CN114393573B - 一种弹簧回复式绳驱机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种弹簧回复式绳驱机械臂，该机械臂设有基座支撑板，所述基座支撑板的一侧安装有驱动机构，所述基座支撑板的另一侧安装有上臂的首端，所述上臂的尾端通过肩关节扭转弹簧安装中臂的首端，所述中臂的尾端通过肘关节扭转弹簧安装小臂的首端。本申请通过采用弹簧回复式绳驱机械臂关节，并将驱动绳索的末端固定在机械臂臂杆上，使其与关节的距离较远，使得绳索作用的力臂很大。相同负载的情况下绳索拉力会小很多，因此可以极大地降低驱动电机所需的功率，降低功耗，进一步提高能量的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及绳驱机械臂技术领域，具体为一种弹簧回复式绳驱机械臂。
背景技术
随着科学技术的发展，工业生产不断趋于自动化，机械臂得到了越来越广泛的应用。传统的机械臂采用电机、减速器等驱动单元直接置于关节处驱动关节的转动，具有精度高、速度快、效率高的优点，在制造、装配、物流等领域得到非常广泛的应用。这种方式通常会使机械臂动臂部分质量太大，后端关节处的电机、减速器等装置会成为前端关节驱动的负载，造成机械臂的功率比较高，降低了能量的利用率。并且机械臂刚性过大，缺乏柔顺性，使其不适合于医疗、服务、家庭等人机交互性高的场合。绳驱机械臂由于将大质量的电机、减速器等驱动装置后置于机械臂基座处，使得其动臂部分质量大幅度降低，因此可以降低机械臂驱动所需要的功耗，提高能量的利用率。并且由于通过绳索远程驱动关节的转动，使其具有较好的柔顺性，能够适合人机交互性高的场合，具有非常明显的优势。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种弹簧回复式绳驱机械臂，以减轻机械臂整体质量，并实现降低功耗的效果。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种弹簧回复式绳驱机械臂，该机械臂设有基座支撑板，所述基座支撑板的一侧安装有驱动机构，所述基座支撑板的另一侧安装有上臂的首端，所述上臂的尾端通过肩关节扭转弹簧安装中臂的首端，所述中臂的尾端通过肘关节扭转弹簧安装小臂的首端；
所述驱动机构为第一关节驱动电机和第二关节驱动电机；
所述上臂的尾端安装有第一导向滑轮座，所述第一导向滑轮座通过第二滑轮销轴安装有第三定滑轮；所述中臂的首端安装有第二导向滑轮座，所述第二导向滑轮座通过第三滑轮销轴安装有第四定滑轮；所述小臂的尾端安装有第二末端滑轮座，所述第二末端滑轮座通过第四滑轮销轴安装有第五定滑轮；所述第二关节驱动电机的输出端安装有肘关节驱动绳索的一端，肘关节驱动绳索的另一端依次绕过第三定滑轮、第四定滑轮和第五定滑轮后与第三滑轮销轴固定；
所述第一关节驱动电机的输出端安装有第一定滑轮，所述中臂的尾端安装有第一末端滑轮座，所述第一末端滑轮座通过第一滑轮销轴安装有第二定滑轮，所述第一关节驱动电机的输出端安装有肩关节驱动绳索的一端，所述肩关节驱动绳索的另一端绕过第二定滑轮和第一定滑轮后与第一滑轮销轴固定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本无论关节是回转关节还是俯仰关节，都是通过绳索驱动关节处从动轮的转动进而带动臂杆绕关节旋转。这种方式不但容易受到多关节绳驱动关节耦合运动的影响，而且关节从动轮尺寸不能太大，导致绳索拉力会非常大，对绳索的抗拉强度和电机的驱动扭矩都会有较高的要求，这样仍然难以达到低功耗的目的。
本申请通过采用弹簧回复式绳驱机械臂关节，并将驱动绳索的末端固定在机械臂臂杆上，使其与关节的距离较远，使得绳索作用的力臂很大。相同负载的情况下绳索拉力会小很多，因此可以极大地降低驱动电机所需的功率，降低功耗，进一步提高能量的利用率。
附图说明
图1为本发明的弹簧回复式绳驱机械臂结构示意图。
图2为本发明的弹簧回复式绳驱机械臂基座支撑板处示意图。
图3为本发明的弹簧回复式绳驱机械臂肩关节转轴处示意图。
图4为本发明的弹簧回复式绳驱机械臂肘关节转轴处示意图。
图5为本发明的弹簧回复式绳驱机械臂肘解耦示意图。
1、上臂；2、中臂；3、小臂；4、肩关节驱动绳索；5、肘关节驱动绳索；6、基座支撑板；7-1、前支撑板；7-2、后支撑板；8-1、肩关节驱动轴；8-2、肘关节驱动轴；9-1、肩关节绳索绞盘；9-2、肘关节绳索绞盘；10-1、第一定滑轮；10-2、第二定滑轮；10-3、第三定滑轮；10-4、第四定滑轮；10-5、第五定滑轮；11-1、肩关节减速器；11-2、肘关节减速器；12-1、第一关节驱动电机；12-2、第二关节驱动电机；13-1、第一末端滑轮座；13-2、第二末端滑轮座；14-1、第一导向滑轮座；14-2、第二导向滑轮座；15-1、第一滑轮销轴；15-2、第二滑轮销轴；15-3、第三滑轮销轴；15-4、第四滑轮销轴；16-1、肩关节扭转弹簧16-2、肘关节扭转弹簧。17-1、肩关节转轴卡簧；17-2、肘关节转轴卡簧；18-1、肩关节转轴；18-2、肘关节转轴。
具体实施方式
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种弹簧回复式绳驱机械臂，该机械臂设有基座支撑板6，所述基座支撑板6的一侧安装有驱动机构，所述基座支撑板6的另一侧安装有上臂1的首端，所述上臂1的尾端通过肩关节扭转弹簧16-1安装中臂2的首端，所述中臂2的尾端通过肘关节扭转弹簧16-2安装小臂3的首端；通过肩关节扭转弹簧16-1和肘关节扭转弹簧16-2的设置，使得肩关节转动时对能够弹簧进行压缩与释放。同时上臂1和中臂2通过肩关节转轴18-1进行轴向连接，并通过肩关节转轴卡簧17-1限制轴向位置；中臂2和小臂3通过肘关节转轴18-2进行轴向连接，并通过肘关节转轴卡簧17-2限制轴向位置。
所述驱动机构为第一关节驱动电机12-1和第二关节驱动电机12-2；
所述上臂1的尾端安装有第一导向滑轮座14-1，所述第一导向滑轮座14-1通过第二滑轮销轴15-2安装有第三定滑轮10-3；所述中臂2的首端安装有第二导向滑轮座14-2，所述第二导向滑轮座14-2通过第三滑轮销轴15-3安装有第四定滑轮10-4；所述小臂3的尾端安装有第二末端滑轮座13-2，所述第二末端滑轮座13-2通过第四滑轮销轴15-4安装有第五定滑轮10-5；所述第二关节驱动电机12-2的输出端安装有肘关节驱动绳索5的一端，肘关节驱动绳索5的另一端依次绕过第三定滑轮10-3、第四定滑轮10-4和第五定滑轮10-5后与第三滑轮销轴15-3固定；其中第三定滑轮10-3、第四定滑轮10-4起到支撑及导向作用。
所述第一关节驱动电机12-1的输出端安装有第一定滑轮10-1，所述中臂2的尾端安装有第一末端滑轮座13-1，所述第一末端滑轮座13-1通过第一滑轮销轴15-1安装有第二定滑轮10-2，所述第一关节驱动电机12-1的输出端安装有肩关节驱动绳索4的一端，所述肩关节驱动绳索4的另一端绕过第二定滑轮10-2和第一定滑轮10-1后与第一滑轮销轴15-1固定。
第一关节驱动电机12-1和第二关节驱动电机12-2反转时将释放绳索，关节又可在安装于关节轴的肩关节扭转弹簧16-1或肘关节扭转弹簧16-2回复作用下张开，实现单电机控制一个关节的正、反转动。同时机械臂关节驱动单元全部置于基座处，远离关节，降低了关节负载，极大地降低了关节驱动功耗，并且便于集中控制。
所述第一关节驱动电机12-1的输出端为肩关节驱动轴8-1，且肩关节驱动轴8-1上设有肩关节绳索绞盘9-1，肩关节驱动绳索4缠绕在肩关节绳索绞盘9-1上；
所述第二关节驱动电机12-2的输出端为肘关节驱动轴8-2，且肘关节驱动轴8-2上设有肘关节绳索绞盘9-2，肘关节驱动绳索5缠绕在肘关节绳索绞盘9-2上。
所述基座支撑板6上安装有前支撑板7-1和后支撑板7-2，所述后支撑板7-2通过肩关节减速器11-1安装有第一关节驱动电机12-1，所述肩关节驱动轴8-1的一端通过肩关节减速器11-1与第一关节驱动电机12-1连接，从而实现减速驱动，肩关节驱动轴8-1的另一端转动连接于前支撑板7-1；
所述后支撑板7-2通过肘关节减速器11-2安装有第二关节驱动电机12-2，所述肘关节驱动轴8-2的一端通过肘关节减速器11-2与第二关节驱动电机12-2连接，从而实现减速驱动，肘关节驱动轴8-2的另一端转动连接于前支撑板7-1。肩关节驱动轴8-1和肘关节驱动轴8-2转动连接的方式可选用滚动轴承进行安装。
工作原理：驱动机构以及与之固定的上臂1始终保持静止。实现中臂2的提拉动作时，需驱动肩关节逆时针转动。此时肩关节驱动电机12-1正转，驱动肩关节减速器11-1、肩关节驱动轴8-1正转，带动肩关节绳索绞盘9-1正转，肩关节驱动绳索4不断缠绕上绞盘，在肩关节驱动滑轮组的传动下肩关节绳索绞盘9-1与第二定滑轮10-2之间的绳长变短，中臂2绕着肩关节逆时针转动，与此同时安装在肩关节处的肩关节扭转弹簧16-1随着中臂2的转动被不断压缩。中臂2要完成下摆动作时，需驱动肩关节顺时针转动，只需要反向驱动肩关节驱动电机12-1，使肩关节绳索绞盘9-1反转放绳，中臂2在肩关节扭转弹簧16-1的回复作用以及重力作用下绕着肩关节顺时针转动。
实现小臂3的收缩动作时，需驱动肘关节顺时针转动。此时肘关节驱动电机12-2正转，驱动肘关节减速器11-2、肘关节驱动轴8-2正转，带动肘关节绳索绞盘9-2正转，肘关节驱动绳索5不断缠绕上绞盘，绳索长度减小，在肘关节驱动滑轮组的传动下拖拽小臂3绕肘关节顺时针转动，同时压缩安装在肘关节处的肘关节扭转弹簧16-2。实现小臂3的展开动作时，需驱动肘关节逆时针转动，只需要反向驱动肘关节驱动电机12-2，使肘关节绳索绞盘9-2反转放绳，小臂3在肘关节扭转弹簧16-2的回复作用下绕着肘关节逆时针转动。如此只需一个电机便可驱动一个关节的正反转，而不像传统的绳驱动关节那样需要两个电机分别控制关节的正反转，极大地降低了机械臂的质量与功耗。
但是在只驱动肩关节转动的情况下，由于肘关节所在的位置发生了变化，但肘关节驱动绳索5的长度未变，会导致肘关节被动转动一定的角度来抵消位姿变换引起的绳长变化，这种情况为关节耦合现象。绳驱动机械臂都会存在关节耦合现象，为了能够单一控制肩关节转动而不引起肘关节的转动，需对关节进行主动解耦控制，即计算出肘关节随肩关节转动时，肘关节不转的情况下肘关节驱动绳索5的长度随肩关节角度变化的关系，得出肘关节驱动电机12-2与肩关节驱动电机12-1的角度关系。驱动肩关节转动时只需驱动肘关节驱动电机12-2按相应的关系转动，即可保证肘关节不转。
如图1所示，当只驱动肩关节逆时针转动时，中臂2与小臂3共同绕着肩关节转动，小臂3末端的位置会发生变化，此时第四定滑轮10-4与第五定滑轮10-5之间的直线距离与转动前相比已经发生了变化。如果肘关节驱动电机12-2不工作，肘关节驱动绳索5的长度则不改变，但第四定滑轮10-4与第五定滑轮10-5之间的距离已经发生了变化，肘关节驱动绳索5的长度无法满足这种距离的变化，那么小臂3就会在肘关节驱动绳索5的约束下被迫绕肘关节转动一定的角度，以实现肩关节转动后第四定滑轮10-4与第五定滑轮10-5之间的距离保持不变。但这种情况下本想单独驱动肩关节却造成肘关节被迫转动，被迫转动的角度大小与肩关节转动的角度相关，与理想情况不符。这就需要在驱动肩关节转动的同时也驱动肘关节驱动电机12-2转动，来改变肘关节驱动绳索5的长度，以满足肩关节转动时第四定滑轮10-4与第五定滑轮10-5之间的距离变化。这样就做到了单独驱动肩关节转动时肘关节角度不发生变化，只需肘关节驱动电机12-2相应的转动一定的角度，这个角度与肩关节的角度变化满足一个特定的函数关系。上臂1与中臂2之间的角度范围为30°～90°，中臂2与小臂3之间的角度范围为90°～150°。
请参阅图5，为了更加直观的描述各个线段间的位置关系，分别对每个点用字母进行表述。A、B分别为肩关节、肘关节的旋转中心，O2为肩关节的支撑点。O1C1、O1C2为肩关节驱动绳索4的初始长度与转动后的长度，绳长为S1，α为上臂1与中臂2之间的最小角度，θ为中臂2绕肩关节转动的角度， 为小臂3与中臂2之间角度的补角，肩关节驱动绳索4末端的运动轨迹为弧线C1C2，运动半径为R1，肘关节驱动绳索5末端与小臂3的接触点为D，BD的长度为R2，AD的长度为l，肩关节与肘关节中心距为L1，O2D处的绳索长度为S2，AO1的长度为H1，AO2的长度为H2。肘关节驱动绳索5的长度S2随肩关节转动角度θ的关系为：
本装置绳驱动关节为两个，分别为肩关节、肘关节，两关节转轴上均安装扭转弹簧。绳驱动关节转动时关节角度减小，同时扭转弹簧被压缩，绳索绞盘释放绳索时，关节在扭转弹簧的复位作用下角度增大，实现一定角度范围内控制关节转动。
绳驱动机构采用滑轮组的方式，由绳索绞盘控制绳索的收放，绳索绕在相应的滑轮上，对机械臂关节进行转动控制。
驱动绳索的拉力作用点远离关节中心，在较小的驱动力的情况下可以给关节提供较大的驱动扭矩。并且绳索布置采用滑轮组的形式，进一步降低了绳索拉力，降低了负载。
Claims (4)
1.一种弹簧回复式绳驱机械臂，其特征在于：该机械臂设有基座支撑板(6)，所述基座支撑板(6)的一侧安装有驱动机构，所述基座支撑板(6)的另一侧安装有上臂(1)的首端，所述上臂(1)的尾端通过肩关节扭转弹簧(16-1)安装中臂(2)的首端，所述中臂(2)的尾端通过肘关节扭转弹簧(16-2)安装小臂(3)的首端；
所述驱动机构为第一关节驱动电机(12-1)和第二关节驱动电机(12-2)；
所述上臂(1)的尾端安装有第一导向滑轮座(14-1)，所述第一导向滑轮座(14-1)通过第二滑轮销轴(15-2)安装有第三定滑轮(10-3)；所述中臂(2)的首端安装有第二导向滑轮座(14-2)，所述第二导向滑轮座(14-2)通过第三滑轮销轴(15-3)安装有第四定滑轮(10-4)；所述小臂(3)的尾端安装有第二末端滑轮座(13-2)，所述第二末端滑轮座(13-2)通过第四滑轮销轴(15-4)安装有第五定滑轮(10-5)；所述第二关节驱动电机(12-2)的输出端安装有肘关节驱动绳索(5)的一端，肘关节驱动绳索(5)的另一端依次绕过第三定滑轮(10-3)、第四定滑轮(10-4)和第五定滑轮(10-5)后与第三滑轮销轴(15-3)固定；
所述第一关节驱动电机(12-1)的输出端安装有第一定滑轮(10-1)，所述中臂(2)的尾端安装有第一末端滑轮座(13-1)，所述第一末端滑轮座(13-1)通过第一滑轮销轴(15-1)安装有第二定滑轮(10-2)，所述第一关节驱动电机(12-1)的输出端安装有肩关节驱动绳索(4)的一端，所述肩关节驱动绳索(4)的另一端绕过第二定滑轮(10-2)和第一定滑轮(10-1)后与第一滑轮销轴(15-1)固定。
2.根据权利要求1所述的弹簧回复式绳驱机械臂，其特征在于：所述第一关节驱动电机(12-1)的输出端为肩关节驱动轴(8-1)，且肩关节驱动轴(8-1)上设有肩关节绳索绞盘(9-1)，肩关节驱动绳索(4)缠绕在肩关节绳索绞盘(9-1)上；
所述第二关节驱动电机(12-2)的输出端为肘关节驱动轴(8-2)，且肘关节驱动轴(8-2)上设有肘关节绳索绞盘(9-2)，肘关节驱动绳索(5)缠绕在肘关节绳索绞盘(9-2)上。
3.根据权利要求2所述的弹簧回复式绳驱机械臂，其特征在于：所述基座支撑板(6)上安装有前支撑板(7-1)和后支撑板(7-2)，所述后支撑板(7-2)通过肩关节减速器(11-1)安装第一关节驱动电机(12-1)，所述肩关节驱动轴(8-1)的一端通过肩关节减速器(11-1)与第一关节驱动电机(12-1)连接，肩关节驱动轴(8-1)的另一端转动连接于前支撑板(7-1)；
所述后支撑板(7-2)通过肘关节减速器(11-2)安装第二关节驱动电机(12-2)，所述肘关节驱动轴(8-2)的一端通过肘关节减速器(11-2)与第二关节驱动电机(12-2)连接，肘关节驱动轴(8-2)的另一端转动连接于前支撑板(7-1)。
4.一种如权利要求1所述的弹簧回复式绳驱机械臂的解耦控制方法，其特征在于：为了能够单一控制肩关节转动而不引起肘关节的转动，需对关节进行主动解耦控制，即计算出肘关节随肩关节转动时，肘关节不转的情况下肘关节驱动绳索(5)的长度随肩关节角度变化的关系，得出第二关节驱动电机(12-2)与第一关节驱动电机(12-1)的角度关系；驱动肩关节转动时只需驱动第二关节驱动电机(12-2)按相应的关系转动，即可保证肘关节不转；其肘关节驱动绳索5的长度S2随肩关节转动角度θ的关系为：
其中，α为上臂(1)与中臂(2)之间的最小角度，θ为中臂(2)绕肩关节转动的角度， 为小臂(3)与中臂(2)之间角度的补角，肘关节的旋转中心到肘关节驱动绳索(5)末端与小臂(3)的接触点的长度为R2，肩关节的旋转中心到肘关节驱动绳索(5)末端与小臂(3)的接触点的长度为l，肩关节与肘关节中心距为L1，肩关节的支撑点到肘关节驱动绳索(5)末端与小臂(3)接触点的绳索长度为S2，肩关节旋转中心到肩关节的支撑点的长度为H2。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |