CN110977953A - 基于张拉整体结构的连续型机械臂装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于张拉整体结构的连续型机械臂装置。机械臂主体模块由张拉整体结构构成，即预应力索杆结构组成。驱动模块集成安装在机械臂基座上，机械臂模块端面固定于基座上。机械臂模块由张拉整体结构组成，由若干张拉整体结构单元串联而成，每个单元由杆和索构成，各个单元通过连接结构串联铰接。连续型机械臂有两组绳索驱动，通过连接结构，贯穿于整个张拉整体结构机械臂，绳索一端固定到机械臂末端结构，另一端连接到驱动模块。本发明可以通过改变驱动绳索的驱动形式，控制机械臂的变形，实现对物体缠绕捕获。本机械臂可固定到可旋转基座上及升降可移动平台上，实现旋转自由度等多自由度运动，扩大捕获范围。

Description

基于张拉整体结构的连续型机械臂装置

技术领域

本发明属于机器人机械臂技术领域，尤其是可实现缠绕捕获的连续型机械臂，具体为基于张拉整体结构的连续型机械臂装置。

背景技术

近年来，关于连续型共融机器人的研究，已经成为机器人领域研究的热点，实现连续型机器人对物体的缠绕捕获更是其中一大难点。目前连续型机械臂多采用气动驱动，绳驱动，新型材料(如记忆合金、电活性聚合物等)驱动。其中气动驱动难以小型化，需外置空气压缩机，受环境因素影响大。线驱动，多采用中心柔性杆加中心圆盘的方式，一般变形为常曲率，且难以实现大角度弯曲缠绕变形。

张拉整体结构在外观与材料上，具有外形美观、质量轻盈的优点，在结构上，具有自平衡，强度高，刚度随预应力变化，可变性强，灵活度高，能耗低的特点。由于张拉整体结构中的索单元和杆单元既是组成整体结构的其中部分结构，又可以作为改变整体构型的执行机构，所以其可以作为主动控制的结构，目前对张拉整体结构变形的研究得到了广泛重视。

基于张拉整体结构具有以上的特点，将张拉整体结构与连续型机械臂的结构设计相结合，可以充分利用张拉整体的特点，实现连续型机械臂的弯曲变形，从而实现对物体的缠绕捕获。因此，研究基于张拉整体结构的连续型机械臂具有重要意义。

发明内容

为了解决现有绳驱连续型机械臂难以实现对物体的缠绕捕获，本发明设计了一种基于张拉整体结构的连续型机械臂。

本发明的技术方案：

基于张拉整体结构的连续型机械臂装置，包括机械臂模块1、驱动模块2和旋转平台3；

所述的机械臂模块1由多个变截面的张拉整体单元串联构成，张拉整体单元包括节点连接结构6、杆结构7、弹性绳索8和滑移绳索9；所述的节点连接结构6包括两端与杆结构7铰接的连接头和一个连杆，两连接头间通过连杆连接为一体，节点连接结构6上开有弹性绳索预留孔和滑移绳索预留孔，实现张拉整体单元中杆结构7与弹性绳索8和滑移绳索9在节点处的连接，以及相邻两个张拉整体单元在节点处的连接；所述的杆结构7的端部设有杆接头，铰接在节点连接结构6的连接头处，通过杆接头正反安装在节点连接结构6上，使同层两杆结构7上下交错，避免干涉；所述的弹性绳索8连接在两节点连接结构6的弹性绳索预留孔上，实现张拉整体单元两节点之间的连接；所述的滑移绳索9通过节点连接结构6上的滑移绳索预留孔，实现滑移绳索9贯穿连接在整个张拉整体机械臂结构上，通过驱动滑移绳索9长度的变化实现机械臂模块1的变形；

所述的驱动模块2包括电机箱12、电机13、齿轮组14、光轴15、轴承座16、法兰联轴器17和收放线轮盘18；所述的电机箱12为两端开口的箱体结构，其内部相对布置、两两一组对称分布的4个电机13，每个电机13的电机轴带动齿轮组14的主动轮；所述的光轴15与齿轮组14的从动轮同轴安装，其两端通过轴承座16安装在电机箱12上，实现一组电机13带动一个光轴15轴向旋转；所述的法兰联轴器17的一端面安装在收放线轮盘18上，另一端面与光轴15同轴安装，实现光轴15带动两个收放线轮盘18旋转，滑移绳索9缠绕在收放线轮盘上，通过收放线轮盘18的不同转向实现滑移绳索9长度的改变。

所述的机械臂模块1和驱动模块2通过支撑端板4连接；支撑端板4上安装有4个支座5，机械臂模块1的根部首个张拉整体单元上的节点连接结构6通过支座5铰接安装在支撑端板4上；支撑端板4上有电机箱安装孔及绳索分布孔；滑移绳索9一端与收放线轮盘18联接，另一端穿过支撑端板4上的绳索分布孔和各张拉整体单元节点连接结构6上的滑移绳索预留孔，贯穿整个机械臂模块1，最后固定连接在机械臂模块1的端部张拉整体单元的节点连接结构6上；

所述的旋转平台3安装在可移动平台上，驱动模块2端面安装在与机械臂根部端面相连的支撑端板4上，另一端面安装在旋转平台3上；整个驱动模块2安装在旋转平台3上，使得机械臂增加了旋转自由度，增大了机械臂的运动操作空间，并且防止在旋转过程中滑移绳索9的错乱。

本发明的有益效果：

(1)柔顺性高、易于缠绕变形：相较于传统连续型机械臂，本发明将张拉整体结构的概念引入到连续型机械臂结构设计，充分发挥张拉整体结构的特点，实现连续型机械臂弯曲缠绕变形，并且采用整体变截面的结构，以便于大角度弯曲缠绕变形。

(2)易于建模：可采用有限元法建立张拉整体系统模型，作为该机械臂的动力学控制方程。易于建模及仿真，模型准确性高，可为张拉整体结构的连续型机械臂结构设计和控制提供理论依据。

(3)减低控制难度：将电机驱动器等集成在机械臂整体基座，各单元可变长绳索集成为一根滑移绳索，减少驱动机构，减小机构的体积和质量，并且减少控制电机数量，降低控制难度。

(4)结构简单、易装配及可拓展性强：该连续型机械臂主体有杆索结构组成，结构简单，易于装配。传统绳驱动连续型机器人装配时，需要考虑各节驱动绳索的分布，避免错乱等。本结构驱动绳索从连接结构的预留孔中穿过即可，只需将滑移绳索两端分别固定在驱动电机和机械臂末端单元结构上。其中，机械臂总体长度，单位节长度，截面变化率为设计参数。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的整体示意图；

图2是本发明的支撑端板实施例的示意图；

图3是本发明一个张拉整体单元实施例的示意图；

图4是本发明连接结构实施例的示意图；

图5是本发明机械臂模块实施例的示意图；

图6是本发明驱动模块一个实施例的示意图；

图7是本发明一种设计参数下机械臂的弯曲驱动方案实施例的仿真示意图；其中，(a)是两组绳索反向驱动情况下伸长收缩驱动量均为100mm的仿真图，(b)是两组绳索反向驱动情况下伸长收缩驱动量均为200mm的仿真图，(c)是两组绳索反向驱动情况下伸长收缩驱动量均为300mm的仿真图；

图8是本发明一种设计参数下机械臂的压缩驱动方案实施例的仿真示意图；其中，(a)是机械臂模块初始状态仿真图，(b)是两组绳索同向驱动情况下收缩驱动量为0.6m的仿真图，(c)是两组绳索同向驱动情况下收缩驱动量为1.2m的仿真图，(d)是两组绳索同向驱动情况下收缩驱动量为1.8m的仿真图，(e)是两组绳索同向驱动情况下收缩驱动量为2.4m的仿真图；

图中：1机械臂模块；2驱动模块；3旋转平台；4支撑端板；5支座；6节点连接结构；7杆结构；8弹性绳索；9滑移绳索；12电机箱；13电机；14齿轮组；15光轴；16轴承座；17法兰联轴器；18收放线轮盘。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明具体实施例包括机械臂模块1、驱动模块2、旋转平台3。此外，可将旋转平台3安装在可移动基座，以增加自由度。

驱动模块2一端直接安装在旋转平台3上，另一端通过支撑端板4，如图2所示，与机械臂模块1相连。

如图2所示，机械臂模块1通过支座5固定在支撑端板4上。且支撑端板4上留有滑移绳索分布孔。

如图3所示，机械臂模块1由多个变截面的张拉整体单元串联构成，张拉整体单元包括节点连接结构6、杆结构7、弹性绳索8和滑移绳索9；所述的节点连接结构6包括两端与杆结构7铰接的连接头和一个连杆，两连接头间通过连杆连接为一体，节点连接结构6上开有弹性绳索预留孔和滑移绳索预留孔，实现张拉整体单元中杆结构7与弹性绳索8和滑移绳索9在节点处的连接，以及相邻两个张拉整体单元在节点处的连接；所述的杆结构7的端部设有杆接头，铰接在节点连接结构6的连接头处，通过杆接头正反安装在节点连接结构6上，使同层两杆结构7上下交错，避免干涉；所述的弹性绳索8连接在两节点连接结构6的弹性绳索预留孔上，实现张拉整体单元两节点之间的连接；所述的滑移绳索9通过节点连接结构6上的滑移绳索预留孔，实现滑移绳索9贯穿连接在整个张拉整体机械臂结构上，通过驱动滑移绳索9长度的变化实现机械臂模块1的变形；

如图5所示，将若干张拉整体单元通过节点连接结构6串联，并将各单元滑移绳索9聚合为一根连续的滑移绳索9(长度可变)。张拉整体结构单元中的杆结构7通过杆接头与节点连接结构6铰接。通过杆接头与节点连接结构6的正反安装，使杆结构7交错，避免干涉。

如图6所示，所述的驱动模块2包括电机箱12、电机13、齿轮组14、光轴15、轴承座16、法兰联轴器17和收放线轮盘18；所述的电机箱12为两端开口的箱体结构，其内部相对布置、两两一组对称分布的4个电机13，每个电机13的电机轴带动齿轮组14的主动轮；所述的光轴15与齿轮组14的从动轮同轴安装，其两端通过轴承座16安装在电机箱12上，实现一组电机13带动一个光轴15轴向旋转；所述的法兰联轴器17的一端面安装在收放线轮盘18上，另一端面与光轴15同轴安装，实现光轴15带动两个收放线轮盘18旋转，滑移绳索9缠绕在收放线轮盘上，通过收放线轮盘18的不同转向实现滑移绳索9长度的改变。

所述的节点连接结构6可采用3D打印光敏树脂或质轻的合金材料等。

所述的杆结构7可采用碳素纤维杆或玻璃纤维杆等材料。

所述的弹性绳索8可采用弹簧或韧性较强的钢丝绳等材料。

所述的滑移绳索9可采用聚乙烯尼龙绳等材料。

本发明的实施工作过程如下：

通过电机13旋转带动收放线轮盘18，实现滑移绳索9的伸长和缩短，从而控制张拉整体结构发生形变。

若两组滑移绳索9同时伸长或缩短，且弹性绳索8的弹性系数足够大，机械臂可以实现伸长和压缩。即机械臂在非工作状态可压缩为最小体积，节省空间。

若两组滑移绳索9伸缩方向不同，可实现机械臂的弯曲缠绕变形。且其滑移绳索9的伸缩驱动比不同，实现的运动范围和缠绕半径不同。

已知目标物体的位置和大小，可移动基座运动到可捕获范围，如通过升降平台和十字滑台调整，根据最终的目标相对位置，旋转电动转台，实现对目标的定向。通过控制电机控制两组滑移绳索9的绳长改变量，实现对目标物体的缠绕抓捕。

Claims (8)

1.一种基于张拉整体结构的连续型机械臂装置，其特征在于，所述的基于张拉整体结构的连续型机械臂装置包括机械臂模块(1)、驱动模块(2)和旋转平台(3)；

所述的机械臂模块(1)由多个变截面的张拉整体单元串联构成，张拉整体单元包括节点连接结构(6)、杆结构(7)、弹性绳索(8)和滑移绳索(9)；所述的节点连接结构(6)包括两端与杆结构(7)铰接的连接头和一个连杆，两连接头间通过连杆连接为一体，节点连接结构(6)上开有弹性绳索预留孔和滑移绳索预留孔，实现张拉整体单元中杆结构(7)与弹性绳索(8)和滑移绳索(9)在节点处的连接，以及相邻两个张拉整体单元在节点处的连接；所述的杆结构(7)的端部设有杆接头，铰接在节点连接结构(6)的连接头处，通过杆接头正反安装在节点连接结构(6)上，使同层两杆结构(7)上下交错，避免干涉；所述的弹性绳索(8)连接在两节点连接结构(6)的弹性绳索预留孔上，实现张拉整体单元两节点之间的连接；所述的滑移绳索(9)通过节点连接结构(6)上的滑移绳索预留孔，实现滑移绳索(9)贯穿连接在整个张拉整体机械臂结构上，通过驱动滑移绳索(9)长度的变化实现机械臂模块(1)的变形；

所述的驱动模块(2)包括电机箱(12)、电机(13)、齿轮组(14)、光轴(15)、轴承座(16)、法兰联轴器(17)和收放线轮盘(18)；所述的电机箱(12)为两端开口的箱体结构，其内部相对布置、两两一组对称分布的4个电机(13)，每个电机(13)的电机轴带动齿轮组(14)的主动轮；所述的光轴(15)与齿轮组(14)的从动轮同轴安装，其两端通过轴承座(16)安装在电机箱(12)上，实现一组电机(13)带动一个光轴(15)轴向旋转；所述的法兰联轴器(17)的一端面安装在收放线轮盘(18)上，另一端面与光轴(15)同轴安装，实现光轴(15)带动两个收放线轮盘(18)旋转，滑移绳索(9)缠绕在收放线轮盘上，通过收放线轮盘(18)的不同转向实现滑移绳索(9)长度的改变；

所述的机械臂模块(1)和驱动模块(2)通过支撑端板(4)连接；支撑端板(4)上安装有4个支座(5)，机械臂模块(1)的根部首个张拉整体单元上的节点连接结构(6)通过支座(5)铰接安装在支撑端板(4)上；支撑端板(4)上有电机箱安装孔及绳索分布孔；滑移绳索(9)一端与收放线轮盘(18)联接，另一端穿过支撑端板(4)上的绳索分布孔和各张拉整体单元节点连接结构(6)上的滑移绳索预留孔，贯穿整个机械臂模块(1)，最后固定连接在机械臂模块(1)的端部张拉整体单元的节点连接结构(6)上；

所述的旋转平台(3)安装在可移动平台上，驱动模块(2)端面安装在与机械臂根部端面相连的支撑端板(4)上，另一端面安装在旋转平台(3)上；整个驱动模块(2)安装在旋转平台(3)上，使得机械臂增加了旋转自由度，增大了机械臂的运动操作空间，并且防止在旋转过程中滑移绳索(9)的错乱。

2.根据权利要求1所述的基于张拉整体结构的连续型机械臂装置，其特征在于，所述的节点连接结构(6)的材质为3D打印光敏树脂或质轻的合金材料。

3.根据权利要求1或2所述的基于张拉整体结构的连续型机械臂装置，其特征在于，所述的杆结构(7)的材质为碳素纤维杆或玻璃纤维杆。

4.根据权利要求1或2所述的基于张拉整体结构的连续型机械臂装置，其特征在于，所述的弹性绳索(8)的材质为弹簧或韧性较强的钢丝绳。

5.根据权利要求3所述的基于张拉整体结构的连续型机械臂装置，其特征在于，所述的弹性绳索(8)的材质为弹簧或韧性较强的钢丝绳。

6.根据权利要求1、2或5所述的基于张拉整体结构的连续型机械臂装置，其特征在于，所述的滑移绳索(9)的材质为聚乙烯尼龙绳。

7.根据权利要求3所述的基于张拉整体结构的连续型机械臂装置，其特征在于，所述的滑移绳索(9)的材质为聚乙烯尼龙绳。

8.根据权利要求4所述的基于张拉整体结构的连续型机械臂装置，其特征在于，所述的滑移绳索(9)的材质为聚乙烯尼龙绳。

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