专利名称：一种磁流变连续体机器人操作器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁流变连续体机器人操作器。传统的串联机器人模拟人的关节骨骼运动系统，由有限数量的关节和连杆串联构成。此类机器人按照是否存在冗余自由度可以分为非冗余自由度机器人和冗余自由度机器人两大类型。非冗余自由度机器人的关节空间维数等于其任务空间维数，存在着灵活性较差的缺点，即在规定末端位姿轨迹后，不能避免关节空间中存在的奇异点或运动灵活性差的区域、在某些情况下动力学性能差。冗余自由度机器人正是为解决灵活性问题而提出的，它通过増加冗余关节使关节空间维数大于任务空间维数，使机器人在实现期望的末端位姿 的同时具有更高的灵活性。然而冗余度机器人并没有突破传统的关节-连杆式结构，改进效果有限。本发明基于象鼻的仿生原理，提出一种磁流变连续体机器人操作器。本发明目的是提供一种磁流变连续体机器人操作器，该机器人操作器能够连续弯曲变形，运动灵活，适于抓取不规则形状物体，是对传统关节式机器人的有益补充。本发明由端盖I、驱动线绳2、I型脊骨盘3、软管4、磁流变液5、线圈6、弹簧7、II型脊骨盘8、线绳导管9、操作对象10、软管套箍11、粘接胶12、导线套管13，连接盘14、磁流变液调压及补液装置15、驱动装置箱体16、线绳导管支架17、滑轮18、步进电机19、盖板20构成。其整体为类似象鼻的长管型结构，外层为多节圆柱弹簧7串联而成，任意两个相邻弹簧6之间采用脊骨盘3或8相联接。每个脊骨盘3或8的中心开有圆形通孔，内充磁流变液5的软管4从所有脊骨盘3或8的通孔中穿过，软管4的首端和磁流变液调压及补液装置15通过螺纹相连接，磁流变液调压及补液装置15由壳体21、活塞22、密封23、调压弹簧24、压盘25、上盖26、调压螺杆27组成，上盖26和壳体21之间为螺纹联接，调压螺杆27和上盖26之间也为螺纹连接，调压螺杆27和压盘25固连，可以通过旋转调压螺杆27使其带动压盘25沿轴向上下移动从而调节调压弹簧24的预紧力，从而调节磁流变液的压力，另外打开上盖26，拿出活塞22后，可以直接向壳体内补充磁流变液。软管4的末端固联在端盖I上。软管外径略小于脊骨盘中心通孔的内径，软管4和脊骨盘3或8连接处都套有软管套箍11，软管套箍11外表面和脊骨盘3或8内孔表面之间存在径向间隙，此间隙内注入粘结胶12将软管套箍11和脊骨盘3和8粘结在一起。另外软管4的外面缠绕有线圈6，软管4内部设置阻流隔28，通过改变线圈6的电流可以调节作用在软管内的磁流变液的磁场强度，从而控制磁流变液的流变特性，起到调节整个操作器刚度和阻尼的作用。外层圆柱弹簧的串联体(总体呈长管状)的首端的脊骨盘通过连接盘14固联在驱动箱体底面上。圆柱弹簧的串联体共分为4段，每段包括四个弹簧，弹簧之间由I型脊骨盘3连接，而每段的首、末端的脊骨盘则为II型脊骨盘8。每段分别由四根线绳2独立驱动。各段的线绳2都从驱动箱体16内的滑轮18引出，依次穿过各个脊骨盘3或8中心通孔直到该段末端的的I型脊骨盘(但第四段末端为端盖)。线绳分段驱动具体实现为每四节相邻的圆柱弹簧构成一段，每段采用独立的线驱动。在每个脊骨盘8的中圆(半径为脊骨盘外径一半的圆)上设有周向均布的4个通孔(以下称为主导线孔)，驱动线绳2引自操作器首端的驱动装置18，依次穿过各脊骨盘主导线孔连接到各段末端的脊骨盘上。由驱动装置中的步进电机带动滑轮转动来驱动线绳收缩实现弯曲变形。驱动线绳外套有线绳导管9，在每个脊骨盘上接近外缘的圆周上开有4个均布的小通孔(称为分支导线孔)，用来固定线绳导管9。线绳导管9在每段段首的脊骨盘之前分出用于该段的分支套管9，分支套管9引到段首脊骨盘的分支导线孔处，而此分支导线孔处带有ー个固定分支套管的小凸起平台，分支套管的端部带有铁套，上有螺纹，而凸起平台上由螺纹孔，可以用螺母联结上述两螺纹，将分支套管末端固定在凸起平台上。驱动线绳从分支套管中引出经过此段中间脊骨盘的分支导线孔最后连接在此段末端的脊骨盘上。驱动时利用套管和驱动线绳之间的相对位移带动段中的所有脊骨盘，可避免对驱动线绳所经过各段产生附加弯矩。该机器人操作器采用分段线驱动方式，可根据需要对其中任何一段进行不同曲率的弯曲操作，可以实现类似象鼻的卷绕动作。而且配合线绳驱动，可以根据卷绕动作的需要调节线圈6的电流可以使软管内的磁流变液处于液态或固态，控制整个操作器刚度，配合线绳驱动完成卷绕动作。本发明是对传统关节杆式机器人的补充，但不同于一般的冗余或超冗余关节式机器人，它可以任意连续柔性变形，实现灵活运动，而且可对不规则形状物体的实现抓取操作。
图I是本发明的整体结构示意图。图2是I型脊骨盘的结构示意图。图3是II型脊骨盘的结构示意图。图4是软管内部结构示意图。图5是磁流变液调压及补液装置的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式
一(參见图f图3)本发明由端盖I、驱动线绳2、I型脊骨盘3、软管4、磁流变液5、线圈6、弹簧7、II型脊骨盘8、线绳导管9、操作对象10、软管套箍11、粘接胶12、导线套管13，连接盘14、磁流变液调压及补液装置15、驱动装置箱体16、线绳导管支架17、滑轮18、步进电机19、盖板20构成。其整体为类似象鼻的长管型结构，外层为多节圆柱弹簧7串联而成，任意两个相邻弹簧6之间采用脊骨盘3或8相联接。每个脊骨盘3或8的中心开有圆形通孔，内充磁流变液5的软管4从所有脊骨盘3或8的通孔中穿过，软管4的首端和磁流变液调压及补液装置15通过螺纹相连接，磁流变液调压及补液装置15由壳体21、活塞22、密封23、调压弹簧24、压盘25、上盖26、调压螺杆27组成，上盖26和壳体21之间为螺纹联接，调压螺杆27和上盖26之间也为螺纹连接，调压螺杆27和压盘25固连，可以通过旋转调压螺杆27使其带动压盘25沿轴向上下移动从而调节调压弹簧24的预紧力，从而调节磁流变液的压力，另外打开上盖26，拿出活塞22后，可以直接向壳体内补充磁流变液。软管4的末端固联在端盖I上。软管外径略小于脊骨盘中心通孔的内径，软管4和脊骨盘3或8连接处都套有软管套箍11，软管套箍11外表面和脊骨盘3或8内孔表面之间存在径向间隙，此间隙内注入粘结胶12将软管套箍11和脊骨盘3和8粘结在一起。另外软管4的外面缠绕有线圈6，软管4内部设置阻流隔28，通过改变线圈6的电流可以调节作用在软管内的磁流变液的磁场强度，从而控制磁流变液的流变特性，起到调节整个操作器刚度和阻尼的作用。外层圆柱弹簧的串联体(总体呈长管状)的首端的脊骨盘通过连接盘14固联在驱动箱体底面上。圆柱弹簧的串联体共分为4段，每段包括四个弹簧，弹簧之间由I型脊骨盘3连接，而每段的首、末端的脊骨盘则为II型脊骨盘8。每段分别由四根线绳2独立驱动。各段的线绳2都从驱动箱体16内的滑轮18引出，依次穿过各个脊骨盘3或8中心通孔直到该段末端的的I型脊骨盘(但第四段末端为端盖)。线绳分段驱动具体实现为每四节相邻的圆柱弹簧构成一段，每段采用独立的线驱动。在每个脊骨盘8的中圆(半径为脊骨盘外径一半的圆)上设有周向均布的4个通孔(以下称为主导线孔)，驱动线绳2引自操作器首端的驱动装置18，依次穿过各脊骨盘主导线孔连接到各段末端的脊骨盘上。由驱动装置中的步进电机带动滑轮转动来驱动线绳收缩实现弯曲变形。驱动线绳外套有线绳导管9，在每个脊骨盘上接近外缘的圆周上开有4个均布的小通孔(称为分支导线孔)，用来固定线绳导管9。线绳导管9在每段段首的脊骨盘之前分出用于该段的分支套管9，分支套管9引到段首脊骨盘的分支导线孔处，而此分支导线孔处带有ー个固定分支套管的小凸起·平台，分支套管的端部带有铁套，上有螺纹，而凸起平台上由螺纹孔，可以用螺母联结上述两螺纹，将分支套管末端固定在凸起平台上。驱动线绳从分支套管中引出经过此段中间脊骨盘的分支导线孔最后连接在此段末端的脊骨盘上。驱动时利用套管和驱动线绳之间的相对位移带动段中的所有脊骨盘，可避免对驱动线绳所经过各段产生附加弯矩。
具体实施方式
ニ 本实施方式中驱动电机为伺服电机，其它与具体实施方式
一相同。
权利要求1.一种磁流变连续体机器人操作器，由端盖I、驱动线绳2、I型脊骨盘3、软管4、磁流变液5、线圈6、弹簧7、11型脊骨盘8、线绳导管9、操作对象10、软管套箍11、粘接胶12、导线套管13，连接盘14、磁流变液调压及补液装置15、驱动装置箱体16、线绳导管支架17、滑轮18、步进电机19、盖板20构成；其整体为类似象鼻的长管型结构，外层为多节圆柱弹簧7串联而成，任意两个相邻弹簧6之间采用脊骨盘3或8相联接；每个脊骨盘3或8的中心开有圆形通孔，内充磁流变液5的软管4从所有脊骨盘3或8的通孔中穿过，软管4的首端和磁流变液调压及补液装置15通过螺纹相连接，磁流变液调 压及补液装置15由壳体21、活塞22、密封23、调压弹簧24、压盘25、上盖26、调压螺杆27组成，上盖26和壳体21之间为螺纹联接，调压螺杆27和上盖26之间也为螺纹连接，调压螺杆27和压盘25固连，可以通过旋转调压螺杆27使其带动压盘25沿轴向上下移动从而调节调压弹簧24的预紧力，从而调节磁流变液的压力，另外打开上盖26，拿出活塞22后，可以直接向壳体内补充磁流变液；软管4的末端固联在端盖I上；软管外径略小于脊骨盘中心通孔的内径，软管4和脊骨盘3或8连接处都套有软管套箍11，软管套箍11外表面和脊骨盘3或8内孔表面之间存在径向间隙，此间隙内注入粘结胶12将软管套箍11和脊骨盘3和8粘结在一起；另外软管4的外面套有线圈6 ;通过改变线圈6的电流可以调节作用在软管内的磁流变液的磁场强度，从而控制磁流变液的流变特性，起到调节整个操作器刚度和阻尼的作用；外层圆柱弹簧的串联体总体呈长管状的首端的脊骨盘通过连接盘14固联在驱动箱体底面上；圆柱弹簧的串联体共分为4段，每段包括四个弹簧，弹簧之间由I型脊骨盘3连接，而每段的首、末端的脊骨盘则为II型脊骨盘8 ;每段分别由四根线绳2独立驱动；各段的线绳2都从驱动箱体16内的滑轮18引出，依次穿过各个脊骨盘3或8中心通孔直到该段末端的的I型脊骨盘，但第四段末端为端盖；线绳分段驱动具体实现为每四节相邻的圆柱弹簧构成一段，每段采用独立的线驱动；在每个脊骨盘8的中圆半径为脊骨盘外径一半的圆上设有周向均布的4个通孔以下称为主导线孔，驱动线绳2引自操作器首端的驱动装置18，依次穿过各脊骨盘主导线孔连接到各段末端的脊骨盘上；由驱动装置中的步进电机带动滑轮转动来驱动线绳收缩实现弯曲变形；驱动线绳外套有线绳导管9，在每个脊骨盘上接近外缘的圆周上开有4个均布的小通孔(称为分支导线孔)，用来固定线绳导管9 ;线绳导管9在每段段首的脊骨盘之前分出用于该段的分支套管9，分支套管9引到段首脊骨盘的分支导线孔处，而此分支导线孔处带有ー个固定分支套管的小凸起平台，分支套管的端部带有铁套，上有螺纹，而凸起平台上由螺纹孔，可以用螺母联结上述两螺纹，将分支套管末端固定在凸起平台上；驱动线绳从分支套管中引出经过此段中间脊骨盘的分支导线孔最后连接在此段末端的脊骨盘上；驱动时利用套管和驱动线绳之间的相对位移带动段中的所有脊骨盘，可避免对驱动线绳所经过各段产生附加弯矩。
2.根据权利要求I所述的连续体机器人操作器机构，其特征在于外层多节圆柱弹簧串联体的结构是多个脊骨盘和圆柱弹簧按脊骨盘-圆柱-脊骨盘-圆柱的规律串联构成。另外两个相邻脊骨盘之间的弹簧为单根圆柱弹簧，而不是多根圆柱弹簧并联。圆柱弹簧和脊骨盘之间采用固接方式。
3.根据权利要求I所述的连续体机器人操作器机构，其特征在于其内部采用软管作为其中心脊线，当机器人操作器弯曲动作时，线圈8通入合适的电流，使软管内部磁流变液流变特性发生相应变化，为操作器的运动提供阻尼，当操作器保持静止时，线圈通入饱和电流，使磁流变液呈现固化状态，増加机器人操作器的刚度。
4.根据权利要求I所述的连续体机器人操作器机构，其特征在于采用分段独立控制的方式，机器人每段对应于ー个独立线圈，通过控制每段线圈的电流来控制每段的刚度和阻尼。
5.根据权利要求I所述的连续体机器人操作器机构，其特征在于采用分段线绳驱动的方式，即每四节圆柱弹簧构成一段。每段采用独立的线绳驱动方式，在每个脊骨盘的中间圆半径为脊骨盘外径一半的圆上设有周向均布的4个通孔，驱动线绳引自操作器首端的滑轮组，依次穿过各脊骨盘通孔连接到各段末端的脊骨盘上，由步进电机带动滑轮组转动，驱动线绳收缩实现卷绕动作。
6.根据权利要求I所述的连续体机器人操作器机构，其特征在于驱动线绳外套有套管，驱动时利用套管和驱动线之间的相对位移带动脊骨盘，可避免对驱动线所经过各段产生附加弯矩。
7.根据权利要求I所述的连续体机器人操作器机构，可以对此机器人长度进行扩充，即已有总段数的基础上增加新段，每增加一段，要増加四节圆柱弹簧，同时相应地增加脊骨盘、驱动线绳、软管和线圈。另外增加的段数可根据需要确定。
专利摘要一种磁流变连续体机器人操作器，它涉及一种机器人操作器。本实用新型目是为解决传统关节-杆式机器人自由度相对较少，灵活度有限，抓取不规则形状物体较困难的问题，基于象鼻仿生原理提供一种磁流变连续体机器人操作器，该机器人操作器能够类似象鼻实现连续弯曲变形，运动灵活，适于用卷绕方式抓取不规则形状物体，本实用新型由机器人操作器本体和驱动装置组成。操作器本体整体为类似象鼻的长管型结构，外层为多节圆柱弹簧7串联而成，圆柱弹簧之间通过脊骨盘连接。每个脊骨盘中心开有圆形通孔，内充磁流变液的软管从所有脊骨盘的通孔中穿过，外层圆柱弹簧的串联体共分为4段，每段包括四个弹簧，分别由四根线绳2独立驱动。所有段的线绳通过各段的脊骨盘上的通孔引入到操作器首端的驱动装置中的滑轮上，由驱动装置的电动机驱动滑轮旋转，从而带动线绳伸缩。机器人操作器中心的内充磁流变液的软管的外层通过粘结胶和各脊骨盘粘结在一起，软管首端连接到驱动装置内的磁流变液调压和补液装置，可根据工作条件进行调压和补液，另外软管的外面还缠绕有线圈,软管内部设置阻流隔,通过改变线圈的电流可以调节作用在软管内磁流变液的磁场强度，从而控制磁流变液的流变特性，并实现在液固两项之间转换，起到调节整个操作器刚度和阻尼的作用。本实用新型是对传统关节-杆式机器人操作器的补充，但不同于一般的冗余或超冗余关节式机器人，它可以连续柔性变形，实现灵活运动，而且可对不规则形状物体实现类似象鼻卷绕的抓取操作。
文档编号B25J9/00GK202622798SQ20122025802
公开日2012年12月26日 申请日期2012年6月4日 优先权日2012年6月4日
发明者赵强, 丁柏群 申请人:东北林业大学