CN112706155A - 一种模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械臂技术领域，特别涉及一种模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人。包括机械臂、驱动绳、驱动装置、支撑框架及线性运动组件，其中支撑框架设置于线性运动组件上，驱动装置设置于支撑框架上，机械臂包括固定段及设置于固定段前端的柔性段，固定段设置于驱动装置上，柔性段的各关节通过多个驱动绳与驱动装置连接。本发明不同编号的驱动单元具有不同的传动系数，能够实现合理的传动比匹配，能够在不影响机械臂负载能力的前提下，提高了机械臂的运行速度。本发明驱动单元中的直接或间接绳张力测量装置能够配合控制系统实现力位双闭环控制，能够有效补偿机械臂传动系统弱刚性结构的运动精度。

Description

一种模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人

技术领域

本发明属于机械臂技术领域，特别涉及一种模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人。

背景技术

传统机械臂关节多采用电机等机构直接在关节处进行驱动，虽然机构简单但增加了机械臂负载并且结构不紧凑，无法满足狭小空间或恶劣环境的作业要求。目前，虽然出现了连续体机械臂，采用柔性结构体以实现类圆弧变形运动，但负载能力较弱和末端运动精度不够高。因此，现有的超冗余绳驱动机器人普遍存在负载能力差，运动速度低，控制精度低，安装拆卸不便等问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人，以解决现有连续体机械臂存在负载能力差，运动速度低，控制精度低，安装拆卸不便等问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人，包括机械臂、驱动绳、驱动装置、支撑框架及线性运动组件，其中支撑框架设置于线性运动组件上，所述驱动装置设置于支撑框架上，所述机械臂包括固定段及设置于固定段前端的柔性段，所述固定段设置于所述驱动装置上，所述柔性段的各关节通过多个驱动绳与所述驱动装置连接。

所述驱动绳为钢丝绳；

所述机械臂的固定段包括机械臂前固定板、机械臂后固定筒及钢丝绳导向段，其中机械臂前固定板连接在机械臂后固定筒的前端；所述钢丝绳导向段连接在机械臂前固定板上，多个所述钢丝绳经过所述钢丝绳导向段导向并且布设于所述机械臂后固定筒的外侧，所述钢丝绳的驱动端与所述驱动装置连接。

所述钢丝绳导向段包括钢丝绳导向块a、过渡筒Ⅰ和钢丝绳导向块b，其中钢丝绳导向块b连接在所述机械臂前固定板上，所述钢丝绳导向块a和钢丝绳导向块b分别连接在过渡筒Ⅰ的两端，所述钢丝绳导向块a的直径小于所述钢丝绳导向块b的直径；所述钢丝绳导向块a和所述钢丝绳导向块b的外圆周上均布有多个钢丝绳导向槽。

所述钢丝绳的驱动端通过弹性连接件与所述机械臂后固定筒的后端连接；

所述弹性连接件包括钢丝绳固定头和固定弹簧，其中钢丝绳固定头与所述钢丝绳的驱动端连接；所述固定弹簧的一端与钢丝绳固定头连接，另一端与所述机械臂后固定筒的后端连接；所述钢丝绳固定头与所述驱动装置连接。

所述驱动装置包括支撑框架及设置于所述支撑框架内的多个驱动单元，多个驱动单元分别与各所述钢丝绳连接；

所述支撑框架为圆筒式结构，包括前固定板和后固定板，所述驱动单元连接在所述前固定板和后固定板之间。

所述驱动单元包括驱动单元底板、丝杠、直线导轨滑块、卡块固定板及旋转驱动机构，其中驱动单元底板的两端分别与所述前固定板和后固定板连接，所述丝杠和直线导轨滑块相互平行地安装在所述驱动单元底板上，所述卡块固定板与所述丝杠螺纹连接，并且与所述直线导轨滑块连接，所述旋转驱动机构与所述丝杠连接，可驱动所述丝杠转动。

所述驱动单元还包括解锁顶块和卡块限位机构；

所述卡块限位机构包括对接卡块和卡块复位弹簧；所述对接卡块的一端与所述卡块固定板铰接，另一端通过卡块复位弹簧与所述卡块固定板连接，所述对接卡块用于与所述钢丝绳固定头对接；

所述解锁顶块设置于所述支撑框架的前端通孔内，所述解锁顶块用于驱动对接卡块向外侧摆动，从而解除与所述钢丝绳固定头的连接。

所述丝杠的驱动端通过浮动支撑机构支撑；

所述浮动支撑机构包括电机安装座、丝杠轴承、滑块导向光轴、单压式传感器及轴承固定座，其中电机安装座设置于所述驱动单元底板上，所述滑块导向光轴设置于所述电机安装座上，且与所述丝杠平行，所述轴承固定座与滑块导向光轴滑动连接，所述丝杠的驱动端通过丝杠轴承与轴承固定座连接；所述单压式传感器设置于所述轴承固定座和电机安装座之间。

所述旋转驱动机构包括依次连接的电机和减速机，所述减速机通过联轴器与所述丝杠连接；所述电机的端部设有编码器及抱闸，所述电机与电机驱动器连接。

所述机械臂的柔性段包括多个依次铰接的等径关节；或者所述机械臂的柔性段包括多个依次铰接的等径关节及至少一个变径关节。

本发明的优点及有益效果是：

本发明提供的一种模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人，由于机械臂存在变径结构，同样性能参数下，减小了机械臂靠近末端部分的外径，提高了机械臂的灵巧性。

本发明不同编号的驱动单元具有不同的传动系数，能够实现合理的传动比匹配，能够在不影响机械臂负载能力的前提下，提高了机械臂的运行速度。

本发明驱动单元中的直接或间接绳张力测量装置能够配合控制系统实现力位双闭环控制，相比较传统的单位置控制模式，能够有效补偿机械臂传动系统弱刚性结构的运动精度。

本发明的机械臂和驱动装置含有模块化的，能够实现快捷安装维护。

附图说明

图1为本发明第一实施例中模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人的结构示意图；

图2为本发明一实施例中机械臂的结构示意图；

图3为图2中I处放大图；

图4为图2中Ⅱ处放大图；

图5为图2中Ⅲ处放大图；

图6为本发明另一实施例中机械臂的结构示意图；

图7为图6中Ⅳ处放大图；

图8为本发明中驱动装置的结构示意图；

图9为本发明中驱动单元的结构示意图；

图中：11为机械臂，111为虎克铰，112为钢丝绳，113为机械臂前固定板，114为钢丝绳导向块a，115为钢丝绳导向块b，116为钢丝绳固定头，117为固定弹簧，118为机械臂后固定筒，119为等径关节，1110为变径关节，1111为小法兰，1112为过渡筒Ⅱ，1113为大法兰；

12为驱动装置，121为驱动单元，12101为驱动单元底板，12102为丝杠，12103为直线导轨滑块，12104为对接卡块，12105为卡块复位弹簧，12106为电机安装座，12107为丝杠轴承，12108为锁紧螺母，12109为联轴器，12110为减速机，12111为电机，12112为编码器，12113为抱闸，12114为滑块导向光轴，12115为单压式传感器，12116为卡块固定板，12117为轴承固定座，122为前固定板，123为后固定板，124为解锁顶块，125为电机驱动器，126为传感器放大器；

13为支撑框架；

14为线性运动组件；

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所示，本发明提供的一种模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人，包括机械臂11、驱动绳、驱动装置12、支撑框架13及线性运动组件14，其中支撑框架13设置于线性运动组件14上，驱动装置12设置于支撑框架13上，机械臂11包括固定段及设置于固定段前端的柔性段，固定段设置于驱动装置12上，柔性段的各关节通过多个驱动绳与驱动装置12连接。

本发明的实施例中，驱动绳采用钢丝绳112。

如图2-5所示，本发明的实施例中，机械臂11的固定段包括机械臂前固定板113、机械臂后固定筒118及钢丝绳导向段，其中机械臂前固定板113连接在机械臂后固定筒118的前端；钢丝绳导向段连接在机械臂前固定板113上，多个钢丝绳112经过钢丝绳导向段导向并且布设于机械臂后固定筒118的外侧，钢丝绳112的驱动端与驱动装置12连接。

本发明的实施例中，钢丝绳导向段包括钢丝绳导向块a114、过渡筒Ⅰ和钢丝绳导向块b115，其中钢丝绳导向块b115连接在机械臂前固定板113上，钢丝绳导向块a114和钢丝绳导向块b115分别连接在过渡筒Ⅰ的两端，钢丝绳导向块a114的直径小于钢丝绳导向块b115的直径；钢丝绳导向块a114和钢丝绳导向块b115的外圆周上均布有多个钢丝绳导向槽。

在上述实施例的基础上，钢丝绳112的驱动端通过弹性连接件与机械臂后固定筒118的后端连接。具体地，如图4所示，弹性连接件包括钢丝绳固定头116和固定弹簧117，其中钢丝绳固定头116与钢丝绳112的驱动端连接；固定弹簧117的一端与钢丝绳固定头116连接，另一端与机械臂后固定筒118的后端连接；钢丝绳固定头116与驱动装置12连接。

本发明的一实施例中，机械臂11的柔性段包括通过虎克铰111依次铰接的多个等径关节119，各等径关节119通过多个钢丝绳112驱动弯曲。

如图6所示，本发明的另一实施例中，机械臂11的柔性段包括多个依次铰接的等径关节119及至少一个变径关节1110。如图7所示，本发明的实施例中，变径关节1110包括小法兰1111、过渡筒Ⅱ1112及大法兰1113，其中过渡筒Ⅱ1112的两端分别与小法兰1111和大法兰1113连接。具体地，过渡筒Ⅱ1112为锥形筒。根据机器人的动力学计算，机械臂11靠近基座处的结构件承受的应力最大，靠近末端的位置应力逐渐变小，基于动力学计算结果，选择合适的位置设置机械臂变径关节1110，能够在不影响末端负载的前提下，降低小法兰1111到末端这段结构的外径，减小机械臂11的体积。

机械臂11具有若干串联虎克铰关节，虎克铰关节为一种二自由度的复合关节，属于成熟的通用技术，其中每个虎克铰111的姿态由三根钢丝绳112控制，机械臂第一节活动臂处有过渡装置，通过钢丝绳导向块a 114和钢丝绳导向块b 115增加钢丝绳分布半径，机械臂活动部分整体固定在机械臂前固定板113上，机械臂前固定板113以后的部分用于与圆筒式驱动装置12对接。钢丝绳固定头116连接钢丝绳112和固定弹簧117，固定弹簧117处属于拉伸弹簧，且始终处于伸长状态，以保证钢丝绳112保持拉直的状态。

如图8所示，本发明的实施例中，驱动装置12包括支撑框架及设置于支撑框架内的多个驱动单元121，多个驱动单元121分别与各钢丝绳112连接。本实施例中，支撑框架为圆筒式结构，包括前固定板122和后固定板123，驱动单元121连接在前固定板122和后固定板123之间。

如图9所示，本发明的实施例中，驱动单元121包括驱动单元底板12101、丝杠12102、直线导轨滑块12103、卡块固定板12116及旋转驱动机构，其中驱动单元底板12101的两端分别与前固定板122和后固定板123连接，丝杠12102和直线导轨滑块12103相互平行地安装在驱动单元底板12101上，卡块固定板12116与丝杠12102螺纹连接，并且与直线导轨滑块12103连接，旋转驱动机构与丝杠12102连接，可驱动丝杠12102转动。

在上述实施例的基础上，丝杠12102的驱动端通过浮动支撑机构支撑；本发明的实施例中，浮动支撑机构包括电机安装座12106、丝杠轴承12107、滑块导向光轴12114、单压式传感器12115及轴承固定座12117，其中电机安装座12106设置于驱动单元底板12101上，滑块导向光轴12114设置于驱动单元底板12101上，并且与丝杠12102平行；轴承固定座12117与滑块导向光轴12114滑动连接，丝杠12102的驱动端通过丝杠轴承12107与轴承固定座12117连接，其轴向通过锁紧螺母12108固定；单压式传感器12115设置于轴承固定座12117与电机安装座12106之间，轴承固定座12117可在滑块导向光轴12114上小范围滑动，可补偿轴承固定座12117的微量轴向位移。

本发明的实施例中，旋转驱动机构包括依次连接的电机12111和减速机12110，减速机12110通过联轴器12109与丝杠12102连接；具体地，联轴器12109为爪形联轴器。电机12111的端部设有编码器12112及抱闸12113，电机12111与电机驱动器125连接。

在上述实施例的基础上，驱动单元121还包括解锁顶块124和卡块限位机构；本发明的实施例中，卡块限位机构包括对接卡块12104和卡块复位弹簧12105；对接卡块12104的一端与卡块固定板12116铰接，另一端通过卡块复位弹簧12105与卡块固定板12116连接，对接卡块12104通过卡块复位弹簧12105保持弹出状态，对接卡块12104用于与钢丝绳固定头116对接。解锁顶块124设置于支撑框架的前固定板122的通孔内，解锁顶块124用于驱动对接卡块12104向外侧摆动，从而解除与钢丝绳固定头116的连接。

本发明的实施例中，支撑框架13上部与圆筒式的驱动装置12对接，下部装有线性运动组件14，线性运动组件14包含电机、导轨、母旋丝杠及齿轮等装置，用于驱动机器人主体整体做线性运动，属于成熟的传动结构。

本发明的工作原理是：

在本发明的实施例中，在完成机械臂11和圆筒式的驱动装置12各自的装配后，进行两个部件的快速对接。首先使驱动装置12的所有驱动单元121的卡块固定板12116都滑动到前固定板122一侧的极限位置，此时所有的对接卡块12104都被解锁顶块125挤压而处于收回状态。此时将机械臂11的机械臂后固定筒118从前固定板122的孔洞插入，直到机械臂后固定筒118插入后固定板123中，机械臂前固定板113卡入前固定板122，使用圆柱销完成周向定位，并使用螺钉拧紧，完成机械臂11的固定。

使用工装固定机械臂11为水平状态，准备下一步对接。

然后移动反向移动所有驱动单元121的导轨滑块，随着对接卡块12104与解锁顶块125分离，对接卡块12104在卡块复位弹簧12105的推压下弹出，继续移动导轨滑块，随后对接卡块12104接触钢丝绳固定头116，钢丝绳固定头116嵌入对接卡块12104内后，钢丝绳112的张力会通过卡块固定板12116、丝杠12102、丝杠轴承12107及轴承固定座12117间接传递到单压式传感器12115上，待单压式传感器12115读数达到设定的预拉张力值后，锁定电机抱闸12113，并记录此时编码器12112的读数，完成初始化。

本发明的实施例中，机械臂11是机器人直接承担作业任务的可运动的主体部分，其具有串联铰接式连杆结构，且包含用于控制关节旋转的并联钢丝绳机构。驱动装置是为机械臂部分提供动力的部分，其内部含有多组具有相似结构的驱动单元，每个驱动单元分别驱动一根钢丝绳。

本发明提供的一种模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人，由于机械臂存在变径结构，同样性能参数下，减小了机械臂靠近末端部分的外径，提高了机械臂的灵巧性。本发明驱动单元中的直接或间接绳张力测量装置能够配合控制系统实现力位双闭环控制，相比较传统的单位置控制模式，能够有效补偿机械臂传动系统弱刚性结构的运动精度。本发明的机械臂和驱动装置含有模块化的，能够实现快捷安装维护。

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 (10)

1.一种模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人，其特征在于，包括机械臂(11)、驱动绳、驱动装置(12)、支撑框架(13)及线性运动组件(14)，其中支撑框架(13)设置于线性运动组件(14)上，所述驱动装置(12)设置于支撑框架(13)上，所述机械臂(11)包括固定段及设置于固定段前端的柔性段，所述固定段设置于所述驱动装置(12)上，所述柔性段的各关节通过多个驱动绳与所述驱动装置(12)连接。

2.根据权利要求1所述的模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人，其特征在于，所述驱动绳为钢丝绳(112)；

所述机械臂(11)的固定段包括机械臂前固定板(113)、机械臂后固定筒(118)及钢丝绳导向段，其中机械臂前固定板(113)连接在机械臂后固定筒(118)的前端；所述钢丝绳导向段连接在机械臂前固定板(113)上，多个所述钢丝绳(112)经过所述钢丝绳导向段导向并且布设于所述机械臂后固定筒(118)的外侧，所述钢丝绳(112)的驱动端与所述驱动装置(12)连接。

3.根据权利要求2所述的模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人，其特征在于，所述钢丝绳导向段包括钢丝绳导向块a(114)、过渡筒Ⅰ和钢丝绳导向块b(115)，其中钢丝绳导向块b(115)连接在所述机械臂前固定板(113)上，所述钢丝绳导向块a(114)和钢丝绳导向块b(115)分别连接在过渡筒Ⅰ的两端，所述钢丝绳导向块a(114)的直径小于所述钢丝绳导向块b(115)的直径；所述钢丝绳导向块a(114)和所述钢丝绳导向块b(115)的外圆周上均布有多个钢丝绳导向槽。

4.根据权利要求2所述的模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人，其特征在于，所述钢丝绳(112)的驱动端通过弹性连接件与所述机械臂后固定筒(118)的后端连接；

所述弹性连接件包括钢丝绳固定头(116)和固定弹簧(117)，其中钢丝绳固定头(116)与所述钢丝绳(112)的驱动端连接；所述固定弹簧(117)的一端与钢丝绳固定头(116)连接，另一端与所述机械臂后固定筒(118)的后端连接；所述钢丝绳固定头(116)与所述驱动装置(12)连接。

5.根据权利要求4所述的模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人，其特征在于，所述驱动装置(12)包括支撑框架及设置于所述支撑框架内的多个驱动单元(121)，多个驱动单元(121)分别与各所述钢丝绳(112)连接；

所述支撑框架为圆筒式结构，包括前固定板(122)和后固定板(123)，所述驱动单元(121)连接在所述前固定板(122)和后固定板(123)之间。

6.根据权利要求5所述的模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人，其特征在于，所述驱动单元(121)包括驱动单元底板(12101)、丝杠(12102)、直线导轨滑块(12103)、卡块固定板(12116)及旋转驱动机构，其中驱动单元底板(12101)的两端分别与所述前固定板(122)和后固定板(123)连接，所述丝杠(12102)和直线导轨滑块(12103)相互平行地安装在所述驱动单元底板(12101)上，所述卡块固定板(12116)与所述丝杠(12102)螺纹连接，并且与所述直线导轨滑块(12103)连接，所述旋转驱动机构与所述丝杠(12102)连接，可驱动所述丝杠(12102)转动。

7.根据权利要求6所述的模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人，其特征在于，所述驱动单元(121)还包括解锁顶块(124)和卡块限位机构；

所述卡块限位机构包括对接卡块(12104)和卡块复位弹簧(12105)；所述对接卡块(12104)的一端与所述卡块固定板(12116)铰接，另一端通过卡块复位弹簧(12105)与所述卡块固定板(12116)连接，所述对接卡块(12104)用于与所述钢丝绳固定头(116)对接；

所述解锁顶块(124)设置于所述支撑框架的前端通孔内，所述解锁顶块(124)用于驱动对接卡块(12104)向外侧摆动，从而解除与所述钢丝绳固定头(116)的连接。

8.根据权利要求6所述的模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人，其特征在于，所述丝杠(12102)的驱动端通过浮动支撑机构支撑；

所述浮动支撑机构包括电机安装座(12106)、丝杠轴承(12107)、滑块导向光轴(12114)、单压式传感器(12115)及轴承固定座(12117)，其中电机安装座(12106)设置于所述驱动单元底板(12101)上，所述滑块导向光轴(12114)设置于所述电机安装座(12106)上，且与所述丝杠(12102)平行，所述轴承固定座(12117)与滑块导向光轴(12114)滑动连接，所述丝杠(12102)的驱动端通过丝杠轴承(12107)与轴承固定座(12117)连接；所述单压式传感器(12115)设置于所述轴承固定座(12117)和电机安装座(12106)之间。

9.根据权利要求8所述的模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人，其特征在于，所述旋转驱动机构包括依次连接的电机(12111)和减速机(12110)，所述减速机(12110)通过联轴器(12109)与所述丝杠(12102)连接；所述电机(12111)的端部设有编码器(12112)及抱闸(12113)，所述电机(12111)与电机驱动器(125)连接。

10.根据权利要求1所述的模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人，其特征在于，所述机械臂(11)的柔性段包括多个依次铰接的等径关节；或者所述机械臂(11)的柔性段包括多个依次铰接的等径关节及至少一个变径关节。

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