CN110802584A - 一种绳驱多关节柔性机械臂及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绳驱多关节柔性机械臂，包括若干沿轴线方向串联的关节杆单元，在任一相邻两个关节杆单元中，一关节杆单元的底端部分套设于另一关节杆单元的顶端，且一关节杆单元的顶端与另一关节杆单元的顶端通过弹簧组件进行柔性连接，一关节杆单元的底端与另一关节杆单元的顶端通过弹簧组件进行柔性连接，关节杆单元上设有若干穿绳孔。该机械臂发生接触或碰撞的外部力可经由各关节杆单元和弹簧组件组成的载荷路径迅速分散从而避免机械臂与目标产生刚性碰撞冲击，适应于非合作目标捕获；通过使弹簧组件发生弹性形变，驱动关节杆单元间的相对转动，从而控制该机械臂的弯曲变形。

Description

一种绳驱多关节柔性机械臂及机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种绳驱多关节柔性机械臂及机器人。

背景技术

超冗余机械臂灵活性高、变形量大、柔顺性好，可以改变自身形状和尺寸以适应环境和目标，常用于避障机器人或缠绕捕获目标的机器人。现有超冗余机械臂包括：气动软体机械臂和多关节刚性机械臂等。其中气动软体机械臂对制作材料的性能要求高，并且依赖气源，机械臂的变形小和慢。多关节刚性机械臂通常设置多个关节杆，多个关节杆相互连接，现有的机械臂关节多为刚性连接。

传统的机械臂在关节处通过电机驱动，其刚性机械臂重量重、驱动结构复杂、可达操作空间受限。刚性机械臂通常利用末端执行器进行工作，这对末端执行器的高精度控制提出了巨大挑战，同时严重依赖结构化环境和目标结构特性，需要已知服务对象的构型，只适合应用于规则形状的目标或者特定的环境。

基于绳驱的多关节机械臂，通过驱动绳索带动关节杆绕关节运动而实现关节杆之间的相互运动，关节部分多采用十字万向节或球铰链等刚性机构作为可转动部分的转动关节，此类关节结构复杂、重量大、转动范围小，灵活性不高，连接处容易磨损，且在抓捕目标时存在刚性碰撞风险，刚性碰撞易导致机器人本身或目标物体损害。

综上所述，以上利用刚性机构的机械臂在复杂未知环境下的操控、自由翻滚状态下非合作目标的抓捕下使用均存在巨大困难，难以适应于非合作目标捕获、非结构环境操控等的机器人，对机器人发展带来的挑战。

发明内容

本发明为解决现有的刚性机械臂结构复杂、灵活性差、容易发生刚性碰撞，难以应用于在复杂未知环境下的操控、非合作目标捕获的情况，提供了一种绳驱多关节柔性机械臂。

为实现以上发明目的，而采用的技术手段是：

一种绳驱多关节柔性机械臂，包括若干关节杆单元，所述关节杆单元沿轴线方向串联，在任一相邻两个关节杆单元中，一关节杆单元的底端部分套设于另一关节杆单元的顶端，且一关节杆单元的顶端与另一关节杆单元的顶端通过弹簧组件进行柔性连接，一关节杆单元的底端与另一关节杆单元的顶端通过弹簧组件进行柔性连接，所述关节杆单元上设有若干穿绳孔，所述穿绳孔沿周向均匀分布。

上述方案中，由于机械臂的各个关节杆单元通过弹簧组件进行柔性连接，沿轴线方向堆叠形成柔性机械臂结构，可以通过使弹簧组件发生收缩或拉长的弹性形变，带动机械臂的一关节杆单元相对另一关节杆单元运动，从而带动各个关节杆单元转动，控制机械臂的位置和形状；其中使弹簧组件发生弹性形变既可在穿绳孔处设置驱动绳索并控制驱动绳索的长短实现，亦可使用智能材料驱动器等的弹性组件使其发生主动形变；同时机械臂发生接触或碰撞的外部力可经由各关节杆单元和弹簧组件组成的载荷路径迅速分散从而避免机械臂与目标产生刚性碰撞冲击。

优选的，所述关节杆单元包括环形支架、至少三条支脚以及集中件，所述支脚的一端与所述环形支架连接且沿所述环形支架的周向均匀分布，所述支脚的另一端汇聚后与集中件连接，所述环形支架的外侧壁上设有若干外弹簧固定件，所述环形支架的下侧壁上设有若干第一内弹簧固定件，所述第一内弹簧固定件与外弹簧固定件的位置相对应且沿所述环形支架的周向均匀分布，所述集中件的外侧壁上设有若干第二内弹簧固定件；在任一相邻两个关节杆单元中，一关节杆单元的外弹簧固定件与另一个关节杆单元对应的外弹簧固定件处通过弹簧组件进行柔性连接，一关节杆单元的第一内弹簧固定件与另一关节杆单元对应的第二内弹簧固定件处通过弹簧组件进行柔性连接。在本优选方案中，所述关节杆单元整体近似锥形，各个关节杆单元通过弹簧组件进行集成和组装，拆装方便，便于针对不同的需求增减关节杆单元的数量。

优选的，所述环形支架的外侧壁向圆周外侧延伸形成至少三个延伸部，所述穿绳孔分别开设在所述延伸部上，所述穿绳孔内均设置有驱动绳索且驱动绳索通过所述穿绳孔依次贯穿所有关节杆单元。在本优选方案中，在每个穿绳孔内分别设有驱动绳索，驱动绳索依次贯穿各个关节杆单元，在最末端的关节杆单元处通过目前机械臂领域通用的驱动装置对驱动绳索进行收放控制，三条驱动绳索之间的协同配合变化长度以驱动关节杆单元间的相对转动。如在一个方向上弯曲关节杆单元，驱动装置驱动绳索，缩短一根、伸长另外两根；如在相反方向上弯曲，缩短另外两根、伸长此根。另外，驱动装置的数目与驱动绳索对应即可实现机械臂的弯曲动作，可进一步减轻机械臂的质量。

优选的，所述环形支架以及至少三条支脚形成对称结构。

优选的，所述外弹簧固定件包括外弹簧卡槽，所述第一内弹簧固定件包括第一内弹簧卡槽，所述第二内弹簧固定件包括第二内弹簧卡槽，所述外弹簧卡槽、第一内弹簧卡槽及第二内弹簧卡槽上均开设销孔，用于固定连接所述弹簧组件。

优选的，所述弹簧组件包括外弹簧和内弹簧，在任一相邻两个关节杆单元中，一关节杆单元的外弹簧固定件与另一关节杆单元对应的外弹簧固定件处通过外弹簧连接，一关节杆单元的第一内弹簧固定件与另一关节杆单元对应的第二内弹簧固定件处通过内弹簧连接。在本优选方案中，通过内弹簧的拉力和外弹簧反方向的拉力，使关节杆单元的结构稳定。

优选的，所述外弹簧和内弹簧均为拉弹簧，其两端分别设有拉钩，所述拉弹簧通过销钉将拉钩铰接于销孔处。在本优选方案中，拉弹簧的拉钩伸入卡槽中并通过销钉在销孔处进行铰接，使得拉弹簧的拉钩可在卡槽中旋转，从而尽可能使外弹簧和内弹簧仅存在拉伸行为，避免弹簧本身的弯曲。

本发明还提供了一种机器人，包括绳驱多关节柔性机械臂，所述绳驱多关节柔性机械臂为上述的绳驱多关节柔性机械臂。由于该绳驱多关节柔性机械臂结构简单轻便、灵活度高，且可以避免机械臂与目标产生刚性碰撞冲击，使用该绳驱多关节柔性机械臂的机器人可以应于非合作目标捕获和非结构环境操控，适用于在太空复杂环境下进行特种作业，或应用于地面复杂环境下代替人类实现特种作业，其具有广阔的前景与应用价值。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提供的绳驱多关节柔性机械臂，各个关节杆单元之间通过弹簧组件进行柔性连接，沿轴线方向堆叠形成柔性机械臂结构，因此发生接触或碰撞的外部力可经由各关节杆单元和弹簧组件组成的载荷路径迅速分散从而避免机械臂与目标产生刚性碰撞冲击，适应于非合作目标捕获；通过使各个关节杆单元之间的弹簧组件发生收缩或拉长的弹性形变，驱动关节杆单元间的相对转动，从而控制该机械臂的弯曲变形。

使弹簧组件发生弹性形变既可在穿绳孔处设置驱动绳索并控制驱动绳索的长短实现，亦可使用智能材料驱动器等的弹性组件使其发生主动形变，提高了本发明机械臂的适用性；柔性连接的关节杆单元可操作性强，具备大角度范围弯曲运动的功能，同时机械臂整体柔软，变形灵活，具备更强的避障能力，适用于非结构化环境。

另外，绳驱多关节柔性机械臂的柔性连接方式，使得各个关节杆单元之间具有可主动伸缩长度和可重复收展的潜力，使其具有小质量和小空间占比的特点；绳驱多关节柔性机械臂由各个关节杆单元通过弹簧组件进行集成和组装，拆装方便，便于针对不同的需求增减关节杆单元的数量。

本发明提供的绳驱多关节柔性机械臂和机械臂解决了现有的刚性机械臂结构复杂、灵活性差、容易发生刚性碰撞，难以应用于在复杂未知环境下的操控、非合作目标捕获的情况的问题。

附图说明

图1为实施例1中绳驱多关节柔性机械臂的结构示意图。

图2为实施例1中绳驱多关节柔性机械臂装配驱动绳索后的结构示意图。

图3为实施例2中绳驱多关节柔性机械臂的结构示意图。

图4为图3转过另一角度的结构示意图。

图5为实施例2中绳驱多关节柔性机械臂弯曲状态的示意图。

图6为实施例2中绳驱多关节柔性机械臂中关节杆单元的结构示意图。

图7为图6转过另一角度的结构示意图。

图8为实施例2中绳驱多关节柔性机械臂中关节杆单元的俯视图。

图9为实施例2中外弹簧的结构示意图。

图10为实施例2中内弹簧的结构示意图。

图11为实施例2中内销钉的结构示意图。

图12为实施例2中绳驱多关节柔性机械臂去除外弹簧的结构示意图。

图13为实施例3中绳驱多关节柔性机械臂的结构示意图。

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

一种绳驱多关节柔性机械臂，如图1所示，包括若干关节杆单元2(图1中画出了其中两个相邻的关节杆单元2)，所述关节杆单元2沿轴线方向串联，在任一相邻两个关节杆单元2中，一关节杆单元2的底端部分套设于另一关节杆单元2的顶端，且一关节杆单元2的顶端与另一关节杆单元2的顶端通过弹簧组件3进行柔性连接，一关节杆单元2的底端与另一关节杆单元2的顶端通过弹簧组件3进行柔性连接，所述关节杆单元2上设有若干穿绳孔4，所述穿绳孔4沿周向均匀分布。

本实施例1提供的绳驱多关节柔性机械臂，机械臂的各个关节杆单元2通过弹簧组件3进行柔性连接，其数量可以根据实际需求进行增减，所有关节杆单元2沿轴线方向堆叠形成柔性机械臂结构，可以通过使弹簧组件3发生收缩或拉长的弹性形变，带动机械臂的一关节杆单元2相对另一关节杆单元2运动，从而带动各个关节杆单元2发生转动，控制机械臂的位置和形状；同时机械臂发生接触或碰撞的外部力可经由各关节杆单元2和弹簧组件3组成的载荷路径迅速分散从而避免机械臂与目标产生刚性碰撞冲击。

其中使弹簧组件3发生弹性形变有多种控制方式，本实施例1对于其举例如下：

例1、弹簧组件3使用可主动伸长和缩短的智能材料驱动器，使弹簧组件3发生收缩或拉长的弹性形变，带动机械臂的一关节杆单元2相对另一关节杆单元2运动，从而带动各个关节杆单元发生转动，控制机械臂的位置和形状。

例2、如图2所示，在每个穿绳孔4内分别设置驱动绳索1，每条驱动绳索1分别通过穿绳孔4依次贯穿所有关节杆单元2，本实施例1的举例中，穿绳孔4和驱动绳索1的数量均为三，通过目前机械臂领域通用的驱动装置对驱动绳索1分别进行收放控制(如公开号为CN105058423A的专利文献中有详细说明)，首先驱动绳索1保持拉紧状态，机械臂的形态由驱动绳索1长度确定，通过三条驱动绳索1之间的协同配合变化长度(伸长或者缩短)，带动机械臂的一关节杆单元2相对另一关节杆单元2运动，控制机械臂的位置和形状。如定义三根驱动绳索1分别为驱动绳索11、驱动绳索12、驱动绳索13，在一个方向上弯曲关节杆单元2，驱动装置控制缩短驱动绳索11，伸长驱动绳索12、驱动绳索13即可；若要实现在相反方向上弯曲，则缩短驱动绳索12、驱动绳索13、伸长驱动绳索11。以此类推，通过三根驱动绳索1长度伸缩的配合，可使得关节杆单元2在任意方向弯曲。如需要控制绳驱多关节柔性机械臂整体的长度，则将三根驱动绳索1同时缩短，此时弹簧组件3被压缩，绳驱多关节柔性机械臂变短；反之，绳驱多关节柔性机械臂变长。

由于弹簧组件3自身可以帮助稳定整体结构，即使在无驱动绳索1或驱动绳索1松弛情况下，绳驱多关节柔性机械臂也可以达到一种稳定状态。

需要说明的是，本实施例1提供的绳驱多关节柔性机械臂中，由于驱动装置在现有机械臂领域中具有通用性，可在市场上获得，其供电方式以及如何进行控制驱动的原理亦为现有技术，因此在本实施例1中并未对驱动装置的具体电路结构、工作原理等进行限定，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。

实施例2

一种绳驱多关节柔性机械臂，如图3～5所示，包括若干关节杆单元2，所述关节杆单元2沿轴线方向串联，在任一相邻两个关节杆单元2中，一关节杆单元2的底端部分套设于另一关节杆单元2的顶端，且一关节杆单元2的顶端与另一关节杆单元2的顶端通过弹簧组件3进行柔性连接，一关节杆单元2的底端与另一关节杆单元2的顶端通过弹簧组件3进行柔性连接。

其中如图6～8所示，所述关节杆单元2包括环形支架21、三条支脚22以及集中件23，所述支脚22的一端与所述环形支架21连接且沿所述环形支架21的周向均匀分布，所述支脚22的另一端汇聚后与集中件23连接，形成对称结构；

所述环形支架21的外侧壁向圆周外侧延伸形成三个延伸部，所述穿绳孔4分别开设在所述延伸部上，所述穿绳孔4内均设置有驱动绳索1且驱动绳索1通过所述穿绳孔4依次贯穿所有关节杆单元2；

所述环形支架21的外侧壁上设有三个外弹簧卡槽24，所述环形支架21的下侧壁上设有三个第一内弹簧卡槽26，所述第一内弹簧卡槽26与外弹簧卡槽24的位置相对应且沿所述环形支架21的周向均匀分布，所述集中件23的外侧壁上设有三个第二内弹簧卡槽27；所述外弹簧卡槽24、第一内弹簧卡槽26及第二内弹簧卡槽27上均开设销孔，用于固定连接所述弹簧组件33；如图9～11所示，其中弹簧组件33包括外弹簧31和内弹簧32，它们均使用拉弹簧，该拉弹簧的两端分别设有拉钩；在相邻的两个关节杆单元2中，其中一个关节杆单元2的外弹簧卡槽24与另一个关节杆单元2对应的外弹簧卡槽24处通过外弹簧31连接，即外弹簧31两端的拉钩分别通过销钉铰接于两个外弹簧卡槽24的销孔处，其中一个关节杆单元2的第一内弹簧卡槽26与另一个关节杆单元2对应的第二内弹簧卡槽27处通过内弹簧32连接，即内弹簧32两端的拉钩分别通过销钉铰接于第一内弹簧卡槽26和第二内弹簧卡槽27的销孔处。

本实施例2提供的绳驱多关节柔性机械臂，机械臂的各个关节杆单元2通过弹簧组件3进行柔性连接，其数量可以根据实际需求进行增减，所有关节杆单元2沿轴线方向堆叠形成柔性机械臂结构，可以通过使弹簧组件3发生收缩或拉长的弹性形变，驱动关节杆单元2间的相对转动，从而控制该机械臂的弯曲变形；同时机械臂发生接触或碰撞的外部力可经由各关节杆单元2和弹簧组件3组成的载荷路径迅速分散从而避免机械臂与目标产生刚性碰撞冲击。

其中使弹簧组件3发生弹性形变有多种控制方式，本实施例2对于其举例如下：

例1、外弹簧31使用可主动伸长和缩短的智能材料驱动器，如图3和4所示，使外弹簧31发生收缩或拉长的弹性形变，此时各个关节杆单元2均能独立运动，即带动各个关节杆单元发生转动，控制机械臂的位置和形状。如需要控制绳驱多关节柔性机械臂整体的长度，则同时压缩三个外弹簧31，绳驱多关节柔性机械臂变短；反之，绳驱多关节柔性机械臂变长。外弹簧31可帮助稳定整体结构，即使在无驱动绳索1的情况下，绳驱多关节柔性机械臂也可以达到一种稳定状态。

例2、如图5所示，通过目前机械臂领域通用的驱动装置对驱动绳索1进行收放控制(如公开号为CN105058423A的专利文献中有详细说明)。首先驱动绳索1保持拉紧状态，机械臂的形态由驱动绳索1长度确定，通过三条驱动绳索1之间的协同配合变化长度(伸长或者缩短)，带动机械臂的一关节杆单元2相对另一关节杆单元2运动，控制机械臂的位置和形状。如定义三根驱动绳索1分别为驱动绳索11、驱动绳索12、驱动绳索13，在一个方向上弯曲关节杆单元2，驱动装置控制缩短驱动绳索11，伸长驱动绳索12、驱动绳索13即可；若要实现在相反方向上弯曲，则缩短驱动绳索12、驱动绳索13、伸长驱动绳索11。以此类推，通过三根驱动绳索1长度伸缩的配合，可使得关节杆单元2在任意方向弯曲。如需要控制绳驱多关节柔性机械臂整体的长度，则将三根驱动绳索1同时缩短，此时弹簧组件3被压缩，绳驱多关节柔性机械臂变短；反之，绳驱多关节柔性机械臂变长。

由于外弹簧31自身可以帮助稳定整体结构，即使在驱动绳索1松弛情况下，绳驱多关节柔性机械臂也可以达到一种稳定状态。

需要说明的是，本实施例2提供的绳驱多关节柔性机械臂中，由于驱动装置在现有机械臂领域中具有通用性，可在市场上获得，其供电方式以及如何进行控制驱动的原理亦为现有技术，因此在本实施例中2并未对驱动装置的具体电路结构、工作原理等进行限定，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。

其次，本实施例2还可以有如下几种变化方式：

一、去除外弹簧31，仅依靠驱动绳索1的拉力与内弹簧32的拉力相平衡，使各个关节杆单元2稳定，如图12所示；

二、内弹簧32采用可以变化长度的智能材料，以便于实现绳驱多关节柔性机械臂的伸缩。

实施例3

本实施例3提供的绳驱多关节柔性机械臂为实施例2的变化例，其区别在于，使用时方向与实施例2相反，如图13所示，驱动绳索1向下连接至驱动装置。

实施例4

本实施例4所述绳驱多关节柔性机械臂为包括绳驱多关节柔性机械臂，所述绳驱多关节柔性机械臂为上述实施例1～3任一所述的绳驱多关节柔性机械臂。

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 (8)

1.一种绳驱多关节柔性机械臂，其特征在于，包括若干关节杆单元，所述关节杆单元沿轴线方向串联，在任一相邻两个关节杆单元中，一关节杆单元的底端部分套设于另一关节杆单元的顶端，且一关节杆单元的顶端与另一关节杆单元的顶端通过弹簧组件进行柔性连接，一关节杆单元的底端与另一关节杆单元的顶端通过弹簧组件进行柔性连接，所述关节杆单元上设有若干穿绳孔，所述穿绳孔沿周向均匀分布。

2.根据权利要求1所述的绳驱多关节柔性机械臂，其特征在于，所述关节杆单元包括环形支架、至少三条支脚以及集中件，所述支脚的一端与所述环形支架连接且沿所述环形支架的周向均匀分布，所述支脚的另一端汇聚后与集中件连接，所述环形支架的外侧壁上设有若干外弹簧固定件，所述环形支架的下侧壁上设有若干第一内弹簧固定件，所述第一内弹簧固定件与外弹簧固定件的位置相对应且沿所述环形支架的周向均匀分布，所述集中件的外侧壁上设有若干第二内弹簧固定件；在任一相邻两个关节杆单元中，一关节杆单元的外弹簧固定件与另一个关节杆单元对应的外弹簧固定件处通过弹簧组件进行柔性连接，一关节杆单元的第一内弹簧固定件与另一关节杆单元对应的第二内弹簧固定件处通过弹簧组件进行柔性连接。

3.根据权利要求2所述的绳驱多关节柔性机械臂，其特征在于，所述环形支架的外侧壁向圆周外侧延伸形成至少三个延伸部，所述穿绳孔分别开设在所述延伸部上，所述穿绳孔内均设置有驱动绳索且驱动绳索通过所述穿绳孔依次贯穿所有关节杆单元。

4.根据权利要求2所述的绳驱多关节柔性机械臂，其特征在于，所述环形支架以及至少三条支脚形成对称结构。

5.根据权利要求2所述的绳驱多关节柔性机械臂，其特征在于，所述外弹簧固定件包括外弹簧卡槽，所述第一内弹簧固定件包括第一内弹簧卡槽，所述第二内弹簧固定件包括第二内弹簧卡槽，所述外弹簧卡槽、第一内弹簧卡槽及第二内弹簧卡槽上均开设销孔，用于固定连接所述弹簧组件。

6.根据权利要求5所述的绳驱多关节柔性机械臂，其特征在于，所述弹簧组件包括外弹簧和内弹簧，在任一相邻两个关节杆单元中，一关节杆单元的外弹簧固定件与另一关节杆单元对应的外弹簧固定件处通过外弹簧连接，一关节杆单元的第一内弹簧固定件与另一关节杆单元对应的第二内弹簧固定件处通过内弹簧连接。

7.根据权利要求6所述的绳驱多关节柔性机械臂，其特征在于，所述外弹簧和内弹簧均为拉弹簧，其两端分别设有拉钩，所述拉弹簧通过销钉将拉钩铰接于销孔处。

8.一种机器人，包括绳驱多关节柔性机械臂，其特征在于，所述绳驱多关节柔性机械臂为权利要求1～7任一项所述的绳驱多关节柔性机械臂。

Images