CN110757441B - 一种多关节联合运动的柔性机械臂驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多关节联合运动的柔性机械臂驱动装置，包括N组驱动模块；N组绳索，每组绳索中均包括n根绳索；N组绕线模块，每组绕线模块均设有至少n个绕线机构；在同组绳索中，不同绳索由同组绕线模块及驱动模块驱动，不同绳索用于驱动柔性机械臂的不同关节，绳索的一端分别与同组绕线模块中的不同绕线机构固定连接，绳索的另一端分别绕于对应的绕线机构后，依次从端部穿过各关节的第一穿线孔直至到达该绳索所驱动的对应关节处后与其连接；每组驱动模块的输出端与对应的绕线模块的输入端连接。本发明中同组联合运动的绳索驱动不同的关节，使得各个关节杆弯曲角度相同，操作臂等曲率弯曲，最终通过三组绳索协同变化长度实现关节的弯曲变形。

Description

一种多关节联合运动的柔性机械臂驱动装置

技术领域

本发明涉及机械臂的驱动装置技术领域，尤其涉及一种多关节联合运动的柔性机械臂驱动装置。

背景技术

传统工业机器人通常将电机、减速器、控制器等集成在关节处，导致机器人操作部位体积大质量大，难以在狭小空间中应用来满足特种环境下的工作需求。绳驱多关节柔性机器人的操作臂通常不包含电机、减速机构等，而是通过在底部驱动绳索伸缩达到对各关节弯曲角度控制，从而实现整个操作臂的运动，此类机器人有很好弯曲特性、体积小、变形灵活，适合应用于非结构化环境，如狭窄空间探测、非合作目标的缠绕捕获等，因此目前具有广泛的应用。

绳驱多关节柔性机器人通常为了增大活动范围将多个关节组成一段，关节数量的增加带来更多的自由度，控制难度较大。两自由度的机器人需要三根或四根绳索，通过每根绳索连接机械臂的末端关节，伸缩绳索使其弯曲；这种欠驱动方式导致机器人稳定性较差；并且该段的弯曲曲率半径不一致，通常末端处弯曲曲率半径大，根部弯曲曲率半径小。如果就此而对每个关节配置三根相互独立的驱动绳索，则需要更多的电机，导致机器人更复杂、成本增大。另外，现有的驱动装置一般为丝杠机构，其重量和体积都较大。

发明内容

本发明为解决现有绳驱多关节柔性机器臂存在欠驱动及稳定性差的问题，提供了一种多关节联合运动的柔性机械臂驱动装置。

为实现以上发明目的，而采用的技术手段是：

一种多关节联合运动的柔性机械臂驱动装置，应用于包括多个关节的柔性机械臂，包括N组驱动模块；N组绳索，每组绳索中均包括n根绳索；N组绕线模块，每组绕线模块均设有至少n个绕线机构；在同一组绳索中，不同绳索均由同一组绕线模块及驱动模块所驱动，且不同绳索用于驱动柔性机械臂的不同关节，所述绳索的一端分别与同一组绕线模块中的不同绕线机构固定连接，绳索的另一端分别绕于对应的绕线机构后，依次穿过各关节的第一穿线孔直至到达该绳索所驱动的对应关节处后与其连接；每组驱动模块的输出端与对应的绕线模块的输入端连接；其中N和n均为正整数。

上述方案中，每组驱动模块同时对n条绳索进行驱动控制，由于该n条绳索分别绕于n个不同的绕线机构上，因此利用同一组驱动模块亦可实现该n条绳索收放不同的长度，n条绳索分别驱动于柔性机械臂的n个关节，即同组联合运动的绳索可驱动不同的关节，使得各个关节杆弯曲角度相同，操作臂等曲率弯曲，最终通过三组绳索协同变化长度实现关节的弯曲变形。

优选的，所述绕线模块包括绕线盘、转轴、固定装置，所述转轴与固定装置转动连接，所述转轴的一端与驱动模块的输出端连接，所述绕线盘通过转轴与固定装置转动连接；所述绕线盘为锥台形，绕线盘盘身的外侧沿轴向依次开设至少n个线槽，所述线槽上设有用于固定绳索一端的固定件。

优选的，所述线槽上设置的固定件为径向通孔，所述径向通孔内设有沉头孔，用于固定绳索一端的结头。

优选的，所述固定装置包括两个相对设置的固定支架，所述固定支架包括两支脚，支脚处有一凹陷部，所述凹陷部处设有与其形状大小相匹配的轴承瓦，两支脚的凹陷部相对设置后形成一闭合固定部，所述转轴的两端分别由两个闭合固定部伸出并形成轴颈和轴头，所述绕线盘通过转轴设于两个固定支架形成的空腔内；其中安装后位于上端的固定支架上设有至少n个通孔。

优选的，所述通孔与所述线槽一一对应配合，使得各个通孔的轴线与其对应的线槽相切于同一条直线。

优选的，所述驱动模块包括安装座以及安装在所述安装座上的电机、减速器、联轴器；所述电机的输出轴与减速器的一端连接，所述减速器另一端的轴头与联轴器的一端连接，所述联轴器的另一端与所述绕线模块中转轴的轴头连接。

优选的，所述柔性机械臂中每个关节的第一穿线孔均设有N组，每组穿线孔均设有至少n个第一穿线孔，同组的第一穿线孔绕同一中心点集中设置，N组第一穿线孔沿关节的周向均匀分布。

优选的，所述柔性机械臂驱动装置还包括上固定板、下固定板以及用于将柔性机械臂与上固定板连接的机械臂底座，所述上固定板上沿周向均匀开设有N组第三穿线孔，每组第三穿线孔均设有至少n个第三穿线孔，并与位于上端的固定支架上的n个通孔一一对应；所述机械臂底座的上端面沿周向均匀开设有N组第二穿线孔，每组第二穿线孔均设有至少n个第二穿线孔，同组的第二穿线组绕同一中心点集中设置，所述柔性机械臂中的第一穿线孔与所述机械臂底座上端面的第二穿线孔对应设置，所述绳索的另一端分别绕于对应的绕线机构后，依次穿过对应的第三穿线孔后再从端部穿过各关节的第一穿线孔直至到达该绳索所驱动的对应关节处后与其连接。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明通过每组驱动模块对多条绳索进行联动控制，臂段内的同向自由度彼此联合运动，整臂弯曲时的外形曲率一致，在不增加电机数量的情况下实现机器人二自由度的运动，提高了柔性机械臂运动的稳定性，增加了机器人整体的可控性和刚度。本发明结构简单，易于操作，降低了制作成本。

另外，本发明的驱动模块放置于机械臂的底部并与之分离，使得臂段轻质、体积小；同时，电机、控制电路和电源等不易受到温度、接触物质等外部环境的影响，具有良好的实用性。

附图说明

图1为实施例1的整体结构示意图。

图2为实施例2的整体结构示意图。

图3为图2转过另一角度的结构示意图。

图4为实施例2中绕线模块组装后的示意图。

图5为实施例2中绕线模块的拆解示意图。

图6为实施例2中绕线盘的结构示意图。

图7为图6的剖视图。

图8为图6的平面图。

图9为实施例2中各个通孔的轴线与其对应的线槽相切于同一条直线的示意图。

图10为实施例2中各个通孔的轴线与其对应的线槽不相切于同一条直线的示意图。

图11为实施例2中位于上端的固定支架的结构示意图。

图12为实施例2中位于下端的固定支架的结构示意图。

图13为实施例2中上固定板的示意图。

图14为实施例2中下固定板的示意图。

图15为实施例2柔性机械臂驱动装置整体未安装于柔性机械臂时的示意图。

图16为实施例2中驱动模块的示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种多关节联合运动的柔性机械臂驱动装置，应用于包括多个关节的柔性机械臂，包括N组驱动模块1；N组绳索2，每组绳索2中均包括n根绳索2；N组绕线模块3，每组绕线模块3均设有至少n个绕线机构；在同一组绳索2中，不同绳索2均由同一组绕线模块3及驱动模块1所驱动，且不同绳索2用于驱动柔性机械臂的不同关节，所述绳索2的一端分别与同一组绕线模块3中的不同绕线机构固定连接，绳索2的另一端分别绕于对应的绕线机构后，依次从端部穿过各关节的第一穿线孔直至到达该绳索2所驱动的对应关节处后与其连接；每组驱动模块1的输出端与对应的绕线模块3输入端连接；其中N和n均为正整数，在本实施例1中，柔性机械臂共有6个关节，N为3，n为6。

在本实施例1中，每组驱动模块1同时对6条绳索2进行驱动控制，由于该6条绳索2分别绕于6个不同的绕线机构上，因此利用同一组驱动模块1亦可实现该6条绳索2收放不同的长度，6条绳索2分别驱动于柔性机械臂的6个关节，即同组联合运动的绳索2可驱动不同的关节，使得各个关节杆弯曲角度相同，操作臂等曲率弯曲，最终通过三组绳索2协同变化长度实现关节的弯曲变形。区别于现有的通过单根绳索2连接末端关节来进行整段机械臂控制，解决了其欠驱动及稳定性差的问题。

实施例2

本实施例2提供了一种多关节联合运动的柔性机械臂驱动装置，如图2和3所示，应用于包括6个关节的柔性机械臂，其中每个关节的第一穿线孔均设有3组，每组第一穿线孔均设有至少6个第一穿线孔，同组的第一穿线孔绕同一中心点集中设置，3组第一穿线孔沿关节的周向均匀分布；多关节联合运动的柔性机械臂驱动装置包括3组驱动模块1；3组绳索2，每组绳索2中均包括6根绳索2；3组绕线模块3，每组绕线模块3均设有至少6个绕线机构；在同一组绳索2中，不同绳索2均由同一组绕线模块3及驱动模块1所驱动，且不同绳索2用于驱动柔性机械臂的不同关节，所述绳索2的一端分别与同一组绕线模块3中的不同绕线机构固定连接，绳索2的另一端分别绕于对应的绕线机构后，依次从端部穿过各关节的第一穿线孔直至到达该绳索2所驱动的对应关节处后与其连接；每组驱动模块1的输出端与对应的绕线模块3输入端连接。

下面对该柔性机械臂驱动装置的各个组成部分进行详细说明：

一、如图4～8所示，绕线模块3包括绕线盘31、转轴32、固定装置，所述转轴32与固定装置转动连接，所述转轴32的一端与驱动模块1的输出端连接，所述绕线盘31通过转轴32与固定装置转动连接；所述绕线盘31为锥台形，绕线盘31盘身的外侧沿轴向依次开设至少6个线槽33，6个线槽33的横截面为圆形且对应于不同的半径大小；所述线槽33上设有径向通孔331，该径向通孔331内内设有沉头孔332，绳索2一端伸入径向通孔331内，然后通过沉头孔332将绳索2一端的结头固定住，这种绳索2与线槽33的连接方式可以不破坏线槽33的圆弧度。

在该绕线模块3中，由于6条绳索2分别绕于6个不同半径的线槽33上，6条绳索2分别驱动于柔性机械臂的6个关节，绳索2缠绕时所选择的线槽33半径与其该绳索2所驱动关节的远近距离一致，如位于柔性机械臂最远端的关节的绳索2缠绕于半径最大的线槽33上，位于柔性机械臂最近段的关节的绳索2缠绕于半径最小的线槽33上，当绕线盘31转动时即可带动6根绳索2联合运动，同时收放。

当柔性机械臂各个关节的长度一致，线槽33半径成倍数增加时，可使柔性机械臂等曲率弯曲：

绕线盘31最小线槽33半径为r1，缠绕的绳索2连接第一个关节，当绕线盘31转动θ角度后，此根绳索2的变化X1＝r1*θ，使第一关节与底座弯曲曲率半径R1。

第二个的线槽33半径为r2＝2*r1缠绕的绳索2连接第二个关节，绳索2变化X2＝r2*θ＝2*X1，第二关节与第一关节间的绳索2变化量为X2-X1＝X1，第二关节与第一关节弯曲曲率半径同为R1。

同理，柔性机械臂各个关节弯曲角度一致；通过改变绕线盘31线槽33的设计半径，可以使特定工作环境下应用的机器人操作臂实现特定曲率弯曲。

二、如图11和12所示，所述固定装置包括两个相对设置的固定支架34，所述固定支架34包括两支脚，支脚处有一凹陷部341，所述凹陷部341处设有与其形状大小相匹配的轴承瓦342，两支脚的凹陷部341相对设置后形成一闭合固定部，所述转轴32的两端分别由两个闭合固定部伸出并形成轴颈321和轴头322，所述绕线盘31通过转轴32设于两个固定支架34形成的空腔内；其中安装后位于上端的固定支架34上设有至少6个通孔343，这些通孔343与所述线槽33一一对应配合，使得各个通孔343的轴线与其对应的线槽33相切于同一条直线，如图9所示，以减少绳索2的拐弯，从而减少摩擦，提高各关节运动控制的顺滑度。

三、如图16所示，所述驱动模块1包括安装座11以及安装在所述安装座11上的电机12、减速器13、联轴器；所述电机12的输出轴与减速器13的一端连接，所述减速器13另一端的轴头与联轴器的一端连接，所述联轴器的另一端与所述绕线模块3中转轴32的轴头322连接。

如图13和14所示，所述柔性机械臂驱动装置还包括上固定板4、下固定板5以及用于将柔性机械臂与上固定板4连接的机械臂底座6，所述上固定板4上沿周向均匀开设有3组第三穿线孔41，每组第三穿线孔41均设有至少6个第三穿线孔41，并与位于上端的固定支架上的6个通孔343一一对应；所述机械臂底座6的上端面沿周向均匀开设有3组第二穿线孔61，每组第二穿线孔61均设有至少6个第二穿线孔61，同组的第二穿线组绕同一中心点集中设置，所述柔性机械臂中的第一穿线孔与所述机械臂底座6上端面的第二穿线孔61对应设置，绳索2的另一端分别绕于对应的绕线机构后，每根绳索2从上固定板4上对应的第三穿线孔41穿出，然后同一组的绳索2穿入机械臂底座6的上端面的同一组第二穿线孔61中，从而将分散的绳索2汇集于一侧；汇集后的绳索2依次穿过对应的第三穿线孔41后再从端部穿过各关节的第一穿线孔直至到达该绳索2所驱动的对应关节处后与其连接。

四、连接方式

在本实施例2中，如图15所示，机械臂底座6与上固定板4的连接、上固定板4与各上端固定支架34的连接、下端固定支架34与下固定板5的连接、以及安装座11与下固定板5的连接均采用螺栓连接的方式，在实际应用时亦可以采用卡勾连接、焊连接、胶粘连接等可拆卸连接或不可拆卸连接方式。

本实施例2的柔性机械臂驱动装置与柔性机械臂整体装配好的示意图如图2和3所示，驱动模块1设置于机械臂的底部并与之分离，在三个电机12的驱动作用下，三个绕线盘31分别进行转动从而驱动缠绕在各个线槽33的绳索2收放不同的长度，即在同一个电机12的驱动作用下可以实现6条绳索2收放不同的长度，6条绳索2分别驱动于柔性机械臂的6个关节，即同组联合运动的绳索2可驱动不同的关节，使得各个关节杆弯曲角度相同，操作臂等曲率弯曲，最终通过三组绳索2协同变化长度实现关节的弯曲变形，从而实现柔性机械臂的两自由度弯曲。区别于现有的通过单根绳索2连接末端关节来进行整段机械臂控制，解决了其欠驱动及稳定性差的问题；同时使得柔性机械臂的臂段轻质、体积小，更易于操作和控制。

实施例3

本实施例3为以上实施例2的变化例，其区别在于固定支架34上设置的6个通孔343，这些通孔343与所述线槽33一一对应配合，并且绳索2在这些通孔343处增多拐弯，如图10所示。

需要说明的是，以上各个实施例提供的柔性机械臂驱动装置，用于其供电的电源装置、电机、减速器、联轴器在现有机械臂领域中具有通用性，可在市场上获得，因此各实施例中并未对它们的具体电路结构、供电方式、型号等进行限定，本领域技术人员可根据本申请说明书提供的技术方案自行选择。

另外，上述的各个实施例可以相互结合。

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多关节联合运动的柔性机械臂驱动装置，应用于包括多个关节的柔性机械臂，其特征在于，包括N组驱动模块；N组绳索，每组绳索中均包括n根绳索；N组绕线模块，每组绕线模块均设有至少n个绕线机构；在同一组绳索中，不同绳索均由同一组绕线模块及驱动模块所驱动，且不同绳索用于驱动柔性机械臂的不同关节，所述绳索的一端分别与同一组绕线模块中的不同绕线机构固定连接，绳索的另一端分别绕于对应的绕线机构后，依次从端部穿过各关节的第一穿线孔直至到达该绳索所驱动的对应关节处后与其连接；每组驱动模块的输出端与对应的绕线模块的输入端连接；其中N和n均为正整数；

所述绕线模块包括绕线盘、转轴、固定装置，所述转轴与固定装置转动连接，所述转轴的一端与驱动模块的输出端连接，所述绕线盘通过转轴与固定装置转动连接；所述绕线盘为锥台形，绕线盘盘身的外侧沿轴向依次开设至少n个线槽，所述线槽上设有用于固定绳索一端的固定件；

所述线槽上设置的固定件为径向通孔，所述径向通孔内内设有沉头孔，用于固定绳索一端的结头。

2.根据权利要求1所述的多关节联合运动的柔性机械臂驱动装置，其特征在于，所述固定装置包括两个相对设置的固定支架，所述固定支架包括两支脚，支脚处有一凹陷部，所述凹陷部处设有与其形状大小相匹配的轴承瓦，两支脚的凹陷部相对设置后形成一闭合固定部，所述转轴的两端分别由两个闭合固定部伸出并形成轴颈和轴头，所述绕线盘通过转轴设于两个固定支架形成的空腔内；其中安装后位于上端的固定支架上设有至少n个通孔。

3.根据权利要求2所述的多关节联合运动的柔性机械臂驱动装置，其特征在于，所述通孔与所述线槽一一对应配合，使得各个通孔的轴线与其对应的线槽相切于同一条直线。

4.根据权利要求2所述的多关节联合运动的柔性机械臂驱动装置，其特征在于，所述驱动模块包括安装座以及安装在所述安装座上的电机、减速器、联轴器；所述电机的输出轴与减速器的一端连接，所述减速器另一端的轴头与联轴器的一端连接，所述联轴器的另一端与所述绕线模块中转轴的轴头连接。

5.根据权利要求4所述的多关节联合运动的柔性机械臂驱动装置，其特征在于，所述柔性机械臂中每个关节的第一穿线孔均设有N组，每组穿线孔均设有至少n个第一穿线孔，同组的第一穿线孔绕同一中心点集中设置，N组第一穿线孔沿关节的周向均匀分布。

6.根据权利要求5所述的多关节联合运动的柔性机械臂驱动装置，其特征在于，所述柔性机械臂驱动装置还包括上固定板、下固定板以及用于将柔性机械臂与上固定板连接的机械臂底座，所述上固定板上沿周向均匀开设有N组第三穿线孔，每组第三穿线孔均设有至少n个第三穿线孔，并与位于上端的固定支架上的n个通孔一一对应；所述机械臂底座的上端面沿周向均匀开设有N组第二穿线孔，每组第二穿线孔均设有至少n个第二穿线孔，同组的第二穿线组绕同一中心点集中设置，所述柔性机械臂中的第一穿线孔与所述机械臂底座上端面的第二穿线孔对应设置，所述绳索的另一端分别绕于对应的绕线机构后，依次穿过对应的第三穿线孔后再从端部穿过各关节的第一穿线孔直至到达该绳索所驱动的对应关节处后与其连接。

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