[发明专利]一种基于机械锁定的丝牵引变刚度机构

说明书

本发明公开了一种基于机械锁定的丝牵引变刚度机构，包括连续型机器人基本结构、变刚度锁紧机构和变刚度牵引机构；连续型机器人基本结构由连接盘、中央丝和呈圆周分布的四根驱动丝组成，连接盘分为中间连接盘和末端连接盘，末端连接盘通过楔形锁嘴与中央丝和驱动丝的末端固定，中间连接盘通过楔形锁嘴与中央丝固定；变刚度锁紧机构是以每个中间连接盘为机架，由滑动斜齿轮、弹簧、不完全齿轮、连杆和镶嵌金属片构成的单自由度机构；变刚度牵引机构由导丝外鞘、抗拉金属丝、金属丝锁粒构成，导丝外鞘与中央丝同心，抗拉金属丝穿过导丝外鞘和中央丝的楔形锁嘴，通过金属丝锁粒与滑动斜齿轮固定。该机构刚柔状态转换迅速，定位刚度更高。

技术领域

本发明涉及连续型机构变刚度设计领域，具体地说，是涉及一种基于机械锁定的丝牵引变刚度机构。

背景技术

模仿蛇类、象鼻等生物器官的连续型机构具有较高的运动灵活性，在复杂的环境中有很强的适应能力，尤其是在多障碍物的非结构环境和空间狭窄的环境中可以灵活地改变自身形状。但是由于连续性机构高灵活性的特点，又导致其表现出定位刚度差、控制精度低的缺点。在医疗等领域的应用中，往往需要连续型机构既要表现良好的柔顺性，又要在一定条件下具有一定的刚度。比如将连续型机构用于内窥镜机器人，其工作过程分为两个阶段，第一阶段需要机器人在柔性状态顺应人体腔道结构，将手术工具送入目标位置；第二阶段当手术工具在人体内操作时，这就要求机器人具备足够的刚度来为末端手术工具提供力学支撑。因此对连续型机构变刚度的研究具有很大意义。

近些年，人们利用负压阻塞机构，低熔点合金相变，正压锁紧等方式发明了多种变刚度连续型机构，但多数表现出变化刚度不够大，响应速度不够快等缺陷。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于机械锁定的丝牵引变刚度机构，该机构采用机构摩擦锁死技术，通过省力锁紧装置摩擦限制机器人关节内部的相对运动，从而改变结构刚度。对于镍钛合金丝驱动的连续型机器人而言，该变刚度方案是通过已有的连接盘对驱动丝直接锁死，因而设计紧凑。另外该机械式变刚度设计响应快，刚柔状态转换迅速，定位刚度更高。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于机械锁定的丝牵引变刚度机构，包括连续型机器人基本结构、变刚度锁紧机构和变刚度牵引机构；所述连续型机器人基本结构由连接盘、中央丝和呈圆周分布的四根驱动丝组成，所述连接盘上与所述驱动丝相对应地设有过丝孔，连接盘分为中间连接盘和末端连接盘，所述末端连接盘通过楔形锁嘴与中央丝和驱动丝的末端固定，所述中间连接盘通过楔形锁嘴与中央丝固定，所述楔形锁嘴由开槽的楔形螺钉和螺母构成；

所述变刚度锁紧机构是以每个中间连接盘为机架，由滑动斜齿轮、弹簧、不完全齿轮、连杆和镶嵌金属片构成的单自由度机构，所述滑动斜齿轮是可在中间连接盘上纵向滑动的斜齿轮，所述不完全齿轮的一端分布有与滑动斜齿轮啮合的不完全斜齿，另一端分布有与所述连杆配合的连接轴，中间分布有与连接盘配合的轴孔和锁丝孔，以及用于固定所述镶嵌金属片的连接孔，所述连杆的两端设有与所述不完全齿轮相配合的连接孔；

所述变刚度牵引机构由导丝外鞘、抗拉金属丝、金属丝锁粒构成，所述导丝外鞘与中央丝同心，所述抗拉金属丝穿过导丝外鞘和中央丝的楔形锁嘴，通过所述金属丝锁粒与滑动斜齿轮固定。

所述连接盘上还设有与所述楔形锁嘴相配合的锥孔。

所述滑动斜齿轮的四周分布有模数小于1mm的斜齿。

所述中央丝和驱动丝均由可弯曲且不产生轴向变形的合金丝构成。

所述变刚度锁紧机构为辐射对称的单自由度机构，且由滑动斜齿轮驱动。

所述的变刚度锁紧机构设有用于均衡每根丝的锁紧力的连杆机构，连杆结构包括连杆和不完全齿轮。

所述的变刚度牵引机构可同步牵引所有连接盘上的变刚度锁紧机构。