CN113386117B - 一种实现正弦解耦的具有偏航自由度的绳驱柔性机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例公开了一种实现正弦解耦的具有偏航自由度的绳驱柔性机械臂，包括关节模块、两根驱动绳索、支撑连杆和驱动装置，关节模块包括联动组件、第一导线圆盘和第二导线圆盘，第一导线圆盘和第二导线圆盘分别与联动组件的两端转动连接，且第一导线圆盘和第二导线圆盘的自由度一致；两根驱动绳索穿设于关节模块中，驱动绳索固定于所述第一导线圆盘，所述驱动绳索可滑动地穿设于所述第二导线圆盘，驱动绳索位于第一导线圆盘的转动方向所在的平面；支撑连杆的两端分别固定连接有两个关节模块，驱动装置的转角和驱动绳索的输出成正弦关系。实现绳驱机械臂各段解耦，并使关节转角和驱动装置实现等角度线性转动关系，降低柔性机械臂的控制难度。

Description

一种实现正弦解耦的具有偏航自由度的绳驱柔性机械臂

技术领域

本发明涉及一种实现正弦解耦的具有偏航自由度的绳驱柔性机械臂，属于柔性机器人技术领域。

背景技术

目前，刚性机器臂在工业领域取得了广泛的应用，但是传统的工业机器臂质量大，机动性低，难以胜任灾害救援，管道清理等需要高度灵活性的任务。与传统刚性机器臂相比，超冗余度特性绳驱柔性机械臂具有出色的运动能力与环境适应性，可以在复杂、非结构化、受阻受限的特殊环境下，开展一系列工作。但是目前绳驱柔性机械臂的控制具有高度非正弦的特点，各段驱动绳索在运动过程中变化量相互耦合且非线性，增加了控制的难度。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种可以实现绳索输入和关节转角输出成正弦关系的机械臂，同时机械臂上各个臂段之间的相互解耦，机械臂具有多个偏航自由度，用于解决现有技术中的绳驱机械臂各段绳索驱动量相互耦合和非线性的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种实现正弦解耦的具有偏航自由度的绳驱柔性机械臂，包括关节模块、两根驱动绳索、支撑连杆和驱动装置，，关节模块包括联动组件、第一导线圆盘和第二导线圆盘，所述的第一导线圆盘和所述的第二导线圆盘分别与所述的联动组件的两端转动连接，且所述的第一导线圆盘和所述的第二导线圆盘的自由度一致；两根驱动绳索穿设于所述的关节模块中，所述的驱动绳索固定于所述第一导线圆盘，所述驱动绳索可滑动地穿设于所述第二导线圆盘，两根所述的驱动绳索对称设置于所述的联动组件的两侧，并位于所述的第一导线圆盘的转动方向所在的平面；支撑连杆的两端分别固定连接有两个所述的关节模块，所述驱动装置的转角和所述驱动绳索的输出成正弦关系。

作为上述方案的进一步改进方式，所述的联动组件包括：

两个转动件，分别安装于所述的第一导线圆盘和所述的第二导线圆盘中，所述的转动件的插设有转轴，所述的转动件通过所述的转轴和所述的第一导线圆盘以及所述的第二导线圆盘转动连接；

两个支撑板，所述的支撑板的两端分别固定于两个所述转动件，两个所述的支撑板分别位于所述的转动件的两侧，并位于所述的转轴的轴向方向上。

作为上述方案的进一步改进方式，所述的转动件的两侧设置有绕线导轮，所述的绕线导轮设置在所述的转动件和所述的支撑板之间，位于两个所述的转动件的同一侧的两个所述的绕线导轮之间绕设有联动绳索，所述的联动绳索的两端分别位于两个所述的绕线导轮的相异的两侧。

作为上述方案的进一步改进方式，所述联动绳索的第一端固定于位于所述第一导线圆盘的所述的绕线导轮，所述联动绳索的第二端绕设在位于所述第二导线圆盘的所述的绕线导轮，位于所述第二导线圆盘的所述的转动件设置有空心螺钉，所述空心螺钉和所述的联动绳索的第二端连接，所述的空心螺钉能在所述的转动件上伸缩，提供两侧联动绳索的预紧力。

作为上述方案的进一步改进方式，所述的转动件的两侧的所述联动绳索的绕线方向相异。

作为上述方案的进一步改进方式，所述的第一导线圆盘和所述的第二导线圆盘均设置有定滑轮组，所述定滑轮组用于为所述的驱动绳索导向，以及减小驱动绳索和绳孔之间的摩擦。

作为上述方案的进一步改进方式，相邻两个所述的关节模块的第一导线圆盘的自由度相异。

作为上述方案的进一步改进方式，所述的第一导线圆盘和所述的第二导线圆盘均设置有两组通孔，以及设置有用于穿设所述驱动绳索的绳孔，每组所述的通孔设置有多个，两组所述的通孔对称设置于所述的联动组件的两侧，且与所述的驱动绳索位置相异；

其中，所述的第一导线圆盘和所述的第二导线圆盘之间设置有至少两条绳索导管，有且仅有两条所述的绳索导管的两端分别连接于所述的第一导线圆盘的通孔，以及所述的第二导线圆盘的所述绳孔。

作为上述方案的进一步改进方式，相邻两个所述的关节模块的所述的第一导线圆盘的自由度相互垂直，两组所述的通孔所在的平面与两条所述的驱动绳索所在的平面相互垂直。

作为上述方案的进一步改进方式，所述的支撑连杆的内部中空，用于穿过末端设备的线路。

本发明的有益效果是：每个关节模块由单独的两根驱动绳索来驱动，多个关节模块之间的运动相互并不耦合，每个关节模块均可以由独立驱动机构来驱动两根驱动绳索，从而驱动关节模块进行转角运动，使整个柔性机械臂的自由度数和驱动机构数一一对应，降低柔性机械臂的控制难度。

附图说明

图1是本发明实施例的实现正弦解耦的具有偏航自由度的绳驱柔性机械臂的示意图；

图2是本发明实施例的实现正弦解耦的具有偏航自由度的绳驱柔性机械臂的关节模块的示意图；

图3是本发明实施例的实现正弦解耦的具有偏航自由度的绳驱柔性机械臂的支撑连杆、第一导线圆盘和第二导线圆盘的装配示意图；

图4是图3中的C部的放大图；

图5是本发明实施例的实现正弦解耦的具有偏航自由度的绳驱柔性机械臂的联动组件的示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、顶、底等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。

参照图1，本发明的实施例的一种实现正弦解耦的具有偏航自由度的绳驱柔性机械臂，包括关节模块100、驱动绳索200和支撑连杆300，关节模块100包括联动组件110、第一导线圆盘120和第二导线圆盘130，第一导线圆盘120和第二导线圆盘130分别与联动组件110的两端转动连接，且第一导线圆盘120和第二导线圆盘130的自由度一致；驱动绳索200设置有两根，并穿设于关节模块100中，驱动绳索200固定于所述第一导线圆盘120，所述驱动绳索200可滑动地穿设于所述第二导线圆盘130，两根驱动绳索200对称设置于联动组件110的两侧，并位于第一导线圆盘120的转动方向所在的平面；支撑连杆300的两端分别固定连接有两个关节模块100。

其中，参照图1，本发明的实施例中的绳驱柔性机械臂是自下而上由多个关节模块100和支撑连杆300交替连接而构成，在每一个关节模块100中，通过正弦驱动机构(电机转角α和驱动绳索的移动距离l同样成l/2＝d/2sinα关系，附图未示出)来对关节模块100中的两根驱动绳索200进行驱动，具体地，当驱动其中一根驱动绳索200，则带动固定于第一导线圆盘120的结构朝向被驱动的驱动绳索200所在的方向摆动，同时，两根驱动绳索200均在第二导线圆盘130内滑动，从而配合第一导线圆盘120和第二导线圆盘130的夹角变化，来调整长度，其中，由于两根驱动绳索200对称设置于联动组件110的两侧，因此其中一根驱动绳索200的伸长量等于另一根驱动绳索200绳索的缩短量，根据上述特点，使用者可以直接通过一个正弦输出的驱动机构(如电机)来同时控制两根绳索，使其同时伸长缩短相同的距离。

本发明的绳驱柔性机械臂中的每个关节模块100都由单独的两根驱动绳索200来驱动，多个关节模块100所引起的运动之间相互并不耦合，每个关节模块100均可以由独立驱动机构来驱动两根驱动绳索200，从而驱动关节模块100进行转角运动，使整个柔性机械臂的自由度数和驱动机构数一一对应，降低柔性机械臂的控制难度。

需要提及的是，每个关节模块100的转角θ和驱动绳索200的移动长度l成正弦关系，若驱动绳索200分布之间为d，有则为：l/2l＝d/2sinθ，即l＝d sinθ。

具体的使用方法为，当配有对应正弦输出的驱动装置(电机转角和驱动绳索200输出成正弦关系)时，可以实现在绳驱机械臂各段解耦的同时，各个臂段的关节转角和驱动装置实现线性转动比的关系。

需要提及的是，通过本发明的绳驱柔性机械臂的分体式的结构设计，能方便使用者在使用过程中对绳驱柔性机械臂进行维修和扩展。

其中，可以理解的是，为了使整个的绳驱柔性机械臂运动更佳灵活，上述的支撑连杆300的内部中空，中空设置的支撑连杆300能节省整体的绳驱柔性机械臂的重量，在进行偏航或俯仰动作时，减少惯性的影响，提高动作的控制精度，进一步地降低整体绳驱柔性机械臂的控制难度，同时使得末端设备的线路可以通过中间的孔洞穿过。

可以理解的是，参照图2，联动组件110包括两个转动件111和两个支撑板112，两个转动件111分别安装于第一导线圆盘120和第二导线圆盘130中，转动件111的插设有转轴125，转动件111通过转轴125和第一导线圆盘120以及第二导线圆盘130转动连接；支撑板112的两端分别固定于两个所述转动件111，两个支撑板112分别位于转动件111的两侧，并位于转轴125的轴向方向上。

在联动组件110和第一导线圆盘120以及第二导线圆盘130的连接结构中，第一导线圆盘120在驱动绳索200的拉动下，绕转轴125相对于联动组件110发生转动，同时，联动组件110绕转轴125相对于第二导线圆盘130发生转动，由联动组件110分别和第一导线圆盘120以及第二导线圆盘130组成的两个小关节在发生转动的时候，两个小关节的自由度一致，从而在两个小关节之间形成转角联动。

可以理解的是，参照图5，转动件111的两侧设置有绕线导轮113，绕线导轮113设置在转动件111和支撑板112之间，位于两个转动件111的同一侧的两个绕线导轮113之间绕设有联动绳索114，联动绳索114的两端分别位于两个绕线导轮113的相异的两侧。

需要提及的是，参照图5，联动绳索114的两端分别位于两个绕线导轮113的相异的两侧指的是联动绳索114以“8字形”的绕线方式绕设在位于同一侧的上下两个绕线导轮113上，以对上下两个转动件111进行预紧，对应地，另一侧的上下两个绕线导轮113也按“8字形”的绕线方式绕设有联动绳索114，使两侧的预紧力一致，保证整个绳驱柔性机械臂在运动时候的协调性，进一步地降低控制的难度，并且提高运动的流畅性以及协调性，同时两侧联动绳索114的长度一定，可以第一导线圆盘120和第二导线圆盘130的自由度相同。

可以理解的是，参照图5，联动绳索114的第一端固定于位于第一导线圆盘120的绕线导轮113，联动绳索114的第二端绕设在位于第二导线圆盘130的绕线导轮113，位于第二导线圆盘130的转动件111设置有空心螺钉115，空心螺钉115和联动绳索114的第二端连接，空心螺钉115能在转动件111上伸缩，以调节两侧的联动绳索114，使其长度和预紧力保持一致，从而第一导线圆盘120和第二导线圆盘130的自由度相同。

需要提及的是，联动绳索114的第一端是固定在第一导线圆盘120上的绕线导轮113上的，而第二端则是由空心螺钉115来控制联动绳索114的第二端所绕到的位置，从而控制联动绳索114的预紧力，保证上下两个支撑连杆300与中间的关节模块100形成一致的夹角，使得第一导线圆盘120和第二导线圆盘130的自由度相同。保证整个绳驱柔性机械臂在运动时候的协调性，进一步地降低控制的难度，并且提高运动的流畅性以及协调性。

可以理解的是，参照图5，转动件111的两侧的联动绳索114的绕线方向相异。相异的两个绕线方向，可以从两个相对的方向来对联动组件110进行预紧，提高整个联动组件110的紧凑度，提高关节模块100在运动过程中中的协调性，避免在进行俯仰和偏航动作中发生偏差，提高使用者对绳驱柔性机械臂的控制的精确度。

可以理解的是，参照图4，第一导线圆盘120和第二导线圆盘130均设置有定滑轮组121，所述定滑轮组121用于为驱动绳索200导向，同时减小摩擦。在设计以及组装阶段，通过定滑轮组121可以对驱动绳索200进行导向，以使驱动绳索200能伸入至第一导线圆盘120和第二导线圆盘130中进行安装；而在使用的过程中，利用定滑轮组121和驱动绳索200配合，使驱动绳索200能在定滑轮组121中滑动，约束驱动绳索200只能沿一条固定的路径滑动，避免驱动绳索200晃动或偏移，从而避免在进行俯仰和偏航动作中发生偏差，同时把驱动绳索200通过绳孔122的滑动摩擦变为滚动摩擦，提高使用者对绳驱柔性机械臂的控制的精确度。

可以理解的是，相邻两个关节模块100的第一导线圆盘120的自由度相异。具体而言，相邻两个关节模块100之间连接有支撑连杆300，支撑连杆300两端的两个关节模块100可以相互独立地进行摆动，参照图1，在同一个支撑连杆300两端的关节模块100中的第一导线圆盘120分别是向A向和B向摆动，也即摆动的方向不一致，则可以实现整个绳驱柔性机械臂对多个方向进行俯仰动作。此外，需要提及的是，相邻两个关节模块100的第一导线圆盘120的运动互不干涉。

具体而言，在实际的设计中，相邻两个的关节模块100所提供的自由度方向相互垂直，是指支撑连杆300两端的两个关节模块100的转轴125方向相互垂直，当关节模块100绕转轴125进行转动时，其自由度的方向相互垂直，从而最大化整个关节模块100的工作空间范围。

上述的两根用于驱动关节模块100转动的驱动绳索200位于第一导线圆盘120以及第二导线圆盘130的直径上，因此，需要提及的是，在实际的设计中，相邻两个的关节模块100所提供的自由度方向相互垂直，参照图1，还可以是指支撑连杆300两端的两个关节模块100上的两根驱动绳索200所在的直径相互垂直。

可以理解的是，在本发明的实施例的绳驱柔性机械臂中，每个关节模块100都是由相对独立的，且机械臂是有多个关节模块100连接而成，因此，以靠近驱动机构的关节模块100为首个关节模块100，其余的关节模块100的驱动绳索200均需要先经过前面的若干个关节模块100才能延伸至该驱动绳索200所需要驱动的关节模块100处，因此，参照图3，第一导线圆盘120和第二导线圆盘130均设置有两组通孔123，以及设置有用于穿设所述驱动绳索200的绳孔122，每组通孔123设置有多个，两组通孔123对称设置于联动组件110的两侧，且与驱动绳索200位置相异；

以其中一个关节模块100为例，参照图2和图3，关节模块100中的绳孔122用于引导用于驱动本关节模块100的驱动绳索200，而其余的关节模块100的驱动绳索200则穿设于通孔123中，并经由通孔123将其余的关节模块100的驱动绳索200导向和驱动绳索200相对于的关节模块100中，需要提及的是，为了使整个绳驱柔性机械臂中的线路更加美观且易于检修，通孔123的数量大于或等于穿过的驱动绳索200，且每一个通孔123至多只穿设有一条驱动绳索200。

其中，第一导线圆盘120和第二导线圆盘130之间设置有至少两条绳索导管124，有且仅有两条绳索导管124的两端分别连接于第一导线圆盘120的通孔123，以及第二导线圆盘130的绳孔122，其中穿过的绳索作为驱动绳索。

可以理解的是，由于在支撑连杆300两端的关节模块100的自由度是相互垂直，因此，从其中一个关节模块100的通孔123穿出的驱动绳索200需要经过偏向才能穿入另一个关节模块100的通孔123中，而在偏转的过程中，若驱动绳索200没有受到约束，则在使用的过程中，其驱动绳索200将会有大幅度的偏侧，导致影响整个绳驱柔性机械臂的控制精度，因此，通过绳索导管124的引导以及约束，能减少驱动绳索200的偏移误差，提高使用者对绳驱柔性机械臂的控制精度。

其中，可以理解的是，在相邻两个的关节模块100所提供的自由度方向相互垂直的实施例中，相邻两个关节模块100的第一导线圆盘120的自由度相互垂直，其中，两组通孔123所在的平面与两条驱动绳索200所在的平面相互垂直。从而使驱动绳索200从支撑连杆300两端的第一导线圆盘120延伸到第二导线圆盘130时，其偏转的角度趋于一致，提高精准度。此外，绳索导管124是用于套设在驱动绳索200外，以达到保护驱动绳索200的效果。

附图标记列表

100 关节模块

110 联动组件

111 转动件

112 支撑板

113 绕线导轮

114 联动绳索

115 空心螺钉

120 第一导线圆盘

130 第二导线圆盘

121 定滑轮组

122 绳孔

123 通孔

124 绳索导管

125 转轴

200 驱动绳索

300 支撑连杆。

Claims (10)

1.一种实现正弦解耦的具有偏航自由度的绳驱柔性机械臂，其特征在于，包括：

关节模块(100)，包括联动组件(110)、第一导线圆盘(120)和第二导线圆盘(130)，所述的第一导线圆盘(120)和所述的第二导线圆盘(130)分别与所述的联动组件(110)的两端转动连接，且所述的第一导线圆盘(120)和所述的第二导线圆盘(130)的自由度一致；

穿设于所述的关节模块(100)中的两根驱动绳索(200)，所述的驱动绳索(200)固定于所述第一导线圆盘(120)，所述驱动绳索(200)可滑动地穿设于所述第二导线圆盘(130)，两根所述的驱动绳索(200)对称设置于所述的联动组件(110)的两侧，并位于所述的第一导线圆盘(120)的转动方向所在的平面；

支撑连杆(300)，两端分别固定连接有两个所述的关节模块(100)；

驱动装置，用于驱动所述的驱动绳索(200)，所述驱动装置的转角和所述的驱动绳索(200)的输出成正弦关系。

2.根据权利要求1所述的实现正弦解耦的具有偏航自由度的绳驱柔性机械臂，其特征在于，所述的联动组件(110)包括：

两个转动件(111)，分别安装于所述的第一导线圆盘(120)和所述的第二导线圆盘(130)中，所述的转动件(111)插设有转轴(125)，所述的转动件(111)通过所述的转轴(125)和所述的第一导线圆盘(120)以及所述的第二导线圆盘(130)转动连接；

两个支撑板(112)，所述的支撑板(112)的两端分别固定于两个所述转动件(111)，两个所述的支撑板(112)分别位于所述的转动件(111)的两侧，并位于所述的转轴(125)的轴向方向上。

3.根据权利要求2所述的实现正弦解耦的具有偏航自由度的绳驱柔性机械臂，其特征在于，所述的转动件(111)的两侧设置有绕线导轮(113)，所述的绕线导轮(113)设置在所述的转动件(111)和所述的支撑板(112)之间，位于两个所述的转动件(111)的同一侧的两个所述的绕线导轮(113)之间绕设有联动绳索(114)，所述的联动绳索(114)的两端分别位于两个所述的绕线导轮(113)的相异的两侧。

4.根据权利要求3所述的实现正弦解耦的具有偏航自由度的绳驱柔性机械臂，其特征在于，所述联动绳索(114)的第一端固定于位于所述第一导线圆盘(120)的所述的绕线导轮(113)，所述联动绳索(114)的第二端绕设在位于所述第二导线圆盘(130)的所述的绕线导轮(113)，位于所述第二导线圆盘(130)的所述的转动件(111)设置有空心螺钉(115)，所述空心螺钉(115)和所述的联动绳索(114)的第二端连接，所述的空心螺钉(115)能在所述的转动件(111)上伸缩，以拉动所述的联动绳索(114)。

5.根据权利要求3所述的实现正弦解耦的具有偏航自由度的绳驱柔性机械臂，其特征在于，所述的转动件(111)的两侧的所述联动绳索(114)的绕线方向相异。

6.根据权利要求1所述的实现正弦解耦的具有偏航自由度的绳驱柔性机械臂，其特征在于，所述的第一导线圆盘(120)和所述的第二导线圆盘(130)均设置有定滑轮组(121)，所述定滑轮组(121)用于为所述的驱动绳索(200)导向。

7.根据权利要求1所述的实现正弦解耦的具有偏航自由度的绳驱柔性机械臂，其特征在于，相邻两个所述的关节模块(100)的第一导线圆盘(120)的自由度相异。

8.根据权利要求1所述的实现正弦解耦的具有偏航自由度的绳驱柔性机械臂，其特征在于，所述的第一导线圆盘(120)和所述的第二导线圆盘(130)均设置有两组通孔(123)，以及设置有用于穿设所述驱动绳索(200)的绳孔(122)，每组所述的通孔(123)设置有多个，两组所述的通孔(123)对称设置于所述的联动组件(110)的两侧，且与所述的驱动绳索(200)位置为垂直角度间隔相异；

其中，所述的第一导线圆盘(120)和所述的第二导线圆盘(130)之间设置有至少两条绳索导管(124)，有且仅有两条所述的绳索导管(124)的两端分别连接于所述的第一导线圆盘(120)的通孔(123)，以及所述的第二导线圆盘(130)的所述绳孔(122)。

9.根据权利要求8所述的实现正弦解耦的具有偏航自由度的绳驱柔性机械臂，其特征在于，相邻两个所述的关节模块(100)的所述的第一导线圆盘(120)的自由度相互垂直，两组所述的通孔(123)所在的平面与两条所述的驱动绳索(200)所在的平面相互垂直。

10.根据权利要求1所述的实现正弦解耦的具有偏航自由度的绳驱柔性机械臂，其特征在于，所述的支撑连杆(300)的内部中空，用于穿过末端设备的线路。

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