CN111618825A - 一种基于张拉整体结构的冗余机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于张拉整体结构的冗余机械臂，属于机器人技术领域，装置包括基座、第1关节、第2关节、夹爪；基座与第1关节之间转动连接，形成转动自由度；第1关节与第2关节结构相同，关节包括静平台、动平台、拉索、驱动部件、刚度调节部件，驱动部件设于静平台上，驱动部件通过拉索与动平台连接，驱动部件用于驱动动平台的运动；刚度调节部件设于静平台上，刚度调节部件通过拉索与动平台连接，刚度调节部件用于调节关节刚度；第1关节的动平台与第2关节的静平台固定连接，第2关节的动平台上设有夹爪。本发明综合刚体结构与软体结构的优点，具有质量轻、强度高、柔顺性好、安全性高、运动灵活、工作空间大、响应速度快等优点。

Description

一种基于张拉整体结构的冗余机械臂

技术领域

本发明涉及一种基于张拉整体结构的冗余机械臂，属于机器人技术领域。

背景技术

传统的机械臂通常可以分为串联机械臂与并联机械臂。串联机械臂由一系列连杆通过转动关节或移动关节串联形成，是一种开式运动链机器人，具有结构简单、关节之间运动解耦、工作空间大等优点；并联机械臂由上下运动平台和两条或者两条以上运动支链构成，运动平台和运动支链之间构成一个或多个闭环机构，具有高刚度、高精度、高速度等优点。串联机械臂与并联机械臂都有各自的特点与适用场合，难以综合利用两者的优点。此外，在越来越多的应用场景中，需要机械臂与人、环境之间进行直接交互，无论是串联机械臂还是并联机械臂，通常都采用刚性构件，导致质量大，柔顺性差，安全性低，交互性能较差。虽然通过弹性驱动器或在关节处增加弹性元件可以改善关节柔性，但是会增大关节整体的体积与重量。

美国著名建筑师Fuller受到大自然万有引力现象的启发，提出了“张拉整体”的概念，认为宇宙的运行是按照张拉整体原理进行的，基于这个思想将张拉整体结构定义为由一组不连续的刚性受压构件与一组连续的柔性受拉构件组成的自支承、自应力的空间网格结构。张拉整体结构同时保留了刚性构件的承载能力与柔性构件的变形能力，兼具刚体结构与软体结构的优点，广泛应用于建筑与结构工程领域，并在近年来逐渐获得了机器人领域研究人员的青睐，如中国专利文件申请号CN201810899370.1提出了一种张拉浮动式柔性关节，但其存在响应速度慢、运动范围小的不足。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于张拉整体结构的冗余机械臂。

本发明的技术方案如下：

一种基于张拉整体结构的冗余机械臂，包括基座、第1关节、第2关节、夹爪；

基座与第1关节之间转动连接，形成转动自由度；

第1关节与第2关节结构相同，关节包括静平台、动平台、拉索、驱动部件、刚度调节部件，驱动部件设于静平台上，驱动部件通过拉索与动平台连接，驱动部件用于驱动动平台的运动；刚度调节部件设于静平台上，刚度调节部件通过拉索与动平台连接，刚度调节部件用于调节关节刚度；

第1关节的动平台与第2关节的静平台固定连接，第2关节的动平台上设有夹爪。

优选的，驱动部件包括角座、电机，角座设于静平台上，角座上对称设有齿条和导轨，电机固定于电机安装板上，电机安装板与滑块连接，滑块置于导轨上，滑块可沿导轨移动；齿轮与滑轮通过平键与电机输出轴连接，齿轮与齿条啮合，滑轮连接拉索一端，拉索另一端连接至动平台。电机工作时，带动滑轮转动，使拉索在滑轮上缠绕，进而带动动平台运动，同时，通过齿轮齿条之间的啮合传动，直流电机、齿轮、滑轮等一起沿直线导轨向下滑动，也导致动平台运动。

进一步优选的，拉索另一端通过吊码与动平台连接，并通过锁紧器锁紧。

进一步优选的，拉索末端绕过滑轮后套在紧固螺钉上，并通过锁紧器锁紧，紧固螺钉固定设在滑轮上。

进一步优选的，角座通过螺栓固连在静平台上，齿条通过螺栓固连在角座上，导轨通过螺栓固连在角座上。

进一步优选的，驱动部件的数量为至少三个，所有的驱动部件置于静平台表面同一个圆周上。

优选的，刚度调节部件包括电机固定座、电机，电机固定座固定于静平台上，电机与电机固定座连接，电机输出轴通过平键连接有滑轮，静平台上设有低角座和高角座，低角座上铰接设有低惰轮，高角座上铰接设有高惰轮，拉索一端连接于滑轮，拉索绕过低惰轮、高惰轮后连接至动平台。当电机转动时，使缠绕在滑轮上的拉索长度发生变化，则拉索承受的拉应力发生变化；当关节运动时需要克服拉索作用力大小发生变化，即关节刚度产生相应变化。

进一步优选的，低角座、高角座均与静平台螺栓连接，电机固定座通过螺栓连接与静平台固连。

进一步优选的，滑轮上设有紧固螺钉，拉索一端通过紧固螺钉固定于滑轮上、并通过锁紧器锁紧，拉索另一端通过紧固器与动平台固定连接。

进一步优选的，低角座、高角座的数量相同，分别为至少三个。

优选的，拉索为弹性绳。

优选的，动平台底部设有三角架，刚度调节部件通过拉索与动平台的三角架尖端连接。

本发明基于张拉整体的思想设计了一种三自由度张拉整体并联关节，不同于传统的并联关节，该关节的动平台与静平台之间通过6根弹性构件连接，每个拉索都承受一定的拉应力；然后采用串并联混合的结构形式，将两个张拉整体并联关节串联之后得到六自由度机械臂；进一步在基座设计一个转动自由度，在末端设计具有一个开合自由度的夹爪，从而得到一个具有8个主动自由度的冗余机械臂。

本发明的有益效果在于：

本发明中的张拉整体结构关节结构重量轻，强度质量比高，机械臂中含有大量质量很轻的柔性受拉构件，同时也保留了刚性受压构件的承载能力，使机械臂整体上质量轻强度高。

本发明的结构惯性力小、柔顺性好，关节中的柔性受拉构件使关节具有良好的柔顺特性，并且关节柔性可以调整。且运动灵活，机械臂具有8个主动自由度，可以实现各个方向上的灵活运动。

本发明的结构响应速度快。张拉整体结构关节中采用弹性构件作为传动元件，弹性构件必须在张紧到一定程度之后才能带动负载运动，这就导致弹性构件在运动过程中存在一定的迟滞，关节响应速度降低。本发明中，驱动电机在对弹性拉索长度进行控制的同时，电机自身会产生相对于静平台的运动，通过两种运动的耦合克服了弹性构件响应具有迟滞的缺点，提高了关节的响应速度。

运动范围大。张拉整体结构关节中的弹性构件在初始状态就要承受一定的拉应力，即产生一定的拉伸变形以维持结构平衡，弹性构件拉伸到极限位置后，整个关节也达到相应的极限运动范围。本发明中驱动部件采用耦合运动机构，通过驱动电机自身移动带动动平台运动的方式来增大关节整体的运动范围，并借助于8个主动自由度，使机械臂可以实现较大的工作空间。

关节刚度可调。本发明中的关节具有三个主动自由度，通过刚度调节机构可实现各个运动自由度方向上的刚度调节，从而允许关节实现力/位混合控制。

应用前景广。本发明针对现有机械臂存在的局限性，设计一种基于张拉整体结构的冗余机械臂，综合刚体结构与软体结构的优点，具有质量轻、强度高、柔顺性好、安全性高、运动灵活、工作空间大、响应速度快等优点，在机器人、航空航天、医疗康复和教育娱乐等多个领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明基于张拉整体结构的冗余机械臂外形图；

图2是本发明关节结构示意图；

图3是本发明驱动部件侧视方位一示意图；

图4是本发明驱动部件侧视方位二示意图；

图5是本发明驱动部件斜视示意图；

图6是本发明刚度调节部件的结构示意图。

其中：1、基座，2、第1关节，3、第2关节，4，夹爪；

21、静平台，22、动平台，23、驱动部件，24、刚度调节部件；

221、三角架；

231、角座A，232、螺栓，233、齿条，234、导轨，235、滑块，236、电机安装板，237、电机A，238、滑轮A，239、齿轮，2310、拉索A，2311、吊码，2312、锁紧器A，2313、紧固螺钉A；

241、电机固定座，242、电机B，243、滑轮B，244、低角座，245、高角座，246、低惰轮，247、高惰轮，248、拉索B，249、紧固螺钉B，2410、锁紧器B，2411、紧固器。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

如图1-6所示。

实施例1：

一种基于张拉整体结构的冗余机械臂，包括基座1、第1关节2、第2关节3、夹爪4。

基座与第1关节之间转动连接，形成转动自由度。

第1关节与第2关节结构相同，为基于张拉整体结构的并联关节，关节包括静平台21、动平台22、拉索、驱动部件23、刚度调节部件24，如图2所示，驱动部件设于静平台上，驱动部件通过拉索与动平台连接，驱动部件用于驱动动平台的运动；刚度调节部件设于静平台上，刚度调节部件通过拉索与动平台连接，刚度调节部件用于调节关节刚度。

第1关节的动平台与第2关节的静平台固定连接，第2关节的动平台上设有夹爪。

实施例2：

一种基于张拉整体结构的冗余机械臂，其结构如实施例1所述，所不同的是，驱动部件包括角座A231、电机A237，如图3-5所示，角座A设于静平台上，角座A上对称设有齿条233和导轨234，电机A237固定于电机安装板236上，电机安装板与滑块235连接，滑块置于导轨上，滑块可沿导轨移动；齿轮239与滑轮A238通过平键与电机输出轴连接，齿轮与齿条啮合，滑轮A连接拉索A2310一端，拉索A另一端连接至动平台。当直流电机A顺时针方向(面向电机输出轴)旋转时，带动滑轮A转动，使拉索A在滑轮A上缠绕，进而带动动平台运动，同时，通过齿轮齿条之间的啮合传动，电机A、齿轮、滑轮A等一起沿导轨向下滑动，也导致动平台运动。拉索A为弹性绳。

驱动部件的数量为三个，所有的驱动部件置于静平台表面同一个圆周上，相互间隔120°，呈并联形式布置。驱动部件一个或多个伸缩运动时，会使关节静平台与动平台之间的位姿发生变化，由此每个关节具有3个主动自由度(两个转动与一个移动自由度)。第1关节与第2关节采用串联连接的形式。基座与第1关节之间具有一个转动自由度，第2关节的末端安装有一个夹爪，夹爪具有一个开合自由度。

实施例3：

一种基于张拉整体结构的冗余机械臂，其结构如实施例2所述，所不同的是，拉索A另一端通过吊码2311与动平台连接，并通过锁紧器A2312锁紧。

实施例4：

一种基于张拉整体结构的冗余机械臂，其结构如实施例2所述，所不同的是，拉索A末端绕过滑轮A后套在紧固螺钉A2313上，并通过锁紧器A2312锁紧，紧固螺钉固定设在滑轮上。

实施例5：

一种基于张拉整体结构的冗余机械臂，其结构如实施例2所述，所不同的是，角座A通过螺栓232固连在静平台上，齿条通过螺栓固连在角座A上，导轨通过螺栓固连在角座A上。

实施例6：

一种基于张拉整体结构的冗余机械臂，其结构如实施例1所述，所不同的是，刚度调节部件包括电机固定座241、电机B242，如图6所示，电机固定座固定于静平台上，电机B与电机固定座连接，电机输出轴通过平键连接有滑轮B243，静平台上设有低角座244和高角座245，低角座上铰接设有低惰轮246，高角座上铰接设有高惰轮247，拉索B248一端连接于滑轮B，拉索B绕过低惰轮、高惰轮后连接至动平台。当电机B转动时，使缠绕在滑轮B上的拉索B长度发生变化，则拉索承受的拉应力发生变化；当关节运动时需要克服拉索作用力大小发生变化，即关节刚度产生相应变化。拉索B为弹性绳。

低角座、高角座的数量相同、分别为三个。

实施例7：

一种基于张拉整体结构的冗余机械臂，其结构如实施例6所述，所不同的是，低角座、高角座均与静平台螺栓连接，电机固定座通过螺栓连接与静平台固连。

实施例8：

一种基于张拉整体结构的冗余机械臂，其结构如实施例6所述，所不同的是，滑轮B上设有紧固螺钉B249，拉索B一端通过紧固螺钉B固定于滑轮B上、并通过锁紧器B2410锁紧，拉索B另一端通过紧固器2411与动平台固定连接。

实施例9：

一种基于张拉整体结构的冗余机械臂，其结构如实施例6所述，所不同的是，动平台底部设有三角架221，刚度调节部件通过拉索B与动平台的三角架尖端连接。

Claims (10)

1.一种基于张拉整体结构的冗余机械臂，其特征在于，包括基座、第1关节、第2关节、夹爪；

基座与第1关节之间转动连接，形成转动自由度；

第1关节与第2关节结构相同，关节包括静平台、动平台、拉索、驱动部件、刚度调节部件，驱动部件设于静平台上，驱动部件通过拉索与动平台连接，驱动部件用于驱动动平台的运动；刚度调节部件设于静平台上，刚度调节部件通过拉索与动平台连接，刚度调节部件用于调节关节刚度；

第1关节的动平台与第2关节的静平台固定连接，第2关节的动平台上设有夹爪。

2.根据权利要求1所述的基于张拉整体结构的冗余机械臂，其特征在于，驱动部件包括角座、电机，角座设于静平台上，角座上对称设有齿条和导轨，电机固定于电机安装板上，电机安装板与滑块连接，滑块置于导轨上；齿轮与滑轮通过平键与电机输出轴连接，齿轮与齿条啮合，滑轮连接拉索一端，拉索另一端连接至动平台。

3.根据权利要求2所述的基于张拉整体结构的冗余机械臂，其特征在于，拉索另一端通过吊码与动平台连接，并通过锁紧器锁紧；

优选的，拉索末端绕过滑轮后套在紧固螺钉上，并通过锁紧器锁紧，紧固螺钉固定设在滑轮上；

进一步优选的，角座通过螺栓固连在静平台上，齿条通过螺栓固连在角座上，导轨通过螺栓固连在角座上。

4.根据权利要求2所述的基于张拉整体结构的冗余机械臂，其特征在于，驱动部件的数量为至少三个，所有的驱动部件置于静平台表面同一个圆周上。

5.根据权利要求1所述的基于张拉整体结构的冗余机械臂，其特征在于，刚度调节部件包括电机固定座、电机，电机固定座固定于静平台上，电机与电机固定座连接，电机输出轴通过平键连接有滑轮，静平台上设有低角座和高角座，低角座上铰接设有低惰轮，高角座上铰接设有高惰轮，拉索一端连接于滑轮，拉索绕过低惰轮、高惰轮后连接至动平台。

6.根据权利要求5所述的基于张拉整体结构的冗余机械臂，其特征在于，低角座、高角座均与静平台螺栓连接，电机固定座通过螺栓连接与静平台固连。

7.根据权利要求5所述的基于张拉整体结构的冗余机械臂，其特征在于，滑轮上设有紧固螺钉，拉索一端通过紧固螺钉固定于滑轮上、并通过锁紧器锁紧，拉索另一端通过紧固器与动平台固定连接。

8.根据权利要求5所述的基于张拉整体结构的冗余机械臂，其特征在于，低角座、高角座的数量相同、分别为至少三个。

9.根据权利要求1所述的基于张拉整体结构的冗余机械臂，其特征在于，拉索为弹性绳。

10.根据权利要求1所述的基于张拉整体结构的冗余机械臂，其特征在于，动平台底部设有三角架，刚度调节部件通过拉索与动平台的三角架尖端连接。

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