專利名稱：一種磁流變連續(xù)體機器人操作器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁流變連續(xù)體機器人操作器。傳統(tǒng)的串聯(lián)機器人模擬人的關(guān)節(jié)骨骼運動系統(tǒng)，由有限數(shù)量的關(guān)節(jié)和連桿串聯(lián)構(gòu)成。此類機器人按照是否存在冗余自由度可以分為非冗余自由度機器人和冗余自由度機器人兩大類型。非冗余自由度機器人的關(guān)節(jié)空間維數(shù)等于其任務(wù)空間維數(shù)，存在著靈活性較差的缺點，即在規(guī)定末端位姿軌跡后，不能避免關(guān)節(jié)空間中存在的奇異點或運動靈活性差的區(qū)域、在某些情況下動力學(xué)性能差。冗余自由度機器人正是為解決靈活性問題而提出的，它通過増加冗余關(guān)節(jié)使關(guān)節(jié)空間維數(shù)大于任務(wù)空間維數(shù)，使機器人在實現(xiàn)期望的末端位姿 的同時具有更高的靈活性。然而冗余度機器人并沒有突破傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)-連桿式結(jié)構(gòu)，改進效果有限。本發(fā)明基于象鼻的仿生原理，提出一種磁流變連續(xù)體機器人操作器。本發(fā)明目的是提供一種磁流變連續(xù)體機器人操作器，該機器人操作器能夠連續(xù)彎曲變形，運動靈活，適于抓取不規(guī)則形狀物體，是對傳統(tǒng)關(guān)節(jié)式機器人的有益補充。本發(fā)明由端蓋I、驅(qū)動線繩2、I型脊骨盤3、軟管4、磁流變液5、線圈6、彈簧7、II型脊骨盤8、線繩導(dǎo)管9、操作對象10、軟管套箍11、粘接膠12、導(dǎo)線套管13，連接盤14、磁流變液調(diào)壓及補液裝置15、驅(qū)動裝置箱體16、線繩導(dǎo)管支架17、滑輪18、步進電機19、蓋板20構(gòu)成。其整體為類似象鼻的長管型結(jié)構(gòu)，外層為多節(jié)圓柱彈簧7串聯(lián)而成，任意兩個相鄰彈簧6之間采用脊骨盤3或8相聯(lián)接。每個脊骨盤3或8的中心開有圓形通孔，內(nèi)充磁流變液5的軟管4從所有脊骨盤3或8的通孔中穿過，軟管4的首端和磁流變液調(diào)壓及補液裝置15通過螺紋相連接，磁流變液調(diào)壓及補液裝置15由殼體21、活塞22、密封23、調(diào)壓彈簧24、壓盤25、上蓋26、調(diào)壓螺桿27組成，上蓋26和殼體21之間為螺紋聯(lián)接，調(diào)壓螺桿27和上蓋26之間也為螺紋連接，調(diào)壓螺桿27和壓盤25固連，可以通過旋轉(zhuǎn)調(diào)壓螺桿27使其帶動壓盤25沿軸向上下移動從而調(diào)節(jié)調(diào)壓彈簧24的預(yù)緊力，從而調(diào)節(jié)磁流變液的壓力，另外打開上蓋26，拿出活塞22后，可以直接向殼體內(nèi)補充磁流變液。軟管4的末端固聯(lián)在端蓋I上。軟管外徑略小于脊骨盤中心通孔的內(nèi)徑，軟管4和脊骨盤3或8連接處都套有軟管套箍11，軟管套箍11外表面和脊骨盤3或8內(nèi)孔表面之間存在徑向間隙，此間隙內(nèi)注入粘結(jié)膠12將軟管套箍11和脊骨盤3和8粘結(jié)在一起。另外軟管4的外面纏繞有線圈6，軟管4內(nèi)部設(shè)置阻流隔28，通過改變線圈6的電流可以調(diào)節(jié)作用在軟管內(nèi)的磁流變液的磁場強度，從而控制磁流變液的流變特性，起到調(diào)節(jié)整個操作器剛度和阻尼的作用。外層圓柱彈簧的串聯(lián)體(總體呈長管狀)的首端的脊骨盤通過連接盤14固聯(lián)在驅(qū)動箱體底面上。圓柱彈簧的串聯(lián)體共分為4段，每段包括四個彈簧，彈簧之間由I型脊骨盤3連接，而每段的首、末端的脊骨盤則為II型脊骨盤8。每段分別由四根線繩2獨立驅(qū)動。各段的線繩2都從驅(qū)動箱體16內(nèi)的滑輪18引出，依次穿過各個脊骨盤3或8中心通孔直到該段末端的的I型脊骨盤(但第四段末端為端蓋)。線繩分段驅(qū)動具體實現(xiàn)為每四節(jié)相鄰的圓柱彈簧構(gòu)成一段，每段采用獨立的線驅(qū)動。在每個脊骨盤8的中圓(半徑為脊骨盤外徑一半的圓)上設(shè)有周向均布的4個通孔(以下稱為主導(dǎo)線孔)，驅(qū)動線繩2引自操作器首端的驅(qū)動裝置18，依次穿過各脊骨盤主導(dǎo)線孔連接到各段末端的脊骨盤上。由驅(qū)動裝置中的步進電機帶動滑輪轉(zhuǎn)動來驅(qū)動線繩收縮實現(xiàn)彎曲變形。驅(qū)動線繩外套有線繩導(dǎo)管9，在每個脊骨盤上接近外緣的圓周上開有4個均布的小通孔(稱為分支導(dǎo)線孔)，用來固定線繩導(dǎo)管9。線繩導(dǎo)管9在每段段首的脊骨盤之前分出用于該段的分支套管9，分支套管9引到段首脊骨盤的分支導(dǎo)線孔處，而此分支導(dǎo)線孔處帶有ー個固定分支套管的小凸起平臺，分支套管的端部帶有鐵套，上有螺紋，而凸起平臺上由螺紋孔，可以用螺母聯(lián)結(jié)上述兩螺紋，將分支套管末端固定在凸起平臺上。驅(qū)動線繩從分支套管中引出經(jīng)過此段中間脊骨盤的分支導(dǎo)線孔最后連接在此段末端的脊骨盤上。驅(qū)動時利用套管和驅(qū)動線繩之間的相對位移帶動段中的所有脊骨盤，可避免對驅(qū)動線繩所經(jīng)過各段產(chǎn)生附加彎矩。該機器人操作器采用分段線驅(qū)動方式，可根據(jù)需要對其中任何一段進行不同曲率的彎曲操作，可以實現(xiàn)類似象鼻的卷繞動作。而且配合線繩驅(qū)動，可以根據(jù)卷繞動作的需要調(diào)節(jié)線圈6的電流可以使軟管內(nèi)的磁流變液處于液態(tài)或固態(tài)，控制整個操作器剛度，配合線繩驅(qū)動完成卷繞動作。本發(fā)明是對傳統(tǒng)關(guān)節(jié)桿式機器人的補充，但不同于一般的冗余或超冗余關(guān)節(jié)式機器人，它可以任意連續(xù)柔性變形，實現(xiàn)靈活運動，而且可對不規(guī)則形狀物體的實現(xiàn)抓取操作。

圖I是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是I型脊骨盤的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是II型脊骨盤的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是軟管內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是磁流變液調(diào)壓及補液裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
具體實施方式
一(參見圖f圖3)本發(fā)明由端蓋I、驅(qū)動線繩2、I型脊骨盤3、軟管4、磁流變液5、線圈6、彈簧7、II型脊骨盤8、線繩導(dǎo)管9、操作對象10、軟管套箍11、粘接膠12、導(dǎo)線套管13，連接盤14、磁流變液調(diào)壓及補液裝置15、驅(qū)動裝置箱體16、線繩導(dǎo)管支架17、滑輪18、步進電機19、蓋板20構(gòu)成。其整體為類似象鼻的長管型結(jié)構(gòu)，外層為多節(jié)圓柱彈簧7串聯(lián)而成，任意兩個相鄰彈簧6之間采用脊骨盤3或8相聯(lián)接。每個脊骨盤3或8的中心開有圓形通孔，內(nèi)充磁流變液5的軟管4從所有脊骨盤3或8的通孔中穿過，軟管4的首端和磁流變液調(diào)壓及補液裝置15通過螺紋相連接，磁流變液調(diào)壓及補液裝置15由殼體21、活塞22、密封23、調(diào)壓彈簧24、壓盤25、上蓋26、調(diào)壓螺桿27組成，上蓋26和殼體21之間為螺紋聯(lián)接，調(diào)壓螺桿27和上蓋26之間也為螺紋連接，調(diào)壓螺桿27和壓盤25固連，可以通過旋轉(zhuǎn)調(diào)壓螺桿27使其帶動壓盤25沿軸向上下移動從而調(diào)節(jié)調(diào)壓彈簧24的預(yù)緊力，從而調(diào)節(jié)磁流變液的壓力，另外打開上蓋26，拿出活塞22后，可以直接向殼體內(nèi)補充磁流變液。軟管4的末端固聯(lián)在端蓋I上。軟管外徑略小于脊骨盤中心通孔的內(nèi)徑，軟管4和脊骨盤3或8連接處都套有軟管套箍11，軟管套箍11外表面和脊骨盤3或8內(nèi)孔表面之間存在徑向間隙，此間隙內(nèi)注入粘結(jié)膠12將軟管套箍11和脊骨盤3和8粘結(jié)在一起。另外軟管4的外面纏繞有線圈6，軟管4內(nèi)部設(shè)置阻流隔28，通過改變線圈6的電流可以調(diào)節(jié)作用在軟管內(nèi)的磁流變液的磁場強度，從而控制磁流變液的流變特性，起到調(diào)節(jié)整個操作器剛度和阻尼的作用。外層圓柱彈簧的串聯(lián)體(總體呈長管狀)的首端的脊骨盤通過連接盤14固聯(lián)在驅(qū)動箱體底面上。圓柱彈簧的串聯(lián)體共分為4段，每段包括四個彈簧，彈簧之間由I型脊骨盤3連接，而每段的首、末端的脊骨盤則為II型脊骨盤8。每段分別由四根線繩2獨立驅(qū)動。各段的線繩2都從驅(qū)動箱體16內(nèi)的滑輪18引出，依次穿過各個脊骨盤3或8中心通孔直到該段末端的的I型脊骨盤(但第四段末端為端蓋)。線繩分段驅(qū)動具體實現(xiàn)為每四節(jié)相鄰的圓柱彈簧構(gòu)成一段，每段采用獨立的線驅(qū)動。在每個脊骨盤8的中圓(半徑為脊骨盤外徑一半的圓)上設(shè)有周向均布的4個通孔(以下稱為主導(dǎo)線孔)，驅(qū)動線繩2引自操作器首端的驅(qū)動裝置18，依次穿過各脊骨盤主導(dǎo)線孔連接到各段末端的脊骨盤上。由驅(qū)動裝置中的步進電機帶動滑輪轉(zhuǎn)動來驅(qū)動線繩收縮實現(xiàn)彎曲變形。驅(qū)動線繩外套有線繩導(dǎo)管9，在每個脊骨盤上接近外緣的圓周上開有4個均布的小通孔(稱為分支導(dǎo)線孔)，用來固定線繩導(dǎo)管9。線繩導(dǎo)管9在每段段首的脊骨盤之前分出用于該段的分支套管9，分支套管9引到段首脊骨盤的分支導(dǎo)線孔處，而此分支導(dǎo)線孔處帶有ー個固定分支套管的小凸起·平臺，分支套管的端部帶有鐵套，上有螺紋，而凸起平臺上由螺紋孔，可以用螺母聯(lián)結(jié)上述兩螺紋，將分支套管末端固定在凸起平臺上。驅(qū)動線繩從分支套管中引出經(jīng)過此段中間脊骨盤的分支導(dǎo)線孔最后連接在此段末端的脊骨盤上。驅(qū)動時利用套管和驅(qū)動線繩之間的相對位移帶動段中的所有脊骨盤，可避免對驅(qū)動線繩所經(jīng)過各段產(chǎn)生附加彎矩。
具體實施方式
ニ 本實施方式中驅(qū)動電機為伺服電機，其它與具體實施方式
一相同。
權(quán)利要求1.一種磁流變連續(xù)體機器人操作器，由端蓋I、驅(qū)動線繩2、I型脊骨盤3、軟管4、磁流變液5、線圈6、彈簧7、11型脊骨盤8、線繩導(dǎo)管9、操作對象10、軟管套箍11、粘接膠12、導(dǎo)線套管13，連接盤14、磁流變液調(diào)壓及補液裝置15、驅(qū)動裝置箱體16、線繩導(dǎo)管支架17、滑輪18、步進電機19、蓋板20構(gòu)成；其整體為類似象鼻的長管型結(jié)構(gòu)，外層為多節(jié)圓柱彈簧7串聯(lián)而成，任意兩個相鄰彈簧6之間采用脊骨盤3或8相聯(lián)接；每個脊骨盤3或8的中心開有圓形通孔，內(nèi)充磁流變液5的軟管4從所有脊骨盤3或8的通孔中穿過，軟管4的首端和磁流變液調(diào)壓及補液裝置15通過螺紋相連接，磁流變液調(diào) 壓及補液裝置15由殼體21、活塞22、密封23、調(diào)壓彈簧24、壓盤25、上蓋26、調(diào)壓螺桿27組成，上蓋26和殼體21之間為螺紋聯(lián)接，調(diào)壓螺桿27和上蓋26之間也為螺紋連接，調(diào)壓螺桿27和壓盤25固連，可以通過旋轉(zhuǎn)調(diào)壓螺桿27使其帶動壓盤25沿軸向上下移動從而調(diào)節(jié)調(diào)壓彈簧24的預(yù)緊力，從而調(diào)節(jié)磁流變液的壓力，另外打開上蓋26，拿出活塞22后，可以直接向殼體內(nèi)補充磁流變液；軟管4的末端固聯(lián)在端蓋I上；軟管外徑略小于脊骨盤中心通孔的內(nèi)徑，軟管4和脊骨盤3或8連接處都套有軟管套箍11，軟管套箍11外表面和脊骨盤3或8內(nèi)孔表面之間存在徑向間隙，此間隙內(nèi)注入粘結(jié)膠12將軟管套箍11和脊骨盤3和8粘結(jié)在一起；另外軟管4的外面套有線圈6 ;通過改變線圈6的電流可以調(diào)節(jié)作用在軟管內(nèi)的磁流變液的磁場強度，從而控制磁流變液的流變特性，起到調(diào)節(jié)整個操作器剛度和阻尼的作用；外層圓柱彈簧的串聯(lián)體總體呈長管狀的首端的脊骨盤通過連接盤14固聯(lián)在驅(qū)動箱體底面上；圓柱彈簧的串聯(lián)體共分為4段，每段包括四個彈簧，彈簧之間由I型脊骨盤3連接，而每段的首、末端的脊骨盤則為II型脊骨盤8 ;每段分別由四根線繩2獨立驅(qū)動；各段的線繩2都從驅(qū)動箱體16內(nèi)的滑輪18引出，依次穿過各個脊骨盤3或8中心通孔直到該段末端的的I型脊骨盤，但第四段末端為端蓋；線繩分段驅(qū)動具體實現(xiàn)為每四節(jié)相鄰的圓柱彈簧構(gòu)成一段，每段采用獨立的線驅(qū)動；在每個脊骨盤8的中圓半徑為脊骨盤外徑一半的圓上設(shè)有周向均布的4個通孔以下稱為主導(dǎo)線孔，驅(qū)動線繩2引自操作器首端的驅(qū)動裝置18，依次穿過各脊骨盤主導(dǎo)線孔連接到各段末端的脊骨盤上；由驅(qū)動裝置中的步進電機帶動滑輪轉(zhuǎn)動來驅(qū)動線繩收縮實現(xiàn)彎曲變形；驅(qū)動線繩外套有線繩導(dǎo)管9，在每個脊骨盤上接近外緣的圓周上開有4個均布的小通孔(稱為分支導(dǎo)線孔)，用來固定線繩導(dǎo)管9 ;線繩導(dǎo)管9在每段段首的脊骨盤之前分出用于該段的分支套管9，分支套管9引到段首脊骨盤的分支導(dǎo)線孔處，而此分支導(dǎo)線孔處帶有ー個固定分支套管的小凸起平臺，分支套管的端部帶有鐵套，上有螺紋，而凸起平臺上由螺紋孔，可以用螺母聯(lián)結(jié)上述兩螺紋，將分支套管末端固定在凸起平臺上；驅(qū)動線繩從分支套管中引出經(jīng)過此段中間脊骨盤的分支導(dǎo)線孔最后連接在此段末端的脊骨盤上；驅(qū)動時利用套管和驅(qū)動線繩之間的相對位移帶動段中的所有脊骨盤，可避免對驅(qū)動線繩所經(jīng)過各段產(chǎn)生附加彎矩。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的連續(xù)體機器人操作器機構(gòu)，其特征在于外層多節(jié)圓柱彈簧串聯(lián)體的結(jié)構(gòu)是多個脊骨盤和圓柱彈簧按脊骨盤-圓柱-脊骨盤-圓柱的規(guī)律串聯(lián)構(gòu)成。另外兩個相鄰脊骨盤之間的彈簧為單根圓柱彈簧，而不是多根圓柱彈簧并聯(lián)。圓柱彈簧和脊骨盤之間采用固接方式。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的連續(xù)體機器人操作器機構(gòu)，其特征在于其內(nèi)部采用軟管作為其中心脊線，當機器人操作器彎曲動作時，線圈8通入合適的電流，使軟管內(nèi)部磁流變液流變特性發(fā)生相應(yīng)變化，為操作器的運動提供阻尼，當操作器保持靜止時，線圈通入飽和電流，使磁流變液呈現(xiàn)固化狀態(tài)，増加機器人操作器的剛度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的連續(xù)體機器人操作器機構(gòu)，其特征在于采用分段獨立控制的方式，機器人每段對應(yīng)于ー個獨立線圈，通過控制每段線圈的電流來控制每段的剛度和阻尼。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的連續(xù)體機器人操作器機構(gòu)，其特征在于采用分段線繩驅(qū)動的方式，即每四節(jié)圓柱彈簧構(gòu)成一段。每段采用獨立的線繩驅(qū)動方式，在每個脊骨盤的中間圓半徑為脊骨盤外徑一半的圓上設(shè)有周向均布的4個通孔，驅(qū)動線繩引自操作器首端的滑輪組，依次穿過各脊骨盤通孔連接到各段末端的脊骨盤上，由步進電機帶動滑輪組轉(zhuǎn)動，驅(qū)動線繩收縮實現(xiàn)卷繞動作。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的連續(xù)體機器人操作器機構(gòu)，其特征在于驅(qū)動線繩外套有套管，驅(qū)動時利用套管和驅(qū)動線之間的相對位移帶動脊骨盤，可避免對驅(qū)動線所經(jīng)過各段產(chǎn)生附加彎矩。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的連續(xù)體機器人操作器機構(gòu)，可以對此機器人長度進行擴充，即已有總段數(shù)的基礎(chǔ)上增加新段，每增加一段，要増加四節(jié)圓柱彈簧，同時相應(yīng)地增加脊骨盤、驅(qū)動線繩、軟管和線圈。另外增加的段數(shù)可根據(jù)需要確定。
專利摘要一種磁流變連續(xù)體機器人操作器，它涉及一種機器人操作器。本實用新型目是為解決傳統(tǒng)關(guān)節(jié)-桿式機器人自由度相對較少，靈活度有限，抓取不規(guī)則形狀物體較困難的問題，基于象鼻仿生原理提供一種磁流變連續(xù)體機器人操作器，該機器人操作器能夠類似象鼻實現(xiàn)連續(xù)彎曲變形，運動靈活，適于用卷繞方式抓取不規(guī)則形狀物體，本實用新型由機器人操作器本體和驅(qū)動裝置組成。操作器本體整體為類似象鼻的長管型結(jié)構(gòu)，外層為多節(jié)圓柱彈簧7串聯(lián)而成，圓柱彈簧之間通過脊骨盤連接。每個脊骨盤中心開有圓形通孔，內(nèi)充磁流變液的軟管從所有脊骨盤的通孔中穿過，外層圓柱彈簧的串聯(lián)體共分為4段，每段包括四個彈簧，分別由四根線繩2獨立驅(qū)動。所有段的線繩通過各段的脊骨盤上的通孔引入到操作器首端的驅(qū)動裝置中的滑輪上，由驅(qū)動裝置的電動機驅(qū)動滑輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動線繩伸縮。機器人操作器中心的內(nèi)充磁流變液的軟管的外層通過粘結(jié)膠和各脊骨盤粘結(jié)在一起，軟管首端連接到驅(qū)動裝置內(nèi)的磁流變液調(diào)壓和補液裝置，可根據(jù)工作條件進行調(diào)壓和補液，另外軟管的外面還纏繞有線圈,軟管內(nèi)部設(shè)置阻流隔,通過改變線圈的電流可以調(diào)節(jié)作用在軟管內(nèi)磁流變液的磁場強度，從而控制磁流變液的流變特性，并實現(xiàn)在液固兩項之間轉(zhuǎn)換，起到調(diào)節(jié)整個操作器剛度和阻尼的作用。本實用新型是對傳統(tǒng)關(guān)節(jié)-桿式機器人操作器的補充，但不同于一般的冗余或超冗余關(guān)節(jié)式機器人，它可以連續(xù)柔性變形，實現(xiàn)靈活運動，而且可對不規(guī)則形狀物體實現(xiàn)類似象鼻卷繞的抓取操作。
文檔編號B25J9/00GK202622798SQ20122025802
公開日2012年12月26日 申請日期2012年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月4日
發(fā)明者趙強, 丁柏群 申請人:東北林業(yè)大學(xué)