CN110561401B - 基于闭环驱动绳索的超冗余联动柔性机械臂 - Google Patents

Abstract

基于闭环驱动绳索的超冗余联动柔性机械臂，包括机械臂组(1)、驱动绳索组(2)和驱动部(3)，驱动部(3)牵引驱动绳索组(2)，驱动绳索组(2)拉动机械臂组(1)并使其摆动；驱动绳索组(2)包括第一驱动绳索(21)和第二驱动绳索(22)，第一驱动绳索(21)的首端(21a)和第二驱动绳索(22)的首端(22a)分别与机械臂组(1)连接；第一驱动绳索(21)的末端(21b)与驱动部(3)连接，第二驱动绳索(22)的末端(22b)穿过绳索中转部(4)与驱动部(3)连接；绳索中转部(4)使第二驱动绳索(22)牵引机械臂组(1)的方向和第一驱动绳索(21)牵引机械臂组(1)的方向相反。本发明能够一定程度上减少驱动部(3)的数量。

Description

基于闭环驱动绳索的超冗余联动柔性机械臂

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及基于闭环驱动绳索的超冗余联动柔性机械臂。

背景技术

工业级机器人已经广泛应用在电气、化工、机械等制造业领域，但是受限于其结构过大或刚性过高，传统的多关节部刚性工业机器人难以适应狭窄的工作环境，如管道清洁等。与传统的机械臂相比，超冗余机械臂由于其固有的超冗余度特性，可以实现多个连续部分的弯曲、伸缩、扭转，在狭窄空间中的运动和操作能力远胜于传统的多关节部刚性连接杆机器人。

在超冗余机械臂当中，随着关节部的增多，其整臂冗余度也增多，相应的驱动元件的数目也增多，也导致了机械臂的控制难度，并且增加了机械臂的重量和成本。

发明内容

本发明为了一定程度上解决超冗余机械臂上的电机数目过多的技术问题，提出了一种基于闭环驱动绳索的超冗余联动柔性机械臂。

基于闭环驱动绳索的超冗余联动柔性机械臂，包括机械臂组、驱动绳索组和驱动部，所述驱动部牵引所述驱动绳索组，所述驱动绳索组拉动所述机械臂组并使其摆动；所述驱动绳索组包括第一驱动绳索和第二驱动绳索，所述第一驱动绳索的首端和所述第二驱动绳索的首端分别与所述机械臂组连接；所述第一驱动绳索的末端与所述驱动部连接，所述第二驱动绳索的末端穿过绳索中转部与所述驱动部连接；所述绳索中转部使所述第二驱动绳索牵引所述机械臂组的方向和所述第一驱动绳索牵引所述机械臂组的方向相反。

优选地，所述驱动部包括第一滑块和驱动所述第一滑块滑动的驱动电机；所述第一驱动绳索设置在所述第一滑块的前进方向上，所述第一驱动绳索的末端连接到所述第一滑块；所述绳索中转部设置在所述第一滑块的后退方向上，所述第二驱动绳索的末端穿过所述绳索中转部，连接到所述第一滑块。

进一步优选地，所述第一滑块上设置有第一滑轮和第二滑轮；所述第一驱动绳索的末端穿过所述第一滑轮被固定到所述第一滑块的前进方向上；所述第二驱动绳索的末端依次穿过所述绳索中转部和所述第二滑轮，被固定到所述第一滑块的后退方向上。

优选地，一组所述机械臂组上，连接有两组所述驱动绳索组，两组所述驱动绳索组分别通过两个所述驱动部驱动；在所述机械臂组上，一组所述驱动绳索组的所述第一驱动绳索和所述第二驱动绳索，分别设置在所述机械臂组的径向的两侧，另一组所述驱动绳索组的所述第一驱动绳索和所述第二驱动绳索，也分别设置在所述机械臂组的径向的两侧；两组所述驱动绳索组的所述第一驱动绳索和所述第二驱动绳索，沿所述机械臂组的周向，均匀分布。

进一步优选地，所述机械臂组包括多组，相邻的所述机械臂组通过关节部铰接。

更进一步优选地，还包括箱体，所述驱动部包括多个，沿所述箱体的边缘部的周向分布，并安装到所述箱体上。

更进一步优选地，所述绳索中转部包括多处，沿所述箱体的中部的周向分布，并安装到所述箱体上，所述绳索中转部在所述箱体上的安装高度不同。

优选地，还包括环形的中转座，所述中转座设置在所述箱体的中部，所述中转座上设置有多处高度分别不同的安装座，所述绳索中转部分别安装在所述安装座上。

进一步优选地，每个所述绳索中转部分别包括两个第三滑轮，同一个所述绳索中转部的所述第三滑轮分别安装在同一个所述安装座上，安装后的两个所述第三滑轮的高度相同。

更进一步优选地，所述安装座分别在所述中转座的径向的两侧，设置有高度相同的两处安装面，不同的所述安装座的所述安装面的高度不同，所述第三滑轮分别安装在同一个所述安装座的所述安装面上，安装后的两个所述第三滑轮的高度相同。

本发明的基于闭环驱动绳索的超冗余联动柔性机械臂，通过驱动部驱动绳索组，并且驱动绳索组中的第一驱动绳索和第二驱动绳索牵引机械臂组的方向相反，能够实现以一个驱动部去驱动机械臂组摆动，一定程度上减少基于闭环驱动绳索的超冗余联动柔性机械臂上的驱动部的数量。

附图说明

图1是基于闭环驱动绳索的超冗余联动柔性机械臂的一种实施例的示意图；

图2是图1A处的局部放大图；

图3是关节部的爆炸图；

图4是机械臂组的一种实施例的示意图；

图5是驱动部和驱动绳索组的一种实施例的示意图；

图6是驱动部和驱动绳索组的另一种实施例的示意图；

图7是图6B处的局部放大图；

图8是中转座的一种实施例的示意图。

具体实施方式

以下参照附图，对本发明作详细说明。需要指出的是，本发明可以以许多不同的方式实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例目的是为了使本领域的技术人员对本发明所公开的内容理解更加透彻全面。

另外，根据本发明的原理对说明性的实施例所进行的描述旨在要结合附图来进行阅读，其将被视作整个书面说明书的一部分。在公开的本发明的实施例的描述中，任何方向或方位的引用仅仅旨在便于说明，而并非旨在以任何方式限制本发明的范围。相关术语如“正面”、“背面”、“上侧部”、“下侧部”、“后侧部”、“外侧”、“内侧”、“中部”、“内部”、“外部”、“下部的”、“上部的”、“水平的”、“垂直的”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”)及其派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应当被解释为下文所述的或在讨论中的附图所示的方位。这些相关术语仅为方便说明之用，而不能要求设备按照特定方位进行构造或操作,除非有明确说明。因此，本发明不应被确切地限制于对可单独存在或在其它特征组合中存在的特征的一些可能的非限制性组合进行说明的示例性实施例；本发明的保护范围由所附权利要求界定。

正如当前设想，本次公开描述了本发明的最优模式或实践模式。本发明并非旨在从限制层面上进行理解，而是通过结合附图提供仅供说明使用的发明示例，以告知本领域的普通技术人员本发明的优点和构造。在附图的各种视图中，相同的附图标记指代相同或相似的部件。

图1是基于闭环驱动绳索的超冗余联动柔性机械臂的一种实施例的示意图，图2是图1A处的局部放大图，图3是关节部5的爆炸图。参照图1、图2、图3，基于闭环驱动绳索的超冗余联动柔性机械臂，包括机械臂组1、驱动绳索组2和驱动部3，驱动部3驱动绳索组2，驱动绳索组2牵引机械臂组1摆动。机械臂组1可以包括多组，相邻的机械臂组1通过关节部5串联。每个机械臂组1当中，可以包括若干臂杆11和若干关节部5，相邻的臂杆11通过关节部5铰接串联，并通过联动绳索12拉动，形成一个整体的机械臂组1。

在以下说明中，将位于一个关节部5的上面的臂杆称为上臂杆111，位于该关节部5的下面的臂杆称为下臂杆112。关节部5包括三个连杆件51，连杆件51包括上连接部511和下连接部512，上连接部511和上臂杆111的下端面111a可以通过万向节52a铰接，下连接部512和下臂杆112的上端面112a也可以通过万向节52b铰接。需要说明的是，万向节即可以是公知的万向节，也可以由一个具有相互垂直的两个铰接孔的连接块，分别和连杆件51和臂杆11相互铰接，形成万向节结构。由此，使上臂杆111和下臂杆112，可以分别绕关节部5的转动轴心，朝各个方向摆动。

三个连杆件51的上连接部511在上臂杆111的下端面111a上，绕上臂杆111的轴向的轴心，呈120度均匀分布地与上臂杆111铰接。三个连杆件51的下连接部512在下臂杆112的上端面112a上，绕下臂杆112的轴向的轴心，呈120度均匀分布地与下臂杆112铰接。单个连杆件51的上连接部511和上臂杆111铰接的位置，相对于下连接部512和下臂杆112铰接的位置，沿臂杆11(111、112)的周向有错位，例如错位180度，也就是说，当上臂杆111和下臂杆112处于同轴的位置时，假设其中一个连杆件51的下连接部512与下臂杆112的铰接位置为0度，则该连杆件51的上连接部511与上臂杆111的铰接位置，相对于下连接部512与下臂杆112的铰接位置，绕臂杆11的轴心旋转了180度。

图4是机械臂组1的一种实施例的示意图，参照图4，机械臂组1中的各臂杆11，分别通过三根联动绳索12a、12b、12c串联起来，三根联动绳索12a、12b、12c的一端分别连接到该机械臂组1中最上面的臂杆11上，联动绳索12a、12b、12c的另一端从上往下，依次穿过各关节部5和各臂杆11，并连接到该机械臂组1中最下面的臂杆11上。

优选地，当一组机械臂组1中的臂杆11数量较多时，三根联动绳索12a、12b、12c的另一端也可以连接到机械臂组1的中部的某个臂杆11b的上端面上，然后从臂杆11b的上一个臂杆11a的下端面开始，通过另一组联动绳索12d、12e、2f连接到机械臂组1中最下面的臂杆11上。三根联动绳索12也分别呈120度分布，在穿过各臂杆11时，可以通过三根螺旋状的导管13a、13b、13c分别对三根联动绳索12的方向进行限定和导向。同样地，三根联动绳索12a、12b、12c在机械臂组1中上面的臂杆11的连接位置，也可以相对于其在机械臂组1中下面的臂杆11的连接位置，在周向有错位，例如错位180度。由此，各联动绳索12的总长度不变，当其中一个关节部5转动时，该关节部5的联动绳索12发生变化，同一机械臂组1当中的其他的关节部5的联动绳索12也发生相应的变化。由于三个连杆件51分别错位180度，关节部5处互成180度的联动绳索12的变化量也相同，使得各关节部5的联动绳索12的变化量相等，以实现联动作用和大角度转动。

如上所述，驱动部3驱动绳索组2，驱动绳索组2牵引机械臂组1摆动。驱动绳索组2包括第一驱动绳索21和第二驱动绳索22，第一驱动绳索21的首端21a与机械臂组1连接，第二驱动绳索22的首端22a也与机械臂组1连接。第一驱动绳索21的末端21b与驱动部3连接，第二驱动绳索22的末端22b穿过绳索中转部4与驱动部3连接，绳索中转部4使第二驱动绳索22牵引机械臂组1的方向和第一驱动绳索21牵引机械臂组1的方向相反。由此，驱动部3、第一驱动绳索21、机械臂组1、第二驱动绳索22和绳索中转部4之间，形成一个闭环的驱动路线，当驱动部3驱动第一驱动绳索21拉着机械臂组1时，机械臂组1的摆动同时主动拉着第二驱动绳索22，当驱动部3驱动第二驱动绳索22拉着机械臂组1时，机械臂组1的摆动同时主动拉着第一驱动绳索21。通过这样，能够实现通过一个驱动部3同时驱动两根驱动绳索21、22，从而使机械臂组1稳定地摆动。

图5是驱动部3和驱动绳索组2的一种实施例的示意图。参照图5，优选地，驱动部3包括第一滑块31、驱动第一滑块31滑动的驱动电机32和传动机构33。驱动电机32通过驱动传动机构33，使第一滑块31滑动。为了便于驱动部3的安装，还可以设置箱体6，箱体6包括从上至下，分别设置的上箱板61、中箱板62和下箱板63。驱动电机32安装在下箱板63上，传动机构33包括丝杆传动组件331和线性滑轨332，第一滑块31安装在线性滑轨332上并与丝杆传动组件331的丝杆螺母331a连接。丝杆传动组件331的两端，分别通过轴承座333、334支撑到上箱板61和中箱板62上。同样地，线性滑轨332的两端，也分别固定到上箱板61和中箱板62上，驱动电机32和丝杆传动组件331通过联轴器联接。

为了便于下面的说明，在此，将驱动电机32驱动第一滑块31靠近机械臂组1的方向，称为第一滑块31的前进方向，将驱动电机32驱动第一滑块31远离机械臂组1的方向，称为第一滑块31的后退方向。

第一驱动绳索21设置在第一滑块31的前进方向上，第一驱动绳索21的首端21a连接到机械臂组1上，第一驱动绳索21的末端21b连接到第一滑块31上，第一驱动绳索21的末端21b可以直接固定到第一滑块31上。以使第一驱动绳索21整体均在第一滑块31的前进方向上，当驱动电机32驱动第一滑块31后退时，第一驱动绳索21拉动机械臂组1，绕关节部5摆动。

绳索中转部4设置在第一滑块31的后退方向上，绳索中转部4可以安装到箱体6上，虽然第一滑块31能够后退的行程可能很大，但是，绳索中转部4设置在第一滑块31能够后退的行程之外，以确保第二驱动绳索22不会从绳索中转部4中脱落。绳索中转部4可以安装到中箱板62上或者下箱板63上，例如，中箱板62上可以安装有中转座7，绳索中转部4包括至少一个滑轮(为了便于区分，也称第三滑轮41)，第三滑轮41轴支撑到中转座7上，第二驱动绳索22的首端21a也连接到机械臂组1上，第二驱动绳索22的末端22b穿过绳索中转部4，连接到第一滑块31。即第二驱动绳索22经由第三滑轮41的导向，从第一滑块31的后退方向，连接到第一滑块31上。另外，第一驱动绳索21的首端21a和第二驱动绳索22的首端22a，分别设置在机械臂组1的径向的两侧，以关节部5的转动轴心ZX为基准对称。由此，当第一滑块31前进时，第二驱动绳索22被第一滑块31拉动，进而拉动机械臂组1摆动(如在附图中，朝右侧摆动)，与此同时，机械臂组1和第一驱动绳索21之间也相互处于拉紧的状态，因此，能够使机械臂组1稳定地摆动。同样地，当第一滑块31后退时，第一驱动绳索21被第一滑块31拉动，进而拉动机械臂组1摆动(如在附图中，相对于右侧，朝左侧摆动)，与此同时，机械臂组1和第二驱动绳索22之间也相互处于拉近的状态，因此，能够使机械臂组1稳定地摆动。不仅如此，由于第一驱动绳索21和第二驱动绳索22由同一个驱动电机32驱动，因此，能够确保两根驱动绳索21、22的伸缩长度、速度均一致，无需从控制上做任何的补偿。

图6是驱动部3和驱动绳索组2的另一种实施例的示意图，图7是图6B处的局部放大图。参照图6、图7，为了缩短驱动部3的驱动行程，进而使箱体6的结构更加紧凑，减轻整个机械臂的重量。第一滑块31上设置有两个滑轮(为便于区分，也称第一滑轮311和第二滑轮312)。其中，第一驱动绳索21的末端21b穿过第一滑轮311被固定到第一滑块31的前进方向上，例如，固定到上箱板61上。第二驱动绳索22的末端22b依次穿过绳索中转部4和第二滑轮312，被固定到第一滑块31的后退方向上，例如固定到中箱板62上。由此，当第一滑块31滑动时，第一驱动绳索21和第二驱动绳索22分别以两倍于第一滑块31的滑动行程伸缩，因此，能够在不改变机械臂组1的摆动角度的情况下，将驱动部3的驱动行程缩短一倍，从而使装有驱动部3的箱体6的结构更加紧凑。

为了进一步缩减机械臂组1的驱动部3的数量，同时使机械臂组1的摆动具有更多的自由度，优选地，一组机械臂组1上，可以连接有两组驱动绳索组2、2a，两组驱动绳索组2、2a分别通过两个驱动部3驱动。在机械臂组1上，一组驱动绳索组2的第一驱动绳索21和第二驱动绳索22，分别设置在机械臂组1的径向的两侧，另一组驱动绳索组2a的第一驱动绳索21a和第二驱动绳索22a，也分别设置在机械臂组1的径向的两侧，并且两组驱动绳索组2、2a的第一驱动绳索21、21a和第二驱动绳索22、22a，沿机械臂组1的周向，均匀分布。也就是说，同一个机械臂组1与四根驱动绳索21、21a、22、22a连接，四根驱动绳索21、21a、22、22a以关节部5的转动轴心的为中心，以90度的角度间隔沿机械臂组1的周向分布。由此，能够实现通过两个驱动电机32分别驱动两个第一滑块31的前进和后退的不同组合，能够实现机械臂组1的各个角度的摆动。

图8是中转座7的一种实施例的示意图，参照图8并继续参照图1，如上所述，机械臂组1可以包括多段，分别通过关节部5铰接，当机械臂组1包括多段时，驱动部3也可以包括与机械臂组1的数量对应的多个。优选地，箱体6可以呈圆筒状，驱动部3沿箱体6的径向的边缘部6a的周向，安装到箱体6上。

进一步优选地，绳索中转部4也可以包括与驱动部3的数量对应的多处，沿箱体6的径向的中部6b的周向，安装到箱体6上。优选地，用于安装绳索中转部4的第三滑轮41的中转座7可以呈环形状，中转座7设置在箱体6的中部，例如安装在中箱板62的中部。由于第一驱动绳索21和第二驱动绳索22，分别设置在机械臂组1的径向的两侧，相互对称，当第二驱动绳索22的末端22b和驱动部3连接时，需要从箱体6的径向的一侧绕过箱体6，才能与位于箱体6的径向的另外一侧的驱动部3连接。当驱动绳索组2包括多组时，不同的第二驱动绳索22容易产生干涉，因此，为了解决该问题，可以在箱体6上设置有安装高度不同的安装座71，并将绳索中转部4安装到不同的安装座71上，以使绳索中转部4的安装高度不同，避免各第二驱动绳索22之间产生干涉。进一步优选地，每个绳索中转部4分别包括两个第三滑轮41a、41b，第三滑轮41a、41b分别安装在同一个安装座71上，安装后的两个第三滑轮41的高度相同。更进一步优选地，安装座71分别在中转座7的径向的两侧，设置有高度相同的两处安装面711a、711b，并且，不同的安装座71的安装面711的高度不同，第三滑轮41a、41b分别安装在同一个安装座71(即高度相同)的安装面711a、711b上，安装后的两个第三滑轮41a、41b的高度相同。通过设置两个第三滑轮41a、41b，能够将第二驱动绳索22从沿箱体6的轴向延伸转换为沿箱体6的径向延伸，并到达第一滑块31上。

另外，中转座7的上方，还可以设置有导向座8，导向座8上设置有多个分别容许各不同的第二驱动绳索22穿过的导向孔81，并且，导向座8可以锁紧到中转座7上，将各第三滑轮41的支撑轴42固定。当导向座8和中转座7相互锁紧时，导向座8上的各导向孔81，分别位于中转座7的各第三滑轮41的上方。

在上述具体实施方式中所描述的各个具体的技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何方式进行组合，为了不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不另行说明。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明范围的任何修改或者等同替换，均应当涵括在本发明的技术方案内。

Claims (7)

1.基于闭环驱动绳索的超冗余联动柔性机械臂，其特征在于，包括

机械臂组、驱动绳索组和驱动部，所述驱动部牵引所述驱动绳索组，所述驱动绳索组拉动所述机械臂组并使其摆动；

所述驱动绳索组包括第一驱动绳索和第二驱动绳索，所述第一驱动绳索的首端和所述第二驱动绳索的首端分别与所述机械臂组连接；

所述第一驱动绳索的末端与所述驱动部连接，所述第二驱动绳索的末端穿过绳索中转部与所述驱动部连接；

所述绳索中转部使所述第二驱动绳索牵引所述机械臂组的方向和所述第一驱动绳索牵引所述机械臂组的方向相反；

还包括箱体，所述驱动部包括多个，沿所述箱体的边缘部的周向分布，并安装到所述箱体上；

所述驱动绳索组包括多组；

所述绳索中转部包括多处，沿所述箱体的中部的周向分布，并安装到所述箱体上，所述绳索中转部在所述箱体上的安装高度不同；

还包括环形的中转座，所述中转座设置在所述箱体的中部，所述中转座上设置有多处高度分别不同的安装座，所述绳索中转部分别安装在所述安装座上。

2.根据权利要求1所述的基于闭环驱动绳索的超冗余联动柔性机械臂，其特征在于，所述驱动部包括第一滑块和驱动所述第一滑块滑动的驱动电机；

所述第一驱动绳索设置在所述第一滑块的前进方向上，所述第一驱动绳索的末端连接到所述第一滑块；

所述绳索中转部设置在所述第一滑块的后退方向上，所述第二驱动绳索的末端穿过所述绳索中转部，连接到所述第一滑块。

3.根据权利要求2所述的基于闭环驱动绳索的超冗余联动柔性机械臂，其特征在于，所述第一滑块上设置有第一滑轮和第二滑轮；

所述第一驱动绳索的末端穿过所述第一滑轮被固定到所述第一滑块的前进方向上；

所述第二驱动绳索的末端依次穿过所述绳索中转部和所述第二滑轮，被固定到所述第一滑块的后退方向上。

4.根据权利要求1至3任一项所述的基于闭环驱动绳索的超冗余联动柔性机械臂，其特征在于，一组所述机械臂组上，连接有两组所述驱动绳索组，两组所述驱动绳索组分别通过两个所述驱动部驱动；

在所述机械臂组上，一组所述驱动绳索组的所述第一驱动绳索和所述第二驱动绳索，分别设置在所述机械臂组的径向的两侧，另一组所述驱动绳索组的所述第一驱动绳索和所述第二驱动绳索，也分别设置在所述机械臂组的径向的两侧；

两组所述驱动绳索组的所述第一驱动绳索和所述第二驱动绳索，沿所述机械臂组的周向，均匀分布。

5.根据权利要求4所述的基于闭环驱动绳索的超冗余联动柔性机械臂，其特征在于，所述机械臂组包括多组，相邻的所述机械臂组通过关节部铰接。

6.根据权利要求1所述的基于闭环驱动绳索的超冗余联动柔性机械臂，其特征在于，每个所述绳索中转部分别包括两个第三滑轮，同一个所述绳索中转部的所述第三滑轮分别安装在同一个所述安装座上，安装后的两个所述第三滑轮的高度相同。

7.根据权利要求6所述的基于闭环驱动绳索的超冗余联动柔性机械臂，其特征在于，所述安装座分别在所述中转座的径向的两侧，设置有高度相同的两处安装面，不同的所述安装座的所述安装面的高度不同，所述第三滑轮分别安装在同一个所述安装座的所述安装面上，安装后的两个所述第三滑轮的高度相同。

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