CN113183144A - 一种线缆驱动的滚动关节连续体机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种线缆驱动的滚动关节连续体机械臂，包括三个机械臂模块共具有六个自由度，其中单个机械臂模块包括滚动关节本体、关节头部及驱动线缆，七个滚动关节本体及两个关节头部在彼此的正交方向上交替布置形成四个偏航滚动曲面和四个俯仰滚动曲面，并通过驱动线缆串联组成两自由度的柔性臂，各模块力学响应特性与运动模型独立，装配灵活，可实现高自由度运动精确控制。本发明提出的滚动关节柔性臂机构通过张紧或松弛绳缆来实现柔性臂的弯曲，在保证机械臂运动空间和精度的同时，机械结构紧凑、运动灵活、控制简单，具有刚度可调且大负载能力。

Description

一种线缆驱动的滚动关节连续体机械臂

技术领域

本发明涉及一种线缆驱动的滚动关节连续体机械臂，属于机器人领域。

背景技术

随着机器人任务越来越多样化，传统刚性机械机器人难以满足日趋复杂的任务需求，在环境空间、人机协作等方面，新型的柔性机器人越来越受到广泛的关注，纷纷面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。柔性机械臂作为机器人的重要组成部分，具有操作高效、重量轻便、运动灵活的优点，在航天航空、手术等应用场景中具有重要意义。传统的柔性臂大多采用刚性连杆连接或者软体材料制成，自身的固有刚度保持不变，不能满足不同场景下不同刚度的需求。而现有的实现变刚度集中在可调刚度材料的使用上，具有响应速度慢，受环境影响大等问题。因此需要一种变刚度机制的柔性臂既能在高载荷下实现高刚度的精确操作，又能以较低刚度在柔性管道内移动，以减少对机构的伤害。

发明内容

本发明克服已有技术的不足，提出了一种线缆驱动的滚动关节连续体机械臂，利用滚动面具有较大支撑力且滚动接触点变化的特点，设计了滚动关节连续体机械臂形成变刚度机制，并通过将线缆以特殊排置的通孔把滚动关节串联起来，具有结构紧凑、弯曲角度灵活、运行空间大的特点，大大减少了机构质量和体积，便于小型化精确控制。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种线缆驱动的滚动关节连续体机械臂，包括三个机械臂模块共具有六个自由度，其中每个机械臂模块又包括滚动关节本体、关节头部以及驱动线缆，七个滚动关节本体及两个关节头部在彼此的正交方向上交替放置形成四个偏航滚动曲面和四个俯仰滚动曲面，并通过驱动线缆串联组成两自由度的柔性臂，驱动线缆可以在通孔内自由移动从而带动柔性臂弯曲，仅通过驱动线缆的张力大小就可以控制柔性臂的刚度。

所述滚动关节本体包括上圆柱曲面、下圆柱曲面和通孔一、通孔二、通孔三、通孔四；所述上圆柱曲面、下圆柱曲面分别有上下两个滚动面和，上下滚动面连线相互正交；所述通孔一、通孔二和通孔三、通孔四分别布置在上滚动面的两侧，或者所述通孔一、通孔三和通孔二、通孔四分别布置在下滚动面的两侧，避免了线缆与滚动面接触干涉带来的运动误差问题。

所述七个滚动关节本体通过上下滚动面相互接触形成偏航滚动曲面和俯仰滚动曲面，两个关节头部的圆柱曲面分别与第一滚动关节的上滚动面和第七滚动关节的下滚动面接触，曲面的相互滚动带动机械臂发生弯曲。

所述关节头部包括驱动线缆通孔、串联通孔和一个圆柱曲面；所述驱动线缆通孔用来线缆穿透；所述串联通孔可以用来串联多个柔性臂。

所述驱动线缆包括四根线缆和铝套；所述铝套固定在驱动线缆的一端，用来锁紧滚动关节的串联。

所述四根线缆可以分为两对运动导线，其中穿过通孔一的线缆，穿过通孔三的线缆与穿过通孔二的线缆，穿过通孔四的线缆构成一对运动线缆；穿过通孔一的线缆，穿过通孔的线缆与穿过通孔三的线缆，穿过通孔四的线缆构成另一对运动线缆，所述两对运动导线分别控制俯仰滚动曲面弯曲运动和偏航滚动曲面弯曲运动。

所述俯仰滚动曲面弯曲运动为，拉紧其中穿过通孔一和通孔二的一对运动导线，另一对穿过通孔三和通孔四的线缆松弛，下滚动面相互接触构成的俯仰滚动曲面发生弯曲。

所述偏航滚动曲面弯曲运动为，拉紧其中穿过通孔二和通孔四的一对运动导线，另一对穿过通孔一和和通孔三的线缆松弛，上滚动面相互接触构成的偏航滚动曲面发生弯曲。

本发明与现有技术相比较，具有以下突出实质性特点和显著优点：

1.本发明中空的滚动关节连续体机械臂，结构简单，便于操控，仅通过驱动线缆的张力大小就可以控制柔性臂的刚度。

2.本发明线缆驱动的滚动关节连续体机械臂，具有模块化特性、运动灵活，可靠性高，驱动力大的特点，可以用在航空航天、手术机器人等精密领域，具有高开放性、较高的科研价值。

附图说明

图1是一种线缆驱动的滚动关节连续体机械臂总体示意图。

图2是本发明的单个滚动关节一视角的结构示意图。

图3是本发明的单个滚动关节另一视角的结构示意图

图4是本发明中关节头部结构示意图。

图5是本发明的滚动关节串联二维结构示意图。

图6是本发明的滚动关节连续体机械臂俯仰滚动曲面示意图。

图7是本发明的滚动关节连续体机械臂俯仰滚动曲面和偏航滚动曲面弯曲示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细说明本发明实施例的具体结构及工作原理。

如图1所示，一种线缆驱动的滚动关节连续体机械臂，包括三个机械臂模块具有六个自由度，其中每个机械臂模块又包括滚动关节本体101、关节头部102以及驱动线缆103，七个滚动关节本体101及两个关节头部102在彼此的正交方向上交替放置形成四个俯仰滚动曲面21和四个偏航滚动曲面22，并通过驱动线缆103串联组成两自由度的柔性臂，驱动线缆103可以在通孔内自由移动从而带动柔性臂弯曲，仅通过驱动线缆的张力大小就可以控制柔性臂的刚度。

如图2、3所示，滚动关节本体101包括上圆柱曲面1、下圆柱曲面3和通孔一5、通孔二6、通孔三7、通孔四8；所述上圆柱曲面1、下圆柱曲面3分别有上下两个滚动面2和4，上下滚动面连线相互正交；所述通孔一5、通孔二6和通孔三7、通孔四8分别布置在滚动面2的两侧，或者所述通孔一5、通孔三7和通孔二6、通孔四8分别布置在下滚动面4的两侧，避免了线缆与滚动面接触干涉带来的运动误差问题。

如图4所示，关节头部102包括驱动线缆通孔10、串联通孔9和一个圆柱曲面11；所述驱动线缆通孔10用来驱动线缆103穿过从而连接串联的滚动关节；所述串联通孔9用来串联多个柔性臂。

如图5所示，七个滚动关节本体101通过上下滚动面相互接触形成偏航关节15和俯仰关节16，两个关节头部的圆柱曲面分别与第一滚动关节13的上滚动面和第七滚动关节14的下滚动面接触，曲面的相互滚动带动机械臂发生弯曲。所述驱动线缆103包括四根线缆17、18、19、20和铝套12；所述铝套12固定在驱动线缆的一端，用来锁紧滚动关节的串联。

如图6、7所示，所述四根线缆可以分为两对运动导线，其中穿过通孔一5的线缆18，穿过通孔三7的线缆19与穿过通孔二6的线缆17，穿过通孔四8的线缆20构成一对运动线缆；穿过通孔一5的线缆18，穿过通孔二6的线缆17与穿过通孔三7的线缆19，穿过通孔四8的线缆20构成另一对运动线缆，所述两对运动导线分别控制俯仰滚动曲面弯曲运动和偏航滚动曲面弯曲运动。其中俯仰滚动曲面弯曲运动为，拉紧驱动线缆17和驱动线缆18，驱动线缆19和驱动线缆20松弛，下滚动面相互接触构成的俯仰滚动曲面21发生弯曲。所述的偏航滚动曲面弯曲运动，拉紧驱动线缆17和驱动线缆20，驱动线缆18和驱动线缆19松弛，上滚动面相互接触构成的偏航滚动曲面22发生弯曲。

本发明的一种线缆驱动的滚动关节连续体机械臂，设计了滚动关节连续机械臂形成变刚度机制，并通过将线缆以特殊排置的通孔把滚动关节串联起来，仅通过驱动绳缆的张力大小就可以控制柔性臂的刚度，且将多个滚动关节连续体机械臂模块连接起来实现冗余自由度机械臂，扩大操作空间以及增加运动的灵活性。

其中，滚动关节连续体机械臂的具体工作方式为：拉紧17、18驱动绳缆，同时19、20驱动绳缆发生松弛，俯仰关节16受到驱动绳缆的张力作用产生曲面滚动，从而实现俯仰滚动曲面弯曲运动；同理拉动17、20驱动绳缆，18、19驱动绳缆发生松弛，偏航关节15受到驱动绳缆的张力作用产生曲面滚动，从而实现偏航滚动曲面弯曲运动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种线缆驱动的滚动关节连续体机械臂，其特征在于：包括三个机械臂模块具有六个自由度，其中每个机械臂模块又包括滚动关节本体(101)、关节头部(102)以及驱动线缆(103)，其中七个滚动关节本体(101)及两个关节头部(102)在彼此的正交方向上交替放置形成四个俯仰滚动曲面(21)和四个偏航滚动曲面(22)，并通过驱动线缆(103)串联组成两自由度的柔性臂，驱动线缆(103)可以在通孔内自由移动从而带动柔性臂弯曲，仅通过驱动线缆的张力大小就可以控制柔性臂的刚度。

2.根据权利要求1所述的一种线缆驱动的滚动关节连续体机械臂，其特征在于：所述滚动关节本体(101)包括上圆柱曲面(1)、下圆柱曲面(3)和通孔一(5)、通孔二(6)、通孔三(7)、通孔四(8)；所述上圆柱曲面(1)、下圆柱曲面(3)分别有上下两个滚动面(2)和(4)，上下滚动面连线相互正交；所述通孔一(5)、通孔二(6)和通孔三(7)、通孔四(8)分别布置在上滚动面(2)的两侧，避免了线缆与滚动面接触干涉带来的运动误差问题。

3.根据权利要求2所述的一种线缆驱动的滚动关节连续体机械臂，其特征在于：所述七个滚动关节本体(101)通过上下滚动面相互接触形成偏航关节(15)和俯仰关节(16)，两个关节头部的圆柱曲面分别与第一滚动关节(13)的上滚动面和第七滚动关节(14)的下滚动面接触，曲面的相互滚动带动机械臂发生弯曲。

4.根据权利要求1所述的一种线缆驱动的滚动关节连续体机械臂，其特征在于：所述关节头部(102)包括驱动线缆通孔(10)、串联通孔(9)和一个圆柱曲面(11)；所述驱动线缆通孔(10)用来驱动线缆(103)穿过从而连接串联的滚动关节；所述串联通孔(9)用来串联多个柔性臂。

5.根据权利要求1所述的一种线缆驱动的滚动关节连续体机械臂，其特征在于：所述驱动线缆(103)包括四根线缆(17)、(18)、(19)、(20)和铝套(12)；所述铝套(12)固定在驱动线缆的一端，用来锁紧滚动关节的串联。

6.根据权利要求5所述的一种线缆驱动的滚动关节连续体机械臂，其特征在于：所述四根线缆可以分为两对运动导线，其中穿过通孔一(5)的线缆(18)，穿过通孔三(7)的线缆(19)与穿过通孔二(6)的线缆(17)，穿过通孔四(8)的线缆(20)构成一对运动线缆；穿过通孔一(5)的线缆(18)，穿过通孔二(6)的线缆(17)与穿过通孔三(7)的线缆(19)，穿过通孔四(8)的线缆(20)构成另一对运动线缆，所述两对运动导线分别控制俯仰滚动曲面弯曲运动和偏航滚动曲面弯曲运动。

7.根据权利要求6所述的一种线缆驱动的滚动关节连续体机械臂，其特征在于：所述俯仰滚动曲面弯曲运动为，拉紧其中穿过通孔一(5)和通孔二(6)的一对运动导线(17)(18)，另一对穿过通孔三(7)和通孔四(8)的线缆(19)(20)松弛，下滚动面相互接触构成的俯仰滚动曲面(21)发生弯曲。

8.根据权利要求6所述的一种线缆驱动的滚动关节连续体机械臂，其特征在于：所述偏航滚动曲面弯曲运动为，拉紧其中穿过通孔二(6)和通孔四(8)的一对运动导线(17)(20)，另一对穿过通孔一(5)和和通孔三(7)的线缆(18)(19)松弛，上滚动面相互接触构成的偏航滚动曲面(22)发生弯曲。

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