CN110900592A - 一种基于绳驱动的可重构冗余机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于绳驱动的可重构冗余机械臂，属于机器人研究与工程领域。本发明的冗余机械臂由多个关节单元组成，其关节单元主要包括第一关节、第二关节、第三关节、可伸缩耳轴、双向电动推杆、外螺纹型轴承以及内嵌弹簧的硅胶波纹管，关节内置的双向电动推杆与可伸缩耳轴相连接，两关节间通过外螺纹型轴承将耳轴固定形成单自由度旋转关节并包覆有硅胶波纹管。方法使用电动推杆提供驱动而改变耳轴的位置与等效耳轴高度，从而实现关节机构的重构。本发明的耳轴收缩时关节间间隙减小，整体冗余机械臂刚度与控制精度提高；耳轴伸展时关节间隙增大，冗余臂转动角度范围增大并具有更大的末端操作空间。

Description

一种基于绳驱动的可重构冗余机械臂

技术领域

本发明涉及机器人研究与工程领域，具体是指一种基于绳驱动的可重构冗余机械臂。

背景技术

随着工业以及科技的高速发展，智能制造、核电设备检修、灾后勘探等诸多领域面临着非结构化的复杂工作环境，需要克服多障碍、空间狭小等困难，传统关节式机械臂往往难以满足受限空间的工作要求，而多自由度、运动灵活的冗余机械臂则成为众多学者的研究对象。

绳驱动的冗余机械臂相较于其他驱动方式的冗余机械臂，将传动部分与臂身机构分开，实现远程动力传输，具有更强的环境适应能力、使用寿命与更高的控制精度。现有的绳驱动冗余臂的关节部分主要采用十字轴万向节连接为主，并在此基础上增加弹性元件、变刚度机构、线绳拉力传感器等来提高控制精度，但忽略了关节部分转角受限的问题，为提高末端负载能力采用紧凑关节连接，对于实际复杂工况缺乏适应能力。

基于此，本发明提供了一种基于绳驱动的可重构冗余机械臂关节机构。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种基于绳驱动的可重构冗余机械臂关节机构，为解决多种实际复杂工况提供应对策略。本发明关节采用可伸缩耳轴调节结构作为传统冗余臂末端的拓展，耳轴收缩时关节间间隙减小，整体冗余机械臂刚度与控制精度提高，耳轴伸展时关节间隙增大，冗余臂转动角度范围增大并具有更大的末端操作空间，可针对不同工况切换冗余臂构型；伸缩部分采用锥齿轮与丝杆结合的电动推杆结构；为避免大转角时绳索与十字轴中间件之间的干涉问题，将单个两自由度十字轴关节拆解为两个单自由度转动关节，单个关节分别由两根绳索控制；关节部分两侧连杆端面处设有内嵌弹簧单元的硅胶波纹管，增加关节单元的安全性与使用寿命。

本发明的可重构冗余臂关节，是采用以下技术方案实现的：

一种基于绳驱动的可重构冗余机械臂，整个冗余机械臂由多个关节机构单元提供多自由度组成，该关节机构单元由第一关节、第二关节、第三关节和关节件连接组成。

所述第一关节包含关节外壳、直线传动机构、伸缩耳轴、微型电机。

所述第二关节通过外螺纹型轴承与第一关节连接固定在一起，内部结构和第一关节相同，也包含关节外壳、直线传动机构、伸缩耳轴、微型电机，并通过下一级关节连接，连接到第三关节处。

所述关节件由关节外壳、直线传动机构、伸缩耳轴与微型电机组成；关节外壳由布线圆盘与分体式外壳组成，布线圆盘与分体式外壳通过固定螺栓紧定，两侧外壳间通过固定螺栓配合紧定，两侧外壳中心配合处的凹槽固定有微型电机。

所述直线传动机构由锥形齿轮、传动丝杆、传动螺母和高精度轴承组成；锥形齿轮包括第一锥形齿轮和第二锥形齿轮，第一锥形齿轮与电机输出端同心配合、顶丝紧定，第二锥心齿轮与传动丝杆中间光滑处同心配合、顶丝紧定。高精度轴承固定于关节外壳内部轴向凹槽处，传动丝杆通过高精度轴承实现关节内的轴向定位。传动螺母包括第一传动螺母、第二传动螺母，第一传动螺母、第二传动螺母分别位于传动丝杆的两侧螺纹处，伸缩耳轴通过固定螺栓与传动螺母紧定配合，伸缩耳轴径向两端凸起处与外壳凹槽配合，避免耳轴沿轴向旋转。

所述关节两端布线盘处设有线孔，线孔两端倒圆角，用于进行线绳传动，两根线绳同时作用与一个关节连接处，实现关节高精度控制。

所述第二关节两侧的耳轴呈90°分布，第一关节与第二关节的关节件连接处耳轴同向，第二关节与第三关节的关节连接处耳轴同向，各个关节间连接处采用外螺纹型螺母固定，耳轴中间不包含连接杆，保证耳轴伸展时关节进行大幅度转角时线绳不会与关节处发生干涉。关节间连接处两侧采用内嵌弹簧的硅胶波纹管包覆，增加关节单元的安全性与使用寿命。

所述第一关节、第二关节和第三关节构成了可重构冗余机械臂的一个万向节转动关节单元。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

本发明优点主要表现在：采用可伸缩耳轴调节结构作为传统冗余臂末端的拓展，耳轴收缩时关节间间隙减小，整体冗余机械臂刚度与控制精度提高，耳轴伸展时关节间隙增大，冗余臂转动角度范围增大并具有更大的末端操作空间，可针对不同工况切换冗余臂构型。方法使用电动推杆提供驱动而改变耳轴的位置与等效耳轴高度，从而实现关节机构的重构，结构简单，易于构建。将单个两自由度十字轴关节拆解为两个单自由度转动关节，分别由两根绳索控制，避免绳索与关节连接处发生干涉问题，提高末端控制精度。关节部分两侧连杆端面处设有内嵌弹簧单元的硅胶波纹管，增加关节单元的安全性与使用寿命。

附图说明

图1是本发明的冗余臂耳轴收缩形态示意图；

图2是本发明的冗余臂耳轴收缩形态最大弯曲角前视示意图；

图3是本发明的冗余臂耳轴伸展形态示意图；

图4是本发明的冗余臂耳轴伸展形态最大弯曲角前视示意图；

图5是本发明的第二关节外壳示意图；

图6是本发明的第二关节传动机构示意图；

图7是本发明的第二关节爆炸视图示意图；

图8是本发明的第二关节内部剖面示意图；

图9是本发明的第一关节连接处示意图；

图10是本发明的多关节冗余臂整体装配示意图；

图中：A、第一关节，B、第一关节连接，B1、外螺纹型轴承，B2、内嵌弹簧的硅胶波纹管，C、第二关节，C1、关节外壳左侧，C2、关节外壳右侧，C3、关节外壳与布线圆盘固定螺纹孔，C4、耳轴伸缩卡槽，C5、耳轴轴向运动定位槽，C6、高精度轴承定位凹槽，C7、电机固定凹槽，C8、关节外壳固定螺纹孔，C9、电机，C10、第一锥形齿轮，C11、第二锥形齿轮，C12、传动丝杆，C13、高精度轴承，C14、传动螺母，C15、伸缩耳轴，C16、第一固定螺栓，C17、布线圆盘，C18、穿绳通孔，C19、第二固定螺栓，D、第二关节连接，E、第三关节。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明，本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。

参见图1，本发明提供的基于绳驱动的可重构冗余机械臂关节机构包含第一关节A、第二关节C、第三关节E和第一关节连接B、第二关节连接D，第一关节A和第二关节C通过第一关节连接B组合在一起，第二关节C和第三关节E通过第二关节连接D组合在一起，关节与关节连接间通过线绳连接，第一关节连接处与第二关节连接处外部包覆有内嵌弹簧的硅胶制波纹管。图1所述为本发明的冗余臂耳轴收缩形态。

参见图2，所述为本发明的冗余臂收缩形态第一关节连接处最大弯曲角示意图，第一关节A和第二关节C通过第一关节连接B组合在一起。

参见图3，所述为本发明的冗余臂耳轴伸展形态示意图，区别于图1，图三中的第一关节连接处与第二关节连接处间距明显增大，硅胶波纹管处被拉伸。

参见图4，所述为本发明的冗余臂伸展形态第一关节连接处最大弯曲角示意图，区别于图2，第一关节连接处间距增大，第一关节连接处最大弯曲角增大。

参见图5，所述为本发明的第二关节外壳示意图，包含C1关节外壳左侧，C2关节外壳右侧，C3关节外壳与布线圆盘固定螺纹孔，C4耳轴伸缩卡槽，C5耳轴轴向运动定位槽，C6高精度轴承定位凹槽，C7电机固定凹槽，C8关节外壳固定螺纹孔。C1关节外壳左侧与C2关节外壳右侧通过C7电机固定凹槽处轴向同心配合，通过C8关节外壳固定螺纹同心配合进行固定。第一关节与第三关节与第二关节具有相同的内部结构。

参见图6，所述为第二关节的内部传动示意图，C9电机的电机输出端与C10第一锥形齿轮内侧同心配合并通过顶丝进行固定，C11第二锥形齿轮内侧与C12传动丝杆进行同心配合并进行顶丝固定，C10第一锥形齿轮与C11第二锥形齿轮通过齿轮啮合，C12传动丝杆两侧均有螺纹，C14传动螺母通过内侧螺纹与传动丝杆进行螺纹配合。第一关节与第三关节与第二关节具有相同的传动机构。

参见图7，所述为第二关节的装配爆炸视图，关节外壳内侧C6高精度轴承定位凹槽与C13高精度轴承进行定位同心配合，C12传动丝杆通过C13高精度轴承与C1外壳左侧与C2外壳右侧进行同心配合，实现丝杆与外壳的轴向定位。C15伸缩耳轴与C14传动螺母通过C16第一固定螺栓进行配合固定，C15伸缩耳轴两端与C4耳轴伸缩卡槽进行配合固定且通过与C5耳轴轴向运动定位槽配合实现了C15伸缩耳轴的轴向运动。C17布线圆盘与C3关节外壳端面螺纹孔通过C19第二固定螺栓进行固定。第一关节与第三关节与第二关节具有相同的装配方式。

参见图8，所述为第二关节侧面剖视图，整个关节内部的传动流程为电机带动第一锥形齿轮转动，第一锥形齿轮与第二锥形齿轮的齿轮啮合并带动传动丝杆转动，在传动螺母的作用下实现了转动运动与直线运动之间的联动。传动螺母带动伸缩耳轴进行直线运动，关节外壳的伸缩卡槽与定位槽限制了伸缩耳轴的转动，从而实现了冗余臂关节的耳轴可重构伸缩切换。

参见图9，所述为第一关节连接处示意图，第一关节A与第二关节C通过第一关节连接处B进行连接，关节连接处运用B1外螺纹型轴承对两侧耳轴进行固定，从而在每个关节连接处实现单自由度B2旋转副的添加，伸缩耳轴间不具有连杆，以保证伸展形态大转角时，绳索不会与零部件发生干涉问题。第一关节连接处B外侧包覆有B3内嵌弹簧的硅胶制波纹管，防止关节旋转时转角出现超限的问题，并提供隔尘等效果，延长了关节的使用安全性与使用寿命。第二关节连接处与第一关节连接处采用同样的转动结构与保护结构。

参见图10，所述为多关节冗余臂整体装配示意图，包括冗余臂控制机箱部分与可重构冗余臂关节部分，冗余臂关节间可根据实际工况需求使用电动推杆提供驱动而改变对应耳轴的位置与等效耳轴高度，从而实现关节机构的重构。

Claims (7)

1.一种基于绳驱动的可重构冗余机械臂，其特征在于：整个冗余机械臂由多个关节机构单元提供多自由度组成，该关节机构单元由第一关节、第二关节、第三关节和关节连接组成，第一关节和第二关节连接组合在一起，第二关节和第三关节连接组合在一起，各个关节间通过线绳连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于绳驱动的可重构冗余机械臂，其特征在于：各个关节的连接处用外螺纹型轴承对两侧耳轴进行固定，从而在每个关节的连接处实现单自由度旋转副的添加，伸缩耳轴间不具有连杆，第一关节的连接处外侧包覆有内嵌弹簧的硅胶制波纹管。

3.根据权利要求1所述的一种基于绳驱动的可重构冗余机械臂，其特征在于：各个关节处包含关节外壳左侧、关节外壳右侧、关节外壳与布线圆盘固定螺纹孔、耳轴伸缩卡槽、耳轴轴向运动定位槽、高精度轴承定位凹槽、电机固定凹槽和关节外壳固定螺纹孔；关节外壳左侧与关节外壳右侧通过电机固定凹槽处轴向同心配合，通过关节外壳固定螺纹同心配合进行固定。

4.根据权利要求1所述的一种基于绳驱动的可重构冗余机械臂，其特征在于：电机的输出端与第一锥形齿轮内侧同心配合并通过顶丝进行固定，第二锥形齿轮内侧与传动丝杆进行同心配合并进行顶丝固定；第一锥形齿轮与第二锥形齿轮通过齿轮啮合，传动丝杆两侧均有螺纹，传动螺母通过内侧螺纹与传动丝杆进行螺纹配合，第一关节、第三关节与第二关节具有相同传动机构。

5.根据权利要求1所述的一种基于绳驱动的可重构冗余机械臂，其特征在于：第二关节的内部结构总装配结构中，关节外壳内侧高精度轴承定位凹槽与高精度轴承进行定位同心配合，传动丝杆通过高精度轴承与外壳左侧与外壳右侧进行同心配合，实现传动丝杆与外壳的轴向定位，伸缩耳轴与传动螺母通过第一固定螺栓进行配合固定，伸缩耳轴两端与耳轴伸缩卡槽进行配合固定，且通过与耳轴轴向运动定位槽配合实现了伸缩耳轴的轴向运动，布线圆盘与关节外壳端面螺纹孔通过第二固定螺栓进行固定，第一关节、第三关节与第二关节的装配方式相同。

6.根据权利要求1所述的一种基于绳驱动的可重构冗余机械臂，其特征在于：在整个关节重构变形流程中，关节内部的传动流程为电机带动第一锥形齿轮转动，第一锥形齿轮与第二锥形齿轮的齿轮啮合并带动传动丝杆转动，在传动螺母的作用下实现转动运动与直线运动之间的联动，传动螺母带动伸缩耳轴进行直线运动，关节外壳的伸缩卡槽与定位槽限制了伸缩耳轴的转动，实现冗余臂关节的耳轴重构伸缩切换。

7.根据权利要求1所述的一种基于绳驱动的可重构冗余机械臂，其特征在于：在实际工作中，当需求高刚度与控制精度时，耳轴呈收缩形态，关节连接处间隙小，当需求更大关节转角与工作空间时，耳轴呈伸展形态，关节连接处间隙大；冗余臂的两种形态间能够针对不同工况切换冗余臂构型。

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