变刚度张拉整体结构连续体机器人

本发明涉及机器人，具体涉及一种变刚度张拉整体结构连续体机器人。

背景技术：

1、传统工业机器人多为刚性离散杆件结构，其运动性能受到其结构影响，应用场景与安全性能都有局限性。随着机器人应用于各种领域，机器人的工作任务也多元化，其工作环境环境也更加复杂多变且高度非结构化，例如多障碍复杂工业环境作业、弯曲管道内探测与维护、不规则物体的卷取、垮塌建筑内搜救以及人体腹腔微创手术等方面。传统机器人在灵活性、环境适应性以及安全性方面较为欠缺，难以完成在复杂非结构环境或人体内的工作任务。

2、目前已有多种连续体机器人，其以刚性结构为主体支承的连续体机器人为基础，在其结构或驱动上加以优化改进，得到灵活性、安全性等优于传统连续体机器人的新型连续体机器人。专利申请号cn115157228a公开了一种带自锁机构的渐变刚度型柔性机器人，其通过梯度变化连续体基本单元模块的外径大小，并且串联不同刚度系数的弹簧，实现整个连续体刚度的渐变式变刚度，且通过自锁机构实现连续体主体机构自锁。其在保证连续体机器人的柔顺性的同时提高系统的整体刚度，以及提高了机器人的控制精度与负载能力。但该连续体机器人无法实现轴向的伸缩运动，并且其刚度渐变受到弹簧刚度的限制。

3、另一方面，连续体机器人在面对复杂作业环境时，需要具有良好的避障能力以及结构可变性。目前的连续体机器人大多采用刚性骨架为主体，仅能够实现两个方向的弯曲运动，在不外加驱动下难以实现轴向的伸缩运动，且多为单一刚度。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种变刚度张拉整体结构连续体机器人，其以高强度质量比、可伸缩的张拉整体结构为基本单元，基本单元之间通过相同弹性系数的压簧连接。该连续体机器人在保证一定强度的同时，能够实现传统连续体机器人难以实现的弯曲、伸缩三自由度的运动与刚度可适应性调整，能够很好的适应复杂非结构环境。

2、本发明提供一种变刚度张拉整体结构连续体机器人，其包括连续体机器人主体、固定平台、工作平台和驱动模块；所述连续体机器人本体第一端与固定平台固定连接，所述连续体机器人本体第二端与工作平台相连；所述驱动模块放置于固定平台，且所述驱动模块的驱动绳索穿过连续体机器人本体后与连续体机器人本体第二端相连，通过驱动模块带动驱动绳索驱动连续体机器人本体实现运动；

3、所述连续体机器人本体包括多个张拉整体结构基本单元、第一拉索和压簧，相邻两个张拉整体结构基本单元借助于第一拉索和压簧连接；所述第一拉索为相邻两个张拉整体结构基本单元提供径向和轴向力，所述预紧驱动绳索和压簧为相邻两个张拉整体结构基本单元提供轴向力；

4、所述张拉整体结构基本单元包括第一v形杆、第二v形杆以及连接第一v形杆和第二v形杆的弹簧，所述第一v形杆的v字开口向下设置，所述第二v形杆的v字开口向上设置，所述第一v形杆和第二v形杆的v字开口相对设置且借助于弹簧将第一v形杆和第二v形杆的v字形尖角连接，第一v形杆和第二v形杆的v字正投影平面相互垂直且共用一个对称轴；每一个v形杆v字形尖角处分别借助第二拉索与另一个v形杆v字形开口的两个端部内侧连接；第一v形杆和第二v形杆的v字形开口的两个端部之间分别借助于第三拉索连接；

5、所述张拉整体结构基本单元中的拉索与弹簧均呈预紧状态，且各对称位置的拉索初始张紧力相等，张拉整体结构基本单元呈自应力平衡状态。

6、优选地，所述第一v形杆和第二v形杆的v字形尖角处均设置有挂钩固定片，所述第一v形杆和第二v形杆的v字开口两个端部均设置有矩形通孔、竖直固定片孔、挂钩固定片和y字形固定片，矩形通孔和竖直固定片孔分别与挂钩固定片和y字形固定片彼此配合并借助于柱销固定；

7、其中一个v形杆v字形尖角处的挂钩固定片借助于两根长度相等的第二拉索分别与另一个v字形开口的两个端部内侧的挂钩固定片连接；

8、其中一个v形杆两个端部的y字形固定片借助于两根长度相等的第三拉索分别与另一个v形杆两个端部的y字形固定片连接。

9、优选的，所述张拉整体结构基本单元中的第一v形杆和第二v形杆的两个端部底部均设置有与压簧第一端配合的圆形凹槽，所述压簧的第二端与相邻的张拉整体结构基本单元中的第一v形杆和第二v形杆的两个端部的圆形凹槽上部配合，且所述压簧间隔90°均匀分布。

10、优选的，所述张拉整体结构基本单元中第一v形杆两端通过挂钩固定片利用第一拉索与相邻张拉整体结构基本单元中第二v形杆两端的挂钩固定片相连接；所述相邻两个张拉整体结构基本单元之间借助于相互对称的四根呈拉伸状态的第一拉索连接，所述第一拉索上设置有弹簧。

11、优选的，所述连续体机器人本体第一端的张拉整体结构基本单元的第一v形杆的圆形凹槽与上固定平台的圆轴过盈配合。

12、优选的，所述连续体机器人本体第二端的张拉整体结构基本单元的第二v形杆的圆形凹槽与工作平台的短圆轴过盈配合；第二端的张拉整体结构基本单元的第一v形杆的圆形凹槽与驱动绳固定筒过盈配合。

13、优选的，所述驱动模块通过螺栓固定于下固定平台；所述驱动模块包括四个驱动单元以及驱动绳索，每一个驱动单元均包括驱动电机、减速带轮系统和驱动轴，所述驱动电机借助于减速带轮系统带动驱动轴旋转从而收缩或放松驱动绳索。

14、优选地，所述四个驱动单元间隔90°均匀分布于下固定平台上，驱动单元的驱动轴切线与v形杆半腰圆形平台上的通孔轴线共线。

15、优选的，所述驱动绳索第一端缠绕固定于驱动轴，驱动绳索第二端穿过v形杆两端通孔与张拉整体结构基本单元之间的压簧轴心，并通过固定螺栓固定于连续体机器人本体第二端。

16、与现有技术相比，本发明的技术效果如下：

17、(1)本发明的整个连续体机器人本体以张拉整体结构为基本单元，张拉整体结构基本单元利用两个v形杆作为刚性构件，并以拉索与弹簧固定两个v形杆使得其达到自平衡状态。其整体结构简单、质量轻、强度高，并且在遭受冲击或承载时通过v形杆的相对位置微小变化，减轻系统震荡和改变张拉整体基本单元的结构刚度。

18、(2)本发明通过四根与压簧连接的第一拉索和四根压簧提供相邻两个张拉整体结构基本单元间的轴向支撑和径向固定，使得相邻张拉整体结构基本单元能够通过驱动绳索改变相对位置实现弯曲运动、轴向的伸缩运动以及连续体机器人本体的刚度调节，整个连续体机器人具有更多的自由度以及更高的灵活性。

19、(3)本发明的整个连续体机器人本体采用拉索与弹簧固定与连接，其中拉索可通过挂钩与v形杆连接，使得连续体机器人本体安装拆卸方便，并且可根据需要调节拉索参数和预紧改变连续体机器人性能。

20、(4)本发明的连续体机器人通过驱动绳索收缩和放松带动连续体机器人末端实现预定的运动。当驱动绳索收缩或放松时，张拉整体结构基本单元绕着本单元中开口向下的v形杆和下方基本单元中开口向上的v形杆所形成的两个虚拟轴转动。连续体机器人由若干张拉结构基本单元的转动实现连续体本体的弯曲运动，使得连续体本体的弯曲运动更加精确稳定。