CN113352295A - 柔性机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柔性机械臂，包括控制座、多个关节模块和至少一个绳组，每个关节模块均包括基体和与基体相连的磁铁，控制座和多个基体能够沿第一方向依次排列，多个基体能够沿第一方向间隔开地设置，相邻两个关节模块中的磁铁的极性相同的磁极相对设置，相邻两个基体的夹角可改变，每个绳组的每个驱动绳的第一端与控制座相连，每个驱动绳的第二端与相应基体相连。本发明提供的柔性机械臂具有摩擦损耗低、工作精度和使用寿命高、应用范围广、尤其能够适用于洁净度要求高的工况的优点。

Description

柔性机械臂

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，具体涉及一种柔性机械臂。

背景技术

目前的刚性机械臂和连续体柔性机械臂大多采用接触式关节，即两个臂体之间是通过关节直接相连的，由驱动器驱动关节的运动来控制整个机械臂的运动。但是关节之间的直接接触存在着摩擦等物理因素，会造成关节处的物理磨损，降低机械臂的工作精度和使用寿命，同时，磨损也会产生微尘及颗粒，这些微尘及颗粒在生物医学等领域的环境下是不允许的，这就导致了目前机械臂在高度洁净的情况下无法使用。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的实施例提出一种柔性机械臂，该柔性机械臂具有摩擦损耗低、工作精度和使用寿命高、应用范围广、尤其能够适用于洁净度要求高的工况的优点。

根据本发明实施例的柔性机械臂包括控制座、多个关节模块和至少一个绳组，所述控制座设有拉绳机构；每个所述关节模块均包括基体和与所述基体相连的磁铁，所述控制座和多个所述基体能够沿第一方向依次排列，多个所述基体能够沿所述第一方向间隔开地设置，相邻两个所述关节模块中的磁铁的极性相同的磁极相对设置，相邻两个所述基体的夹角可改变；每个所述绳组包括多个驱动绳，每个所述驱动绳能够沿所述第一方向延伸，每个所述驱动绳的第一端与所述拉绳机构相连，每个所述驱动绳的第二端与相应所述基体相连。

在一些实施例中，所述基体具有在其厚度方向上相对的第一端面和第二端面，所述磁铁包括第一磁铁和第二磁铁，所述第一磁铁设在相邻两个所述关节模块中的一者的所述第一端面上，所述第二磁铁设在相邻两个所述关节模块中的另一者的所述第二端面上，相应的所述第一磁铁和所述第二磁铁的极性相同的磁极相对设置。

在一些实施例中，多个所述关节模块构成多个关节模块组，每个所述关节模块组包括至少一个所述关节模块，所述绳组的数量与所述关节模块组的数量相等并一一对应，所述绳组的每个所述驱动绳的第二端与相应所述关节模块组的远离所述控制座的所述关节模块的基体相连。

在一些实施例中，每个所述第一端面设有沿其周向间隔开的多个所述第一磁铁，每个所述第二端面设有沿其周向间隔开地多个所述第二磁铁，多个所述第一磁铁与相应的多个所述第二磁铁一一相对。

在一些实施例中，所述第一磁铁和所述第二磁铁中的至少一者为电磁铁，所述基体上设有用于控制所述第一磁铁和所述第二磁铁中的至少一者的第一无线控制模块。

在一些实施例中，相邻两个所述关节模块中的一者的所述第一端面上设有凹槽，相邻两个所述关节模块中的另一者的所述第二端面上设有配合在所述凹槽内的凸台。

在一些实施例中，每个所述凸台的侧面与相应的所述凹槽的侧壁面间隔开，每个所述凸台的所述侧面上设有第三磁铁，每个所述凹槽的所述侧壁面上设有第四磁铁，所述第三磁铁与相应的所述第四磁铁的极性相同的磁极相对设置以便产生排斥力。

在一些实施例中，每个所述凸台的所述侧面上设有沿其周向间隔开的多个所述第三磁铁，每个所述凹槽的所述侧壁面上设有沿其周向间隔开的多个第四磁铁，多个所述第三磁铁与相应的多个所述第四磁铁一一相对。

在一些实施例中，所述第三磁铁和所述第四磁铁中的至少一者为电磁铁，所述基体上设有用于控制所述第三磁铁和所述第四磁铁中的至少一者的第二无线控制模块。

在一些实施例中，每个所述绳组包括至少三个所述驱动绳，每个所述基体设有用于穿过所述驱动绳的多个穿绳孔，每个所述穿绳孔沿所述基体的厚度方向贯通所述基体。

附图说明

图1是根据本发明实施例的柔性机械臂的结构示意图。

图2是根据本发明实施例的柔性机械臂中的部分结构示意图。

图3是根据本发明实施例的柔性机械臂中关节模块的结构示意图。

图4是根据本发明实施例的柔性机械臂中关节模块在另一角度的结构示意图。

附图标记：

柔性机械臂100，关节模块1，基体101，第一磁铁102，第二磁铁103，第三磁铁104，第四磁铁105，穿绳孔1011，凸台1012，凹槽1013，第一端面1014，第二端面1015，控制座2，绳组3，驱动绳301，机械手4。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

根据本发明实施例的柔性机械臂100包括控制座2、多个关节模块1和至少一个绳组3。控制座2设有拉绳机构。每个关节模块1均包括基体101和与基体101相连的磁铁，控制座2和多个基体101能够沿第一方向依次排列，多个基体101能够沿第一方向间隔开地设置，相邻两个关节模块1中的磁铁的极性相同的磁极相对设置，相邻两个基体101的夹角可改变。

每个绳组3包括多个驱动绳301，每个驱动绳301能够沿第一方向延伸，每个驱动绳301的第一端与拉绳机构相连，每个驱动绳301的第二端与相应基体101相连。

根据本发明实施例的柔性机械臂100，通过使相邻两个关节模块1中的一者中的磁铁与另一者中的磁铁的极性相同的磁极相对设置，以便产生排斥力，从而使得相邻两个基体101间隔开。由此减少相邻两个关节模块1之间的接触面积，有效降低相邻两个关节模块1发生相对运动时产生的物理磨损，提高柔性机械臂100的工作精度和使用寿命。

此外，每个绳组3中的驱动绳301可以对相应的基体101施加拉力，该拉力的方向与上述的排斥力的方向相反，从而可以避免关节模块1脱离相邻关节模块1。

通过拉绳机构调节不同绳组3中的多个驱动绳301伸出控制座2的部分的长度，使得柔性机械臂100具有更多的自由度，进而能够满足更多的工况环境。同时，通过采用绳驱动的方式，相比于其他驱动方式，驱动绳301与关节模块1之间的接触面积也更小，同样降低了驱动绳301与关节模块1之间的摩擦损耗，进一步提高了柔性机械臂100的工作精度和使用寿命，进而使得柔性机械臂100能够适用于洁净度要求高的工作环境。

因此，根据本发明实施例的柔性机械臂100具有摩擦损耗低、工作精度和使用寿命高、应用范围广、尤其能够适用于洁净度要求高的工况等优点。

如图1-图4所示，柔性机械臂100可以包括控制座2、多个关节模块1、至少一个绳组3和机械手4。

在一些实施例中，基体101具有在其厚度方向上相对的第一端面1014和第二端面1015，磁铁包括第一磁铁102和第二磁铁103，第一磁铁102设在相邻两个关节模块1中的一者的第一端面1014上，第二磁铁103设在相邻两个关节模块1中的另一者的第二端面1015上，相应的第一磁铁102和第二磁铁103的极性相同的磁极相对设置。

具体地，每个关节模块1对应包括一个基体101。控制座2中的拉绳机构的数量为多个，每个拉绳机构对应一个驱动绳301。同一个绳组3中的多个驱动绳301伸出于控制座2的部分的长度一致时，相邻两个基体101中的一者的第一端面1014和另一者的第一端面1014相互平行。此时驱动绳301的长度方向为第一方向，基体101的厚度方向为第一方向。其中，上述提到的相邻两个基体101之间的夹角代指相邻两个基体101中的一者的第一端面1014和另一者的第一端面1014之间的夹角。

在一些实施例中，多个关节模块1构成多个关节模块组，每个关节模块组包括至少一个关节模块1。绳组3的数量与关节模块组的数量相等并一一对应，绳组3的每个驱动绳301的第二端与相应关节模块组的远离控制座2的关节模块1的基体101相连。由此，一个绳组3得以控制一个关节模块组中的多个关节模块1运动，在绳组3的数量一定的情况下，柔性机械臂100具有的自由度更多，进而能够满足更多的工况环境。

在一些实施例中，柔性机械臂100进一步包括机械手4，机械手4与最远离控制座2的基体101相连。由此，使得柔性机械臂100具有抓取、移动物品的功能。

具体地，机械手4可拆卸地安装在基体101的第二端面1015，如机械手4和基体101通过螺栓连接。由此可以更换不同类型的机械手4或其他种类的工作单元，使得柔性机械臂100通用性更强。

在一些实施例中，每个第一端面1014设有沿其周向间隔开的多个第一磁铁102，每个第二端面1015设有沿其周向间隔开地多个第二磁铁103，多个第一磁铁102与相应的多个第二磁铁103一一相对。由此，相邻两个基体101之间的排斥力更大更稳定，进而更有效的保证相邻的两个基体101在工作时时刻保持间隔开地设置。

具体地，每个基体101的大小形状彼此相同。每个基体101中安装的第一磁铁102和第二磁铁103的数量均为四个，四个第一磁铁102沿第一端面1014的周向等间隔地设在第一端面1014上，四个第二磁铁103沿第二端面1015的周向等间隔地设在第二端面1015上。

在一些实施例中，第一磁铁102和第二磁铁103中的至少一者为电磁铁，基体101上设有用于控制第一磁铁102和第二磁铁103中的至少一者的第一无线控制模块。由此，在柔性机械臂100实际工作时(调节各绳组3中的多个驱动绳301伸出控制座2的部分的长度)，可以通过改变电磁铁的磁力，进而实时调节相邻两个基体101之间的排斥力，以控制各关节模块1的位置，保证相邻两个基体101之间互不接触。同时在受到外界干扰时，在无线控制模块的控制下，电磁铁可以通过自适应的力控制方式，进行鲁棒性的自适应调节，保证柔性机械臂100的准确稳定工作。

具体地，第一磁铁102和第二磁铁103均为电磁铁。无线控制模块同时控制第一磁铁102和第二磁铁103。

在一些实施例中，相邻两个关节模块1中的一者的第一端面1014上设有凹槽1013，相邻两个关节模块1中的另一者的第二端面1015上设有配合在凹槽1013内的凸台1012。凸台1012和凹槽1013可以为正四棱柱形，且基体101、凸台1012和凹槽1013的轴线重合。

通过设置相邻两个关节模块1中的一者的第一凸台1012的一部分与另一者的第一凹槽1013配合，进而将相邻两个基体101之间的夹角限定在设定角度内，避免各关节模块1弯折角度过大而无法复位。

在一些实施例中，每个凸台1012的侧面与相应的凹槽1013的侧壁面间隔开，每个凸台1012的侧面上设有第三磁铁104，每个凹槽1013的侧壁面上设有第四磁铁105，第三磁铁104与相应的第四磁铁105的极性相同的磁极相对设置以便产生排斥力。由此保证相邻两个关节模块1互不接触，相邻两个关节模块1发生相对摆动时基本不会发生相对摩擦，进而基本不会产生摩擦损耗，进而使得柔性机械臂100可以在洁净度要求更高的情况下使用。

在一些实施例中，每个凸台1012的侧面上设有沿其周向间隔开的多个第三磁铁104，每个凹槽1013的侧壁面上设有沿其周向间隔开的多个第四磁铁105，多个第三磁铁104与相应的多个第四磁铁105一一相对。由此进一步保证凸台1012的任一侧面和相应的凹槽1013的侧壁面均间隔开地设置。

具体地，如图3和图4所示，第三磁铁104和第四磁铁105的数量均为四个，四个第三磁铁104分设在凸台1012的四个侧面上，四个第四磁铁105分设在凹槽1013的四个侧壁面上。

在一些实施例中，第三磁铁104和第四磁铁105中的至少一者为电磁铁，基体101上设有用于控制第三磁铁104和第四磁铁105中的至少一者的第二无线控制模块。由此，在柔性机械臂100实际工作时(调节各绳组3中的多个驱动绳301伸出控制座2的部分的长度)，可以实时调节凸台1012和相应凹槽1013之间的排斥力，以更准确地控制各关节模块1的位置，进一步保证相邻两个关节模块1之间互不接触。

具体地，第三磁铁104和第四磁铁105均为电磁铁，第二无线控制模块和第一无线控制模块为同一无线控制模块，并同时控制第三磁铁104和第四磁铁105。

在一些实施例中，凸台1012与相应凹槽1013插接配合，凸台1012具有弹性。由此保证相邻两个基体101可发生相对摆动的同时，也同样能够将相邻两个基体101之间的夹角限定在设定角度内，避免各关节模块1摆动角度过大而无法复位。

在一些实施例中，每个凸台1012的侧面与相应的凹槽1013的侧壁面间隔开，凸台1012与相应凹槽1013之间设有弹性层。由此同样能够保证相邻基体101可发生相对摆动的同时，也将相邻两个基体101之间的夹角限定在设定角度内。

在一些实施例中，每个绳组3包括至少三个驱动绳301，每个基体101设有用于穿过驱动绳301的多个穿绳孔1011，每个穿绳孔1011沿基体101的厚度方向贯通基体101，每个基体101的穿绳孔1011的数量彼此相等。

由此，至少三个驱动绳301驱动一个关节模块组，使得关节模块组可以朝更多的方向发生弯折，自由度更高，且控制精度高。例如在柔性机械臂100朝一侧弯曲时，除了通过拉绳机构拉紧靠近该侧的驱动绳301的同时，还可以放松其余数量的驱动绳301，使得该绳组3对应的关节模块组能够被更准确、稳定的调整至设定的位置。

具体地，每个绳组3包括四个驱动绳301，每个穿绳孔1011用于供一个驱动绳301穿过。绳组3中的四个驱动绳301的第二端可以通过粘胶固定在关节模块组中远离控制座2的基体101中的穿绳孔1011内。或者，绳组3中的驱动绳301的第二端可以穿过关节模块组中远离控制座2的基体101中的穿绳孔1011并在该基体101的第二端面1015的外侧打结。

可选地，四个穿绳孔1011沿基体101的周向等间隔地设置。由此，柔性机械臂100的连接结构更稳定，能够实现更多自由度的运动。

在一些实施例中，关节模块组为多个，每个关节模块组包括多个关节模块1。绳组3为多个，其中穿绳孔1011的数量大于等于多个绳组3的多个驱动绳301数量之和。也就是说，每个关节模块组中的多个基体101均会被对应的绳组3中的多个驱动绳301依次串接。由此，一个绳组3可以控制多个关节模块1的位置。此外，远离控制座2的关节模块组对应的绳组3中的驱动绳301也会依次穿过位于该关节模块组和控制座2之间的关节模块组中的多个基体101的穿绳孔1011。由此，驱动绳301还实现对关节模块1的径向限位，保证柔性机械臂100结构的稳定。

具体地，如图1所示，以关节模块1的数量为九个且关节模块组的数量为三个为例。每个关节模块组均包括顺次排列的三个关节模块1，三个关节模块组按距控制座2的远近依次定义为第一关节模块组、第二关节模块组和第三关节模块组，其中，第一关节模块组最靠近控制座2。此时，绳组3的数量为三个，穿绳孔1011的数量为十二个。三个绳组3定义为与第一关节模块组对应的第一绳组、与第二关节模块组对应的第二绳组和与第三关节模块组对应的第三绳组。

其中第一绳组的四个驱动绳301的第一端与控制座2中的相应拉绳机构相连，第二端依次穿过第一关节模块组靠近控制座2的两个基体101上的相应穿绳孔1011并固定在第一关节模块组中最远离控制座2的基体101上的相应穿绳孔1011内。第二绳组的四个驱动绳301的第一端与控制座2中的相应拉绳机构相连，第二端依次穿过第一关节模块组中的三个基体101上的相应穿绳孔1011、第二关节模块组靠近控制座2的两个基体101上的相应穿绳孔1011并固定在第二关节模块组中最远离控制座2的基体101上的相应穿绳孔1011内。第三绳组的四个驱动绳301的第一端与控制座2中的相应拉绳机构相连，第二端依次穿过第一关节模块组中的三个基体101上的相应穿绳孔1011、第二关节模块组中的三个基体101上的相应穿绳孔1011、第三关节模块组靠近控制座2的两个基体101上的相应穿绳孔1011并固定在第三关节模块组中最远离控制座2的基体101上的相应穿绳孔1011内。

在一些实施例中，穿绳孔1011的两端设有圆角。由此避免驱动绳301相对穿绳孔1011移动时磨损过大，降低了驱动绳301与基体101之间的摩擦，提高了驱动绳301的使用寿命。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，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，也可以是电连接或彼此可通讯；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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种柔性机械臂，其特征在于，包括：

控制座，所述控制座设有拉绳机构；

多个关节模块，每个所述关节模块均包括基体和与所述基体相连的磁铁，所述控制座和多个所述基体能够沿第一方向依次排列，多个所述基体能够沿所述第一方向间隔开地设置，相邻两个所述关节模块中的磁铁的极性相同的磁极相对设置，相邻两个所述基体的夹角可改变；和

至少一个绳组，每个所述绳组包括多个驱动绳，每个所述驱动绳能够沿所述第一方向延伸，每个所述驱动绳的第一端与所述拉绳机构相连，每个所述驱动绳的第二端与相应所述基体相连。

2.根据权利要求1所述的柔性机械臂，其特征在于，所述基体具有在其厚度方向上相对的第一端面和第二端面，所述磁铁包括第一磁铁和第二磁铁，所述第一磁铁设在相邻两个所述关节模块中的一者的所述第一端面上，所述第二磁铁设在相邻两个所述关节模块中的另一者的所述第二端面上，相应的所述第一磁铁和所述第二磁铁的极性相同的磁极相对设置。

3.根据权利要求1所述的柔性机械臂，其特征在于，多个所述关节模块构成多个关节模块组，每个所述关节模块组包括至少一个所述关节模块，所述绳组的数量与所述关节模块组的数量相等并一一对应，所述绳组的每个所述驱动绳的第二端与相应所述关节模块组的远离所述控制座的所述关节模块的基体相连。

4.根据权利要求2所述的柔性机械臂，其特征在于，每个所述第一端面设有沿其周向间隔开的多个所述第一磁铁，每个所述第二端面设有沿其周向间隔开地多个所述第二磁铁，多个所述第一磁铁与相应的多个所述第二磁铁一一相对。

5.根据权利要求4所述的柔性机械臂，其特征在于，所述第一磁铁和所述第二磁铁中的至少一者为电磁铁，所述基体上设有用于控制所述第一磁铁和所述第二磁铁中的至少一者的第一无线控制模块。

6.根据权利要求2所述的柔性机械臂，其特征在于，相邻两个所述关节模块中的一者的所述第一端面上设有凹槽，相邻两个所述关节模块中的另一者的所述第二端面上设有配合在所述凹槽内的凸台。

7.根据权利要求6所述的柔性机械臂，其特征在于，每个所述凸台的侧面与相应的所述凹槽的侧壁面间隔开，每个所述凸台的所述侧面上设有第三磁铁，每个所述凹槽的所述侧壁面上设有第四磁铁，所述第三磁铁与相应的所述第四磁铁的极性相同的磁极相对设置以便产生排斥力。

8.根据权利要求7所述的柔性机械臂，其特征在于，每个所述凸台的所述侧面上设有沿其周向间隔开的多个所述第三磁铁，每个所述凹槽的所述侧壁面上设有沿其周向间隔开的多个第四磁铁，多个所述第三磁铁与相应的多个所述第四磁铁一一相对。

9.根据权利要求7所述的柔性机械臂，其特征在于，所述第三磁铁和所述第四磁铁中的至少一者为电磁铁，所述基体上设有用于控制所述第三磁铁和所述第四磁铁中的至少一者的第二无线控制模块。

10.根据权利要求1-9任一项所述的柔性机械臂，其特征在于，每个所述绳组包括至少三个所述驱动绳，每个所述基体设有用于穿过所述驱动绳的多个穿绳孔，每个所述穿绳孔沿所述基体的厚度方向贯通所述基体。

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