本發(fā)明屬于多自由度冗余連續(xù)型機器人，涉及一種面向狹窄空間任務(wù)的欠驅(qū)動芯柱式連續(xù)體機器人。

背景技術(shù)：

1、隨著工業(yè)重器及航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，面向狹窄非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的作業(yè)需求日益增多，如航空航天發(fā)動機檢測、飛機機翼油箱檢測、核電廠在役設(shè)備運維等。以飛機機翼油箱為例，作為飛機的核心部件，在航前航后均需進行檢測，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)狹窄受限、翼肋繁多交錯，易發(fā)生滲漏、燃燒爆炸等危險事故。目前多由機務(wù)人員進箱人工開展檢測排查工作，存在檢測效率低、周期長，強度大、故障源難以排查的問題，因此亟需一種能替代機務(wù)人員執(zhí)行檢測任務(wù)的裝備。

2、傳統(tǒng)工業(yè)機器人由于尺寸及靈活性受限無法進入狹窄空間作業(yè)。現(xiàn)有的具備狹窄空間作業(yè)能力的連續(xù)型機器人大致可以包括萬向節(jié)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)與芯柱結(jié)構(gòu)連續(xù)型機器人，其他如折紙類、純?nèi)嵝越Y(jié)構(gòu)、主動電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)等，由于尺寸大和剛度不足等因素無法完成該類作業(yè)任務(wù)。而基于萬向節(jié)關(guān)節(jié)的連續(xù)型機器人由于每個關(guān)節(jié)都需要給定相應(yīng)驅(qū)動，大大增加了驅(qū)動的數(shù)目，從而增加了整體的重量與設(shè)計難度。而基于芯柱結(jié)構(gòu)的連續(xù)型機器人，一方面在較大驅(qū)動力作用下易發(fā)生屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象，另一方面其扭轉(zhuǎn)剛度較弱，容易在自重與負載下發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。

3、將萬向節(jié)結(jié)構(gòu)與芯柱結(jié)構(gòu)結(jié)合，可構(gòu)成一種新型狹小空間作業(yè)的連續(xù)型機器人。其中萬向節(jié)結(jié)構(gòu)可以提供扭轉(zhuǎn)剛度、軸向變形剛度和重復(fù)定位精度；芯柱結(jié)構(gòu)可以完成兩個相鄰萬向節(jié)之間的力傳遞關(guān)系，提供彎曲變形剛度并可以實現(xiàn)少驅(qū)動結(jié)構(gòu)。兩者結(jié)合可以避免芯柱的軸向變形而造成的屈曲失穩(wěn)與大幅增加扭轉(zhuǎn)剛度，并同時大幅減少主動驅(qū)動器的數(shù)目。該結(jié)構(gòu)可高效完成狹小空間的受限非結(jié)構(gòu)化環(huán)境作業(yè)，具有重要的科學(xué)研究價值和現(xiàn)實意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種面向狹窄空間任務(wù)的欠驅(qū)動芯柱式連續(xù)體機器人。該連續(xù)體機器人在萬向節(jié)結(jié)構(gòu)中引入芯柱，形成剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)、具有靈活性高、抗扭能力強、長度-直徑比大、環(huán)境適應(yīng)性強、驅(qū)動數(shù)目少等優(yōu)點，可以滿足狹窄空間檢測作業(yè)任務(wù)。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

3、一種面向狹窄空間任務(wù)的欠驅(qū)動芯柱式連續(xù)體機器人，所述的欠驅(qū)動芯柱式連續(xù)體機器人包括連續(xù)體機械臂主體1、導(dǎo)線機構(gòu)2、導(dǎo)線錐臺3、驅(qū)動裝置4、線性進給平臺5，具體如下：

4、所述的驅(qū)動裝置4包括驅(qū)動線纜、電機，多根驅(qū)動線纜通過導(dǎo)線機構(gòu)2與多個電機連接，控制電機的轉(zhuǎn)動使得驅(qū)動線纜伸長或縮短，通過不同驅(qū)動線纜的收放組合，進而實現(xiàn)對連續(xù)體機器人目標姿態(tài)的控制。

5、所述的導(dǎo)線機構(gòu)2，其與所述驅(qū)動裝置4的電機連接，且與驅(qū)動線纜連接，多為驅(qū)動滑輪或絲杠模組。

6、所述的導(dǎo)線錐臺3，其后大前小，通過螺栓固定在所述驅(qū)動裝置4的前固定板上，內(nèi)部中空用于穿過驅(qū)動線纜。

7、所述的線性進給平臺5，其置于所述驅(qū)動裝置4下方，用于帶動驅(qū)動裝置4及機械臂主體1在導(dǎo)程范圍內(nèi)進給或后退運動。所述的驅(qū)動線纜其一端與連續(xù)體機械臂主體1連接，另一端通過導(dǎo)線機構(gòu)2與驅(qū)動裝置4連接。

8、線性進給平臺5搭載連續(xù)體機械臂主體1移動到工作范圍內(nèi)，驅(qū)動裝置4通過導(dǎo)線機構(gòu)2帶動相應(yīng)驅(qū)動線纜收縮，連續(xù)體機械臂主體1開始調(diào)整自身姿態(tài)，待穿過機翼6的第一層肋板后，線性進給平臺5繼續(xù)移動，連續(xù)體機械臂主體1繼續(xù)調(diào)整自身姿態(tài)，開始穿過機翼6的第二層肋板，依次類推，直至到達目標作業(yè)位置。

9、進一步的，所述的連續(xù)體機械臂主體1包括n個依次連接且結(jié)構(gòu)相同的機械臂單元7、芯柱11、萬向節(jié)10，每個機械臂單元7周向均勻設(shè)置有多個用于穿過驅(qū)動線纜的驅(qū)動通孔16并貫穿整個連續(xù)體機械臂主體1，所述驅(qū)動線纜數(shù)目與通孔數(shù)目相同。其中，每n/m個機械臂單元7構(gòu)成一個關(guān)節(jié)段8，整個續(xù)體機械臂主體1共有m個關(guān)節(jié)段8，相鄰機械臂單元7通過萬向節(jié)10連接，芯柱11穿過萬向節(jié)10的中空部分并固定在相鄰機械臂單元7的凸臺12中。同一關(guān)節(jié)段8內(nèi)的萬向節(jié)10的數(shù)目與芯柱11的數(shù)目相等。具體的：

10、首端第一個機械臂單元7通過螺栓與導(dǎo)線錐臺3固定，末端執(zhí)行器通過螺栓與連續(xù)體機械臂主體1末端機械臂單元7連接。

11、每個機械臂單元7的上表面和下表面均對稱設(shè)置有凸肩9。所述凸肩9沿垂直中心軸線方向?qū)ΨQ設(shè)置有沉頭螺紋孔13。

12、每個機械臂單元的上表面和下表面均對稱設(shè)置有凸臺12。所述凸肩9間的距離大于凸臺12的邊長，凸臺12與左右兩凸肩9的距離相等。所述凸臺12上方設(shè)置有沿中心軸線方向的芯柱孔槽14，所述凸臺周向均勻設(shè)置有4個緊定螺紋孔15，所述芯柱孔槽14與所述緊定螺紋孔槽15連通。

13、相鄰兩個機械臂單元7通過萬向節(jié)10連接。所述萬向節(jié)10周向均勻布置有4個螺紋通孔，當萬向節(jié)10的螺紋通孔與機械臂單元7凸肩9上的沉頭螺紋孔13同軸心對齊后，通過螺紋轉(zhuǎn)軸連接，實現(xiàn)相鄰兩個機械臂單元間的靈活偏轉(zhuǎn)。

14、所述芯柱11選用多個柔性鎳鈦合金桿，其兩端穿過相鄰兩個機械臂單元7的芯柱孔槽14且經(jīng)由所述緊定螺紋孔15中的緊定螺釘19從4個方向緊固。每段芯柱11長度與相鄰兩機械臂單元7上下表面的間距相等；需要注意的是，芯柱11的直徑越大，關(guān)節(jié)段8的剛度更大，芯柱11的直徑越小，關(guān)節(jié)段8的靈活性更強，在實際應(yīng)用中，靠近導(dǎo)線錐臺3的關(guān)節(jié)段8通常采用大直徑的芯柱11，靠近連續(xù)體機械臂主體1末端的關(guān)節(jié)段8通常采用小直徑的芯柱11。

15、進一步的，所述機械臂基座一端通過螺栓固定在所述導(dǎo)線錐臺3的臺面上，另一端與機械臂單元7通過萬向節(jié)10相連。

16、進一步的，每個機械臂單元7通過設(shè)置貫通上下表面的通槽17以實現(xiàn)減重。

17、進一步的，所述末端執(zhí)行器22包括但不限于攝像頭、機械手爪、探照燈等。

18、進一步的，所述連續(xù)體機械臂主體1還可以安裝在工業(yè)機械臂上，兩者配合以實現(xiàn)更加靈活準確的空間運動。

19、所述面向狹窄空間任務(wù)的欠驅(qū)動芯柱式連續(xù)體機器人的工作過程為：檢修人員操作線性進給平臺移動至待檢機翼6前方，在高級控制器(pc)界面上控制驅(qū)動裝置4中多個電機帶動導(dǎo)線機構(gòu)2運動，相應(yīng)的驅(qū)動線纜收縮，連續(xù)體機械臂主體1在驅(qū)動線纜的作用下調(diào)整自身姿態(tài)穿越機翼6的第一層肋板，此時線性進給平臺5繼續(xù)移動，連續(xù)體機械臂主體1繼續(xù)通過驅(qū)動線纜的收放協(xié)調(diào)來調(diào)整位置及姿態(tài)，完成第二次穿越或轉(zhuǎn)向運動，依次類推，連續(xù)體機器人通過多次調(diào)整自身姿態(tài)到達機翼6中的不同檢測作業(yè)點，并由末端執(zhí)行器22反饋檢測信息至高級控制器(pc)界面，為檢修人員提供參考。

20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

21、(1)本發(fā)明通過采用剛?cè)狁詈系姆绞?，將鎳鈦合金桿(芯柱)引入萬向節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，兼顧兩者優(yōu)點，即通過鎳鈦合金桿提供的剛度限制了萬向節(jié)結(jié)構(gòu)的最大彎曲角度，通過萬向節(jié)的特性限制了鎳鈦合金桿的扭轉(zhuǎn)，兩者相互配合限制，使得機械臂具有較大的負載能力。在保證機械臂主體靈活運動的同時極大地提高了連續(xù)體機械臂的工作長度和抗扭曲剛度，且提供了一定的回正能力。

22、(2)本發(fā)明引入鎳鈦合金桿作為相鄰兩個機械臂單元的柔性連接件，規(guī)避了以往萬向節(jié)結(jié)構(gòu)的連續(xù)體機械臂需要全驅(qū)動的弊端，極大地減少了驅(qū)動數(shù)目和驅(qū)動裝置的尺寸。

23、(3)本發(fā)明可以通過不同剛度的鎳鈦合金桿組合，實現(xiàn)不同的任務(wù)需求的切換。更換不同的任務(wù)臂體設(shè)計方面更改較小，且實現(xiàn)簡易。

24、(4)本發(fā)明所述的機器人具有單元直徑小，主體長度大，長度-直徑比大，質(zhì)量小的特點，布局緊湊合理，具有可復(fù)制性和可擴展性，可以適應(yīng)不同作業(yè)環(huán)境。