CN113894840B - 一种绳索驱动柔性机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种绳索驱动柔性机械臂，包括若干连杆和依次穿过所述连杆且周向分布的绳索，相邻所述连杆之间连接有万向节，所述绳索的一端穿出根部的所述连杆并连接在驱动结构上，所述绳索的另一端穿出并固定在自由端的所述连杆上；相邻所述连杆之间还连接有若干周向分布的复位弹簧，不同所述复位弹簧的弹性系数由自由端的所述连杆向根部的所述连杆方向逐渐增大；本发明在相邻连杆之间连接有复位弹簧，能够利用复位弹簧实现机械臂的复位，并增强机械臂的整体强度，同时，复位弹簧的弹性系数由自由端向根部逐渐增大，能够提供机械臂不同位置的弹力和复位拉力，保证对机械臂姿态调整的稳定性。

Description

一种绳索驱动柔性机械臂

技术领域

本发明涉及空间技术领域和力学结构技术领域，特别是涉及一种绳索驱动柔性机械臂。

背景技术

空间碎片是指位于地球轨道或载入稠密大气层的所有失效并且无法继续保持或恢复其原定功能的人造物体及其零部件。空间碎片的危害主要有：空间碰撞风险急剧增加；大量轨道资源被占据；航天器发射成本增加。因此，世界主要航天大国均开始致力于空间碎片的捕获与移除问题。

人类在空间环境上重复走上了与地面环境相同的“先污染、后治理”的老路，但由于污染空间环境的空间碎片具有极大的破坏力，使得治理的成本极高。控制空间环境既包括治理环境，也有保护环境、预防污染的意思。控制空间环境的措施可分3类：一是限制空间碎片的产生，因为在现阶段有的空间碎片还不可避免地要产生，例如完成任务的运载火箭和航天器，所以只能限制而不能杜绝；二是清除已有的空间碎片，包括目前已经在轨道上的碎片和今后航天任务可能产生的碎片，这类碎片应主动采取清除措施，如任务完成后离开轨道陨落；三是区域性的措施，保护航天活动最有价值的区域，减少对航天器的威胁。

针对空间碎片的捕获问题，主要分为刚性捕获(如机械臂抓取)和柔性捕获(如飞网捕获)。其中，刚性捕获技术水平高，但机械臂质量大、交会复杂、容易发生碰撞和回弹，而柔性飞网捕获虽然质量小，但控制难、可靠性低、难以重复捕获。

随着机器人技术的日益发展，应用场合不断丰富，人们对机器人功能的需求也趋于多样化。连续型机器人由于自身的可弯曲性，与刚性机器人相比具有更高的柔顺性、安全性和适应性，在人机交互、易碎品抓取和狭小空间作业等方面具有独特优势。如在太空环境下，采用连续型机器人进行柔性捕获可以避免此类危害。连续型机械臂在工业生产、航空航天、医疗外科、抢险救灾以及环境探测等领域具有十分广阔的应用前景。

连续型机器人通过柔性本体的弹性变形产生沿长度方向的连续弯曲运动。这类机器人的外观一般为圆柱形，采用支撑结构保持机器人的整体形状并为弯曲运动提供刚度。例如，申请公布号为CN 108908317 A的中国专利公开了一种绳索驱动的柔性机械臂，包括若干绳索驱动的柔性关节，相邻两个绳索驱动的柔性关节之间设置有转动件，转动件两端分别与两个绳索驱动的柔性关节的第一转动连接件或第二转动连接件固定连接，该方案通过绳索驱动的柔性关节实现绳索驱动的柔性机械臂的转动，但是只能依靠绳索进行驱动，并不能自动复位，而且，机械臂的姿态只能由绳索进行调整，机械臂的整体强度有所欠缺。

发明内容

本发明的目的是提供一种绳索驱动柔性机械臂，以解决上述现有技术存在的问题，在相邻连杆之间连接有复位弹簧，能够利用复位弹簧实现机械臂的复位，并增强机械臂的整体强度，同时，复位弹簧的弹性系数由自由端向根部逐渐增大，能够提供机械臂不同位置的弹力和复位拉力，保证对机械臂姿态调整的稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种绳索驱动柔性机械臂，包括若干连杆和依次穿过所述连杆且周向分布的绳索，相邻所述连杆之间连接有万向节，所述绳索的一端穿出根部的所述连杆并连接在驱动结构上，所述绳索的另一端穿出并固定在自由端的所述连杆上；相邻所述连杆之间还连接有若干周向分布的复位弹簧，不同所述复位弹簧的弹性系数由自由端的所述连杆向根部的所述连杆方向逐渐增大。

优选地，同一所述连杆在同一端连接的所述复位弹簧，其弹性系数相同。

优选地，所述复位弹簧套设在所述绳索上。

优选地，不同所述复位弹簧的弹性系数由自由端的所述连杆向根部的所述连杆方向成线性变化。

优选地，所述万向节采用十字万向节，所述十字万向节包括十字轴和交叉设置在所述十字轴上的旋转件。

优选地，所述连杆包括中空的十字框架结构和设置在所述十字框架结构上的绳索通道。

优选地，所述十字框架结构与所述十字轴的十字方向一致，所述绳索通道设置在所述十字轴延伸的方向。

优选地，所述绳索通道的开口处设置有倒角。

优选地，所述驱动结构包括驱动电机，所述绳索与所述驱动电机一一对应连接。

优选地，单根所述绳索的总长度理论计算公式为：

其中，L为所述绳索总长度，l为单节所述连杆长度，m为所述连杆的数量，a为单节所述连杆一端延伸的关节长，θ为单节所述连杆弯曲角度。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)本发明在相邻连杆之间连接有复位弹簧，能够利用复位弹簧实现机械臂的复位，并增强机械臂的整体强度，同时，复位弹簧的弹性系数由自由端向根部逐渐增大，能够提供机械臂不同位置的弹力和复位拉力，保证对机械臂姿态调整的稳定性；

(2)本发明连杆包括中空的十字框架结构和设置在十字框架结构上的绳索通道，中空的十字框架结构可以减轻机械臂重量，还能在实际使用过程中给后续传感器的安装等机械臂的升级预留空间；

(3)本发明十字框架结构与十字万向节的十字轴的十字方向一致，绳索通道设置在十字轴延伸的方向，通过控制不同的绳索的伸长和缩短可以控制十字框架结构绕着十字轴的不同的轴向旋转，方便控制机械臂弯曲方向；

(4)本发明绳索通道的开口处设置有倒角，能够减小摩擦，延长绳索的使用寿命，同时，绳索被包裹在复位弹簧和绳索通道中，能够减少暴露面积，进一步延长绳索的寿命，保护机械臂应用的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体结构示意图；

图2为图1中去除复位弹簧后的结构示意图；

图3为本发明连杆的结构示意图；

图4为本发明十字万向节结构示意图；

图5为本发明十字万向节中的十字轴结构示意图

其中，1、连杆；11、十字框架结构；12、绳索通道；2、十字万向节；21、十字轴；22、旋转件；3、绳索；4、复位弹簧。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种绳索驱动柔性机械臂，以解决现有技术存在的问题，在相邻连杆之间连接有复位弹簧，利用复位弹簧实现机械臂的复位，并增强机械臂的整体强度，同时，复位弹簧的弹性系数由自由端向根部逐渐增大，能够提供机械臂不同位置的弹力和复位拉力，保证对机械臂姿态调整的稳定性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1～2所示，本发明提供一种绳索驱动柔性机械臂，包括若干连杆1和依次穿过连杆1且周向分布的绳索3，其中，连杆1在设计时，其长度与直径的比值可以根据应用情况进行调整，既可以比值大于1也可以小于1，也就是说，连杆1可以为扁平状的结构形式也可以为细长状的结构形式；绳索3最优沿连杆1的轴向穿过，并且，前一个连杆1的绳索3出口位置对应于下一个连杆1的绳索3进口位置，使得在利用绳索3驱动时，利用不同绳索3的长度变化实现连杆1的弯曲和扭动；绳索3周向分布在连杆1的周围，设置有多根绳索3时，可以均匀分布，当只设置有一根绳索3并利用该根绳索3进行驱动时，连杆1应设置有另其复位的结构或装置；当然，对于绳索3的设置数量，优选的是设置3根以上，以在周向不同的位置进行驱动，实现在各个方向的驱动控制；对于绳索3穿过连杆1的具体结构，可以是开设在连杆1上的孔，也可以是连接在连杆1的限位结构(圆环或圆筒)等。相邻连杆1之间连接有万向节，万向节可以采用现有的结构，通过万向节的设置，可以使得相邻的两连杆1能够相对转动和弯曲，实现类似关节的作用和效果，多个万向节的设置可以使得机械臂具有多个活动的关节。绳索3的一端穿出机械臂根部的连杆1并连接在驱动结构上，驱动结构可以是电机、卷轴等形式，并且，驱动结构只与绳索3连接，不直接驱动机械臂上的任何运动关节(万向节)，通过驱动结构的运行能够控制绳索3的收放；同时，绳索3的另一端穿出并固定在自由端的连杆1上，从而通过绳索3的收放能够使得连杆1的连接状态发生改变，进而控制机械臂的自由端的连杆1的位置发生变化，从而实现驱动机械臂自由端所连接的机械手或其他装置的位置的改变；相邻连杆1之间还连接有若干周向分布的复位弹簧4，复位弹簧4的两端分别固定连接在连杆1上，当连杆1相邻的两根连杆1位置发生改变时，复位弹簧4可以提供拉力使其复位，通过多根复位弹簧4沿周向分布的设置方式能够对连杆1各方向的动作均实现有效的复位约束，增强机械臂的整体强度，另外，不同复位弹簧4的弹性系数由自由端的连杆1向根部的连杆1方向逐渐增大，能够提供机械臂不同位置的弹力和复位拉力，保证对机械臂姿态调整的稳定性。

本发明通过绳索3驱动对连杆1进行控制，能够实现柔性机械臂的弯曲、缠绕和伸直等运动，简单可靠，兼具可重复使用性和轻量化设计，具有质量轻、变形大的特点。

同一连杆1在同一端连接的复位弹簧4，其弹性系数可以设置的相同，也就是说，在同一万向节安装的位置，即同一关节处的复位弹簧4的弹性系数是相同的，能够保证在同一关节处的复位弹簧4的约束情况相同，保证机械臂运行的稳定性。

结合图2所示，复位弹簧4可以套设在绳索3上，一方面，复位弹簧4的弹力或拉力与绳索3所施加力的位置和方向相同，从而能够实现复位弹簧4更有效的调节，另一方面，绳索3被包裹在复位弹簧4中，能够减少绳索3的暴露面积，对绳索3进行保护，而延长其寿命。

不同复位弹簧4的弹性系数由机械臂自由端的连杆1向机械臂根部的连杆1方向成线性变化，以设置有6根复位弹簧4为例，弹性系数的变化规律可以如下表所示：

给定绳端拉力，其分配到每个关节处的扭矩成线性变化，预先设定线性变化的弹簧系数理论上保证了相邻连杆1的相对转角唯一定值，也就是说，连杆1之间串联的复位弹簧4可保证机械臂的关节同时等角度弯曲，并且在绳索3松弛的情况下实现机械臂的复位等动作，从而在线性变化的复位弹簧4弹性系数的作用下可确定机械臂弯曲过程中任意绳端拉力下的姿态。

结合如图4～5所示，万向节可以采用十字万向节2，十字万向节2包括十字轴21和交叉设置在十字轴21上的旋转件22，其中，十字轴21为整体结构，形成两个垂直方向的转动自由度，在旋转件22绕十字轴21旋转时，能够保证在同一机械臂的截面上旋转，从而能够更精准的控制机械臂各连杆1的偏转方向和位置。旋转件22上设置有U型卡槽，U型卡槽的两个支臂上设置有销轴孔，将连杆1端部的连接块插入U型卡槽内，并在销轴孔内插入销轴，使得销轴同时穿过连接块，实现U型卡槽与连杆1端部设置的连接块的转动连接。

结合图3所示，连杆1的结构可以包括中空的十字框架结构11和设置在十字框架结构11上的绳索通道12，中空的十字框架结构11可以减轻机械臂重量，还能在实际使用过程中给后续传感器的安装等机械臂的升级预留空间；十字框架结构11与绳索通道12可以为一体结构设置，也可以将绳索通道12通过焊接、螺栓连接的方式连接在十字框架结构11上；绳索通道12能够容纳绳索3并能够使得绳索3在绳索通道12内自由滑动，因此，绳索通道12既可以约束绳索3的移动方向和位置，又可以避免绳索3裸露，进而对绳索3进行有效保护，延长其使用寿命。本发明可采用3D打印技术制造，机械臂主体(即连杆1)一次成型，具有加工误差小，结构强度高，由于每根连杆1作为一个整体，其力学性能易于仿真。

结合图1所示，十字框架结构11可以与十字万向节2的十字轴21的十字方向一致，绳索通道12设置在十字轴21延伸的方向，也就是说，绳索3的收放方向与十字轴21的两个旋转轴的旋转方向一致，此时，可以设置有四条绳索3，通过控制四个不同方向的绳索3的伸长和缩短可以控制十字框架结构11绕着十字轴21的不同的轴向旋转，进而能够方便控制机械臂弯曲方向。

在绳索通道12的开口处可以设置有倒角，由于绳索3需要在绳索通道12内穿梭滑动，因此，倒角的设置能够尽量减小绳索3的磨损，进而能够延长绳索3的使用寿命。

驱动结构可以包括驱动电机，驱动电机安装在基座上，根部的连杆1铰接连接在基座上，绳索3与驱动电机一一对应连接，从而通过控制系统控制不同的驱动电机，实现对不同的绳索3的收放控制，进而能够实现机械臂完全由绳索驱动控制位置的变化。

单根绳索3的总长度理论计算公式为：

其中，L为绳索3的总长度，l为单节连杆1的长度，m为连杆1的数量，a为单节连杆1一端延伸的关节长，θ为单节连杆1的弯曲角度。

当单节连杆1的长度l为100mm，连杆1的根数m为6，延伸的关节长a为24mm时，带入上述公式可以得到绳索3的总长度L与单节连杆1的弯曲角度之间的关系式：

进而可以得到下表中的数据：

自由端连杆弯曲角度(度)	0	10	20	30	40	50	60
								单节连杆弯曲角度θ(度)	0	2	4	6	8	10	12
基座卷扬绳索收缩的长度(mm)	0.0	4.2	8.4	12.6	16.7	20.9	25.1
								绳索总长度(mm)	633.9	638.1	642.3	646.5	650.7	654.9	659.0

由此可见，通过控制绳索的长度可以有效的控制连杆1及其机械臂的弯曲角度。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种绳索驱动柔性机械臂，其特征在于：包括若干连杆和依次穿过所述连杆且周向分布的绳索，相邻所述连杆之间连接有万向节，所述绳索的一端穿出根部的所述连杆并连接在驱动结构上，所述绳索的另一端穿出并固定在自由端的所述连杆上；相邻所述连杆之间还连接有若干周向分布的复位弹簧，不同所述复位弹簧的弹性系数由自由端的所述连杆向根部的所述连杆方向逐渐增大；

所述复位弹簧套设在所述绳索上；所述连杆包括中空的十字框架结构和设置在所述十字框架结构上的绳索通道；所述绳索通道设置在所述十字框架延伸的方向。

2.根据权利要求1所述的绳索驱动柔性机械臂，其特征在于：同一所述连杆在同一端连接的所述复位弹簧，其弹性系数相同。

3.根据权利要求2所述的绳索驱动柔性机械臂，其特征在于：不同所述复位弹簧的弹性系数由自由端的所述连杆向根部的所述连杆方向成线性变化。

4.根据权利要求1-3任一项所述的绳索驱动柔性机械臂，其特征在于：所述万向节采用十字万向节，所述十字万向节包括十字轴和交叉设置在所述十字轴上的旋转件。

5.根据权利要求4所述的绳索驱动柔性机械臂，其特征在于：所述十字框架结构与所述十字轴的十字方向一致，所述绳索通道设置在所述十字轴延伸的方向。

6.根据权利要求4所述的绳索驱动柔性机械臂，其特征在于：所述绳索通道的开口处设置有倒角。

7.根据权利要求4所述的绳索驱动柔性机械臂，其特征在于：所述驱动结构包括驱动电机，所述绳索与所述驱动电机一一对应连接。

8.根据权利要求4所述的绳索驱动柔性机械臂，其特征在于：单根所述绳索的总长度理论计算公式为：

其中，L为所述绳索总长度，l为单节所述连杆长度，m为所述连杆的数量，a为单节所述连杆一端延伸的关节长，θ为单节所述连杆弯曲角度。

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