CN105150219B - 一种基于绳索驱动的超冗余柔性机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于绳索驱动的超冗余柔性机械臂，包括驱动模块、机械臂模块与若干驱动绳，机械臂模块包括多个串联的关节，相邻的关节通过设于二者之间相互交叉且垂直的转轴连接，任意关节上固接有至少三处的驱动绳，驱动绳可在驱动模块的驱动下独立运动，且位于同一关节上的驱动绳满足设置：该关节可随驱动绳的拉动而相对临近的关节发生绕转轴的转动。本发明可以对各关节进行独立调节，控制更加精确；还可以极大的减轻关节的重量，从而进一步增加机械臂的承载能力，有利于实现机械臂的高速移动和快速响应；同时，省去了电气线路的排布工作，机械臂上仅由机械结构组成，不易受到恶劣环境的影响，有助于延长使用寿命，便于拆卸、维护和组装。

Description

一种基于绳索驱动的超冗余柔性机械臂

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是涉及机械臂领域。

背景技术

超冗余自由度机械臂是为解决传统串联机器人灵活性较差的问题提出来的，其通过增加大量的冗余关节，使关节空间的维数远大于任务空间维数，冗余关节的引入使机械臂可以更加灵活地实现期望的末端位姿。因此，这种机械臂特别适合用作：1、不规则空间内的操作设备，大量的冗余关节可使机械臂具备极强的避障能力，使其特别适合用作特种机器人，例如作为地震灾后穿过碎石瓦砾来寻救幸存者的救生机器人、核反应堆检查机器人等；2、抓取非规则物体的机械手，即采用全臂包卷方式来抓取较大尺寸以及不规则的物体，可以用于***物的排除以及空间站的维护。

然而，目前超冗余自由度机械臂大多采用分立式的电机和驱动器，电机直接安装在转动关节处，驱动器固定在控制柜中，二者用电缆线进行连接，这样会带来很多缺点：

1、机械臂的电气线路十分繁琐，给后续检修带来极大的不便，也容易引发安全隐患；

2、增加了机械臂的惯性和质量，导致其承载能力受到一定的限制，不利于高速运动和快速响应；

3、电机驱动的关节一般都是单自由度的关节，为了实现多自由度运动将不可避免的导致控制***的复杂化；

4、增加制造成本。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于绳索驱动的超冗余柔性机械臂，其可以对各关节进行独立调节，使控制更加精确；可以极大的减轻关节的重量，从而进一步增加机械臂的承载能力，有利于实现机械臂的高速移动和快速响应；同时，省去了电气线路的排布工作，机械臂上仅由机械结构组成，不易受到恶劣环境的影响，有助于延长使用寿命，便于拆卸、维护和组装。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于绳索驱动的超冗余柔性机械臂，包括驱动模块、机械臂模块与若干驱动绳，机械臂模块包括多个串联的关节，相邻的关节通过设于二者之间相互交叉且垂直的转轴连接，任意关节上固接有至少三处的驱动绳，驱动绳可在驱动模块的驱动下独立运动，且位于同一关节上的驱动绳满足设置：该关节可随驱动绳的拉动而相对临近的关节发生绕转轴的转动。

作为上述方案的进一步改进方式，驱动绳固接于关节的尾端。

作为上述方案的进一步改进方式，驱动绳为3处，相邻驱动绳之间间隔120°设置。

作为上述方案的进一步改进方式，驱动绳为4处，分别对应转轴的轴端设置。

作为上述方案的进一步改进方式，驱动模块包括伺服电机、丝杠、滑块、螺母与导轨，其中，伺服电机、丝杠、滑块、螺母及导轨的数量与驱动绳数量对应相等，丝杠一端与伺服电机的驱动轴连接，另一端与螺母螺接，滑块固接在螺母上，并可相对导轨滑动，驱动绳的两端分别与对应关节与螺母固接。

作为上述方案的进一步改进方式，驱动模块包括机架，多个驱动绳以及相应的伺服电机、丝杠、滑块、螺母、导轨并列安装在同一机架上，多个机架上下层叠设置。

作为上述方案的进一步改进方式，机械臂模块包括连接块，连接块上设有两条相互交叉且垂直的转轴安装孔，转轴分别穿设在转轴安装孔内，且一处转轴从另一处转轴中心位置的通孔内穿过，关节的两端均设有铰接座，相邻的关节分别通过二者临近端的铰接座与转轴铰接。

作为上述方案的进一步改进方式，关节的两端设有布线边，布线边上设有若干线孔。

作为上述方案的进一步改进方式，包括布线圆盘，其设于驱动模块与机械臂模块之间，沿圆盘的周向均匀分布有若干线孔与软管，其数量与驱动绳的数量对应相等。

本发明的有益效果是：

可以对各关节进行独立调节，控制更加精确；还可以极大的减轻关节的重量，从而进一步增加机械臂的承载能力，有利于实现机械臂的高速移动和快速响应；同时，省去了电气线路的排布工作，机械臂上仅由机械结构组成，不易受到恶劣环境的影响，有助于延长使用寿命，便于拆卸、维护和组装。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一个实施例的整体示意图；

图2是本发明驱动模块一个实施例的示意图；

图3是本发明相邻关节连接的示意图（隐藏驱动绳）；

图4是本发明关节连接时固定端与活动端的装配示意图；

图5是本发明关节连接时固定端与活动端的分解示意图；

图6是本发明布线圆盘的示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

参照图1，示出了本发明一个实施例的整体示意图，其包括驱动模块1、机械臂模块2与若干驱动绳（未示出），其中机械臂模块2包括多个串联的关节21，相邻的关节21通过设于二者之间相互交叉且垂直的转轴连接，这样关节之间便可以相对发生两个自由度上的转动，通过多个类似关节的组合，机械臂模块便可以在空间上自由弯曲。

在本实施例中关节优选为10处。

任意关节上固接有至少三处的驱动绳，驱动绳作为动力的传递介质由驱动模块1进行驱动，且任意驱动绳之间的运动都是独立的，这样在同一时间内不同的驱动绳可以分别处于收紧或舒张的状态，从而拉动对应关节朝不同方向偏转。此外，为了保证关节绕两个转轴四个方向上的转动都能受到驱动绳的控制，本发明中对同一关节上驱动绳的固接位置有一定限制，即驱动绳不能集中在某一侧，这样关节才能随驱动绳的拉动而相对临近的关节发生各个方向上的转动。

具体的，驱动绳固接于关节的尾端，便于对关节施力。在本发明中，关节尾端与首端的定义如下：沿机械臂的长度方向，靠近驱动模块1的一端为尾端，远离驱动模块1的一端为首端，下同。

作为本发明驱动绳的优选实施例，驱动绳为3处，且相邻的驱动绳之间间隔120°设置。以此为例，为满足机械臂各关节的控制，驱动绳的总数应为30根，所述驱动绳在经过第一段关节时，其中3根与第一段关节固接，其余的27根穿过该关节后达到第二段关节处，此时再分出3根驱动绳与第二段关节固接，剩下的驱动绳继续前进，以此类推直至到达最后的一端关节，这样便实现了各端关节的分开控制。

作为驱动绳的另一个实施例，驱动绳为4处，分别对应第一转轴23与第二转轴24的轴端设置，这样每一根驱动绳均对应一个方向的转动，从而使控制更加精确。

参照图2，示出了本发明驱动模块一个实施例的示意图，包括伺服电机11、丝杠12、滑块13、螺母14与导轨15，其中，伺服电机11、丝杠12、滑块13、螺母14及导轨15的数量与驱动绳数量对应相等，即一处电机对应控制一处驱动绳。具体的，丝杠12一端与伺服电机11的驱动轴通过联轴器连接，另一端与螺母14螺接，滑块13固接在螺母14上，并可相对导轨15滑动，驱动绳3的两端分别与对应关节、螺母固接，这样随着丝杠的转动，螺母14将带动滑块13沿导轨前后移动，进而通过驱动绳拉动关节偏转。

优选的，驱动模块1包括机架16，伺服电机11固定在机架16的首端，丝杠12通过丝杠安装座17与机架16固接，导轨15沿机架16的长度方向固定。同一机架上并列安装有多个驱动绳以及相应的伺服电机、丝杠、滑块、螺母与导轨，多个机架上下层叠以组成上述的驱动模块，便于驱动模块安装与管理。

参照图3至图5，示出了机械臂模块的相关示意图，以任意相邻关节为例，关节间的转动主要发生在前一关节（即靠近于驱动模块的关节）的首端与后一关节（即远离驱动模块的关节）的尾端之间，而前一关节的首端在转动过程中相对处于静止状态，转动主要由后一关节的尾端完成，为了便于描述，故将前一关节的首端称之为固定端21，后一关节的尾端称之为活动端22，二者之间的转轴分别称之为第一转轴23与第二转轴24，其中第一转轴23与第二转轴24作为关节实现转动的关键元件，在本发明中采用十字交叉的结构，活动端22可分别绕第一转轴23、第二转轴24相对固定端21灵活转动，可以理解的是，十字交叉式的转轴连接结构为本发明的一种实施方式，活动端22也可以采用任何其他公知的技术以实现两个自由度上的转动。

本发明为实现活动端与固定端之间的连接，还设有连接块25，连接块25优选为一正方体，其上设有两条相互交叉且垂直的转轴安装孔，活动端22与固定端21上对应设有铰接座。第一转轴23在穿过其中一条转轴安装孔后与固定端21上的铰接座铰接，这样连接块25便能绕第一转轴23相对固定端21转动，第一转轴23中心位置设有通孔，第二转轴24在穿过另一条转轴安装孔与第一转轴23上的通孔后与活动端上的铰接座铰接，这样活动端22便能绕第二转轴24相对连接块25转动，并能与连接块25一体的相对固定端21转动，以实现关节在两个自由度上的转动，同时还能限制第一转轴沿转轴安装孔的移动，若干关节通过上述的方式串联，便能形成可以自由弯曲的机械臂。

进一步的，第二转轴24包括一螺钉241，螺钉241的一端螺接有防松螺母242，螺钉241与相应转轴安装孔之间设有轴套243。

优选的，为了实现驱动绳的有序排布，便于后续维护，固定端21与活动端22的周边设有布线边26，布线边26上沿其周向均匀分布有若干线孔261，驱动绳3穿过固定端21上的线孔后固接在活动端22上对应的线孔内，这样驱动绳彼此分离，可以有效的避免绳索间的缠绕。

在本发明中，关节的固定端保持相对静止，活动端相对于固定端具有两个方向的自由度，其在这两个自由度上不同的转动角度分别对应着驱动绳不同的长度，因此，可以通过逆解计算所需要的关节角度对应的绳索长度变化量，将其赋给驱动模块，便可以实现单关节两个自由度的运动规划功能。

参照图6，当机械臂的关节较多时，驱动绳的数量会变得极为庞大，为了防止绳索之间出现缠绕，在驱动模块1与机械臂模块2之间还设有布线圆盘4，布线圆盘4上沿其周向均匀分布有若干线孔41与软管42，其数量与驱动绳3的数量对应相等，从驱动模块引出的驱动绳首先由软管42引导至各自的线孔41内，再分别与对应关节连接，从而使绳索有序的排布，便于管理。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种基于绳索驱动的超冗余柔性机械臂，其特征在于，包括驱动模块、机械臂模块与若干驱动绳，所述机械臂模块包括多个串联的关节，相邻的所述关节通过设于二者之间相互交叉且垂直的转轴连接，任意所述关节上固接有至少三处的所述驱动绳，所述驱动绳可在所述驱动模块的驱动下独立运动，且位于同一关节上的驱动绳满足设置：该关节可随所述驱动绳的拉动而相对临近的关节发生绕所述转轴的转动；所述机械臂模块还包括连接块，所述连接块上设有两条相互交叉且垂直的转轴安装孔，所述转轴分别穿设在所述转轴安装孔内，所述转轴包括第一转轴和第二转轴，所述第一转轴的中心位置设有通孔，所述第二转轴从所述通孔内穿过；还包括布线圆盘，其设于所述驱动模块与机械臂模块之间，沿所述圆盘的周向均匀分布有若干线孔与软管，其数量与驱动绳的数量对应相等，所述驱动绳从驱动模块引出并由所述软管引导至各自的线孔内，再分别与对应关节连接。

2.根据权利要求1所述的基于绳索驱动的超冗余柔性机械臂，其特征在于，所述驱动绳固接于所述关节的尾端。

3.根据权利要求2所述的基于绳索驱动的超冗余柔性机械臂，其特征在于，所述驱动绳为3处，相邻所述驱动绳之间间隔120°设置。

4.根据权利要求2所述的基于绳索驱动的超冗余柔性机械臂，其特征在于，所述驱动绳为4处，分别对应所述转轴的轴端设置。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的基于绳索驱动的超冗余柔性机械臂，其特征在于，所述驱动模块包括伺服电机、丝杠、滑块、螺母与导轨，其中，所述伺服电机、丝杠、滑块、螺母及导轨的数量与所述驱动绳数量对应相等，所述丝杠一端与伺服电机的驱动轴连接，另一端与所述螺母螺接，所述滑块固接在所述螺母上，并可相对所述导轨滑动，所述驱动绳的两端分别与对应关节、螺母固接。

6.根据权利要求5所述的基于绳索驱动的超冗余柔性机械臂，其特征在于，所述驱动模块包括机架，多个所述驱动绳以及相应的伺服电机、丝杠、滑块、螺母、导轨并列安装在同一机架上，多个所述机架上下层叠设置。

7.根据权利要求2至4中任一项所述的基于绳索驱动的超冗余柔性机械臂，其特征在于，所述关节的两端均设有铰接座，相邻的所述关节分别通过二者临近端的铰接座与所述转轴铰接。

8.根据权利要求7所述的基于绳索驱动的超冗余柔性机械臂，其特征在于，所述关节的两端设有布线边，所述布线边上设有若干线孔。