CN105150193B - 一种基于闭环绳索驱动的超冗余柔性机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于闭环绳索驱动的超冗余柔性机械臂，包括驱动模块、离散臂模块与若干驱动绳，离散臂模块包括多个串联的离散臂关节，相邻的离散臂关节通过一离散臂转轴相互铰接，且相邻的离散臂转轴在空间上相互交叉，离散臂关节与驱动绳一一对应连接，其中，驱动绳的两端与对应的离散臂关节固接，且分列在对应离散臂转轴的两侧，驱动绳可在驱动模块的驱动下独立运动，以拉动对应离散臂关节绕离散臂转轴旋转。本发明一个电机便能控制一处关节，可以减少电机的使用数量，降低成本；可以对各关节进行独立调节，控制更加精确；还可以极大的减轻关节的重量，从而进一步增加机械臂的承载能力，有利于实现机械臂的高速移动和快速响应。

Description

一种基于闭环绳索驱动的超冗余柔性机械臂

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是涉及机械臂领域。

背景技术

超冗余自由度机械臂是为解决传统串联机器人灵活性较差的问题提出来的，其通过增加大量的冗余离散臂关节，使离散臂关节空间的维数远大于任务空间维数，冗余离散臂关节的引入使机械臂可以更加灵活地实现期望的末端位姿。因此，这种机械臂特别适合用作：1、不规则空间内的操作设备，大量的冗余离散臂关节可使机械臂具备极强的避障能力，使其特别适合用作特种机器人，例如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，可以用于爆炸物的排除以及空间站的维护。

然而，目前超冗余自由度机械臂大多采用分立式的电机和驱动器，电机直接安装在转动离散臂关节处，驱动器固定在控制柜中，二者用电缆线进行连接，这样会带来很多缺点：

1、机械臂的电气线路十分繁琐，给后续检修带来极大的不便，也容易引发安全隐患；

2、增加了机械臂的惯性和质量，导致其承载能力受到一定的限制，不利于高速运动和快速响应；

3、电机驱动的离散臂关节一般都是单自由度的离散臂关节，为了实现多自由度运动将不可避免的导致控制系统的复杂化；

4、增加制造成本。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于闭环绳索驱动的超冗余柔性机械臂，一个电机便能控制一处关节，可以减少电机的使用数量，降低成本；可以对各关节进行独立调节，控制更加精确；还可以极大的减轻关节的重量，从而进一步增加机械臂的承载能力，有利于实现机械臂的高速移动和快速响应；同时，省去了电气线路的排布工作，机械臂上仅由机械结构组成，不易受到恶劣环境的影响，有助于延长使用寿命，便于拆卸、维护和组装。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于闭环绳索驱动的超冗余柔性机械臂，包括驱动模块、离散臂模块与若干驱动绳，离散臂模块包括多个串联的离散臂关节，相邻的离散臂关节通过一离散臂转轴相互铰接，且相邻的离散臂转轴在空间上相互交叉，离散臂关节与驱动绳一一对应连接，其中，驱动绳的两端与对应的离散臂关节固接，且分列在对应离散臂转轴的两侧，驱动绳可在驱动模块的驱动下独立运动，以拉动对应离散臂关节绕离散臂转轴旋转。

作为上述方案的进一步改进方式，相邻的离散臂转轴在空间上相互垂直。

作为上述方案的进一步改进方式，驱动绳固接于离散臂关节的尾端。

作为上述方案的进一步改进方式，包括与离散臂模块串联的连续臂模块，以及对应驱动该连续臂模块的驱动绳，连续臂模块包括多个相互串联的连续臂段，连续臂段包括多个相互串联的连续臂关节，相邻的连续臂关节通过一连续臂转轴相互铰接，且处于同一连续臂段内的连续臂转轴相互平行，处于相邻连续臂段内的连续臂转轴相互交叉，连续臂关节之间还设有弹簧，驱动绳与连续臂段一一对应，其两端与对应连续臂段中远离驱动模块一端的连续臂关节固接，且分列在对应连续臂转轴的两侧。

作为上述方案的进一步改进方式，相邻连续臂段内的连续臂转轴相互垂直。

作为上述方案的进一步改进方式，驱动模块包括伺服电机、丝杠、定滑轮、滑块、螺母与导轨，其中，伺服电机、丝杠、定滑轮、滑块、螺母及导轨的数量与驱动绳数量对应相等，丝杠一端与伺服电机的驱动轴连接，另一端与螺母螺接，滑块固接在螺母上，并可相对导轨滑动，驱动绳的一端与对应离散臂关节或连续臂关节固接，另一端绕过定滑轮后再与同一离散臂关节或连续臂关节固接，螺母与驱动绳之间固定连接。

作为上述方案的进一步改进方式，驱动模块包括机架，多个驱动绳以及相应的伺服电机、丝杠、定滑轮、滑块、螺母、导轨并列安装在同一机架上，多个机架上下层叠设置。

作为上述方案的进一步改进方式，机械臂模块包括用于相邻离散臂关节连接的连接块，连接块上设有离散臂转轴安装孔，离散臂转轴穿设在离散臂转轴安装孔内，相邻离散臂关节中的一处与连接块固接，另一处与连接块铰接。

作为上述方案的进一步改进方式，包括布线圆盘，其设于驱动模块与离散臂模块之间，沿圆盘的周向均匀分布有若干线孔与软管，其数量与驱动绳的数量对应相等。

本发明的有益效果是：

一个电机便能控制一处关节，可以减少电机的使用数量，降低成本；可以对各关节进行独立调节，控制更加精确；还可以极大的减轻关节的重量，从而进一步增加机械臂的承载能力，有利于实现机械臂的高速移动和快速响应；同时，省去了电气线路的排布工作，机械臂上仅由机械结构组成，不易受到恶劣环境的影响，有助于延长使用寿命，便于拆卸、维护和组装。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一个实施例的整体示意图；

图2是本发明离散臂模块的示意图；

图3是本发明连续臂段的示意图；

图4是本发明相邻连续臂段的连接示意图；

图5是本发明驱动模块的示意图；

图6是本发明布线圆盘的示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

参照图1，示出了本发明一个实施例的整体示意图，其包括驱动模块、离散臂模块2与若干驱动绳（未示出），其中离散臂模块2包括多个串联的离散臂关节21，相邻的离散臂关节21通过离散臂转轴相互铰接，这样关节之间便可以相对转动；同时相邻的离散臂转轴在空间上相互交叉，即转轴间存在一定的夹角，从而使关节具有更多的转动方向，优选的，相邻的离散臂转轴在空间上相互垂直，通过多个类似关节的组合，离散臂模块整体便可以在空间上自由弯曲。

驱动绳优选固接于离散臂关节21的尾端，便于对关节施力。在本发明中，关节尾端与首端的定义如下：沿机械臂的长度方向，靠近驱动模块的一端为尾端，远离驱动模块的一端为首端，下同。

本发明中离散臂关节21与驱动绳一一对应，具体的，驱动绳的两端与对应的离散臂关节21固接，且分列在对应离散臂转轴的两侧。驱动绳可由驱动模块驱动而独立运动，从而拉动对应离散臂关节21绕离散臂转轴旋转，以实现关节的左右摆动。

参照图2，示出了本发明离散臂模块一个实施例的示意图，由图可知，离散臂模块2由多个离散臂关节21串联而成，驱动绳3沿离散臂模块2的长度方向延伸，逐一固接在相应的关节21上。离散臂关节21的两端均设有铰接座211，关节间通过该铰接座形成转动副，优选的，关节之间还设有连接块22，连接块22优选为一正方体，其上设有转轴安装孔，离散臂转轴穿设在转轴安装孔内，相邻离散臂关节中的一处与连接块固接，另一处与连接块22通过离散臂转轴铰接，这样便能实现关节之间的转动。

作为机械臂的进一步改进方式，参照图1、图3与图4，还包括与离散臂模块2串联的连续臂模块4，以及对应驱动该连续臂模块的驱动绳3，连续臂模块4包括多个相互串联的连续臂段41，连续臂段41包括多个相互串联的连续臂关节411，相邻的连续臂关节411通过一连续臂转轴相互铰接，具体的，连续臂关节411的一端设有铰接座4111，另一端设有连接块4112，相邻的关节之间通过铰接座4111与连接块4112连接。

处于同一连续臂段41内的连续臂转轴相互平行，处于相邻连续臂段41内的连续臂转轴相互交叉，这样同一臂段内的关节可以朝同一方向转动，而臂段间的转动方向相异，以实现连续臂模块的自由弯曲。

优选的， 相邻连续臂段内的连续臂转轴相互垂直。

为了减少驱动绳以及相应驱动机构的数量，增加系统稳定性，一处连续臂段41仅由一根驱动绳3驱动，驱动绳3的两端与对应连续臂段中远离驱动模块一端的连续臂关节411固接，且分列在对应连续臂转轴的两侧。为保证同一臂段内的关节具有相同的朝向，关节之间还设有弹簧412，这样当驱动绳3拉动前端的关节转动时，各弹簧会带动其他的关节一起转动，而当驱动绳3停止施力时，弹簧又可以使关节复位。

参照图5，示出了本发明驱动模块一个实施例的示意图，包括伺服电机11、丝杠12、滑块13、螺母14、导轨15与定滑轮16，其中，伺服电机11、丝杠12、滑块13、螺母14、导轨15与定滑轮16的数量与驱动绳数量对应相等，即一处电机对应控制一处驱动绳。具体的，丝杠12一端与伺服电机11的驱动轴通过联轴器连接，另一端与螺母14螺接，滑块13固接在螺母14上，这样随着丝杠12的转动，螺母14将带动滑块13沿导轨15前后移动。

驱动绳3的一端与离散臂关节或者连续臂关节固接，另一端绕过定滑轮16后再与同一关节固接，这样便在驱动绳3、定滑轮16与关节之间形成闭环控制系统。以定滑轮16为基点，驱动绳3可分为两段，螺母14与其中一段固定连接。因为驱动绳的总长一定，故随着螺母14朝一个方向的运动，其中一段将会伸长，而另一段则相应缩短，关节则会朝着缩短部分偏转，反之，则会朝反向偏转，从而实现一个电机控制一处关节的转动。

优选的，驱动模块包括机架17，伺服电机11固定在机架17的首端，丝杠12通过丝杠安装座18与机架17固接，导轨15沿机架17的长度方向固定。同一机架上并列安装有多个驱动绳以及相应的伺服电机、丝杠、滑块、螺母、导轨与定滑轮，多个机架上下层叠以组成上述的驱动模块，便于驱动模块安装与管理。

参照图6，当机械臂的关节较多时，驱动绳的数量会变得极为庞大，为了防止绳索之间出现缠绕，在驱动模块与离散臂模块2之间还设有布线圆盘5，布线圆盘5上沿其周向均匀分布有若干线孔51与软管52，其数量与驱动绳3的数量对应相等，从驱动模块引出的驱动绳首先由软管52引导至各自的线孔51内，再分别与对应关节连接，从而使绳索有序的排布，便于管理。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种基于闭环绳索驱动的超冗余柔性机械臂，其特征在于：包括驱动模块、离散臂模块与若干驱动绳，所述离散臂模块包括多个串联的离散臂关节，相邻的所述离散臂关节通过一离散臂转轴相互铰接，且相邻的所述离散臂转轴在空间上相互交叉，所述离散臂关节与所述驱动绳一一对应连接，其中，所述驱动绳的两端与对应的离散臂关节固接，且分列在对应离散臂转轴的两侧，驱动绳可在所述驱动模块的驱动下独立运动，以拉动对应离散臂关节绕离散臂转轴旋转，所述离散臂关节之间设置有连接块；相邻离散臂关节中的一处与所述连接块固接，另一处与所述连接块通过离散臂转轴铰接。

2.根据权利要求1所述的基于闭环绳索驱动的超冗余柔性机械臂，其特征在于：相邻的所述离散臂转轴在空间上相互垂直。

3.根据权利要求1所述的基于闭环绳索驱动的超冗余柔性机械臂，其特征在于：所述驱动绳固接于所述离散臂关节的尾端。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于闭环绳索驱动的超冗余柔性机械臂，其特征在于，包括与所述离散臂模块串联的连续臂模块，以及对应驱动该连续臂模块的驱动绳，所述连续臂模块包括多个相互串联的连续臂段，所述连续臂段包括多个相互串联的连续臂关节，相邻的所述连续臂关节通过一连续臂转轴相互铰接，且处于同一连续臂段内的所述连续臂转轴相互平行，处于相邻连续臂段内的所述连续臂转轴相互交 叉，所述连续臂关节之间还设有弹簧，所述驱动绳与所述连续臂段一一对应，其两端与对应连续臂段中远离所述驱动模块一端的连续臂关节固接，且分列在对应连续臂转轴的两侧。

5.根据权利要求4所述的基于闭环绳索驱动的超冗余柔性机械臂，其特征在于：相邻连续臂段内的所述连续臂转轴相互垂直。

6.根据权利要求5所述的基于闭环绳索驱动的超冗余柔性机械臂，其特征在于：所述驱动模块包括伺服电机、丝杠、定滑轮、滑块、螺母与导轨，其中，所述伺服电机、丝杠、定滑轮、滑块、螺母及导轨的数量与所述驱动绳数量对应相等，所述丝杠一端与伺服电机的驱动轴连接，另一端与所述螺母螺接，所述滑块固接在所述螺母上，并可相对所述导轨滑动，所述驱动绳的一端与对应离散臂关节或连续臂关节固接，另一端绕过所述定滑轮后再与同一离散臂关节或连续臂关节固接，所述螺母与驱动绳之间固定连接。

7.根据权利要求6所述的基于闭环绳索驱动的超冗余柔性机械臂，其特征在于，所述驱动模块包括机架，多个所述驱动绳以及相应的伺服电机、丝杠、定滑轮、滑块、螺母、导轨并列安装在同一机架上，多个所述机架上下层叠设置。

8.根据权利要求6所述的基于闭环绳索驱动的超冗余柔性机械臂，其特征在于，所述机械臂模块包括用于相邻离散臂关节连接 的连接块，所述连接块上设有离散臂转轴安装孔，所述离散臂转轴穿设在所述离散臂转轴安装孔内，相邻所述离散臂关节中的一处与所述连接块固接，另一处与所述连接块铰接。

9.根据权利要求5所述的基于闭环绳索驱动的超冗余柔性机械臂，其特征在于，包括布线圆盘，其设于所述驱动模块与离散臂模块之间，沿所述圆盘的周向均匀分布有若干线孔与软管，其数量与驱动绳的数量对应相等。