CN110666833A - 一种基于并联机构的绳驱动七自由度仿人机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于并联机构的绳驱动七自由度仿人机械臂，包括依次相连的肩部关节、肘部关节、腕部关节以及将各个关节相连的关节间连接件，肩部关节和腕部关节为三自由度关节，肘部关节为单自由度关节，肩部关节和腕部关节内部设有空间曲线结构的运动支链组以及与绳配合传动，肘部关节通过齿轮啮合传动以及绳配合传动。相对现有技术，本发明技术方案具有自由度多、成本低、噪音小、柔性高、质量和转动惯量小、负载自重较高等优点，可有效对机器人驱动关节进行优化设计以及提高工作效率。

Description

一种基于并联机构的绳驱动七自由度仿人机械臂

技术领域

本发明涉及机器人机械臂技术领域，特别涉及一种基于并联机构的绳驱动七自由度仿人机械臂。

背景技术

七自由度机械臂由于具有超过三维空间中实现任意位姿所需要的六个自由度而成为冗余度机器人，但七自由度机械臂具有更高灵巧性、更强任务执行和环境适应能力、更强避障功能而备受关注，是一类重要的机器人。

传统机械臂一般为串联结构，驱动电机多放置于关节处，整体手臂的质量和惯性较大，严重影响高速运动和快速响应的性能。为解决上述技术问题，绳驱动方式应用而生，绳驱动传动方式将驱动源集中放置在基座端，通过绳索将动力传输到远处的驱动构件上，能有效地减轻了机构运动重量，提高其动态响应性能而受到重视。

例如专利US12328792公开了绳驱动操作臂，其采用串联关节将整个机械臂串联在一起，但其内部的几个关节的结构很松散且走线复杂，还存在末端负载能力低、负载自重比小等缺陷，因此难以用于工业也不能用于仿人机器人。而专利CN200710063781.9提出的绳驱动机械臂将所有的电机集中于基座，其构型怪异、结构很松散、刚度和精度都难以保障，与实际应用存在较大差距。

总而言之，现有技术中已经公开的绳驱动机械臂结构多为串联机构，由于其构型和结构设计存在较大问题，在实际上并没有发挥绳驱动应有优势，难以达到预期效果。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种自由度多、成本低、噪音小、柔性高、质量和转动惯量小、负载自重较高的基于并联机构的绳驱动七自由度仿人机械臂，旨在对机器人驱动关节进行优化设计以及提高工作效率。

为实现上述目的，本发明提出的一种基于并联机构的绳驱动七自由度仿人机械臂，包括依次相连的肩部关节、肘部关节、腕部关节以及将各个关节相连的关节间连接件，肩部关节和腕部关节为三自由度关节，肘部关节为单自由度关节，肩部关节和腕部关节内部设有空间曲线结构的运动支链组以及与绳配合传动，肘部关节通过齿轮啮合传动以及绳配合传动。

优选地，所述肩部并联机构包括轴向设置的肩部固定平台和肩部运动平台，肩部固定平台和肩部运动平台之间设有由若干空间曲线结构的运动支链组成的运动支链组，单个运动支链端部通过虎克铰分别与肩部固定平台和肩部运动平台相连，肩部固定平台另一端与肩部电机固定架轴向相对，肩部电机固定架与肩部固定平台之间设有若干个肩部齿轮箱，肩部齿轮箱与肩部驱动电机相连，两个闭合链绳索自肩部固定平台穿入肩部运动平台内并与设置于肩部运动平台内的传动机构相连并形成闭合链，两个闭环链绳索分处于两个平面内且相互垂直，传动机构通过电机驱动绳索，两个绳索带动肩部运动平台摆动实现沿两个绳索方向的两自由度摆动以及肩部电机驱动肩部固定平台旋转。

优选地，所述腕部并联机构包括上下设置的腕部固定平台和腕部运动平台，腕部固定平台和腕部运动平台之间设有由若干空间曲线结构的运动支链组成的运动支链组，运动支链端部通过虎克铰分别与腕部固定平台和腕部运动平台相连；腕部固定平台顶部设有腕部固定架，腕部固定架侧部设有腕部驱动轮，腕部固定平台顶面还设有腕部旋转盘，腕部固定平台底面设有若干腕部滑轮转动架，腕部滑轮转动架内部设有腕部传动滑轮，腕部运动平台顶面设有若干腕部滑轮转动架和与之相配的腕部传动滑轮，上部和下部的腕部传动滑轮通过绳索相连，所述肘部关节的电机驱动绳索经过肘部关节的解耦滑轮传递到腕部关节的运动构件并配合腕部关节内部的绳索驱动腕部运动平台沿X和Y方向运动，腕部关节沿Z方向的转动通过绳索驱动腕部固定平台顶部的腕部旋转盘实现驱动旋转。

优选地，所述运动支链组包括四个周向均匀设置的运动支链，四个运动支链沿圆周按90度角间距均匀分布，每个运动支链中部设有曲线连杆以及端部设有的虎克铰。

优选地，所述肘部关节包含肘部转动架、肘部固定架、肘部中部保持架、传动滑轮、解耦滑轮。肘部转动架通过轴肩、轴颈和肘部固定架相连，肘部固定架通过螺栓分别固定在手臂的小臂和大臂上，肘部关节通过肘部电机驱动固定在电机固定架上的电机驱动轮将运动传递到电机传动轮上，然后绳索带动肘部上下两侧的解耦滑轮，实现小臂相对大臂方向的纯滚动运动。

本发明技术方案相对现有技术具有以下优点：

本发明技术方案基于并联机构的绳驱动七自由度仿人机械臂腕部和肩部采用结构相同的并联机构，增大了整体机械臂的刚度，能够在质量较轻的情况下实现高负载自重比。本发明技术方案还可根据人体手臂将机械臂分解成腕部关节、肘部关节和肩部关节，腕部关节和肩部关节具有相同的结构，对每个单元进行分别设计，降低了设计难度，而且采用功能划分的思想，机构重构性较好，容易实现模块化，改变功能模块尺寸，可快速适用于不同尺寸的人体手臂。发生损坏，可进行快速更换，大批量生产可降低生产成本。另外，本发明技术方案在腕部关节和肘部关节完全解耦，支链间无相互作用力和运动耦合，易于控制，精度和稳定性好，并且整体质量轻、惯量低，可提高机构的快速响应性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明的绳驱动七自由度仿人机械臂的整体结构示意图；

图2为本发明的肩部关节的结构示意图；

图3为本发明的肘部关节的结构示意图；

图4为本发明的腕部关节的结构示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种基于并联机构的绳驱动七自由度仿人机械臂。

如图1所示，本发明实施例的基于并联机构的绳驱动七自由度仿人机械臂包含肩部关节S、肘部关节E、腕部关节W以及将多个关节进行连接的关节间连接件，其中本实施例的肘部关节E为单自由度关节，而肩部关节S和腕部关节W则为三自由度关节。本实施例的腕部关节W和肩部关节S均采用三自由度并联机构，肘部关节E采用单自由度张力刚度放大机构，肩部关节S与肘部关节E之间通过大臂15相连，而肘部关节E与腕部关节W通过小臂20相连，因此肩部关节S、肘部关节E和腕部关节W旋转的组合运动组成了七自由度机械臂的运动，本实施例中基于并联机构的绳驱动七自由度仿人机械臂按照人体手臂自由度形式配置，并具有与人体手臂类似的工作空间，肘部关节E绳索设置在传动轮上，腕部关节W的绳索通过肘部解耦机构传递到驱动部件上；

请参见图2，本实施例三自由度的肩部关节S包含肩部电机固定架1、肩部驱动电机2、肩部齿轮箱3、肩部连接件4、肩部固定平台5、肩部驱动绳索6、肩部曲线连杆7、肩部虎克铰8、肩部运动平台9。其中肩部电机2、齿轮箱3固定在电机基座上1，再通过肩部连接件4与肩部固定平台5相连。肩部固定平台5和运动平台9之间连接有四条运动支链，每条运动支链均包含一个曲线连杆7和两个虎克铰8，四条运动支链在结构上相同并关于肩部关节S中心轴线沿圆周按90度角间距均匀分布。

请参见图3，本实施例单自由度的肘部关节包含肘部电机10、电机驱动轮11、电机固定架12、电机传动轮13、电机肘部转动架16、肘部固定架17、肘部中部保持架18、肘部解耦滑轮19。肘部转动架16通过轴肩、轴颈和肘部固定架17相连，肘部固定架17通过螺栓分别固定在小臂15和大臂20上，肘部运动的实现主要是肘部电机10通过驱动固定在电机固定架12上的电机驱动轮11将运动传递到电机传动轮13上，然后肘部绳索E_S带动肘部上下两侧的解耦滑轮19，实现小臂15沿大臂方向的纯滚动运动。

请参见图4，本实施例三自由度的腕部关节W包含腕部固定平台24、腕部传动滑轮25、腕部滑轮转动架26、腕部滑轮保持架27、腕部曲线连杆28、腕部中部轴29、腕部虎克铰30以及腕部运动平台31。腕部关节中运动平台31和腕部固定平台24通过运动副连接四条运动支链，每条运动支链包含腕部曲线连杆28、腕部虎克铰30、腕部传动滑轮25、腕部滑轮转动架26以及腕部滑轮保持架27，并且四条运动支链在结构上相同，且关于腕部中部轴29的中心轴线沿圆周按90度角间距均匀分布。腕部沿竖直方向的转动由绳索W_S3绕过固定在腕部固定架22上的腕部驱动轮21驱动腕部旋转盘23，带动腕部中部轴29从而实现末端手臂竖直方向转动，腕部关节X、Y方向的转动分别由绳索W_S1和W_S2通过带动上下两侧的腕部传动滑轮25，带起末端平台31沿X、Y方向转动。

本实施例基于并联机构的绳驱动七自由度仿人机械臂采用电机驱动、绳索传动，肩部驱动绳索6位于肩部关节S的并联机构外侧，肩部驱动绳索6的一端与肩部固定平台5相连，而肩部驱动绳索6的另一端穿入肩部运动平台9内部，肩部驱动绳索6的端部可通过螺接、焊接、夹持或者缠绕与肩部固定平台5固定相连，肘部关节E的驱动绳索位于肘部关节E外侧，腕部关节W的驱动绳索位于腕部并联机构外侧，由于绳索传动会经过肘部关节E，因此需通过肘部解耦滑轮19将绳索传递到腕部关节，然后穿过腕部运动平台31，再通过拉动绳索带动机构运动。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于并联机构的绳驱动七自由度仿人机械臂，其特征在于，包括依次相连的肩部关节、肘部关节、腕部关节以及将各个关节相连的关节间连接件，肩部关节和腕部关节为三自由度关节，肘部关节为单自由度关节，肩部关节和腕部关节内部设有空间曲线结构的运动支链组以及与绳配合传动，肘部关节通过齿轮啮合传动以及绳配合传动。

2.如权利要求1所述的基于并联机构的绳驱动七自由度仿人机械臂，其特征在于，所述肩部并联机构包括轴向设置的肩部固定平台和肩部运动平台，肩部固定平台和肩部运动平台之间设有由若干空间曲线结构的运动支链组成的运动支链组，单个运动支链端部通过虎克铰分别与肩部固定平台和肩部运动平台相连，肩部固定平台另一端与肩部电机固定架轴向相对，肩部电机固定架与肩部固定平台之间设有若干个肩部齿轮箱，肩部齿轮箱与肩部驱动电机相连，两个闭合链绳索自肩部固定平台穿入肩部运动平台内并与设置于肩部运动平台内的传动机构相连并形成闭合链，两个闭环链绳索分处于两个平面内且相互垂直，传动机构通过电机驱动绳索，两个绳索带动肩部运动平台摆动实现沿两个绳索方向的两自由度摆动以及肩部电机驱动肩部固定平台旋转。

3.如权利要求2所述的基于并联机构的绳驱动七自由度仿人机械臂，其特征在于，所述腕部并联机构包括上下设置的腕部固定平台和腕部运动平台，腕部固定平台和腕部运动平台之间设有由若干空间曲线结构的运动支链组成的运动支链组，运动支链端部通过虎克铰分别与腕部固定平台和腕部运动平台相连；腕部固定平台顶部设有腕部固定架，腕部固定架侧部设有腕部驱动轮，腕部固定平台顶面还设有腕部旋转盘，腕部固定平台底面设有若干腕部滑轮转动架，腕部滑轮转动架内部设有腕部传动滑轮，腕部运动平台顶面设有若干腕部滑轮转动架和与之相配的腕部传动滑轮，上部和下部的腕部传动滑轮通过绳索相连，所述肘部关节的电机驱动绳索经过肘部关节的解耦滑轮传递到腕部关节的运动构件并配合腕部关节内部的绳索驱动腕部运动平台沿X和Y方向运动，腕部关节沿Z方向的转动通过绳索驱动腕部固定平台顶部的腕部旋转盘实现驱动旋转。

4.如权利要求3所述的基于并联机构的绳驱动七自由度仿人机械臂，其特征在于，所述运动支链组包括四个周向均匀设置的运动支链，四个运动支链沿圆周按90度角间距均匀分布，每个运动支链中部设有曲线连杆以及端部设有的虎克铰。

5.如权利要求3所述的基于并联机构的绳驱动七自由度仿人机械臂，其特征在于，所述肘部关节包含肘部转动架、肘部固定架、肘部中部保持架、传动滑轮、解耦滑轮。肘部转动架通过轴肩、轴颈和肘部固定架相连，肘部固定架通过螺栓分别固定在手臂的小臂和大臂上，肘部关节通过肘部电机驱动固定在电机固定架上的电机驱动轮将运动传递到电机传动轮上，然后绳索带动肘部上下两侧的解耦滑轮，实现小臂相对大臂方向的纯滚动运动。

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