CN105150241B - 一种绳索驱动的两自由度机械臂关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绳索驱动的两自由度机械臂关节，包括第一转轴与第二转轴，第一转轴与第二转轴呈十字交叉，包括固定端、活动端与驱动绳，活动端可分别绕第一转轴、第二转轴相对固定端转动，驱动绳至少为3处，沿活动端的周向分布；驱动绳的一端与活动端固接，另一端可在外力的作用下独立拉动活动端转动。本发明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。

Description

一种绳索驱动的两自由度机械臂关节

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关节，使关节空间的维数远大于任务空间维数，冗余关节的引入使机械臂可以更加灵活地实现期望的末端位置。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，即采用全臂包卷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、增加了机械臂的惯量和质量，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、电机驱动的关节一般都是单自由度的关节，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，本发明提供一种绳索驱动的两自由度机械臂关节，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：

一种绳索驱动的两自由度机械臂关节，包括第一转轴与第二转轴，第一转轴与第二转轴呈十字交叉，包括固定端、活动端与驱动绳，活动端可分别绕第一转轴、第二转轴相对固定端转动，驱动绳至少为3处，沿活动端的周向分布；驱动绳的一端与活动端固接，另一端可在外力的作用下独立拉动活动端转动。

作为上述方案的进一步改进方式，驱动绳为3处，相邻的驱动绳之间间隔120°设置。

作为上述方案的进一步改进方式，驱动绳为4处，分别对应第一转轴与第二转轴的轴端设置。

作为上述方案的进一步改进方式，固定端与活动端的周边设有布线圆盘，布线圆盘上沿其周向均匀分布有若干过孔，

作为上述方案的进一步改进方式，驱动绳穿过固定端上的过孔后固接在活动端上对应的过孔内。

作为上述方案的进一步改进方式，包括连接块，连接块上设有两条相互交叉且垂直的转轴安装孔，活动端与固定端上均设有铰接座；

第一转轴穿过其中一条转轴安装孔后与固定端上的铰接座铰接，其中心位置设有通孔；

第二转轴穿过另一条转轴安装孔与第一转轴上的通孔后与活动端上的铰接座铰接。

作为上述方案的进一步改进方式，第二转轴包括一螺钉，螺钉的一端螺接有防松螺母，螺钉与相应转轴安装孔之间设有轴套。

本发明的有益效果是：

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是本发明的分解示意图。

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与图2，本发明可以实现关节在两个自由度上的转动，且转动过程通过绳索完成，以实现分隔关节的驱动机构与执行机构的目的。为达到这一要求，关节包括第一转轴1、第二转轴2、固定端3、活动端4与驱动绳5，其中第一转轴1与第二转轴2作为关节实现转动的关键元件，在本发明中采用十字交叉的结构，活动端4可分别绕第一转轴1、第二转轴2相对固定端3灵活转动，可以理解的是，十字交叉式的转轴连接结构为本发明的一种实施方式，活动端4也可以采用任何其他公知的技术以实现两个自由度上的转动。

驱动绳5至少为3处，沿活动端4的周向分布，具体的，驱动绳5的一端与活动端固接，另一端可在外力（通常为电机的驱动）的作用下独立拉动活动端4转动，通过拉紧和放松驱动绳5，便可以实现活动端4在两个自由度方向上的转动。通过使用驱动绳5作为驱动机构动力的载体，关节和驱动机构之间可以相互分离，相对于直接在关节处安装电机的做法，显然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，机械臂仅由机械结构组成，其稳定性与维护性能也得到了极大的提高。

作为本发明驱动绳的优选实施例，驱动绳为3处，且相邻的驱动绳之间间隔120°设置。

作为驱动绳的另一个实施例，驱动绳为4处，分别对应第一转轴1与第二转轴2的轴端设置，这样每一根驱动绳均对应一个方向的转动，从而使控制更加精确。

优选的，为了实现驱动绳的有序排布，便于后续维护，固定端3与活动端4的周边设有布线圆盘6，布线圆盘6上沿其周向均匀分布有若干过孔61，驱动绳5穿过固定端3上的过孔后固接在活动端4上对应的过孔内，这样驱动绳彼此分离，可以有效的避免绳索间的缠绕。

本发明为实现活动端与固定端之间的连接，还设有连接块7，连接块7优选为一正方体，其上设有两条相互交叉且垂直的转轴安装孔，活动端4与固定端3上对应设有铰接座。第一转轴1在穿过其中一条转轴安装孔后与固定端3上的铰接座铰接，这样连接块7便能绕第一转轴1相对固定端3转动，第一转轴1中心位置设有通孔，第二转轴2在穿过另一条转轴安装孔与第一转轴1上的通孔后与活动端上的铰接座铰接，这样活动端4便能绕第二转轴2相对连接块7转动，并能与连接块7一体的相对固定端3转动，以实现关节在两个自由度上的转动，同时还能限制第一转轴沿转轴安装孔轴向的移动。

进一步的，第二转轴2包括一螺钉21，螺钉21的一端螺接有防松螺母22，螺钉21与相应转轴安装孔之间设有轴套23。

在本发明中，关节的固定端保持相对静止，活动端相对于固定端具有两个方向的自由度，其在这两个自由度上不同的转动角度分别对应着驱动绳不同的长度，因此，可以通过逆解计算所需要的关节角度对应的绳索长度变化量，将其赋给关节的驱动机构，便可以实现单关节两个自由度的运动规划功能。

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 (7)

1.一种绳索驱动的两自由度机械臂关节，包括第一转轴与第二转轴，所述第一转轴与第二转轴呈十字交叉，其特征在于：包括固定端、活动端、连接块与驱动绳，所述连接块上设有两条相互交叉且垂直的转轴安装孔，所述第一转轴与第二转轴分别设置在该两条所述转轴安装孔内，所述活动端与固定端上均设有铰接座；所述第一转轴穿过其中一条转轴安装孔后与所述固定端上的铰接座铰接，其中心位置设有通孔；所述第二转轴穿过另一条转轴安装孔与第一转轴上的通孔后与所述活动端上的铰接座铰接，所述活动端可分别绕所述第一转轴、第二转轴相对所述固定端转动，所述驱动绳至少为3处，沿所述活动端的周向分布；所述驱动绳的一端与所述活动端固接，另一端可在外力的作用下独立拉动所述活动端转动。

2.根据权利要求1所述的两自由度机械臂关节，其特征在于：所述驱动绳为3处，相邻的驱动绳之间间隔120°设置。

3.根据权利要求1所述的两自由度机械臂关节，其特征在于：所述驱动绳为4处，分别对应所述第一转轴与第二转轴的轴端设置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的两自由度机械臂关节，其特征在于：所述固定端与活动端的周边设有布线圆盘，所述布线圆盘上沿其周向均匀分布有若干过孔。

5.根据权利要求4所述的两自由度机械臂关节，其特征在于：所述驱动绳穿过所述固定端上的过孔后固接在所述活动端上对应的过孔内。

6.根据权利要求4所述的两自由度机械臂关节，其特征在于：所述连接块为正方体。

7.根据权利要求1所述的两自由度机械臂关节，其特征在于：所述第二转轴包括一螺钉，所述螺钉的一端螺接有防松螺母，所述螺钉与相应转轴安装孔之间设有轴套。