[发明专利]一种智能变刚度柔性关节及柔性机器人系统

说明书

本发明公开一种智能变刚度柔性关节及柔性机器人系统，智能变刚度柔性关节包括：拉线，底部端头，底部线孔，柔性外表层，线圈层，柔性内表层，顶部端头，底部外侧接头，底部内侧接头，电极引线，变刚度芯体，磁流颗粒，弹性流体，顶部内接头，顶部线孔，顶部外接头，芯轴。对于柔性机器人系统的执行端部，还包括执行部件，内接螺纹，拉线端子。柔性机器人系统还包括保护层，转接关节，端部关节，执行关节。本发明操作简单，并未额外增加绳驱数量，具有智能化，高精度的特点。

技术领域

本发明涉及一种智能变刚度柔性关节及柔性机器人系统，特别涉及基于智能材料的可控变刚度调整和提高各关节位置精度的机器人系统，属于医疗器械技术领域。

背景技术

柔性机器人具有多个自由度、大应变能力、高安全性和高灵活性，以及适用于复杂的非结构化环境的巨大潜能，已逐渐成为机器人研究领域的焦点。在此研究领域，诞生了一系列结构精巧、运动自如、环境适应能力强的软体机器人，如美国哈佛大学的海星机械手、四足变形机器人、美国塔夫茨大学的毛毛虫机器人、欧盟委员会耗资1000万欧元资助的章鱼机械触手等。柔性机器人的广阔应用前景，使得与之相关的各项理论和技术蓬勃发展。

在医学领域，柔性机器人对于微创手术意义重大。微创外科手术是指利用胸腔镜、腹腔镜等现代医疗器械及相关设备进行的手术，兴起于上世纪80年代，又被称为介入式手术。手术器械经由患者身体上的若干个最低限度的小切口进入体内，在视觉显示系统的引导下进行手术操作。传统手术中手术器具的操作是医生在患者体外手工控制，手术时间长，且成功率受到较大影响。与其相比，微创手术具有创口小，疼痛轻，术后恢复快，住院时间短等优点，大大减少了手术过程给病人带来的痛苦和不便，提高了手术质量，因而得到了越来越广泛的应用。

柔性机器人其按驱动方式分类可分为流体弹性驱动型(FEA)、绳线肌腱驱动型(TDA)、形状记忆合金驱动型(SMA)、气动人工肌肉驱动型(PAM)、电活性聚合物驱动型(EAPs)以及混合驱动型等。

绳线肌腱驱动方式是将线缆沿机械臂轴线方向布置，通过拉动线缆，驱动机械臂进行弯曲或扭转。其设计一般基于“肌肉性静水骨骼”组织结构，用驱动线来模拟“纵向肌肉”，通过驱动电动机转动收紧或者放松驱动线，使软体操作臂弯曲或伸展，实现手术所需的运动或变形功能。

然而，为减小柔性机器人的外形尺寸及能量消耗，目前线驱动中绳子仅驱动大关节，其间的小关节无驱动，是与大关节的运动相互耦合的。简言之，小关节所在位置为被动实现，这会影响柔性机器人整体的空间构形精度。

发明内容

本发明针对目前柔性机器人无法实现每个关节位置调整从而影响整机构形的问题，本发明专利提出一种智能变刚度柔性关节及柔性机器人系统。变刚度柔性关节可通过外接电流对磁流变弹性材料的刚度调节实现，并不增加绳驱数量及电机驱动部件。本专利提出的柔性机器人系统是由柔性芯轴和变刚度柔性关节组合而成，具备刚柔耦合特性，一方面满足空间定位精度的要求，另一方面为每个关节的定位提供了控制手段，提高整体构形精度。

本发明提供一种智能变刚度柔性关节，该智能变刚度柔性关节包括：拉线，底部端头，底部线孔，柔性外表层，线圈层，柔性内表层，顶部端头，底部外侧接头，底部内侧接头，电极引线，变刚度芯体，顶部内接头，顶部线孔，顶部外接头，芯轴。

底部端头位于变刚度柔性关节的一侧，用于多个变刚度柔性关节的连接。底部端头上设置了底部外侧接头、底部线孔、底部内侧接头。底部外侧接头在变刚度柔性关节连接时，位于另一变刚度柔性关节的内部。底部内侧接头位于本变刚度柔性关节的内部。底部内侧接头与变刚度芯体和柔性内表层接触，三者之间固定连接，具体为胶接；其中，底部内侧接头为非金属材料，可以为特氟龙、橡胶、复合材料等。底部外侧接头和底部内侧接头均设置了外螺纹结构，以方便变刚度柔性关节间的连接。底部线孔呈圆周向布置，以供拉线和电极引线通过。