CN105708585A - 基于线驱动差分关节的六自由度智能假臂 - Google Patents

Abstract

一种基于线驱动差分关节的六自由度智能假臂,该假臂包括肩关节的张紧装置、具有两自由度的肩关节、大臂、肘关节、小臂和具有两自由度的手腕关节；肩关节的张紧装置连接肩关节，肩关节连接大臂，大臂通过肘关节连接小臂，小臂连接手腕关节。本发明通过缩短了电机与关节的距离，减小了钢丝绳的伸缩程度，提高手臂末端的位置精度；采用绳驱动方式，及铝材料应用，减轻了总体质量；具有结构简单、重量轻、输出转矩大的特点。

Description

基于线驱动差分关节的六自由度智能假臂

技术领域

本发明属于智能假肢领域，涉及一种基于线驱动差分关节的六自由度智能假臂。

背景技术

近年来，由于残疾人的比重逐渐增加，应用在康复机器人中不同种类的仿生手臂受到越来越多的研究学者的重视。目前，仿生手臂关节大多是采用电机、齿轮减速器、关节轴三者直接连接的传动机构，这种机构要求电机与齿轮减速器安装在机械臂关节附近，致使机械结构不够精确，质量重、体积大，设计空间有限且工作效率较低。

而由于一般仿生手臂传动方式自身特点的局限，新式的线驱动技术应运而生，线驱动已经发展演变成了一种新型的传动机制。线驱动仿生手臂通常将电机和减速装置全部安装在基座上，通过绳索将电机的动力传递到各个关节，达到远距离动力传输的目地。这种方式相对提高了仿生手臂的运动空间和转动精度。但是，现有的线驱式仿生手臂通过控制钢丝绳有效长度变化来实现预定采样、转送动作，并配备定位装置来并不能完全保证仿生手臂的传送精度，并且这种方式的仿生手臂体积较大，比较笨重，不适合受试者携带。在传动方面，由于钢丝绳本身特有的柔性，也存在一些不足之处，仿生手臂会出现传动装置刚度低、末端精度不高等问题。

发明内容

发明目的：本发明提供一种基于线驱动差分关节的六自由度智能假臂，其目的是解决以往所存在的问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于线驱动差分关节的六自由度智能假臂,其特征在于：该假臂包括肩关节的张紧装置、具有两自由度的肩关节、大臂、肘关节、小臂和具有两自由度的手腕关节；肩关节的张紧装置连接肩关节，肩关节连接大臂，大臂通过肘关节连接小臂，小臂连接手腕关节。

肩关节结构是一种线驱动的差分机构，其包括两个驱动电机、第一缠线圆盘、第二缠线圆盘、肩关节U型基座、第三缠线圆盘、第四缠线圆盘，驱动电机通过螺帽固定在大臂的顶部，两个肩关节驱动电机相背放置，两个肩关节驱动电机的输出轴分别与第一缠线圆盘和第二缠线圆盘相连接，第三缠线圆盘、第四缠线圆盘设置在肩关节U型基座上方，第四缠线圆盘设置在第三缠线圆盘上端，肩关节U型基座上安装两个导向轮，第四缠线圆盘与上端连接件固定连接。

所述线驱动的差分机构还包括钢丝绳，钢丝绳走线路径是：左侧钢丝绳穿过固定在电机转轴处第一缠线圆盘的卡箍侧孔，并将该钢丝绳的端头与第一缠线圆盘固定，然后该左侧钢丝绳绕第一缠线圆盘的轮缘凹槽一周后绕过固定在U型基座上端的导向轮，之后再绕过第三缠线圆盘轮缘凹槽一周，然后穿过第三缠线圆盘的卡箍侧孔后穿入第三缠线圆盘内腔中，之后将钢丝绳连接到肩关节张紧装置处；

右侧钢丝绳穿过固定在电机转轴处第二缠线圆盘的卡箍侧孔，并将该钢丝绳的端头与第二缠线圆盘固定，然后该右侧钢丝绳绕第二缠线圆盘的轮缘凹槽一周后绕过固定在U型基座上端的另一个导向轮，之后再绕过第四缠线圆盘轮缘凹槽一周，然后穿过第四缠线圆盘的卡箍侧孔后穿入第四缠线圆盘内腔中，之后将钢丝绳连接到肩关节张紧装置处。

肘关节结构使用与肩关节相同的线驱动的差分机构，肘关节结构中的驱动电机连接小臂，肘关节结构上端通过连接件与大臂连接；肘关节结构的左右两根钢丝绳穿过第三缠线圆盘和第四缠线圆盘的内内腔后上端连接至大臂。

上端连接件连接肩关节的张紧装置。

两个肩关节驱动电机的输出轴分别通过滚珠轴承和垫片与第一缠线圆盘和第二缠线圆盘相连接，在第一缠线圆盘和第二缠线圆盘外侧均打有一个用来固定钢丝绳的孔。

两个导向轮分置于第四缠线圆盘和第三缠线圆盘两侧；其中一个导向轮的高度与第四缠线圆盘相适应，另一个导向轮的高度与第三缠线圆盘相适应。

其中小臂和大臂均采用中控筒状机械臂。

驱动电机均为伺服电机或舵机。

所述腕关节的结构包括腕关节线驱差分机构和手掌固定的连接装置，腕关节差分机构与肩关节的线驱动的差分机构相同，腕部驱动电机固定到腕部支架上，腕部支架与腕部的第一缠线圆盘、腕部的第二缠线圆盘通过一个销钉和腕关节的U型基座固定连接，腕部支架为U形结构，其下端开有中心孔，手掌固定架与腕部电机通过螺钉连接，其中手掌固定架下端开有一个手掌固定槽，使用时假手穿过腕部支架的中心孔固定在手掌固定槽上。

优点及效果：本发明提供一种基于线驱动差分关节的六自由度智能假臂，是一种能够控制钢丝绳有效变化和提高仿生手臂末端精度的传动机构，解决了现有线驱动手臂自身重量大，负重比低的缺点。将电机放置于关节处，肩关节和肘关节采用了电机差分线型驱动。两个电机通过线驱完成两个自由度运动，并实现了高精度输出的特点。这种设计弥补了传统仿生手臂的缺点，实现了“与人手拥有同等自由度”，“高输出”，“增大了传动机构的刚性，弥补了线驱的缺点”的特点。

本发明具有结构简单重量轻的特点，采用电机差分线型驱动，不仅提高了仿生手臂的灵活性，而且减小钢丝绳的伸缩，增大了传动机构的刚性，解决使用钢丝绳传动机械臂的末端执行精度的问题，实现智能假臂的自由运动。

综上所述，本发明通过缩短了电机与关节的距离，减小了钢丝绳的伸缩程度，提高手臂末端的位置精度；采用绳驱动方式，及铝材料应用，减轻了总体质量；具有结构简单、重量轻、输出转矩大的特点。

附图说明：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是整个肩关节差分线驱动机构的结构示意图；

图3是肩关节差分线驱动机构中的第一缠线圆盘的结构示意图；

图4是肩关节差分线驱动机构的走线路径；

图5是整个腕部结构示意图。

图中：1、张紧装置，2、肩关节，3、大臂，4、肘关节，5、小臂，6、手腕关节，7、支撑基座，201、肩关节上端连接件，202、肩关节第四缠线圆盘，203、肩关节第三缠线圆盘，204、肩关节第一缠线圆盘，205、肩关节驱动电机，215、第一驱动电机，225、第二驱动电机，206、肩关节导向轮，207、肩关节第二缠线圆盘，208、肩关节U型基座，601、腕关节第三缠线圆盘，602、腕关节第四缠线圆盘，603、腕关节导向轮，604、腕关节U型基座，605、腕部电机，606、腕部支架，607、手掌固定架，608、手掌固定槽。

具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的说明：

本发明涉及一种基于线驱动差分关节的六自由度智能假臂,该假臂包括肩关节的张紧装置1、具有两自由度的肩关节2、大臂3、肘关节4、小臂5和具有两自由度的手腕关节6；肩关节的张紧装置1连接肩关节2，肩关节2连接大臂3，大臂3通过肘关节4连接小臂5，小臂5连接手腕关节6。

肩关节结构2是一种线驱动的差分机构，其包括两个驱动电机205、第一缠线圆盘204、第二缠线圆盘207、肩关节U型基座208、第三缠线圆盘203、第四缠线圆盘202，驱动电机205通过螺帽固定在大臂3的顶部，实现肩关节围绕电机转轴的轴向旋转。两个肩关节驱动电机205相背放置，两个肩关节驱动电机205的输出轴分别与第一缠线圆盘204和第二缠线圆盘207相连接，第三缠线圆盘203、第四缠线圆盘202设置在肩关节U型基座208上方，第四缠线圆盘202设置在第三缠线圆盘203上端，第三缠线圆盘203和第四缠线圆盘202同轴联动。肩关节U型基座208上安装两个导向轮206，第四缠线圆盘202与上端连接件201固定连接。完成肩关节的水平面内的绕轴旋转。每个驱动关节都利用一对驱动电机通过一个线驱动系统将动力传到各个关节。

所述线驱动的差分机构还包括钢丝绳，钢丝绳走线路径是：左侧钢丝绳穿过固定在电机转轴处第一缠线圆盘204的卡箍侧孔212，并将该钢丝绳的端头与第一缠线圆盘204固定，然后该左侧钢丝绳绕第一缠线圆盘204的轮缘凹槽一周后绕过固定在U型基座208上端的导向轮206，之后再绕过第三缠线圆盘203轮缘凹槽一周，然后穿过第三缠线圆盘203的卡箍侧孔后穿入第三缠线圆盘203内腔中，之后将钢丝绳连接到肩关节张紧装置1处；

右侧钢丝绳穿过固定在电机转轴处第二缠线圆盘207的卡箍侧孔，并将该钢丝绳的端头与第二缠线圆盘207固定，然后该右侧钢丝绳绕第二缠线圆盘207的轮缘凹槽一周后绕过固定在U型基座208上端的另一个导向轮206，之后再绕过第四缠线圆盘202轮缘凹槽一周，然后穿过第四缠线圆盘202的卡箍侧孔后穿入第四缠线圆盘202内腔中，之后将钢丝绳连接到肩关节张紧装置1处；当驱动电机转动时，通过钢丝绳带动关节转动，完成将驱动电机的动力传到转动关节。第三缠线圆盘203、第四缠线圆盘202的轮缘内开有与第一缠线圆盘204和第二缠线圆盘207的轮缘凹槽结构相同的凹槽，用来缠绕并固定钢丝绳。

肘关节结构4使用与肩关节2相同的线驱动的差分机构，能够实现关节的两自由度运动。肘关节结构4中的驱动电机205连接小臂5，肘关节结构4上端通过连接件与大臂3连接；肘关节结构4的左右两根钢丝绳穿过第三缠线圆盘203和第四缠线圆盘202的内内腔后上端连接至大臂3。

上端连接件201连接肩关节的张紧装置1。

两个肩关节驱动电机205的输出轴分别通过滚珠轴承和垫片与第一缠线圆盘204和第二缠线圆盘207相连接，在第一缠线圆盘204和第二缠线圆盘207外侧均打有一个用来固定钢丝绳的孔。

两个导向轮206分置于第四缠线圆盘202和第三缠线圆盘203两侧；其中一个导向轮206的高度与第四缠线圆盘202相适应，另一个导向轮206的高度与第三缠线圆盘203相适应。所谓的相适应就是钢丝绳绕过导向轮206之后能呈水平方向绕过缠线圆盘。导向轮的作用是改变钢丝绳的绕线方向。肩关节U型基座208上与两个导向轮206之间增加合适厚度的垫块，保持右侧导向轮高于左侧导向轮。

两个相同的缠线圆盘203和202置于上端连接件201与肩关节U型基座之间，并通过滚珠轴承固定在支撑基座7的轴套内，第四缠线圆盘202的下端面与第三缠线圆盘203的上端面通过螺钉固定，第四缠线圆盘202与上端连接件201固定连接，完成肩关节的水平面内的绕轴旋转。每个驱动关节都利用两个驱动电机通过一个线驱动系统将动力传到各个关节。

其中小臂5和大臂3均采用中控筒状机械臂，减小了整个假臂的重量。

驱动电机均为伺服电机或舵机。当驱动电机转动时，通过钢丝绳带动关节转动，完成将驱动电机的动力传到转动关节。

所述腕关节6的结构包括腕关节线驱差分机构和手掌固定的连接装置，腕关节差分机构与肩关节的线驱动的差分机构相同，腕部驱动电机605固定到腕部支架606上，腕部支架606与腕部的第一缠线圆盘、腕部的第二缠线圆盘通过一个销钉和腕关节的U型基座604固定连接，腕部支架为U形结构，其下端开有中心孔，手掌固定架607与腕部电机605通过螺钉连接，其中手掌固定架607下端开有一个手掌固定槽608，使用时假手可以穿过腕部支架606的中心孔固定在手掌固定槽上。

所述的张紧装置1，大臂3，小臂5，肩关节上端连接件201，肩关节第四缠线圆盘202，肩关节第三缠线圆盘203，肩关节第一缠线圆盘204，肩关节第二缠线圆盘207，肩关节U型基座208，腕关节第三缠线圆盘601，腕关节第四缠线圆盘602，腕关节U型基座604，腕部支架606，手掌固定架607，手掌固定槽608选用的材料均为铝。

下面结合附图再对本申请做进一步说明：

如图1所示，本申请中的肩关节、肘关节、腕关节结构相同，每个关节均由两个驱动电机驱动，可以完成在垂直面内的绕轴转动和水平面内的绕轴转动，每个关节的驱动电机各自利用一个线驱动差分系统将动力传到各个关节。

所述的六自由度智能假臂的运动可以实现六个自由度，包括肩关节伸/屈、旋内/外，肘关节屈/伸、旋内/外，腕关节屈/伸、旋内/外，可以完成肩、肘、腕的复合运动。

肩关节结构第一缠线圆盘与第二缠线圆盘207、第三缠线圆盘203、第四缠线圆盘202的结构相同。所述的第一缠线圆盘204、第二缠线圆盘207和第三缠线圆盘203和第四缠线圆盘202结构相同，各缠线圆盘的盘面开有同轴心关系的中心通孔232，且在盘面开有圆周均布的凸缘螺纹孔222，通过螺钉固定在驱动电机和上端连接件上；缠线圆盘的轮缘内开有U形凹槽用来缠绕钢丝绳，位于凸缘螺纹孔的外侧开有的卡箍侧孔212，用于限制固定钢丝绳，其孔径大于钢丝绳的直径且小于夹线头的外径。所述的线驱动系统在肘关节4和腕关节6的走线路径与肩关节2相同。

所述肩关节、肘关节、腕关节选用伺服电机或舵机，为关节提供驱动转矩。本发明中各关节以驱动电机为动力核心。

由于本发明的基于线驱动差分关节的六自由度智能假臂采取了将钢丝线驱动电机置于各关节处，由于驱动装置距离关节较近，有效减小了钢丝绳的伸缩，且增大了传动机构的刚性，提高了使用钢丝绳传动机械臂的末端执行精度。

由于本发明的基于线驱动差分关节的六自由度智能假臂采用线驱动差分关节结构，实现钢丝绳沿线驱动差分关节的导向运动，这种传动机构不仅实现关节的径向和轴向运动，还可以提高假臂的末端携载能力。

如图2所示的所述的肩关节结构2的驱动电机205包括第一肩关节驱动电机215和第二肩关节驱动电机225，第一肩关节驱动电机215安装底座上的螺纹孔通过螺钉与相应的第二肩关节驱动电机225安装底座连接，在第一肩关节驱动电机和第二肩关节驱动电机的输出轴处分别设有第一缠线圆盘204、第二缠线圆盘207，肩关节驱动电机205下端面螺纹孔通过螺帽与大臂3顶部连接，使第一缠线圆盘204、第二缠线圆盘207与大臂保持相对固定，并通过转轴和轴承相互连接保持相对自由转动。

如图3所示的肩关节结构第一缠线圆盘的结构示意图，与第二缠线圆盘207、第三缠线圆盘203、第四缠线圆盘202的结构相同。所述的第一缠线圆盘204、第二缠线圆盘207和第三缠线圆盘203和第四缠线圆盘202结构相同，各缠线圆盘的盘面开有同轴心关系的中心通孔232，且在盘面开有圆周均布的凸缘螺纹孔222，通过螺钉固定在驱动电机和上端连接件上；缠线圆盘的轮缘内开有U形凹槽用来缠绕钢丝绳，位于凸缘螺纹孔的外侧开有的卡箍侧孔212，用于限制固定钢丝绳，其孔径大于钢丝绳的直径且小于夹线头的外径。所述的线驱动系统在肘关节4和腕关节6的走线路径与肩关节2相同。

本发明的工作原理是：

根据电机差分线驱动的结构，第一缠线圆盘204和第二缠线圆盘207相对地面垂直放置，且由驱动电机直接驱动，第三缠线圆盘203和第四缠线圆盘202水平放置固定在上端连接件位置。当第一驱动电机215，第二驱动电机225以相反方向转动的过程中，在两个电机的带动下，绕在第一缠线圆盘204和第二缠线圆盘207的钢丝绳向同一方向拉动，第三缠线圆盘203和第四缠线圆盘202由于受到相反方向的拉力静止不动，可以实现肩关节绕着电机轴向方向即第三缠线圆盘203和第四缠线圆盘202的轴向的旋转运动，也可以描述为实现肩关节的抬起运动；第一驱动电机215，第二驱动电机225以相同方向转动的过程中，绕在第一缠线圆盘204的钢丝绳向一侧拉动，绕在第二缠线圆盘207的钢丝绳向另一个方向拉动，使得第一缠线圆盘204和第二缠线圆盘207静止不动，第三缠线圆盘203和第四缠线圆盘202受到同一方向的拉力，实现肩关节的内旋外旋运动。基于这一原理，肩关节、肘关节、腕关节都能产生两个自由度的旋转，而通过肩关节、肘关节、腕关节的复合运动则可以实现智能假臂的期望运动。

本发明的上述实施方法中，采取了将钢丝线驱动电机置于各关节处，由于驱动装置距离关节较近，有效减小了钢丝绳的伸缩，增大了传动机构的刚性，提高了使用钢丝绳传动机械臂的末端执行精度。由于本发明的基于线驱动差分关节的六自由度智能假臂采用线驱动差分关节结构，实现钢丝绳沿线驱动差分关节的导向运动，这种传动机构不仅实现关节的径向和轴向运动，还可以提高假臂的末端携载能力，提高钢丝绳的传递效率。

综上所述，本发明的六自由度智能假臂具有结构简单、质量轻、体积小、输出转矩大的优点。其实现肩关节的旋转和俯仰、肘关节的旋转和俯仰以及腕关节的旋转和俯仰，同时增大了传动机构的刚度，减小钢丝绳的伸缩程度，提高手臂末端的位置精度，实现手臂运动范围大、动作灵活的特点。

Claims (10)

1.一种基于线驱动差分关节的六自由度智能假臂,其特征在于：该假臂包括肩关节的张紧装置（1）、具有两自由度的肩关节（2）、大臂（3）、肘关节（4）、小臂（5）和具有两自由度的手腕关节（6）；肩关节的张紧装置（1）连接肩关节（2），肩关节（2）连接大臂（3），大臂（3）通过肘关节（4）连接小臂（5），小臂（5）连接手腕关节（6）。

2.根据权利要求1所述的基于线驱动差分关节的六自由度智能假臂,其特征在于：肩关节结构（2）是一种线驱动的差分机构，其包括两个驱动电机（205）、第一缠线圆盘（204）、第二缠线圆盘（207）、肩关节U型基座（208）、第三缠线圆盘（203）、第四缠线圆盘（202），驱动电机（205）通过螺帽固定在大臂（3）的顶部，两个肩关节驱动电机（205）相背放置，两个肩关节驱动电机（205）的输出轴分别与第一缠线圆盘（204）和第二缠线圆盘（207）相连接，第三缠线圆盘（203）、第四缠线圆盘（202）设置在肩关节U型基座（208）上方，第四缠线圆盘（202）设置在第三缠线圆盘（203）上端，肩关节U型基座（208）上安装两个导向轮（206），第四缠线圆盘（202）与上端连接件（201）固定连接。

3.根据权利要求2所述的基于线驱动差分关节的六自由度智能假臂,其特征在于：所述线驱动的差分机构还包括钢丝绳，钢丝绳走线路径是：左侧钢丝绳穿过固定在电机转轴处第一缠线圆盘（204）的卡箍侧孔（212），并将该钢丝绳的端头与第一缠线圆盘（204）固定，然后该左侧钢丝绳绕第一缠线圆盘（204）的轮缘凹槽一周后绕过固定在U型基座（208）上端的导向轮（206），之后再绕过第三缠线圆盘（203）轮缘凹槽一周，然后穿过第三缠线圆盘（203）的卡箍侧孔后穿入第三缠线圆盘（203）内腔中，之后将钢丝绳连接到肩关节张紧装置（1）处；

右侧钢丝绳穿过固定在电机转轴处第二缠线圆盘（207）的卡箍侧孔，并将该钢丝绳的端头与第二缠线圆盘（207）固定，然后该右侧钢丝绳绕第二缠线圆盘（207）的轮缘凹槽一周后绕过固定在U型基座（208）上端的另一个导向轮（206），之后再绕过第四缠线圆盘（202）轮缘凹槽一周，然后穿过第四缠线圆盘（202）的卡箍侧孔后穿入第四缠线圆盘（202）内腔中，之后将钢丝绳连接到肩关节张紧装置（1）处。

4.根据权利要求3所述的基于线驱动差分关节的六自由度智能假臂,其特征在于：肘关节结构（4）使用与肩关节（2）相同的线驱动的差分机构，肘关节结构（4）中的驱动电机（205）连接小臂（5），肘关节结构（4）上端通过连接件与大臂（3）连接；肘关节结构（4）的左右两根钢丝绳穿过第三缠线圆盘（203）和第四缠线圆盘（202）的内内腔后上端连接至大臂（3）。

5.根据权利要求2所述的基于线驱动差分关节的六自由度智能假臂,其特征在于：上端连接件（201）连接肩关节的张紧装置（1）。

6.根据权利要求1所述的基于线驱动差分关节的六自由度智能假臂,其特征在于：两个肩关节驱动电机（205）的输出轴分别通过滚珠轴承和垫片与第一缠线圆盘（204）和第二缠线圆盘（207）相连接，在第一缠线圆盘（204）和第二缠线圆盘（207）外侧均打有一个用来固定钢丝绳的孔。

7.根据权利要求1所述的基于线驱动差分关节的六自由度智能假臂,其特征在于：两个导向轮（206）分置于第四缠线圆盘（202）和第三缠线圆盘（203）两侧；其中一个导向轮（206）的高度与第四缠线圆盘（202）相适应，另一个导向轮（206）的高度与第三缠线圆盘（203）相适应。

8.根据权利要求1所述的基于线驱动差分关节的六自由度智能假臂,其特征在于：其中小臂（5）和大臂（3）均采用中控筒状机械臂。

9.根据权利要求1所述的基于线驱动差分关节的六自由度智能假臂,其特征在于：驱动电机均为伺服电机或舵机。

10.根据权利要求1所述的基于线驱动差分关节的六自由度智能假臂,其特征在于：所述腕关节（6）的结构包括腕关节线驱差分机构和手掌固定的连接装置，腕关节差分机构与肩关节的线驱动的差分机构相同，腕部驱动电机（605）固定到腕部支架（606）上，腕部支架（606）与腕部的第一缠线圆盘、腕部的第二缠线圆盘通过一个销钉和腕关节的U型基座（604）固定连接，腕部支架为U形结构，其下端开有中心孔，手掌固定架（607）与腕部电机（605）通过螺钉连接，其中手掌固定架（607）下端开有一个手掌固定槽(608)，使用时假手穿过腕部支架（606）的中心孔固定在手掌固定槽上。