本發(fā)明涉及一種彎曲扭轉(zhuǎn)變形模塊，具體涉及一種并聯(lián)式線驅(qū)動軟體機(jī)器人彎曲扭轉(zhuǎn)變形模塊。

背景技術(shù)：

近幾年，隨著傳統(tǒng)剛性機(jī)器人在某些特定應(yīng)用環(huán)境下難以滿足人類的需求，世界范圍內(nèi)掀起了軟體機(jī)器人研究的熱潮，軟體機(jī)器人是機(jī)器人研究的一個全新的熱點方向，涉及仿生學(xué)、機(jī)器人學(xué)、柔性力學(xué)、軟材料學(xué)以及控制等學(xué)科，設(shè)計靈感來自于自然界的軟體動物或器官。針對任務(wù)明確、不確定性低的可控環(huán)境，傳統(tǒng)機(jī)器人憑借自身高精度、高剛度、速度快、重復(fù)性好等特點，在工業(yè)制造、醫(yī)療設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

然而，當(dāng)環(huán)境復(fù)雜、任務(wù)要求不確定時，需要確保人機(jī)交互的安全性。軟體機(jī)器人形態(tài)結(jié)構(gòu)簡單，由于其固有的柔順性，能夠抵御外部沖擊，可適應(yīng)不利的環(huán)境條件，且相較于傳統(tǒng)機(jī)器人，具有設(shè)計靈活、易于制造、成本低廉等優(yōu)點。軟體機(jī)器人采用超彈性材料制作本體結(jié)構(gòu)，理論上具有無限的自由度和連續(xù)變形能力，可以極大程度上適應(yīng)環(huán)境的不確定性；同時由于其柔軟接觸、被動順從的優(yōu)點，使接觸碰撞力最小化，彌補(bǔ)了剛性機(jī)器人的缺點，因此主要用于夾持器、外骨骼、醫(yī)療輔助器械等領(lǐng)域。目前主要借助柔性材料(如：超彈性硅橡膠、電活性聚合物、水凝膠等)以及新型驅(qū)動技術(shù)(如：流體驅(qū)動、電磁致伸縮、線驅(qū)動、磁流變等)進(jìn)行變形運(yùn)動。

研究文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前大量的研究工作致力于研究彎曲致動器的結(jié)構(gòu)和控制，同時有關(guān)彎曲模塊的特性表征實驗也大量展開。如哈佛大學(xué)、康奈爾大學(xué)、加州大學(xué)圣地亞哥分校、麻省理工學(xué)院等研制了基于流體驅(qū)動的硅橡膠軟體彎曲模塊并進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)建模分析。有關(guān)線驅(qū)動和扭轉(zhuǎn)模塊的研究很少，仍處在初級階段。但線驅(qū)動相對于流體驅(qū)動具有響應(yīng)速度快、控制精度高等優(yōu)點；同時如果將扭轉(zhuǎn)變形和彎曲變形相結(jié)合，靈活性和應(yīng)用范圍將大大提升。流體驅(qū)動對軟體模塊的密閉性要求很高，泄露問題會造成控制精度大大減弱，同時充入流體的壓強(qiáng)過大也會引起破壞軟體結(jié)構(gòu)的風(fēng)險；采用線驅(qū)動只需將牽引線的一端固定另一端施加牽引力即可，相較于流體驅(qū)動對軟體機(jī)器人的制造工藝要求低，制作簡單，同時采用電機(jī)牽引響應(yīng)速度快、控制精度高。從軟體仿生角度，仔細(xì)觀察人手的運(yùn)動方式，不僅有彎曲作用，也有扭轉(zhuǎn)作用；從應(yīng)用環(huán)境角度，扭轉(zhuǎn)運(yùn)動和彎曲運(yùn)動結(jié)合，更容易克服阻力，從而順利通過狹窄彎曲復(fù)雜的空間；從運(yùn)動形式角度，純粹的彎曲模塊缺少扭轉(zhuǎn)自由度，導(dǎo)致運(yùn)動形式單一，有些空間位姿不易到達(dá)。因此，急需設(shè)計一款運(yùn)動形式簡潔、制造簡便、操作簡單的彎曲扭轉(zhuǎn)軟體機(jī)器人。

綜上，現(xiàn)有的軟體機(jī)器人純粹的彎曲模塊缺少扭轉(zhuǎn)自由度導(dǎo)致運(yùn)動形式單一，有些空間位姿不易達(dá)到。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有的軟體機(jī)器人純粹的彎曲模塊缺少扭轉(zhuǎn)自由度導(dǎo)致運(yùn)動形式單一，有些空間位姿不易達(dá)到的問題，進(jìn)而提供一種并聯(lián)式線驅(qū)動軟體機(jī)器人彎曲扭轉(zhuǎn)變形模塊。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是：

本發(fā)明的并聯(lián)式線驅(qū)動軟體機(jī)器人彎曲扭轉(zhuǎn)變形模塊包括彈性主體1、六根軟硅膠管2、三個鎖頭3、六根軟鋼絲繩4和塑形端蓋5；彈性主體1和塑形端蓋5均為圓柱體，塑形端蓋5安裝在彈性主體1的前端面上，三個鎖頭3沿塑形端蓋5的圓周方向均布設(shè)置在塑形端蓋5的外端面上，六根軟硅膠管2內(nèi)嵌在彈性主體1內(nèi)且二者制成一體，六根軟硅膠管2在彈性主體1的兩端兩兩相交設(shè)置且沿彈性主體1的圓周方向均布設(shè)置，每根軟硅膠管2內(nèi)穿裝有一根軟鋼絲繩4，彈性主體1前端相鄰兩根軟鋼絲繩4穿過塑形端蓋5通過一個鎖頭3固定，彈性主體1末端相鄰兩根軟鋼絲繩4通過電機(jī)驅(qū)動。

進(jìn)一步地，所述彈性主體1和軟硅膠管2均為超彈性硅橡膠復(fù)合材料。

進(jìn)一步地，塑形端蓋5的材質(zhì)為塑料。

進(jìn)一步地，塑形端蓋5和彈性主體1的軸心位于同一直線上。

進(jìn)一步地，軟鋼絲繩4的材質(zhì)為304鋼。

進(jìn)一步地，彈性主體1末端的軟鋼絲繩4通過電機(jī)將驅(qū)動力傳導(dǎo)到塑性端蓋5上，塑性端蓋5與彈性主體1緊密貼合從而帶動彈性主體1運(yùn)動，通過驅(qū)動彈性主體1上不同的軟鋼絲繩4可以實現(xiàn)彎曲變形運(yùn)動和扭轉(zhuǎn)變形運(yùn)動。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：

本發(fā)明的并聯(lián)式線驅(qū)動軟體機(jī)器人彎曲扭轉(zhuǎn)變形模塊利用拉伸軟鋼絲繩時在前端蓋上產(chǎn)生的拉力進(jìn)行制動，不需額外的傳動元件即可實現(xiàn)彈性主體扭轉(zhuǎn)和彎曲變形運(yùn)動；從而達(dá)到三維作業(yè)空間任意位置點，動作執(zhí)行效率高，驅(qū)動高效；

本發(fā)明的并聯(lián)式線驅(qū)動軟體機(jī)器人彎曲扭轉(zhuǎn)變形模塊采用超彈性硅膠材料制成，可以承受高強(qiáng)度的擠壓力；結(jié)構(gòu)形態(tài)簡單，易于加工制造；

本發(fā)明的并聯(lián)式線驅(qū)動軟體機(jī)器人彎曲扭轉(zhuǎn)變形模塊采用并聯(lián)排布驅(qū)動結(jié)構(gòu)，參照并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式，在圓柱體內(nèi)部排布六根驅(qū)動線，當(dāng)拉伸任意兩根驅(qū)動線時，模塊產(chǎn)生彎曲變形運(yùn)動，將六根線按從前端到末端排布方向分成順時針和逆時針兩組，同時拉伸任意一組中的三根線可使模塊產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形運(yùn)動；

本發(fā)明應(yīng)用范圍廣泛，可用于與彎曲模塊、伸長模塊串聯(lián)，形成超冗余機(jī)械臂，用于微創(chuàng)手術(shù)；也可用于夾持器，輔助醫(yī)療設(shè)備等。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的并聯(lián)式線驅(qū)動軟體機(jī)器人彎曲扭轉(zhuǎn)變形模塊整體結(jié)構(gòu)透視圖；

圖2是本發(fā)明的并聯(lián)式線驅(qū)動軟體機(jī)器人彎曲扭轉(zhuǎn)變形模塊整體側(cè)面俯視圖；

圖3是本發(fā)明的具體實施方式一中塑形端蓋5的前端俯視圖；

圖4是圖2的i-i剖視圖；

圖5是圖3的ii-ii剖視圖。

具體實施方式

具體實施方式一：如圖1～5所示，本實施方式的并聯(lián)式線驅(qū)動軟體機(jī)器人彎曲扭轉(zhuǎn)變形模塊包括彈性主體1、六根軟硅膠管2、三個鎖頭3、六根軟鋼絲繩4和塑形端蓋5；彈性主體1和塑形端蓋5均為圓柱體，塑形端蓋5安裝在彈性主體1的前端面上，三個鎖頭3沿塑形端蓋5的圓周方向均布設(shè)置在塑形端蓋5的外端面上，六根軟硅膠管2內(nèi)嵌在彈性主體1內(nèi)且二者制成一體，六根軟硅膠管2在彈性主體1的兩端兩兩相交設(shè)置且沿彈性主體1的圓周方向均布設(shè)置，每根軟硅膠管2內(nèi)穿裝有一根軟鋼絲繩4，彈性主體1前端相鄰兩根軟鋼絲繩4穿過塑形端蓋5通過一個鎖頭3固定，彈性主體1末端相鄰兩根軟鋼絲繩4通過電機(jī)驅(qū)動。

具體實施方式二：如圖1和圖2所示，本實施方式所述彈性主體1和軟硅膠管2均為超彈性硅橡膠復(fù)合材料。如此設(shè)計，可以承受高強(qiáng)度的擠壓力；結(jié)構(gòu)形態(tài)簡單，易于加工制造。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：如圖1～3所示，本實施方式塑形端蓋5的材質(zhì)為塑料。如此設(shè)計，塑形端蓋5采用3d打印而成，剛度和硬度大于彈性主體1，塑形端蓋5用于驅(qū)動線拉力的主要承載體。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式一或二相同。

具體實施方式四：如圖1和圖2所示，本實施方式塑形端蓋5和彈性主體1的軸心位于同一直線上。如此設(shè)計，可增加塑形端蓋5受力時的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)傾覆力矩。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式三相同。

具體實施方式五：如圖1和圖2所示，本實施方式軟鋼絲繩4的材質(zhì)為304鋼。如此設(shè)計，軟鋼絲繩4通過軟硅膠管2從末端延伸到塑形端蓋5，每相鄰的兩根軟鋼絲繩4共用一個鎖頭3固定鎖死，在軟鋼絲繩4的末端施加驅(qū)動力；軟鋼絲繩4質(zhì)地柔軟，韌性大。可承載較大的拉力，不易斷裂，可隨意變形。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式一、二或四相同。

具體實施方式六：如圖1和圖2所示，本實施方式彈性主體1末端的軟鋼絲繩4通過電機(jī)將驅(qū)動力傳導(dǎo)到塑性端蓋5上，塑性端蓋5與彈性主體1緊密貼合從而帶動彈性主體1運(yùn)動，通過驅(qū)動彈性主體1上不同的軟鋼絲繩4可以實現(xiàn)彎曲變形運(yùn)動和扭轉(zhuǎn)變形運(yùn)動。如此設(shè)計，在軟體機(jī)器人模塊末端，對任意兩根軟鋼絲繩4施加拉力可使模塊彎曲變形運(yùn)動，通過力的大小變化實現(xiàn)不同的彎曲角度；對順時針旋向的三根軟鋼絲繩4同時施加相同大小的力可使彈性主體1扭轉(zhuǎn)變形運(yùn)動，通過力的大小變化實現(xiàn)不同的扭轉(zhuǎn)角度，最大扭轉(zhuǎn)角度約60°，逆時針旋向同理。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式五相同。