CN115709472A - 连续型机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续型机器人；解决现有大多数连续型机器人没有较好的综合性能以及气动驱动的连续型机器人控制难度大，且抗扭能力也比较有限的问题；包括驱动装置、M个连续型本体以及与M个连续型本体一一对应的M组连接绳组，其中M≥1；M个连续型本体依次连接形成连续型结构，连续型结构下端安装在驱动装置上，连续型结构上端用于与外部负载连接；每个连续型本体沿其周向设置有I组上下贯通的走线孔组，每组包括Q个走线孔；每组连接绳组中连接绳的数量与每组走线孔组中走线孔的数量相同，每组连接绳组均一端安装在对应连续型本体的上端，另一端穿过位于其下方的每一个连续型本体的对应一组走线孔组后与驱动装置连接。

Description

连续型机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，具体涉及一种连续型机器人。

背景技术

机器人在工业、军事、医疗、生活等多方面得到了广泛的应用，已经成为人类文明发展中不可缺少的重要组成部分。目前，很多机器人都是采用离散的刚性连杆做为本体，并通过离散的运动副进行连接，由于受刚性连杆本身尺寸的影响，机器人运动过程对空间要求较大。

因此，为了满足更复杂且狭小的使用环境，需要一种可以根据环境进行变形且具有一定柔性的连续型机器人，从根本上消除了刚性连杆对机器人应用的局限性。

但是，大多数连续型机器人较难将本体伸缩(非进给)、高精度运动、轻质、低成本、抗扭、中空等多项功能和特点融合在一起，导致很多连续型机器人只能在部分性能上取得突出表现，难以得到较好的综合性能；如采用镍钛合金杆作为脊柱杆的连续型机器人不具有本体伸缩功能；采用涡卷弹簧又容易受载荷的作用而变形，其抗扭能力较差；并且气动驱动的连续型机器人控制难度大，且抗扭能力也比较有限。

发明内容

本发明的目的是解决现有大多数连续型机器人没有较好的综合性能以及气动驱动的连续型机器人控制难度大，且抗扭能力也比较有限的问题，而提供了连续型机器人。

本发明所采用的技术方案是：

一种连续型机器人，其特殊之处在于：

包括驱动装置、M个连续型本体以及与M个连续型本体一一对应的M组连接绳组，其中M≥1；

所述连续型本体为波形弹簧，M个波形弹簧依次设置，且相邻两个波形弹簧之间，通过波谷和波峰相互连接形成连续型结构；

或者所述连续型本体为上下贯通的空心弹性管，所述空心弹性管的侧壁沿周向设置有N列镂空网格，每一列均匀设置有A个镂空网格，M个空心弹性管依次对应连接形成连续型结构，其中N≥2，A≥2；

所述连续型结构下端安装在所述驱动装置上，连续型结构上端用于与外部负载连接；

每个所述连续型本体沿其周向设置有I组上下贯通的走线孔组，每组包括沿周向均匀分布的Q个走线孔；其中，I的值与对应连续型本体位于连续型结构的次序i相同，所述次序自上而下计数，1≤i≤M，Q≥3；

每组连接绳组中连接绳的数量与每组走线孔组中走线孔的数量相同，每组连接绳组均一端安装在对应连续型本体的上端，另一端穿过位于其下方的每一个连续型本体的对应一组走线孔组后与驱动装置连接，所述驱动装置用于驱动连接绳收放，通过设置的具有镂空网格的连续型本体，使得连续型机器人具有伸缩、盘旋和各向弯曲的运动特点，任务执行时，可以在机器人末端的连续型本体上安装相应的执行器(如手抓)、相机等工具，也可以利用机器人本身具有的运动特性来完成相应工作。

进一步地，位于其上方的连续型本体上走线孔的位置与位于下方且与其相邻的连续型本体上其中(I-1)组走线孔的位置相同，保证位置相同，是为了保证连接绳收放的顺畅。

进一步地，所述Q＝3，3个走线孔，且连续型本体周向均匀分布，既可以保证连续型本体的受力，又不需要多的走线孔。

进一步地，所述驱动装置包括安装壳、与连接绳数量相同的电机以及同轴安装在每一个电机输出轴上的绕绳轴；

所述电机设置在安装壳内；

所述连接绳的另一端穿过安装壳后绕设且固定在绕绳轴上。

进一步地，为了提高连续型机器人运行的稳定性，减小所占空间，所述电机输出轴的轴线竖直设置；

所述驱动装置还包括与绕绳轴一一对应的转向轴；

所述转向轴安装在所述安装壳内部，且转向轴的轴线水平设置；

所述连接绳另一端穿过安装壳在转向轴上缠绕后绕设且固定在绕绳轴上。

进一步地，所述连续型本体通过3D打印进行增材制造形成。

进一步地，为了提高连续性本体的伸缩性能，所述镂空网格为菱形镂空网格或椭圆形镂空网格，菱形镂空网格或椭圆形镂空网格的短轴与连续型本体的轴线平行。

进一步地，为了提高机器人的负载能力，所述连续型结构内部设置有气囊。

进一步地，为了满足医疗领域的卫生安全要求，所述连续型结构外部套设有套管。

进一步地，为了方便两个波形弹簧的连接，所述波形弹簧两端均安装有连接平面环，上下相邻的两个连接平面环焊接。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出连续型机器人，相较于现有连续型机器人而言，通过设置自带镂空网格的波形弹簧做为连续型本体，或者开设镂空网格的空心弹性管做为连续型本体，使得连续型机器人具有伸缩、盘旋和各向弯曲的运动特点，任务执行时，可以在机器人末端的连续型本体上安装相应的执行器(如手抓)、相机等工具，也可以利用机器人本身具有的运动特性来完成相应工作。

2、本发明提出连续型机器人，采用连接绳控制连续型机器人，较气动驱动的连续型机器人，不仅控制难度降低，而且抗扭能力也得到了提升。

3、本发明提出连续型机器人，通过进行叠加式的设置走线孔，即连续型本体沿其周向均匀设置有I*Q个贯通的走线孔，使得每一条连接绳都会穿过其下方的每一个连续型本体的其中一个走线孔，既可以通过连接在每个连续型本体上连接绳实现连续型本体的独立控制，又可以通过连接绳依次穿过位于其下方的连续型本体的过线孔，实现M个连续型本体的共同控制。

4、本发明提出连续型机器人，其结构简单，弯曲和伸缩性较好，抗扭能力较高。

5、本发明提出连续型机器人，通过设置的转向轴用来改变绕设在绕绳轴上的连接绳的驱动方向，可以避免连接绳受到绕绳轴的干涉，提高连续型机器人运行的稳定性。

6、本发明提出连续型机器人，通过将镂空网格设置为菱形或椭圆形，并且菱形镂空网格或椭圆形镂空网格的短轴与连续型本体的轴线平行，可以得到更强的抗扭性能。

7、本发明提出连续型机器人，通过在连续型结构内部设置气囊，从而提高其负载能力，可以在内部穿光纤束、电线和传感器等器件，或者采用环形气囊，环形气囊的内部也可以穿光纤束、电线和传感器等器件。

8、本发明提出连续型机器人，在连续型结构外部套设有套管，可以提高整个装置的安全性，尤其适用于医疗领域。

附图说明

图1(a)是本发明实施例中两个镂空网格形式的连续型本体正视图；

图1(b)是本发明实施例中两个镂空网格形式的连续型本体的立体结构示意图；

图1(c)是本发明实施例中两个镂空网格形式的连续型本体中的两个波形弹性片同点焊接的结构示意图；

图2(a)是本发明实施例中三个镂空网格形式的连续型本体正视图；

图2(b)是本发明实施例中三个镂空网格形式的连续型本体立体的结构示意图；

图2(c)是本发明实施例中三个镂空网格形式的连续型本体中的两个波形弹性片同点焊接的结构示意图；

图3(a)是本发明实施例中四个镂空网格形式的连续型本体正视图；

图3(b)是本发明实施例中四个镂空网格形式的连续型本体的立体结构示意图；

图3(c)是本发明实施例中四个镂空网格形式的连续型本体的两个波形弹性片同点焊接的结构示意图；

图4(a)是本发明实施例中单个连续型本体结构示意图；

图4(b)是本发明实施例中两个连续型本体串联结构示意图；

图4(c)是本发明实施例中三个连续型本体串联结构示意图；

图5是本发明实施例的驱动装置结构示意图(隐藏安装壳)；

图6是本发明实施例的整体结构示意图；

图7是本发明实施例的连续型结构示意图。

图中，1、连续型结构；11、连续型本体；111、波形弹性片；2、连接绳；3、驱动装置；31、安装壳；32、电机；33、绕绳轴；34、转向轴；4、走线孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提出连续型机器人，如图5与图6所示，包括驱动装置3、连续型结构1以及连接绳2；

各部件的作用如下：

连续型结构1用于实现伸缩、盘旋和各向弯曲变换；连接绳2的目的在于控制连续型结构1进行伸缩、盘旋和各向弯曲变换；驱动装置3一是为连续型结构1提供支承，二是为连接绳2提供动力，控制连接绳2收放。

各部件的连接结构如下：

连续型结构1由三个连续型本体11串联而成，连续型本体11可以由开口波形弹簧以及安装在开口波形弹簧两端的连接平面环组成，开口波形弹簧上的每层的镂空网格数量以及设置多少层的镂空网格根据实际需求设置；

也可以是上下贯通、侧壁沿周向设置有N列镂空网格，每一列遍布有A个镂空网格的空心弹性管，即空心弹性管为镂空网状结构，其中N≥2，A≥2；每个镂空网格可以变形，每个连续型本体11上的镂空网格的数量可以相同，也可以不同，根据实际需求设定即可。

最上端的连续型本体11沿其周向开设有一组上下贯通的走线孔组，一组走线孔组包括三个走线孔4，中间的连续型本体11开设有两组上下贯通的走线孔组，即六个上下贯通的走线孔4，最下端的连续型本体11开设有三组上下贯通的走线孔组，即九个上下贯通的走线孔4，其中，每组走线孔4之间的间隔距离根据需求或者加工难度确定。

最下方的连续型本体11上其中两组走线孔组的位置和中间的连续型本体11上走线孔组的位置相同，中间的连续型本体11上其中一组走线孔组的位置和最上端连续型本体11上走线孔组的位置相同。

驱动装置3包括安装壳31、九个转向轴34、九个电机32以及九个绕绳轴33，电机32、转向轴34、绕绳轴33一一对应；安装壳31空心设置，且内部水平设置有安装板，电机32安装在安装板的下端，电机32的输出轴穿过安装板与位于安装板上方的绕绳轴33同轴连接，转向轴34安装在安装板上，且位于绕绳轴33一侧，绕绳轴33的轴线竖直设置，转向轴34的轴线水平设置；

采用电机32输出轴竖直设置的方式较采用电机32输出轴水平设置，所需要的空间小，结构更为紧凑，可以应用于连续型本体11径向尺寸较小的机器人。

连续型结构1的下端安装在安装壳31上端，连续型结构1的上端用于连接外部负载。

连接绳2有九根，连接绳2与电机32、转向轴34、绕绳轴33、走线孔4一一对应；其中三根一端分别固定在三个绕绳轴33上，然后经绕绳轴33、转向轴34绕设后，穿出安装壳31，并依次穿过三个连续型本体11的其中一组走线孔组后与最上端连续型本体11的上端连接；另外三根一端分别固定在另外三个绕绳轴33上，然后经绕绳轴33、转向轴34绕设后，穿出安装壳31，并依次穿过两个连续型本体11的另外一组走线孔组后与中间连续型本体11的上端连接，剩余三根一端分别固定在剩余三个绕绳轴33上，然后经绕绳轴33、转向轴34绕设后，穿出安装壳31，并穿过最下端连续型本体11的剩余一组走线孔组后与最下端连续型本体11的上端连接。

为了提高连续型机器人的负载能力，可以在连续型结构1内部设置气囊；

为了提高整个装置的安全性，可以在连续型结构1外部套设有套管。

连续型本体11也可以采用3D打印进行增材制造形成。

为了保证连续型本体11的抗扭性能以及伸缩性能，将镂空网格设置为菱形镂空网格或椭圆形镂空网格，菱形镂空网格或椭圆形镂空网格的短轴与连续型本体11的轴线平行，即菱形镂空网格或椭圆形镂空网格中心的十字交叉线的短边与连续型本体11的轴线平行。

波形弹簧可以由多个波形弹性片111依次通过波谷和波峰相互连接形成，即波形弹性片111向上凸起形成多个波峰，波形弹性片111向上凹陷形成多个波谷，当前的波形弹性片111的波峰与位于其上方的波形弹性片111的波谷焊接。

为了更直观的展示连续型本体11的结构，以连续型本体11由波形弹簧以及安装在波形弹簧两端的连接平面环组成为例，提供如下多张视图：

如图1(a)、图1(b)与图1(c)所示，为两个镂空网格形式，多个图1(a)或图1(b)中的结构叠加形成连续型本体11，其弯曲和伸缩通过镂空网格边条的变形实现。

如图2(a)、图2(b)与图2(c)所示，为三个镂空网格形式。

如图3(a)、图3(b)与图3(c)所示，为四个镂空网格形式，以此类推可以根据需求(如刚度)选择镂空网格数量。

连续型本体11均具有三个自由度，分别为两个弯曲(转动)和一个伸缩自由度，如图4(a)、图4(b)与图4(c)所示，连续型本体11可以单独使用，从而具有三个自由度，也可以M个连续型本体11串联使用，自由度数目为3M，从而机器人获得冗余自由度，增加其灵活性。

如图7所示，如果将单个连续型本体11作为机器人使用时，连续型本体11需要三个连接绳2，连接绳2最优布置方案为120°均布分布。连续型本体11两节串联使用时，连接绳2数量增加，需要六个连接绳2，以此类推M个连续型本体11串联使用，连接绳2数量为3M。

通过空心弹性管制作连续型本体11时，可以在空心弹性管上进行打孔，加工出连接绳2的走线孔4，然后直接在空心弹性管四周切割出需要的网格数量；如果用波形弹性片111加工时，可以先再波形弹性片111上进行打孔，然后将多个波形弹性片111叠加连接在一起，在两端的波形弹性片111上安装同轴的连接平面环，从而形成连续型本体11。

本发明的工作原如下：

每个连续型本体11均通过三个连接绳2独立控制，通过控制电机32运行，改变连接绳2的伸缩量，从而控制连续型机器人运动：若连续型本体11一侧镂空网格的变形量小与另一侧镂空网格的变形量，连续型机器人就实现自身弯曲运动，若每个镂空网格变形量都一样时，连续型机器人就实现自身伸缩运动，通过控制多个连续型本体11处于不同的弯曲方向，实现盘旋功能。

Claims (10)

1.一种连续型机器人，其特征在于：

包括驱动装置(3)、M个连续型本体(11)以及与M个连续型本体(11)一一对应的M组连接绳组，其中M≥1；

所述连续型本体(11)为波形弹簧，M个波形弹簧依次设置，且相邻两个波形弹簧之间，通过波谷和波峰相互连接形成连续型结构(1)；

或者所述连续型本体(11)为上下贯通的空心弹性管，所述空心弹性管的侧壁沿周向设置有N列镂空网格，每一列均匀设置有A个镂空网格，M个空心弹性管依次对应连接形成连续型结构(1)，其中N≥2，A≥2；

所述连续型结构(1)下端安装在所述驱动装置(3)上，连续型结构(1)上端用于与外部负载连接；

每个所述连续型本体(11)沿其周向设置有I组上下贯通的走线孔组，每组包括沿周向均匀分布的Q个走线孔(4)；其中，I的值与对应连续型本体(11)位于连续型结构(1)的次序i相同，所述次序自上而下计数，1≤i≤M，Q≥3；

每组连接绳组中连接绳(2)的数量与每组走线孔组中走线孔(4)的数量相同，每组连接绳组均一端安装在对应连续型本体(11)的上端，另一端穿过位于其下方的每一个连续型本体(11)的对应一组走线孔组后与驱动装置(3)连接，所述驱动装置(3)用于驱动连接绳(2)收放。

2.根据权利要求1所述的连续型机器人，其特征在于：

位于其上方的连续型本体(11)上走线孔(4)的位置与位于下方且与其相邻的连续型本体(11)上其中(I-1)组走线孔(4)的位置相同。

3.根据权利要求2述的连续型机器人，其特征在于：

所述Q＝3。

4.根据权利要求1-3任一所述的连续型机器人，其特征在于：

所述驱动装置(3)包括安装壳(31)、与连接绳(2)数量相同的电机(32)以及同轴安装在每一个电机(32)输出轴上的绕绳轴(33)；

所述电机(32)设置在安装壳(31)内；

所述连接绳(2)的另一端穿过安装壳(31)后绕设且固定在绕绳轴(33)上。

5.根据权利要求4述的连续型机器人，其特征在于：

所述电机(32)输出轴的轴线竖直设置；

所述驱动装置(3)还包括与绕绳轴(33)一一对应的转向轴(34)；

所述转向轴(34)安装在所述安装壳(31)内部，且转向轴(34)的轴线水平设置；

所述连接绳(2)另一端穿过安装壳(31)在转向轴(34)上缠绕后绕设且固定在绕绳轴(33)上。

6.根据权利要求5所述的连续型机器人，其特征在于：

所述连续型本体通过3D打印进行增材制造形成。

7.根据权利要求6所述的连续型机器人，其特征在于：

所述镂空网格为菱形镂空网格或椭圆形镂空网格，菱形镂空网格或椭圆形镂空网格的短轴与连续型本体的轴线平行。

8.根据权利要求7所述的连续型机器人，其特征在于：

所述连续型结构(1)内部设置有气囊。

9.根据权利要求8所述的连续型机器人，其特征在于：

所述连续型结构(1)外部套设有套管。

10.根据权利要求9所述的连续型机器人，其特征在于：

所述波形弹簧两端均安装有连接平面环，上下相邻的两个连接平面环焊接。

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