CN114654458A - 一种螺旋传动式绳驱机械臂及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋传动式绳驱机械臂及其控制方法，其包括驱动基座和臂杆，驱动基座包括若干螺旋筒，螺旋筒的一端与驱动电机传动连接，螺旋筒的另一端设置有滚珠螺母，滚珠螺母活动设置在滚珠丝杠上，滚珠丝杠的轴线与螺旋筒的轴线重合，若干滚珠丝杠固定设置在基座壳体上，若干驱动电机上均固定设置有导套，导套活动套设在导柱上，若干导柱固定设置在基座壳体上；臂杆包括若干依次连接的中空连杆，相邻两个中空连杆通过万向节连接，每个万向节处均设置有若干驱动绳，且驱动绳与螺旋筒连接；本方案结构简单，采用螺旋传动的方式，相比于传统的传动结构拥有更长运动行程，螺旋筒上设置有位移补偿机构，提高了螺旋传动过程中驱动绳的稳定性。

Description

一种螺旋传动式绳驱机械臂及其控制方法

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，具体涉及一种螺旋传动式绳驱机械臂及其控制方法。

背景技术

随着空间技术发展，人类越来越多地开始进行太空探测活动。由于太空环境是一个微重力、强辐射、大温差的恶劣环境，探测任务的实施难度非常大，这对空间机器人的功能和性能提出了非常高的要求。空间机器人对机器人的运动精度、反应速度、灵巧度具有很高的要求，传统的空间机械臂的体型较大且避障能力不高，并且它们在执行狭窄空间或复杂环境下的任务时不灵活。相比于传统串联型机械臂，绳驱蛇形机械臂具有更灵活的运动方式，并且驱动元件与运动部分在空间上相互分离，具有更高的工作效率。因此，其在空间目标捕获、服务目标内部检查、行星探测等方面具有广阔的应用前景。

由于绳驱蛇形机械臂的机械臂臂杆和驱动基座是相互独立的，机械臂臂杆的运动行程以及臂杆的长度直接受限于驱动绳索能够伸缩和释放的长短，驱动绳索伸缩和释放的长度取决于布置在驱动基座中传动结构的运动行程；目前传统绳驱蛇形机械臂的传动结构采用的是“丝杠-直线导轨”的结构，运动行程较短的传动结构使得机械臂臂杆较短，在需要机械臂执行狭长空间深距离的探测任务时，就需要增加机械臂臂杆的长度提高运动行程，然而这样会导致传动结构尺寸变长，导致驱动基座过大，不满足经济适用性和太空作业的轻载荷性；因此需要对传统的绳驱蛇形机械臂的传动结构形式作出优化，使其能够在保证较小尺寸的驱动基座结构下拥有更长的机械臂杆，更大的运动行程，使其大幅提高机械臂的可达空间范围的能力。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种螺旋传动式绳驱机械臂及其控制方法，解决了现有技术中绳驱机械臂运动行程、臂杆长度受限的问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种螺旋传动式绳驱机械臂，其包括驱动基座和臂杆，驱动基座包括若干螺旋筒，螺旋筒的一端与驱动电机传动连接，螺旋筒的另一端设置有滚珠螺母，滚珠螺母活动设置在滚珠丝杠上，滚珠丝杠的轴线与螺旋筒的轴线重合，若干滚珠丝杠固定设置在基座壳体上，若干驱动电机上均固定设置有导套，导套活动套设在导柱上，若干导柱固定设置在基座壳体上；臂杆包括若干依次连接的中空连杆，中空连杆的两端设置有布线盘，布线盘的周向上均匀布置有若干绳孔，相邻两根中空连杆的两个布线盘之间通过万向节连接，位于臂杆后端的中空连杆与基座壳体固定连接，位于臂杆前端的中空连杆上设置有操作机构，每个万向节处均设置有若干驱动绳，驱动绳的前端设置在位于万向节前端布线盘的绳孔内，且驱动绳的后端通过绳孔穿过臂杆后端的所有布线盘并与螺旋筒连接。

采用上述技术方案的有益效果为：本方案通过驱动电机带动螺旋筒卷拉驱动绳，使臂杆上的中空连杆实现弯曲，其中每一个万向节及其前端的中空连杆构成一个弯曲单元，且弯曲单元越多，机械臂可产生的弯曲构型越多，机械臂的最前端越灵活；其中采用螺旋传动的方式，减小了机械臂的整体尺寸，使机械臂拥有更长的机械臂杆，在开展细长空间的操作任务时机械臂能够更好的适应，相比于传统直线-导轨传动结构拥有更长运动行程；

进一步地，螺旋筒与臂杆的延伸方向平行设置，基座壳体上设置有导轮支柱，导轮支柱上设置有若干导轮，若干驱动绳均设置在导轮上，且导轮与螺旋筒之间的驱动绳与螺旋筒的轴线垂直。

采用上述技术方案的有益效果为：驱动绳通过导轮进行导向，使导轮与螺旋筒之间的驱动绳与螺旋筒的轴线垂直，当螺旋筒在转动时，自身会沿滚珠丝杠的轴向移动，使得缠绕在螺旋筒上的驱动绳的出线切点始终和导轮的导线切点位于同一直线上，两点之间的驱动绳位置不会改变，改变的只是缠绕在螺旋筒上的驱动绳位置，这样设置极大的提高了螺旋传动过程中驱动绳的稳定性，避免了驱动绳脱落螺旋筒的情况。

进一步地，每个万向节处至少包括三根驱动绳，且三根驱动绳的端部均匀排布在布线盘的周向上。

采用上述技术方案的有益效果为：在布线盘的周向上至少需要布置三根驱动绳，才能通过绳驱实现中空连杆任意方向的偏移，从而实现臂杆的弯曲，且三根驱动绳最好是均匀排布在布线盘的周向上，这样设置有利于对中空连杆偏移方向的测算和控制。

进一步地，驱动绳的前端设置有卡扣，卡扣卡设在绳孔的前端口处，卡扣与弹性张紧杆的一端固定连接，弹性张紧杆的另一端固定设置在中空连杆前端布线盘上。

采用上述技术方案的有益效果为：弹性张紧杆对驱动绳存在一个拉力，避免螺旋筒在放线时，驱动绳由于没有受到拉力而松掉，导致驱动绳从螺旋筒上的螺旋槽中脱落，从而提高了传动过程中驱动绳索的稳定性和可靠性。

进一步地，绳孔内设置有直线轴承。

采用上述技术方案的有益效果为：直线轴承改变了驱动绳与绳孔的接触关系，使驱动绳和绳孔之间从滑动摩擦变成滚动摩擦，使驱动绳从直线轴承中穿出相比于直接从布线盘的绳孔中穿出具有更低的摩擦力，减小了摩擦力给传动精度带来的影响，提高了传动的效率，同时降低了驱动绳在驱动过程因摩擦而造成的损伤。

进一步地，相邻两个中空连杆的连接处包裹有柔性伸缩管，中空连杆两端的布线盘上设置有保护外壳，保护外壳间隙包裹中空连杆。

采用上述技术方案的有益效果为：通过设置柔性伸缩管和保护外壳，在不影响臂杆弯曲性能的同时，使中空连杆、万向节和驱动绳均与外部环境隔绝，防止其受到外部环境的影响。

进一步地，保护外壳的外部包裹有柔性压力传感器，通过柔性压力传感器可测量臂杆与抱捕对象不同接触位置的接触力。

进一步地，基座壳体包括丝杆固定板和电机固定板，若干滚珠丝杠均匀排布在丝杆固定板的周向上，若干所述导柱均匀排布在电机固定板的周向上，所述丝杆固定板与电机固定板若干支柱固定连接。

采用上述技术方案的有益效果为：基座壳体结构简单，同时又将驱动基座的所有部件紧密的集成在一起，每个螺旋筒和与其连接的滚珠螺母、滚珠丝杆、驱动电机、导套和导柱共同构成一个驱动单元，若干驱动单元采用模块化单元布局，使驱动基座具有结构拓扑功能，驱动基座可根据机械臂所需要自由度的不同而布置不同数量的驱动单元。

提供一种螺旋传动式绳驱机械臂的控制方法，其包括以下步骤：

S1：调整臂杆以伸直的状态贴近抱捕对象，直至抱捕对象处于臂杆两端的操作机构和驱动基座之间的空间范围内；

S2：控制驱动电机带动螺旋筒转动，螺旋筒对驱动绳进行卷拉，直至整根臂杆形成抱捕对象的弯曲构型；

S3：采用柔性压力传感器实时监测臂杆与抱捕对象接触位置的接触力，直至所有柔性压力传感器均采集到接触力；

S4：调整每根中空连杆的弯曲程度，使每根中空连杆与抱捕对象的接触力相同，形成抱捕对象在抱捕方向的外包络形状，完成对非合作目标的抱捕抓取。

通过本方案机械臂的控制方法，可实现非合作目标的抱捕抓取，同时机械臂可自适应复杂腔体内部环境结构约束，可深入复杂腔体内部，实现对目标复杂腔体的内部勘察。

本发明的有益效果为：本方案的螺旋传动式绳驱机械臂结构简单，其中采用螺旋传动的方式，相比于传统直线-导轨传动结构拥有更长运动行程，螺旋筒上设置有位移补偿机构，提高了螺旋传动过程中驱动绳的稳定性，避免了驱动绳脱落螺旋筒的情况。

附图说明

图1为螺旋传动式绳驱机械臂的结构示意图。

图2为驱动基座的结构示意图。

图3为螺旋筒与驱动绳配合的结构示意图。

图4为臂杆的内部结构示意图。

图5为图4的局部放大图。

图6为臂杆的外部结构示意图。

其中，1、驱动基座，2、臂杆，3、螺旋筒，4、驱动电机，5、滚珠螺母，6、滚珠丝杠，7、导套，8、导柱，9、中空连杆，10、布线盘，11、绳孔，12、万向节，13、驱动绳，14、导轮支柱，15、导轮，16、卡扣，17、弹性张紧杆，18、柔性伸缩管，19、柔性压力传感器，20、丝杆固定板，21、电机固定板，22、支柱，23、连接轴，24、联轴器，25、机械爪，26、限位挡块，27、橡胶垫圈。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1、图2和图3所示，本方案的螺旋传动式绳驱机械臂包括驱动基座1和臂杆2，驱动基座1包括十八个螺旋筒3，每个螺旋筒3的一端均设置有连接轴23，每个连接轴23通过联轴器24与一个驱动电机4传动连接，每个螺旋筒3的另一端均设置有滚珠螺母5，滚珠螺母5活动设置在滚珠丝杠6上，滚珠丝杠6的轴线与螺旋筒3的轴线重合，十八个滚珠丝杠6固定设置在基座壳体上，十八个驱动电机4上均固定设置有导套7，导套7活动套设在导柱8上，十八个导柱8固定设置在基座壳体上。

如图4和图5所示，臂杆2包括七个依次连接的中空连杆9，中空连杆9的两端设置有布线盘10，布线盘10的周向上均匀布置有十八个绳孔11，相邻两个中空连杆9的两个布线盘10之间通过万向节12连接，位于臂杆2后端的中空连杆9与基座壳体固定连接，位于臂杆2前端的中空连杆9上设置有操作机构，其中操作机构优选机械爪25。

每个万向节12处均设置有三根平行于臂杆2延伸方向的驱动绳13，三根驱动绳13的前端分别设置在位于万向节12前端布线盘10的三个绳孔11内，且三个绳孔11均匀排布在布线盘10的周向上，驱动绳13的后端通过绳孔11穿过臂杆2后端的所有布线盘10并与螺旋筒3连接；其中每个万向节12处至少需要布置三根驱动绳13，才能通过绳驱实现中空连杆9任意方向的偏移，从而实现臂杆2的弯曲，且三根驱动绳13最好是均匀排布在布线盘10的周向上，这样设置有利于对中空连杆9偏移方向的测算和控制；同时由于臂杆2可由若干中空连杆9组成，每个需要弯曲的中空连杆9均对应设置有至少三根驱动绳13，导致整个臂杆2的驱动绳13数量庞大，因此，每个万向节12处对应设置三根驱动绳13，在满足中空连杆9任意方向偏移的同时，最大程度的减少了驱动绳13的数量。

通过驱动电机4带动螺旋筒3，实现对驱动绳13的拉动和释放，从而使臂杆2上的中空连杆9实现弯曲，采用绳索进行驱动的方式，与采用功能材料、气动方式等的柔性机械臂相比，具有更好的空间环境适应性；其中每一个万向节12及其前端的中空连杆9构成一个弯曲单元，本方案共六个弯曲单元，对应设置有十八根驱动绳13驱动，且弯曲单元越多，机械臂可产生的弯曲构型越多，机械臂的最前端越灵活；每个弯曲单元只有三根驱动绳13起到控制弯曲的作用，其余的驱动绳13只是起到过线的作用。

采用螺旋传动的方式，充分利用了螺旋筒3的周向尺寸空间，通过缠绕的方式变直为曲，极大的缩短了传动件的长度尺寸，当需要提高机械臂的运动行程或者增加机械臂臂杆2长度时，只需要增加螺旋筒3的直径即可，这样既保证了驱动基座1的结构紧凑，充分提高了空间利用率，又增加了机械臂的传动行程，使机械臂拥有更长的机械臂杆2，在开展细长空间的操作任务时机械臂能够更好的适应，相比于传统直线-导轨传动结构拥有更长运动行程。

如图3所示，螺旋筒3与臂杆2的延伸方向平行设置，基座壳体上设置有导轮支柱14，导轮支柱14上设置有十八个导轮15，十八根驱动绳13分别设置在十八个导轮15上，且导轮15与螺旋筒3之间的驱动绳13与螺旋筒3的轴线垂直。

驱动绳13通过导轮15进行导向，使导轮15与螺旋筒3之间的驱动绳13与螺旋筒3的轴线垂直；为了保证缠绕在螺旋筒3上驱动绳13的出线切点和导轮15上的导线切点始终位于同一直线上，螺旋筒3在转动的同时，还需要进行前后的位移补偿，而螺旋筒3上的滚珠丝杆和滚珠螺母5共同构成一个位移补偿机构，当驱动电机4驱动螺旋筒3转动时，驱动绳13的出线切点会在螺旋筒3上移动一个距离s,此时位移补偿机构就会使螺旋筒3运动补偿一个距离s，具体地，滚珠螺母5的转动会带动螺旋筒3沿滚珠丝杠6的轴向移动一个距离s，且驱动绳13出线切点的移动方向与螺旋筒3沿滚珠丝杠6轴向的移动方向相反，使得缠绕在螺旋筒3上的驱动绳13的出线切点始终和导轮15的导线切点位于同一直线上，两点之间的驱动绳13位置不会改变，改变的只是缠绕在螺旋筒3上的驱动绳13位置，这样设置极大的提高了螺旋传动过程中驱动绳13的稳定性，避免了驱动绳13脱落螺旋筒3的情况。

在螺旋筒3沿滚珠丝杆轴线来回运动时，驱动电机4也需要跟随螺旋筒3来回运动，所以对驱动电机4的固定是需要用一个可滑动的机构与之连接的，而导套7和导柱8共同构成一个驱动电机4的滑动结构，滑动结构对驱动电机4起限位作用，防止电机运转时电机壳体会发生周向运动，同时在螺旋筒3沿滚珠丝杆轴线来回运动时，驱动电机4通过导套7沿导柱8来回运动，导柱8的端部设置有限位挡块26，限位挡块26起到限位导套7的作用，限位挡块26的内侧设置有橡胶垫圈27，橡胶垫圈27可减小导套7滑到导柱8端部时产生的冲击。

如图4和图5所示，驱动绳13的前端设置有卡扣16，卡扣16卡设在绳孔11的前端口处，卡扣16与弹性张紧杆17的一端固定连接，弹性张紧杆17的另一端固定设置在中空连杆9前端布线盘10上，其中弹性张紧杆17对驱动绳13存在一个拉力，避免螺旋筒3在放线时，驱动绳13由于没有受到拉力而松掉，导致驱动绳13从螺旋筒3上的螺旋槽中脱落，从而提高了传动过程中驱动绳13索的稳定性和可靠性。

绳孔11内设置有直线轴承，直线轴承改变了驱动绳13与绳孔11的接触关系，使驱动绳13和绳孔11之间从滑动摩擦变成滚动摩擦，使驱动绳13从直线轴承中穿出相比于直接从布线盘10的绳孔11中穿出具有更低的摩擦力，减小了摩擦力给传动精度带来的影响，提高了传动的效率，同时降低了驱动绳13在驱动过程因摩擦而造成的损伤。

如图6所示，相邻两个中空连杆9的连接处包裹有柔性伸缩管18，中空连杆9两端的布线盘10上设置有保护外壳，保护外壳间隙包裹中空连杆9，通过设置柔性伸缩管18和保护外壳，在不影响臂杆2弯曲性能的同时，使中空连杆9、万向节12和驱动绳13均与外部环境隔绝，防止其受到外部环境的影响；保护外壳的外部包裹有柔性压力传感器19，通过柔性压力传感器19可测量臂杆2与抱捕对象不同接触位置的接触力。

如图2所示，基座壳体包括丝杆固定板20和电机固定板21，十八根滚珠丝杠6均匀排布在丝杆固定板20的周向上，十八根导柱8均匀排布在电机固定板21的周向上，丝杆固定板20与电机固定板21通过三根支柱22固定连接；基座壳体结构简单，同时又将驱动基座1的所有部件紧密的集成在一起，每个螺旋筒3和与其连接的滚珠螺母5、滚珠丝杆、驱动电机4、导套7和导柱8共同构成一个驱动单元，若干驱动单元采用模块化单元布局，使驱动基座1具有结构拓扑功能，驱动基座1可根据机械臂所需要自由度的不同而布置不同数量的驱动单元。

提供一种螺旋传动式绳驱机械臂的控制方法，其包括以下步骤：

S1：调整臂杆2以伸直的状态贴近抱捕对象，直至抱捕对象处于臂杆2两端的操作机构和驱动基座1之间的空间范围内；

S2：控制驱动电机4带动螺旋筒3转动，螺旋筒3对驱动绳13进行卷拉，直至整根臂杆2形成抱捕对象的弯曲构型；

S3：采用柔性压力传感器19实时监测臂杆2与抱捕对象接触位置的接触力，直至所有柔性压力传感器19均采集到接触力，表明所有的弯曲单元与抱捕对象接触，完成整个的抱捕操作；

S4：调整每根中空连杆9的弯曲程度，使每根中空连杆9与抱捕对象的接触力相同，形成抱捕对象在抱捕方向的外包络形状，完成对非合作目标的抱捕抓取。

通过本方案机械臂的控制方法，可实现非合作目标的抱捕抓取，同时机械臂可自适应复杂腔体内部环境结构约束，可深入复杂腔体内部，实现对目标复杂腔体的内部勘察。

综上所述，本方案的螺旋传动式绳驱机械臂结构简单，其中采用螺旋传动的方式，相比于传统直线-导轨传动结构拥有更长运动行程，螺旋筒3上设置有位移补偿机构，提高了螺旋传动过程中驱动绳13的稳定性，避免了驱动绳13脱落螺旋筒3的情况。

Claims (9)

1.一种螺旋传动式绳驱机械臂，其特征在于，包括驱动基座(1)和臂杆(2)，所述驱动基座(1)包括若干螺旋筒(3)，所述螺旋筒(3)的一端与驱动电机(4)传动连接，所述螺旋筒(3)的另一端设置有滚珠螺母(5)，所述滚珠螺母(5)活动设置在滚珠丝杠(6)上，所述滚珠丝杠(6)的轴线与螺旋筒(3)的轴线重合，若干所述滚珠丝杠(6)固定设置在基座壳体上，若干所述驱动电机(4)上均固定设置有导套(7)，所述导套(7)活动套设在导柱(8)上，若干所述导柱(8)固定设置在基座壳体上；

所述臂杆(2)包括若干依次连接的中空连杆(9)，所述中空连杆(9)的两端设置有布线盘(10)，所述布线盘(10)的周向上均匀布置有若干绳孔(11)，相邻两根所述中空连杆(9)的两个布线盘(10)之间通过万向节(12)连接，位于臂杆(2)后端的所述中空连杆(9)与基座壳体固定连接，位于臂杆(2)前端的所述中空连杆(9)上设置有操作机构，每个所述万向节(12)处均设置有若干驱动绳(13)，所述驱动绳(13)的前端设置在位于万向节(12)前端布线盘(10)的绳孔(11)内，且驱动绳(13)的后端通过绳孔(11)穿过臂杆(2)后端的所有布线盘(10)并与螺旋筒(3)连接。

2.根据权利要求1所述的螺旋传动式绳驱机械臂，其特征在于，所述螺旋筒(3)与臂杆(2)的延伸方向平行设置，所述基座壳体上设置有导轮支柱(14)，所述导轮支柱(14)上设置有若干导轮(15)，若干所述驱动绳(13)均设置在导轮(15)上，且导轮(15)与螺旋筒(3)之间的驱动绳(13)与螺旋筒(3)的轴线垂直。

3.根据权利要求1所述的螺旋传动式绳驱机械臂，其特征在于，每个所述万向节(12)处至少包括三根驱动绳(13)，且三根驱动绳(13)的端部均匀排布在布线盘(10)的周向上。

4.根据权利要求1所述的螺旋传动式绳驱机械臂，其特征在于，所述驱动绳(13)的前端设置有卡扣(16)，所述卡扣(16)卡设在绳孔(11)的前端口处，所述卡扣(16)与弹性张紧杆(17)的一端固定连接，所述弹性张紧杆(17)的另一端固定设置在中空连杆(9)前端布线盘(10)上。

5.根据权利要求1所述的螺旋传动式绳驱机械臂，其特征在于，所述绳孔(11)内设置有直线轴承。

6.根据权利要求1所述的螺旋传动式绳驱机械臂，其特征在于，相邻两根所述中空连杆(9)的连接处包裹有柔性伸缩管(18)，所述中空连杆(9)两端的布线盘(10)上设置有保护外壳，所述保护外壳间隙包裹在中空连杆(9)。

7.根据权利要求6所述的螺旋传动式绳驱机械臂，其特征在于，所述保护外壳的外部包裹有柔性压力传感器(19)。

8.根据权利要求1所述的螺旋传动式绳驱机械臂，其特征在于，所述基座壳体包括丝杆固定板(20)和电机固定板(21)，若干所述滚珠丝杠(6)均匀排布在丝杆固定板(20)的周向上，若干所述导柱(8)均匀排布在电机固定板(21)的周向上，所述丝杆固定板(20)与电机固定板(21)通过若干支柱(22)固定连接。

9.一种采用权利要求1-8任一所述的螺旋传动式绳驱机械臂的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：调整臂杆(2)以伸直的状态贴近抱捕对象，直至抱捕对象处于臂杆(2)两端的操作机构和驱动基座(1)之间的空间范围内；

S2：控制驱动电机(4)带动螺旋筒(3)转动，螺旋筒(3)对驱动绳(13)进行卷拉，直至整根臂杆(2)形成抱捕对象的弯曲构型；

S3：采用柔性压力传感器(19)实时监测臂杆(2)与抱捕对象接触位置的接触力，直至所有柔性压力传感器(19)均采集到接触力；

S4：调整每根中空连杆(9)的弯曲程度，使每根中空连杆(9)与抱捕对象的接触力相同，形成抱捕对象在抱捕方向的外包络形状，完成对非合作目标的抱捕抓取。

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