运动的驱动钢丝由同一动力源控制。本发明所述仿生蛇嘴机构的外层包覆具有弹性的仿生蛇皮，采用驱动钢丝带动仿生蛇嘴的张开与咬合运动，通过各动力源的协调控制使仿生蛇嘴实现各运动模式，能够模仿蛇类头部的运动。本发明具有结构简单、重量轻、运动空间大、易于操作等优点。所述仿生蛇嘴机构不仅可用于微创手术医疗器械的开发，进行微创手术清创、活检取样等，而且可用于多种工业抓取用途，具有闭合体积小、抓取容量大、简单方便的优点， 具备广泛的实际应用价值。
权利要求
1.一种仿生蛇嘴机构，其特征在于所述机构包括能够模仿蛇嘴运动的头部框架系统、动力驱动部分和运动转换部分，其中，所述头部框架系统包括上颚闭环铰链机构，为由顶骨、两尖牙杆件、两上颚骨杆件和两方形骨杆件组成的左右两侧结构对称的连杆机构，顶骨两端分别通过连接轴铰接两尖牙杆件和两方形骨杆件，两上颚骨杆件两端分别通过连接轴铰接两尖牙杆件和两方形骨杆件；下颚部件，为由两下颚尾部杆件、两下颚前端杆件和两侧连杆组成的左右两侧结构对称的连杆机构，两下颚尾部杆件通过连接轴分别铰接两方形骨杆件，两下颚前端杆件通过连接轴分别铰接两下颚尾部杆件，并且该连接轴线垂直于两下颚尾部杆件与两方形骨杆件的连接轴线，两下颚前端杆件的前端通过相互铰接的两侧连杆用连接轴进行连接；所述动力驱动部分位于所述仿生蛇嘴机构的远端，其包括动力源和带动头部框架系统运动的若干驱动钢丝；所述运动转换部分包括钢丝固定部件，包括若干钢丝固定螺钉，其将所述驱动钢丝固定在头部框架系统的杆件表面上；钢丝限位部件，包括限位螺钉和限位槽，限位螺钉拧固在所述下颚尾部杆件的下表面， 其头部开设有对驱动钢丝进行限位的通孔，限位槽为等深的平行槽，分布于下颚尾部杆件的同一圆柱表面上；钢丝导向滑轮部件，包括方形骨导向滑轮和下颚导向滑轮，方形骨导向滑轮为滑轮并联结构，设置于所述方形骨杆件与上颚骨杆件的连接轴上，每一滑轮对一驱动钢丝进行导向，下颚导向滑轮设置于所述下颚尾部杆件与下颚前端杆件的连接轴上，其两侧同时对两驱动钢丝进行导向。
2.根据权利要求1所述的仿生蛇嘴机构，其特征在于所述方形骨导向滑轮由5个并列布置于连接轴上的滑轮组成，各滑轮之间独立转动且通过套筒隔开。
3.根据权利要求2所述的仿生蛇嘴机构，其特征在于所述滑轮内孔通过轴承穿置于所述连接轴上，该滑轮两侧设有轴承挡圈。
4.根据权利要求3所述的仿生蛇嘴机构，其特征在于所述轴承挡圈由厚度为0.5mm 的不锈钢片加工而成。
5.根据权利要求2所述的仿生蛇嘴机构，其特征在于所述连接轴的后端设有止动台肩，前端拧固有锁紧螺母。
6.根据权利要求2所述的仿生蛇嘴机构，其特征在于所述滑轮直径为10mm，厚度为2mm ο
7.根据权利要求1至6中任一项所述的仿生蛇嘴机构，其特征在于所述头部框架系统和运动转换部分由不锈钢制成，所述驱动钢丝采用直径为0. 5mm的不锈钢钢丝。
8.根据权利要求1中所述的仿生蛇嘴机构，其特征在于所述顶骨的长度为60mm。
9.根据权利要求1中所述的仿生蛇嘴机构，其特征在于所述动力源采用电机、人力手柄或其它液压、气动旋转部件。
全文摘要
一种仿生蛇嘴机构，包括能够模仿蛇类颚部运动的头部框架系统、动力驱动部分和运动转换部分。动力驱动部分的动力源通过驱动钢丝，经过运动转换部分的限位与导向之后，牵引头部框架系统上颚闭环铰链机构和下颚部件运动，实现仿生蛇嘴的张开与咬合。本发明能很好的模仿蛇嘴的运动模式，具有结构简单、运动空间大、易于操作等优点，可用于微创手术器械的开发，能够进行手术清创、活检取样等，并可推广用于多种抓取机械手。
文档编号B25J11/00GK102416622SQ20111026905
公开日2012年4月18日 申请日期2011年9月13日 优先权日2011年9月13日
发明者付庄, 刘子娟, 明志峰, 李想, 费健, 赵言正 申请人:上海交通大学