[发明专利]连续体机器人

说明书

一种连续体臂机器人区段，其中该区段包括至少三个节段，以基部、至少一个中间节段和顶端节段为特征。每个节段对应于成对的相邻盘之间的至少一个互连部分，成对的相邻盘形成连续体臂机器人的区段的主干。基部节段具有比至少一个中间节段和顶端节段更大的刚度，并且至少一个中间节段具有比顶端节段更大的刚度。还提供了一种调整连续体臂的刚度的方法。该方法包括将第一加强部件施加到节段的步骤。将第二个加强部件施加到不同节段。第一加强装置导致基部节段具有比中间节段更大的刚度，并且第二加强装置导致中间节段具有比基部节段更低的刚度，但是比顶端节段更高。

技术领域

本发明涉及一种连续体机器人，特别是用于连续体机器人的臂区段的设计。该区段能够是形成全长臂的一部分或多个区段，其能够在密闭或危险的环境中检查或维修部件。

背景技术

在复杂结构的制造、检查和维修中的机器人的使用正在增长，因为这些设备能够进入人类不能进入的点。为了执行这样的任务，存在大量机器人设计和配置，其期望用于不同目的。特别地，蛇臂或连续体机器人具有特别的意义。与传统的刚性连杆机器人不同，这些连续体机器人具有许多自由度，其允许它们特别适合进入密闭空间。这允许它们被用于从外科手术到航空发动机的现场维修的广泛范围的目的。

连续体机器人大体由几个独立控制的区段构成，其中每个区段具有一个或两个自由度，其允许它们被容易地操纵。区段的每个元件通过刚性或顺应性关节连接，其能够通过拉动线缆或调整气动或液压致动器来被操纵；因此，允许它们被铰接至不同的目标定向。连续体机器人的最常见设计之一是由使用刚性连结区段构成，刚性连结区段使用旋转/万向/球形(R/U/S)关节联接在一起。但是，关于这种系统的使用存在问题；这是因为在使直径接近臂的内直径的输送管贯穿R/U/S关节中的困难。该问题是关节的弯折半径小的结果。该小半径能够导致在输送管中形成扭结，这能够妨碍工具的功能或材料沿管的输送。为了克服这个，连续体区段能够以刚性连杆之间的弹性体区段为特征；这用于将弯折均匀地分配在该区段的整个长度上。因此，弹性体区段的使用允许更连续的曲率，其允许输送管贯穿机器人臂的中间。因此，当与刚性关节的连续体臂相比时，通过在连续体机器人的区段中采用弹性体材料，允许机器人的臂具有更好的弯折能力。

然而，这种类型的机器人的问题之一是，当使用运动学模型控制机器人的臂时，区段被认为是圆形曲线。在此情况下，运动学模型提供了一种控制/确定多个连结体的运动的手段。然而，物理测试表明，连续体区段不会以连续和圆形曲率半径弯折。因此，模型与臂的实际形状之间的差异能够致使机器人出现大量的位置误差。因此，存在需要来使连续体区段更好地匹配圆形曲率，使得连续体机器人的控制更加可靠。

发明内容

根据第一方面，提供了一种连续体臂机器人区段，其中该区段包括至少三个节段，以基部、至少一个中间节段和顶端节段为特征，其中每个节段对应于成对的相邻盘之间的至少一个互连部分，成对的相邻盘形成连续体臂机器人的区段的主干，其中基部节段具有比至少一个中间节段和顶端节段更大的刚度，并且至少一个中间节段具有比顶端节段更大的刚度。

通过采用本公开的教导，连续体机器人能够具有在弯折时以圆形形状弯曲的区段，并且还适于形成其它弯折形状，如二次曲线。这样，当在密闭空间内导航时，或在其中需要臂的极端控制的情况下，这将为机器人提供更好的可达性。此外，由于这些区段具有固定设计，因此它们能够在现场被调整，以改进机器人臂的性能。

每个节段可由顺应性和旋转关节对制成。

关节的刚度可通过旋转关节的表面粗糙度来确定。

关节的刚度可通过旋转关节内的盘的材料来确定。

节段可由非恒定刚度关节制成，非恒定刚度关节包括通过具有2个自由度或1个自由度的互连部分分开的盘。

互连部分可具有变化的厚度，其中基部节段是最厚的互连部分并且具有最硬的区段，中间节段具有中等厚度的互连部分，所述中等厚度的互连部分具有中等刚度，且顶端节段具有最薄的互连部分并具有最低的刚度。