一种连续体机器人关节及连续体机器人
阅读说明：本技术 一种连续体机器人关节及连续体机器人 (Continuum robot joint and continuum robot ) 是由 陈贵敏 金典 于 2021-08-05 设计创作，主要内容包括：一种连续体机器人关节及连续体机器人,包括上主体片、下主体片、弹性体和中间连接件；上主体片和下主体片上均开有矩形通孔；中间连接件的两端分别设置在上主体片和下主体片的矩形通孔；上主体片和下主体片外侧边缘之间固定设置有若干弹性体。本发明通过圆片、上主体片以及下主体片的配合,实现了刚性转动副,运动学较为简单。本产品安装简单,将几个片相互插入即可,安装时可以选择让柔性单元可以处于预拉伸状态,借助弹性回复力在相邻片之间形成稳定可靠的装配,增加接触的稳定性,提高承载能力。(A continuum robot joint and a continuum robot comprise an upper main body piece, a lower main body piece, an elastic body and an intermediate connecting piece; rectangular through holes are formed in the upper main body piece and the lower main body piece; two ends of the middle connecting piece are respectively arranged in the rectangular through holes of the upper main body piece and the lower main body piece; a plurality of elastic bodies are fixedly arranged between the outer edges of the upper main body piece and the lower main body piece. According to the invention, through the matching of the wafer, the upper main body piece and the lower main body piece, a rigid revolute pair is realized, and the kinematics is simpler. The flexible unit is simple to install, the plurality of pieces can be inserted into each other, the flexible unit can be in a prestretching state during installation, stable and reliable assembly is formed between the adjacent pieces by means of elastic restoring force, contact stability is improved, and bearing capacity is improved.)
技术领域
本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种连续体机器人关节及连续体机器人。
背景技术
连续体机器人由于其细长灵活的特性，被应用于管道探测、发动机检修、手术医疗等领域。现有的连续体机器人关节，从结构上可以分为刚性关节和柔性关节。刚性关节承载能力大，运动学建模容易，但往往需要复杂的加工装配(如铣削、钻孔)，由于手术机器人往往在毫米级别，所以刚性单元加工难度较大，而一个连续体机器人往往有很多此种关节(多的可能几十上百个)，成本巨大。柔性关节可以一体制作，但承载能力较弱，在不同负载状态下变形情况不同，给运动控制带来的困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种连续体机器人关节及连续体机器人，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种连续体机器人关节，包括上主体片、下主体片、弹性体和中间连接件；上主体片和下主体片上均开有矩形通孔；中间连接件的两端分别设置在上主体片和下主体片的矩形通孔；上主体片和下主体片外侧边缘之间固定设置有若干弹性体。
进一步的，中间连接件为圆形轮廓片或运动约束插片。
进一步的，圆形轮廓片的直径大于矩形通孔的长度，每个关节至少有一个圆形轮廓片。
进一步的，运动约束插片包括插入结构、主体和运动导向轮廓结构；主体的两端分别设置插入结构和运动导向轮廓结构；插入结构插入下主体片矩形通孔内，运动导向轮廓结构插入上主体片的矩形通孔中，运动约束插片与下主体片过盈配合，运动约束插片与上主体片间隙配合；每个关节至少有一个运动约束插片。
进一步的，运动导向轮廓结构上设置有柱状的抗扭增强结构；运动约束插片的侧面设置有限位结构。
进一步的，上主体片和下主体片的外边缘均设有凸起或窄缝用于安装弹性体。
进一步的，弹性体为S形或折线形或其他可以与运动协调的形状；弹性体的两端设置有与凸起或窄缝相匹配的套筒结构、弯折结构或带多根横小枝的结构，弹性体装配时在预拉伸状态下或原始状态下装配，预拉伸方向为两安装位置连线。
进一步的，上主体片和下主体片上均开有多个穿线孔，穿线孔用于穿线或者安装外部连接设备。
进一步的，上述所有零件都可以通过平面加工的方式制造出来。柔性单元可以处于预拉伸状态进行装配。
进一步的，一种连续体机器人，由多个此种关节串联而成，通过穿线孔中的驱动丝进行驱动。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明通过圆片、上主体片以及下主体片的配合，实现了刚性转动副，运动学较为简单。本产品安装简单，将几个片相互插入即可，安装时可以选择让柔性单元可以处于预拉伸状态，借助弹性回复力在相邻片之间形成稳定可靠的装配，增加接触的稳定性，提高承载能力。
普通柔性关节，在运动时往往存在轴飘问题，即转动的中心轴相对整个关节来说不是固定的，而是随着关节转动而移动，这为运动控制带来了很大的问题。同时，柔性关节的变形和受力情况相关，不同受力情况，变形情况不同，运动的轨迹就可能不同，这也使得控制困难。此外，柔性转动关节在承受侧向力、扭矩(方向是沿着垂直于主体片上表面的轴)等载荷时，也会产生变形，导致控制困难，变形过大时，关节将无法作为一个转动关节工作，因此柔性转动关节对这些载荷的承载能力弱。这个问题对于单个关节是很严重的，而放在连续体机器人上会更加显著，因为一般连续体机器人的长径比都很大，即很细长，而工作时又常常出现伸出的臂和固定端呈现L形形状，这就导致在臂的末端加上一个很小的载荷时(例如L的最上面)，对连续体固定端(例如L的右下角)会产生一个很大的转矩，此时一般的柔性关节在此种载荷下，会发生变形，导致不能正常工作，限制了整个机器人的承载能力。本发明采用了柔性关节和运动约插片相结合的形式，首先，由于插片的存在，关节运动受到约束，一定沿着插片的轮廓运动。其次，在受到侧向力、扭矩等其他载荷时，刚性结构承受这些载荷，柔性结构不会发生影响转动的变形，提高了整个关节和整个机器人的承载能力。
本发明可以完全由平板进行加工得到，无需复杂的加工工艺，就可以得到精度较高尺寸较小的产品，而且由于平面加工，相较一般的连续体机器人所需的体加工，成本更低。一般连续体机器人不是由平板件组合得到，需要先加工出外形，然后用激光或高速钻头钻出穿线孔，在此过程中，一方面，整体尺寸较小，精度要求高，加工困难，常常需要高精度机床精密加工，另一方面，由于不是一次制作成型而是需要多道工序，需要反复拆装定位，既增大了制作难度，又由于需要特制精密的夹具而导致成本上升。一个连续体机器人又往往需要几十个此种零件，这也是现在相关机器人成本居高不下的原因之一。本发明则不同，由于采用平面加工，可以用一台设备直接加工出所有零件，无需多道工序，无需定制夹具；此外，采用刻蚀、激光、冲压等平面加工方式，可以高效制作出大量高精度的零件，极大降低了生产成本。
附图说明
图1是本发明实例1的关节示意图
图2是本发明的上主体片示意图
图3是本发明的圆片示意图
图4是本发明的下主体片示意图
图5是本发明的弹性体示意图
图6是本发明的增加了可转圆形轮廓片数目的关节示意图
图7是本发明的实例2关节示意图
图8是本发明的实例3关节示意图
图9是本发明的实例4关节示意图
图10是本发明的实例5，一种连续体机器人
图11是本发明的实例6，一种连续体机器人
图12是本发明的实例7，一种关节示意图
图13是本发明的运动约束插片示意图
图14是本发明的实例7的主体片示意图
图15是本发明的实例7的弹性体示意图
图16是本发明的实例7剖面图
图17是本发明的实例8的关节示意图
图18是本发明的实例8的运动约束插片示意图
图19是本发明的实例8的主体片示意图
图20是本发明的实例8隐去上主体片的关节示意图
图21是本发明的实例8两约束插片不同向安装示意图
图22是本发明的实例8两约束插片形状不同示意图
图23是本发明的一种带横枝的弹性体示意图
图中：1、上主体片；2、下主体片；3、圆形轮廓片；31、运动约束插片；4、弹性体安装凸起；5、弹性体；6、下主体片方形通孔；7、上主体片方形通孔；18、穿线孔；9、S形弹性体；10、折线弹性体；11、末端折弯弹性体；12、凸起；16、刚性体。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
一种连续体机器人关节，至少包括上主体片、下主体片、可转圆形轮廓片和弹性体。上主体片和下主体片均开有方形通孔，两者相对设置；可转圆形轮廓片下端插在下主体片的方形通孔中，上端插在上主体片的方形通孔中，可转圆形轮廓片直径大于通孔的长度，可转圆形轮廓片厚度与通孔的宽度接近；上主体片和下主体片外边缘均有凸起或窄缝用于安装弹性体，弹性体一端和固定在上主体片上，另一端和下主体片固定。
上主体片和下主体片上均开有多个孔，用于穿线或者供使用者安装其他东西(如弹簧、信号线、光纤等)。
上主体片和下主体片形状不需要完全一致。
每个关节至少有一个圆形轮廓片。
圆片至少可以相对上主体片和下主体片之一转动。
圆片外轮廓是圆形，但中间可以打孔或作出各种花纹。
每个关节至少有一个弹性体。
弹性体安装位置不一定要在圆片的圆柱体中心轴线上。
弹性体形状不固定，可以是S形，波浪形也可以是其他与运动相协调的柔顺机构的造型。
所述的关节当受到外力驱动时，上主体片相对下主体片发生运动，转动中心和圆片的圆柱体中心轴线重合，同时安装的弹性体发生弹性变形，产生一个恢复力矩。
在此基础上，再增加多个弹性体，如外围包裹一个弹簧或插入一个弹簧等应视为受本发明保护。
多个此种关节串联(将一个关节的下主体片和另一个关节的上主体片连接)，驱动丝从前到后穿过，就形成了连续体机器人。
这里的串联可以是相邻两个关节的转动中心轴正交，也可以是成任意角度。
这里的驱动丝包括各种材料的驱动丝，如镍钛合金丝、鱼线、钢丝绳等。
实施例1如图1所示，一种新型连续体机器人关节，至少包括上主体片1、下主体片2、圆形轮廓片3和弹性体5。上主体片1和下主体片2均开有若干方形通孔，两者相对设置，在本实例中，各自开有八个方形通孔，且上主体片1和下主体片2形状完全相同。可转圆形轮廓片3下端插在下主体片方形通孔6中，上端插在上主体片方形通孔7中，可转圆形轮廓片3直径大于方形通孔的长度，在本实例中可转圆形轮廓片3厚度略小于方形通孔的宽度。上主体片1和下主体片2外边缘均有弹性体安装凸4起用于安装弹性体5。弹性体5一端连接上主体片1，另一端和下主体片2连接，同时弹性体5孔的尺寸略小于弹性体安装凸起，形成过盈配合，保证不会轻易脱出。在上主体片1和下主体片2上，打有若干个穿线孔18，这些穿线孔18可以用于安装驱动丝或其他需要的设备(如电线、光纤)。
在工作过程中，外力作用下上主体片1相对于下主体片2运动，由于圆片3和弹性体5的共同作用，整个关节变成一个绕着圆形轮廓片3的圆柱中心轴转动的转动副。
在实际实施中，可转圆形轮廓片3数目≥1，弹性体5数目≥1，圆片和弹性体可以非对称的布置。如图1所示，安装了两个可转圆形轮廓片3和两个弹性体5，如图6所示，增加可转圆形轮廓片4数目到三个，减少了弹性体5数目到一个。
在实际实施中，弹性体的形状可以是任意设置的形状，由设计者根据自身需要进行调整。如图7所示，出于材料、加工和刚度等多方面考虑，在实例2中将S形的弹性体5替代为“双C形”弹性体。
同时弹性体安装位置也可以改变。如图8的实例3所示，将弹性体替代为类似弹簧的折线弹性体，并且将安装位置从图1所示的与可转圆形轮廓片4圆柱中心线平行的凸起位置，转到图8的与圆柱中心线垂直的弹性体安装凸起。在关节转动过程中，折线弹性体受力变形，产生回复力矩。
安装弹性体的方式除了凸起以外还可以用窄槽的形式安装，在实例4中，如图9所示，末端折弯弹性体的上下两端分别安装在上下两个主体片的窄槽中。同样的，窄槽的位置、数量、形状等可以依据设计者需求进行调整(例如窄槽和凸起同时使用。)
一种连续体机器人由多个本发明所提及的关节串联而成，通过由孔中穿过的驱动丝进行驱动。在工作中，驱动丝长度变化，使孔受力，带动关节转动，从而使整个连续体机器人末端移动。这里所说的驱动丝，指一切起驱动作用的丝，包括不限于镍钛合金丝、鱼线、钢丝、细金属丝等材料。
这里所说的相邻关节，转动中心轴可以平行也可以相互垂直，而且相邻关节可以不完全结构一致。
这里所说的串联，可以是经过弹性体相连接，也可以经过刚性连接(包括刚性连接件、焊接、胶合等)。
如图10所示的实例5中，每两个主体片之间，是由弹性体5和可转圆形轮廓片3连接而成，图示连续体机器人就可以看做关节一13和关节二14之间通过弹性体5和可转圆形轮廓片3相连接，而连接处形成了一个新的关节三15。
如图11所示的实例6中，相邻两个单元之间，通过刚性连接件16相连接。
实例如图12所示，一个关节包括上主体片1，下主体片2，运动约束插片31，弹性体5。其中，运动约束插片31包括插入结构6、运动导向轮廓结构8；上主体片1和下主体片2上开有运动导向通孔、插片安装通孔，和穿线孔18，在边缘还有弹性体安装凸起12；运动约束插片31的与下主体片2相对固定，其插入结构6插入下主体片的插片安装通孔中，运动导向轮廓结构8插入上主体片1的运动导向通孔中，本实例中运动约束插片31的与下主体片2过盈配合，运动约束插片31的与上主体片1间隙配合；弹性体的两个弹性体安装孔分别套在上主体片1和下主体片2上的弹性体安装凸起12上。
如图17所示，在每个关节中，可以有多个运动导向轮廓结构8；同时也会有多个运动导向通孔、插片安装通孔，而这两类孔形状可以相同，如图19所示。
在一个关节有多个运动导向轮廓结构8的情况下，这些运动导向轮廓结构8可以与同一个主体片相对固定，也可以与不同的主体片相对固定，如图21所示。
同一个关节，所用的运动约束插片31可以不同，只要满足运动导向轮廓结构8所约束的相对运动一致就可以，如图22所示，就用了两个不同但约束的相对运动一致的插片。
关节所用的弹性体，除了采用包住凸起的方式以外，也可以采用嵌入窄缝的形式，如图23所示，弹性体末端有横的小枝，四根小枝分别卡住主体片的上下两面，小枝之间部分被窄缝夹紧，从而安装在关节上。
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