一种可轴向旋转的刚度各向异性连续体关节的制作方法

1.本发明涉及连续体机器人技术领域，特别是涉及一种可轴向旋转的刚度各向异性连续体关节。


背景技术：

2.连续体机器人一般由多个连续体关节组成，每个关节包含一根中央脊柱、三或四根平行排列的驱动丝和数量不等的约束盘，通过改变驱动丝长度实现两个自由度的弯曲。连续体机器人由于柔性材料带来的环境自适应特性使得连续体机器人在人机交互等安全性需求高的领域具备独特的优势。但也正是由于柔性特性源自于材料导致连续体机器人的柔性及弹性在设计加工完成后就已经固定，无法根据工作场景进行调整。
3.因此，人们试图进行改进，天津大学的杨铖浩等人发表在theinternational journalofroboticsresearch的论文“geometricconstraint-basedmodelingand analysisofanovelcontinuumrobotwithshapememoryalloyinitiatedvariable stiffness”中设计了一种通过记忆合金弹簧实现刚度变化的方案。通过记忆合金弹簧驱动锁定机构增加驱动丝与约束盘之间的摩擦力从而增加连续体关节的刚度。
4.但是这种方案中的记忆合金是基于高温驱动的材料，使得这一方案的安全性大打折扣，不再具备人机交互领域的优势。此外由于记忆合金的驱动需要时间较长，大大降低了这一系统的实时性，导致这一方案的应用场景大大受限。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种可轴向旋转的刚度各向异性连续体关节，以解决上述现有技术存在的问题，使得连续体机器人可通过运动规划的方式改变机器人的工作刚度，使得同一连续体机器人可以灵活地应对更多的工作场景。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种可轴向旋转的刚度各向异性连续体关节，包括
7.脊柱部分，所述脊柱部分包括第一脊柱和第二脊柱，所述第一脊柱的两端分别固定在第一端面盘和第二端面盘上，所述第二脊柱的两端也分别固定在所述第一端面盘和第二端面盘上，且所述第一脊柱的两端和第二脊柱的两端均周向间隔180
°
设置；以及
8.约束盘，位于所述第一端面盘和第二端面盘之间的所述第一脊柱和第二脊柱上等间距顺次安装有多个所述约束盘，各所述约束盘上开设有用于所述第一脊柱和第二脊柱穿过并连接的预留孔，所述预留孔的位置与所述第一端面盘和第二端面盘上所述第一脊柱和第二脊柱的固定点的位置相对应；以及
9.弯曲驱动丝，两根平行排列的所述弯曲驱动丝的第一端分别固定在所述第二端面盘上且周向位置均与所述第一脊柱和第二脊柱间隔90
°
设置，两根所述弯曲驱动丝的第二端依次穿过各所述约束盘上的过孔并从所述第一端面盘下引出后分别套在两根弯曲驱动丝线管内，所述弯曲驱动丝从弯曲驱动丝线管另一端引出并接入驱动装置；以及
10.基座盘，所述第一端面盘与可旋转绕线轴固连并安装在轴承内圈，轴承外圈安装在基座盘上；以及
11.旋转驱动丝，所述可旋转绕线轴上下分别固定有两根所述旋转驱动丝，且两根所述旋转驱动丝沿所述可旋转绕线轴表面的同向螺旋形线槽缠绕在所述可旋转绕线轴上；两根所述旋转驱动丝分别经过导线滑轮导入两根旋转驱动丝线管内部；两根所述旋转驱动丝分别从所述旋转驱动丝线管另一端引出并接入所述驱动装置。
12.在其中一个实施例中，所述第一脊柱和第二脊柱均采用镍钛合金杆制成。
13.在其中一个实施例中，所述弯曲驱动丝线管一端固定在所述第一端面盘上；所述弯曲驱动丝线管的另一端与所述驱动装置固定在同一基座上。
14.在其中一个实施例中，所述弯曲驱动丝在第一端面盘与第二端面盘的有效长度可通过驱动装置控制，使第一脊柱及第二脊柱弯曲实现连续体关节的一个弯曲自由度。
15.在其中一个实施例中，两根所述旋转驱动丝线管一端固定在所述基座盘上，两根所述旋转驱动丝线管的另一端与所述驱动装置固定在同一基座上。
16.在其中一个实施例中，所述旋转驱动丝在旋转轴上的有效长度可通过驱动装置控制，使旋转轴的角度可以随意调节，进而控制第一脊柱与第二脊柱构成的最大刚度平面方向，实现连续体关节最大刚度方向的可调性。
17.在其中一个实施例中，所述基座盘根据连续体机器人的构型设计需求固定在基座或前一段连续体关节末端。
18.在其中一个实施例中，所述可轴向旋转的刚度各向异性连续体关节的数量为多个，多个所述可轴向旋转的刚度各向异性连续体关节可按任意顺序或方向串联连接。
19.本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
20.本发明中的可轴向旋转的刚度各向异性连续体关节，包括脊柱部分、约束盘、弯曲驱动丝、基座盘和旋转驱动丝，通过两个脊柱的设计实现了在两个脊柱所在平面上有较大刚度的同时在其他方向上的刚度较小，使得连续体机器人可通过运动规划的方式改变机器人的工作刚度，使得同一连续体机器人可以灵活地应对更多的工作场景。通过可旋转绕线轴这一结构实现了旋转基座盘与第一端面盘的旋转自由度，使得上述双脊柱连续体关节的设计在只存在一个弯曲自由度的同时整个连续体关节的可达工作空间没有减少，而且由于弯曲驱动丝与旋转驱动丝没有耦合关系，减少了连续体关节的控制难度。通过弯曲驱动丝线管(旋转驱动丝线管)这一设计，使得弯曲驱动丝的有效长度不受驱动装置与基座盘之间结构的影响，在多连续关节串联情况下无需考虑其他关节的弯曲，大大降低了连续体机器人的控制难度。
附图说明
21.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。
22.图1为本发明中可轴向旋转的刚度各向异性连续体关节的结构示意图；
23.图2为实施例二中多个连续体关节串联的连接示意图；
24.其中，1第一脊柱；2第二脊柱；3基座盘；4第一端面盘；5第二端面盘；6约束盘；7弯曲驱动丝；8轴承；9可旋转绕线轴；10旋转驱动丝；11导线滑轮；12弯曲驱动丝线管；13旋转驱动丝线管；14基座。
具体实施方式
25.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。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。
26.本发明的目的是提供一种可轴向旋转的刚度各向异性连续体关节，以解决上述现有技术存在的问题，使得连续体机器人可通过运动规划的方式改变机器人的工作刚度，使得同一连续体机器人可以灵活地应对更多的工作场景。
27.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
28.实施例一
29.如图1所示，本实施例提供一种可轴向旋转的刚度各向异性连续体关节，包括第一脊柱1、第二脊柱2、基座盘3、第一端面盘4、第二端面盘5、数量不等的约束盘6、两根平行排列的弯曲驱动丝7、轴承8、可旋转绕线轴9、两根旋转驱动丝10、导线滑轮11、两根弯曲驱动丝线管12、两根旋转驱动丝线管13。第一脊柱与1第二脊柱2一端分别间隔周向180
°
固定在第二端面盘5上，第一脊柱1与第二脊柱2的另一端参照其与第二端面盘5的固定方式与第一端面盘4固连，数量不等的约束盘6依次按照一定轴向间距参照第二端面盘5固定在第一脊柱1与第二脊柱2上。
30.两根平行排列的弯曲驱动丝7一端分别固定在第二端面盘5上，且周向位置与第一脊柱1和第二脊柱2的固定位置间隔90
°
，两根弯曲驱动丝7依次穿过各约束盘6上的过孔从第一端面盘4下引出并分别套在两根弯曲驱动丝线管12内，弯曲驱动丝线管12一端固定在第一端面盘4上，且弯曲驱动丝线管12另一端与驱动装置固定在同一基座。弯曲驱动丝7在第一端面盘4与第二端面盘5的有效长度可通过驱动装置控制，使第一脊柱1及第二脊柱2弯曲实现连续体关节的一个弯曲自由度。由于弯曲驱动丝线管12的长度固定，因此即使弯曲驱动丝线管12经过其他任意一类可动机构的内部，也不会影响弯曲驱动丝7在第一端面盘4与第二端面盘5的有效长度；弯曲驱动丝7在第一端面盘4与第二端面盘5的有效长度可通过驱动装置控制，使第一脊柱1及第二脊柱2弯曲实现连续体关节的一个弯曲自由度，且由于双脊柱的设计使得该连续体关节在垂直于此弯曲自由度的方向上存在较大刚度，而在该弯曲自由度所在方向上的刚度较小。
31.第一端面盘4与可旋转绕线轴9固连并安装在轴承8内圈，轴承8外圈安装在基座盘3上，可旋转绕线轴9固定有两根旋转驱动丝10，且两根旋转驱动丝10沿可旋转绕线轴9表面的同向螺旋形线槽缠绕在可旋转绕线轴9上。两根旋转驱动丝10分别经过导线滑轮11导入两根旋转驱动丝线管13内部，两根旋转驱动丝线管13一端固定在基座盘3上，另一端与驱动装置固定在同一基座。旋转驱动丝10分别从旋转驱动丝线管13另一端引出并接入驱动装置，与弯曲驱动丝线管12的结构类似，该结构的设计使得旋转驱动丝10旋绕在可旋转绕线
轴9上的有效长度仅受到驱动装置影响；旋转驱动丝10旋绕在可旋转绕线轴9上的有效长度可通过驱动装置控制实现基座盘3与第一端面盘4及第一端面盘4上安装的其他结构实现一个旋转自由度。
32.基座盘3根据连续体机器人的构型设计需求固定在基座14或前一段连续体关节末端。
33.连续体关节可按任意顺序或方向串联从而实现任意数量的自由度。
34.实施例二
35.如图2所示，本实施例为三个实施例一的串联使用，包括连续体关节一、连续体关节二和连续体关节三，可以实现六个自由度的运动。其中连续体关节二与连续体关节一的连接方式为将两个连续体关节的第二端面盘固连在一起，而连续体关节二与连续体关节三的连接方式为将连续体关节二的基座盘与连续体关节三的第二端面盘连接在一起。由于弯曲驱动丝线管与旋转驱动丝线管的存在无论以任何顺序任何方向的连接方式都可以容易实现而无需计算复杂的运动学模型匹配弯曲驱动丝和旋转驱动丝的由于其他关节的运动造成的长度变化。
36.需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
37.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。