CN111195903A - 欠驱动万向柔性臂及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种欠驱动万向柔性臂及一种机器人，其包括底座、驱动组件、钢丝绳和多个铰接的关节组件；驱动组件通过钢丝绳驱动各个关节组件；关节组件包括关节套、万向接头和导向孔；相邻两个关节组件轴向通过万向接头连接，关节套周向设置有导向孔；钢丝绳沿环绕各个关节套的轴向方向排列有多根，钢丝绳中部与驱动组件连接，钢丝绳两端分别按照关节组件的连接顺序依次穿过各个关节组件的其中一导向孔，并且钢丝绳两端分别与同一个关节组件的相对两侧的其中一导向孔连接，每个关节组件至少与两根交叉设置的钢丝绳连接，所述钢丝绳为绷紧状态。本发明的技术方案中，关节组件一个角度上通过钢丝绳两端控制，提高关节末端的灵活性和作业范围。

Description

欠驱动万向柔性臂及机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种欠驱动万向柔性臂及一种机器人。

背景技术

机器人具备细长的结构特征和独特的运动形式，这使得其能够进入狭窄的空间。机器人的环境适应能力十分出众，具备极高的地面稳定性，它可以帮助人类触及未知的工作环境，蛇形机器人被广泛应用于科学探测、救灾和生命探测等领域之中，目前所使用的蛇形机器人驱动关节多，自由度多，导致末端控制精度不高，且运动惯性大定位不精准。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种欠驱动万向柔性臂，旨在解决现有蛇形机器人末端控制精度不高，且运动惯性大定位不精准的问题。

为实现上述目的，本发明提出的欠驱动万向柔性臂，包括底座、驱动组件、钢丝绳和多个铰接的关节组件；所述驱动组件设置在所述底座上，所述驱动组件通过所述钢丝绳依次串接并驱动各个所述关节组件；所述关节组件包括关节套、万向接头和导向孔，依次串接的各个所述关节组件中的第一个关节组件通过所述万向接头与所述底座连接；相邻两个所述关节组件轴向通过所述万向接头连接，所述关节套周向设置有轴线与所述关节套的轴向平行的导向孔；所述钢丝绳沿环绕各个所述关节套的轴向方向排列有多根，所述钢丝绳中部与所述驱动组件连接，所述钢丝绳两端分别按照关节组件的连接顺序依次穿过各个所述关节组件的其中一所述导向孔，并且所述钢丝绳两端分别与同一个所述关节组件的相对两侧的其中一所述导向孔连接，每个所述关节组件至少与两根交叉设置的所述钢丝绳连接，所述钢丝绳为绷紧状态。优选地，所述驱动组件包括两组或两组以上的电动机和导向轮；所述电动机输出轴与所述导向轮的转轴连接；所述导向轮上设置有多个导向槽，所述钢丝绳中部缠绕在所述导向槽内。

优选地，所述导向槽的深度不一，所述导向槽的深度与所述导向槽内缠绕的所述钢丝绳的两端连接的所述关节套的位置对应。

优选地，所述底座上还设置有用于引导所述钢丝绳位置的导向组件。

优选地，所述导向组件包括导向滑轮，所述导向滑轮上开设有与所述导向滑轮轴线垂直的导向滑槽。

优选地，所述导向组件包括导向板，所述导向板上设置开设有多个贯穿所述导向板的导向通孔，用于引导所述钢丝绳的所述导向通孔相互平行。

优选地，所述关节组件之间设置有使相邻所述关节套轴线重合的弹性部件，所述弹性部件为弹性体制作的柱体，所述万向接头为双节式万向接头。

优选地，多个所述关节套周向上均设置有导向块；所述导向孔开设在所述导向块上；所述导向孔的轴线与所述关节套的轴线平行；所述导向块设置成对设置，成对设置的所述导向块设置在所述关节套的相对两侧，所述钢丝绳的两端分别与成对设置的所述导向块中的一个连接。

优选地，每个所述导向块上的所述导向孔设置有多个，所述导向孔的数量不少于与所述底座铰接的所述关节组件的数量。

本发明还包括一种机器人，所述机器人设置有如权利要求1-9任一所述的欠驱动万向柔性臂。

本发明的技术方案中，关节组件通过驱动组件通过钢丝绳带动，钢丝绳中部与驱动组件连接，钢丝绳两端按照关节组件的连接顺序依次穿过所述关节组件的所述导向孔，并且钢丝绳两端分别与同一个所述关节组件的相对两侧的导向孔连接，提高关节末端的灵活性和作业范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明欠驱动万向柔性臂的结构示意图。

图2为本发明欠驱动万向柔性臂的关节组件铰接的结构示意图。

图3为本发明欠驱动万向柔性臂的底座的结构示意图。

图4为本发明欠驱动万向柔性臂的驱动组件的结构示意图。

图5为本发明欠驱动万向柔性臂的导向滑轮的结构示意图。

图6为本发明欠驱动万向柔性臂的底座轴视结构示意图。

图7为为本发明欠驱动万向柔性臂的关节组件爆炸结构示意图。

图8为本发明机器人的结构示意图。

标号	名称	标号	名称	标号	名称
						1	底座	2	驱动组件	3	钢丝绳
4	关节组件	5	关节套	6	万向接头
						7	导向孔	8	电动机	9	导向轮
10	导向槽	11	导向滑轮	12	导向滑槽
						13	导向板	14	导向通孔	15	弹性部件
16	导向块

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请参照图1-图7，本发明提出一种欠驱动万向柔性臂，包括底座1、驱动组件2、钢丝绳3和多个铰接的关节组件4；所述驱动组件2设置在所述底座1上，所述驱动组件2通过所述钢丝绳3依次串接并驱动各个所述关节组件4；所述关节组件4包括关节套5、万向接头6和导向孔7，依次串接的各个所述关节组件4中的第一个关节组件4通过所述万向接头6与所述底座1连接；相邻两个所述关节组件4轴向通过所述万向接头6连接，所述关节套5周向设置有轴线与所述关节套5的轴向平行的导向孔7；所述钢丝绳3沿环绕各个所述关节套5的轴向方向排列有多根，所述钢丝绳3中部与所述驱动组件2连接，所述钢丝绳3两端分别按照关节组件4的连接顺序依次穿过各个所述关节组件4的其中一所述导向孔7，并且所述钢丝绳3两端分别与同一个所述关节组件4的相对两侧的其中一所述导向孔7连接，每个所述关节组件4至少与两根交叉设置的所述钢丝绳3连接，所述钢丝绳3为绷紧状态。

本发明的技术方案中，关节组件4通过驱动组件2带动钢丝绳3，钢丝绳3中部与驱动组件2连接，钢丝绳3两端按照关节组件4的连接顺序依次穿过所述关节组件4的所述导向孔7，并且钢丝绳3两端分别与同一个所述关节组件4的相对两侧的导向孔7连接，一个角度上通过钢丝绳两端控制，提高关节末端的灵活性和作业范围，使关节组件4的控制精度和定位精度增加。

请参照图3，在本发明的又一实施方式中，所述驱动组件2包括两组或两组以上的电动机8和导向轮9；所述电动机8输出轴与所述导向轮9的转轴连接；所述导向轮9上设置有多个导向槽10，所述钢丝绳3中部缠绕在所述导向槽10内。

具体的，一组驱动组件2通过钢丝绳3可以控制柔性臂一个角度的偏转，两组驱动组件2控制柔性臂两个不同角度的偏转时，两个不同角度的偏转可以合成柔性臂任意方向的转动和偏转，设置更多组驱动组件2可以增加控制控制精度，同时柔性臂的力度也会增大。更具体的，钢丝绳3缠绕在导向槽10内，钢丝绳3两端移动的距离相同，因此钢丝绳3两端与所述关节组件4连接的位置并非沿关节组件4的轴线对称设置。

请参照图4，在本发明的又一实施方式中，所述导向槽10的深度不一，所述导向槽10的深度与所述导向槽10内缠绕的所述钢丝绳3的两端连接的所述关节套5的位置对应。

具体的，每个关节组件4均是通过钢丝绳3来拉动，通过控制导向槽10的深度可以改变同一导向轮9上缠绕钢丝绳3的移动距离，从而改变每个关节的转动幅度，进而使柔性臂的控制更加多样化，实现的运动更多。更具体的，导向轮9转动相同的角速度下，导向槽10的深度越浅，缠绕在该导向轮9上的钢丝绳3线速度大，钢丝绳3移动的距离越长，钢丝绳3连接控制的关节组件4转动幅度更大，具体的，远离所述底座1的关节组件4连接的所述钢丝绳3缠绕的所述导向槽10的深度大于靠近所述底座1的关节组件4连接的所述钢丝绳3缠绕的所述导向槽10的深度。

请参照图5，在本发明的又一实施方式中，所述底座1上还设置有用于引导所述钢丝绳3位置的导向组件。所述导向组件包括导向块16，所述导向滑轮11上开设有与所述导向滑轮11轴线垂直的导向滑槽12。所述导向组件包括导向板13，所述导向板13上设置开设有多个贯穿所述导向板13的导向通孔14，用于引导所述钢丝绳3的所述导向通孔14相互平行。

具体的，导向部件可将钢丝绳的方向导向于竖直方向，保证钢丝绳的正常连通；导向滑轮11可以改变方向，同时减小摩擦力；所述导向板13和导向通孔14，导向的同时使钢丝绳更加规整，易于安装和维护，具体的，导向通孔14成矩阵排列在所述导向板13上。

请参照图1，在本发明的又一实施方式中，所述关节套5之间设置有使相邻所述关节套5轴线重合的弹性部件15，所述弹性部件15为弹性体制作的柱体，所述主体内设置有沿轴线贯穿所述柱体的通孔，所述万向接头6设置在所述通孔内。所述万向接头6为双节式万向接头6。

具体的，所述关节套5之间所述关节模组上有优力胶弹性体，模仿动物脊柱，在弯曲阶段能够提供恢复力，保证柔性臂在自由状态下为一条直线形状。柱体的所述弹性部件15内设置有沿轴线贯穿所述柱体的通孔，所述万向接头6设置在所述通孔内。两个关节套5中间有一个双节万向节和一个优力胶弹性体并通过连接销进行连接，钢丝绳上的外力作用于钢丝绳导向槽10时关节套5和关节套5发生偏转时，压缩优力胶弹性体，作用于钢丝绳上的力消失时，优力胶弹性体恢复形状，形变消失。

请参照图1和图2，在本发明的又一实施方式中，多个所述关节套5周向上均设置有导向块16；所述导向孔7设置在所述导向块16上；所述导向孔7的轴线与所述关节套5的轴线平行；所述导向块16设置成对设置，成对设置的所述导向块16设置在所述关节套5的相对两侧，所述钢丝绳的两端分别与成对设置的所述导向块16中的一个连接。

请参照图1和图2，在本发明的又一实施方式中，每个所述导向块16上的所述导向孔7设置有多个，所述导向孔7的数量不少于铰接的所述关节组件4的数量。

具体的，冗余设计，可以增减关节组件4数量，柔性臂可以是任意数量的关节组件4构成，可根据需要弯曲的半径来调整关节组件4的数量。

在本发明的另一实施方式中，所述驱动组件2包括两组的电动机8和导向轮9，每个导向轮9上设置有多个导向槽10，导向槽10的数量不少于所述关节组件4的数量，钢丝绳缠绕在导向槽10上，每根钢丝绳的数量对应着柔性臂上的一个关节组件4数量。两个驱动组件2上具有相同的布局，钢丝绳通过导向组件的导向，对应于相同关节组件4的钢丝绳十字交叉布置，每个关节组件4四个方向各有一跟钢丝绳末端固定于其上，中间段钢丝绳穿过关节组件4上的导向槽10，通过拉动钢丝绳，合成运动，达到多关节的联动，实现柔性臂的弯曲和伸展以及任意方向的转动。

请参照图8，在本发明还提供连一种机器人，其特征在于，所述机器人设置有如权利要求1-9任一所述的欠驱动万向柔性臂。

具体的，本发明能够将底座安装于工业机器人上提高工业机器人末端的灵活性或者独立进行操作，柔性臂末端通过法兰连接其他设备。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种欠驱动万向柔性臂，其特征在于，包括底座、驱动组件、钢丝绳和多个铰接的关节组件；所述驱动组件设置在所述底座上，所述驱动组件通过所述钢丝绳依次串接并驱动各个所述关节组件；所述关节组件包括关节套、万向接头和导向孔，依次串接的各个所述关节组件中的第一个关节组件通过所述万向接头与所述底座连接；相邻两个所述关节组件轴向通过所述万向接头连接，所述关节套周向设置有轴线与所述关节套的轴向平行的导向孔；所述钢丝绳沿环绕各个所述关节套的轴向方向排列有多根，所述钢丝绳中部与所述驱动组件连接，所述钢丝绳两端分别按照关节组件的连接顺序依次穿过各个所述关节组件的其中一所述导向孔，并且所述钢丝绳两端分别与同一个所述关节组件的相对两侧的其中一所述导向孔连接，每个所述关节组件至少与两根交叉设置的所述钢丝绳连接，所述钢丝绳为绷紧状态。

2.如权利要求1所述的欠驱动万向柔性臂，其特征在于，所述驱动组件包括两组或两组以上的电动机和导向轮；所述电动机输出轴与所述导向轮的转轴连接；所述导向轮上设置有多个导向槽，所述钢丝绳中部缠绕在所述导向槽内。

3.如权利要求2所述的欠驱动万向柔性臂，其特征在于，所述导向槽的深度不一，所述导向槽的深度与所述导向槽内缠绕的所述钢丝绳的两端连接的所述关节套的位置对应。

4.如权利要求1所述的欠驱动万向柔性臂，其特征在于，所述底座上还设置有用于引导所述钢丝绳位置的导向组件。

5.如权利要求4所述的欠驱动万向柔性臂，其特征在于，所述导向组件包括导向滑轮，所述导向滑轮上开设有与所述导向滑轮轴线垂直的导向滑槽。

6.如权利要求4所述的欠驱动万向柔性臂，其特征在于，所述导向组件包括导向板，所述导向板上设置开设有多个贯穿所述导向板的导向通孔，用于引导所述钢丝绳的所述导向通孔相互平行。

7.如权利要求1所述的欠驱动万向柔性臂，其特征在于，所述关节组件之间设置有使相邻所述关节套轴线重合的弹性部件，所述弹性部件为弹性体制作的柱体，所述万向接头为双节式万向接头。

8.如权利要求1-7中任一所述的欠驱动万向柔性臂，其特征在于，多个所述关节套周向上均设置有导向块；所述导向孔开设在所述导向块上；所述导向孔的轴线与所述关节套的轴线平行；所述导向块设置成对设置，成对设置的所述导向块设置在所述关节套的相对两侧，所述钢丝绳的两端分别与成对设置的所述导向块中的一个连接。

9.如权利要求8所述的欠驱动万向柔性臂，其特征在于，每个所述导向块上的所述导向孔设置有多个，所述导向孔的数量不少于与所述底座铰接的所述关节组件的数量。

10.一种机器人，其特征在于，所述机器人设置有如权利要求1-9任一所述的欠驱动万向柔性臂。

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