CN101028712A - 一种绳驱动冗余度机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绳驱动冗余度机械臂，包括底座、一自由度的肘关节、以及三自由度的腕关节和肩关节，腕关节和肩关节均包括固定平台、运动平台、关节杆、球形轴承和操纵绳，肘关节包括肘关节固定平台、传动轮、肘关节杆、传动轴和肘关节操纵绳，肘关节固定平台为凹形结构并固接在肘关节杆端部，传动轴穿设在肘关节固定平台上，与腕关节杆端部固接的传动轮位于固定平台的凹槽内并固接在传动轴上，肘关节操纵绳绕设在传动轮上，肘关节操纵绳和/或传动轮上设置有使二者接触点相对固定的止动机构。本发明通过在肘关节操纵绳和/或传动轮上设置止动机构，使肘关节操纵绳与传动轮二者接触点相对固定，彻底消除肘关节容易出现的打滑问题。

Description

一种绳驱动冗余度机械臂

技术领域

本发明涉及一种机械手臂，特别是一种绳驱动冗余度机械臂。

背景技术

冗余度机械人由于具有较高的灵活性而在当今智能机械人的发展中具有重要的地位。传统拟人臂机械人的电机均安装在关节处，增加了机械人的惯性和质量，减少了机械人的承载能力，同时也对高速运动和快速响应极为不利。绳驱动为克服传统机械人驱动对机械人性能的影响带来了新的思路，绳驱动拟人臂机械人使用绳驱动并联机构取代拟人臂机械人关节，有效减轻了手臂的自重，并提高了快速响应能力，适用于对重量和转动惯量要求苛刻的场合，如航天领域。由于电动机和控制电路都远离末端执行器，就使它们工作时不易受到外界污染物的感染造成损坏，绳驱动机构又易于拆卸，维护和组装，这样机械人就可以应用于环境恶劣的工作场所。

所谓绳驱动并联机构，就是利用绳索传递力和运动的一类并联机构，它结合了并联结构高刚度、高精度、高负载能力和绳索驱动低质量的优点，解决了腕关节和肩关节的传动和控制。但实际使用中发现：绳驱动机械臂的肘关节由于采用二绳驱动的回转关节，在承载力较大时，驱动回转关节的绳索容易出现打滑现象，不仅影响控制精度，而且对高速运动和快速响应极为不利。

发明内容

本发明的目的是提供一种绳驱动冗余度机械臂，有效解决现有技术绳驱动机械臂的肘关节易出现打滑影响控制精度等技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种绳驱动冗余度机械臂，包括底座、一自由度的肘关节、以及三自由度的腕关节和肩关节，所述腕关节包括腕关节固定平台、腕关节运动平台、腕关节杆、腕关节球形轴承和腕关节操纵绳，所述腕关节运动平台通过腕关节杆和其端部设置的腕关节球形轴承与腕关节固定平台连接，腕关节操纵绳固接于腕关节运动平台的四角；所述肘关节包括肘关节固定平台、传动轮、肘关节杆、传动轴和肘关节操纵绳，所述肘关节固定平台为凹形结构并固接在肘关节杆端部，所述传动轴穿设在肘关节固定平台上，与所述腕关节杆端部固接的传动轮位于固定平台的凹槽内并固接在传动轴上，肘关节操纵绳绕设在所述传动轮上，所述肘关节操纵绳和/或传动轮上设置有使二者接触点相对固定的止动机构；所述肩关节包括肩关节固定平台、肩关节运动平台、肩关节杆、肩关节球形轴承和肩关节操纵绳，与所述肘关节杆端部固接的肩关节运动平台通过肩关节连接杆和其端部设置的肩关节球形轴承与肩关节固定平台连接，肩关节操纵绳固接于肩关节运动平台的四角；所述底座包括底板和底杆，所述底杆固接在底板和肩关节固定平台之间，所述底板上设置有用于驱动所述腕关节操纵绳、肘关节操纵绳和肩关节操纵绳的驱动机构。

所述止动机构可以是传动轮或肘关节操纵绳上设置的止动锥体，所述止动机构也可以是传动轮上设置的止动锥孔和肘关节操纵绳上设置的插入所述止动锥孔中的止动锥体，所述止动机构还可以是肘关节操纵绳上设置的止动锥孔和传动轮上设置的插入所述止动锥孔中的止动锥体。

所述止动锥孔或止动锥体位于所述传动轮的顶部。所述止动锥体与传动轮或肘关节操纵绳的连接可以是螺接、焊接、夹持或缠绕。

本发明提出了一种具有七自由度运动的一种绳驱动冗余度机械臂，通过在肘关节操纵绳和/或传动轮上设置止动机构，使肘关节操纵绳与传动轮二者接触点相对固定，彻底消除肘关节容易出现的打滑问题，具有很好的控制精度，对机械臂高速运动和快速响应的要求也能很好实现。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种绳驱动冗余度机械臂的结构示意图；

图2为本发明肘关节的结构示意图。

附图标记说明：

1-腕关节；              2-肘关节；            3-肩关节；

4-底座；                11-腕关节固定平台；   12-腕关节运动平台；

13-腕关节杆；           14-腕关节球形轴承；   15-腕关节操纵绳；

21-肘关节固定平台；     22-传动轮；           23-肘关节杆；

24-传动轴；             25-肘关节操纵绳；     26-止动机构；

31-肩关节固定平台；     32-肩关节运动平台；   33-肩关节杆；

34-肩关节球形轴承；     35-肩关节操纵绳；     41-底板；

42-底杆；               43-驱动机构。

具体实施方式

图1为本发明一种绳驱动冗余度机械臂的结构示意图。如图1所示，一种绳驱动冗余度机械臂的主体结构包括依次连接的腕关节1、肘关节2、肩关节3和底座4，腕关节1和肩关节3为三自由度关节，肘关节2为一自由度关节。其中腕关节1包括腕关节固定平台11、腕关节运动平台12、腕关节杆13、腕关节球形轴承14和腕关节操纵绳15；肘关节2包括肘关节固定平台21、传动轮22、肘关节杆23、传动轴24和肘关节操纵绳25；肩关节3包括肩关节固定平台31、肩关节运动平台32、肩关节杆33、肩关节球形轴承34和肩关节操纵绳35；底座4包括底板41和底杆42。

具体地，腕关节杆13的下端固定在腕关节固定平台11上，上端设置腕关节球形轴承14，并通过腕关节球形轴承14与腕关节运动平台12连接，4根腕关节操纵绳15的一端分别固接于腕关节运动平台12的四角，另一端穿过腕关节固定平台11与驱动机构43连接，驱动机构43通过拉动4根腕关节操纵绳15，使腕关节运动平台12以腕关节球形轴承14为转心偏转，实现腕关节1的三自由度运动。

肘关节固定平台21为一凹形结构，其下部固接在肘关节杆23的上端部，肘关节固定平台21穿设一传动轴24，传动轴24上固接传动轮22并位于肘关节固定平台21中间的凹槽内，肘关节操纵绳25绕设在传动轮22上，肘关节操纵绳25的两端与驱动机构43连接，驱动机构43通过拉动2根肘关节操纵绳25，使传动轮22以传动轴24为回转中心转动，实现肘关节2的一自由度运动。传动轮22与腕关节1的腕关节杆13的下端固接，因此传动轮22转动时将带动整个腕关节1做一自由度运动。

肩关节杆33的下端固定在肩关节固定平台31上，上端设置肩关节球形轴承34，并通过肩关节球形轴承34与肩关节运动平台32连接，4根肩关节操纵绳35的一端分别固接于肩关节运动平台32的四角，另一端穿过肩关节固定平台31与驱动机构43连接，驱动机构43通过拉动4根肩关节操纵绳35，使肩关节运动平台32以肩关节球形轴承34为转心偏转，实现肩关节3的三自由度运动。肩关节运动平台32与肘关节杆23的下端部固接，因此肩关节运动平台32偏转时将带动整个肘关节2和腕关节1做三自由度运动。

底杆42固接在底板41和肩关节固定平台31之间，底板41上设置有驱动机构43，驱动机构43包括卷扬机构和电动机，电动机通过减速器驱动卷扬机构转动。本实施例的驱动机构43为10个，通过拉动4根腕关节操纵绳15、2根肘关节操纵绳25和4根肩关节操纵绳35，从而驱动整个系统实现七自由度形式绕肩腕连线进行自运动，能避开障碍或内部奇异，适合复杂环境下的灵活性操作。其中，肩关节操纵绳35穿过肩关节固定平台31控制肩关节运动平台32运动，肘关节操纵绳25穿过肩关节固定平台31、肩关节运动平台32控制传动轮22运动，腕关节操纵绳15依次穿过肩关节固定平台31、肩关节运动平台32、肘关节固定平台21和腕关节固定平台11控制腕关节运动平台12运动。肘关节固定平台21的两侧各设置有二个导向滑轮，将腕关节操纵绳15导向到腕关节1，导向滑轮通过固接在传动轴24两端的传动盘安装在肘关节2的回转中心上，使腕关节操纵绳15经过转动轮22的轴心线，因而当肘关节2转动时，腕关节操纵绳15只发生弯曲变化，长度不会受到影响，使肘关节2的运动不会对腕关节1产生影响。

图2为本发明肘关节的结构示意图。本发明一种绳驱动冗余度机械臂提出了在肘关节操纵绳25和/或传动轮22上设置止动机构26的技术方案，止动机构26为止动锥孔或止动锥体，使肘关节操纵绳25与传动轮22二者接触点相对固定，彻底消除肘关节容易出现的打滑问题。图2只示意了止动机构26为止动锥体情况。下面通过具体实施方式详细说明本发明的技术方案。

第一实施例

本实施例为传动轮22上设置止动锥孔，肘关节操纵绳25上设置止动锥体。具体地，止动锥孔为传动轮22顶部开设的凹槽，止动锥体为固接在肘关节操纵绳25上的凸起，固接在肘关节操纵绳25上的凸起插入传动轮22顶部开设的凹槽中，使该位置的传动轮22和肘关节操纵绳25相对固定。当肘关节操纵绳25拉动传动轮22转动时，由于凸起和凹槽的限制，肘关节操纵绳25不会出现打滑现象，具有很好的控制精度，对机械臂高速运动和快速响应的要求也能很好实现。

本实施例中，止动锥孔和止动锥体可以有多种实现结构，止动锥孔可以是圆柱槽、圆锥槽、矩形槽以及本领域技术人员惯用的结构，止动锥体可以是圆柱体、圆锥体、矩形体以及本领域技术人员惯用的结构，止动锥体与肘关节操纵绳25的连接也可以有多种实现结构，如螺接、焊接、夹持、缠绕或本领域技术人员惯用的连接方法，不再赘述。

第二实施例

本实施例为传动轮22上设置止动锥体，肘关节操纵绳25上设置止动锥孔。具体地，止动锥孔为肘关节操纵绳25上开设的凹槽或通孔，止动锥体为传动轮22顶部设置的凸起，传动轮22顶部设置的凸起插入开设在肘关节操纵绳25上的凹槽或通孔中，使该位置的传动轮22和肘关节操纵绳25相对固定。当肘关节操纵绳25拉动传动轮22转动时，由于凸起和凹槽的限制，肘关节操纵绳25不会出现打滑现象，具有很好的控制精度，对机械臂高速运动和快速响应的要求也能很好实现。

本实施例中，止动锥孔和止动锥体可以有多种实现结构，止动锥孔可以是圆柱槽或通孔、圆锥槽或通孔、矩形槽或通孔以及本领域技术人员惯用的结构，止动锥体可以是圆柱体、圆锥体、矩形体以及本领域技术人员惯用的结构，止动锥体与传动轮22的连接也可以有多种实现结构，如螺接、焊接、夹持、缠绕或本领域技术人员惯用的连接方法，不再赘述。

第三实施例

本实施例为传动轮22上设置止动锥体，肘关节操纵绳25固接在止动锥体上。具体地，止动锥体为传动轮22顶部设置的凸起，凸起可以是圆柱体、圆锥体、矩形体以及本领域技术人员惯用的结构，肘关节操纵绳25通过如螺接、焊接、夹持、缠绕等方式与凸起固接，使该位置的传动轮22和肘关节操纵绳25相对固定，其中缠绕方式最为简便。

第四实施例

本实施例为肘关节操纵绳25上设置止动锥体。具体地，止动锥体为肘关节操纵绳25上固接的凸起，凸起可以是圆柱体、圆锥体、矩形体以及本领域技术人员惯用的结构，通过如螺接、焊接、夹持、缠绕等方式固接在肘关节操纵绳25上，通过凸起处额外产生的摩擦力该位置的传动轮22和肘关节操纵绳25相对固定。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的本质和范围。

Claims (10)

1.一种绳驱动冗余度机械臂，包括底座(4)、一自由度的肘关节(2)、以及三自由度的腕关节(1)和肩关节(3)，其特征在于：

所述腕关节(1)包括腕关节固定平台(11)、腕关节运动平台(12)、腕关节杆(13)、腕关节球形轴承(14)和腕关节操纵绳(15)，所述腕关节运动平台(12)通过腕关节杆(13)和其端部设置的腕关节球形轴承(14)与腕关节固定平台(11)连接，腕关节操纵绳(15)固接于腕关节运动平台(12)的四角；

所述肘关节(2)包括肘关节固定平台(21)、传动轮(22)、肘关节杆(23)、传动轴(24)和肘关节操纵绳(25)，所述肘关节固定平台(21)为凹形结构并固接在肘关节杆(23)端部，所述传动轴(24)穿设在肘关节固定平台(21)上，与所述腕关节杆(13)端部固接的传动轮(22)位于固定平台(21)的凹槽内并固接在传动轴(24)上，肘关节操纵绳(25)绕设在所述传动轮(22)上，所述肘关节操纵绳(25)和/或传动轮(22)上设置有使二者接触点相对固定的止动机构(26)；

所述肩关节(3)包括肩关节固定平台(31)、肩关节运动平台(32)、肩关节杆(33)、肩关节球形轴承(34)和肩关节操纵绳(35)，与所述肘关节杆(23)端部固接的肩关节运动平台(32)通过肩关节连接杆(33)和其端部设置的肩关节球形轴承(34)与肩关节固定平台(31)连接，肩关节操纵绳(35)固接于肩关节运动平台(32)的四角；

所述底座(4)包括底板(41)和底杆(42)，所述底杆(42)固接在底板(41)和肩关节固定平台(31)之间，所述底板(41)上设置有用于驱动所述腕关节操纵绳(15)、肘关节操纵绳(25)和肩关节操纵绳(35)的驱动机构(43)。

2.如权利要求1所述的一种绳驱动冗余度机械臂，其特征在于，所述止动机构(26)为传动轮(22)或肘关节操纵绳(25)上设置的止动锥体。

3.如权利要求1所述的一种绳驱动冗余度机械臂，其特征在于，所述止动机构(26)为传动轮(22)上设置的止动锥孔和肘关节操纵绳(25)上设置的插入所述止动锥孔中的止动锥体。

4.如权利要求1所述的一种绳驱动冗余度机械臂，其特征在于，所述止动机构(26)为肘关节操纵绳(25)上设置的止动锥孔和传动轮(22)上设置的插入所述止动锥孔中的止动锥体。

5.如权利要求3所述的一种绳驱动冗余度机械臂，其特征在于，所述止动锥孔位于所述传动轮(22)的顶部。

6.如权利要求4所述的一种绳驱动冗余度机械臂，其特征在于，所述止动锥体位于所述传动轮(22)的顶部。

7.如权利要求2～6任一所述的一种绳驱动冗余度机械臂，其特征在于，所述止动锥体螺接在传动轮(22)或肘关节操纵绳(25)上。

8.如权利要求2～6任一所述的一种绳驱动冗余度机械臂，其特征在于，所述止动锥体焊接在传动轮(22)或肘关节操纵绳(25)上。

9.如权利要求2～6任一所述的一种绳驱动冗余度机械臂，其特征在于，所述止动锥体夹持在传动轮(22)或肘关节操纵绳(25)上。

10.如权利要求2～6任一所述的一种绳驱动冗余度机械臂，其特征在于，所述止动锥体缠绕在传动轮(22)或肘关节操纵绳(25)上。

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