CN110666785B - 一种模块化绳驱动仿人手臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模块化绳驱动仿人手臂，包括依次相连的肩部模块、肘部模块、腕部模块以及设置于模块之间实现连接的连接模块，肩部模块、肘部模块以及腕部模块内部具有独立的电机驱动系统以及绳索传动系统，腕部模块末端连接多根手指组成七自由度仿人手臂；肩部模块和腕部模块内部均设有基于并联机构的三自由度绳驱动关节模块，肘部模块为单自由度绳驱动摆转关节模块,模块之间的连接位置均设有统一接口并可将相邻模块任意安装。相对现有技术，本发明组装方便、拆卸简单、重量轻小，便于搬运和维护，采用完全相同的模块可组成左右手臂，长度尺寸可通过不同的连接模块进行调整；非常适合大规模生产，便于控制生产和使用成本。

Description

一种模块化绳驱动仿人手臂

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，特别涉及一种模块化绳驱动仿人手臂。

背景技术

目前，仿人机器人的双臂绝大多数采用传统的设计方案进行制造生产，也就是采用电机驱动、谐波减速器或者同步齿形带传动，并且各关节依次串联而成。上述的传统方法已经相当成熟，并且设计制造出来的仿人手臂基本能满足功能需求，但也存在着系统柔性差、动作生硬、质量和转动惯量偏大、负载自重比低、较大噪音等缺陷，从而限制其在生活服务等方面的应用。

为克服传统驱动方式存在的缺点以及提升系统的安全性能，现有技术还采用绳驱动方式开发仿人手臂，例如中国专利CN106514703A公开了一种基于绳索驱动的轮辐式柔性机械臂，该机械臂采用三根绳索将整体机构贯穿，每根绳索由电机驱动，其中轮辐式构型由拉条构成，但是该技术方案的驱动装置过大，绳索连接过于复杂，并且且整体构造不适于用作仿人臂，应用场所有限。

另外，传统方法设计的机器人在构型、尺寸和自由度等方面都为固定设计，因此容错性差且维护不便，并且需要针对不同的尺寸和负载等具体需求而进行不同的设计，从而存在缺乏系统构建的灵活性、扩展性和伸缩性，例如，仿人机器人的左右臂需要单独设计和生产，以及模仿不同年龄段人群的仿人机器人手臂也需要逐一设计制造，这样使得制造周期长、成本高。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种通用性强以及适用性广的模块化绳驱动仿人手臂，旨在对仿人手臂的结构以及驱动方式进行优化设计。

为实现上述目的，本发明提出的一种模块化绳驱动仿人手臂，包括依次相连的肩部模块、肘部模块、腕部模块以及设置于模块之间实现连接的连接模块，肩部模块、肘部模块以及腕部模块内部具有独立的电机驱动系统以及绳索传动系统，腕部模块末端连接多根手指组成七自由度仿人手臂；肩部模块和腕部模块内部均设有基于并联机构的三自由度绳驱动关节模块，肘部模块为单自由度绳驱动摆转关节模块,模块之间的连接位置均设有统一接口并可将相邻模块任意安装。

优选地，所述肩部模块包括肩部安装基座、三自由度绳驱动关节模块、驱动绳索、滑轮装置和电机驱动装置；所述肘部模块包括关节连接装置、关节基架、保距装置、滑轮装置、预紧装置和驱动绳索；所述腕部模块包括三自由度绳驱动关节模块、末端驱动底座、滑轮装置、驱动绳索和仿人手掌。

优选地，所述三自由度绳驱动关节模块包括运动平台、固定基座、运动支链、驱动组件以及中心回转机构；所述肩部安装基座包括手臂安装座、电机安装定位壳、中间卡座、卡环；四个所述关节基架通过关节连接装置上的轴相连，保距装置经由轴套固定在关节基架和关节连接装置的两个齿轮片之间。

优选地，所述三自由度绳驱动关节模块的运动平台和固定基座间通过四条运动支链连接，每条运动支链包含一个曲线连杆和两端的十字铰链或球铰；中心回转机构安装于三自由度关节模块中部，两端分别通过运动平台和固定基座带有轴承的中心孔。

优选地，设置于所述肘部模块内的驱动绳索驱动设置在定/动滑轮上，动滑轮带动关节连接装置的两个齿轮片啮合转动，实现肘部的双向屈/伸运动。

优选地，绳索驱动模块由两组正交布置的绳索组成，每组绳索两末端都固定于所述运动平台上，两组绳索两末端连线相互垂直，绳中部串入所述末端驱动底座形成驱动回路

优选地，预紧装置包含万向轮、螺纹预紧件、滑轮保持架；所述末端驱动底座包括底座外壳体、连接盖板、电机驱动模块。

优选地，所述的电机驱动模块，其特征在于，包括一对外啮合传动齿轮、盘型盖板、直流电机、定滑轮、滑轮上端支撑体及电机固定架。

优选地，所述关节连接装置包括一对1:1传动的啮合齿轮。

本发明技术方案相对现有技术具有以下优点：

本发明技术方案的模块化绳驱动仿人手臂由两种三个模块依次串连而成，使得构建方便快捷，左右臂采用相同的连接模块进行构建，左右臂的长度尺寸可通过选用不同长度的连接模块进行适应性调整，并且本发明技术方案的模块化绳驱动仿人手臂适合大规模标准化生产，便于控制生产和使用成本；容错性好、维修方便，某个关节损坏后换用相应的模块即可，既可作为左右手臂用于仿人机器人，也可用作一般的冗余度操作臂，满足生产和生活中的多种需要。

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为本发明的模块化绳驱动仿人手臂的整体装配结构示意图；

图2为本发明的模块化绳驱动仿人手臂的肩部模块结构分解图；

图3为本发明的模块化绳驱动仿人手臂的肘部模块结构分解图；

图4为本发明的模块化绳驱动仿人手臂的腕部模块结构分解图；

图5为本发明的肩部模块关节安装基座的内部结构图。

附图标号说明：

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。

本发明提出一种模块化绳驱动仿人手臂。

请参见图1至图5，本发明实施例的模块化绳驱动仿人手臂包括依次相连的肩部模块S、肘部模块E、腕部模块W；其中肩部模块通过连接模块L与肘部模块相连，而肘部模块还通过第二个连接模块L与腕部模块相连。本实施例的肩部模块、肘部模块以及腕部模块可根据所需的尺寸选用不同尺寸的连接模块，从而可适应性地依次串联而形成七自由度仿人手臂，然后在腕部模块的末端串接有多根手指。本实施例的肩部模块、肘部模块以及腕部模块内部均设有电机驱动系统以及绳索传动系统；肩部模块和腕部模块均为三自由度模块，其内部设有三自由度绳驱动关节模块，肘部模块为单自由度模块，连接模块通过两侧的通用接口将各个关节模块以刚性连接为手臂整体，与此同时，本实施例的肩部模块、肘部模块、腕部模块以及将上述三个模块相连的连接模块，在模块的相连端口位置分别设有统一化接口，从而可将任意两个模块进行装配作业，从而提高装配效率。

请参见图2，本实施例的肩部模块包括肩部安装基座5、三自由度绳驱动关节模块1、驱动绳索2、滑轮装置3和电机驱动装置4。具体地，本实施例的肩部安装基座5包括手臂安装座51、上下对称设置的两个中间卡座53、夹持卡环52、电机安装定位壳55，通过在夹持卡环52外周设置缩紧螺钉54将上下对称设置的两个中间卡座53相连。本实施例的三自由度绳驱动关节模块1包括运动支链111、中间旋转机构112、运动平台114、安装座113，安装座113和中间旋转机构112之间通过四条运动支链111连接，每条运动支链111包含一个曲线连杆和两端的十字铰链虎克铰，中间旋转机构112安装于并联机构1中部。

请参见图3，肘部模块包括关节基架6、关节连接装置7、保距装置8，滑轮组11、预紧装置10和绳索9，四个关节基架6通过关节连接装置7上的轴实现相连，保距装置8经由轴套固定在关节基架6和关节连接装置7的两个齿轮片之间实现保证两者的安装距离，绳索9驱动设置滑轮组11的定滑轮和动滑轮，滑轮组11的动滑轮带动关节连接装置7的两个齿轮片啮合转动，实现肘部模块的双向屈/伸运动；预紧装置10包含万向轮、螺纹预紧件、滑轮保持架12，关节连接装置7包括一对1:1的传动啮合齿轮。

请参见图4，腕部模块包括三自由度绳驱动关节模块1、末端驱动底座20、定滑轮组17、驱动绳索19和仿人手掌，末端驱动底座20包括底座外壳体14、连接盖板、电机驱动模块16，电机驱动模块16包括一对外啮合传动齿轮、盘型盖板、直流电机、定滑轮17、滑轮上端支撑体及电机固定架。

本实施例的肩部模块、腕部模块通过绳索驱动，绳索驱动通过由两组正交布置的绳索组成，每组绳索两末端都固定于运动平台23上，两组绳索两末端连线相互垂直，绳中部串入末端驱动底座20形成驱动回路。

另外，本实施例的肩部模块、肘部模块、腕部模块之间相连的连接模块的外周面设置有防护波纹管，对仿人手臂内部结构实现防尘保护；

本实施例的模块化绳驱动仿人手臂进行实际作业时，各模块可单独运行，亦可通过连接模块进行仿人臂装配运行。本实施例的模块化绳驱动仿人手臂基于模块化仿人手臂设计理念，可应用于多种空间环境下的仿人手臂作业，通过模块化设计以及通过绳驱动，使得本实施例的模块化绳驱动仿人手臂在组装拆卸简单且重量轻小，便于搬运和维护，通过采用完全相同的模块可组成左右手臂，在长度尺寸上通过不同的连接模块进行调整，非常适合大规模生产，便于控制生产和使用成本，既可作为左右手臂用于仿人机器人，也可用作一般的冗余度操作臂，满足生产和生活中的多种需要。

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 (1)

1.一种模块化绳驱动仿人手臂，其特征在于，包括依次相连的肩部模块、肘部模块、腕部模块以及设置于模块之间实现连接的连接模块，肩部模块、肘部模块以及腕部模块内部具有独立的电机驱动系统以及绳索传动系统，腕部模块末端连接多根手指组成七自由度仿人手臂；肩部模块和腕部模块内部均设有基于并联机构的三自由度绳驱动关节模块，肘部模块为单自由度绳驱动摆转关节模块,模块之间的连接位置均设有统一接口并能够将相邻模块任意安装；

所述肩部模块包括肩部安装基座、三自由度绳驱动关节模块、驱动绳索、滑轮装置和电机驱动装置；所述肘部模块包括关节连接装置、关节基架、保距装置、滑轮装置、预紧装置和驱动绳索；所述腕部模块包括三自由度绳驱动关节模块、末端驱动底座、滑轮装置、驱动绳索和仿人手掌；

所述三自由度绳驱动关节模块包括运动平台、固定基座、运动支链、驱动组件以及中心回转机构；所述肩部安装基座包括手臂安装座、电机安装定位壳、中间卡座、卡环；四个所述关节基架通过关节连接装置上的轴相连，保距装置经由轴套固定在关节基架和关节连接装置的两个齿轮片之间；

所述三自由度绳驱动关节模块的运动平台和固定基座间通过四条运动支链连接，每条运动支链包含一个曲线连杆和两端的十字铰链或球铰；中心回转机构安装于三自由度关节模块中部，两端分别通过运动平台和固定基座带有轴承的中心孔；

设置于所述肘部模块内的驱动绳索驱动设置在定/动滑轮上，动滑轮带动关节连接装置的两个齿轮片啮合转动，实现肘部的双向屈/伸运动；

绳索驱动模块由两组正交布置的绳索组成，每组绳索两末端都固定于所述运动平台上，两组绳索两末端连线相互垂直，绳中部串入所述末端驱动底座形成驱动回路；

预紧装置包含万向轮、螺纹预紧件、滑轮保持架；所述末端驱动底座包括底座外壳体、连接盖板、电机驱动模块；

所述关节连接装置包括一对1:1传动的啮合齿轮。