CN111037545B - 一种绳驱式串联机械臂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机械臂，特别涉及一种绳驱式串联机械臂。包括主驱动绳、主驱动绳轮、单元内部驱动绳及多级单元关节；多级单元关节包括依次串联，并且相互铰接的多个单元关节，各单元关节的底部均对称设有至少两个主驱动绳轮；各主驱动绳轮上均缠绕有单元内部驱动绳，主驱动绳轮的末端与下一级的单元关节连接；主驱动绳至少为两根，每根主驱动绳依次缠绕于相对应的各主驱动绳轮上。本发明通过串联各离散化单元实现整个臂的耦合联动，达到空间内的弯曲，相比于传统绳驱臂具有驱动源数目少，控制简单的优点。

Description

一种绳驱式串联机械臂
技术领域
本发明涉及机械臂，特别涉及一种绳驱式串联机械臂。
背景技术
现有技术绳驱式机械臂，在采用离散单元的基础上，多为每个关节单元需要2-3根绳驱动，若有n个单元的话，就需要n根驱动绳，即n个驱动电机。随着绳驱式机械臂的发展，存在将整个机械臂分段驱动的形式，通过每段单元内部之间的耦合联动，来实现这个臂的运动。甚至，有的通过对基座驱动源的运动形式进行分析，对驱动数目进行简化，来减少整机重量。但是，仍存在着驱动形式复杂，驱动源数目过多，基座过大等问题。这些问题一定程度上限制了绳驱式机械臂的发展。
发明内容
针对上述绳驱式机械臂存在的问题，本发明的目的在于提供一种绳驱式串联机械臂，该机械臂相比于传统的刚性臂具有更大的操作空间，具备更多元化的柔性。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种绳驱式串联机械臂，包括主驱动绳、主驱动绳轮、单元内部驱动绳及多级单元关节；
所述多级单元关节包括依次串联，并且相互铰接的多个单元关节，各单元关节的底部均对称设有至少两个主驱动绳轮；
各所述主驱动绳轮上均缠绕有单元内部驱动绳，所述单元内部驱动绳的末端与下一级的单元关节连接；
所述主驱动绳至少为两根，每根所述主驱动绳依次缠绕于相对应的各所述主驱动绳轮上。
所述单元关节包括单元基座及设置于所述单元基座上的单元支架，所述主驱动绳轮设置于所述单元基座上，所述单元支架的上端与下一级所述单元关节中的所述单元基座铰接。
所述单元基座上设有位于所述主驱动绳轮外侧的单元驱动绳轮及驱动绳穿过孔，所述主驱动绳穿过所述驱动绳穿过孔后，经过所述单元驱动绳轮的导向再缠绕于所述主驱动绳轮上。
所述主驱动绳轮上连接有两根所述单元内部驱动绳，两根所述单元内部驱动绳分别位于所述主驱动绳的两侧。
所述主驱动绳轮上设有用于缠绕所述主驱动绳和所述单元内部驱动绳的绕绳槽。
所述单元内部驱动绳的上端与下一级单元关节中所述单元基座上设有的驱动绳固定座连接。
所述单元支架包括单元支架Ⅰ和单元支架Ⅱ，其中单元支架Ⅱ的下端与所述单元基座连接，上端与所述单元支架Ⅰ的下端可滑动地连接，所述单元支架Ⅰ的上端通过十字轴与下一级单元关节的所述单元基座铰接。
所述单元基座为“十”字形结构。
所述单元基座上对称设有四个主驱动绳轮。
本发明的优点及有益效果是：本发明的机械臂通过电机控制输入绳，通过每个单元末端存在输出作为下一单元的输入驱动，将整个单元关节串联起来，来驱动每个单元的运动。同时每个单元的输入驱动分为两部分，一部分作为下一单元的输入进行输出，一部分作为内部单元的驱动。电机通过控制四根驱动绳的运动，来控制整个机械臂的偏转弯曲，进而实现机械臂的动作。
附图说明
图1为本发明绳驱式串联机械臂的结构示意图；
图2为本发明的单元关节的结构示意图；
图3为本发明中单元支架的结构示意图；
图4为本发明的单元关节的连接示意图之一；
图5为本发明的单元关节的连接示意图之二。
图中：1为主驱动绳，2为初始单元关节，3为k单元关节，4为k+1单元关节，201为k单元输入端，202为k单元输出端，203为单元内部驱动绳，204为驱动绳固定座，205为单元驱动绳轮，206为主驱动绳轮，207为k+1单元基座，208为单元支架Ⅰ，209为单元支架Ⅱ，210为k单元基座，301为k单元固定架，302为十字轴，303为k+1单元固定架。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1-2所示，本发明提供的一种绳驱式串联机械臂，包括主驱动绳1、主驱动绳轮206、单元内部驱动绳203及多级单元关节；多级单元关节包括依次串联，并且相互铰接的多个单元关节，各单元关节的底部均对称设有至少两个主驱动绳轮206；各主驱动绳轮206上均缠绕有单元内部驱动绳203，单元内部驱动绳203的末端与下一级的单元关节连接；主驱动绳1至少为两根，每根主驱动绳1依次缠绕于相对应的各主驱动绳轮206上。
单元关节包括单元基座及设置于单元基座上的单元支架，主驱动绳轮206设置于单元基座上，单元支架的上端与下一级单元关节中的单元基座铰接。
如图2所示，单元基座上设有位于主驱动绳轮206外侧的单元驱动绳轮205及驱动绳穿过孔，主驱动绳1穿过驱动绳穿过孔后，经过单元驱动绳轮205的导向再缠绕于主驱动绳轮206上。
本发明的实施例中，主驱动绳轮206上连接有两根单元内部驱动绳203，两根单元内部驱动绳203分别位于主驱动绳1的两侧，单元内部驱动绳203的上端与下一级单元关节中单元基座上设有的驱动绳固定座204连接。
进一步地，主驱动绳轮206上设有用于缠绕主驱动绳1和单元内部驱动绳203的绕绳槽。
如图3-5所示，单元支架包括单元支架Ⅰ208和单元支架Ⅱ209，其中单元支架Ⅱ209的下端与单元基座连接，上端与单元支架Ⅰ208的下端可滑动地连接，单元支架Ⅰ208的上端通过十字轴302与下一级单元关节的单元基座铰接。
单元关节与单元关节之间连接的部分：
如图1、图3-5所示，两个单元关节按顺序分为k单元关节3和k+1单元关节4，k单元关节3上端的k单元固定架301可和单元支架Ⅰ208加工制作成一体的，也可分开制作装配在一起。k+1单元关节固定架303安装在k+1单元关节4上，二者通过十字轴302连接。装配完后十字轴302有两个方向上的自由度，k+1单元关节4可绕k单元关节3相互转动。
本发明的实施例中，单元基座为“十”字形结构，单元基座上对称设有四个主驱动绳轮206。
本发明的实施例中，一种绳驱式串联机械臂由驱动电机驱动，通过驱动电机驱动位于单元关节两侧的四根主驱动绳1，主驱动绳1与初始单元关节2上的主驱动绳轮206固接在一起。电机旋转拉动主驱动绳轮206旋转。主驱动绳轮206上开有四个绕绳槽，其中一个绕绳槽与主驱动绳1连接，两侧两个绕绳槽固定单元内部驱动绳203，单元内部驱动绳203另一侧与下一单元关节基座上的驱动绳固定座204固连，主驱动绳轮206旋转带动单元内部驱动绳203在主驱动绳轮206上缠绕。由于绳子长度减少，拉动驱动绳固定座204下移，进而拉动k+1单元基座207绕单元连接处偏转，进而实现单元关节之间的转向，完成两个单元关节的运动。主驱动绳轮206上面的第四个绕绳槽与k单元输出端202固连，k单元输出端202绕过单元驱动绳轮205与k+1单元关节上的主驱动绳轮206连接，作为k+1单元关节的输入端，为k+1单元关节提供动力。单元关节与单元关节之间通过此种方式进行动力的传递及驱动。实现整体单元的串联及耦合运动。
单元关节内部的单元支架Ⅰ208和单元支架Ⅱ209采用装配的形式实现相互移动，可实现单个单元关节的收缩与伸出，进而实现多个单元关节串联情况下，整体机械臂的伸缩功能。
本发明通过驱动电机带动主驱动绳缠绕，主驱动绳与初始单元关节上的绕绳轮固连，带动绕绳轮旋转。通过绕绳轮将运动传递给初始单元以及输出到下一单元作为下一单元关节的输入。十字轴连接两个紧邻单元提供平面内两个自由度的旋转，单元关节通过装配机构可实现伸缩。驱动电机为两个或者四个，根据单元结构的对称布置，位于相对方向的主驱动绳可以共用一个电机或者分开两个电机，主驱动电机与位于初始单元关节主驱动绳连接，将运动向单元内传递。初始单元关节布置在基座上，整体结构与机械臂内单元关节一样，但下部因不与其它关节连接而是安装在基座上，故结构根据基座装配形式进行调整。运动的传递每个单元的输出作为下一个单元的输入，每个单元内的动力输入可分为两部分，一部分用作驱动单元内驱动绳，控制单元转向弯曲，另一部分将运动动力输出作为下一个单元的动力输入，这样逐级将运动传递下去。单元内部的伸缩机构可手动调节，也可加入该发明所用的单元间耦合驱动绕绳方式进行驱动，其控制每个单元的伸缩。两个单元关节的相对收缩弯曲是靠单元内部驱动绳控制，相互对称的两个结构的相互收缩可实现一端收缩一端舒张的功能。
本发明通过串联各离散化单元实现整个臂的耦合联动，达到空间内的弯曲，相比于传统绳驱臂具有驱动源数目少，控制简单的优点。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种绳驱式串联机械臂，其特征在于，包括主驱动绳(1)、主驱动绳轮(206)、单元内部驱动绳(203)及多级单元关节；
所述多级单元关节包括依次串联，并且相互铰接的多个单元关节，各单元关节的底部均对称设有至少两个主驱动绳轮(206)；
各所述主驱动绳轮(206)上均缠绕有单元内部驱动绳(203)，所述单元内部驱动绳(203)的末端与下一级的单元关节连接；
所述主驱动绳(1)至少为两根，每根所述主驱动绳(1)依次缠绕于相对应的各所述主驱动绳轮(206)上；
所述单元关节包括单元基座及设置于所述单元基座上的单元支架，所述主驱动绳轮(206)设置于所述单元基座上，所述单元支架的上端与下一级所述单元关节中的所述单元基座铰接；
所述单元支架包括单元支架Ⅰ(208)和单元支架Ⅱ(209)，其中单元支架Ⅱ(209)的下端与所述单元基座连接，上端与所述单元支架Ⅰ(208)的下端可滑动地连接，所述单元支架Ⅰ(208)的上端通过十字轴(302)与下一级单元关节的所述单元基座铰接。
2.根据权利要求1所述的绳驱式串联机械臂，其特征在于，所述单元基座上设有位于所述主驱动绳轮(206)外侧的单元驱动绳轮(205)及驱动绳穿过孔，所述主驱动绳(1)穿过所述驱动绳穿过孔后，经过所述单元驱动绳轮(205)的导向再缠绕于所述主驱动绳轮(206)上。
3.根据权利要求1所述的绳驱式串联机械臂，其特征在于，所述主驱动绳轮(206)上连接有两根所述单元内部驱动绳(203)，两根所述单元内部驱动绳(203)分别位于所述主驱动绳(1)的两侧。
4.根据权利要求3所述的绳驱式串联机械臂，其特征在于，所述主驱动绳轮(206)上设有用于缠绕所述主驱动绳(1)和所述单元内部驱动绳(203)的绕绳槽。
5.根据权利要求3所述的绳驱式串联机械臂，其特征在于，所述单元内部驱动绳(203)的上端与下一级单元关节中所述单元基座上设有的驱动绳固定座(204)连接。
6.根据权利要求1所述的绳驱式串联机械臂，其特征在于，所述单元基座为“十”字形结构。
7.根据权利要求6所述的绳驱式串联机械臂，其特征在于，所述单元基座上对称设有四个主驱动绳轮(206)。
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