CN112720438A - 一种具有超冗余自由度的外肢体机械臂及辅助作业装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种具有超冗余自由度的外肢体机械臂及辅助作业装置，属于机器人装置技术领域，该机械臂包括N个相互首尾转动连接的关节段和连接在N个关节段上M条柔性绳,其中M＝3N,所述关节段的中间位置设有同于穿过柔性绳的过线环；这些关节段中第一个关节段和最后一个关节段在垂直于其轴线的圆周方向均匀设有三个过线孔，其余的关节段上设有六个过线孔；最后一个关节段上转动连接三个机械爪,M条柔性绳中三条柔性绳穿过第一个关节上的三个过线孔连接到第二个关节上的三个相对应的过线孔上，穿过第一个关节段的过线环剩余的柔性绳会分出另外三条柔性绳连接到第二关节段上剩余的三条过线孔，依次类推，连接到最后一个关节段上的三条柔性绳与机械爪相连接。

Description

一种具有超冗余自由度的外肢体机械臂及辅助作业装置

技术领域

本公开属于机器人装置技术领域，具体是涉及一种具有超冗余自由度的外肢体机械臂及辅助作业装置。

背景技术

这里的陈述仅提供与本公开相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

机器人技术的飞速发展，促使外肢体辅助作业机械臂的研究取得了一定进展。扩展人的肢体，可有效增强人独立面对复杂环境或复杂任务的能力，外肢体机械臂与人的协作将更加紧密。

目前，外肢体机械臂的操作对象多面向高负载，机械臂多采用刚性结构。刚性机械臂自身的质量大、转动惯量大，导致机械臂的响应能力及运行速度受到了极大地限制；此外，刚性结构机械臂的人机交互安全性较差，运动范围、柔顺性和环境自适应能力较差，因此刚性外肢体机械臂的应用受到了一定的限制。柔性外肢体机械臂具有良好的响应能力，柔顺性和环境自适应能力较好，人机交互安全性较好。从应用前景看，柔性外肢体机械臂在协助人体完成复杂作业等方面有着广泛的应用。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本公开提供了一种具有超冗余自由度的外肢体机械臂及辅助作业装置。

本公开至少一实施例提供了一种具有超冗余自由度的外肢体机械臂，其特征在于，该机械臂包括N个相互首尾转动连接的关节段和连接在所述N个关节段上M条柔性绳,M＝3N,其中M,N取整数,关节段的中心设有用于穿过柔性绳的过线环；N个关节段中第一个关节段和最后一个关节段在垂直于其轴线的圆周方向均匀设有三个过线孔，其余的关节段上设有六个过线孔；最后一个关节段上转动连接三个机械爪,M条柔性绳中三条柔性绳穿过第一个关节段上的三个过线孔连接到第二个关节段上的三个相对应的过线孔上，剩余的柔性绳会穿过第一个关节段的过线环后再分出另外三条柔性绳连接到第二关节段上剩余的三条过线孔，依次类推，连接到最后一个关节段上的三条柔性绳与机械爪相连接。

进一步地，每条柔性绳缠绕在可转动的导辊上，且这些导辊竖直设置在底板上，所述底板上设有导绳盘，所述导绳盘上设有穿过柔性绳的导绳槽，柔性绳穿过导绳盘上的导向槽连接到关节段上。

进一步地，所述导绳盘包括三个竖直放置，且相互平行的第一导绳盘、第二导绳盘以及第三导绳盘，三个导绳盘上表面在圆周方向均设有导绳槽，且第二导绳盘和第三导绳盘上的中心位置设有穿绳孔，M条柔性绳分为三部分，其中第一部分分别穿过第一导绳盘上的导绳槽，然后穿过第二导绳盘和第三导绳盘上的穿绳孔；第二部分分别穿过第二导绳盘上的导绳槽，然后穿过第三导绳盘上的穿绳孔，第三部分分别穿过第三导绳盘上的导绳槽,M条柔性绳穿过第三导绳盘后连接到分绳盘上，所述分绳盘上设有M个穿线孔。

进一步地，所述导绳槽内转动连接导绳轮。

进一步地，导辊采用分行阶梯式排布。

进一步地，所述关节段在长度方向的一端设有两个水平放置的连接块，在长度方向的另一端设有两个竖直放置的连接块，相邻的两个关节段之间通过正八边连接块连接。

进一步地，所述N个关节段中在远离机械爪的方向上直径越来越大。

本公开至少一实施例还提供了一种辅助作业装置，该装置至少包括一个上述任一项所述的一种具有超冗余自由度的机械臂。

本公开至少一实施例还提供了一种辅助作业装置，其特征在于，包括背包，所述背包内设有壳体，所述壳体上连接至少一个上述任一项所述的一种具有超冗余自由度的机械臂，所述机械臂可放置在壳体内。

进一步地，所述壳体上还固定连接内部为中空的连接管，所述连接管与机械臂的关节段中的第一个关节段相连接，M条柔性绳穿过连接管与机械臂的关节段相连接。

本公开的有益效果如下：

(1)、本公开的超冗余自由度的机械臂过柔性索调整具有超冗余自由度的机械臂的相邻节段的夹角，以改变具有超冗余自由度的机械臂的整体运动状态，相比于传统的机械臂，该柔性机械臂具有良好的人机交互安全性，柔顺性与环境自适应能力较好。

(2)、本公开的辅助作业装置将柔性机械臂集成于壳体，壳体位于背包内，便于使用者快速穿戴与脱离，同时有利于降低机械臂的转动惯量，提高机械臂的响应能力与运行速度；

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例提供的一种包括超冗余自由度的外肢体机械臂的辅助作业装置总体结构示意图；

图2为本公开实施例提供的具有超冗余自由度的外肢体结构示意图；

图3为本公开实施例提供的单臂外肢体结构示意图；

图4为本公开实施例提供的多自由度角度调整机构结构示意图；

图5为本公开实施例提供的一级导轮盘示意图；

图6为本公开实施例提供的二级导轮盘示意图；

图7为本公开实施例提供的三级导轮盘示意图；

图8为本公开实施例提供的分线盘示意图；

图9为具本公开实施例提供的有超冗余自由度的外肢体机械臂结构示意图；

图10为本公开实施例提供的外肢体机械臂的2个节段连接结构示意图；

图11为本公开实施例提供的外肢体机械臂的2个节段中间的机械臂节段连接器的结构示意图；

图12为本公开实施例提供的外肢体机械臂的单个节段结构示意图；

图13为本公开实施例提供的外肢体机械臂的首节节段结构示意图；

图14为本公开实施例提供的外肢体机械臂的末节节段与机械爪相连接结构示意图；

图15为本公开实施例提供的外肢体机械臂的机械爪的结构示意图。

图中，1、人体，2、背包，3、具有超冗余自由度的机械臂，4、机械爪,41、第一通孔，42、第二通孔，43、第三通孔，5、壳体,6、多自由度角度调整机构，7、刚性导绳机械臂，8、电机驱动器，9、电池，10、支架，11、一级导轮盘，12、二级导轮盘，13、三级导轮盘，14、分线盘,14-1、穿丝孔，14-2、丝鞘始端固定孔，15、电机，16、减速器，17、柔性索，18、收卷辊，19、导轮轴承，20、一级导轮盘前盘，21、一级导轮盘后盘，22、二级导轮盘前盘，23、二级导轮盘后盘，24、三级导轮盘前盘，25、三级导轮盘后盘，26、机械臂节段，26-1、水平连接块，26-2、过线环，26-3、丝鞘中孔，26-4、过线孔，26-5、垂直连接块，27、机械臂节段连接器,28、丝鞘末孔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

如图1所示，本公开实施例提供了一种包括超冗余自由度的外肢体机械臂的辅助作业装置总体结构，该结构主要包括设置在人体1后背部的背包2、具有超冗余自由度的机械臂3、机械爪4。

如图2所示，背包2的左右两侧各连接两个具有超冗余自由度的机械臂3，每个机械臂3的起始端连接多自由度角度调整机构6，终端的连接机械爪4，所述多自由度角度调整机构6放置在壳体5内，通过该多自由度角度调整机构6来调整机械臂3和机械爪4运动，将驱动具有超冗余自由度的机械臂3和机械爪4的多自由度角度调整机构6置于壳体5内，这样有利于降低机械臂的转动惯量，解决了刚性外肢体重量大、转动惯量大、响应能力与运行速度差等问题。

进一步，本实施例中壳体5内还设有电机驱动器8和电池9，所述电机驱动器8于控制每个多自由度角度调整机构6内的驱动装置，电池9为壳体内的设备供电。

如图3所示为具有超冗余自由度的机械臂3的整体结构图，所述多自由度角度调整机构6通过支架10固定在背包的壳体5内，在所述多自由度调整机构6上设有相互平行的一级导轮盘11,、二级导轮盘12以及三级导轮盘13，在所述支架10上侧边上还设有分线盘14，所述分线盘14与一级导轮盘11,、二级导轮盘12以及三级导轮盘13同轴且相互平行，所述分线盘14设置在支架10上，支架10的外侧连接刚性导绳机械臂7，所述刚性导绳机械臂7固定在壳体5上，其不具有自由度，内部为中空式，机械臂3连接到刚性导绳机械臂7上。

进一步地，如图4所示，所述支架10上设有若干个驱动电机15，这些驱动电机15采用分行阶梯式排布方法，每个驱动电机15通过减速器16连接收卷辊18，在所述每个收卷辊18上缠绕柔性索17，所述柔性索的一端缠绕在收卷辊18，另一端穿过导轮盘(11、12、13)和分线盘14，通过刚性导绳机械臂7连接到具有超冗余自由度的机械臂3上，缠绕在卷辊18上的柔性索17按照一定的顺序连接具有超冗余自由度的机械臂3上的机械臂节段26上，通过控制卷辊的转动进而独立控制每个机械臂节段26的转动。

如图5所示，所述的一级导轮盘11由一级导轮盘前盘20和一级导轮盘后盘21对接组成，其通过底座固定支架10上，一级导轮盘11的前后盘表面圆周方向均匀设有6个导轮槽，每个导轮槽内设有竖直放置且可转动的导轮轴承19。

如图6所示，所述的二级导轮盘12由二级导轮盘前盘22和二级导轮盘后盘23组成，同样通过底座固定在支架10上，与一级导轮盘11不同的是，所述二级导轮盘12的表面中心位置设有圆孔用于通过穿过一级导轮盘上的柔性索，在所述二级导轮盘圆孔周围圆周方向上均匀排列的12个导轮轴承19。

如图7所示，所述的三级导轮盘13由三级导轮盘前盘24和三级导轮盘后盘25组成，与二级导轮盘一样，所述三级导轮盘的表面中心位置中也设有圆孔，该圆孔是用于通过穿过二级导轮盘上的柔性索，同时在所述圆孔周围圆周方向均匀排列的18个导轮轴承19。

进一步地，支架上的36个收卷辊18总共分为三部分，这36个收卷辊上的柔性索都用来穿过导轮盘上的导轮轴承19，首先，第一部分为6个收卷辊，用于穿过一级导轮盘11上的6个一级导轮轴承19，然后通过二级导轮盘12和三级导轮盘13表面的圆孔，连接到分线盘14上；其次，第二部分为12个收卷辊，这12个收卷辊分别穿过二级导轮盘12上的12个导轮轴承19，然后通过三级导轮盘表面上的圆孔，连接到分线盘14上；最后，第三部分为18个收卷辊，这18个收卷辊分别穿过三级导轮盘19上的上18个导轮轴承19，连接到分线盘14上。上述36个收卷辊上的柔性索全部穿过导轮盘后，最终会连接到分线盘14，本实施例采用分级导轮盘，可以改变绳子的运动方向，可有效减小绳子与壳体、刚性导绳机械臂间的摩檫，同时设置在导轮盘上的导轮轴承在分级导轮盘中呈圆周排列，分级导轮盘具有防止绳子与导轮轴承脱离的功能，简化了结构，具有较好的紧凑性。

需要说明说明的就是，所述36个收卷辊18采用分行阶梯式排布方法，这样兼顾了在有限空间中多电机排布与散热问题，有利于结构紧凑化。

如图8所示，所述分线盘14为一个圆形盘，所述圆形盘上设有36个穿丝孔14-1和丝鞘始端固定孔14-2，其中36个穿丝孔14-1以分线盘14竖直的直径为中心线，该中心线的两侧分别设置18个穿丝孔14-1，每个穿丝孔14-1上对应一个丝鞘始端固定孔14-2。

本公开实施例提供的三级导轮盘的作用是改变这36根柔性索的传递方向，并减小绳子与壳体、刚性导绳机械臂之间的摩擦，容易知道的就是，上述三个导轮盘并不是对本公开的限制，当机械臂3的运动需要更多的柔性索参与的时候，可以通过增加分级导轮盘的导轮盘数量进行导向。

如图9-图10所示，本实施例中的机械臂是由多段首尾相互转动连接的机械臂节段26相互连接，相邻的机械臂节段26通过机械臂节段连接器27相连接，图12所示，所述机械臂节段26为一个圆柱形，在所述机械臂节段26长度方向的两端的表面上分别设有水平连接块26-1和垂直连接块26-5，其中水平连接块26-1或者垂直连接块26-5都是位于一端表面上的两个相同固定块，这两个固定块上设有安装孔，所述垂直连接块26-5的两个固定块中心连接线和水平连接块26-1两个固定块中心连接线相互垂直，可以理解的是，所述垂直连接块26-5绕着机械臂节段26的轴线旋转90度就可以得到水平连接块26-1，或者说水平连接块26-1绕着机械臂节段26的轴线旋转90度就可以变成垂直连接块26-5，这样当两个相邻的机械臂节段26首尾相连接的时候，水平连接块26-1和垂直连接块26-5能够通过机械臂节段连接器27，如图11所示，所述机械臂节段连接器27为一个正八边形连接块，该正八边形连接块的上、下、左、右面上设有安装孔，与水平连接块26-1和垂直连接块26-5相对接。这样设置可以实现相邻的两个机械臂节段26可以实现相对的转动，使得机械臂节段26具有2个自由度，所以所述机械臂3通过调整相邻阶段26的夹角，就可以改变具有超冗余自由度的机械臂3的整体运动状态，柔性高。

同时需要指出的就是，本实施例中的具有超冗余自由度的机械臂3的机械臂节段26与机械臂节段连接器27采用轻型高强度材料。

进一步地，本实施例中的机械臂3是由12段首尾连接的机械臂节段26串联组成，其中机械臂3位于最初的节段固定在壳体上的刚性导绳机械臂7上，机械臂3中最后的节段连接机械爪4，用于夹持物体。如图3所示，所述的机械爪4为三爪式夹爪，机械爪4接柔性索17的数目与机械爪4的夹爪数目相等，且柔性索17与夹爪一一对应连接；机械爪4与机械臂3中最后一个节段之间设有丝鞘末孔，这样柔性索17位于丝鞘末孔与丝鞘始端固定孔14-2之间的区域的外部套设有丝鞘。

进一步地，如图14-图15所示，机械臂节段26中最后的节段的过线环上设置三个丝鞘末孔28用于固定最后的三个柔性索，所述夹爪上设有三个通孔，第一通孔41分别用于与其中一个柔性索相连接，第二通孔42通过销轴转动连接到机械臂节段26中最后节段上，第三通孔43通过弹簧与机械臂节段26中最后节段相连接，这样与第一通孔41连接的柔性索不传递拉力时，在弹簧的作用下，机械爪处于张开最大状态；与第一通孔41连接的柔性索传递的拉力逐渐增大时，机械爪逐渐趋于闭合实现抓取过程。

如图13所示，所述机械臂3中的首节节段上圆周方向设有三个过线孔，且机械臂中的末节节段上圆周方向上也设有三个过线孔，而首节节段和末节节段中间的节段的圆周方向上均匀设有六个过线孔26-4，见图12，每个过线孔26-4上对应一个丝鞘中孔26-3用于连接柔性索17上的丝鞘，而且每个机械臂节段上的中心位置均设有过线环26-2。

需要说明的就是，本实施例中分线盘上设有丝鞘始端固定孔，机械臂节段上设有丝鞘中孔，机械爪4与最后一个机械臂节段26之间设有丝鞘末孔，这样柔性索17位于丝鞘末孔与丝鞘始端固定孔14-2之间的区域的外部套设有丝鞘，使用丝鞘解除具有超冗余自由度机械臂各个节段与机械爪之间的运动耦合，解耦方式简单，简化了装置的机械结构；

为了实现通过支架上的36个收卷辊18上的柔性索控制12个机械臂节段26之间的角度变化和端部的机械爪4运动，本实施中的36个收卷辊是穿过12个机械臂节段26，最终与端部的机械爪4相连接，具体的连接方法如下：

首先考虑到从分线盘14中一共分出36条柔性索，当准备穿过机械臂3上机械臂节段26中的首节节段的时候，首先会分出三条柔性索穿过首节节段上的三个过线孔，剩余的会从首节节段上的过线环穿出，接着穿过首节节段上的三个过线孔中的三条柔性索连接到第二节段上的三个相对应的过线孔上，这样通过首节节段上的三条柔性索控制首节阶段和第二节段的转动，与此同时，在剩余的33个柔性索穿过首节节段的过线环后会再次分出三条柔性索连接到第二节段上剩余的三个过线孔上，这样以此类推，每次穿过一个节段的时候，都会单独分出三条柔性索连接到下一个节段上，正好到第12节节段的时候，36条柔性绳索正好全部分布在这12节节段上，每两个节段就可以通过三条柔性索控制，其中第一节段上为三条，最后一个阶段上也是三条，这三条节段再分别与三个夹爪相连接，所以三个夹爪也是由三个柔性索控制夹持物体，这样就通过36个驱动电机就可以控制整个机械臂3中每个节段以及夹爪的运动，解决了现有刚性机械臂人机交互安全性较差，柔顺性和环境自适应能力较差等问题；大大提高了机械臂的柔顺性与环境自适应能力。

本实施例中所述具有超冗余自由度的机械臂3采用锥形设计结构，也就是与刚性导绳机械臂7连接的机械臂节段26的直径最粗，同机械爪4连接的机械臂节段26的直径最细，这样便于控制整个机械臂3的运动。

另外需要说明的就是，本公开实施例提供的具有超冗余自由度的机械臂是以36根柔性索和12段机械臂节段为例进行说明，并不是对本公开的限制，可以根据具体工作环境确定机械臂的长度，如果高于12段机械臂节段，则每增加一个节段增加3根柔性索即可。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本公开的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本公开进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本公开的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本公开的权利要求范围当中。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种具有超冗余自由度的外肢体机械臂，其特征在于，该机械臂包括N个相互首尾转动连接的关节段和连接在所述N个关节段上M条柔性绳,M＝3N,其中M,N均取整数,关节段的中心设有用于穿过柔性绳的过线环；N个关节段中第一个关节段和最后一个关节段在垂直于其轴线的圆周方向均匀设有三个过线孔，其余的关节段上设有六个过线孔；最后一个关节段上转动连接三个机械爪,M条柔性绳中三条柔性绳穿过第一个关节段上的三个过线孔连接到第二个关节段上的三个相对应的过线孔上，剩余的柔性绳穿过第一个关节段的过线环再分出另外三条柔性绳连接到第二关节段上剩余的三条过线孔，依次类推，连接到最后一个关节段上的三条柔性绳与机械爪相连接。

2.如权利要求1所述的一种具有超冗余自由度的外肢体机械臂，其特征在于，每条柔性绳缠绕在可转动的导辊上，且这些导辊竖直设置在底板上，所述底板上设有导绳盘，所述导绳盘上设有穿过柔性绳的导绳槽，柔性绳穿过导绳盘上的导向槽连接到关节段上。

3.如权利要求1所述的一种具有超冗余自由度的外肢体机械臂，其特征在于，所述导绳盘包括三个竖直放置，且相互平行的第一导绳盘、第二导绳盘以及第三导绳盘，三个导绳盘上表面在圆周方向均设有导绳槽，且第二导绳盘和第三导绳盘上的中心位置设有穿绳孔，M条柔性绳分为三部分，其中第一部分分别穿过第一导绳盘上的导绳槽，然后穿过第二导绳盘和第三导绳盘上的穿绳孔；第二部分分别穿过第二导绳盘上的导绳槽，然后穿过第三导绳盘上的穿绳孔，第三部分分别穿过第三导绳盘上的导绳槽,M条柔性绳穿过第三导绳盘后连接到分绳盘上，所述分绳盘上设有M个穿线孔。

4.如权利要求2-3任一项所述的一种具有超冗余自由度的外肢体机械臂，其特征在于，所述导绳槽内转动连接导绳轮。

5.如权利要求2所述的一种具有超冗余自由度的外肢体机械臂，其特征在于，导辊采用分行阶梯式排布。

6.如权利要求1所述的一种具有超冗余自由度的外肢体机械臂，其特征在于，所述关节段在长度方向的一端设有两个水平放置的连接块，在长度方向的另一端设有两个竖直放置的连接块，相邻的两个关节段之间通过正八边连接块连接。

7.如权利要求1所述的一种具有超冗余自由度的外肢体机械臂，其特征在于，所述N个关节段中在远离机械爪的方向上直径越来越大。

8.一种辅助作业装置，其特征在于，至少包括一个上述权利要求1-7所述的任一项所述的一种具有超冗余自由度的外肢体机械臂。

9.一种辅助作业装置，其特征在于，包括背包，所述背包内设有壳体，所述壳体上连接至少一个上述权利要求1-7任一项所述的一种具有超冗余自由度的外肢体机械臂，所述机械臂可放置在壳体内。

10.如权利要求9所述的一种辅助作业装置，其特征在于，所述壳体上还固定连接内部为中空的连接管，所述连接管与机械臂的关节段中的第一个关节段相连接，M条柔性绳穿过连接管与机械臂的关节段相连接。

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