CN110666774A - 一种基于并联机构的三自由度绳驱动关节模块 - Google Patents

一种基于并联机构的三自由度绳驱动关节模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于并联机构的三自由度绳驱动关节模块，包括自下而上设置的驱动基座、并联机构以及与并联机构顶部连接的多指手，并联机构包括设置于上部的运动平台和设置于下部的固定基座，运动平台和固定基座之间设有运动支链组以及两端同时贯穿运动平台和固定基座的中间回转轴以及绳索驱动组件，运动平台和固定基座通过运动支链组可相对摆转运动，由多段铰接轴组成的中间回转轴底端穿过驱动基座并被内部驱动机构轴向传动，相对现有技术，本发明技术方案具有自由度多、成本低、噪音小、柔性高、质量和转动惯量小、负载自重比较高等优点，可有效对机器人驱动关节进行优化设计以及提高工作效率。

Description

一种基于并联机构的三自由度绳驱动关节模块
技术领域
本发明涉及机器人关节技术领域，特别涉及一种基于并联机构的三自由度绳驱动关节模块。
背景技术
随着机器人技术的快速发展，机器人越来越受到广泛应用，并涉及到各行各业。但传统的机器人缺乏重构性，通常只能满足单一的生产作业或生产任务，从而难以满足新时代中对多任务、广应用和高柔性的需求。
作为新的设计方法，机器人模块化设计具备方便地改变机器人的自由度和构型等优点，因此能较好地解决机器人对任务和应用场合的适应性和柔性等方面问题，并且将机器人划分成模块进行单元设计，每个模块都能实现独立功能，模块间组合重构可形成多种构型，每种构型对应若干种任务，可满足多任务、广应用和高柔性的需求。与此同时，模块化设计便于进行规模化和标准化生产、降低生产和维护成本，从而使模块化设计受到广泛关注。
国内外已开发了一系列机器人关节模块，例如专利ZL201010242196.7和ZL201010242208.6分别公开了一种摆动关节和回转关节模块，这些关节模块性能不错且能满足一定要求。然而上述两个专利的技术方案采用了传统的谐波减速器和齿轮传动，这样最终存在成本较高、噪音较大、系统柔性不足、质量和转动惯量偏大、负载自重比低等缺陷，在生产和生活服务等方面的应用受到了一定的限制。
另外，目前国内外的转动关节模块绝大多数是单自由度模块，少数双自由度模块，而三自由度的关节模块还没有发现。如果采用传统的设计制造方法开发多自由度模块，这样只会使得结构会更加复杂、重量和大小剧增，最终优势丧失殆尽。现有技术中，由于绳驱动能实现远程传动，能将驱动源集中于一端，并且结构简单且重量较轻，因此在机器人传动中得到重视。例如专利CN201720751657.0提出了一种的绳驱动多自由度串联机械臂，其结构比较简单，但没有进行模块化设计，并且也存在传统设计方法而产生的技术问题，而专利US20100011899A1公开的一种仿人手关节模块，其能实现各手指灵活动作，但可重构性差。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种自由度多、成本低、噪音小、柔性高、质量和转动惯量小、负载自重较高的基于并联机构的三自由度绳驱动关节模块，旨在对机器人驱动关节进行优化设计以及提高工作效率。
为实现上述目的，本发明提出的一种基于并联机构的三自由度绳驱动关节模块，包括自下而上设置的驱动基座、并联机构以及与并联机构顶部连接的多指手，并联机构包括设置于上部的运动平台和设置于下部的固定基座，运动平台和固定基座之间设有运动支链组以及两端同时贯穿运动平台和固定基座的中间回转轴以及绳索驱动组件，运动平台和固定基座通过运动支链组可相对摆转运动，由多段铰接轴组成的中间回转轴底端穿过驱动基座并被内部驱动机构轴向传动。
优选地，所述运动支链组由周向均匀设置的若干个空间曲形结构的运动支链组成，每个运动支链的上端和下端分别与所述运动平台和所述固定基座铰接相连。
优选地，所述中间回转轴包括依次铰接相连的前端转轴、中间转轴和末端转轴。
优选地，所述运动支链分别与所述运动平台和所述固定基座之间、所述前端转轴与所述中间转轴一端、所述中间转轴另一端与所述末端转轴通过虎克铰铰接相连。
优选地，所述绳索驱动组件设有两组空间正交设置的绳索，每组绳索的开放端与所述运动平台固定相连，两组绳索的两末端连线为相互垂直关系，绳索中部穿入驱动基座内部并与所述驱动机构相连形成绳驱动回路以使运动平台牵引运动。
优选地，所述驱动机构包括设置于底座外壳体内部的若干个驱动电机，轴向传动的驱动电机穿过盘型盖板并与水平设置的齿轮组的小齿轮相连，齿轮组的大齿轮中心位置与所述中间回转轴末端相连，小齿轮啮合传动大齿轮；水平传动的两个驱动电机的传动轴端分别设有滑轮并与径向相对的定滑轮配合与穿入底座外壳体内的绳索配合滑动传动。
优选地，所述底座外壳体与连接盖板相连，底座外壳体与所述固定基座相连，连接盖板底面设有标准的外部连接接口。
优选地，所述运动平台设有用于绳索固定的钢丝绳锁线器以调整绳索的紧固位置。
本发明技术方案相对现有技术具有以下优点：
本发明技术方案基于并联机构的三自由度绳驱动关节模块的自由度多达三个，包括两个摆转自由度和中心回转自由度，主要传动机构采用并联机构，刚度相对串联机构而言较大，容易实现高负载自重比，并且采用绳驱动使得结构简单，将驱动源集中于一端以实现远程传动，不仅减小了运动部件的质量，还有利于提高动态性能，此外本发发明采用绳驱动方面采用锁线器的方式进行绳索预紧且简单可靠，本发明可用作一般操作臂或仿人机械臂的腕部关节，也可用作仿人机械臂的肩部关节。
将模块化与绳驱动的优势结合，开发具有独立性、功能性和完整性的关节模块，将为高性能机器人新系统的构建带来很大的方便和优势。针对目前模块的自由度少、成本较高、噪音较大、柔性不足、质量和转动惯量偏大、负载自重比较低等不足，本发明提供一种基于并联机构的三自由度绳驱动关节模块
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明的三自由度绳驱动关节模块与多手指连接结构示意图；
图2为本发明的三自由度绳驱动关节模块的并联机构的结构示意图；
图3为本发明的并联机构的部分结构示意图；
图4为本发明的驱动基座外部结构示意图；
图5为本发明的驱动基座外部结构另一结构示意图；
图6为本发明的驱动基座内部结构示意图；
图7为本发明的驱动基座内部结构另一结构示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
W 驱动基座 10 运动平台
E 并联机构 11 穿线孔
S 多指手 12 标准接口
1 钢丝绳锁线器 13 连接盖板
2 绳索驱动模块 14 底座外壳体
3 驱动基座 15 齿轮组
4 前端转轴 16 盘型盖板
5 中部转轴 17 支撑体
6 末端转轴 18 定滑轮
7 固定基座 19 直流电机组
8 虎克铰 20 电机固定架
9 运动支链组
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种基于并联机构的三自由度绳驱动关节模块。
如图1所示，本发明实施例的基于并联机构的三自由度绳驱动关节模块包括自下而上设置的驱动基座W、并联机构E以及与并联机构W顶部连接的多指手S。
请参见图2和图3，本实施例的并联机构主要包括设置于上部的运动平台10和设置于下部的固定基座7，并且运动平台10和固定基座7之间设有运动支链组9以及两端同时贯穿运动平台10和固定基座7且由多段轴铰接相连的中间回转轴(4、5、6)以及绳索驱动组件2，本实施例的运动支链组9为周向均匀设置的四根空间曲形结构的运动支链组成，并且每个运动支链的上端和下端分别通过虎克铰8分别运动平台10和固定基座7相连，通过运动支链组9使运动平台10和固定基座7之间能够进行相对摆转运动，另外中间回转轴包括依次相连的前端转轴4、中部转轴5、末端转轴6，其中前端转轴4与中部转轴5端部之间以及中部转轴5与末端转轴6端部之间通过虎克铰8相连，并且中间回转轴与整个并联机构的中心轴线重合，中间回转轴的两端分别穿过运动平台10和固定基座7后，再在端部分别穿有轴承以实现低摩擦的交叉轴传动。
请参见图2至图6，本实施例的绳索驱动组件2由两组空间正交设置的绳索组成，每组绳索的开放端固定于运动平台10上，两组绳索的两末端连线为相互垂直关系，而绳索的中部结构则穿入至驱动基座3内部并与驱动基座3的内部机构而形成驱动回路，最终实现运动平台10的牵引运动。
请参见图4至图7，本实施例的驱动基座W主要由底座外壳体14、连接盖板13、直流电机组19而组成，直流电机组19固定于底座外壳体14内部，其中直流电机组19中的轴向传动的驱动电机的传动轴端穿过盘型盖板16后与水平设置的一对外啮合传动的齿轮组15的小齿轮中心相连并进行传动，小齿轮与大齿轮啮合传动，并且齿轮组15的大齿轮中心与中间回转轴的末端转轴6底端相连进行传动，直流电机组19中水平传动的驱动电机的壳体通过电机固定架20进行固定，并且其传动轴还相连有滑轮与绳索滑动接触相连，盘型盖板16径向的另一端则设有支撑体17以及安装于支撑体17内部的定滑轮18与水平传动的驱动电机端部滑轮配合以将绳索摩擦传动相连，因此本实施例的盘型盖板16固定有两组分别由定滑轮18、滑轮上端支撑体17及电机固定架20组成的绕线驱动结构，两绕线驱动结构呈90度相互垂直设置。与此同时，底座外壳体14内周面设有多个平行滑轮相应地与每一组绕线驱动机构配合滑动，以实现对绳索的对称支撑，因此最终可通过驱动电机为绳索的移动提供动力。
请参见图2至图7，本实施例通过将底座外壳体14与连接盖板13连接，即可形成包含驱动模块的封闭圆柱整体，本实施例底座外壳体14顶端与固定基座7相连，并且底座外壳体14顶端开有允许绳索通过的穿线孔11，另外连接盖板13底面设有标准的外部连接接口12，这样可方便地与其它模块进行连接。
优选地，本实施例在运动平台10上设有用于绳索固定的钢丝绳锁线器1，可以通过调整锁紧点达到绳索预紧的效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于并联机构的三自由度绳驱动关节模块，其特征在于，包括自下而上设置的驱动基座、并联机构以及与并联机构顶部连接的多指手，并联机构包括设置于上部的运动平台和设置于下部的固定基座，运动平台和固定基座之间设有运动支链组以及两端同时贯穿运动平台和固定基座的中间回转轴以及绳索驱动组件，运动平台和固定基座通过运动支链组可相对摆转运动，由多段铰接轴组成的中间回转轴底端穿过驱动基座并被内部驱动机构轴向传动。
2.如权利要求1所述的基于并联机构的三自由度绳驱动关节模块，其特征在于，所述运动支链组由周向均匀设置的若干个空间曲形结构的运动支链组成，每个运动支链的上端和下端分别与所述运动平台和所述固定基座铰接相连。
3.如权利要求2所述的基于并联机构的三自由度绳驱动关节模块，其特征在于，所述中间回转轴包括依次铰接相连的前端转轴、中间转轴和末端转轴。
4.如权利要求3所述的基于并联机构的三自由度绳驱动关节模块，其特征在于，所述运动支链分别与所述运动平台和所述固定基座之间、所述前端转轴与所述中间转轴一端、所述中间转轴另一端与所述末端转轴通过虎克铰铰接相连。
5.如权利要求4所述的基于并联机构的三自由度绳驱动关节模块，其特征在于，所述绳索驱动组件设有两组空间正交设置的绳索，每组绳索的开放端与所述运动平台固定相连，两组绳索的两末端连线为相互垂直关系，绳索中部穿入驱动基座内部并与所述驱动机构相连形成绳驱动回路以使运动平台牵引运动。
6.如权利要求5所述的基于并联机构的三自由度绳驱动关节模块，其特征在于，所述驱动机构包括设置于底座外壳体内部的若干个驱动电机，轴向传动的驱动电机穿过盘型盖板并与水平设置的齿轮组的小齿轮相连，齿轮组的大齿轮中心位置与所述中间回转轴末端相连，小齿轮啮合传动大齿轮；水平传动的两个驱动电机的传动轴端分别设有滑轮并与径向相对的定滑轮配合与穿入底座外壳体内的绳索配合滑动传动。
7.如权利要求6所述的基于并联机构的三自由度绳驱动关节模块，其特征在于，所述底座外壳体与连接盖板相连，底座外壳体与所述固定基座相连，连接盖板底面设有标准的外部连接接口。
8.如权利要求7所述的基于并联机构的三自由度绳驱动关节模块，其特征在于，所述运动平台设有用于绳索固定的钢丝绳锁线器以调整绳索的紧固位置。
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