CN101229641A - 线驱动超冗余自由度机器人 - Google Patents

Abstract

线驱动超冗余自由度机器人，它涉及一种超冗余自由度机器人。针对现有超冗余自由度机器人制造成本高、实现多自由度关节驱动困难问题。电机(10)通过支座(12)与箱体(9)固接，电机(10)上固装有滑轮(11)，一组连杆通过胡克铰(3)铰接，最上端的连杆(2)和中间连杆(13)上固装有向下弯曲的十字交叉弧形杆(5)，最下端的连杆(14)上固装有十字形直杆(6)，向下弯曲的十字交叉弧形杆(5)的四个顶端固装有环耳(4)，向下弯曲的十字交叉弧形杆(5)的四个端部和十字形直杆(6)的四个端部上的管孔与支座(12)上的管孔之间固装有软管(7)，软管(7)内装有线绳(8)，同一水平面内相隔180°的两根线绳(8)构成拮抗线对，拮抗线对的下端连接且缠绕在滑轮(11)上。本发明具有较多的冗余自由度，成本低、容易实现。

Description

线驱动超冗余自由度机器人

技术领域

本发明涉及一种超冗余自由度机器人。

背景技术

超冗余自由度机器人是为解决传统串联机器人灵活性较差的问题而提出的，它通过大量地增加冗余关节数量使关节空间维数远大于任务空间维数，冗余关节的引入使机器人在实现期望的末端位姿的同时，具有更高的灵活性。这种机器人特别适合用作：(1)非结构环境下的灵活操作器，大量的冗余关节可使机器人灵活变形以适应非结构化的狭小空间环境，并具备超强的避障能力，这可使它适宜用作特种机器人。例如超冗余自由度机器人可以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，即采用全臂抓取方式来抓取较大尺寸以及不规则的物体。因此可以把超冗余自由度机器人安装在自主型机器人车辆或移动机器人上，作为排爆机器人以及交通运输等领域的服务机器人。

目前研究的超冗余自由度机器人多采用电机直接驱动，即直接把电机放在转动关节处或者内置在关节中，直接驱动转动关节转动。这种方式需要体积小、重量轻的微小型电机，限制了机器人的功率、也使制造成本增加，而且电机驱动的关节一般都是单自由度转动关节，实现多自由度关节的驱动很困难，通常会使机器人的结构变得复杂。采用远程线驱动方式是解决上述问题的一个有效途径。

发明内容

本发明的目的是提供一种线驱动超冗余自由度机器人，它可以解决现有超冗余自由度机器人存在制造成本高、实现多自由度关节驱动困难的问题。

本发明包括驱动装置、连杆、胡克铰、环耳、向下弯曲的十字交叉弧形杆、十字形直杆、软管、线绳、直杆；所述驱动装置由箱体、电机、滑轮、支座、底板组成；所述一组电机装在箱体内且通过支座与箱体固接，电机的输出轴上固装有滑轮，箱体的下端面与底板的上端面固接，所述一组连杆沿竖直方向呈一字设置，相邻两个连杆之间通过胡克铰铰接，最上端的连杆和每个中间连杆上分别固装有向下弯曲的十字交叉弧形杆，向下弯曲的十字交叉弧形杆与胡克铰的十字轴线的方向一致，且每个向下弯曲的十字交叉弧形杆的底端面位于胡克铰的十字轴的中心平面内，最下端的连杆上固装有水平设置的十字形直杆，十字形直杆与胡克铰的十字轴线的方向一致，且十字形直杆固装在四个平行且对称分布的直杆上，四个直杆的下端与箱体的上端面固接，每个向下弯曲的十字交叉弧形杆的四个顶端固装有环耳，中间连杆上的向下弯曲的十字交叉弧形杆的四个端部和十字形直杆的四个端部上设有管孔，每个管孔与支座上的管孔之间固装有软管，每根软管内装有线绳，同一水平面内相隔180°的两根线绳构成拮抗线对，拮抗线对的下端连接在一起，同一平面内的两对拮抗线对在箱体内对称设置且分别缠绕在相应的滑轮上，拮抗线对的上端与相邻的上一个向下弯曲的十字交叉弧形杆上的环耳固接。

本发明具有以下有益效果：一、本发明的线驱动超冗余自由度机器人，由于整个机器人由若干个连杆通过胡克铰串联而成，每个连杆、向下弯曲的十字交叉弧形杆由电机驱动滑轮带动线绳远程驱动，能够相对于其下端的相邻连杆作绕X、Y两轴的独立转动。二、由于线绳外面套有软管(此软管类似自行车闸线外面所套的套管)，软管两端固定，中间部分可任意弯曲布置，拉动软管内的线绳时不会对软管所经过的中间连杆产生拉力和弯矩。三、由于本发明具有较多的冗余自由度，因此具有更高的灵活性、更强的避障能力，能够更好地适应非结构环境；同时由于采用远程线绳驱动，其成本较低、容易实现、并具有很高的实用价值。

附图说明

图1是本发明的整体结构主视图，图2是最上端的连杆与胡克铰、向下弯曲的十字交叉弧形杆、环形杆和环耳装配在一起的主视图，图3是中间连杆与胡克铰、向下弯曲的十字交叉弧形杆、环形杆和环耳装配在一起的主视图，图4是最下端的连杆与十字形直杆和环形杆装配在一起的主视图，图5是中间连杆与向下弯曲的十字交叉弧形杆及环形杆装配在一起的立体图，图6是中间连杆与向下弯曲的十字交叉弧形杆和环形杆装配在一起的主视剖视图，图7是图6的俯视图，图8是驱动装置的主视剖视图，图9是图8的M-M剖视图，图10是图8的N-N剖视图，图11是拮抗线对的伸缩量近似相等的关系图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图10说明本实施方式，本实施方式由驱动装置1、连杆、胡克铰3、环耳4、向下弯曲的十字交叉弧形杆5、十字形直杆6、软管7、线绳8、直杆17组成；所述驱动装置1由箱体9、电机10、滑轮11、支座12、底板18组成；所述一组电机10装在箱体9内且通过支座12与箱体9固接，电机10的输出轴上固装有滑轮11，箱体9的下端面与底板18的上端面固接，所述一组连杆沿竖直方向呈一字设置，相邻两个连杆之间通过胡克铰3铰接，最上端的连杆2和每个中间连杆13上分别固装有向下弯曲的十字交叉弧形杆5，向下弯曲的十字交叉弧形杆5与胡克铰3的十字轴线的方向一致，且每个向下弯曲的十字交叉弧形杆5的底端面位于胡克铰3的十字轴的中心平面内，最下端的连杆14上固装有水平设置的十字形直杆6，十字形直杆6与胡克铰3的十字轴线的方向一致，且十字形直杆6固装在四个平行且对称分布的直杆17上，四个直杆17的下端与箱体9的上端面固接，每个向下弯曲的十字交叉弧形杆5的四个顶端固装有环耳4，中间连杆13上的向下弯曲的十字交叉弧形杆5的四个端部和十字形直杆6的四个端部上设有管孔，每个管孔与支座12上的管孔之间固装有软管7，每根软管7内装有线绳8，同一水平面内相隔180°的两根线绳8构成拮抗线对，拮抗线对的下端连接在一起，同一平面内的两对拮抗线对在箱体9内对称设置且分别缠绕在相应的滑轮11上，拮抗线对的上端与相邻的上一个向下弯曲的十字交叉弧形杆5上的环耳4固接。如此设置，每个连杆都能绕其下端胡克铰的X、Y轴作两自由度的转动，且同一向下弯曲的十字交叉弧形杆的四根线绳作用点位于下端胡克铰的十字轴的延长线上，且沿圆周方向均匀对称分布，因此相隔180°的两根线绳组成拮抗线对，此拮抗线对其中一个线绳伸长、另一个缩短，使连杆、向下弯曲的十字交叉弧形杆一起绕胡克铰的十字轴的一根轴转动，由于线绳作用点位于此轴的延长线上且对称布置，上述伸长量和缩短量近似相等。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式还增加有一组环形杆15；所述每个连杆上套装有环形杆15，且环形杆15位于胡克铰3的十字轴的中心平面内，套装在最上端的连杆2上的环形杆15和套装在每个中间连杆13上的环形杆15分别与相应的向下弯曲的十字交叉弧形杆5固接，套装在最下端的连杆14上的环形杆15与十字形直杆6固接。如此设置，可对连杆、向下弯曲的十字交叉弧形杆和十字形直杆起到加固和提高刚性的作用。

具体实施方式三：结合图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式还增加有总线管16；所述总线管16固装在箱体9上端面的中心孔内，所述所有软管7均穿过总线管16装在箱体9内。如此设置，可起到保护软管的作用。

工作时，将一侧的软管捆扎在一起，共形成四束，然后再穿过总线管进入到箱体内分开，同一向下弯曲的十字交叉弧形杆上的拮抗线对的下端连接起来后缠绕单个滑轮上，缠绕时两根拮抗线从滑轮的两侧向上引出。当步进电机带动滑轮正转时，一侧的拮抗线收缩，同时另一侧的拮抗线伸长，带动所驱动的连杆、向下弯曲的十字交叉弧形杆正方向转动；当步进电机带动滑轮反转时，一侧的拮抗线伸长，同时另一侧的拮抗线收缩，带动所驱动的连杆、向下弯曲的十字交叉弧形杆反方向转动。另外本机器人中连杆的总数量可以根据实际应用的需要进行增减。

下面结合图11说明拮抗线对的伸长量和收缩量近似相等的关系，如图11所示，FG为上一级连杆，EF为相邻的下一级连杆，F为连接连杆FG和EF的胡克铰的中心点。D和C为连杆FG上的两个环耳，A和B为连杆EF上对应的管孔。AD和BC为一对拮抗线，用于驱动连杆FG相对连杆EF转动。在初始位置时，AD和BC长度相等且都为初始长度，因此DC处于水平方向；然后拉动BC线收缩，AD线伸长，带动连杆FG绕通过F点的胡克铰中的一根轴(垂直纸面方向)转过θ角到达FG′位置。设机构尺寸为：|DC|＝|AB|＝d，|DF|＝|CF|＝|AE|＝|BE|＝d/2，|AD|＝|EF|＝|BC|＝h。则

AD线绳的伸长量为 $\mathrm{\Δ}{l}_1=\left|{\mathrm{AD}}^{\′}\right|-\left|\mathrm{AD}\right|=\sqrt{d^2{(1-\cos \mathrm{\θ})}^2/4+{(h+d\sin \mathrm{\θ}/2)}^2}-h$

BC线绳的收缩量为 ${\mathrm{\Δl}}_2=\left|\mathrm{BC}\right|-\left|{\mathrm{BC}}^{\′}\right|=h-\sqrt{d^2{(1-\cos \mathrm{\θ})}^2/4+{(h-d\sin \mathrm{\θ}/2)}^2}$

伸长量和收缩量的差为Δ＝Δl₁-Δl₂，具体表达式为：

$\mathrm{\Δ}=\sqrt{d^2{(1-\cos \mathrm{\θ})}^2/4+{(h+d\sin \mathrm{\θ}/2)}^2}+\sqrt{d^2{(1-\cos \mathrm{\θ})}^2/4+{(h-d\sin \mathrm{\θ}/2)}^2}-2h$

根据上述公式可以计算出在不同方案下连杆转角θ＝10°、30°、45°时，拮抗线对的伸长量和收缩量的差值Δ分别见表1、表2、表3所示。各表都给出了不同方案下(d和h取不同尺寸值)的Δ值，表中各数值的单位均为cm。

表1

表2

表3

由上述表中数据可知，在d取4、8、10、12cm，h取15、20、30cm的情况下，所有拮抗线对的伸缩量的差值最大为max{Δ}≤0.22cm，可见差值很小，可认为伸缩量近似相等。因此可把拮抗线对的下端连接起来，缠绕在同一滑轮上，上述差值可以由绳的弹性自动补偿，用单个步进电机驱动此滑轮就能实现连杆的单轴转动。

Claims (3)

1.一种线驱动超冗余自由度机器人，其特征在于它包括驱动装置(1)、连杆、胡克铰(3)、环耳(4)、向下弯曲的十字交叉弧形杆(5)、十字形直杆(6)、软管(7)、线绳(8)、直杆(17)；所述驱动装置(1)由箱体(9)、电机(10)、滑轮(11)、支座(12)、底板(18)组成；所述一组电机(10)装在箱体(9)内且通过支座(12)与箱体(9)固接，电机(10)的输出轴上固装有滑轮(11)，箱体(9)的下端面与底板(18)的上端面固接，所述一组连杆沿竖直方向呈一字设置，相邻两个连杆之间通过胡克铰(3)铰接，最上端的连杆(2)和每个中间连杆(13)上分别固装有向下弯曲的十字交叉弧形杆(5)，向下弯曲的十字交叉弧形杆(5)与胡克铰(3)的十字轴线的方向一致，且每个向下弯曲的十字交叉弧形杆(5)的底端面位于胡克铰(3)的十字轴的中心平面内，最下端的连杆(14)上固装有水平设置的十字形直杆(6)，十字形直杆(6)与胡克铰(3)的十字轴线的方向一致，且十字形直杆(6)固装在四个平行且对称分布的直杆(17)上，四个直杆(17)的下端与箱体(9)的上端面固接，每个向下弯曲的十字交叉弧形杆(5)的四个顶端固装有环耳(4)，中间连杆(13)上的向下弯曲的十字交叉弧形杆(5)的四个端部和十字形直杆(6)的四个端部上设有管孔，每个管孔与支座(12)上的管孔之间固装有软管(7)，每根软管(7)内装有线绳(8)，同一水平面内相隔180°的两根线绳(8)构成拮抗线对，拮抗线对的下端连接在一起，同一平面内的两对拮抗线对在箱体(9)内对称设置且分别缠绕在相应的滑轮(11)上，拮抗线对的上端与相邻的上一个向下弯曲的十字交叉弧形杆(5)上的环耳(4)固接。

2.根据权利要求1所述的线驱动超冗余自由度机器人，其特征在于它还包括一组环形杆(15)；所述每个连杆上套装有环形杆(15)，且环形杆(15)位于胡克铰(3)的十字轴的中心平面内，套装在最上端的连杆(2)上的环形杆(15)和套装在每个中间连杆(13)上的环形杆(15)分别与相应的向下弯曲的十字交叉弧形杆(5)固接，套装在最下端的连杆(14)上的环形杆(15)与十字形直杆(6)固接。

3.根据权利要求1所述的线驱动超冗余自由度机器人，其特征在于它还包括总线管(16)；所述总线管(16)固装在箱体(9)上端面的中心孔内，所述所有软管(7)均穿过总线管(16)装在箱体(9)内。

Images