[发明专利]基于滚动接触的柔性关节及具有其的连续体机器人

说明书

本发明公开了一种基于滚动接触的柔性关节及具有其的连续体机器人，包括两个相互连接的滚动体；所述滚动体具有位于所述滚动体上端的第一接触面、和位于所述滚动体下端的第二接触面；两个所述滚动体通过第一接触面和第二接触面形成为滚动连接；所述滚动体中部插接有中央簧片；相邻所述滚动体滚动运动后通过所述中央簧片提供恢复力矩。本发明的柔性关节为CORE与簧片柔性铰链的结合，兼具传统刚性转动副和柔性铰链的优点，结构简单、加工方便、无销轴配合、无摩擦损耗、无需润滑、环境友好，轴向承载能力大，应用在连续体机器人中在结构上实现了高柔顺运动与高轴向刚度的结合。

技术领域

本发明涉及航空检修/航空检测技术领域，尤其涉及一种基于滚动接触的柔性关节及具有其的连续体机器人。

背景技术

检测、维修是飞机全寿命周期服役中的重要环节，飞机维修成本占其运营成本的很大一部分。维修主要包括原位维修和离位送修两大类：离位送修成本大，周期长；原位检修能大大缩短周期，但因种种限制不常采用。航空检测与维修领域对可实现原位检修作业机器人的需求十分迫切。

连续体机器人因自由度多、灵活性强，可以在不破坏环境的前提下实现复杂、狭小环境作业，为航空受限环境作业提供了新手段。与传统销轴转动副相比，柔性机构结构简单，加工方便；无间隙，无摩擦损耗；无需润滑，环境友好；精度和分辨率高，被较多地用于连续体机器人。柔性滚动接触单元(Compliant Rolling-contact Element，CORE)因为辅助接触的引入而同时具有柔性机构和销轴转动副的优点，将其应用在连续体机器人中，或可解决连续体机器人柔顺性与载荷之间的矛盾。

一般情况下，连续体机器人臂体由多个单元关节串联而成，各关节之间为刚性小片段或可视为刚性小片段。因此，与软体机器人不同，它的轴向长度固定或可控，且具有一定的抗压能力。整条臂体的力学特性很大程度上取决于单元关节的力学特性。目前单元关节有刚性和柔性两大类，可依此将连续体机器人分类。

S1、刚性单元连续体机器人：

各单元关节为销轴式转动副、普通球铰或虎克铰等传统刚性转动副，理论上轴向为绝对刚性。可以独立控制关节的每个自由度或分段控制几个关节组成的段。关节独立控制时的横向性能往往由驱动机构(如缆绳)决定。分段控制时需有弹簧、橡胶等柔性机构保证段内各个关节弯曲的均匀分布。分段控制时段内有冗余自由度，横向力学性能较差。

S2、柔性单元连续体机器人：

各单元关节为柔性铰、弹性杆、簧片等柔性关节，轴向不是绝对刚性(也有少量基于辅助接触的关节有较大的轴向刚度)。由于大多数柔性机构最大弯曲角度较小或弯曲角度较大后力学性能较差，柔性单元连续体机器人多为分段控制，有内部冗余自由度，横向力学性能由驱动机构和单元关节共同决定。

基于辅助接触接触的柔性单元在连续体机器人中的应用较少。

韩国科学技术院的Jung-wook Suh等人提出了一种基于摩擦的无带滚动关节，并将其运用在医疗内窥镜中。如图1所示，它通过弹性缆绳约束滚动副，通过摩擦实现近似纯滚动。该设计的缺点是靠滚动接触表面摩擦实现纯滚动不是特别可靠，约束绳的张力很难选择和调控。

帝国理工学院的Yang Hu等人基于螺旋弹簧的外型设计了用于蛇形臂机器人的滚动关节。如图2所示，它巧妙地利用了弹簧本身的收缩力约束滚动副，实现了滚动接触。此设计的缺点是滚动单元之间不是纯滚动，甚至可能因轴向载荷存在轴向滑动。

现有方案存在的技术问题

1、对于传统刚性转动副：

轴向刚度较好的传统刚性转动副的销和孔之间存在间隙，引入了一些寄生运动和摩擦，这使得其精度主要取决于加工和装配精度，由于磨损，这些问题随着时间的推移变得更复杂。

2、对于普通柔性铰链：