CN107363820A - 可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置。水平滑台安装在液压驱动的升降平台上，驱动模块安装在由伺服电机驱动的水平滑台上，驱动模块端面安装连接机械臂模块；机械臂模块包括多个串联的关节臂和末端关节，关节臂与驱动模块间、相邻关节臂之间以及关节臂和末端关节间均通过连接铰连接，每个关节臂由三个沿圆周间隔均布的钢丝绳驱动，钢丝绳一端穿设地安装于关节臂，钢丝绳另一端连接到驱动模块。本发明可以实时获得机械臂的姿态，从而通过闭环反馈对机械臂进行精确控制，通过检测连接铰内两个相互垂直的转轴的相对转角来唯一确定当前关节的姿态，可消除因驱动绳拉力、负载、摩擦力等产生的误差。
Description
技术领域
本发明涉及了机器人机械臂领域，尤其是涉及了一种可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置。
背景技术
高冗余柔性机械臂主要是为了解决传统刚性关节机械臂无法在狭小空间工作而设计的，可以进入狭小空间完成设备维护、机械装配、救援救灾等任务。目前在冗余机械臂领域，主要有内置驱动和外置驱动两种形式，内置驱动主要采用气动伺服肌肉，外置驱动主要采用钢丝绳驱动。内置驱动由于气动伺服肌肉的特点，负载和控制精度较低。
外置驱动则易因外负载、驱动绳张力、摩擦力等原因影响其定位精度，可以通过检测关节的姿态进行反馈控制来解决以上问题。因此，研究冗余机械臂的姿态检测具有重要意思。
发明内容
为了解决冗余机械臂精度低，无法检测姿态的技术问题，本发明涉及了一种可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置，可在狭小空间内工作，具有多自由度，具有姿态检测功能。
本发明可通过一下技术方案来实现：
本发明包括驱动模块、机械臂模块、水平滑台和升降平台，水平滑台安装在液压驱动的升降平台上，驱动模块安装在由伺服电机驱动的水平滑台上，驱动模块端面安装连接机械臂模块。
整个驱动模块通过安装底板安装在由伺服电机驱动的直线滑台上，直线滑台安装在液压升降平台上，使得机械臂可实现水平和竖直方向的直线运动，增大了机械臂的运动操作空间。
所述的机械臂模块包括底座、多个串联的关节臂和末端关节，多个关节臂串联后的一端与驱动模块之间、相邻关节臂之间以及多个关节臂串联后的另一端和末端关节之间均通过装有两个相互垂直转轴的连接铰连接，每个关节臂由三个沿圆周间隔均布(相隔120°)的钢丝绳驱动，钢丝绳一端穿设地连接到关节臂，钢丝绳另一端连接到驱动模块。
每个关节臂由三根钢丝绳独立驱动，关节间通过具有两个铰接自由度的连接铰连接，连接铰内嵌入姿态检测模块，可实时检测机械臂的关节两个转角，通过这两个角度可唯一确定关节当前的姿态，获取每个关节的姿态后可推算出整个机械臂的姿态。
所述的驱动各个关节臂的钢丝绳的穿设位置相错开。
所述的驱动模块包括电机安装座、位于支撑端板以及连接在电机安装座和支撑端板之间沿圆周间隔均布的多个驱动组件，多个驱动组件与各根钢丝绳连接并驱动。每个驱动组件与驱动钢丝绳一一对应并排布在以关节中心为圆心的更大的一个圆周上，滑块与钢丝绳连接部分为细长状是为了使滑块直接驱动排布密集的驱动钢丝绳。
每个驱动组件包括滑块、光轴、螺母、伺服电机和丝杠，伺服电机固定安装在电机安装座，伺服电机输出轴与丝杠一端同轴连接，丝杠另一端铰接到支撑端板，电机安装座和支撑端板之间连接平行于丝杠的光轴，丝杠外通过丝杠螺母副套装有螺母，光轴外活动套装有滑块，螺母和滑块固定连接，钢丝绳一端连接到滑块，钢丝绳另一端穿过支撑端板后连接到自身对应的关节臂上。
每个驱动组件在以关节臂轴线为圆心的圆周上与各自的钢丝绳一一对应，按此布置方式使得丝杠与伺服电机在足够的空间内驱动分布密集的钢丝绳。
所述的关节臂包括两个端盖、支撑筒、关节外壳、钢套和连接铰，支撑筒两端分别与两个端盖同轴固定连接，关节外壳罩在两个端盖之间的支撑筒外；端盖中心开有中心通孔，端盖的中心通孔和支撑筒形成用于电线穿过的中空通道；端盖的圆周边缘开有沿周向间隔均布的多个绳通孔，其中沿圆周等间隔设置的三个绳通孔处安装钢套，钢套用于钢丝绳穿设，钢丝绳穿过一个端盖的钢套后固定连接到另一个端盖上。
每个关节均有三根钢丝绳与之固定，后一关节的钢丝绳从前一关节的孔中穿过。钢丝绳与关节之间是固定连接的，当钢丝绳需要穿过关节时，此处需要钢套。具体说明一下，第6个关节的3根钢丝绳顺次通过第5、4、3、2、1关节，所以第5个关节上有3个钢套。第6和第5关节的钢丝绳均通过第4关节所以，第4关节上有6个钢套。以此类推，第1个关节有15个钢套，因为后边5个关节的钢丝绳均要从第1关节通过，然后另外有三根钢丝绳与第1关节固定。由于钢丝绳穿过关节会有摩擦，设置钢套使得关节不被钢丝绳磨损。
所述的支撑筒两端均设有法兰端部，两个端盖的内端面设有环形凸台，环形凸台嵌装到支撑筒的法兰端部内，支撑筒的法兰端部和端盖中心通孔外周围的端面和连接铰之间用螺钉连接。
所述的末端关节包含关节端盖、安装架、激光器、摄像机、射灯和机械手，安装架固定安装在两块关节端盖之间，位于末端的关节端盖上安装有激光器、摄像机、射灯和机械手，可实现抓取、视觉伺服、雕刻等功能。
所述的连接铰有两个旋转自由度，使得相邻两个关节之间有两个旋转自由度；所述的连接铰包含环形连接块、转轴、铰接座和连接电线，环形连接块四边的每个侧面均通过转轴与各自的铰接座一端铰接，环形连接块对称的一对侧面之间的连线作为一个旋转自由度方向，环形连接块对称的另一对侧面之间的连线作为另一个旋转自由度方向，环形连接块两个旋转自由度方向的铰接座分别固定连接到所述连接铰两端所连接的关节臂的端盖上。
环形连接块内壁固定安装有姿态检测构件，姿态检测构件包含分别对应于两个旋转自由度的两个传感器电路板与两个磁铁，传感器电路板通过垫片固定在环形连接块内壁，传感器电路板上设有传感器芯片与两个接线端，磁铁固定在转轴端部，并贴近于传感器芯片，通过垫片调整磁铁与传感器芯片之间的间距，接线端用于串接传感器电路板。
通过传感器芯片检测出磁铁转动的角度，由于磁铁与转轴、铰接座是同轴的，进而检测到连接铰的两个转动角度，通过这两个转动角度唯一确定关节的姿态，通过检测多个串联关节的姿态，用来推算整个机械臂的姿态，从而完成姿态检测。由此方式使得姿态检测装置是嵌入到关节内部的，实现姿态检测，不额外增加体积。
所述的转轴一端上设有扁位，铰接座上开有具有与扁位配合的轴孔，转轴和轴孔通过扁位配合安装，使得转轴和铰接座同轴连接；所述的转轴另一端通过轴承安装在环形连接块侧面的安装孔内。
本发明的有益效果：
本发明采用嵌入式转角检测，通过检测连接铰内两个相互垂直的转轴的相对转角来唯一确定当前关节的姿态，使得在不增加关节体积的前提下实现高精度姿态检测(转角检测精度为0.1°)，从而通过闭环反馈对机械臂进行精确控制，可消除因驱动绳拉力、负载、摩擦力等产生的误差。
本发明具有多自由度、动作灵活、定位精度高的特点，可在狭小有限空间内进行较高精度作业。
附图说明
图1是本发明一个实施例的整体示意图(省去了钢丝绳)；
图2是本发明驱动模块一个实施例的示意图；
图3是本发明一个关节实施例的示意图；
图4是本发明一个末端执行器实施例的示意图；
图5是本发明一个关节连接铰实施例的示意图；
图6是本发明一个关节连接铰的装配示意图；
图7是本发明一个姿态检测模块实施例的示意图。
图中：驱动模块102、机械臂模块101、水平滑台103、升降平台104；滑块201、光轴202、螺母203、伺服电机204、丝杠205、钢丝绳206、电机安装座207、支撑端板208；端盖301、支撑筒302、关节外壳303、钢套304、连接铰305；激光器401、摄像机402、射灯403、机械手404、关节端盖405、安装架406；环形连接块501、转轴502、铰接座503、连接电线504；扁位601、轴承602；传感器电路板701、磁铁702，传感器芯片703、接线端704、垫片705。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明具体实施包括驱动模块102、机械臂模块101、水平滑台103和升降平台104，水平滑台103安装在液压驱动的升降平台104上，水平滑台103在升降平台104带动下上下升降，具有一个竖直方向的直线自由度；驱动模块102安装在由伺服电机驱动的水平滑台103上，驱动模块102通过水平滑台103带动下水平移动，具有一个水平直线自由度，驱动模块102端面安装连接机械臂模块101。
机械臂模块101包括底座、多个串联的关节臂和末端关节，多个关节臂串联后的一端与驱动模块102之间、相邻关节臂之间以及多个关节臂串联后的另一端和末端关节之间均通过装有两个相互垂直转轴的连接铰连接，每个关节臂由三个沿圆周间隔均布(相隔120°)的钢丝绳206驱动，钢丝绳206一端穿设地连接到关节臂，钢丝绳另一端穿过其他关节臂后连接到驱动模块102。
驱动各个关节臂的钢丝绳206的穿设位置相错开，即驱动第二关节臂的钢丝绳的穿设位置与驱动第一关节臂的钢丝绳的穿设位置错开固定的角度，后面的关节以此类推，所有钢丝绳与驱动模块102直接相连。
如图2所示，驱动模块102包括电机安装座207、位于支撑端板208以及连接在电机安装座207和支撑端板208之间沿圆周间隔均布的多个驱动组件，驱动组件和钢丝绳206数量相同，且是关节臂总数的三倍，多个驱动组件与各根钢丝绳206连接并驱动；
每个驱动组件包括滑块201、光轴202、螺母203、伺服电机204和丝杠205，伺服电机204固定安装在电机安装座207，伺服电机204输出轴经联轴器与丝杠205一端同轴连接，丝杠205另一端铰接到支撑端板208，电机安装座207和支撑端板208之间连接平行于丝杠205的光轴202，光轴202和丝杠205位于支撑端板208的统一径向方向，丝杠205外通过丝杠螺母副套装有螺母203，光轴202外活动套装有滑块201，螺母203和滑块201固定连接，钢丝绳206一端连接到滑块201，钢丝绳206另一端穿过支撑端板208和中间经过的其他关节臂后连接到自身对应的关节臂上。
如图3所示，关节臂包括两个端盖301、支撑筒302、关节外壳303、钢套304和连接铰305，支撑筒302两端分别与两个端盖301同轴固定连接，关节外壳303罩在两个端盖301之间的支撑筒302外；端盖301中心开有用于电线穿过的中心通孔，支撑筒302的中空孔也用于电线穿过，端盖301的中心通孔和支撑筒302形成用于电线穿过的中空通道；端盖301的圆周边缘开有沿周向间隔均布的多个绳通孔，其中沿圆周等间隔设置的三个绳通孔处安装钢套304，钢套304用于钢丝绳206穿设，钢丝绳206穿过一个端盖301的钢套304后固定连接到另一个端盖301上，钢丝绳206平行于支撑筒302轴向(关节臂轴向)布置。
具体实施中，钢套一端设有凸台，凸台嵌入端盖的绳通孔处对应开设的凹台，钢套304另一端开有环形凹槽，钢套304另一端穿过端盖后用弹簧卡圈卡套实现钢套304的轴向固定。钢套经热处理，硬度大于钢丝绳，钢丝绳运动时不会磨损关节。
如图3所示，支撑筒302两端均设有法兰端部，两个端盖301的内端面设有环形凸台，环形凸台嵌装到支撑筒302的法兰端部内，支撑筒302的法兰端部和端盖301中心通孔外周围的端面和连接铰305之间用螺钉连接，将端盖、支撑筒、连接铰三者连接并固定，这样使得在保证关节强度前提下减轻重量并方便关节的拆装。
具体实施中，关节外壳303由钢筒切割成两片，卡在端盖上采用螺钉与端盖固定实现安装。
如图4所示，末端关节包含关节端盖405、安装架406、激光器401、摄像机402、射灯403和机械手404，安装架406固定安装在两块关节端盖405之间，关节端盖405均开有中心通孔作为用于电线穿过的中空通道，位于末端的关节端盖405上安装有激光器401、摄像机402、射灯403和机械手404，激光器401、摄像机402、射灯403和机械手404均固定连接到安装架406，激光器401、摄像机402、射灯403和机械手404的数据线经末端关节的中空通道和关节臂的中空通道后与上位机相连。机械手404末端实现抓取物体，摄像机402用于获得末端前方的实时图像，射灯403用于在黑暗环境下照明补光，激光器401用于非金属雕刻切割。
如图5所示，连接铰有两个旋转自由度，使得相邻两个关节之间有两个旋转自由度；连接铰包含环形连接块501、转轴502、铰接座503和连接电线504，环形连接块501四边的每个侧面均通过转轴502与各自的铰接座503一端铰接，环形连接块501对称的一对侧面之间的连线作为一个旋转自由度方向，环形连接块501对称的另一对侧面之间的连线作为另一个旋转自由度方向，环形连接块501两个旋转自由度方向的铰接座503分别固定连接到连接铰两端所连接的关节臂的端盖301上，即环形连接块501一对称方向所连接的两个铰接座503固定到连接铰两端的关节臂的端盖301上，环形连接块501另一对称方向所连接的两个所连接的铰接座503固定到另一关节臂的端盖301上。
环形连接块501内壁固定安装有姿态检测构件，通过姿态检测构件实时获得关节转角而进行闭环控制，各个连接铰中的姿态检测构件通过连接电线504串接，所有姿态检测构件串接引出连接到上位机。如图7所示，姿态检测构件包含分别对应于两个旋转自由度的两个传感器电路板701与两个磁铁702，传感器电路板701通过垫片705固定在环形连接块501内壁，传感器电路板上设有传感器芯片703与两个接线端704，磁铁702固定在转轴502端部，并贴近于传感器芯片703，通过垫片705调整磁铁702与传感器芯片703之间的间距，接线端704用于串接传感器电路板701。每个传感器电路板701的两个接线端704分别用于与自身所在姿态检测构件内的另一个传感器电路板701接线端704和另一姿态检测构件内的传感器电路板701接线端704连接。
磁铁702与传感器芯片703形成了角度传感器，每个连接铰内装有的两个角度传感器的轴线成90°角，当关节动作时，关节将带动转轴转动，并使磁铁相对于传感器板转动。
如图6所示，转轴502一端上设有扁位601，铰接座503上开有具有与扁位601配合的轴孔，转轴502和轴孔通过扁位配合安装，使得转轴502和铰接座503同轴连接；转轴502另一端通过轴承602安装在环形连接块501侧面的安装孔内，通过安装孔内的台阶定位。
本发明的实施工作过程如下：
欲使机械臂到达指定位置，首先通过逆运动学计算出各个关节的转角，通过转角计算出需要每根驱动钢丝绳的位移量，电机转动带动丝杠螺母副做直线运动，螺母副上的滑块驱动钢丝绳到达指定位移处，从而完成机械臂部分的动作。机械臂整体移动通过水平滑台和升降平台实现，水平滑台由伺服电机带动丝杠螺母副做直线运动，升降平台由电磁阀驱动液压缸实现竖直方向的升降。
在机械臂模块101的每个关节由三根间隔120°钢丝绳驱动，钢丝绳由驱动组件带动。驱动后一关节臂的钢丝绳以关节中心沿周向偏移角度后穿过前一关节臂，即不同关节臂的钢丝绳穿过端盖301上不同的中心通孔位置，以此类推，所有关节的驱动钢丝绳最终与驱动模块连接部分成圆周排布。
每个关节臂驱动时，是由伺服电机204运行，通过丝杠螺母副带动螺母203沿丝杠205轴向直线移动，进而通过滑块201牵引拉动钢丝绳206，实现钢丝绳206由滑块201驱动。钢丝绳206另一端拉动对应的关节臂，使得关节臂之间的连接铰运动，从而使得各个关节臂均实现运动，使得末端关节移动到操作工位上，用机械手404抓取物体，摄像机402获得末端前方的实时图像，射灯403在黑暗环境下照明补光，激光器401进行非金属雕刻切割。
连接铰运动时，关节臂将带动转轴502转动，并使磁铁702相对于传感器板701转动，连接铰的角度传感器实时检测转轴的转角，每个关节有两个自由度，两个自由度方向上的转角分别由两个角度传感器检测到，通过检测到的两个转角唯一确定关节当前姿态，获得所以关节转角后可推算出整个机械臂的姿态，并进行闭环控制。
由此可见，本发明可实时获得机械臂的姿态，从而通过闭环反馈对机械臂进行精确控制，可消除因驱动绳拉力、负载、摩擦力等产生的误差，具有其突出显著的技术效果。
Claims (9)
1.一种可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置，其特征在于：包括驱动模块(102)、机械臂模块(101)、水平滑台(103)和升降平台(104)，水平滑台(103)安装在液压驱动的升降平台(104)上，驱动模块(102)安装在由伺服电机驱动的水平滑台(103)上，驱动模块(102)端面安装连接机械臂模块(101)。
2.根据权利要求1所述的一种可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置，其特征在于：所述的机械臂模块(101)包括多个串联的关节臂和末端关节，多个关节臂串联后的一端与驱动模块(102)之间、相邻关节臂之间以及多个关节臂串联后的另一端和末端关节之间均通过装有两个相互垂直转轴的连接铰连接，每个关节臂由三个沿圆周间隔均布的钢丝绳(206)驱动，钢丝绳(206)一端穿设地连接到关节臂，钢丝绳另一端连接到驱动模块(102)。
3.根据权利要求2所述的一种可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置，其特征在于：所述的驱动各个关节臂的钢丝绳(206)的穿设位置相错开。
4.根据权利要求1所述的一种可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置，其特征在于：所述的驱动模块(102)包括电机安装座(207)、位于支撑端板(208)以及连接在电机安装座(207)和支撑端板(208)之间沿圆周间隔均布的多个驱动组件，多个驱动组件与各根钢丝绳(206)连接并驱动；
每个驱动组件包括滑块(201)、光轴(202)、螺母(203)、伺服电机(204)和丝杠(205)，伺服电机(204)固定安装在电机安装座(207)，伺服电机(204)输出轴与丝杠(205)一端同轴连接，丝杠(205)另一端铰接到支撑端板(208)，电机安装座(207)和支撑端板(208)之间连接平行于丝杠(205)的光轴(202)，丝杠(205)外通过丝杠螺母副套装有螺母(203)，光轴(202)外活动套装有滑块(201)，螺母(203)和滑块(201)固定连接，钢丝绳(206)一端连接到滑块(201)，钢丝绳(206)另一端穿过支撑端板(208)后连接到自身对应的关节臂上。
5.根据权利要求2所述的一种可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置，其特征在于：所述的关节臂包括两个端盖(301)、支撑筒(302)、关节外壳(303)、钢套(304)和连接铰(305)，支撑筒(302)两端分别与两个端盖(301)同轴固定连接，关节外壳(303)罩在两个端盖(301)之间的支撑筒(302)外；端盖(301)中心开有中心通孔，端盖(301)的中心通孔和支撑筒(302)形成用于电线穿过的中空通道；端盖(301)的圆周边缘开有沿周向间隔均布的多个绳通孔，其中沿圆周等间隔设置的三个绳通孔处安装钢套(304)，钢套(304)用于钢丝绳(206)穿设，钢丝绳(206)穿过一个端盖(301)的钢套(304)后固定连接到另一个端盖(301)上。
6.根据权利要求5所述的一种可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置，其特征在于：所述的支撑筒(302)两端均设有法兰端部，两个端盖(301)的内端面设有环形凸台，环形凸台嵌装到支撑筒(302)的法兰端部内，支撑筒(302)的法兰端部和端盖(301)中心通孔外周围的端面和连接铰(305)之间用螺钉连接。
7.根据权利要求2所述的一种可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置，其特征在于：所述的末端关节包含关节端盖(405)、安装架(406)、激光器(401)、摄像机(402)、射灯(403)和机械手(404)，安装架(406)固定安装在两块关节端盖(405)之间，位于末端的关节端盖(405)上安装有激光器(401)、摄像机(402)、射灯(403)和机械手(404)。
8.根据权利要求2所述的一种可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置，其特征在于：所述的连接铰有两个旋转自由度，使得相邻两个关节之间有两个旋转自由度；所述的连接铰包含环形连接块(501)、转轴(502)、铰接座(503)和连接电线(504)，环形连接块(501)四边的每个侧面均通过转轴(502)与各自的铰接座(503)一端铰接，环形连接块(501)对称的一对侧面之间的连线作为一个旋转自由度方向，环形连接块(501)对称的另一对侧面之间的连线作为另一个旋转自由度方向，环形连接块(501)两个旋转自由度方向的铰接座(503)分别固定连接到所述连接铰两端所连接的关节臂的端盖(301)上；
环形连接块(501)内壁固定安装有姿态检测构件，姿态检测构件包含分别对应于两个旋转自由度的两个传感器电路板(701)与两个磁铁(702)，传感器电路板(701)通过垫片(705)固定在环形连接块(501)内壁，传感器电路板上设有传感器芯片(703)与两个接线端(704)，磁铁(702)固定在转轴(502)端部，并贴近于传感器芯片(703)，通过垫片(705)调整磁铁(702)与传感器芯片(703)之间的间距，接线端(704)用于串接传感器电路板(701)；传感器芯片(703)和磁铁(702)之间相对旋转检测出连接铰两个旋转自由度方向上的转动角度，并以多个串联关节的转动角度推算获得整个机械臂的姿态。
9.根据权利要求2所述的一种可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置，其特征在于：所述的转轴(502)一端上设有扁位(601)，铰接座(503)上开有具有与扁位(601)配合的轴孔，转轴(502)和轴孔通过扁位配合安装，使得转轴(502)和铰接座(503)同轴连接；所述的转轴(502)另一端通过轴承(602)安装在环形连接块(501)侧面的安装孔内。
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