CN110936363A - 一种绳索驱动柔性机械臂及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绳索驱动柔性机械臂及机器人，包括多个关节单元、底座单元、弹性部件，各关节单元沿轴线方向串接，其中所述关节单元包括中间环以及与中间环两端面连接的两支脚，沿轴线方向相邻的两关节单元中，一关节单元中的一支脚与另一关节单元中与其相邻的支脚相交叉嵌套且部分重叠，并通过弹性部件连接；串接后位于绳索驱动柔性机械臂最端部的支脚与底座单元连接；中间环上设有若干穿绳孔用于穿入驱动绳索。各关节单元通过交叉重叠的方式，在机械臂内部轴线上通过拉弹簧的拉力使各个关节平衡，稳定机械臂结构。机械臂整体为柔性，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和复杂环境下应用。

Description

一种绳索驱动柔性机械臂及机器人

技术领域

本发明涉及柔性机械臂技术领域，尤其涉及一种绳索驱动柔性机械臂及机器人。

背景技术

多关节刚性机械臂通常设置多个相互连接的关节杆，并采用刚性连接。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、不具有适应不同环境与工况的能力。刚性机械臂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。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，对机器人的发展带来挑战。

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，提供了一种绳索驱动柔性机械臂及机器人。

为实现以上发明目的，而采用的技术手段是：

一种绳索驱动柔性机械臂，包括多个关节单元、底座单元、弹性部件，各关节单元沿轴线方向串接，其中所述关节单元包括中间环以及与中间环两端面连接的两支脚，沿轴线方向相邻的两关节单元中，一关节单元中的一支脚与另一关节单元中与其相邻的支脚相交叉嵌套且部分重叠，并通过所述弹性部件连接；串接后位于所述绳索驱动柔性机械臂最端部的支脚与所述底座单元连接；所述中间环上设有若干穿绳孔用于穿入驱动绳索。

上述方案中，通过空间位置上的交叉重叠，使得在机械臂内部轴线上，一关节单元在其他关节单元作用下的两相反方向上的拉力来平衡稳定，同时由于机械臂的各关节单元通过弹性部件进行柔性连接，沿轴线方向嵌套堆叠形成柔性机械臂结构，可以通过外力控制驱动绳索的长度变化，使弹簧组件发生弹性形变并控制机械臂形变。机械臂整体为柔性，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和复杂环境下应用。

优选的，所述支脚呈V形，所述支脚的闭合端端部设有弹性部件固定件，所述支脚间连接的弹性部件通过两连接支脚上对应的弹性部件固定件固定；所述支脚的开口端端部与中间环的端面连接，两支脚嵌套时为支脚的闭合端相交叉嵌套。在本优选方案中，支脚间通过弹性部件连接，在弹性部件发生弹性形变下可带动机械臂形变，同时弹性部件可减缓发生接触或碰撞的外部力，从而避免机械臂与目标产生刚性碰撞冲击。

优选的，所述弹性部件为内弹簧，其两端分别设有拉钩并分别与两连接支脚上对应的弹性部件固定件固定。

优选的，所述弹性部件固定件包括在所述支脚的闭合端端部贯穿开设的槽孔，以及在所述闭合端侧部开设的与所述槽孔垂直互通的销孔，用于固定所述内弹簧的拉钩。在本优选方案中，槽孔内可从上下两个方向伸入内弹簧的拉钩。

优选的，所述中间环呈N边形环状，所述中间环的各边沿周外侧延伸形成若干延伸部，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单元。

优选的，所述中间环呈N边形环状，所述中间环的各边沿周外侧交替延伸形成N/2个延伸部以及N/2个外弹簧卡槽，所述穿绳孔分别开设在所述延伸部上，所述穿绳孔内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单元；所述绳索驱动柔性机械臂还包括外弹簧，用于固定在两相邻中间环的外弹簧卡槽上从而将两中间环连接；其中N为偶数。在本优选方案中，在中间环外围增加外弹簧连接，可进一步增加机械臂的稳定性。

优选的，所述外弹簧的两端分别设有拉钩，所述外弹簧卡槽上开设销钉孔，用于固定所述外弹簧的拉钩。在本优选方案中，外弹簧的拉钩通过销钉铰接于销钉孔处使得内弹簧的拉钩可在其中旋转，从而尽可能使内弹簧仅存在拉伸行为，避免弹簧本身的弯曲。

优选的，所述底座单元包括连接梁及N/2个I形支柱，各个支柱的内侧与连接梁的各端面连接，所述连接梁的中心沿竖直方向延伸形成内弹簧卡槽，用于连接位于最端部支架的内弹簧；各I形支柱的其中一端面与一所述中间环连接，该端面为位于内弹簧卡槽延伸方向的端面；所述中间环还连接一支脚的开口端端部。在本优选方案中，底座单元与位于首尾最端部的关节单元连接，连接后位于末端的底座可以搭载如机械爪、相机等其他设备，位于基部的底座可与柔性机械臂的驱动装置连接。

优选的，所述内弹簧卡槽上开设销钉孔，用于固定所述内弹簧的拉钩，所述I形支柱的两端面分别开设第一通孔，所述中间环上开设有与第一通孔相对应的第二螺孔；所述支脚的开口端的两端部均沿水平方向延伸形成延伸平板，所述延伸平板上开设有第三通孔；所述I形支柱的端面与所述中间环连接时，所述第一通孔与第二通孔一一对应，所述支脚的开口端端部与中间环的端面连接时第三通孔与第二通孔一一对应。在本优选方案中，分别在各个通孔处安装螺栓或装入卡钉等可实现各部件间的固定连接。

本发明还提供了一种机器人，包括绳索驱动柔性机械臂，所述绳索驱动柔性机械臂为上述的绳索驱动柔性机械臂。由于该绳索驱动柔性机械臂结构简单轻便、灵活度高、变形能力强，可以在障碍物等多种情况下实现抓取或者依靠自身进行抱持；同时由于机械臂整体为柔性，可以避免机械臂与目标产生刚性碰撞冲击，使用该绳索驱动柔性机械臂的机器人可以适应于非合作目标捕获和复杂环境下应用。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提供的绳索驱动柔性机械臂，通过空间位置上的交叉重叠可以使得一关节单元在其他关节单元作用下两相反方向上的拉力来平衡稳定，同时由于机械臂的各关节单元通过弹性部件进行柔性连接，沿轴线方向嵌套堆叠形成柔性机械臂结构，可以通过外力控制驱动绳索的长度变化，使弹簧组件发生弹性形变并控制机械臂形变。机械臂可以通过末端外加装置工作，也可以采用全臂缠绕抱取目标物体进行工作。本发明的绳索驱动柔性机械臂结构灵巧，运动灵活，质量小，变形能力强，可以在障碍物等多种情况下实现抓取或者依靠自身进行抱持；其整体为柔性，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和复杂环境下应用。

附图说明

图1为实施例1中关节单元的整体示意图。

图2为实施例1中中间环的结构示意图。

图3为实施例1中中间环的俯视图。

图4为实施例1中支脚的结构示意图。

图5为实施例1中支脚的俯视图。

图6为实施例1中支脚的槽孔内上下方向伸入内弹簧拉钩的示意图。

图7为实施例1中底座单元的整体示意图。

图8为实施例1中底座的连接梁及I形支柱组装示意图。

图9为实施例1中三个关节单元与一个底座单元的连接示意图。

图10为实施例1绳索驱动柔性机械臂未安装内弹簧的整体示意图。

图11为实施例1绳索驱动柔性机械臂未安装内弹簧的平面图。

图12为实施例1绳索驱动柔性机械臂与驱动绳索的连接示意图。

图13为实施例1中的内弹簧示意图。

图14为实施例2绳索驱动柔性机械臂的整体示意图。

图15为实施例2中的外弹簧示意图。

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

一种绳索驱动柔性机械臂，如图1所示，包括多个关节单元1、底座单元2、弹性部件3，各关节单元1沿轴线方向串接，其中所述关节单元1包括中间环11以及与中间环11两端面连接的两支脚12，沿轴线方向相邻的两关节单元1中，一关节单元1中的一支脚12与另一关节单元1中与其相邻的支脚12相交叉嵌套且部分重叠，并通过所述弹性部件3连接；串接后位于所述绳索驱动柔性机械臂最端部的支脚12与所述底座单元2连接；所述中间环11上设有若干穿绳孔用于穿入驱动绳索4。

以下对各个组成部分进行详细说明：

一、弹性部件3为内弹簧3，其两端分别设有拉钩31，如图13所示。

二、关节单元1包括中间环11以及与中间环11两端面连接的两支脚12：

如图4和5所示，支脚12呈V形，支脚12的闭合端端部贯穿开设有槽孔121，槽孔121内可从上下两个方向伸入内弹簧3的拉钩31，如图6所示，支脚12的闭合端侧部开设与所述槽孔121垂直互通的销孔122，支脚12间连接的内弹簧3分别伸入两连接支脚12上对应的槽孔121后在销孔122处插入销钉进行固定；所述支脚12的开口端端部与中间环11的端面连接。

如图2和3所示，中间环11呈八边形环状，所述中间环11的各边沿周外侧延伸形成延伸部111，所述穿绳孔分别开设在所述延伸部111上，所述穿绳孔内设置有驱动绳索4且驱动绳索4通过所述穿绳孔依次贯穿所有关节单元1。其中驱动绳索4的一端与位于机械臂末端底座的中间环11的穿绳孔固定连接，驱动绳索4的另一端由位于机械臂基部底座的中间环11的穿绳孔伸出后与机械臂的驱动装置连接，每条驱动绳索4由独立的驱动装置控制。在本实施例中，穿绳孔及驱动绳索4沿中间环11的周向均匀分布。

两个关节单元1进行串接安装：一关节单元1(称为A关节单元1)中的一支脚12与另一关节单元1(称为B关节单元1)中与其相邻的支脚12相交叉嵌套且部分重叠，即先将A、B关节单元1待连接的两支脚12的闭合端交叉重叠(从俯视图看两支脚12形成X形)，再将两支脚12分别与其对应的中间环11固定安装。

一关节单元1中的一支脚12与另一关节单元1中与其相邻的支脚12相交叉嵌套且部分重叠两支脚12，嵌套时为支脚12的闭合端相交叉嵌套，如图10所示。

三、底座单元2包括中间环11(与关节单元1的中间环11一样)、支脚12(与关节单元1的支脚12一样)、连接梁22及四个I形支柱21，如图7和8所示，各个支柱21的内侧与连接梁22的各端面连接，所述连接梁22的中心沿竖直方向延伸形成内弹簧卡槽221(在附图中的方向是向上的延伸)，内弹簧卡槽221上开设销钉孔，用于配合销钉固定位于最端部支架的内弹簧3的拉钩；各I形支柱21的其中一端面与一所述中间环11连接，该端面为位于内弹簧卡槽221延伸方向的端面(在附图中的方向是位于上方的端面)；所述中间环11还连接一支脚12的开口端端部。

其中I形支柱21的两端面分别开设第一通孔，中间环11上开设有与第一通孔相对应的第二螺孔；所述支脚12的开口端的两端部均沿水平方向延伸形成延伸平板，所述延伸平板上开设有第三通孔；所述I形支柱21的端面与所述中间环11连接时，所述第一通孔与第二通孔一一对应，所述支脚12的开口端端部与中间环11的端面连接时第三通孔与第二通孔一一对应。在本实施例中，第一通孔、第二通孔和第三通孔均为螺栓孔，分别在各个螺栓孔处安装螺栓可实现各部件间的固定连接。

底座单元2共有两个，分别与位于首尾最端部的支架连接，连接后位于末端的底座2可以搭载如机械爪、相机等其他设备，位于基部的底座2可与柔性机械臂的驱动装置连接。

四、机械臂的整体结构：

如图9～12所示，空间位置上，相邻两个关节单元1的支脚12相互交叉，并通过内弹簧3连接，形同链环相互串接形成的链条；同时一个关节单元1的V形支脚12，还与相隔一个关节单元1的下一个关节单元1的V形支脚12通过内弹簧3相连接，例如：三级关节单元1的下部支脚12与一级关节单元1的上部支脚12连接(从机械臂基部到末端，关节单元1的级数增加，与基部底座2交叉嵌套的称为一级关节单元)。通过这样的形式，各关节单元1层层相连，沿轴线方向交叉堆叠组成柔性机械臂结构。

内弹簧3连接相邻的支脚12，每个支脚12上都铰接有两个内弹簧3的其中一个拉钩，两个内弹簧3的另一个拉钩铰接在空间位置上相邻的支脚12上。其中端部关节单元1中与底座2交叉的支脚12，该支脚12上铰接有两个内弹簧3的其中一个拉钩，伸向关节单元1内部的内弹簧3另一个拉钩铰接底座单元2的支脚12，伸向关节单元1外部的内弹簧3另一个拉钩铰接在底座单元2的内弹簧卡槽221。

由于各个关节单元1与低一级的关节单元1存在交叉重叠，该关节单元1与低一级交叉部位连接的弹簧可为该关节单元1提供向上的力，即：由于每个支脚12都铰接有两个内弹簧3，支脚12向上方向连接的内弹簧3提供向上拉力，支脚12向下方向连接的内弹簧3提供向下拉力。

本实施例1提供的绳驱多关节柔性机械臂，通过驱动装置控制驱动绳索4长度协同变化，实现机械臂的侧向弯曲或伸缩变形。机械臂可以通过末端底座2搭载的设备工作，也可以采用全臂缠绕抱取目标物体进行工作。

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，因此在本实施例中1并未对驱动装置的类型、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

本实施例2为实施例1的变化例，如图14和15所示，其区别在于本实施例中在两个中间环11之间增设了四个两端分别设有拉钩的外弹簧5，以及中间环11各边沿周外侧交替延伸形成四个延伸部111以及四个外弹簧卡槽112，所述穿绳孔分别开设在所述延伸部111上。外弹簧卡槽112上开设销钉孔，两相邻中间环11之间连接外弹簧5，并且该外弹簧5的两个拉钩分别固定在两个销钉孔上。所述穿绳孔内设置有驱动绳索4且驱动绳索4通过所述穿绳孔依次贯穿所有关节单元1。本实施例通过在中间环11外围增加外弹簧5连接，可进一步增加机械臂的稳定性。

实施例3

本实施例3还提供了一种机器人，包括绳索驱动柔性机械臂，所述绳索驱动柔性机械臂为上述实施例的绳索驱动柔性机械臂。

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 (10)

1.一种绳索驱动柔性机械臂，其特征在于，包括多个关节单元、底座单元、弹性部件，各关节单元沿轴线方向串接，其中所述关节单元包括中间环以及与中间环两端面连接的两支脚，沿轴线方向相邻的两关节单元中，一关节单元中的一支脚与另一关节单元中与其相邻的支脚相交叉嵌套且部分重叠，并通过所述弹性部件连接；串接后位于所述绳索驱动柔性机械臂最端部的支脚与所述底座单元连接；所述中间环上设有若干穿绳孔用于穿入驱动绳索。

2.根据权利要求1所述的绳索驱动柔性机械臂，其特征在于，所述支脚呈V形，所述支脚的闭合端端部设有弹性部件固定件，所述支脚间连接的弹性部件通过两连接支脚上对应的弹性部件固定件固定；所述支脚的开口端端部与中间环的端面连接；两支脚嵌套时为支脚的闭合端相交叉嵌套。

3.根据权利要求2所述的绳索驱动柔性机械臂，其特征在于，所述弹性部件为内弹簧，其两端分别设有拉钩并分别与两连接支脚上对应的弹性部件固定件固定。

4.根据权利要求3所述的绳索驱动柔性机械臂，其特征在于，所述弹性部件固定件包括在所述支脚的闭合端端部贯穿开设的槽孔，以及在所述闭合端侧部开设的与所述槽孔垂直互通的销孔，用于固定所述内弹簧的拉钩。

5.根据权利要求1所述的绳索驱动柔性机械臂，其特征在于，所述中间环呈N边形环状，所述中间环的各边沿周外侧延伸形成若干延伸部，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单元。

6.根据权利要求1所述的绳索驱动柔性机械臂，其特征在于，所述中间环呈N边形环状，所述中间环的各边沿周外侧交替延伸形成N/2个延伸部以及N/2个外弹簧卡槽，所述穿绳孔分别开设在所述延伸部上，所述穿绳孔内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单元；所述绳索驱动柔性机械臂还包括外弹簧，用于固定在两相邻中间环的外弹簧卡槽上从而将两中间环连接；其中N为偶数。

7.根据权利要求6所述的绳索驱动柔性机械臂，其特征在于，所述外弹簧的两端分别设有拉钩，所述外弹簧卡槽上开设销钉孔，用于固定所述外弹簧的拉钩。

8.根据权利要求2所述的绳索驱动柔性机械臂，其特征在于，所述底座单元包括连接梁及N/2个I形支柱，各个支柱的内侧与连接梁的各端面连接，所述连接梁的中心沿竖直方向延伸形成内弹簧卡槽，用于连接位于最端部支架的内弹簧；各I形支柱的其中一端面与一所述中间环连接，该端面为位于内弹簧卡槽延伸方向的端面；所述中间环还连接一支脚的开口端端部。

9.根据权利要求8所述的绳索驱动柔性机械臂，其特征在于，所述内弹簧卡槽上开设销钉孔，用于固定所述内弹簧的拉钩，所述I形支柱的两端面分别开设第一通孔，所述中间环上开设有与第一通孔相对应的第二螺孔；所述支脚的开口端的两端部均沿水平方向延伸形成延伸平板，所述延伸平板上开设有第三通孔；所述I形支柱的端面与所述中间环连接时，所述第一通孔与第二通孔一一对应，所述支脚的开口端端部与中间环的端面连接时第三通孔与第二通孔一一对应。

10.一种机器人，包括绳索驱动柔性机械臂，其特征在于，所述绳索驱动柔性机械臂为权利要求1～9任一项所述的绳索驱动柔性机械臂。

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