[发明专利]海龟机器人及其柔性脖子装置

说明书

技术领域

本发明涉及机器人技术，特别涉及机器人及其柔性脖子的结构设计。

背景技术

随着我国经济的不断发展，人们越来越意识到文化在国家发展中起着举足轻重的作用，国家也不断的强文化整体实力和竞争力，推动文化事业全面繁荣、文化产业快速发展。科技创新是文化发展的重要动力，文化与科技的融合，推动着人类的文明与进步，机器人戏剧是文化与科技高度融合的典范，是新的艺术表现形式。

机器人戏剧是高新科技与传统文化的结合，是传播传统文化的有效途径，各种表演机器人通过拍演戏剧的形式展现传统文化魅力，尤其是足类海龟表演机器人结合仿生学原理，通过编排戏剧表演形式可以向人们展示着惟妙惟肖的魅力传统文化。海龟机器人是表演机器人中的重要角色。从仿生学原理出发，进行海龟机器人机械设计时，应着重突出生物海龟比较有特点部分。生物海龟的脖子柔韧性极高，不仅可以自由的伸缩，还可以灵活的左右摆动，如何实现海龟机器人脖子的灵活、柔韧性是海龟机器人设计时应重点突出、解决的问题。

目前可实现机器人高度柔性的还比较少，比较典型有Matthias Rolf and Jochen J. Steil 研制的Bionic Handling Assistant。该机器人主要材料采用尼龙组成，机器人采用完全气动驱动，使得机器人的重量较轻、灵活性极高。该机器人由三节组成，采用三级驱动，每节部分末端为驱动部件，机器人腕部采用球轴承，驱动采用三电机驱动方式，机器人带有三个柔性手指，也是由底部电机进行驱动，机器人除驱动部分的总体长度为0.75m。当底部电机提供气压时，机器人可以实现灵活伸缩运动以及像大象鼻子一样的圆弧运动。当电机提供全部气压时，机器人总体长度可达1.2m。机器人集成12个长度传感器，每个传感器与一个电机进行连接，通过传感器数据反馈，可以容易计算机器人整体姿态。九个电机部分与缆线电位计相连，可以方便容易的测量基座与电机底部长度的变化。此外，该机器人进行了连续正想运动学分析，用以机器人的精确控制。该机器人柔性虽较高，但总体结构较复杂且加工困难，机器人总量较大，不适合作为机器人脖子部分设计。(Matthias Rolf and Jochen J. Steil, “Constant curvature continuum kinematics as fast approximate model for the Bionic Handling Assistant” International Conference onIntelligent Robots and Systems, October 7-12, 2012.)。克拉约瓦大学研制的tentacle arm总体采用圆柱形外部结构，机器人采用步进电机进行驱动，电机的旋转带动缆绳的运动，缆绳末端与机器人的每节末端通过螺栓进行连接，通过控制电机的正反转实现缆绳的伸长、缩短，从而控制机器人的摆动。机器人的中间脊线采用一根缆绳进行连接，通过控制不同缆线的伸缩可以实现机器人末端在不同平面内 运动。该机器人采用开环控制，但机器人集成视觉系统可以实现机器人末端精确控制。该机器人采用4轴步进运动控制板，控制3相步进电机驱动机器人运动。

tentacle arm机器人采用绳驱结构，使得机器人的总体柔性提高较大，但由于机器人分节数的限制，使得机器人的柔性难以满足海龟机器人脖子柔性的要求。此外该机器人的重量巨大，也不适合小型海龟机器人脖子的设计需要。(Giuseppe Boccolato, Ionut Dinulescu, Alice Predescu, Florin Manta, Sorin Dumitru, “3D Control for a Tronconic Tentacle”, International Conference on Computer Modelling and Simulation International Conference on Computer Modelling and Simulation, 12th , 2010.)。