CN112476478B - 一种面向人机协作仿生绳驱动四自由度手臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向人机协作仿生绳驱动四自由度手臂，其中肘关节的自由度为一，腕关节的自由度为三。所有关节的驱动都是通过绳索传动的方式实现的，其中肘关节是通过相切圆滚动机构实现，同时设计了动滑轮传动结构实现关节刚度和扭矩的放大，腕关节的三个自由度是通过三连杆并联机构配合万向节实现的；所有关节驱动电机都布置在肩部结构处，有效降低了手臂的运动惯量，关节之间的绳长变化是解耦的，便于控制。相对于目前电机驱动的协作机器人，本发明运动灵活度较高，运动柔性高，运动惯量小，负载自重比大等特点，有效提高了机器人在人机协作领域中的安全系数和工作性能。

Description

一种面向人机协作仿生绳驱动四自由度手臂

技术领域

本发明涉及一种机器人机械臂，尤其涉及一种面向人机协作仿生绳驱动四自由度手臂。

背景技术

随着机器人技术的发展，机器人在人类生产生活中逐渐展现出其重要的作用。机器人技术在传统工业生产领域中得到广泛的应用，随着机器人技术的发展，人机协作机器人是当前机器人发展的重要方向之一。

在协作机器人领域为了提高机器人的安全性，主要有两种方法防止人-机碰撞引发的事故发生。一种是主动安全技术，采用触觉和视觉等传感器监测机械臂与周围环境的碰撞情况，或者监测电机的电流变化情况，通过反馈系统改变机器人的驱动电机，避免刚性碰撞；另一种方案是被动安全技术，典型的方法有减小机器人重量，降低机器人的运动惯量；设计柔顺结构，采用弹性制动器降低碰撞冲击力。随着人们对机器人性能要求的提升，机器人不局限在工业生产中，在生活服务中、医疗辅助、外骨骼等人机协作领域内应用也与日俱增，传统机器人多数采用刚性构件，柔顺性较差；关节处的电机和减速器，增加了关节体积、重量，导致关节臃肿，负载自重比较小。

发明内容

本发明的目的是提供一种面向人机协作仿生绳驱动四自由度手臂。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的面向人机协作仿生绳驱动四自由度手臂，包括肩部结构、肘关节、腕关节、绳驱动装置、关节之间解耦布局、关节刚度放大装置、上臂和下臂；

所述肘关节是相切圆滚动结构，等效为单自由度旋转关节，通过滑轮组实现该关节的刚度和扭矩放大；

所述腕关节为三自由度关节，其中两个自由度是通过三连杆并联机构实现的，第三个旋转自由度是通过万向节配合转动轴实现的；

上述的四个自由度的驱动电机均布置在肩部结构处，驱动电机通过传动绳和传动滑轮对各个关节进行驱动。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的，仿照人手臂的生物结构和运动机理设计协作机器人，基于人手臂的肌腱传动机理提出仿生绳驱动机械臂。绳能够实现任意路径运动和力的传递，利用绳的自由走线配置，将驱动力传递到关节处，实现机械关节的驱动。绳驱动电机后置有利于降低关节的重量和驱动能耗，提高负载自重比；绳自身的柔性特点能吸收一定的震动冲击，可以有效降低碰撞导致的冲击力，降低机构损伤，提高人机交互的安全性；同时绳驱动结构简单，驱动器等电机元件后置更容易实现防水和防尘，采用绳驱动的机器人环境适应能力更强；

人手臂具有高度的灵活性和适应性，通常将人手前臂部分简化为四自由度串联机器人，其中肘关节为一个自由度，腕关节为三自由度，与传统协作机器人相比，采用绳驱动的仿生协作机器人的运动惯量小，负载自重比大，环境适应能强，可以有效提高人机协作的安全性。

附图说明

图1a、图1b分别为本发明实施例提供的面向人机协作仿生绳驱动四自由度手臂的整体示意图和内部结构示意图；

图2为本发明实施例仿生绳驱动四自由度手臂执行任务示意图；

图3a、图3b、图3c分别为本发明实施例肘关节结构示意图和部件爆炸图；

图4为本发明实施例肘关节运动及其刚度放大原理图；

图5a、图5b、图5c分别为本发明实施例腕关节结构示意图、三联杆并联机构和部件爆炸图；

图6a1、图6a2分别为本发明实施例腕关节并联机构运动原理图；

图6b为本发明实施例反平行四边形模拟圆轨迹计算案例示意图；

图6c1、图6c2、图6c3分别为本发明实施例反平行四边形扩展到空间结构实现类似球面的滚动运动示意图；

图7a、图7b分别为本发明实施例肩部结构示意图和部件爆炸图；

图8a、图8b分别为本发明实施例肘关节和腕关节四对传动绳螺杆系统示意图；

图9为本发明实施例仿生绳驱动四自由度手臂肘关节、腕关节和关节之间的绳布局方案；

图10为本发明实施例肘关节和腕关节绳长变化解耦原理图。

图中：

1为肩部结构、2为上臂、3为肘关节、4为下臂、5为腕关节、1-1为驱动电机控制器、1-2为驱动器安装支架、1-3为驱动电机支架、1-4-1为驱动器支架支柱、1-5-1为肘关节驱动电机、1-5-2、1-5-3和1-5-4为腕关节驱动电机、1-6为驱动电机支架、1-7-1和1-7-2为联轴器、1-8为交叉滚子轴承、1-9为螺杆上支座、1-10为轴承外压、1-11为轴承内压、1-12为连接支柱、1-13螺杆底座、1-14为上臂连接环、1-15为交叉滚子轴承、1-16-1为长螺杆、1-17-1和1-17-2为同步轮、1-18-1为短螺杆、1-19-1为短螺杆、1-20-1为传动绳调整滑轮组、1-20-1-1为滑轮组、1-21-1为滑杆、3-1-1、3-1-2、3-1-3和3-1-4为肘关节外连接外杆外压、3-2-1和3-2-2为肘关节滚动件、3-3-1为肘关节外连接内杆、3-4-1为交叉滚子轴承、3-5-1为滑轮组、3-6-1为滑轮组、3-7-2为肘关节连杆、3-8-1为转动轴承、3-9-1和3-9-2为转动轴承、5-1为腕关节旋转绳轮、5-2为腕关节旋转绳轮滑轮支架、5-3为腕关节底座、5-4-1为旋转牵引绳轮、5-5-1为腕部牵引滑轮支架、5-6-1为传动绳导引滑轮、5-7-1为动滑轮组滑轮、5-8-1为动滑轮组支架、5-9-1为固定卡簧、5-10-1为绳导引滑轮、5-11-1为动滑轮组支架、5-12-1为传动轴、5-13-1为旋转关节、5-14-1为连接件、5-15-1为旋转关节、5-16-1为旋转滑轮支架、5-17-1为减速机底座、5-18-1为交叉滚子轴承、5-19-1为行星齿轮组内齿轮、5-20行星齿轮箱底座、5-22-1为三连杆、5-23为腕关节顶部支撑座、5-24-1和5-24-2为球关节底座、5-25-1和5-25-2为虎克铰转动轴、5-26为虎克铰偏置连接件、L1和L2是腕关节旋转运动传动绳、L3和L4是肘关节屈曲运动传动绳、L5和L6是腕关节侧倾运动传动绳、L7和L8是腕关节弯曲运动传动绳。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的面向人机协作仿生绳驱动四自由度手臂，其较佳的具体实施方式是：

包括肩部结构、肘关节、腕关节、绳驱动装置、关节之间解耦布局、关节刚度放大装置、上臂和下臂；

所述肘关节是相切圆滚动结构，等效为单自由度旋转关节，通过滑轮组实现该关节的刚度和扭矩放大；

所述腕关节为三自由度关节，其中两个自由度是通过三连杆并联机构实现的，第三个旋转自由度是通过万向节配合转动轴实现的；

上述的四个自由度的驱动电机均布置在肩部结构处，驱动电机通过传动绳和传动滑轮对各个关节进行驱动。

所述肘关节和腕关节的驱动电机和传动绳中，为了避免传动绳之间产生运动干涉，采用螺杆卷绳的方式实现各个自由度的正向和反向的运动；

所述肘关节和腕关节的驱动电机分为上下两层，驱动电机通过联轴器与螺杆相连，为了实现传动绳的绳长调节，通过另一个螺杆上的导向滑轮组实现传动绳的引线位置调整，两个螺杆之间通过同步带实现同时传动，四个自由度的驱动电机均采用该结构实现关节的驱动；

为了防止传动绳在空间中的干涉，采用绳引出孔实现传动绳之间的分离。

所述的肘关节为相切圆纯滚动结构，并采用对称结构满足稳定性，通过在滚动面布置交叉绳和连接两个滚动面转动中心的连杆实现肘关节纯滚动运动，通过传动滑轮组传递肘关节的刚度和扭矩。

所述的腕关节为三连杆并联机构，该机构通过传动滑轮组实现类似人腕关节屈伸运动和侧倾运动，采用万向节和传动轴实现旋前和旋后运动。

所述肘关节的传动绳的绳长变化不影响腕关节绳长变化，所述腕关节的三个自由度的传动绳是相互独立的，各个关节的绳长变化是解耦的。

所述单自由度的肘关节为滚动结构，通过设置动滑轮组提高肘关节的刚度和扭矩，在滚动结构凹槽中布置交叉绳实现半圆结构的纯滚动运动，避免出现滑动运动。

所述三自由度的腕关节与上下底座连接的三连杆机构是通过两对滑轮组实现屈曲和倾斜运动，通过缠绕在旋转轴轮上的传动绳实现腕关节旋转运动。

本发明的面向人机协作仿生绳驱动四自由度手臂，对绳驱动仿人手臂的结构和驱动方式进行优化设计。通用性强、安全性高、负载自重比大。

具体包括：

依次相连的肩部结构、肘关节、腕关节以及各关节之间的连接结构；肘关节具有一个自由度，腕关节具有三个自由度，各个关节的驱动电机都布置在肩部位置，有效减小了手臂的运动惯量；腕关节为并联机构，肘关节为滚动结构，肩部结构和肘关节是通过串联的方式连接在一起；这里采用3D打印技术制造仿生机械臂的上臂和下臂，采用拓扑优化设计，减小手臂的运动惯量。

所述仿生绳驱动四自由度手臂的肩部布置了肘关节和肩部结构的四个驱动电机，为了实现各个自由度的正转和反转，所有电机的传动绳都缠绕在螺杆上，为了实现传动绳的位置调整，通过同步带驱动另一个螺杆上的滑轮实现传动绳位置调整；为了避免传动绳在空间中的干涉，这里设计每个传动绳的引出孔将传动绳从电机引向肘关节和腕关节。

所述仿生绳驱动四自由度的肘关节等效为一个自由度，肘关节是两个半圆纯滚动结构，肘关节的滚动结构为对称设计，有利于肘关节的运动稳定性，在两个滚动半圆的转动中心之间通过连杆连接，为了提高肘关节的结构强度，在连杆外侧布置挡板。

图4显示的是肘关节设计原理，动滑轮组具有放大输出力T_out的作用，输出力T_out＝n·T_in，T_in是输入力，动滑轮组的缠绕的绳数为n，动滑轮整体位移量为Δx_out，传动绳的变化量为Δx_in＝n·Δx_out，动滑轮组整体刚度为K_out＝T_out/Δ_out＝n²K，L为绳的刚度，如果采用图4(b)中的旋转关节设计，上下动滑轮组的绳长变化量将无法保持一致，同时传动绳与关节会产生较大的摩擦，影响关节驱动性能，为此，本发明设计滚动关节如图4(c)所示，滚动关节中间交叉的绳避免滚动关节发生互动，上下动滑轮组实现肘关节屈曲运动的刚度放大功能，同时这种设计保证了上下动滑轮组的绳长变化量相等，图5a、图5b、图5c显示的是肘关节绳长变化原理图，其中l_left是上滑轮组绳长，l_right是下滑轮组绳长，d是滚动圆的直径，w是上下滑轮转动中心的距离，θ是肘关节转动角度，由几何关系可得l_left＝n(d-wsin(θ/2)，l_right＝n(d+wsin(θ/2))，则上下滑轮组绳长变化量为Δl_left＝-Δl_right＝nwsin(θ/2)，由此可见上下滑轮组的绳长变化量是相同的，这种结构非常有利于电机控制。

所述仿生绳驱动四自由度手臂的腕关节具有三个自由度，并联结构可以实现倾斜和屈曲两个自由度运动，两组动滑轮分别控制并联结构的连个自由度，通过相应的参数优化可以模拟球面滚动运动，第三个自由度是通过两个虎克铰和传动轴旋转实现的，为了控制腕关节弯曲的运动角度范围，在动滑轮组上下两端分别设置挡板阻挡限位。图6a1、图6a2显示的是腕关节运动原理图，本发明采用反平行四边形模拟圆形滚动运动，其中w_c表示短连杆，l_c表示长连杆，h_c表示上下短连杆之间的高度，长连杆交叉点p_c(x_c，y_c)的轨迹为椭圆轨迹，其轨迹方程为：

p₀(0，-h₀)是模拟圆的圆心坐标，则交叉点p_c(x_c，y_c)中y_c＝(1/tanψ)x_c-h₀，r＝x_c/sinψ，其中ψ是倾斜角，交叉点到圆心的距离为：

这里设w_c为40mm，l_c为121.1mm，h₀为6mm，计算结果如图6b所示，误差范围在0.2mm范围内。

如图6c1、图6c2、图6c3所示，通过设置轴向交错的并联三连杆机构将二维反平行四边形扩展到空间结构，该结构可以实现类似球面的滚动运动。

所述仿生绳驱动四自由度手臂的肘关节和腕关节的驱动电机布置肩部位置，可以有效减小手臂在运动过程的惯量，使其在人机交互的时候更加的安全。

所述仿生绳驱动四自由度手臂的肘关节和腕关节的减速比和转动刚度通过设置的动滑轮组进行调整，这里通过在肘关节处设置相应的解耦结构实现肘关节的绳长变化量和腕关节的绳长变化量不相干涉。如图10所示，本发明为了分离肘关节运动和腕关节运动，在肘关节上设计了滑轮布置，滑轮2和滑轮3被布置在同一轴线上，设肘关节在转动过程中转动角度为θ，滑轮半径为r，则起始点的绳长变化r·θ/2，输出点的绳长变化量r·θ/2，因此，通过肘关节的绳长度不会变化，通过这种布置可以实现肘关节和腕关节的绳长变化解耦。

本发明专利技术方案的仿生绳驱动四自由度手臂将肘关节和腕关节以串联的方式设计得到的，该机器人的各个运动关节之间的连杆可以根据不同的工作场景进行调整，各个关节之间运动是解耦的，同时每个自由度都是通过一个电机实现正反旋转运动。通过上述方法设计的仿生绳驱动四自由度手臂质量轻，运动灵活度高，柔性驱动关节能够有效吸收冲击，更适合应用于人机交互领域。

具体实施例：

如图1a、图1b至图10所示，该机械臂由肩部结构1、肘关节3、腕关节5、上臂2和下臂4组成。其中肩部布置有肘关节和腕关节的驱动电机，传动螺杆组和传动绳导引滑轮组；肘关节具有一个自由度，采用纯滚动结构实现肘关节运动，驱动肘关节的电机布置在肩部结构位置，可以有效降低手臂运动惯量；腕关节具有三个自由度，其中两个自由度倾斜和屈曲是通过三联杆并联机构实现，通过两组滑轮组实现这两个方向的运动，第三个自由度为旋转运动，是通过绳轮驱动与虎克铰相连的转轴实现的，驱动腕关节的三个电机也是布置在肩部结构位置，可以有效降低手臂运动惯量，保证了机器人机型进行人机协作过程的安全性。

如图1a、图1b所示，一个自由度的传动绳是通过一个驱动电机驱动的，所有关节的运动都是通过驱动电机带动绳实现的。

图2显示的是仿生绳驱动四自由度手臂的工作示意图。

如图3a、图3b、图3c所示，上臂和下臂之间的关节为肘关节，肘关节为纯滚动结构，肘关节的屈曲运动是通过上下两个滑轮组的配合运动实现的，两个半圆滚动3-2-1和3-2-1是相切的，为了实现纯滚动结构，通过在肘关节滚动半圆的走线槽里布置交叉线3-10-1和3-10-2，使得肘关节在滚动的时候不会发生相对滑动。整个肘关节结构上是对称设置的，为了保证结构稳定性，设置了内连杆3-7-1和外连杆3-3-1，同时在外连杆外部设置了外压结构3-1-1保证了机构的强度，滑轮组3-6-1通过转轴3-2-1和滚动半圆相连，驱动肘关节的电机布置肩部结构位置，肘关节的屈曲运动范围为180°。

如图4所示，通过调整动滑轮的绳缠绕数可以调整关节的旋转刚度和减速比。

如图5a、图5b、图5c所示，腕关节有三个运动自由度，其中两个自由度是通过三连杆并联机构实现的，三连杆5-22-1分别在上下运动平面5-3和5-23呈现120°交叉分布，为了对这两个自由度进行控制，设置两组对称的滑轮组，每对滑轮组都是由一个电机进行控制，为了限制这两个自由度的运动范围，在每对滑轮组下方和上方分别设置限位装置5-9-1和5-11-1，每个滑轮和限位装置是通过固定构件5-5-1和5-16-1分别于上下运动平面相连，第三个自由度是通过绳轮5-1驱动与之相连的万向轴实现的，万向轴由两个万向节5-15-1，5-13-1和一个转轴5-26组成，同时在末端设置了行星齿轮组减速器5-16-1和5-19-1使末端旋转运动变的更加稳定。

如图6a1、图6a2、图6b、图6c1、图6c2、图6c3所示，本发明采用反平行四边形模拟球面滚动运动，由于反平行四边形交叉点的运动轨迹为椭圆轨迹，通过对连杆的几何参数优化可以得到误差较小的运动轨迹，通过设计相应的三连杆并联机构将二维运动扩展到空间球面滚动结构。

如图7a、图7b和图8a、图8b所示，本发明将肘关节驱动电机1-5-1和腕关节驱动电机1-5-2、1-5-3和1-5-4均布置在肩部位置，可以有效降低手臂运动惯量，提高负载自重比，设计螺杆传动组1-18-1和1-19-1实现各个关节自由度的传动绳在空间中不会产生干涉，传动绳缠绕在螺杆上，通过另一个螺杆上的滑轮组1-20-1调节传动绳引出位置，每个螺杆传动组中的螺杆是通过同步带1-17-1和同步轮1-17-2实现同步运动，螺杆传动组固定在上下支座上1-13和1-9，螺杆与驱动电机是通过联轴器1-7-1连接的。

如图9所示，本发明设计每个关节自由度的绳传动系统，通过在各个关节设计相应滑轮组系统和导引孔避免了各个传动绳在空间的干涉，L3和L4是肘关节屈曲运动的传动绳，L1和L2是腕关节旋转运动传动绳，L5和L6是腕关节倾斜运动传动绳，L7和L8是腕关节弯曲运动传动绳。

如图10所示，本发明在肘关节位置相应的滑轮组系统，其中滑轮2和滑轮3与肘关节滚动件的旋转中心是一致的，滑轮1和滑轮4布置在滑轮2左下方和滑轮3的右下方，实现肘关节运动和腕关节运动的绳长变化解耦，即肘关节运动过程不会影响腕关节绳长变化，腕关节运动不会影响肘关节绳长变化。

由上述可知，本实施例基于仿生绳驱动四自由度手臂，采用电机后置的方式绳传动方案，肘关节和腕关节的驱动电机均布置在肩部结构，设计动滑轮实现肘关节和腕关节的刚度和减速比调整，有效降低了手臂的运动惯量，同时提高了手臂末端的负载自重比；通过反平行四边形实现腕关节球面滚动运动，提高腕关节的结构稳定性和运动精度；通过设置肘关节和腕关节的绳长变化解耦装置，实现关节之间的运动解耦，这非常有利于电机控制，提高运动控制灵活度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种面向人机协作仿生绳驱动四自由度手臂，其特征在于，包括肩部结构、肘关节、腕关节、绳驱动装置、关节之间解耦布局、关节刚度放大装置、上臂和下臂；

所述肘关节是相切圆滚动结构，等效为单自由度旋转关节，通过滑轮组实现该关节的刚度和扭矩放大；

所述腕关节为三自由度关节，其中两个自由度是通过三连杆并联机构实现的，第三个旋转自由度是通过万向节配合转动轴实现的；

上述的四个自由度的驱动电机均布置在肩部结构处，驱动电机通过传动绳和传动滑轮对各个关节进行驱动；

所述肘关节和腕关节的驱动电机和传动绳中，为了避免传动绳之间产生运动干涉，采用螺杆卷绳的方式实现各个自由度的正向和反向的运动；

所述肘关节和腕关节的驱动电机分为上下两层，驱动电机通过联轴器与螺杆相连，为了实现传动绳的绳长调节，通过另一个螺杆上的导向滑轮组实现传动绳的引线位置调整，两个螺杆之间通过同步带实现同时传动，四个自由度的驱动电机均采用该结构实现关节的驱动；

为了防止传动绳在空间中的干涉，采用绳引出孔实现传动绳之间的分离；

所述的肘关节为相切圆纯滚动结构，并采用对称结构满足稳定性，通过在滚动面布置交叉绳和连接两个滚动面转动中心的连杆实现肘关节纯滚动运动，通过传动滑轮组传递肘关节的刚度和扭矩；

所述的腕关节为三连杆并联机构，该机构通过传动滑轮组实现类似人腕关节屈伸运动和侧倾运动，采用万向节和传动轴实现旋前和旋后运动；

所述肘关节的传动绳的绳长变化不影响腕关节绳长变化，所述腕关节的三个自由度的传动绳是相互独立的，各个关节的绳长变化是解耦的；

所述单自由度的肘关节为滚动结构，通过设置动滑轮组提高肘关节的刚度和扭矩，在滚动结构凹槽中布置交叉绳实现半圆结构的纯滚动运动，避免出现滑动运动；

所述三自由度的腕关节与上下底座连接的三连杆机构是通过两对滑轮组实现屈曲和倾斜运动，通过缠绕在旋转轴轮上的传动绳实现腕关节旋转运动。

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