CN114407074A - 一种欠驱动连续体机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种欠驱动连续体机械臂，包括三个驱动电机、三根驱动绳和多个依次连接的关节；每个关节均包括动平台和静平台；每个关节中的动平台上均连接有三根从动绳；每个关节均连接有三个变直径驱动机构，每个关节中的从动绳和变直径驱动机构一一对应，每个关节中的每根从动绳均与对应的变直径驱动机构的输出端相连接；变直径驱动机构包括变直径滑轮，变直径滑轮包括直径可变的外环体；每个关节处的变直径驱动机构中的变直径滑轮的外环体均由相应的驱动绳驱动旋转。本发明结构简单，整体重量和体积较小，同时也可以有效保证机械臂的灵活度和负载能力。

Description

一种欠驱动连续体机械臂

技术领域

本发明涉机械臂技术领域，尤其是指一种欠驱动连续体机械臂。

背景技术

连续体机械臂整体表现出长、细的形态，由多个小节串接组成，各小节的组成元件往往具有较大柔度，使得连续体机械臂具有良好的柔顺特性和灵活性，鉴于连续体机械臂的上述特性，连续体机械臂被广泛应用于各个领域。

专利申请公布号为CN108237524A的中国专利，公开了一种线驱动连续型机器人，该机器人包括驱动系统及与机械臂，机械臂包括依次连接的多个单关节块，驱动系统包括支撑座、直线驱动机构及驱动线，直线驱动机构设置于支撑座上，驱动线的一端与直线驱动机构连接，另一端穿过机械臂且与机械臂的末端固定连接，由驱动系统驱动机械臂产生侧向弯曲或伸缩变形而实现对目标物的抱持抓取。但是上述结构的整个机械臂运动空间较小，自由度较低。

专利申请公布号为CN105014689A的中国专利，公开了一种运动解耦的绳驱动连续体机械臂及机器人，包括多个机械臂套筒、牵引绳组和关节；多个机械臂套筒顺次排列且相邻的机械臂套筒之间通过关节铰接构成机械臂本体；机械臂本体的前端用于连接线绳驱动底座；牵引绳组用于驱动相对应的关节，牵引绳组和关节一一对应；牵引绳组的一端连接相对应的关节，另一端用于依次通过穿过设置在相对应关节前侧的多个关节的导绳盘上的通孔后连接线绳驱动底座。上述机械臂采用绳索将整体机构贯穿，每根绳索由电机驱动，其中驱动单元之间使用虎克铰，驱动装置过大，驱动绳索过多导致整体机构过于复杂，且由于采用刚性结构，不能实现连续变形，灵活性不佳，应用场所有限。

专利申请公布号为CN112873190A的中国专利，公开了一种多段绳索驱动的连续型张拉整体机器人，包括基座、多个基本单元、多个连接结构和三个前后排列的驱动机构，基本单元的中心均设有弹性连接件，并与基本单元弹性连接；驱动机构包括多个绳索和多个驱动绳索运动的驱动单元，绳索的前端与所述驱动单元连接。该机械臂结构主要由多节基本单元串联而成，每个基本单元的中心均设有弹性连接件，并与基本单元弹性连接，能够向多个方向弯曲，但是由于每个基本单元之间采用弹性连接件，导致机械臂整体的运动平稳性较差，并且工作压力较低，因而输出力小、负载能力较弱。

综上，现有的以绳驱动为驱动力的连续体机械臂，如果驱动绳索过少会导致机构运动不灵活和自由度较低，如果驱动绳索过多又会导致整体结构较为复杂，整体负载能力也较弱，且由于机械臂的每个驱动单元需要采用多个驱动器并联，也会导致驱动器较多，增大了机械臂整体重量和体积，无法满足使用需求。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中连续体机械臂无法在保证灵活性和负载能力的基础上简化结构、降低机械臂整体重量和体积的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种欠驱动连续体机械臂，包括三个驱动电机、三根驱动绳和多个依次连接的关节，驱动电机和驱动绳一一对应；

每个所述关节均包括动平台和静平台，所述动平台和静平台之间通过球面副相连接；每个所述关节中的动平台上均连接有三根从动绳；

每个所述关节均连接有三个变直径驱动机构，每个所述关节中的从动绳和所述变直径驱动机构一一对应，每个所述关节中的每根所述从动绳均与对应的变直径驱动机构的输出端相连接；

所述变直径驱动机构包括变直径滑轮，所述变直径滑轮包括直径可变的外环体；

每个所述关节处的第一个所述变直径驱动机构中的变直径滑轮的外环体均由第一根所述驱动绳驱动旋转；

每个所述关节处的第二个所述变直径驱动机构中的变直径滑轮的外环体均由第二根所述驱动绳驱动旋转；

每个所述关节处的第三个所述变直径驱动机构中的变直径滑轮的外环体均由第三根所述驱动绳驱动旋转。

在本发明的一个实施例中，所述变直径驱动机构还包括固定板体和活动板体，所述活动板体可移动地连接在所述固定板体上，所述活动板体由推移装置驱动而相对所述固定板体运动；所述变直径滑轮包括内支架和多个圆弧板，所述内支架和所述固定板体相连接，全部所述圆弧板围合在内支架外部形成所述外环体，每个所述圆弧板均通过弹性件和所述内支架相连接，所述活动板体的运动方向与所述外环体的轴线相平行，每个所述圆弧板至少与一个张紧绳相抵接，所述张紧绳的一端和所述固定板体相连接，另一端和所述活动板体相连接。

在本发明的一个实施例中，所述推移装置采用丝杠螺母传动机构，所述丝杠螺母传动机构包括丝杠和传动螺母，所述传动螺母旋合在所述丝杠上并可沿丝杠作直线运动，所述传动螺母和所述活动板体相连接，所述丝杠和所述内支架通过轴承相连接，所述丝杠由辅助电机驱动旋转。

在本发明的一个实施例中，所述内支架包括内环体和多个限位套，每个所述圆弧板上均连接有限位杆，所述限位杆和限位套一一对应，所述限位杆均可滑移地连接在对应的限位套内，所述限位套均连接在所述内环体的外壁上，每个所述限位杆和对应的限位套之间均连接有一个所述弹性件。

在本发明的一个实施例中，所述限位杆朝向所述内环体的一端设置有限位板，所述弹性件的一端连接在所述限位板上，另一端抵接在对应的所述限位套上。

在本发明的一个实施例中，所述弹性件采用压缩弹簧。

在本发明的一个实施例中，所述固定板体上连接有输出绳轮，每个所述关节中的从动绳的一端均绕制在对应变直径驱动机构的输出绳轮上，另一端和所述动平台相连接。

在本发明的一个实施例中，相邻两个所述关节之间均通过连接杆相连接，相邻两个关节之间的所述连接杆的一端和一个关节的动平台相连接，另一端和相邻关节的静平台相连接。

在本发明的一个实施例中，所述动平台上连接有第一支撑杆，所述静平台上连接有第二支撑杆，每个所述关节中的第一支撑杆和第二支撑杆之间通过球面副相连接。

在本发明的一个实施例中，每个所述关节的动平台上均设置有与所述从动绳相对应的绳孔，所述从动绳连接在对应的绳孔中。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的上述实施例的连续体机械臂，结构简单，不仅减少了连续体机械臂所需电机数目，使得连续体机械臂整体重量和体积得以大幅度减小，同时也可以有效保证机械臂的灵活度和负载能力，使得机械臂能够在复杂环境中作业且具有一定的承载和精细操作能力，使机械臂能够在质量较轻的情况下实现高负载自重比。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的欠驱动连续体机械臂的结构示意图；

图2是图1中变直径驱动机构的结构示意图；

图3是图1中变直径滑轮的俯视示意图；

图4是图3中变直径滑轮和张紧绳配合的结构示意图；

图5是图1中关节的结构示意图；

图6是图5中动平台的结构示意图；

图7是图5中静平台的结构示意图；

说明书附图标记说明：

1、第一根驱动绳；2、第二根驱动绳；3、第三根驱动绳；4、第一个主驱动电机；5、第二个主驱动电机；6、第三个主驱动电机；

7、关节；71、动平台；711、第一安装孔；712、绳孔；713、第一支撑杆；72、静平台；721、第二安装孔；722、第二支撑杆；73、从动绳；

8、变直径驱动机构；81、变直径滑轮；811、外环体；8111、圆弧板；8112、限位杆；8113、限位板；812、内支架；8121、内环体；8122、限位套；813、弹性件；82、固定板体；83、活动板体；84、推移装置；841、丝杠；85、张紧绳；86、输出绳轮；

9、连接杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1所示，本实施例公开了一种欠驱动连续体机械臂，包括三个驱动电机、三根驱动绳和多个依次连接的关节7，驱动电机和驱动绳一一对应；

每个关节7均包括动平台71和静平台72，动平台71和静平台72之间通过球面副相连接；每个关节7中的动平台71上均连接有三根从动绳73，以通过从动绳73将动力传至动平台71；

每个关节7均连接有三个变直径驱动机构8以驱动关节7运动，每个关节7中的从动绳73和变直径驱动机构8一一对应，每个关节7中的每根从动绳73均与对应的变直径驱动机构8的输出端相连接，也即由变直径驱动机构8牵引从动绳73，从而使得动平台71发生运动；

变直径驱动机构8包括变直径滑轮81，变直径滑轮81包括直径可变的外环体811；

每个关节7处的第一个变直径驱动机构8中的变直径滑轮81的外环体811均由第一根驱动绳1驱动旋转；安装时，只需使得第一根驱动绳1依次绕经每个关节7处的第一个变直径驱动机构8中的变直径滑轮81的外环体811即可；

每个关节7处的第二个变直径驱动机构8中的变直径滑轮81的外环体811均由第二根驱动绳2驱动旋转；安装时，只需使得第二根驱动绳2依次绕经每个关节7处的第二个变直径驱动机构8中的变直径滑轮81的外环体811即可；

每个关节7处的第三个变直径驱动机构8中的变直径滑轮81的外环体811均由第三根驱动绳3驱动旋转；安装时，只需使得第三根驱动绳3依次绕经每个关节7处的第三个变直径驱动机构8中的变直径滑轮81的外环体811即可。

上述结构中的变直径驱动机构8中的变直径滑轮81具有直径可变的外环体811，通过改变外环体811的直径，可以使得变直径驱动机构8的输出转速得以改变，由于每一根驱动绳的一端绕制在相应的驱动电机的输出端，另一端依次绕制在各关节7处的对应的变直径驱动机构8中的外环体811上，驱动绳带动外环体811转动，外环体811转动会使得外环体811所在的整个变直径驱动机构8一起发生转动，当外环体811直径变大时，外环体811以及所在的变直径驱动机构8整体的输出转速变小，反之，当外环体811直径变小时，外环体811以及所在的变直径驱动机构8整体的输出转速变大，从而使得变直径驱动机构8能够以不同于驱动电机的转速输出，变直径驱动机的输出转速决定了从动绳73的被牵引量，从而达到了各个关节7由同一驱动电机驱动却各自的转动幅度不同的效果，实现了一根驱动绳上的动力输入，由变直径滑轮81可以变为不同转速输出。

另外，每个关节7的动平台71上均连接三根从动绳73，每根从动绳73均由独立的变直径驱动机构8牵引驱动，从而有效实现了动平台71的三自由度运动，可以有效保证关节7的运动灵活性，通过控制三根从动绳73的被牵引量，可以使得动平台71产生不同的摆动角度；同时通过从动绳73牵引动平台71运动，也可以使得动平台71实现较大角度的摆动。

上述机械臂中只需采用三个驱动电机作为主动输入，有效减少了机械臂在关节7处安放驱动电机的个数，从而极大地减少了整个机械臂的整体重量和体积，提高了其快速响应的能力；并且只需通过三根驱动绳和变直径驱动机构8配合就可以实现多自由度运动，不仅保证了关节7运动的灵活性，也使得机械臂结构更加简单；同时上述机械臂也具有较好的负载能力。

在其中一个实施方式中：

如图2、图3和图4所示，变直径驱动机构8还包括固定板体82和活动板体83，活动板体83可移动地连接在固定板体82上，活动板体83由推移装置84驱动而能够相对固定板体82运动；

变直径滑轮81包括内支架812和多个圆弧板8111，内支架812和固定板体82相连接，变直径滑轮81中的全部圆弧板8111围合在内支架812外部形成外环体811，每个圆弧板8111均通过弹性件813和内支架812相连接；当变直径滑轮81的外环体811在驱动绳的带动作用下转动时，会带动整个变直径滑轮81一起转动；

活动板体83的运动方向与外环体811的轴线相平行，每个圆弧板8111至少与一个张紧绳85相抵接，张紧绳85的一端和固定板体82相连接，另一端和活动板体83相连接。

例如，张紧绳85抵接在外环体811的内侧。

当推移装置84驱动活动板体83向远离固定板体82的方向运动时，，固定板体82和活动板体83之间的间距变大，张紧绳85逐渐张紧，此时张紧绳85带动各圆弧板8111向外运动，从而使得外环体811直径变大，这个过程中，变直径驱动机构8中的各弹性件813处于拉伸状态；

当推移装置84驱动活动板体83向靠近固定板体82的方向运动时，固定板体82和活动板体83之间的间距变小，张紧绳85变得越来越松弛，此时在变直径驱动机构8中的各弹性件813的弹力作用下，各圆弧板8111向内运动，从而使得外环体811直径变小，这个过程中，变直径驱动机构8中的各弹性件813逐渐恢复初始压缩状态。

在其中一个实施方式中，每个圆弧板8111的外壁上均设置有弧形绳槽，变直径滑轮81中的全部圆弧板8111的弧形绳槽围合形成外环体811上的环形槽，以供相应的驱动绳缠绕。

在其中一个实施方式中，推移装置84采用丝杠841螺母传动机构，丝杠841螺母传动机构包括丝杠841和传动螺母，传动螺母旋合在丝杠841上并可沿丝杠841作直线运动，在每个变直径驱动机构8中，传动螺母和活动板体83相连接，丝杠841由辅助电机(图中未示出)驱动旋转，丝杠841和内支架812通过轴承相连接，以使得丝杠841转动时不会带动内支架812转动。

由驱动电机带动丝杠841转动，丝杠841的转动会使得传动螺母和活动板体83一起沿丝杠841做直线运动，从而改变固定板体82和活动板体83之间的间距，从而改变固定板体82和活动板体83之间的张紧绳85的张紧状态。

在其中一个实施方式中，在每个变直径滑轮81中：内支架812包括内环体8121和多个限位套8122，每个圆弧板8111上均连接有限位杆8112，每个限位杆8112和限位套8122一一对应，限位杆8112均可滑移地连接在对应的限位套8122内，限位套8122均连接在内环体8121的外壁上，每个限位杆8112和对应的限位套8122之间均连接有一个弹性件813。

当限位杆8112相对限位套8122向外运动时，由多个圆弧板8111围合成的外环体811的直径变大；反之，外环体811直径变小。

在其中一个实施方式中，限位杆8112朝向内环体8121的一端设置有限位板8113，弹性件813的一端连接在限位板8113上，另一端抵接在对应的限位套8122的端部。通过限位板8113可以的设置可对弹性件813起到限位作用，防止其滑脱。

进一步地，限位板8113可呈T形。

进一步地，内环体8121和丝杠841通过轴承相连接。

在其中一个实施方式中，内支架812外部的多个圆弧板8111呈周向均布。

在其中一个实施方式中，弹性件813采用压缩弹簧，也可以采用其他具有弹性的元件。

在其中一个实施方式中，固定板体82上连接有输出绳轮86，每个关节7中的从动绳73的一端均绕制在对应变直径驱动机构8的输出绳轮86上，另一端和动平台71相连接。当变直径驱动机构8中变直径滑轮81在驱动绳的带动作用下转动时，会带动固定板体82和输出绳轮86一起转动。

在其中一个实施方式中，相邻两个关节7之间均通过连接杆9相连接，相邻两个关节7之间的连接杆9的一端和一个关节7的动平台71相连接，另一端和相邻关节7的静平台72相连接。

具体的，如图6-图7所示，动平台71中部设置有第一安装孔711，静平台72中部设置有第二安装孔721，相邻两个关节7之间的连接杆9的一端和一个关节7的动平台71上的第一安装孔711相连接，另一端和相邻关节7的静平台72上的第二安装孔721相连接。

进一步地，连接杆9和动平台71之间采用可拆卸连接，连接杆9和相邻关节7的静平台72之间也采用可拆卸连接；上述结构便于安装和拆卸，利于多个关节7的拓展，实现连续体机械臂不同的长度需求。可拆卸连接方式可以是螺纹连接。

在其中一个实施方式中，如图5所示，动平台71上连接有第一支撑杆713，静平台72上连接有第二支撑杆722，每个关节7中的第一支撑杆713和第二支撑杆722之间通过球面副相连接。

在其中一个实施方式中，如图6所示，每个关节7的动平台71上均设置有与从动绳73相对应的绳孔712，从动绳73连接在对应的绳孔712中，也即每个动平台71上设置有三个绳孔712，每个绳孔712对应一个从动绳73，从动绳73的一端固定在对应的绳孔712中，另一端和对应的变直径驱动机构8的输出端相连接。

进一步地，如图6所示，动平台71上的多个绳孔712呈周向均布。

上述实施例的连续体机械臂，采用绳驱动，使用三个驱动电机牵引三根驱动绳依次缠绕在各个关节处的对应的变直径驱动机构中，由各个变直径驱动机构以不同转速输出，从而带动各关节的动平台能够以不同的角度摆转，适应不同运动模式的需求。机械臂整体只采用三个驱动电机作为主动输入，并且可以满足每个关节含有三个自由度，不仅减少了连续体机械臂所需电机数目，使得连续体机械臂整体重量和尺寸得以大幅度减小，同时也可以有效保证机械臂的灵活度和刚度，满足机械臂的负载需求，使得机械臂能够在复杂环境中作业且具有一定的承载和精细操作能力，使机械臂能够在质量较轻的情况下实现高负载自重比。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种欠驱动连续体机械臂，其特征在于：包括三个驱动电机、三根驱动绳和多个依次连接的关节，驱动电机和驱动绳一一对应；

每个所述关节均包括动平台和静平台，所述动平台和静平台之间通过球面副相连接；每个所述关节中的动平台上均连接有三根从动绳；

每个所述关节均连接有三个变直径驱动机构，每个所述关节中的从动绳和所述变直径驱动机构一一对应，每个所述关节中的每根所述从动绳均与对应的变直径驱动机构的输出端相连接；

所述变直径驱动机构包括变直径滑轮，所述变直径滑轮包括直径可变的外环体；

每个所述关节处的第一个所述变直径驱动机构中的变直径滑轮的外环体均由第一根所述驱动绳驱动旋转；

每个所述关节处的第二个所述变直径驱动机构中的变直径滑轮的外环体均由第二根所述驱动绳驱动旋转；

每个所述关节处的第三个所述变直径驱动机构中的变直径滑轮的外环体均由第三根所述驱动绳驱动旋转。

2.根据权利要求1所述的欠驱动连续体机械臂，其特征在于：所述变直径驱动机构还包括固定板体和活动板体，所述活动板体可移动地连接在所述固定板体上，所述活动板体由推移装置驱动而相对所述固定板体运动；所述变直径滑轮包括内支架和多个圆弧板，所述内支架和所述固定板体相连接，全部所述圆弧板围合在内支架外部形成所述外环体，每个所述圆弧板均通过弹性件和所述内支架相连接，所述活动板体的运动方向与所述外环体的轴线相平行，每个所述圆弧板至少与一个张紧绳相抵接，所述张紧绳的一端和所述固定板体相连接，另一端和所述活动板体相连接。

3.根据权利要求2所述的欠驱动连续体机械臂，其特征在于：所述推移装置采用丝杠螺母传动机构，所述丝杠螺母传动机构包括丝杠和传动螺母，所述传动螺母旋合在所述丝杠上并可沿丝杠作直线运动，所述传动螺母和所述活动板体相连接，所述丝杠和所述内支架通过轴承相连接，所述丝杠由辅助电机驱动旋转。

4.根据权利要求2所述的欠驱动连续体机械臂，其特征在于：所述内支架包括内环体和多个限位套，每个所述圆弧板上均连接有限位杆，所述限位杆和限位套一一对应，所述限位杆均可滑移地连接在对应的限位套内，所述限位套均连接在所述内环体的外壁上，每个所述限位杆和对应的限位套之间均连接有一个所述弹性件。

5.根据权利要求4所述的欠驱动连续体机械臂，其特征在于：所述限位杆朝向所述内环体的一端设置有限位板，所述弹性件的一端连接在所述限位板上，另一端抵接在对应的所述限位套上。

6.根据权利要求2所述的欠驱动连续体机械臂，其特征在于：所述弹性件采用压缩弹簧。

7.根据权利要求2所述的欠驱动连续体机械臂，其特征在于：所述固定板体上连接有输出绳轮，每个所述关节中的从动绳的一端均绕制在对应变直径驱动机构的输出绳轮上，另一端和所述动平台相连接。

8.根据权利要求1所述的欠驱动连续体机械臂，其特征在于：相邻两个所述关节之间均通过连接杆相连接，相邻两个关节之间的所述连接杆的一端和一个关节的动平台相连接，另一端和相邻关节的静平台相连接。

9.根据权利要求1所述的欠驱动连续体机械臂，其特征在于：所述动平台上连接有第一支撑杆，所述静平台上连接有第二支撑杆，每个所述关节中的第一支撑杆和第二支撑杆之间通过球面副相连接。

10.根据权利要求1所述的欠驱动连续体机械臂，其特征在于：每个所述关节的动平台上均设置有与所述从动绳相对应的绳孔，所述从动绳连接在对应的绳孔中。

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