一種磁流變連續體機器人操作器的製作方法
2024-03-04 17:15:15
專利名稱：一種磁流變連續體機器人操作器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種磁流變連續體機器人操作器。傳統的串聯機器人模擬人的關節骨骼運動系統，由有限數量的關節和連杆串聯構成。此類機器人按照是否存在冗餘自由度可以分為非冗餘自由度機器人和冗餘自由度機器人兩大類型。非冗餘自由度機器人的關節空間維數等於其任務空間維數，存在著靈活性較差的缺點，即在規定末端位姿軌跡後，不能避免關節空間中存在的奇異點或運動靈活性差的區域、在某些情況下動力學性能差。冗餘自由度機器人正是為解決靈活性問題而提出的，它通過増加冗餘關節使關節空間維數大於任務空間維數，使機器人在實現期望的末端位姿 的同時具有更高的靈活性。然而冗餘度機器人並沒有突破傳統的關節-連杆式結構，改進效果有限。本發明基於象鼻的仿生原理，提出一種磁流變連續體機器人操作器。本發明目的是提供一種磁流變連續體機器人操作器，該機器人操作器能夠連續彎曲變形，運動靈活，適於抓取不規則形狀物體，是對傳統關節式機器人的有益補充。本發明由端蓋I、驅動線繩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、線繩導管9、操作對象10、軟管套箍11、粘接膠12、導線套管13，連接盤14、磁流變液調壓及補液裝置15、驅動裝置箱體16、線繩導管支架17、滑輪18、步進電機19、蓋板20構成。其整體為類似象鼻的長管型結構，外層為多節圓柱彈簧7串聯而成，任意兩個相鄰彈簧6之間採用脊骨盤3或8相聯接。每個脊骨盤3或8的中心開有圓形通孔，內充磁流變液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壓及補液裝置15通過螺紋相連接，磁流變液調壓及補液裝置15由殼體21、活塞22、密封23、調壓彈簧24、壓盤25、上蓋26、調壓螺杆27組成，上蓋26和殼體21之間為螺紋聯接，調壓螺杆27和上蓋26之間也為螺紋連接，調壓螺杆27和壓盤25固連，可以通過旋轉調壓螺杆27使其帶動壓盤25沿軸向上下移動從而調節調壓彈簧24的預緊力，從而調節磁流變液的壓力，另外打開上蓋26，拿出活塞22後，可以直接向殼體內補充磁流變液。軟管4的末端固聯在端蓋I上。軟管外徑略小於脊骨盤中心通孔的內徑，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內孔表面之間存在徑向間隙，此間隙內注入粘結膠12將軟管套箍11和脊骨盤3和8粘結在一起。另外軟管4的外面纏繞有線圈6，軟管4內部設置阻流隔28，通過改變線圈6的電流可以調節作用在軟管內的磁流變液的磁場強度，從而控制磁流變液的流變特性，起到調節整個操作器剛度和阻尼的作用。外層圓柱彈簧的串聯體(總體呈長管狀)的首端的脊骨盤通過連接盤14固聯在驅動箱體底面上。圓柱彈簧的串聯體共分為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獨立驅動。各段的線繩2都從驅動箱體16內的滑輪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)。線繩分段驅動具體實現為每四節相鄰的圓柱彈簧構成一段，每段採用獨立的線驅動。在每個脊骨盤8的中圓(半徑為脊骨盤外徑一半的圓)上設有周向均布的4個通孔(以下稱為主導線孔)，驅動線繩2引自操作器首端的驅動裝置18，依次穿過各脊骨盤主導線孔連接到各段末端的脊骨盤上。由驅動裝置中的步進電機帶動滑輪轉動來驅動線繩收縮實現彎曲變形。驅動線繩外套有線繩導管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(稱為分支導線孔)，用來固定線繩導管9。線繩導管9在每段段首的脊骨盤之前分出用於該段的分支套管9，分支套管9引到段首脊骨盤的分支導線孔處，而此分支導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，可以用螺母聯結上述兩螺紋，將分支套管末端固定在凸起平臺上。驅動線繩從分支套管中引出經過此段中間脊骨盤的分支導線孔最後連接在此段末端的脊骨盤上。驅動時利用套管和驅動線繩之間的相對位移帶動段中的所有脊骨盤，可避免對驅動線繩所經過各段產生附加彎矩。該機器人操作器採用分段線驅動方式，可根據需要對其中任何一段進行不同曲率的彎曲操作，可以實現類似象鼻的卷繞動作。而且配合線繩驅動，可以根據卷繞動作的需要調節線圈6的電流可以使軟管內的磁流變液處於液態或固態，控制整個操作器剛度，配合線繩驅動完成卷繞動作。本發明是對傳統關節杆式機器人的補充，但不同於一般的冗餘或超冗餘關節式機器人，它可以任意連續柔性變形，實現靈活運動，而且可對不規則形狀物體的實現抓取操作。
圖I是本發明的整體結構示意圖。圖2是I型脊骨盤的結構示意圖。圖3是II型脊骨盤的結構示意圖。圖4是軟管內部結構示意圖。圖5是磁流變液調壓及補液裝置的結構示意圖。
具體實施方式
具體實施方式
一(參見圖f圖3)本發明由端蓋I、驅動線繩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、線繩導管9、操作對象10、軟管套箍11、粘接膠12、導線套管13，連接盤14、磁流變液調壓及補液裝置15、驅動裝置箱體16、線繩導管支架17、滑輪18、步進電機19、蓋板20構成。其整體為類似象鼻的長管型結構，外層為多節圓柱彈簧7串聯而成，任意兩個相鄰彈簧6之間採用脊骨盤3或8相聯接。每個脊骨盤3或8的中心開有圓形通孔，內充磁流變液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壓及補液裝置15通過螺紋相連接，磁流變液調壓及補液裝置15由殼體21、活塞22、密封23、調壓彈簧24、壓盤25、上蓋26、調壓螺杆27組成，上蓋26和殼體21之間為螺紋聯接，調壓螺杆27和上蓋26之間也為螺紋連接，調壓螺杆27和壓盤25固連，可以通過旋轉調壓螺杆27使其帶動壓盤25沿軸向上下移動從而調節調壓彈簧24的預緊力，從而調節磁流變液的壓力，另外打開上蓋26，拿出活塞22後，可以直接向殼體內補充磁流變液。軟管4的末端固聯在端蓋I上。軟管外徑略小於脊骨盤中心通孔的內徑，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內孔表面之間存在徑向間隙，此間隙內注入粘結膠12將軟管套箍11和脊骨盤3和8粘結在一起。另外軟管4的外面纏繞有線圈6，軟管4內部設置阻流隔28，通過改變線圈6的電流可以調節作用在軟管內的磁流變液的磁場強度，從而控制磁流變液的流變特性，起到調節整個操作器剛度和阻尼的作用。外層圓柱彈簧的串聯體(總體呈長管狀)的首端的脊骨盤通過連接盤14固聯在驅動箱體底面上。圓柱彈簧的串聯體共分為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獨立驅動。各段的線繩2都從驅動箱體16內的滑輪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)。線繩分段驅動具體實現為每四節相鄰的圓柱彈簧構成一段，每段採用獨立的線驅動。在每個脊骨盤8的中圓(半徑為脊骨盤外徑一半的圓)上設有周向均布的4個通孔(以下稱為主導線孔)，驅動線繩2引自操作器首端的驅動裝置18，依次穿過各脊骨盤主導線孔連接到各段末端的脊骨盤上。由驅動裝置中的步進電機帶動滑輪轉動來驅動線繩收縮實現彎曲變形。驅動線繩外套有線繩導管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(稱為分支導線孔)，用來固定線繩導管9。線繩導管9在每段段首的脊骨盤之前分出用於該段的分支套管9，分支套管9引到段首脊骨盤的分支導線孔處，而此分支導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，可以用螺母聯結上述兩螺紋，將分支套管末端固定在凸起平臺上。驅動線繩從分支套管中引出經過此段中間脊骨盤的分支導線孔最後連接在此段末端的脊骨盤上。驅動時利用套管和驅動線繩之間的相對位移帶動段中的所有脊骨盤，可避免對驅動線繩所經過各段產生附加彎矩。
具體實施方式
ニ 本實施方式中驅動電機為伺服電機，其它與具體實施方式
一相同。
權利要求1.一種磁流變連續體機器人操作器，由端蓋I、驅動線繩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、線繩導管9、操作對象10、軟管套箍11、粘接膠12、導線套管13，連接盤14、磁流變液調壓及補液裝置15、驅動裝置箱體16、線繩導管支架17、滑輪18、步進電機19、蓋板20構成；其整體為類似象鼻的長管型結構，外層為多節圓柱彈簧7串聯而成，任意兩個相鄰彈簧6之間採用脊骨盤3或8相聯接；每個脊骨盤3或8的中心開有圓形通孔，內充磁流變液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壓及補液裝置15通過螺紋相連接，磁流變液調 壓及補液裝置15由殼體21、活塞22、密封23、調壓彈簧24、壓盤25、上蓋26、調壓螺杆27組成，上蓋26和殼體21之間為螺紋聯接，調壓螺杆27和上蓋26之間也為螺紋連接，調壓螺杆27和壓盤25固連，可以通過旋轉調壓螺杆27使其帶動壓盤25沿軸向上下移動從而調節調壓彈簧24的預緊力，從而調節磁流變液的壓力，另外打開上蓋26，拿出活塞22後，可以直接向殼體內補充磁流變液；軟管4的末端固聯在端蓋I上；軟管外徑略小於脊骨盤中心通孔的內徑，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內孔表面之間存在徑向間隙，此間隙內注入粘結膠12將軟管套箍11和脊骨盤3和8粘結在一起；另外軟管4的外面套有線圈6 ;通過改變線圈6的電流可以調節作用在軟管內的磁流變液的磁場強度，從而控制磁流變液的流變特性，起到調節整個操作器剛度和阻尼的作用；外層圓柱彈簧的串聯體總體呈長管狀的首端的脊骨盤通過連接盤14固聯在驅動箱體底面上；圓柱彈簧的串聯體共分為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獨立驅動；各段的線繩2都從驅動箱體16內的滑輪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；線繩分段驅動具體實現為每四節相鄰的圓柱彈簧構成一段，每段採用獨立的線驅動；在每個脊骨盤8的中圓半徑為脊骨盤外徑一半的圓上設有周向均布的4個通孔以下稱為主導線孔，驅動線繩2引自操作器首端的驅動裝置18，依次穿過各脊骨盤主導線孔連接到各段末端的脊骨盤上；由驅動裝置中的步進電機帶動滑輪轉動來驅動線繩收縮實現彎曲變形；驅動線繩外套有線繩導管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(稱為分支導線孔)，用來固定線繩導管9 ;線繩導管9在每段段首的脊骨盤之前分出用於該段的分支套管9，分支套管9引到段首脊骨盤的分支導線孔處，而此分支導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，可以用螺母聯結上述兩螺紋，將分支套管末端固定在凸起平臺上；驅動線繩從分支套管中引出經過此段中間脊骨盤的分支導線孔最後連接在此段末端的脊骨盤上；驅動時利用套管和驅動線繩之間的相對位移帶動段中的所有脊骨盤，可避免對驅動線繩所經過各段產生附加彎矩。
2.根據權利要求I所述的連續體機器人操作器機構，其特徵在於外層多節圓柱彈簧串聯體的結構是多個脊骨盤和圓柱彈簧按脊骨盤-圓柱-脊骨盤-圓柱的規律串聯構成。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並聯。圓柱彈簧和脊骨盤之間採用固接方式。
3.根據權利要求I所述的連續體機器人操作器機構，其特徵在於其內部採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，使軟管內部磁流變液流變特性發生相應變化，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，使磁流變液呈現固化狀態，増加機器人操作器的剛度。
4.根據權利要求I所述的連續體機器人操作器機構，其特徵在於採用分段獨立控制的方式，機器人每段對應於ー個獨立線圈，通過控制每段線圈的電流來控制每段的剛度和阻尼。
5.根據權利要求I所述的連續體機器人操作器機構，其特徵在於採用分段線繩驅動的方式，即每四節圓柱彈簧構成一段。每段採用獨立的線繩驅動方式，在每個脊骨盤的中間圓半徑為脊骨盤外徑一半的圓上設有周向均布的4個通孔，驅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動，驅動線繩收縮實現卷繞動作。
6.根據權利要求I所述的連續體機器人操作器機構，其特徵在於驅動線繩外套有套管，驅動時利用套管和驅動線之間的相對位移帶動脊骨盤，可避免對驅動線所經過各段產生附加彎矩。
7.根據權利要求I所述的連續體機器人操作器機構，可以對此機器人長度進行擴充，即已有總段數的基礎上增加新段，每增加一段，要増加四節圓柱彈簧，同時相應地增加脊骨盤、驅動線繩、軟管和線圈。另外增加的段數可根據需要確定。
專利摘要一種磁流變連續體機器人操作器，它涉及一種機器人操作器。本實用新型目是為解決傳統關節-杆式機器人自由度相對較少，靈活度有限，抓取不規則形狀物體較困難的問題，基於象鼻仿生原理提供一種磁流變連續體機器人操作器，該機器人操作器能夠類似象鼻實現連續彎曲變形，運動靈活，適於用卷繞方式抓取不規則形狀物體，本實用新型由機器人操作器本體和驅動裝置組成。操作器本體整體為類似象鼻的長管型結構，外層為多節圓柱彈簧7串聯而成，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動裝置中的滑輪上，由驅動裝置的電動機驅動滑輪旋轉，從而帶動線繩伸縮。機器人操作器中心的內充磁流變液的軟管的外層通過粘結膠和各脊骨盤粘結在一起，軟管首端連接到驅動裝置內的磁流變液調壓和補液裝置，可根據工作條件進行調壓和補液，另外軟管的外面還纏繞有線圈,軟管內部設置阻流隔,通過改變線圈的電流可以調節作用在軟管內磁流變液的磁場強度，從而控制磁流變液的流變特性，並實現在液固兩項之間轉換，起到調節整個操作器剛度和阻尼的作用。本實用新型是對傳統關節-杆式機器人操作器的補充，但不同於一般的冗餘或超冗餘關節式機器人，它可以連續柔性變形，實現靈活運動，而且可對不規則形狀物體實現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 優先權日2012年6月4日
發明者趙強, 丁柏群 申請人:東北林業大學