[發明專利]一種可控彎曲的疊鏈結構

在審

• 申請號: 202211159672.8
• 申請日: 2022-09-22
• 公開（公告）號: CN115574058A
• 公開（公告）日: 2023-01-06
• 發明（設計）人: 王云江;金浩然;朱永堅;楊克己
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: F16H21/16
• 分類號: F16H21/16;H02G11/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

本發明公開了一種可控彎曲的疊鏈結構，包括基于平面四連桿結構的一系列相似連桿單元，每個連桿單元包括壓桿、起桿、壓桿連桿和起桿連桿；起桿通過兩端通孔分別與壓桿一端通孔以及下一單元的壓桿一端通孔鉸接，三桿折成Z字型；通過一個壓桿一個起桿交錯排布并疊縮，形成鋸齒狀排布的疊鏈結構。本發明作為機械臂的運動本體，可實現狹窄空間的多曲率彎曲作業，具備小腳印、大轉角、高負載、輕量化、后驅動、可內部走線的特點，以滿足機器人特別是微創手術機器人在狹窄空間作業的小型化、精簡化、高性能的作業需求。

技術領域

本發明涉及機械傳動結構，具體涉及一種可控彎曲的疊鏈結構。

背景技術

面向狹窄空間的精細化靈巧作業，機械臂需要縮減尺寸、精簡體積、降低質量，與此同時保有較多的自由度、較高的負載能力、較大的運動范圍。這些要求都是彼此矛盾的，常常導致顧此失彼。目前的方案主要有剛性關節臂與柔性連續體兩種，剛性關節臂可以選用微型電機內置在關節處從而放棄后驅動的優勢，但是微型電機無法提供較大的負載能力；也可以采用繩傳動結合關節處的滑輪的方式，通過后置電機牽拉鋼絲繩驅動滑輪帶動關節的旋轉，但是轉動范圍受限、需要較大的預緊力防止滑輪打滑；這些方案在內部走線上都存在著極高的難度，需要留出較多的傳動線纜運動空間、還要考慮通訊線、供電線。柔性連續體采用彈性管材，天然適合中空走線，而彈性體的形變可實現靈活的彎曲運動形式，然而其變形易受環境外力的影響，難以實現精準定位、負載也很低。

發明內容

為了實現機械臂在狹窄空間作業的需求，同時兼顧小腳印、大轉角、高負載、輕量化、后驅動、可內部走線的優異特點，本發明基于剛性連桿結構實現了被柔性連續體所獨有的曲率彎曲運動形式，提供一種可控彎曲的疊鏈結構。

本發明針對現有技術的不足所采用的技術方案是：一種可控彎曲的疊鏈結構，由任意數量的連桿單元串接組成，每個連桿單元包括壓桿、起桿、壓桿連桿和起桿連桿；

所述壓桿、起桿具有兩端通孔和中部通孔，三孔軸心互相平行；所述壓桿連桿、起桿連桿具有兩端通孔，兩孔軸心互相平行；

本單元起桿通過兩端通孔分別與本單元壓桿一端通孔以及下一單元壓桿一端通孔鉸接，三桿折成Z字型；通過一個壓桿一個起桿交錯排布并疊縮，形成鋸齒狀排布的疊鏈結構；

本單元起桿連桿通過兩端通孔分別與本單元起桿中部通孔和下一單元起桿中部通孔鉸接約束；本單元壓桿連桿通過兩端通孔分別與本單元壓桿中部通孔和下一單元壓桿中部通孔鉸接約束。

進一步地，本單元的壓桿、起桿、壓桿連桿與下一單元的壓桿構成反四連桿結構，使得本單元的壓桿連桿與起桿交叉，呈現出8字型結構；本單元的起桿、起桿連桿與下一單元的壓桿、起桿構成反四連桿結構，使得本單元的起桿連桿與下一單元的壓桿交叉，呈現出8字型結構；

兩個8字形結構均具備本單元的起桿以及下一單元的壓桿，從而互相共用一個夾角，使得兩個反四連桿結構成對耦合，形成對偶反四連桿結構。

進一步地，本單元的所述壓桿與所述起桿采用同樣的設計參數，所述壓桿連桿與所述起桿連桿采用同樣的設計參數，則兩個8字形結構互為鏡像，共用的夾角對應的兩結構各自獨有的內錯角相等，形成共軛反四連桿結構。

進一步地，本單元的起桿和壓桿的夾角θ_k與本單元的起桿和下一單元的壓桿的夾角之間滿足反四連桿結構內錯角之間的函數關系；通過成對布置的反四連桿結構，使得本單元的起桿和下一單元的壓桿的夾角與下一單元的壓桿和起桿的夾角夾角θ_k+1滿足反四連桿結構內錯角之間的另一函數關系；