CN115107012A - 一种变刚度柔索驱动7自由度串联喷涂机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变刚度柔索驱动7自由度串联喷涂机械臂，包括有大臂、小臂、腕关节、肘关节、肩关节和底板，小臂通过肘关节绕大臂转动，腕关节有三个自由度，包括柔索驱动的锥齿轮差动轮系，肘关节是单自由度，包括柔索张力放大的肘关节驱动模块，且两侧安装有变刚度模块，小臂内壁安装有肘关节与腕关节解耦模块，肩关节有三个自由度，包括肩关节解耦模块和肩关节耦合驱动模块。本发明的电机驱动模块全部放置在底板上，实现机械臂的轻量化和低转动惯量，且多组柔索通过一系列解耦模块互相不干涉。本发明结构设计合理，实现了较大工作空间内的冗余自由度运动，解决了柔索驱动力不足的问题，同时提高了人机交互的安全性，适用于喷涂等作业任务。

Description

一种变刚度柔索驱动7自由度串联喷涂机械臂

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体是一种变刚度柔索驱动7自由度串联喷涂机械臂。

背景技术

在国内制造业中，喷涂是一项常用且重要的工序。由于喷涂使用的漆雾和挥发的其他气体都具有可燃性，喷涂作业现场是易燃易爆的，因此从安全性的角度考虑，很多企业逐渐用喷涂机器人代替危险的人工作业。喷涂机器人有柔性大、工作范围大的优点，相比于传统人工喷涂，对喷涂涂料的利用率高，但其同时也存在一些不足，比如机器人与喷雾器、涂装室之间的碰撞，机器人工作空间小，惯量大等。相较于传统喷涂机器人，柔索驱动机器人将驱动装置安装在底座，通过钢丝绳将驱动电机的动力传递至末端执行器，具有灵活性高、惯量小、工作空间大、抵抗碰撞能力强、防爆等优点，在喷涂领域具有广阔的应用前景。

传统工业机械臂是刚性的，虽然具有精度高，承载能力好的优点，但由于驱动电机布置在关节处，使得机械臂有较大的重量和转动惯量，存在能耗高的缺点。并且由于其大刚度的特点，机械灵活性较差，难以对突然的外界干扰作出有效的抵抗，安全性较差。与之相反，以蛇形超冗余机械臂为代表的柔性机械臂，安全性能好灵活度高，但其较低的刚性和末端驱动电机数量的限制，导致驱动和负载能力不足，操作精度低。于是将两者结合起来，柔索驱动的串联机械臂是一种可行的方案，既可以满足一定的刚度和精度，又有轻量化、低转动惯量的优点，适用范围广泛。

人的手臂具有复杂的结构，仿生的机械臂将其简化为7个自由度，包括3自由度的肩关节，1自由度的肘关节，以及3自由度的腕关节。这种7自由度机械臂突破了传统6自由度机械臂的限制，其冗余性可以调整机械臂内部姿态，从而达到避障，避开关节极限的目的。同时仿人机械臂便于人机协作，适应性强。

通过对现有公开技术文献检索发现，CN110154045A的专利公布了一种柔索驱动串联四自由度喷涂机械臂，该发明的机械臂质量体积小，抗震缓冲能力强，结构虽然简洁但自由度不够，缺乏灵活性，工作空间和负载能力受限，只适用于中小型较简单装备的喷涂。CN110202559A的专利公布了一种面向人机协作仿生轻量化机械臂，该发明安全性能可靠，但肩部球面运动驱动机构较为复杂，电机放在大臂末端没有减轻质量，肘关节只能单方向旋转。该机构手腕柔顺度高但难以实现精细化传动。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的不足，提供一种变刚度柔索驱动7自由度串联喷涂机械臂，实现大工作空间内的冗余7自由度运动，解决了多组绳索耦合的问题和绳索驱动力不足的问题。同时驱动电机后置，肘关节刚度可调，保证了机械臂的安全性能。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种变刚度柔索驱动7自由度串联喷涂机械臂，包括有底板，所述底板上架设有机械臂支撑板，所述机械臂支撑板上部安装有肩关节耦合驱动模块，所述机械臂支撑板下部安装有肩关节末端转动模块，所述肩关节耦合驱动模块上端安装有补偿肩关节绳索耦合的肩关节解耦模块，所述肩关节耦合驱动模块的顶端安装有大臂模块，所述大臂模块上安装有变刚度模块，所述变刚度模块包括有肘关节主动变刚度模块和肘关节被动变刚度模块，所述大臂模块的上端内侧转动安装有小臂模块，所述小臂模块的底端内侧安装有肘关节驱动模块，所述肘关节驱动模块的上方安装有肘关节与腕关节解耦模块，所述小臂模块的顶部转动安装有腕关节传动模块和腕关节模块；还包括有驱动各个模块运动安装在底板上的绳索导向模块、电机驱动模块。

所述腕关节模块和腕关节传动模块负责机械臂末端的三个自由度的转动，肘关节与腕关节解耦模块布置在小臂模块的内壁，负责将经过肘关节到达腕关节的绳索解耦，变刚度模块用于改变肘关节的刚度，以实现刚度可调的机械臂喷涂作业和人机交互，所述肘关节驱动模块通过绳索绕过肘关节拉动小臂模块，实现小臂的单自由度双向转动；所述肩关节的解耦模块负责将经过肩关节的绳索解耦，肩关节耦合驱动模块和肩关节末端转动模块可以实现机械臂肩部三个自由度的转动，上述结合使得机械臂拥有七个自由度，可以完成多姿态大空间运动。

所述腕关节模块包括有腕关节支架，所述腕关节支架为槽形结构，所述腕关节支架内转动安装有行星架，所述行星架的两侧分别通过锥齿轮旋转轴与腕关节支架转动连接，所述锥齿轮旋转轴的外端部分别安装有腕关节驱动轮，所述锥齿轮旋转轴的内端部分别安装有锥齿轮，所述行星架的上端中部转动安装有末端单元旋转轴，所述末端单元旋转轴的上端安装有末端单元，所述末端单元旋转轴的底端安装有行星锥齿轮，所述行星锥齿轮与两侧的锥齿轮传动啮合构成差动轮系，所述行星架绕锥齿轮旋转轴的轴线转动，实现第一个旋转自由度，所述行星锥齿轮安装在末端单元旋转轴上，且末端单元与末端单元旋转轴连接，通过深沟球轴承在行星架孔内转动，实现第二个旋转自由度。

所述腕关节传动模块包括有长旋转轴，所述长旋转轴用于将腕关节支架与小臂模块的小臂连接，所述长旋转轴的底端安装有第一腕关节传动轮，所述长旋转轴外套装有可转动的第二传动套筒，所述第二传动套筒的上下端分别安装有第二腕关节传动轮、第五腕关节传动轮，所述第二传动套筒外套装有可转动的第三传动套筒，所述第三传动套筒的上下端分别安装有第三腕关节传动轮、第四腕关节传动轮，还包括有腕关节右侧传动绳索和腕关节左侧传动绳索，所述腕关节右侧传动绳索绕过第四腕关节传动轮、第一导向滑轮后与腕关节右侧驱动轮相连形成闭环传动；所述腕关节左侧传动绳索绕过第五腕关节传动轮、第五导向滑轮后与腕关节左侧驱动轮相连形成闭环传动，所述第一腕关节传动轮、第二腕关节传动轮、第三腕关节传动轮的转动均分别通过第二关节驱动绳、第一关节驱动绳、第三关节驱动绳驱动。所述第一腕关节驱动绳索从驱动电机端绕出，绕过第二导向滑轮后与第二腕关节传动轮相连形成闭环传动，所述第二腕关节驱动绳索从驱动电机端绕出，绕过第三导向滑轮后与第一腕关节传动轮相连形成闭环传动，所述第三腕关节驱动绳索从驱动电机端绕出，绕过第四导向滑轮后与第三腕关节传动轮相连形成闭环传动。所述腕关节轴套和腕关节支架、传动轮保护壳连接，且腕关节轴套安装在腕关节长旋转轴上，通过安装在腕关节长旋转轴上的第一腕关节传动轮驱动，实现第三个转动自由度。所述传动轮保护壳上开有绳槽用于腕关节右侧传动绳索和腕关节左侧传动绳索通过。所述长导向轮座安装在传动轮保护壳内部，且第二传动套筒通过轴承在传动轮保护壳孔内转动。

所述小臂模块包括小臂，所述小臂的上端中部转动安装在腕关节传动模块的第三传动套筒上，所述小臂的内侧壁底端设置有呈三角分布的第一肘关节解耦导向轮、第二肘关节解耦导向轮、第三肘关节解耦导向轮，所述小臂的中部两侧分布有对称设置的小臂导向轮、解耦导向轮、双槽解耦导向轮，所述小臂导向轮包括有小臂导向轮一号、小臂导向轮二号、小臂导向轮三号、小臂导向轮四号，其位于上端部两侧两两为一组，所述解耦导向轮位于小臂导向轮的下方，包括有第一解耦导向轮、第二解耦导向轮，所述解耦导向轮下方铺设有滑动轨道，所述滑动轨道上分别设置有可滑动的滑块，一侧的滑块上安装有双槽解耦导向轮一号，另一侧的滑块上安装有双槽解耦导向轮四号，所述滑动轨道下方的外侧的小臂内侧面上安装有双槽解耦导向轮二号和双槽解耦导向轮三号；还包括有左侧开环解耦绳索、右侧开环解耦绳索，所述左侧开环解耦绳索、右侧开环解耦绳索分别在第二肘关节解耦导向轮上固定，从左右侧绕过肘关节解耦导向轮、对应侧的肘关节解耦导向轮、双槽解耦导向轮后在双槽解耦导向轮上固定，还包括有闭环解耦绳索，所述闭环解耦绳索绕过第四解耦导向轮、第二解耦导向轮、第一解耦导向轮后与第三解耦导向轮相连形成闭环传动，第三解耦导向轮和第四解耦导向轮分别套装于双槽解耦导向轮一号和双槽解耦导向轮二号内侧的转轴上。

所述肘关节被动变刚度模块包括有对称设置的用于将小臂底端与大臂模块的大臂上端连接的蜗杆轴套，所述蜗杆轴套的中部分别安装有水平朝外的蜗杆，所述蜗杆的上下端分别安装有与其传动连接的蜗轮，所述蜗轮分别通过蜗轮旋转轴安装在大臂上端侧外侧面上，所述蜗轮旋转轴的一端分别通过蜗轮旋转轴座将大臂和小臂转动连接，且内端部分别依次套装有肘关节大导向轮二号和肘关节大导向轮一号，所述第一肘关节解耦导向轮、第二肘关节解耦导向轮、第三肘关节解耦导向轮分布在蜗轮旋转轴的端部的固定板上，另一端分别通过摆臂套筒组件连接在外侧的滑移圆盖上，所述摆臂套筒组件包括有安装在蜗轮旋转轴端部的摆臂套筒，所述摆臂套筒内部安装有小圆轴，所述小圆轴上套装有弹簧，且通过挡环压装在摆臂套筒内部，所述小圆轴的端部连接有受压套筒，所述受压套筒上安装有滚轮基座，所述滚轮基座上分别安装有承压滚轮，所述承压滚轮与曲面固定块相互配合，且曲面固定块安装在滑移圆盖上；所述承压滚轮通过摆臂套筒驱动在曲面固定块上滚动，且通过受压套筒压缩弹簧，从而满足被动变刚度的需要。

所述肘关节主动变刚度模块包括有转动安装在大臂模块底端部内的主动变刚度驱动轴，主动变刚度驱动轴上安装有主动变刚度传动轮，所述主动变刚度驱动轴伸出大臂的两外端部分别安装有主动变刚度驱动轮，所述主动变刚度驱动轮的上下端两侧分别设有与主动变刚度导向轮二号、主动变刚度导向轮三号，所述主动变刚度传动轮上绕有主动变刚度驱动绳索，所述主动变刚度驱动绳索从驱动电机端绕出，通过大臂绳孔，绕过大臂底端面上的变刚度导向轮后与主动变刚度传动轮相连形成闭环传动；

所述主动变刚度驱动绳索带动主动变刚度驱动轴转动，主动变刚度驱动轴转动带动主动变刚度驱动轮转动，所述主动变刚度驱动轮上固定安装有主动变刚度绳索一号和主动变刚度绳索二号，所述主动变刚度绳索一号绕过主动变刚度驱动轮二号穿过其上方的主动变刚度导向轮一号后在吊耳一号上固定，所述主动变刚度绳索二号绕过主动变刚度驱动轮三号穿过其上方的主动变刚度导向轮四号后在吊耳二号上固定，所述主动变刚度导向轮一号和主动变刚度导向轮四号分别固定在肘关节被动变刚度模块对应的外侧壁上，所述吊耳一号和吊耳二号均固定在滑移圆盖上；所述主动变刚度绳索一号和主动变刚度绳索二号驱动滑移圆盖在圆筒中移动，且不脱离出圆筒，弹簧发生了主动变形，实现了主动变刚度。

所述肘关节主动变刚度模块与肘关节被动变刚度模块相互配合，其之间设置有肘关节绳索张力放大驱动模块，所述肘关节绳索张力放大驱动模块包括第一肘关节驱动绳索，所述第一肘关节驱动绳索从驱动电机端绕出，通过大臂绳孔，其一端从左侧绕过肘关节大导向轮一号一圈，绕过上方的被牵引导向轮一号，绕过肘关节大导向轮二号一圈，从右侧绕过肘关节小导向轮后在绳索固定限位块上固定，其另一端从右侧绕过肘关节大导向轮一号一圈，绕过上方的被牵引导向轮二号，绕过肘关节大导向轮二号一圈，从左侧绕过肘关节小导向轮后在绳索固定限位块上固定，通过第一肘关节驱动绳索的驱动，带动小臂绕肘关节发生转动，实现肘关节的一个转动自由度，所述第一肘关节驱动绳索在动滑轮上的绕入绳索与绕出绳索平行，且绳索张力放大两倍；第二肘关节驱动绳索从驱动电机端绕出，通过大臂绳孔，与第一肘关节驱动绳索对称布置。

所述肩关节解耦模块包括有肩关节旋转轴，所述肩关节旋转轴将大臂和机械臂支撑板转动连接，所述肩关节旋转轴上套装有肩关节驱动轮一号和肩关节驱动轮二号，所述肩关节驱动轮一号的底端设置有随动解耦轮，所述随动解耦轮的下端设置有解耦固定轮，所述解耦固定轮通过固定架支撑架设在机械臂支撑板内，所述随动解耦轮包括有随动解耦轮主体，所述随动解耦轮主体的圆周外侧面上分布有间隔设置的缺口，且缺口内安装有两两为一组总共四组解耦轮系，每组轮系包括三个层叠的肩关节解耦轮；所述随动解耦轮主体的轮孔内安装有一组锥齿轮系，所述锥齿轮系包括第一小型锥齿轮、第二小型锥齿轮、第三小型锥齿轮；所述第一小型锥齿轮通过小型锥齿轮驱动短轴安装在肩关节旋转轴上，跟随肩关节旋转轴一起转动；所述第三小型锥齿轮同时与第一小型锥齿轮和第二小型锥齿轮啮合，且通过小型锥齿轮转轴和小型套筒安装在随动解耦轮主体上；所述第二小型锥齿轮通过小型锥齿轮固定短轴在解耦固定轮上固定；所述随动解耦轮主体、解耦固定轮、肩关节驱动轮一号上分别有半圆形走绳槽，所述肩关节驱动轮一号和随动解耦轮主体配合形成六组圆形走绳槽，所述随动解耦轮主体和解耦固定轮配合也形成六组圆形走绳槽，所述圆形走绳槽用于绳索通过；

所述随动解耦轮通过锥齿轮系以肩关节驱动轮一号和肩关节驱动轮二号一半的速度转动，所述第二肘关节驱动绳索的一端穿过解耦固定轮绳孔，绕过肩关节解耦轮一号，穿过肩关节驱动轮一号绳孔、肩关节驱动轮二号绳孔后导向大臂绳孔；所述第二肘关节驱动绳索的另一端穿过解耦固定轮绳孔，绕过肩关节解耦轮二号，穿过肩关节驱动轮一号绳孔、肩关节驱动轮二号绳孔后导向大臂绳孔；所述第一腕关节驱动绳索、第二腕关节驱动绳索、第三腕关节驱动绳索、第一肘关节驱动绳索、主动变刚度驱动绳索有和第二肘关节驱动绳索相似的传动连接关系。

所述肩关节耦合驱动模块包括肩关节驱动绳索一号和肩关节驱动绳索二号；肩关节驱动绳索一号一端固定在电机驱动轮上，通过肩关节基架绳孔，绕过第二肩关节导向轮，绕过肩关节驱动轮三号一圈，绕过第一肩关节导向轮后固定在肩关节驱动轮二号上，其另一端是相似的传动连接关系；所述肩关节驱动绳索二号一端固定在电机驱动轮上，通过肩关节基架绳孔，绕过第三肩关节导向轮，绕过肩关节驱动轮四号一圈，绕过第四肩关节导向轮后固定在肩关节驱动轮一号上，其另一端是相似的传动连接关系；所述肩关节旋转轴上安装有肩关节驱动轮三号、肩关节驱动轮四号、肩关节旋转支板、带槽旋转支板一号、带槽旋转支板二号，带槽旋转支板一号和带槽旋转支板二号上有矩形空槽让绳索穿过；

所述肩关节末端转动模块包括肩关节末端驱动轮，所述肩关节末端驱动轮安装在肩关节末端套筒上，所述肩关节末端套筒和肩关节旋转基座连接，所述肩关节旋转基座安装在肩关节基架底部；且通过轴承套筒安装在机械臂支撑板上，所述肩关节末端驱动绳一端固定在直立电机驱动轮上，另一端固定在肩关节末端驱动轮上，直立电机驱动轮通过关节末端驱动绳带动肩关节末端驱动轮转动，实现了一个转动自由度。

所述绳索导向模块包括多列移动导向轮座，所述多列移动导向轮座上安装有T型螺栓，所述T型螺栓上安装有移动导向轮一号和移动导向轮二号，移动导向轮一号和移动导向轮二号之间通过短支撑环、长支撑环和六角法兰螺母支撑连接，构成一个导向轮组，所述多列移动导向轮座安装有三组导向轮组，所述导向轮组通过手动移动改变在多列移动导向轮座中的位置；

还包括有多组滑轮支撑座和单列移动导向轮座，所述多组滑轮支撑座上安装有三组导向滑轮，且每组两个导向滑轮间有一定的前后距离，用于防止两根绳索相互干涉，所述单列移动导向轮座安装有一组导向轮组；如第一肘关节驱动绳索一端在电机驱动轮上固定，其一根绳索绕过移动导向轮四号、移动导向轮六号、驱动绳索导向滑轮二号，导入肩部中间绳孔，其另一根绳索绕过移动导向轮三号、移动导向轮五号、驱动绳索导向滑轮一号，导入肩部中间绳孔，通过移动导向轮组在移动导向轮座上的位置实现绳索的“Z”字张紧。

所述电机驱动模块包括有八组横卧电机，所述八组横卧电机分别驱动八组驱动绳索，所述八组驱动绳索中其余七组绳索与第一肘关节驱动绳索有相似的传动连接关系，所述直立电机驱动轮安装在直立电机上，直立电机通过直立电机支撑座安装在底板上，所述第一腕关节驱动绳索、第二腕关节驱动绳索、第三腕关节驱动绳索、第一肘关节驱动绳索、第二肘关节驱动绳索、主动变刚度驱动绳索从肩关节基架中间绳孔中穿出，绕过肩关节过渡轮一圈后，分别进入肩关节耦合驱动模块的解耦固定轮的六组绳孔中。

由上述结构实现的绳索导向张紧模块和底座电机驱动模块，保证了各个导向轮之间、九组驱动绳索之间在工作过程中互不干涉。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本机械臂将九组驱动电机集成在底座平台，通过柔索将驱动电机的动力传递至末端执行器，具有轻量化、转动惯量小的优点，同时将喷涂机械臂的工作空间和驱动电机模块分离开，能够实现防爆的功能。

2.本机械臂采用了主被动变刚度的结构，实现了较大范围的肘关节变刚度。其优点在于，机械臂可以根据不同的喷涂作业要求，采用不同的刚度控制策略。变刚度结构具有类似于手臂肌肉的非线性变刚度特性，使机械臂在与人交互过程中更加安全。

3.本机械臂采用了一种新颖的肘关节与腕关节解耦模块，该解耦模块布置在小臂内壁，占用空间不大，且解决了肘关节转动对腕关节驱动绳索的耦合影响问题。该解耦模块还可以通过叠加同时解耦更多组绳索，提高了机械臂运动的稳定性。

4.本机械臂采用了一种肩关节解耦模块，该解耦模块结构紧凑，解决了通过肩关节的绳索的非线性耦合问题，且同时解耦六组绳索，提高了机械臂运动的可靠性。

5.本机械臂采用了模块化的绳索驱动手腕关节，通过驱动绳索和滑轮、锥齿轮差动轮系相互配合，实现三个自由度的转动。绳索的分段传动模式有效避免了关节转动时的绳索耦合，为绳驱喷涂机械臂的末端提供了模块化的解决方案。

6.本机械臂采用了肘关节绳索张力放大驱动模块，实现绳索拉力放大两倍的效果。同时还采用了肩关节耦合驱动模块，其好处在于能够重新分配驱动电机的转矩，使每个转动关节达到两倍的电机转矩。上述两个模块的优点是弥补了绳索驱动力不足的劣势。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是腕关节结构示意图；

图3是腕关节剖面示意图；

图4是小臂与腕关节连接的结构示意图；

图5是肘关节与腕关节解耦的绕绳示意图；

图6是肘关节与腕关节解耦的结构示意图；

图7是主动变刚度模块的绕绳示意图；

图8是变刚度模块结构示意图；

图9是大臂总体绕绳示意图；

图10是肘关节绕绳示意图；

图11是肘关节限位结构示意图；

图12是肩关节的解耦模块剖面示意图；

图13是随动解耦轮结构示意图；

图14是解耦模块爆炸示意图和绕绳示意图；

图15是肩关节绕绳示意图；

图16A是主动轮和被动轮转动方向相同时肩关节耦合驱动模块收放绳的简化示意图；

图16B是主动轮和被动轮转动方向相反时肩关节耦合驱动模块收放绳的简化示意图；

图17是肩关节结构示意图；

图18是肩关节末端转动模块剖面示意图；

图19是底座模块结构示意图；

图20A是移动导向轮模块结构示意图；

图20B是移动导向轮模块剖视图；

图21是底座模块绕绳示意图；

图22是肩关节末端转动模块绕绳示意图；

图23是横卧电机模块绕绳示意图。

具体实施方式

结合图1，变刚度柔索驱动7自由度串联喷涂机械臂，由腕关节模块1、腕关节传动模块2、小臂模块3、肘关节与腕关节解耦模块4、变刚度模块5、肘关节驱动模块6、主动变刚度驱动模块7、肩关节的解耦模块8、肩关节耦合驱动模块9、肩关节末端转动模块10、绳索导向模块11、电机驱动模块12组成。

进一步，腕关节模块1和腕关节传动模块2负责机械臂末端的三个自由度的转动，肘关节与腕关节解耦模块4布置在小臂模块3的内壁，负责将经过肘关节到达腕关节的绳索解耦，变刚度模块5和主动变刚度驱动模块7用于改变肘关节的刚度，以实现刚度可调的机械臂喷涂作业和人机交互。肘关节驱动模块6通过绳索绕过肘关节拉动小臂模块3，实现小臂的单自由度双向转动。肩关节的解耦模块8负责将经过肩关节的绳索解耦。肩关节耦合驱动模块9和肩关节末端转动模块10可以实现机械臂肩部三个自由度的转动。自此，机械臂拥有七个自由度，可以完成多姿态大空间运动。绳索导向模块11和电机驱动模块12将驱动电机集成在底部，也就是说，所有驱动绳索都是从模块11和模块12出发，通过并驱动机械臂的各个模块。

结合图2、3，左侧锥齿轮115、行星锥齿轮116和右侧锥齿轮123三个锥齿轮构成一个二自由度差动轮系，当左侧锥齿轮115和右侧锥齿轮123转动方向相同时，行星锥齿轮116会带动行星架102绕主动轮中轴摆转。当左侧锥齿轮115和右侧锥齿轮123转动方向相反时，行星锥齿轮116自身发生旋转，带动末端单元101转动。其中，末端单元旋转轴117和右侧锥齿轮旋转轴119分别配有深沟球轴承118和120，深沟球轴承内圈与对应的旋转轴过盈配合，深沟球轴承外圈与行星架102的内孔壁过盈配合，都进行了两端限位。腕关节右侧驱动轮104带动右侧锥齿轮123旋转，其中轴承限位套筒122对轴承120和121进行限位，由于对称性左侧也是一样。

结合图2、3、4，进一步，第一腕关节驱动绳索208、第二腕关节驱动绳索209、第三腕关节驱动绳索210分别经过第二导向滑轮110、第三导向滑轮111、第四导向滑轮112，驱动第二腕关节传动轮212、第一腕关节传动轮211、第三腕关节传动轮213。其中，第一腕关节传动轮211驱动腕关节长旋转轴201旋转，从而通过腕关节轴套204带动腕关节支架103和传动轮保护壳217一起旋转，这是第三个自由度。第二腕关节传动轮212通过第一传动套筒202和第五腕关节传动轮215固连，在轴承205外圈和轴承206内圈之间转动，第三腕关节传动轮213通过第二传动套筒203和第四腕关节传动轮214固连，在轴承206外圈和轴承218、301内圈之间转动。腕关节右侧传动绳索207、腕关节左侧传动绳索216分别经过第一导向滑轮107、第五导向滑轮113，将传动轮214、215的转动传递到腕关节右侧驱动轮104和腕关节右左侧驱动轮114上。

这样设计的目的是，防止第三个自由度的旋转导致腕关节右侧传动绳索207和腕关节左侧传动绳索216发生扭结缠绕，将非线性的耦合转变为线性耦合，再通过电机的转角补偿，可以实现无耦合三自由度绳驱动腕关节。

结合图5、6，肘关节与腕关节解耦模块由第一腕关节驱动绳索208、闭环解耦绳索403、右侧开环解耦绳索409、左侧开环解耦绳索414四组绳索组成。其中，第一腕关节驱动绳索208分别从两侧绕过第二肘关节解耦导向轮411，分别从第一肘关节解耦导向轮410和第三肘关节解耦导向轮413绕出，这样在肘关节的转角范围内绳索始终绕紧在导向轮上，不会脱出导向轮。从导向轮410绕出的一端绳索先后绕过双槽解耦导向轮一号406和双槽解耦导向轮二号408，然后绕过小臂导向轮二号304和小臂导向轮一号303，通向腕关节。另一端绳索先后绕过双槽解耦导向轮四号416和双槽解耦导向轮三号415，然后绕过小臂导向轮三号305和小臂导向轮四号306，通向腕关节。右侧开环解耦绳索409的一端在第二肘关节解耦导向轮411的第二轮槽上固定，同样绕过导向轮411、410和406，然后在双槽解耦导向轮二号408的第二轮槽上固定，左侧开环解耦绳索414呈对称布置。闭环解耦绳索403以闭环的形式绕过第一解耦导向轮401、第二解耦导向轮402、第三解耦导向轮417、第四解耦导向轮-418四个轮。

进一步，由于固定开环解耦绳索409和414的需要，第二肘关节解耦导向轮411、双槽解耦导向轮二号408和双槽解耦导向轮三号415都是固定轮，本身不发生转动。双槽解耦导向轮一号406和第四解耦导向轮415是安装在滑块405上，而滑块405可以在滑动轨道404上滑动，滑动轨道404由轨道固定内六角螺栓407固定在小臂302的内壁。第一肘关节解耦导向轮410和第二肘关节解耦导向轮411分别通过肘关节导向轮转轴420和肘关节解耦固定轴421安装在导向轮固定块412上，小臂导向轮一号303和双槽解耦导向轮二号408分别由小臂导向轮转轴307和双槽解耦导向轮固定轴419安装在小臂内壁。

结合图5，进一步详细说解耦原理。随着肘关节的转动，第一腕关节驱动绳索208会在导向轮411上，一端多绕一定角度，另一端少绕相同的角度，形成一端收绳，另一端放绳的耦合情况，绳索解耦的核心就是补偿前端关节转动对后端关节的影响。这里采用的是移动补偿式解耦，通过滑块405带动双槽解耦导向轮一号406和第四解耦导向轮418在滑动轨道404上移动，同时对称的另一组导向轮416和417向相反方向移动，即在收绳的一端减少绳索208的传动距离，放绳的一端相应增加绳索208的传动距离，通过移动补偿阻止绳索的多余传动。为了实现这个目的，开环解耦绳索409、414和闭环解耦绳索403相互配合，当肘关节顺时针转动时，右侧开环解耦绳索409收紧，左侧开环解耦绳索414放松，由于开环解耦绳索末端都固定在固定轮上，导向轮406和418会被拉向靠近肘关节的方向，补偿因为在导向轮411上多绕而相对缩短的绳长，防止绳索208右端被拉动。同时闭环解耦绳索403会将导向轮416和417拉向远离肘关节的方向，补偿因为在导向轮411上少绕而相对伸长的绳长，防止绳索208左端的松弛。当肘关节逆时针转动时，原理不变滑块移动补偿方向相反。自此，完成了一组从肘关节通向腕关节绳索的解耦。

结合图6，小臂302另一侧的解耦原理与上述相同，由于要同时解耦另外两组腕关节绳索，所以采用了导向轮叠加成两层的方式，每一层的导向轮布置方式与上述相同，在此不再一一赘述。

结合图7、8、9，变刚度模块包括被动变刚度部分与主动变刚度部分，两者相互配合。主动变刚度部分通过改变被动变刚度部分的抵抗力区间，主动的改变肘关节的刚度，因而机械臂可以根据不同的喷涂作业要求，采用不同的刚度控制策略。变刚度机构应具有类似于手臂肌肉的非线性变刚度特性，使其具有更接近人体仿生学的运动性能。

进一步，被动变刚度部分由蜗杆轴套512、蜗杆513、双向孔套筒旋转深沟球轴承514、挡圈一号515、蜗轮旋转轴座516、滑移圆盖517、键518、蜗轮旋转轴519、曲面固定块520、承压滚轮521、滚轮转轴522、滚轮基座523、受压套筒524、挡环525、小圆轴526、弹簧527、摆臂套筒528、蜗轮529、圆筒530以及相应的对称部件组成。主动变刚度部分由吊耳一号501、主动变刚度导向轮一号502、主动变刚度导向轮座503、主动变刚度绳索一号504、主动变刚度驱动轮505、主动变刚度导向轮二号506、主动变刚度导向轮转轴507、主动变刚度导向轮三号508、主动变刚度绳索二号509、主动变刚度导向轮四号510、吊耳二号511、主动变刚度驱动轴701、主动变刚度传动轮702、主动变刚度驱动绳索703、变刚度导向轮座704、变刚度导向轮705组成。

结合图8，进一步详细说，被动变刚度部分的动力来源于小臂绕肘关节的旋转，带动蜗杆轴套512转动，蜗杆513也发生转动，其中深沟球轴承514位于蜗杆轴套512和大臂607之间。固定在两组蜗轮旋转轴座516上的两个蜗轮529在齿轮啮合下传动，通过键518将转动传递给蜗轮旋转轴519，然后带动摆臂套筒528摆转。在摆臂套筒528的一侧套筒中布置有小圆轴526、弹簧527和受压套筒524，用挡环525封盖。在受压套筒524的末端安装有滚轮基座523，承压滚轮521可以绕滚轮转轴522转动。曲面固定块520的曲面曲率是人为给定，配合弹簧527的非线性压缩，和滑移圆盖517固定。当摆臂套筒528摆转时，承压滚轮521在曲面固定块520的曲面上发生滚动，由于曲面曲率的不同，滚轮受到的挤压会转变为受压套筒524的直线移动。因为受压套筒524受到摆臂套筒528和小圆轴526的限制，弹簧527也套在小圆轴526上，所以受压套筒524的直线移动时会不断挤压弹簧，直到小臂达到旋转极限。即当小臂由伸直变为屈曲时，弹簧收紧抵抗力增强，肘关节刚度变大，当小臂由屈曲变为伸直时，弹簧舒张抵抗力减弱，肘关节刚度减小。

进一步详细说，蜗轮蜗杆传动能提供很好的减速比，实现肘关节旋转时刚度的缓慢变化，更适配旋转关节。同时，蜗轮蜗杆传动可以自锁，有效避免了承压滚轮521在曲面固定块520的曲面上的打滑现象。肘关节一共有两组对称的变刚度模块，即四个滚轮在四个曲面上滚动，增大了肘关节刚度的调节范围。

结合图7、8、9，进一步，主动变刚度部分用来配合被动变刚度部分。变刚度导向轮座704固定在大臂607上，主动变刚度驱动绳索703经过变刚度导向轮705在主动变刚度传动轮702上固定。绳索703拉动传动轮702时，传动轮702带动主动变刚度驱动轴701转动，主动变刚度驱动轴701驱动主动变刚度驱动轮505转动。主动变刚度绳索一号504的一端固定在驱动轮505上，绕过主动变刚度导向轮二号506和主动变刚度导向轮一号502，在吊耳一号501上固定。主动变刚度绳索二号509的一端也固定在驱动轮505上，绕过主动变刚度导向轮三号508和主动变刚度导向轮四号510，在吊耳二号511上固定，吊耳501、502都在滑移圆盖517上固定。滑移圆盖517与圆筒530配合，可以在圆筒530内部小范围直线移动，且不会脱离出圆筒。默认肘关节无转动时承压滚轮521在曲面固定块520的曲面的最低凹处。当主动变刚度驱动轮505转动时，同时拉动绳索504、509，绳索504、509拉动吊耳501、511，使滑移圆盖517向靠近大臂方向移动，从而压缩弹簧527，即肘关节处于完全伸直没发生任何转动的状态时，最低刚度就已经增加了。同时肘关节在发生转动时抵抗的弹簧压力，比滑移圆盖517未移动时更高，即肘关节整体刚度更高。当驱动轮505反向转动，即绳索504、509放松时，弹簧527的压力会推动滑移圆盖517向远离大臂方向移动，肘关节刚度变低。自此，完成了主动变刚度。

进一步，主动变刚度导向轮一号502固定在主动变刚度导向轮座503上，蜗轮旋转轴座516和主动变刚度导向轮座503都固定在大臂607外壁，主动变刚度导向轮二号506通过主动变刚度导向轮转轴507固定在大臂607外壁。

在进行变刚度时，需要注意两点。其一，曲面固定块520的曲面曲率需要满足：承压滚轮521在曲面低凹处肘关节刚度低，在曲面高凸处肘关节刚度高，符合手臂仿生特性。其二，主动变刚度绳索一号504和主动变刚度绳索二号509一旦拉动就要保持张紧状态，把滑移圆盖517维持在想要的刚度位置不动。为防止弹簧527非线性增大或减小的压力使曲面固定块520和滑移圆盖517产生不必要的位移，影响变刚度效果，所以驱动电机需要带抱闸防止绳索被反向拉动。只要绳索拉紧的长度不变，不管弹簧的压力如何变化，滑移圆盖517始终保持在需要的位置。

肘关节另一侧的变刚度部分与上述相同，在此不再一一赘述。

结合图9、10、11，肘关节驱动模块的第一肘关节驱动绳索608分为两端，其中一端从左侧绕过肘关节大导向轮一号604一圈，然后在被牵引导向轮一号603上绕过半圈，绕肘关节大导向轮二号610一圈后从左侧绕出，再绕过肘关节小导向轮605后，穿过绳索固定限位块612的右侧绳孔固定。另一端从右侧绕过肘关节大导向轮一号604一圈，然后在被牵引导向轮二号609上绕过半圈，绕肘关节大导向轮二号610一圈后从右侧绕出，再绕过肘关节小导向轮605后，穿过绳索固定限位块612的左侧绳孔固定。被牵引导向轮一号603和被牵引导向轮二号609都固定在肘关节固定块601上，同时肘关节固定块601通过内六角螺栓602固定在小臂302内壁。肘关节小导向轮605通过肘关节小导向轮转轴606固定在大臂607内壁。

进一步，所述肘关节驱动模块是一种基于动滑轮的绳索拉力放大机制。使用动滑轮会减小一半的拉动距离，增大一倍的绳索拉力，要求是拉力的方向必须是两绳平行。被牵引导向轮一号603和被牵引导向轮二号609都是动滑轮，被绳索608从两侧平行拉动后，会通过肘关节固定块601带动小臂302旋转。根据这个原理可以在大臂小臂两端分别添加多组定滑轮和动滑轮，使拉力加倍，但这样会增加臂重，故只采用最简单的一组动滑轮。

肘关节另一侧的驱动模块与上述相同，在此不再一一赘述。

结合图11，进一步，绳索固定限位块612不仅有固定绳索的作用，同时也对小臂302的旋转范围起到了一个限位的作用。限位块612的两侧都有圆弧状的凹陷，与小臂302两侧的圆弧凸起相配合。限位的目的是限制小臂转动极限，防止碰撞到机械臂的其他部件造成损伤。

结合图9，进一步详细说，大臂607底部有六组通孔，通过通孔的绳索也有六组，其中第一腕关节驱动绳索208、第二腕关节驱动绳索209、第三腕关节驱动绳索210负责驱动腕关节，第一肘关节驱动绳索608、第二肘关节驱动绳索611负责驱动肘关节，主动变刚度驱动绳索703负责主动变刚度。

结合图12，主动变刚度驱动轴701通过变刚度驱动轴旋转轴承706和挡圈二号707在大臂607孔内旋转。肩关节旋转轴903驱动大臂607，通过肩关节轴承一号902在支撑板901孔内旋转。

结合图12、13、14，肩关节的解耦模块包括小型锥齿轮驱动短轴801、小型锥齿轮固定短轴8011、第一小型锥齿轮802、第二小型锥齿轮8021、第三小型锥齿轮8022、小型锥齿轮转轴803、小型套筒804、肩关节解耦轮转轴805、肩关节解耦轮一号806、随动解耦轮主体807、肩关节解耦轮二号808、解耦固定轮809、肩关节驱动轮一号810、肩关节驱动轮二号811。由于肩关节旋转时，穿过肩关节的绳索会扭结缠绕在一起，所以该解耦模块负责解决肩关节处的非线性耦合问题。

进一步，肩关节解耦轮一号806通过肩关节解耦轮转轴805固定在随动解耦轮主体807上，一共十二个肩关节解耦轮以类似的方式固定。小型锥齿轮驱动短轴801固连在肩关节旋转轴903的孔内，并和第一小型锥齿轮802相连，第二小型锥齿轮8021通过小型锥齿轮固定短轴8011固定在解耦固定轮809孔内，本身不发生转动。第三小型锥齿轮8022通过小型锥齿轮转轴803和随动解耦轮主体807连接，并通过小型套筒804固定在随动解耦轮主体807上，这就构成了随动解耦轮。

结合图14，进一步详细说，肩关节驱动轮一号810、肩关节驱动轮二号811都是主动转动轮，既是大臂旋转的动力来源，又是随动解耦轮的动力来源。解耦固定轮809是固定的本身不发生转动。随动解耦轮主体807、解耦固定轮809、肩关节驱动轮一号810上都有半圆形走绳槽，两两拼接就形成了六组圆形走绳槽。随动解耦轮内部的锥齿轮系可以起到减速的效果，将驱动轮810和811的转速降低一半传递给随动解耦轮。一组肩关节解耦轮806和808负责解耦第二肘关节驱动绳索611，第二肘关节驱动绳索611穿过固定轮，分别进入圆形走绳槽，从解耦轮806和808两侧绕过半圈，再次进入圆形走绳槽，最后从驱动轮810、811穿出。

进一步详细说，假设驱动轮810、811顺时针旋转时速度为S，那么随动解耦轮以S/2的速度顺时针旋转，因为轮809是固定不动的，所以驱动轮810、811相对于随动解耦轮以S/2的速度转动，随动解耦轮相对于固定轮809以S/2的速度转动。解耦轮806一侧绳索，靠近轮810的一端以S/2的速度进入圆形走绳槽，靠近轮809的一端以S/2的速度脱离圆形走绳槽，两者相互补偿。同时解耦轮808一侧绳索，靠近轮810的一端以S/2的速度脱离圆形走绳槽，靠近轮809的一端以S/2的速度进入圆形走绳槽，两者相互补偿。这样不仅解决了绳索611的非线性耦合问题，线性耦合也不存在了。

其余五组绳索的解耦方式与上述绳索611的解耦方式相似，在此不再一一赘述。

结合图15、16、17，肩部第二、第三关节共由两组绳索耦合驱动：肩关节驱动绳索一号905、肩关节驱动绳索二号916，这两个关节的传动是相互影响的。肩关节驱动绳索一号905的一端经过第二肩关节导向轮911，在肩关节驱动轮三号909上绕过一圈，经过第一肩关节导向轮904，在肩关节驱动轮二号811上固定，肩关节驱动绳索一号905的另一端是相似的绕线方式。肩关节驱动绳索二号916的一端经过第三肩关节导向轮912，在肩关节驱动轮四号913上绕过一圈，经过第四肩关节导向轮917，在肩关节驱动轮一号810上固定，肩关节驱动绳索二号916的另一端是相似的绕线方式。

进一步，图16是简化的绕绳平面示意图，其中肩关节驱动轮一号810和肩关节驱动轮二号811是第三肘关节的一对共轴同心轮，肩关节驱动轮三号909和肩关节驱动轮四号913是第二肘关节的一对共轴同心轮。轮1208和轮1209分别是驱动绳索905和绳索916的电机驱动轮，绳索905和916一端在电机驱动轮1208、1209上固定，另一端在轮811、810上固定，默认两个电机驱动轮的转速相同。当两轮为“0”式绕绳时，主动轮和被动轮的转动方向相同，当两轮为“8”式绕绳时，主动轮和被动轮的转动方向相反。因此，当轮1208和轮1209转动方向相反时，绳索905和绳索916分别在轮909和轮913上以相反的方向滑动，并驱动轮811和轮810相同方向转动，即第二肘关节不转动，第三肘关节转动。当轮1208和轮1209转动方向相同时，由于轮810和轮811分别被绳索916和905从相反方向牵引，两轮被锁紧不会发生转动。这时轮810、轮811和其上绕紧的部分绳索就相当于一根刚性的连杆，在绳索905和绳索916绕轮909和轮913同方向转动的条件下，会绕第二肘关节发生转动，即第二肘关节转动，第三肘关节不转动。

进一步详细说，这种双电机双驱动绳索的耦合驱动方式，其好处在于能够重新分配驱动电机的转矩，使每个转动关节由两个电机驱动，最多达到两倍的电机转矩，有效弥补了绳索驱动力不足的劣势。缺点在于不能同时驱动两个关节，绳索在轮上的滑动会带来一定的摩擦。

结合图15、17，肩关节旋转支板918、带槽旋转支板一号919、带槽旋转支板二号920通过内六角螺栓固定在支撑板901上，其中带槽旋转支板一号919和带槽旋转支板二号920上都有矩形空槽让绳索穿过。当肩关节驱动轮三号909和肩关节驱动轮四号913带动肩关节旋转轴908转动时，四个支板会跟着一起摆转，带动机械臂第二肘关节后的部分一起转动。肩关节旋转轴908通过肩关节轴承二号906和挡圈三号907在肩关节基架910孔内转动，肩关节过渡轮914套在肩关节旋转轴908上。固定架915位于带槽旋转支板一号919、带槽旋转支板二号920之间，负责固定解耦固定轮809。

进一步，第一腕关节驱动绳索208、第二腕关节驱动绳索209、第三腕关节驱动绳索210、第一肘关节驱动绳索608、第二肘关节驱动绳索611、主动变刚度驱动绳索703、肩关节驱动绳索一号905、肩关节驱动绳索二号916一共八组绳索都从肩关节基架910中间绳孔中穿出，其中除了绳索905和916的六组绳在肩关节过渡轮914上绕过一圈后，分别进入解耦固定轮809的六组绳孔中。

结合图17、18，肩关节基架910和肩关节旋转基座921固定在一起，肩关节旋转基座921和肩关节末端套筒1006固定在一起，当肩关节末端驱动轮1005驱动肩关节末端套筒1006旋转时，肩关节基架910和肩关节旋转基座921会一同旋转。轴承套筒1001固定在机械臂支撑板1009上，内部背对背安装有一对圆锥滚子轴承1002和1007，可以承载机械臂带来的轴向力。其中，垫圈一号1003、垫圈二号1004、垫圈三号1008都是起轴承限位作用。六组绳索208、209、210、608、611、703先后从肩关节末端套筒1006、肩关节旋转基座921、肩关节基架910中间绳孔穿过。

结合图19，机械臂支撑板1009通过支撑杆1010等四根杆固定在底板1201上。直立电机驱动轮1202安装在直立电机上，直立电机通过直立电机支撑座1203固定在底板1201上。电机1204通过横卧电机支撑座1205这样的电机座固定在底板1201上，这样横卧的电机模块一共有八组，对应穿过机械臂的八组驱动绳索。单组滑轮支撑座1108负责将绳索导入肩部中间绳孔。

结合图20，移动导向轮模块负责传导绳索，T型螺栓1105卡在多列移动导向轮座1104的槽中，螺栓上有移动导向轮一号1102和移动导向轮二号1103，短支撑环1106、长支撑环1107和六角法兰螺母1101用于对两个导向轮进行固定。一个移动导向轮模块有三列这样的导向轮组，可以分别手动移动导向轮组在槽中的位置。

结合图21，底座模块绕绳示意图展示了九组驱动绳索的布局。其中，腕关节驱动绳索208、209、210安排在一侧，肘关节驱动绳索608、611和肩关节驱动绳索905安排在对称的另一侧，肩关节驱动绳索916和主动变刚度驱动绳索703安排在左侧，肩关节末端驱动绳1206安排在右侧。除了肩关节末端驱动绳1206，每组绳索都经过一系列导向轮，最终导入肩部中间绳孔。

结合图22，直立电机驱动轮1202通过关节末端驱动绳1206带动肩关节末端驱动轮1005转动。其中，绳索1206一端固定在直立电机驱动轮1202上，另一端固定在肩关节末端驱动轮1005上。

结合图23，多组滑轮支撑座1116安装了三组导向滑轮，每组两个导向滑轮间有一定的前后距离，防止两根绳索相互干涉。单列移动导向轮座1109只有一个移动槽，只能安装一组导向轮组。第一肘关节驱动绳索608的一端在电机驱动轮1207上固定，其中一根绳索先后经过移动导向轮四号1111、移动导向轮六号1113、驱动绳索导向滑轮二号1115，导入肩部中间绳孔。另一根绳索先后经过移动导向轮三号1110、移动导向轮五号1112、驱动绳索导向滑轮一号1114，导入肩部中间绳孔。

进一步，导向轮系存在一种可调的绳索张紧的特性。由于导向轮组在槽中的位置可以通过移动改变，当导向轮1111和导向轮1113相互靠近时，绳索被张紧，当导向轮1111和导向轮1113相互远离时，绳索变松弛，呈现出一种类似“Z”字的绳索张紧机构。

其余七组绳索绕线方式与上述绳索608的绕线方式相似，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变刚度柔索驱动7自由度串联喷涂机械臂，其特征在于：包括有底板(1201)，所述底板(1201)上架设有机械臂支撑板(1009)，所述机械臂支撑板(1009)上部安装有肩关节耦合驱动模块(9)，所述机械臂支撑板(1009)下部安装有肩关节末端转动模块(10)驱动，所述肩关节耦合驱动模块(9)上端安装有补偿肩关节绳索耦合的肩关节解耦模块(8)，所述肩关节耦合驱动模块(9)的顶端安装有大臂模块，所述大臂模块上安装有变刚度模块，所述变刚度模块包括有肘关节主动变刚度模块(7)和肘关节被动变刚度模块，所述大臂模块的上端内侧转动安装有小臂模块(3)，所述小臂模块(3)的底端内侧安装有肘关节驱动模块(6)，所述肘关节驱动模块(6)的上方安装肘关节与腕关节解耦模块(4)，所述小臂模块(3)的顶部转动安装有腕关节传动模块(2)和腕关节模块(1)；还包括有驱动各个模块运动的绳索导向模块(11)、电机驱动模块(12)，所述绳索导向模块(11)、电机驱动模块(12)均安装在底板上。

所述腕关节模块(1)和腕关节传动模块(2)负责机械臂末端的三个自由度的转动，肘关节与腕关节解耦模块(4)布置在小臂模块(3)的内壁，负责将经过肘关节到达腕关节的绳索解耦，变刚度模块(5)用于改变肘关节的刚度，以实现刚度可调的机械臂喷涂作业和人机交互，所述肘关节驱动模块(6)通过绳索绕过肘关节拉动小臂模块(3)，实现小臂的单自由度双向转动；所述肩关节的解耦模块(8)负责将经过肩关节的绳索解耦，肩关节耦合驱动模块(9)和肩关节末端转动模块(10)可以实现机械臂肩部三个自由度的转动，上述结合使得机械臂拥有七个自由度，可以完成多姿态大空间运动。

2.根据权利要求1所述的变刚度柔索驱动7自由度串联喷涂机械臂，其特征在于：所述腕关节模块(1)包括有腕关节支架(103)，所述腕关节支架(103)为槽形结构，所述腕关节支架(103)内转动安装有行星架(102)，所述行星架(102)的两侧分别通过锥齿轮旋转轴与腕关节支架(103)转动连接，所述锥齿轮旋转轴的外端部分别安装有腕关节驱动轮，所述锥齿轮旋转轴的内端部分别安装有锥齿轮，所述行星架(102)的上端中部转动安装有末端单元旋转轴(117)，所述末端单元旋转轴(117)的上端安装有末端单元(101)，所述末端单元旋转轴(117)的底端安装有行星锥齿轮(116)，所述行星锥齿轮(116)与两侧的锥齿轮传动啮合构成差动轮系，所述行星架(102)绕锥齿轮旋转轴的轴线转动，实现第一个旋转自由度，所述行星锥齿轮(116)安装在末端单元旋转轴(117)上，且末端单元与末端单元旋转轴连接，通过深沟球轴承在行星架孔内转动，实现第二个旋转自由度。

3.根据权利要求1所述的变刚度柔索驱动7自由度串联喷涂机械臂，其特征在于：所述腕关节传动模块(2)包括有长旋转轴(201)，所述长旋转轴(201)用于将腕关节支架(103)与小臂模块3的小臂连接，所述长旋转轴(201)的底端安装有第一腕关节传动轮(211)，所述长旋转轴(201)外套装有可转动的第二传动套筒(202)，所述第二传动套筒(202)的上下端分别安装有第二腕关节传动轮(212)、第五腕关节传动轮(215)，所述第二传动套筒(202)外套装有可转动的第三传动套筒(203)，所述第三传动套筒(203)的上下端分别安装有第三腕关节传动轮(213)、第四腕关节传动轮(214)，还包括有腕关节右侧传动绳索(207)和腕关节左侧传动绳索(216)，所述腕关节右侧传动绳索(207)绕过第四腕关节传动轮(214)、第一导向滑轮(107)后与腕关节右侧驱动轮(104)相连形成闭环传动；所述腕关节左侧传动绳索(216)绕过第五腕关节传动轮(215)、第五导向滑轮(213)后与腕关节左侧驱动轮(114)相连形成闭环传动，所述第一腕关节传动轮(211)、第二腕关节传动轮(212)、第三腕关节传动轮(213)的转动均分别通过第二关节驱动绳(209)、第一关节驱动绳(208)、第三关节驱动绳(210)驱动。

4.根据权利要求1所述的变刚度柔索驱动7自由度串联喷涂机械臂，其特征在于：所述小臂模块(3)包括小臂(302)，所述小臂(302)的上端中部转动安装在腕关节传动模块(2)的第三传动套筒上，所述小臂(302)的内侧壁底端设置有呈三角分布的第一肘关节解耦导向轮(410)、第二肘关节解耦导向轮(411)、第三肘关节解耦导向轮(412)，所述小臂(302)的中部两侧分布有对称设置的小臂导向轮、解耦导向轮、双槽解耦导向轮，所述小臂导向轮包括有小臂导向轮一号(303)、小臂导向轮二号(304)、小臂导向轮三号(305)、小臂导向轮四号(306)，其位于上端部两侧两两为一组，所述解耦导向轮位于小臂导向轮的下方，包括有第一解耦导向轮(401)、第二解耦导向轮(402)，所述解耦导向轮下方铺设有滑动轨道(404)，所述滑动轨道(404)上分别设置有可滑动的滑块(405)，一侧的滑块(405)上安装有双槽解耦导向轮一号(406)，另一侧的滑块上安装有双槽解耦导向轮四号(426)，所述滑动轨道(404)下方的外侧的小臂(302)内侧面上安装有双槽解耦导向轮二号(408)和双槽解耦导向轮三号(415)；还包括有左侧开环解耦绳索(414)、右侧开环解耦绳索(409)，所述左侧开环解耦绳索(414)、右侧开环解耦绳索(409)分别在第二肘关节解耦导向轮(411)上固定，从左右侧绕过肘关节解耦导向轮、对应侧的肘关节解耦导向轮、双槽解耦导向轮后在双槽解耦导向轮上固定，还包括有闭环解耦绳索(403)，所述闭环解耦绳索(403)绕过第四解耦导向轮(418)、第二解耦导向轮(402)、第一解耦导向轮(401)后与第三解耦导向轮(417)相连形成闭环传动，第三解耦导向轮(417)和第四解耦导向轮(418)分别套装于双槽解耦导向轮一号(406)和双槽解耦导向轮二号(416)内侧的转轴上。

5.根据权利要求4所述的变刚度柔索驱动7自由度串联喷涂机械臂，其特征在于：所述肘关节被动变刚度模块包括有对称设置的用于将小臂(302)底端与大臂模块的大臂上端连接的蜗杆轴套(512)，所述蜗杆轴套(512)的中部分别安装有水平朝外的蜗杆(513)，所述蜗杆(513)的上下端分别安装有与其传动连接的蜗轮(529)，所述蜗轮(529)分别通过蜗轮旋转轴(519)安装在大臂上端侧外侧面上，所述蜗轮旋转轴(519)的一端分别通过蜗轮旋转轴座(516)将大臂和小臂转动连接，且内端部分别依次套装有肘关节大导向轮二号(610)和肘关节大导向轮一号(604)，所述第一肘关节解耦导向轮(410)、第二肘关节解耦导向轮(411)、第三肘关节解耦导向轮(412)分布在蜗轮旋转轴(519)的端部的固定板上，另一端分别通过摆臂套筒组件连接在外侧的滑移圆盖(517)上，所述摆臂套筒组件包括有安装在蜗轮旋转轴(519)端部的摆臂套筒(528)，所述摆臂套筒(528)内部安装有小圆轴(526)，所述小圆轴(526)上套装有弹簧(527)，且通过挡环(525)压装在摆臂套筒(528)内部，所述小圆轴(526)的端部连接有受压套筒(524)，所述受压套筒(524)上安装有滚轮基座(523)，所述滚轮基座(523)上分别安装有承压滚轮(521)，所述承压滚轮(521)与曲面固定块(520)相互配合，且曲面固定块(520) 安装在滑移圆盖(517)上；所述承压滚轮(521)通过摆臂套筒驱动在曲面固定块(520)上滚动，且通过受压套筒(524)压缩弹簧(527)，从而满足被动变刚度的需要。

6.根据权利要求5所述的变刚度柔索驱动7自由度串联喷涂机械臂，其特征在于：所述肘关节主动变刚度模块(7)包括有转动安装在大臂模块底端部内的主动变刚度驱动轴(701)，主动变刚度驱动轴(701)上安装有主动变刚度传动轮(702)，所述主动变刚度驱动轴(701)伸出大臂的两外端部分别安装有主动变刚度驱动轮(505)，所述主动变刚度驱动轮(505)的上下端两侧分别设有与主动变刚度导向轮二号(506)、主动变刚度导向轮三号(508)，所述主动变刚度传动轮(702)上绕有主动变刚度驱动绳索(703)，所述主动变刚度驱动绳索(703)从驱动电机端绕出，通过大臂绳孔，绕过大臂底端面上的变刚度导向轮(705)后与主动变刚度传动轮(702)相连形成闭环传动；

所述主动变刚度驱动绳索(703)带动主动变刚度驱动轴(701)转动，主动变刚度驱动轴(701)转动带动主动变刚度驱动轮(505)转动，所述主动变刚度驱动轮(505)上固定安装有主动变刚度绳索一号(504)和主动变刚度绳索二号(509)，所述主动变刚度绳索一号(504)绕过主动变刚度驱动轮二号(506)穿过其上方的主动变刚度导向轮一号(502)后在吊耳一号(501)上固定，所述主动变刚度绳索二号(509)绕过主动变刚度驱动轮三号(508)穿过其上方的主动变刚度导向轮四号(510)后在吊耳二号(511)上固定，所述主动变刚度导向轮一号(502)和主动变刚度导向轮四号(510)分别固定在肘关节被动变刚度模块对应的外侧壁上，所述吊耳一号(501)和吊耳二号(511)均固定在滑移圆盖(517)上；所述主动变刚度绳索一号(504)和主动变刚度绳索二号(510)驱动滑移圆盖(517)在圆筒(530)中移动，且不脱离出圆筒(530)，弹簧发生了主动变形，实现了主动变刚度。

所述肘关节主动变刚度模块与肘关节被动变刚度模块相互配合，其之间设置有肘关节绳索张力放大驱动模块，所述肘关节绳索张力放大驱动模块包括第一肘关节驱动绳索(608)，所述第一肘关节驱动绳索(608)从驱动电机端绕出，通过大臂绳孔，其一端从左侧绕过肘关节大导向轮一号(604)一圈，绕过上方的被牵引导向轮一号(603)，绕过肘关节大导向轮二号(609)一圈，从右侧绕过肘关节小导向轮(605)后在绳索固定限位块(612)上固定，其另一端从右侧绕过肘关节大导向轮一号(604)一圈，绕过上方的被牵引导向轮二号(609)，绕过肘关节大导向轮二号(610)一圈，从左侧绕过肘关节小导向轮(605)后在绳索固定限位块(612)上固定，通过第一肘关节驱动绳索(608)的驱动，带动小臂绕肘关节发生转动，实现肘关节的一个转动自由度，所述第一肘关节驱动绳索(608)在动滑轮上的绕入绳索与绕出绳索平行，且绳索张力放大两倍；第二肘关节驱动绳索(611)从驱动电机端绕出，通过大臂绳孔，与第一肘关节驱动绳索对称布置。

7.根据权利要求6所述的变刚度柔索驱动7自由度串联喷涂机械臂，其特征在于：所述肩关节解耦模块(8)包括有肩关节旋转轴(903)，所述肩关节旋转轴(903)将大臂和机械臂支撑板(1009)转动连接，所述肩关节旋转轴(903)上套装有肩关节驱动轮一号(810)和肩关节驱动轮二号(811)，所述肩关节驱动轮一号(810)的底端设置有随动解耦轮，所述随动解耦轮的下端设置有解耦固定轮(809)，所述解耦固定轮(809)通过固定架支撑架设在机械臂支撑板内，所述随动解耦轮包括有随动解耦轮主体(807)，所述随动解耦轮主体(807)的圆周外侧面上分布有间隔设置的缺口，且缺口内安装有两两为一组总共四组解耦轮系，每组轮系包括三个层叠的肩关节解耦轮；所述随动解耦轮主体的轮孔内安装有一组锥齿轮系，所述锥齿轮系包括第一小型锥齿轮(802)、第二小型锥齿轮(8021)、第三小型锥齿轮(8022)；所述第一小型锥齿轮(802)通过小型锥齿轮驱动短轴安装在肩关节旋转轴(903)上，跟随肩关节旋转轴一起转动；所述第三小型锥齿轮(8021)同时与第一小型锥齿轮(802)和第二小型锥齿轮(8021)啮合，且通过小型锥齿轮转轴和小型套筒(804)安装在随动解耦轮主体(807)上；所述第二小型锥齿轮(8021)通过小型锥齿轮固定短轴在解耦固定轮(809)上固定；所述随动解耦轮主体(807)、解耦固定轮(809)、肩关节驱动轮一号(810)上分别有半圆形走绳槽，所述肩关节驱动轮一号和随动解耦轮主体配合形成六组圆形走绳槽，所述随动解耦轮主体和解耦固定轮配合也形成六组圆形走绳槽，所述圆形走绳槽用于绳索通过；

所述随动解耦轮通过锥齿轮系以肩关节驱动轮一号和肩关节驱动轮二号一半的速度转动，所述第二肘关节驱动绳索(611)的一端穿过解耦固定轮绳孔，绕过肩关节解耦轮一号(806)，穿过肩关节驱动轮一号绳孔、肩关节驱动轮二号绳孔后导向大臂绳孔；所述第二肘关节驱动绳索(611)的另一端穿过解耦固定轮(809)绳孔，绕过肩关节解耦轮二号(808)，穿过肩关节驱动轮一号绳孔、肩关节驱动轮二号绳孔后导向大臂绳孔；所述第一腕关节驱动绳索(208)、第二腕关节驱动绳索(209)、第三腕关节驱动绳索(210)、第一肘关节驱动绳索(608)、主动变刚度驱动绳索(703)有和第二肘关节驱动绳索(611)相似的传动连接关系。

8.根据权利要求1所述的变刚度柔索驱动7自由度串联喷涂机械臂，其特征在于：所述肩关节耦合驱动模块(9)包括肩关节驱动绳索一号(905)和肩关节驱动绳索二号(916)；所述肩关节驱动绳索一号(905)一端固定在电机驱动轮上，通过肩关节基架绳孔，绕过第二肩关节导向轮(911)，绕过肩关节驱动轮三号(909)一圈，绕过第一肩关节导向轮(904)后固定在肩关节驱动轮二号(811)上，其另一端是相似的传动连接关系；所述肩关节驱动绳索二号(916)一端固定在电机驱动轮上，通过肩关节基架绳孔，绕过第三肩关节导向轮(912)，绕过肩关节驱动轮四号(913)一圈，绕过第四肩关节导向轮(917)后固定在肩关节驱动轮一号(810)上，其另一端是相似的传动连接关系；所述肩关节旋转轴(903)上安装有肩关节驱动轮三号(909)、肩关节驱动轮四号(913)、肩关节旋转支板(918)、带槽旋转支板一号(919)、带槽旋转支板二号(920)，所述带槽旋转支板一号(919)和带槽旋转支板二号(920)上有矩形空槽让绳索穿过；

所述肩关节末端转动模块(10)包括肩关节末端驱动轮(1005)，所述肩关节末端驱动轮(1005)安装在肩关节末端套筒(1006)上，所述肩关节末端套筒(1006)和肩关节旋转基座(921)连接，所述肩关节旋转基座(921)安装在肩关节基架底部；且通过轴承套筒(1001)安装在机械臂支撑板上，所述肩关节末端驱动绳一端固定在直立电机驱动轮上，另一端固定在肩关节末端驱动轮(1005)上，直立电机驱动轮(1202)通过关节末端驱动绳(1206)带动肩关节末端驱动轮(1005)转动，实现了一个转动自由度。

9.根据权利要求1所述的变刚度柔索驱动7自由度串联喷涂机械臂，其特征在于：所述绳索导向模块(11)包括多列移动导向轮座(1104)，所述多列移动导向轮座(1104)上安装有T型螺栓(1105)，所述T型螺栓(1105)上安装有移动导向轮一号(1102)和移动导向轮二号(1103)，移动导向轮一号(1102)和移动导向轮二号(1103)之间通过短支撑环、长支撑环和六角法兰螺母支撑连接，构成一个导向轮组，所述多列移动导向轮座(1104)安装有三组导向轮组，所述导向轮组通过手动移动改变在多列移动导向轮座中的位置；

还包括有多组滑轮支撑座和单列移动导向轮座，所述多组滑轮支撑座上安装有三组导向滑轮，且每组两个导向滑轮间有一定的前后距离，用于防止两根绳索相互干涉，所述单列移动导向轮座安装有一组导向轮组；如第一肘关节驱动绳索(608)一端在电机驱动轮上固定，其一根绳索绕过移动导向轮四号(1111)、移动导向轮六号(1113)、驱动绳索导向滑轮二号(1115)，导入肩部中间绳孔，其另一根绳索绕过移动导向轮三号(1110)、移动导向轮五号(1112)、驱动绳索导向滑轮一号(1114)，导入肩部中间绳孔，通过移动导向轮组在移动导向轮座上的位置实现绳索的“Z”字张紧。

10.根据权利要求1所述的变刚度柔索驱动7自由度串联喷涂机械臂，其特征在于：所述电机驱动模块(12)包括有八组横卧电机，所述八组横卧电机分别驱动八组驱动绳索，所述八组驱动绳索中其余七组绳索与第一肘关节驱动绳索有相似的传动连接关系，所述直立电机驱动轮安装在直立电机上，直立电机通过直立电机支撑座安装在底板上，所述第一腕关节驱动绳索、第二腕关节驱动绳索、第三腕关节驱动绳索、第一肘关节驱动绳索、第二肘关节驱动绳索、主动变刚度驱动绳索从肩关节基架中间绳孔中穿出，绕过肩关节过渡轮一圈后，分别进入肩关节耦合驱动模块的解耦固定轮的六组绳孔中。

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