本發(fā)明涉及連續(xù)型機構(gòu)變剛度設(shè)計領(lǐng)域，具體地說，是涉及一種基于機械鎖定的絲牽引變剛度機構(gòu)。

背景技術(shù)：

模仿蛇類、象鼻等生物器官的連續(xù)型機構(gòu)具有較高的運動靈活性，在復(fù)雜的環(huán)境中有很強的適應(yīng)能力，尤其是在多障礙物的非結(jié)構(gòu)環(huán)境和空間狹窄的環(huán)境中可以靈活地改變自身形狀。但是由于連續(xù)性機構(gòu)高靈活性的特點，又導(dǎo)致其表現(xiàn)出定位剛度差、控制精度低的缺點。在醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用中，往往需要連續(xù)型機構(gòu)既要表現(xiàn)良好的柔順性，又要在一定條件下具有一定的剛度。比如將連續(xù)型機構(gòu)用于內(nèi)窺鏡機器人，其工作過程分為兩個階段，第一階段需要機器人在柔性狀態(tài)順應(yīng)人體腔道結(jié)構(gòu)，將手術(shù)工具送入目標位置；第二階段當手術(shù)工具在人體內(nèi)操作時，這就要求機器人具備足夠的剛度來為末端手術(shù)工具提供力學(xué)支撐。因此對連續(xù)型機構(gòu)變剛度的研究具有很大意義。

近些年，人們利用負壓阻塞機構(gòu)，低熔點合金相變，正壓鎖緊等方式發(fā)明了多種變剛度連續(xù)型機構(gòu)，但多數(shù)表現(xiàn)出變化剛度不夠大，響應(yīng)速度不夠快等缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于機械鎖定的絲牽引變剛度機構(gòu)，該機構(gòu)采用機構(gòu)摩擦鎖死技術(shù)，通過省力鎖緊裝置摩擦限制機器人關(guān)節(jié)內(nèi)部的相對運動，從而改變結(jié)構(gòu)剛度。對于鎳鈦合金絲驅(qū)動的連續(xù)型機器人而言，該變剛度方案是通過已有的連接盤對驅(qū)動絲直接鎖死，因而設(shè)計緊湊。另外該機械式變剛度設(shè)計響應(yīng)快，剛?cè)釥顟B(tài)轉(zhuǎn)換迅速，定位剛度更高。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種基于機械鎖定的絲牽引變剛度機構(gòu)，包括連續(xù)型機器人基本結(jié)構(gòu)、變剛度鎖緊機構(gòu)和變剛度牽引機構(gòu)；所述連續(xù)型機器人基本結(jié)構(gòu)由連接盤、中央絲和呈圓周分布的四根驅(qū)動絲組成，所述連接盤上與所述驅(qū)動絲相對應(yīng)地設(shè)有過絲孔，連接盤分為中間連接盤和末端連接盤，所述末端連接盤通過楔形鎖嘴與中央絲和驅(qū)動絲的末端固定，所述中間連接盤通過楔形鎖嘴與中央絲固定，所述楔形鎖嘴由開槽的楔形螺釘和螺母構(gòu)成；

所述變剛度鎖緊機構(gòu)是以每個中間連接盤為機架，由滑動斜齒輪、彈簧、不完全齒輪、連桿和鑲嵌金屬片構(gòu)成的單自由度機構(gòu)，所述滑動斜齒輪是可在中間連接盤上縱向滑動的斜齒輪，所述不完全齒輪的一端分布有與滑動斜齒輪嚙合的不完全斜齒，另一端分布有與所述連桿配合的連接軸，中間分布有與連接盤配合的軸孔和鎖絲孔，以及用于固定所述鑲嵌金屬片的連接孔，所述連桿的兩端設(shè)有與所述不完全齒輪相配合的連接孔；

所述變剛度牽引機構(gòu)由導(dǎo)絲外鞘、抗拉金屬絲、金屬絲鎖粒構(gòu)成，所述導(dǎo)絲外鞘與中央絲同心，所述抗拉金屬絲穿過導(dǎo)絲外鞘和中央絲的楔形鎖嘴，通過所述金屬絲鎖粒與滑動斜齒輪固定。

所述連接盤上還設(shè)有與所述楔形鎖嘴相配合的錐孔。

所述滑動斜齒輪的四周分布有模數(shù)小于1mm的斜齒。

所述中央絲和驅(qū)動絲均由可彎曲且不產(chǎn)生軸向變形的合金絲構(gòu)成。

所述變剛度鎖緊機構(gòu)為輻射對稱的單自由度機構(gòu)，且由滑動斜齒輪驅(qū)動。

所述的變剛度鎖緊機構(gòu)設(shè)有用于均衡每根絲的鎖緊力的連桿機構(gòu)，連桿結(jié)構(gòu)包括連桿和不完全齒輪。

所述的變剛度牽引機構(gòu)可同步牽引所有連接盤上的變剛度鎖緊機構(gòu)。

在以上描述到的結(jié)構(gòu)當中，每個連接盤上的變剛度鎖緊機構(gòu)中的滑動斜齒輪在同一抗拉金屬絲的牽引之下，發(fā)生沿著連接盤軸向的移動，根據(jù)斜齒輪的特點，其軸向的移動可等效出繞中心軸的轉(zhuǎn)動，并與不完全齒輪產(chǎn)生嚙合運動。不完全齒輪一邊作為嚙合的齒輪，同時作為鎖緊的省力杠桿，用于限制驅(qū)動絲的自由滑動，將其與連接盤摩擦固定。在不完全齒輪和連接盤上嵌入金屬片，金屬片成為鎖死過程中與驅(qū)動絲直接接觸的零件，可提高鎖緊摩擦力。根據(jù)如此鎖緊原理可以消除連接盤與驅(qū)動絲之間的相對滑動，使連續(xù)型機器人連接盤之間變?yōu)橛啥喔饘俳z固定支撐，從而提高局部剛度，進而提高了機器人的整體剛度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來的有益效果是：

1.該基于機械鎖定的絲牽引變剛度機構(gòu)是合金絲驅(qū)動的連續(xù)型機器人的基本結(jié)構(gòu)而設(shè)計的，只需要在每個連接盤上添加變剛度鎖緊機構(gòu)來控制驅(qū)動絲與連接盤的摩擦關(guān)系即可，其優(yōu)點是設(shè)計簡潔，結(jié)構(gòu)緊湊。

2.每個連接盤中的變剛度鎖緊機構(gòu)都只有一個自由度，而各個連接盤上的變剛度鎖緊機構(gòu)可以通過一根抗拉金屬絲串聯(lián)在一起，從而可以實現(xiàn)單一牽引完成整體變剛度的目的，并且變剛度鎖緊機構(gòu)中采用了斜齒輪滑動嚙合原理和杠桿原理，具有很大的省力效果，因此該變剛度方案驅(qū)動簡單，容易控制。

3.變剛度鎖緊機構(gòu)中融合了四個首尾相接的平行四邊形機構(gòu)，形成了一個環(huán)形的連桿機構(gòu)，將四個不完全齒輪協(xié)同關(guān)聯(lián)起來，可以協(xié)調(diào)均衡各根絲的鎖緊力，使得連續(xù)型機器人各部分具有均勻的剛度。

4.該變剛度方案除了結(jié)構(gòu)簡單之外，還將剛度控制與運動控制完全獨立進行，實現(xiàn)了剛度和運動的解耦。機械式的設(shè)計方案使得其變剛度操作響應(yīng)迅速，穩(wěn)定可靠。

附圖說明

圖1-1、1-2是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是中央絲楔形鎖嘴的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3-1、3-2、3-3是變剛度鎖緊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是滑動斜齒輪與不完全嚙合齒輪的嚙合示意圖。

圖5是變剛度牽引機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標記：1-末端連接盤2-驅(qū)動絲3-中間連接盤4-不完全齒輪5-連桿6-導(dǎo)絲外鞘7抗拉金屬絲8-金屬絲鎖粒9-滑動斜齒輪10-中央絲11-驅(qū)動絲楔形鎖嘴12-中央絲楔形鎖嘴13-楔形鎖嘴螺母14-彈簧15-固定鑲嵌金屬片16-活動鑲嵌金屬片17-過絲孔18-鎖絲杠桿轉(zhuǎn)軸19-夾縫

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。

如圖1-1和圖1-2所示，一種基于機械鎖定的絲牽引變剛度機構(gòu)，包括連續(xù)型機器人基本結(jié)構(gòu)、變剛度鎖緊機構(gòu)和變剛度牽引機構(gòu)。連續(xù)型機器人基本結(jié)構(gòu)由一根中央絲10將所在關(guān)節(jié)內(nèi)所有連接盤串聯(lián)在一起，在周布的驅(qū)動絲2的組合驅(qū)動之下可以實現(xiàn)關(guān)節(jié)的彎曲運動；變剛度鎖緊機構(gòu)在抗拉金屬絲7的牽引作用下，可以卡緊周布的驅(qū)動絲2，使之相對各連接盤固定，從而改變了連續(xù)型機器人的結(jié)構(gòu)剛度，起到調(diào)控整體結(jié)構(gòu)剛度的作用；變剛度牽引機構(gòu)用于傳導(dǎo)抗拉絲的張力，并將絲的張力分布作用于各連接盤上的變剛度鎖緊機構(gòu)。本實施例中的驅(qū)動絲2和中央絲10均采用鎳鈦合金絲，鎳鈦合金絲不產(chǎn)生軸向變形但可彎曲，其它具有此性質(zhì)的合金絲均適用于本發(fā)明。

本實施例中，連續(xù)型機器人基本結(jié)構(gòu)中由一根中央絲10依靠中央絲楔形鎖嘴12固定串接多個中間連接盤3和一個末端連接盤1組成連續(xù)型機器人的一個關(guān)節(jié)。周布的四根驅(qū)動絲2依靠驅(qū)動絲楔形鎖嘴11固定在末端連接盤1上，并穿過所有中間連接盤3上的過絲孔17與動力驅(qū)動部件連接。本實施例以中央絲楔形鎖嘴12為例描述其工作原理，如圖2為中央絲楔形鎖嘴12的工作原理圖，該鎖緊裝置中，中央絲楔形鎖嘴12的外錐面與中間連接盤3上的錐孔相配合，中央絲楔形鎖嘴12的大端設(shè)計有垂直交叉的開槽，中央絲楔形鎖嘴12在受到楔形鎖嘴螺母13的預(yù)緊作用下，中央絲楔形鎖嘴12的開槽部分在中間連接盤3錐孔的約束之下產(chǎn)生變形，變形后的中央絲楔形鎖嘴12會環(huán)抱中央絲10，在較大的環(huán)抱力的作用下，中央絲10與中央絲楔形鎖嘴12具有很好的摩擦效果，因此可起到將中央絲10于中間連接盤3固聯(lián)的作用，同理，驅(qū)動絲2與末端連接盤1的固定原理也相同，采用這樣的固定方法的一條重要優(yōu)點就是，可隨意拆卸。單個柔性關(guān)節(jié)中因為周布的四根驅(qū)動絲2是受到所有依靠中央絲10固定的中間連接盤3所約束的，并且具有良好的彈性，所以當組合推拉各根驅(qū)動絲2時，整個柔性關(guān)節(jié)會受約束向著指定方向彎曲，成為鎳鈦合金絲驅(qū)動的連續(xù)型機器人的基本運動。

連續(xù)型機器人關(guān)節(jié)彎曲運動到指定位姿進行操作前，需要改變機器人各個關(guān)節(jié)剛度以抵御外界作用力，剛度的改變需要通過各個中間連接盤3上的輻射對稱的單自由度變剛度鎖緊機構(gòu)來鎖定周布的驅(qū)動絲2，使之相對于中間連接盤3固聯(lián)，使得兩個中間連接盤之間由一根中央絲支撐變?yōu)槲甯団伜辖鸾z支撐，因此柔性關(guān)節(jié)能夠獲得剛度性能的提升。

如圖3-1、3-2和3-3所示，變剛度鎖緊機構(gòu)由滑動斜齒輪9、不完全齒輪4、連桿5、固定鑲嵌金屬片15和活動鑲嵌金屬片16等部件組成?；瑒有饼X輪9是受到變剛度牽引機構(gòu)驅(qū)動的主動部件，其外圓周分布有小模數(shù)斜齒，滑動斜齒輪9可以沿著中間連接盤3上的滑槽軸向移動，滑動斜齒輪軸向的移動可在徑向產(chǎn)生等效的轉(zhuǎn)動，如圖4所示，當滑動斜齒輪9向下移動了x距離，周向上等效轉(zhuǎn)動了一個齒的角度，滑動斜齒輪9與不完全齒輪4是完整嚙合的斜齒輪機構(gòu)，滑動斜齒輪9的移動產(chǎn)生的相對轉(zhuǎn)動，最終驅(qū)動不完全齒輪4繞著鎖絲杠桿轉(zhuǎn)軸18產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動過程中使得與不完全齒輪4固定的活動鑲嵌金屬片16與固定鑲嵌金屬片15之間產(chǎn)生狹小的夾縫19，通過兩塊鑲嵌金屬片與驅(qū)動絲2的夾緊力摩擦力，可以保證驅(qū)動絲2與中間連接盤3的相對固定。在變剛度鎖緊機構(gòu)中滑動斜齒輪9施加給不完全齒輪4的驅(qū)動力和驅(qū)動絲2作用于活動鑲嵌金屬片16的壓力是一對平衡力，不完全齒輪4上的鎖絲孔到鎖絲杠桿轉(zhuǎn)軸18的距離遠小于齒輪嚙合分度圓圓周到鎖絲杠桿轉(zhuǎn)軸18的距離，因此該機構(gòu)是一個省力機構(gòu)，其作用效果就是在小的驅(qū)動力下可以獲得較大的鎖緊力。滑動斜齒輪9是在抗拉金屬絲7牽引作用下滑動的，滑動斜齒輪9向下滑動鎖緊驅(qū)動絲2以后，如果想解開鎖緊，降低整體剛度，只需要松開驅(qū)動滑動斜齒輪9的抗拉金屬絲7，在彈簧14回復(fù)力的作用下滑動斜齒輪9向上移動解除鎖定。另外為了均衡各個不完全齒輪的鎖緊力，在變剛度鎖緊機構(gòu)中組合了環(huán)形的平行四邊形連桿機構(gòu)，連桿機構(gòu)包括連桿5和不完全齒輪4；相連兩個不完全齒輪4作為一個平行四邊形機構(gòu)的一組對邊，這樣可以使得四個不完全齒輪4實現(xiàn)聯(lián)動而獲得均衡的鎖緊力。

所述的變剛度牽引機構(gòu)是將基座上的牽引力輸送、分配到各連接盤上的裝置，如圖1-1和圖1-2所示變剛度牽引機構(gòu)在中間連接盤3的基礎(chǔ)上由抗拉金屬絲7、導(dǎo)絲外鞘6、金屬絲鎖粒8組成，如圖1-1和圖5所示抗拉金屬絲7穿過套在中央絲10上的導(dǎo)絲外鞘6再穿過中央絲楔形鎖嘴12和滑動斜齒輪9上的細孔，在每個滑動斜齒輪9的上沿均固定有金屬絲鎖粒8，當拉拽抗拉金屬絲7時即可同步牽引每個連接盤上的滑動斜齒輪9。為了使得對滑動斜齒輪9的牽引力分布均勻，同時采用四根抗拉金屬絲7，這四根抗拉金屬絲是在同一個牽引力下運動的。

本發(fā)明的工作過程如下：在柔順狀態(tài)下，通過動力驅(qū)動部件控制驅(qū)動絲2的長度變化，使連續(xù)型機器人關(guān)節(jié)達到指定的位姿。在保持其形狀不變的情況下，在抗拉金屬絲7的牽引下，各個連接盤上的滑動斜齒輪9相對各個中間連接盤3產(chǎn)生軸向移動，進而帶動各個變剛度鎖緊機構(gòu)中的不完全齒輪4，使得驅(qū)動絲2相對中間連接盤3鎖死，讓整體轉(zhuǎn)換為剛性狀態(tài)；之后釋放開抗拉金屬絲7的牽引力，在各個變剛度鎖緊機構(gòu)中的彈簧14作用下滑動斜齒輪9回復(fù)移動，解除鎖定，恢復(fù)整體的柔性。在鎖定過程中，抗拉金屬絲7要克服各個變剛度鎖緊機構(gòu)中彈簧14的彈力。

本實施例中，整體結(jié)構(gòu)中中央絲10、驅(qū)動絲2為超彈鎳鈦合金絲，抗拉金屬絲7、金屬絲鎖粒8、導(dǎo)絲外鞘6和鎖絲杠桿轉(zhuǎn)軸18均為采購標準件，固定鑲嵌金屬片15和活動鑲嵌金屬片16均為激光切割加工而成的鋁合金金屬片，其他零部件均為3d打印件，材料為光敏樹脂，連續(xù)型機器人基本結(jié)構(gòu)、變剛度鎖緊機構(gòu)、變剛度牽引機構(gòu)各部分彼此包含，裝配一體。

本發(fā)明并不限于上文描述的實施方式。以上對具體實施方式的描述旨在描述和說明本發(fā)明的技術(shù)方案，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的。在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下還可做出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。