CN110666835A - 一种实现柔性缓冲的绳驱动关节和绳驱动机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现柔性缓冲的绳驱动关节，包括定平台、相对于定平台在第一平面内转动的动平台，在定平台和动平台之间设有能在第一平面内转动的中间平台；中间平台相对于定平台顺时针转动时设有用于限制转动的第一刚性绳，逆时针转动时设有用于转动缓冲的第一弹性绳；动平台相对于中间平台顺时针转动时设有用于转动缓冲的第二弹性绳，逆时针转动时设有用于限制转动的第二刚性绳。本发明将多个实现柔性缓冲的绳驱动关节串联组合成绳驱动机械臂，使得绳驱动机械臂实现柔性缓冲的功能，在外载荷较小时处于高刚度状态以保证运动精度和控制精度，在受到较大外载荷如外力冲击时，表现出柔顺性以保证本质安全。

Description

一种实现柔性缓冲的绳驱动关节和绳驱动机械臂

技术领域

本发明涉及机器人关节设计和机械臂构型设计，具体地说是一种能够实现柔性缓冲的绳驱动关节和绳驱动机械臂。

背景技术

近年来，市场对服务机器人的需求越来越大，服务机器人的应用也逐渐广泛。然而，由于服务机器人的一系列技术问题尚未解决，服务机器人仍存在柔顺性差、安全性差等问题，无法实现本质安全的人机互动，因此，服务机器人的应用受到了限制，普及程度依然较低。因此，服务机器人的安全性不足是一个亟待解决的重要问题。

传统的工业机器人具有较高的运动精度，但由于其高刚度的特点，难以实现本质安全的操作，因此无法直接作为服务机器人应用于市场。为了实现可靠安全的操作，提高机械臂的柔顺性是一种有效的解决方案。现有实现机械臂柔性的方法有两种：

一种方法是通过柔顺控制算法来实现机械臂的柔性，通过选取控制参数或采用柔顺控制模型使机械臂具有类似柔性臂的性能。常用的方法有阻抗控制和导纳控制。该方法的不足在于对控制器的性能要求较高，当受到外力冲击时控制算法容易发散。因此该方法的柔顺性不够可靠，难以应用于服务机器人。

另一种方法是通过设计柔性元件来实现机械臂的本质柔顺。在机械臂中加入弹性元件，通过控制弹性元件的刚度来实现机械臂的刚度控制。这种方法直接在机械臂硬件上实现柔顺性，因此可以实现本质安全的操作。

柔性机械臂具有本质安全的特点。绳驱动机器人是一种由绳索驱动运动平台(7)运动的特殊的混联机构，由若干单自由度或多自由度绳驱动关节组成。绳驱动机器人具有轻量化、惯量小、承重能力强、柔顺性好等优点，因此非常适合应用于服务机器人，具有很高的研究价值。

然而，较低的刚度往往导致机械臂运动精度不足。在一些场合，机械臂需要在保证安全的前提下实现高刚度的运动。虽然机械臂可以实现高刚度和低刚度的转换控制，但不同的刚度切换仍需要时间，难以应对突发状况，例如撞击等。因此，现有的机械臂难以同时兼顾高精度与安全性。

为了保证绳驱动机械臂的安全性，绳驱动关节的刚度是需要调节控制的，现有技术中还未有控制绳驱动关节刚度的技术方案。

因此，我们需要设计一种机械臂，既能在完成正常操作时始终保持高刚度状态以保证足够的运动精度，又能在受到较大外力冲击时表现出柔顺性实现缓冲保护，保证安全性。

发明内容

本发明针对上述现有技术现状，而提供一种实现柔性缓冲的绳驱动关节和绳驱动机械臂，这种绳驱动关节和绳驱动机械臂在低载荷下具有高刚度，在高载荷下具有低刚度，解决了现有绳驱动关节和绳驱动机械臂难以同时兼顾高精度与安全性的技术问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种实现柔性缓冲的绳驱动关节，包括定平台、相对于定平台在第一平面内转动的动平台，在定平台和动平台之间设有能在第一平面内转动的中间平台；中间平台相对于定平台顺时针转动时设有用于限制转动的第一刚性绳，逆时针转动时设有用于转动缓冲的第一弹性绳；动平台相对于中间平台顺时针转动时设有用于转动缓冲的第二弹性绳，逆时针转动时设有用于限制转动的第二刚性绳。

作为上述技术方案的进一步改进，中间平台通过第一转动副与定平台连接；所述的中间平台通过第二转动副与动平台连接。

作为上述技术方案的进一步改进，第一转动副和第二转动副具有同一个转动轴。

作为上述技术方案的进一步改进，第一转动副具有第一转动轴，所述的第二转动副具有第二转动轴；所述的第一转动轴和第二转动轴平行、并且上下分立布置。

作为上述技术方案的进一步改进，定平台具有在第一平面内向两侧延伸的第一连接臂和第二连接臂；所述中间平台具有在第一平面内向两侧延伸的第三连接臂和第四连接臂；所述动平台具有在第一平面内向两侧延伸的第五连接臂和第六连接臂；所述的第一连接臂、第三连接臂和第五连接臂位于同一侧；所述的第二连接臂、第四连接臂和第六连接臂位于同一侧。

作为上述技术方案的进一步改进，第一刚性绳位于第一连接臂和第三连接臂之间；所述的第一弹性绳位于第二连接臂和第四连接臂之间；所述的第二弹性绳位于第三连接臂和第五连接臂之间；所述的第二刚性绳位于第四点连接臂和第六连接臂之间。

作为上述技术方案的进一步改进，第一刚性绳和第二刚性绳为钢丝绳。

作为上述技术方案的进一步改进，第一弹性绳和第二弹性绳为串联弹簧的钢丝绳。

本发明将多个实现柔性缓冲的绳驱动关节串联组合成绳驱动机械臂，使得绳驱动机械臂实现柔性缓冲的功能。

与现有技术相比，本发明的绳驱动关节和绳驱动机械臂，在外载荷较小时处于高刚度状态以保证运动精度和控制精度，在受到较大外载荷如外力冲击时，表现出柔顺性以保证本质安全。

附图说明

图1是本发明实施例中绳驱动关节的结构原理图。

图2a是本发明实施例中绳驱动关节受到向右外力时绳索及关节的变形示意图1。

图2b是本发明实施例中绳驱动关节受到向右外力时绳索及关节的变形示意图2。

图2c是本发明实施例中绳驱动关节受到向右外力时绳索及关节的变形示意图3。

图3a是本发明实施例中绳驱动关节受到向左外力时绳索及关节的变形示意图1。

图3b是本发明实施例中绳驱动关节受到向左外力时绳索及关节的变形示意图2。

图3c是本发明实施例中绳驱动关节受到向左外力时绳索及关节的变形示意图3。

图4是本发明实施例的外力-动平台位移曲线示意图。

图5是本发明实施例中绳驱动机械臂的结构原理图。

具体实施方式

图1至图5所示为本实施例的结构示意图及外力-位移曲线示意图。

其中的附图标记为：定平台1、第一刚性绳2、中间平台3、转动轴4、第二刚性绳5、第一弹性绳6、动平台7、第二弹性绳8。

以下结合附图、实施例对本发明作进一步详细说明。需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本设计的目的是实现机械臂在外载荷较小时处于高刚度状态，在外载荷较大时处于低刚度状态。本设计创新之处在于充分利用了绳驱动机构的冗余驱动特性。当动平台7不受外力时，所有驱动绳索的张力都大于0，即绳索处于张紧状态，使得机械臂处于平衡状态。当末端受到一个外载荷时，如果该外载荷较小，只会引起绳索张力的改变而不会引起绳驱动关节的运动。

如图1所示，实现柔性缓冲的绳驱动关节包括定平台1、相对于定平台1在第一平面内转动的动平台7。在定平台1和动平台7之间设有能在第一平面内转动的中间平台3。中间平台3相对于定平台1顺时针转动时设有用于限制转动的第一刚性绳2，逆时针转动时设有用于转动缓冲的第一弹性绳6。动平台7相对于中间平台3顺时针转动时设有用于转动缓冲的第二弹性绳8，逆时针转动时设有用于限制转动的第二刚性绳5。

中间平台3通过第一转动副与定平台1连接；所述的中间平台3通过第二转动副与动平台7连接。本实施例中，第一转动副和第二转动副优选采用同一个转动轴，具有简化结构的作用。

定平台1具有在第一平面内向两侧延伸的第一连接臂和第二连接臂；所述中间平台3具有在第一平面内向两侧延伸的第三连接臂和第四连接臂；所述动平台7具有在第一平面内向两侧延伸的第五连接臂和第六连接臂；所述的第一连接臂、第三连接臂和第五连接臂位于同一侧；所述的第二连接臂、第四连接臂和第六连接臂位于同一侧。

第一刚性绳2位于第一连接臂和第三连接臂之间；所述的第一弹性绳6位于第二连接臂和第四连接臂之间；所述的第二弹性绳8位于第三连接臂和第五连接臂之间；所述的第二刚性绳5位于第四点连接臂和第六连接臂之间。

其中，所述第一刚性绳2和第二刚性绳5可以看作刚度很大的理想绳索，本实施例优选钢丝绳为例。

第一弹性绳6和第二弹性绳8可以看作刚度随张力增加而增加的绳索，本实施例优选串联弹簧的钢丝绳为例。

由于绳驱动关节是驱动冗余的机构，绳索存在内力。中间平台3与定平台1之间第一刚性绳2和第一弹性绳6、动平台7与中间平台3之间的第二弹性绳8和第二刚性绳5采用交替布置，实现缓冲保护，工作原理如下：

如图2a所示，动平台7受到顺时针的力矩w，如果w<fl,绳驱动关节将保持在原位置，第二刚性绳5的张力减小，第二刚性绳5张力量对绳驱动关节的力矩等于w，绳驱动关节始终保持平衡。如图2b所示，当w＝fl时，绳驱动关节处于临界状态，第二刚性绳5的张力为0。如图2c所示，当w>fl,外力矩继续增加时，第二弹性绳8被拉长，动平台7顺时针转动，第二刚性绳5失效。第二弹性绳8被拉长，其张力对绳驱动关节产生与w反向的力矩，绳驱动关节在新的位置实现平衡。

如图3a所示，动平台7受到逆时针的力矩w，如果w<fl,绳驱动关节将保持在原位置，第一刚性绳2的张力减小，第一刚性绳2张力量对绳驱动关节的力矩等于w，绳驱动关节始终保持平衡。如图3b所示，当w＝fl时，绳驱动关节处于临界状态，第一刚性绳2的张力为0。如图3c所示，当w>fl时,外力矩继续增加时，第一弹性绳6被拉长，动平台7逆时针转动，第一刚性绳2失效。第一弹性绳6被拉长，其张力对绳驱动关节产生与w反向的力矩，绳驱动关节在新的位置实现平衡。

综合以上情况可以看出，当动平台7受到的外力矩较小时，绳驱动关节几乎没有位移，此时可以看作绳驱动关节的刚度非常大。当动平台7受到的外力矩超过一个临界值，绳驱动关节会产生转动，此时可以看作绳驱动关节的刚度小。在第一种情况下绳驱动关节刚度大，绳驱动关节可以做高精度运动；在第二种情况下，绳驱动关节可以实现缓冲保护。

将多个绳驱动关节组合构成绳驱动机械臂，绳驱动机械臂在外载荷较小时处于高刚度状态以保证运动精度和控制精度，又能在绳驱动机械臂受到较大外载荷时，如受到外力冲击时表现出柔顺性以保证本质安全。

如图5所示，本实施例将四个上述的绳驱动关节串联在一起构成一个绳驱动机械臂，该机械臂也具有柔性缓冲的功能。

绳驱动机械臂中各个绳驱动关节所在的转动平面独立交叉排列，当第四个绳驱动关节的动平台7受到转动平面内顺时针方向的力矩w时，第二刚性绳5的张力减小，第一刚性绳2的张力增加。当w较小时，w引起的关节力矩完全由第一刚性绳2、第二刚性绳5张力的改变抵消。因此绳驱动机械臂不会发生运动，此时可以看作绳驱动绳驱动机械臂处于高刚度状态。当w增加直到第二刚性绳5的张力减小为0，绳驱动机械臂达到临界状态。此时如果外力w继续增加，第二刚性绳5的张力无法继续降低，串联了弹簧的第二弹性绳8的张力开始增加。因此，第四个绳驱动关节开始顺时针转动，此时可以看作绳驱动机械臂处于柔性状态。

同理，当第四个绳驱动关节末端的动平台7受到转动平面内逆时针方向的力矩w时，第一刚性绳2的张力减小，第二刚性绳5的张力增加。当w较小时，w引起的关节力矩完全由第一刚性绳2、第二刚性绳5张力的改变抵消。因此绳驱动机械臂不会发生运动，此时可以看作绳驱动机械臂处于高刚度状态。当w增加直到第一刚性绳2的力减小为0，绳驱动机械臂达到临界状态。此时如果外力w继续增加，第一刚性绳2的张力无法继续降低，串联了弹簧所在第一弹性绳6的力开始增加。因此，第四个绳驱动关节开始逆时针转动，此时可以看作绳驱动机械臂处于柔性状态。

如图4所示，外力-动平台位移曲线呈现非线性的特点，当施加在绳驱动机械臂上的外载荷较小时，动平台7不会产生位移；当外载荷达到临界值并持续增加时，外力-动平台7位移曲线的斜率随外载荷的增加而增加。因此本发明的柔性绳驱动机械臂可以根据所受外载荷大小调节其自身状态，即在所受外载荷较小时实现高刚度运动，在所受载荷较大时实现柔性。

除了上述实施例中绳驱动关节的结构外，绳驱动关节还可以有其他实现结构。例如中间平台3与定平台1之间的第一转动副具有第一转动轴，中间平台3与动平台7之间的第二转动副具有第二转动轴。所述的第一转动轴和第二转动轴相平行、并且上下分立布置。

本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (9)

1.一种实现柔性缓冲的绳驱动关节，包括定平台(1)、相对于定平台(1)在第一平面内转动的动平台(7)，其特征在于：所述的定平台(1)和动平台(7)之间设有能在第一平面内转动的中间平台(3)；所述中间平台(3)相对于定平台(1)顺时针转动时设有用于限制转动的第一刚性绳(2)，逆时针转动时设有用于转动缓冲的第一弹性绳(6)；所述动平台(7)相对于中间平台(3)顺时针转动时设有用于转动缓冲的第二弹性绳(8)，逆时针转动时设有用于限制转动的第二刚性绳(5)。

2.根据权利要求1所述的绳驱动关节，其特征在于：所述的中间平台(3)通过第一转动副与定平台(1)连接；所述的中间平台(3)通过第二转动副与动平台(7)连接。

3.根据权利要求2所述的绳驱动关节，其特征在于：所述的第一转动副和第二转动副具有同一个转动轴。

4.根据权利要求2所述的绳驱动关节，其特征在于：所述的第一转动副具有第一转动轴，所述的第二转动副具有第二转动轴；所述的第一转动轴和第二转动轴平行、并且上下分立布置。

5.根据权利要求1所述的绳驱动关节，其特征在于：所述定平台(1)具有在第一平面内向两侧延伸的第一连接臂和第二连接臂；所述中间平台(3)具有在第一平面内向两侧延伸的第三连接臂和第四连接臂；所述动平台(7)具有在第一平面内向两侧延伸的第五连接臂和第六连接臂；所述的第一连接臂、第三连接臂和第五连接臂位于同一侧；所述的第二连接臂、第四连接臂和第六连接臂位于同一侧。

6.根据权利要求5所述的绳驱动关节，其特征在于：所述的第一刚性绳(2)位于第一连接臂和第三连接臂之间；所述的第一弹性绳(6)位于第二连接臂和第四连接臂之间；所述的第二弹性绳(8)位于第三连接臂和第五连接臂之间；所述的第二刚性绳(5)位于第四点连接臂和第六连接臂之间。

7.根据权利要求1所述的绳驱动关节，其特征在于：所述第一刚性绳(2)和第二刚性绳(5)为钢丝绳。

8.根据权利要求1所述的绳驱动关节，其特征在于：所述的第一弹性绳(6)和第二弹性绳(8)为串联弹簧的钢丝绳。

9.一种实现柔性缓冲的绳驱动机械臂，其特征在于：由多个如权利要求1所述的绳驱动关节串联构成。

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