丝驱动可等曲率旋转连续体机器人装置

1.本发明属于机器人设备技术领域，具体涉及丝驱动可等曲率旋转连续体机器人装置。


背景技术：

2.传统机器人大多由连杆和驱动关节串联而成，可代替人类完成一些重复性工作，然而在作业空间狭窄或工作空间存在各种障碍物时，传统的机器人难以灵活运作，且总体自由度低。与传统工业机器人相比，连续体机器人能够依靠连续弯曲的核心结构或骨架使机器人主体弯曲成光滑连续曲线，其优异的柔顺性和灵活性对于作业空间狭窄或工作空间存在各种障碍物的环境具有独特的适应能力。
3.连续体机器人按驱动方式可分为内部驱动、外部驱动和混合驱动。内部驱动方式是将驱动器至于机构表面或者内部，对机器人直接驱动，常见的有气压和液压驱动；外部驱动是将驱动器置于机器人本体之外，通过拉丝、皮带等驱动，是目前常见的设计方式；混合驱动方式为前两者的组合。连续体机器人按运动能力可分为单自由度型、两自由度型和三自由度型，单自由度型只能实现单一指定平面内的弯曲运动；两自由度型可在三维空间内垂直于底盘且通过底盘圆心的任一平面内完成弯曲运动；三自由度型不仅可以实现三维空间弯转，还具有一定的延展性，其运动更为灵活，但难以控制。
4.1982年，larson和davidson设计了一种连续体机器人用来完成汽车的喷涂工作，这是连续体机器人首次出现在工业应用领域。经过多年发展，连续体机器人的研究已经取得较大进展。例如：郭艳婕设计的线驱动连续体机器人，通过9根线缆利用三个万向节控制三级关节段实现抓取任务；bhh8-60机械手采用一根绳索驱动三根手指，通过齿轮、蜗轮蜗杆、滑轮等结构的联动完成包络抓取任务；larm仿人型欠驱动机械手，采用交叉四杆机构将每根手指的自由度降低为1，通过关节上的弹簧使手抓具有较好的柔性和适应能力。上述连续体机器人相对传统机器人具有驱动简单等明显优点，但依旧存在机构复杂、灵活度差、结构笨重等缺点。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供丝驱动可等曲率旋转连续体机器人装置，解决了传统连续体机器人机构复杂、灵活度差的问题。
6.本发明所采用的技术方案是，丝驱动可等曲率旋转连续体机器人装置，包括多个模块化结构体a、底端旋转架、平面旋转驱动索和垂直旋转驱动索；最底端的所述模块化结构体a与底端旋转架连接；平面旋转驱动索以及垂直旋转驱动索与模块化结构体a连接；模块化结构体a包括两个框架b和一个框架c；两个框架b通过转轴铰接在一起；框架c与端部的框架b通过转轴铰接在一起；框架b包括线轮、保持架和转轴；转轴与线轮连接，线轮与保持架连接；框架c包括线盘、转轴、连接架和旋转架；转轴与线盘连接，线盘设置在连接架上，旋转架设置在连接架顶部；每两个模块化结构体a之间通过前一个模块化结构体a中的旋转架
与后一个模块化结构体a中的线轮以及保持架连接。
7.本发明的特点还在于，
8.保持架设置有多个，位于中间的保持架之间通过转轴连接，位于最顶部的保持架与连接架通过转轴连接；位于最底部的保持架与底端旋转架通过转轴连接；保持架包括呈对称设置的大立板，两个大立板的顶部通过横板连接，两个大立板的中部通过中间板连接，两个大立板下部均设置有通孔b，中间板和横板中部均设置有走线孔b，中间板和横板一端均设置有两个走线孔c，横板上呈对称设置有小立板，小立板上设置有通孔a；两个大立板之间设置有线轮，线轮位于中间板下部，线轮包括设置在两个大立板之间的筒体，筒体内部沿轴向开设有装配孔，装配孔两端内侧分别开有一对相隔180
°
的穿线孔a；筒体两端沿周向均开设有线槽b，筒体外侧壁中部还开设有通孔；筒体内的装配孔内设置有转轴。
9.底端旋转架包括底板，底板两侧设置有耳板，两个耳板上均开设有铰接孔，底板一端呈对称开设有走线孔a，底板两侧均开设有一对走线孔；底板中心处设置有旋转连接孔，旋转连接孔内壁开设有走丝孔，底板底部外中心处还设置有内部中空的旋转台，旋转台与旋转连接孔相通，旋转台外壁沿周向开设有线槽，位于最底部的圆柱筒体设置在两个耳板之间；位于最底部的圆柱筒体内的转轴两端穿过铰接孔，且伸入通孔b内。
10.连接架包括连接板，连接板两端设置有竖板，竖板上开设有连接孔，连接板上表面中心处设置有定位凸台，定位凸台中心处设置有轴承装配轴，连接板上还呈对称设置有滑轮固定架，滑轮固定架上设置有v型滑轮b；连接板一侧外壁还对称设置走丝孔a；两个竖板之间装配有线盘，线盘包括位于两个竖板之间的圆柱筒体，圆柱筒体内部沿轴向加工有装配孔a，装配孔a一端部内侧分别开有一对相隔180
°
的穿线孔b；圆柱筒体一端沿周向均开设有线槽c，圆柱筒体外侧壁中部还开设有走丝孔c；圆柱筒体的装配孔a内插入有转轴。
11.旋转架包括水平板，水平板两侧竖直设置有直板，直板上开设有铰接孔a，水平板中心处设置有连接孔a，连接孔a内侧开有一对相隔180
°
的穿线孔，水平板底部外中心处还设置有凸台，凸台外壁沿周向开设有线槽a，凸台中心加工有轴承孔a，水平板上还设置有两个滑轮固定架a和两个滑轮固定架b，轴承装配轴与凸台通过轴承装配在一起；滑轮固定架a上设置有v型滑轮；滑轮固定架b上设置有v型滑轮a。
12.垂直旋转驱动索一端穿过旋转架中穿线孔缠绕在线槽上，另一端通过v型滑轮b换向穿过连接架中走丝孔a后与电机相固连。
13.每个模块化结构体a中设置有三组平面旋转驱动索，第一组平面旋转驱动索一端穿过位于模块化结构体a最底端的线轮一侧的穿线孔a并缠绕在线槽上，另一端先从滑轮固定架a上的v型滑轮下方绕过后再从滑轮固定架b上的v型滑轮a上方绕过进行换向后与电机连接；第二组平面旋转驱动索一端穿过最底端线轮的另一端穿线孔a并缠绕在线槽上，另一端穿过位于模块化结构体a中部的框架b中的线轮一侧的穿线孔a并缠绕在线槽上；第三组平面旋转驱动索一端穿过中部的框架b中的线轮另一侧的穿线孔a并缠绕在线槽上，另一侧穿过位于模块化结构体a顶部的框架c中线盘一侧的穿线孔b缠绕在线槽c上。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
15.1、本发明的丝驱动可等曲率旋转连续体机器人由多个模块化结构体a两两呈180
°
串联构成，增加模块化结构体a的数量，可实现连续体的延展，该发明可实现模块化生产，降低制造成本和难度。
16.2、本发明的丝驱动可等曲率旋转连续体机器人，通过三组平面旋转驱动索以及三个线轮可使模块化结构体a的三个小关节段实现等曲率旋转，既满足工作需求又减少了电机数量，使结构更加轻巧。
17.3、本发明采用丝驱动实现了连续体机器人可绕垂直于底盘的轴线进行旋转，结构简单、可靠，灵活性好，对复杂工作环境适应能力强。
18.4、本发明驱动电机可置于机构底端或机构以外，有效降低了机构重量。通过电机正反转可实现连续体机器人的灵活运动。
附图说明
19.图1为本发明一种丝驱动可等曲率旋转连续体机器人的整体结构图；
20.图2为本发明连续体机器人的等曲率平面旋转状态结构图；
21.图3为本发明连续体机器人的三维旋转状态结构图；
22.图4为本发明连续体机器人中模块化结构体a的装配图；
23.图5a为本发明连续体机器人中底端旋转架的结构图(一)；
24.图5b为本发明连续体机器人中底端旋转架的结构图(二)；
25.图6为本发明连续体机器人中线轮的结构图及装配关系图；
26.图7为本发明连续体机器人中保持架的结构图；
27.图8为本发明连续体机器人中连接架的结构图；
28.图9a为本发明连续体机器人中旋转架的结构图及装配关系图(一)；
29.图9b为本发明连续体机器人中旋转架的结构图及装配关系图(二)；
30.图10为本发明连续体机器人中线盘的结构图及装配关系图。
31.图中：1、底端旋转架；1-1、铰接孔；1-2、走线孔；1-3、旋转连接孔；1-4、走线孔a；1-5、线槽；1-6、走丝孔；1-7、轴承孔；1-8、底板；1-9、耳板；1-10、旋转台；2、垂直旋转驱动索；3、连接架；3-1、走丝孔a；3-2、走丝孔b；3-3、连接孔；3-4、定位凸台；3-5、轴承装配轴；3-6、连接板；3-7、竖板；4、旋转架；4-1、铰接孔a；4-2、连接孔a；4-3、轴承孔a；4-4、凸台；4-5、穿线孔；4-6、线槽a；4-7、水平板；4-8、直板；5、平面旋转驱动索；6、线轮；6-1、穿线孔a；6-2、线槽b；6-3、通孔；6-4、装配孔；6-5、筒体；7、保持架；7-1、通孔a；7-2、走线孔b；7-3、走线孔c；7-4、通孔b；7-5、大立板；7-6、横板；7-7、中间板；7-8、小立板；8、线盘；8-1、走丝孔c；8-2、装配孔a；8-3、穿线孔b；8-4、线槽c；8-5、圆柱筒体；9、v型滑轮；10、v型滑轮a；11、滑轮固定架；12、滑轮固定架a；13、滑轮固定架b；14、v型滑轮b。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
33.本发明一种丝驱动可等曲率旋转连续体机器人装置，如图1所示，包括多个模块化结构体a、底端旋转架1、平面旋转驱动索5和垂直旋转驱动索2；多个模块化结构体a两两呈180
°
串联构成连续执行体，模块化结构体a与底端旋转架1连接；平面旋转驱动索5与模块化结构体a中线轮6和线盘8连接；垂直旋转驱动索2与模块化结构体a中旋转架4连接；在两个驱动绳索的作用下可实现对目标的抓取。
34.如图4所示，模块化结构体a包括两个框架b和一个框架c；两个框架b通过转轴铰接
在一起；框架c与端部的框架b通过转轴铰接在一起，构成三小段可等曲率相对旋转的装置；
35.框架b包括线轮6、保持架7和转轴；转轴与线轮6连接，线轮6设置在保持架7上；框架c包括线盘8、转轴、连接架3和旋转架4；转轴与线盘8连接，线盘8设置在连接架3上，旋转架4设置在连接架3顶部，旋转架4和连接架3通过轴承连接在一起，可相对旋转；
36.保持架7设置有多个，位于中间的保持架7之间通过转轴连接，位于最顶部的保持架7与连接架3通过转轴连接；位于最底部的保持架7与底端旋转架1通过转轴连接；
37.如图7所示，保持架7包括呈对称设置的大立板7-5，两个大立板7-5的顶部通过横板7-6连接，两个大立板7-5的中部通过中间板7-7连接，两个大立板7-5下部均设置有通孔b7-4，中间板7-7和横板7-6中部均设置有走线孔b 7-2，中间板7-7和横板7-6一端均设置有两个走线孔c7-3，横板7-6上呈对称设置有小立板7-8，小立板7-8上设置有通孔a7-1；
38.两个大立板7-5之间设置有线轮6，线轮6位于中间板7-7下部，如图6所示，线轮6包括设置在两个大立板7-5之间的筒体6-5，筒体6-5内部沿轴向开设有装配孔6-4，装配孔6-4两端内侧分别开有一对相隔180
°
的穿线孔a6-1；筒体6-5两端沿周向均开设有线槽b6-2，筒体6-5外侧壁中部还开设有通孔6-3；筒体6-5内的装配孔6-4内设置有转轴；
39.下一个保持架7的两个小立板7-8位于上一个保持架7的两个大立板7-5之间，上一个保持架7的两个大立板7-5端部固定在下一个保持架7的横板7-6上；小立板7-8与大立板7-5之间通过转轴连接；转轴端部穿过通孔a7-1，且伸入通孔b7-4内；
40.位于顶部的保持架7与连接架3连接，连接架3包括连接板3-6，如图8所示，连接板3-6两端设置有竖板3-7，竖板3-7呈对称且垂直向下设置，竖板3-7上开设有连接孔3-3，连接板3-6上表面中心处设置有定位凸台3-4，定位凸台3-4中心处设置有轴承装配轴3-5，轴承装配轴3-5中心加工有走丝孔b3-2；连接板3-6上还呈对称设置有滑轮固定架11，滑轮固定架11上设置有v型滑轮b14；连接板3-6一侧外壁还对称设置走丝孔a3-1，两个走丝孔a3-1分别靠近两个滑轮固定架11；
41.两个竖板3-7之间装配有线盘8，如图10所示，线盘8包括位于两个竖板3-7之间的圆柱筒体8-5，圆柱筒体8-5内部沿轴向加工有装配孔a8-2，装配孔a8-2一端部内侧分别开有一对相隔180
°
的穿线孔b8-3；圆柱筒体8-5一端沿周向均开设有线槽c8-4，线槽c8-4和穿线孔b 8-3位于同一端；圆柱筒体8-5外侧壁中部还开设有走丝孔c 8-1；圆柱筒体8-5的装配孔a8-2内插入有转轴；
42.位于顶部的两个小立板7-8位于两个竖板3-7之间，两个竖板3-7端部与最顶部的横板7-6连接，小立板7-8与竖板3-7之间通过转轴连接；转轴端部穿过通孔a7-1，且伸入连接孔3-3内；
43.轴承装配轴3-5与旋转架4通过轴承装配，旋转架4包括水平板4-7，如图9a和图9b所示，水平板4-7两侧竖直设置有直板4-8，直板4-8上开设有铰接孔a4-1，水平板4-7中心处设置有连接孔a4-2，连接孔a4-2内侧开有一对相隔180
°
的穿线孔4-5，水平板4-7底部外中心处还设置有凸台4-4，连接孔a4-2与凸台4-4相通，凸台4-4外壁沿周向开设有线槽a4-6，凸台4-4中心加工有轴承孔a4-3，水平板4-7上还设置有两个滑轮固定架a12和两个滑轮固定架b13，四个滑轮固定架呈矩形排列；轴承装配轴3-5与凸台4-4通过轴承装配在一起；滑轮固定架a12上设置有v型滑轮9；滑轮固定架b13上设置有v型滑轮a10；
44.模块化结构体a设置有多个，每两个模块化结构体a之间通过前一个模块化结构体
a中的旋转架4与后一个模块化结构体a中的线轮6以及保持架7连接；具体为：两个直板4-8与大立板7-5之间通过转轴连接；转轴端部穿过铰接孔a4-1，且伸入通孔b7-4内；
45.如图5a和图5b所示，底端旋转架1包括底板1-8，底板1-8两侧竖直设置有耳板1-9，两个耳板1-9呈对称设置，两个耳板1-9上均开设有铰接孔1-1，底板1-8一端呈对称开设有走线孔a1-4，底板1-8两侧均开设有一对走线孔1-2；底板1-8中心处设置有旋转连接孔1-3，旋转连接孔1-3内壁开设有走丝孔1-6，底板1-8底部外中心处还设置有内部中空的旋转台1-10，旋转台1-10与旋转连接孔1-3相通，且旋转台1-10的内径大于旋转连接孔1-3的内径，旋转台1-10外壁沿周向开设有线槽1-5，旋转台1-10底部开设有轴承孔1-7；
46.位于最底部的圆柱筒体6-5设置在两个耳板1-9之间；两个耳板1-9设置在位于最底部的两个大立板7-5之间，位于最底部的圆柱筒体6-5内的转轴两端穿过铰接孔1-1，且伸入通孔b7-4内；
47.垂直旋转驱动索2一端与位于最顶部的旋转架4固连，其穿过旋转架4中穿线孔4-5缠绕在线槽4-6上，另一端通过v型滑轮b14换向穿过连接架3中走丝孔a3-1后于电机相固连。
48.每个模块化结构体a中有三组平面旋转驱动索5，第一组平面旋转驱动索5一端穿过位于模块化结构体a最底端的框架b中线轮6一侧的穿线孔a6-1并缠绕在线槽6-2上，另一端先从滑轮固定架a12上的v型滑轮9下方绕过后再从滑轮固定架b13上的v型滑轮a10上方绕过进行换向后与电机连接；第二组平面旋转驱动索5一端穿过最底端的框架b中线轮6的另一端穿线孔a6-1并缠绕在线槽6-2上，另一端穿过位于模块化结构体a中部的框架b中的线轮6一侧的穿线孔a6-1并缠绕在线槽6-2上；第三组平面旋转驱动索5一端穿过中部的框架b中的线轮6一侧的穿线孔a6-1并缠绕在线槽6-2上，另一侧穿过位于模块化结构体a顶部的框架c中线盘8一侧的穿线孔b8-3缠绕在线槽c8-4上。
49.本发明一种丝驱动可等曲率旋转连续体机器人装置，其具体工作原理是：
50.每个模块化结构体a包括两个框架b和一个框架c，其中有三组平面旋转驱动索5；当电机带动模块化结构体a中第一组平面旋转驱动索5转动时，第一组平面旋转驱动索5将带动模块化结构体a中的第一个框架b中的线轮6旋转，由于第一个框架b中的保持架7与线轮6固连，线轮6旋转时将带动第一个框架b、第二个框架b以及框架c一起做平面旋转；第二组平面旋转驱动索5两端分别与第一个框架b中的线轮6和第二个框架b中的线轮6固连，当第二组平面旋转驱动索5被第一个框架b中的线轮6带动旋转时，它将带动第二个框架b中的线轮6旋转，从而带动第二个框架b和框架c转过与第一个框架b同样的角度；第三组平面旋转驱动索5两端分别与第二个框架b中的线轮6和框架c中的线盘8固连，当第三组平面旋转驱动索5被第二个框架b中的线轮6带动旋转时，它将带动框架c中的线盘8旋转，从而带动框架c转过与第一个框架b同样的角度；三组平面旋转驱动索5共同作用实现模块化结构体a等曲率水平旋转运动，如图2所示；垂直旋转驱动索2一端与位于模块化结构体a顶部的框架c中的旋转架4固连，并通过滑轮固定架11上的v型滑轮b14换向后与电机相固连，当电机带动垂直旋转驱动索2转动时，垂直旋转驱动索2将带动与其固连的旋转架4做垂直旋转，如图3所示，同时旋转架4将带动与其固连的下一模块化结构体a一起做垂直旋转运动。