CN115107013B - 绳驱动仿人机械臂及工业机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种绳驱动仿人机械臂，利用绳索驱动为主要的动力传递方式，通过将主要质量部件第一肩关节驱动组件、第二肩关节驱动组件、第三肩关节驱动组件以及肘腕关节驱动模块部分均进行后置(即靠近肩关节设置)，极大减少机械臂运动惯量，提高运行的安全性；本发明通过将与肘部传动滑轮相连的绳索穿设于肘部连接头内，与腕部传动滑轮相连的绳索设置于肘部连接头外部，实现了腕关节部分绳索与肘关节部分绳索之间的解耦。本发明实现了结构的轻量化，且不同功能部件的模块化使得机械臂结构更加简单，更加易于部署和维护。本发明还提出一种包含上述绳驱动仿人机械臂的工业机器人。

Description

绳驱动仿人机械臂及工业机器人

技术领域

本发明属于自动化设备领域，涉及一种工业机械臂，特别是涉及一种轻量高集成度的绳驱动仿人机械臂及工业机器人。

背景技术

传统的工业机械臂凭借其高速度、高精度和高鲁棒性等优点在工业领域得到广泛应用，它不仅可以替代人类完成繁重的劳动，还可以实现机械化和自动化的生产，因此广泛应用于工业制造、医学治疗、国防军工等领域，大大节约了劳动成本，促进了社会和经济的发展。传统工业机器人更关注工业产品的加工操作，以及机械臂本身的可重复定位精度、关节空间等。传统工业机器人大部分为关节型机器人，驱动电机均置于各个关节处，带来刚度大，质量高的问题，为了解决人机协作的安全性问题，现有机器人厂商尝试在传统关节型机器人上使用柔性部件，如弹性致动器、柔轮等，同时加装位置传感器和力传感器，试图在控制算法及硬件缓冲方面将机器人与人的交互变得更安全。

虽然目前的方法能够起到一定的安全预防和安全保障的作用，但是始终达不到机械臂的本质柔顺性，机械臂本体的质量和刚度造成机器人在执行任务时由于错误指令、响应速度等制约仍然会给人机交互中带来很多挑战，同时对于更普遍的家庭人机交互场景，机械臂所要面对的不是工厂训练有素的一类群体，更多的是老人，小孩，宠物等带来的不确定目标，因此在ISO人机协作机器人标准中也对冲击能量进行了限制。为了达到本质安全性，使用绳索驱动的机器人可以使得电机及减速器等集中置于机器人本体基座，从而减少运动部件的质量，在高速运动过程中，运动惯量能够得到控制，从而使机器人能够更加安全，更加适合于通用场景下的使用。

绳驱动机械臂依靠绳索来传递动力，其最大的特点就是质量较轻而且可以进行远距离传输。绳驱动机械臂可以通过将驱动电机后置于基座上，利用绳索远距离传输运动和力的方式有效克服刚性手臂存在的问题，从而满足机器人安全性、灵活性和适应性要求。然而当前绳驱动机器人面临结构复杂，各关节相互耦合的问题，为了进行绳索解耦，现有绳驱动机械臂布置了很多滑轮及解耦装置，反而进一步提升了机械臂整体结构的复杂度及总体质量。因此，实现绳驱动机械臂的低耦合及轻量化，仍然是本领域需要克服的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种绳驱动仿人机械臂及工业机器人，以解决目前绳驱动机械臂所存在的结构复杂、重量大以及各关节耦合严重的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种绳驱动仿人机械臂，包括：

肩关节部分，所述肩关节部分包括中心支撑架、俯仰转动架、翻滚转动架、第一肩关节驱动组件、第二肩关节驱动组件和第三肩关节驱动组件；所述第一肩关节驱动组件与所述中心支撑架的轴向一端刚性连接，所述第一肩关节驱动组件能够驱动所述中心支撑架绕其轴线360°旋转；所述俯仰转动架转动连接于所述中心支撑架的轴向另一端，并垂直于所述中心支撑架的轴向设置，所述俯仰转动架的轴向一端设置第一俯仰轴导向滑轮，所述第二肩关节驱动组件的绳索绕经所述第一俯仰轴导向滑轮缠绕到所述俯仰转动架的线轮上，以驱动所述俯仰转动架相对所述中心支撑架俯仰转动；所述翻滚转动架转动连接于所述俯仰转动架上，并平行于所述中心支撑架的轴向设置，所述俯仰转动架的轴向另一端设置第二俯仰轴导向滑轮和翻滚轴导向滑轮，所述第三肩关节驱动组件的绳索依次绕经所述第二俯仰轴传动滑轮、所述翻滚轴导向滑轮缠绕到所述翻滚转动架的线轮上，以驱动所述翻滚转动架相对所述俯仰转动架翻转转动；

肘关节部分，所述肘关节部分包括能够实现肘关节单自由度运动的共轭齿轮传动机构，所述共轭齿轮传动机构的一端通过肘部连接头与所述俯仰转动架的远离所述肩关节部分的一端刚性连接；所述共轭齿轮传动机构上设置肘部传动滑轮；

腕关节部分，所述腕关节部分包括三自由度腕关节，所述三自由度腕关节的一端通过所述肘部连接头与所述共轭齿轮传动机构的另一端刚性连接；所述三自由度腕关节上设置腕部传动滑轮；

肘腕关节驱动模块部分，所述肘腕关节驱动模块部分整体连接于所述俯仰转动架的靠近所述肩关节部分的一端；所述肘腕关节驱动模块部分包括肘关节驱动组件和腕关节驱动组件，所述肘关节驱动组件的绳索与所述肘部传动滑轮相连，以驱动所述共轭齿轮传动机构动作，所述腕关节驱动组件的绳索与所述腕部传动滑轮相连，以驱动所述三自由度腕关节动作；其中，与所述肘部传动滑轮相连的绳索穿设于所述肘部连接头内，与所述腕部传动滑轮相连的绳索位于所述肘部连接头外部。

可选的，所述中心支撑架包括：

中心支撑板，所述中心支撑板的中点与所述第一肩关节驱动组件刚性连接；

中心支撑架侧板，所述中心支撑架侧板设置有两块，两块所述中心支撑架侧板的一端分别连接于所述中心支撑板的两端，两块所述中心支撑架侧板的另一端分别与所述俯仰转动架的两端转动连接；

支撑架导向滑轮，所述支撑架导向滑轮设置有两个，两个所述支撑架导向滑轮分别设置于所述中心支撑板的两端，两个所述支撑架导向滑轮分别用于将所述第二肩关节驱动组件和所述第三肩关节驱动组件的动力通过绳索传递至所述第一俯仰轴导向滑轮和所述第二俯仰轴导向滑轮。

可选的，所述第一肩关节驱动组件包括筒轴、底部固定板、内筒和内筒驱动模块，所述筒轴与所述底部固定板的一侧连接，所述内筒转动套设于所述筒轴外部，且所述内筒与所述中心支撑板的中点刚性连接，所述内筒驱动模块设置于所述底部固定板的另一侧，所述内筒驱动模块与缠绕于所述内筒上的绳索相连，以驱动所述内筒绕所述筒轴转动；

所述第二肩关节驱动组件包括中筒和中筒驱动模块，所述中筒转动套设于所述内筒外部，缠绕于所述中筒上的绳索的一端绕经所述第一俯仰轴导向滑轮缠绕到所述俯仰转动架的线轮上，所述中筒驱动模块与所述内筒驱动模块设置于所述底部固定板的同一侧，所述中筒驱动模块与缠绕于所述中筒上的绳索的另一端相连，以驱动所述中筒绕所述内筒转动；

所述第三肩关节驱动组件包括外筒和外筒驱动模块，所述外筒转动套设于所述中筒外部，缠绕于所述外筒上的绳索的一端依次绕经所述第二俯仰轴传动滑轮、所述翻滚轴导向滑轮缠绕到所述翻滚转动架的线轮上，所述外筒驱动模块与所述内筒驱动模块设置于所述底部固定板的同一侧，所述外筒驱动模块与缠绕于所述外筒上的绳索的另一端相连，以驱动所述外筒绕所述中筒转动。

可选的，所述俯仰转动架包括中间安装件和端部连接轴，所述中间安装件的中部开设有中心安装圆孔，所述中间安装件的两端分别通过一所述端部连接轴与所述中心支撑架侧板转动连接；

所述翻滚转动架包括翻滚连接轴和设置于所述翻滚连接轴上的外周开有穿线通孔的线轮，所述翻滚连接轴转动安装于所述中心安装圆孔内，且所述翻滚连接轴的远离所述中心支撑板的一端通过肩部连接头与所述肘部连接头刚性连接；所述翻滚连接轴的靠近所述中心支撑板的一端设置有支撑架连接件，所述肘腕关节驱动模块部分设置于所述支撑架连接件上。

可选的，所述底部固定板的设置所述筒轴的一侧还设置有绳索预紧装置，所述绳索预紧装置包括：

安装块，所述安装块设置于所述底部固定板上，所述安装块上开设有滑槽；

滑块，所述滑块的一侧滑动安装于所述滑槽内；

定滑轮，所述定滑轮设置于所述滑块的背离所述滑槽的一侧，所述定滑轮上饶设缠绕于所述内筒上的绳索、缠绕于所述中筒上的绳索或缠绕于所述外筒上的绳索；

调节块，所述调节块设置于所述安装块或所述底部固定板上，所述调节块上开设有螺纹调节孔；

张紧调节螺栓，所述张紧调节螺栓与所述螺纹调节孔螺纹连接，且所述张紧调节螺栓的尾部与所述滑块连接，以驱动所述滑块沿所述滑槽滑动。

可选的，所述共轭齿轮传动机构包括：

中心连接轴，所述中心连接轴间隔且平行设置有两根；

共轭齿轮，所述共轭齿轮设置有两对，每根所述中心连接轴上均安装有一对所述共轭齿轮，且每对所述共轭齿轮中的两个所述共轭齿轮之间通过一U型架连接；两根所述中心连接轴上的所述共轭齿轮一一对应且相互啮合；每相互啮合的两个所述共轭齿轮的外侧通过肘部连杆相连，且所述肘部连杆的两端分别与两个所述共轭齿轮转动连接；

所述肘部传动滑轮，所述肘部传动滑轮设置有两对，每对所述肘部传动滑轮中的两个所述肘部传动滑轮分别设置于两根所述中心连接轴上，且任意一所述肘部传动滑轮均位于同一所述中心连接轴上的两个所述共轭齿轮之间；两对所述肘部传动滑轮中的一对通过绳索进行正“8”型缠绕，另一对通过绳索进行逆“8”型缠绕；所述肘关节驱动组件包括两个连接有绕线轮的肘关节驱动电机，每对所述肘部传动滑轮上缠绕的绳索分别与一个所述肘关节驱动电机的所述绕线轮连接；

肘部导向轮，所述肘部导向轮设置四对，任意一所述中心连接轴的两端均设置有一对所述肘部导向轮，且任意一对所述肘部导向轮均位于对应端所述共轭齿轮的外侧。

可选的，所述三自由度腕关节包括：

腕部下平面，所述腕部下平面的一侧与所述肘部连接头相连，所述腕部下平面为“十”字结构，且其四个顶点处分别设置一下平面定滑轮；

球铰链，所述球铰链设置于所述腕部下平面的另一侧；

腕部上平面，所述腕部上平面通过铰链连杆与所述球铰链相连，所述腕部上平面为“十”字结构，且其四个顶点处分别设置一上平面定滑轮；

其中，所述腕部下平面上的所述下平面定滑轮与所述腕部上平面上的所述上平面定滑轮一一对应形成四组平面定滑轮组；每组所述平面定滑轮组中的所述下平面定滑轮和所述上平面定滑轮均通过一绳索缠绕连接，所述腕关节驱动组件包括四个连接有绕线轮的腕关节驱动电机，每组所述平面定滑轮组中缠绕的绳索分别绕经一对所述肘部导向轮与一所述腕关节驱动电机的所述绕线轮连接。

可选的，所述肘腕关节驱动模块部分还包括驱动模块支撑架，所述驱动模块支撑架与所述支撑架连接件相连；所述驱动模块支撑架的远离所述支撑架连接件的一侧还设置有电机安装圆盘；

两个所述肘关节驱动电机和四个所述腕关节驱动电机均安装于所述电机安装圆盘上，且两个所述肘关节驱动电机和四个所述腕关节驱动电机呈圆周均匀分布。

可选的，所述肘腕关节驱动模块部分还包括张力检测组件，所述张力检测组件包括：

导向滑轮正六边形安装架，所述导向滑轮正六边形安装架设置于所述驱动模块支撑架上，且所述导向滑轮正六边形安装架位于所述支撑架连接件与所述电机安装圆盘之间；

导向定滑轮组，所述导向定滑轮组安装于所述导向滑轮正六边形安装架上，且所述导向滑轮正六边形安装架的六个定点分别设置一组所述导向定滑轮组；每个所述导向定滑轮组均包括两个所述导向定滑轮；

张力检测传感器，所述张力检测传感器设置于所述支撑架连接件上，且所述张力检测传感器设置有六组；每个所述张力检测传感器上均设置有一张力检测定滑轮，所述张力检测定滑轮、所述导向定滑轮组以及所述电机安装圆盘上的驱动电机一一对应布置。

本发明还提出一种工业机器人，包括如上任意一项所述的绳驱动仿人机械臂。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提出的绳驱动仿人机械臂，利用绳索驱动为主要的动力传递方式，通过将主要质量部件第一肩关节驱动组件、第二肩关节驱动组件、第三肩关节驱动组件以及肘腕关节驱动模块部分均进行后置(即靠近肩关节设置)，极大减少机械臂运动惯量，提高运行的安全性；本发明通过将与肘部传动滑轮相连的绳索穿设于肘部连接头内，与腕部传动滑轮相连的绳索设置于肘部连接头外部，实现了腕关节部分绳索与肘关节部分绳索之间的解耦。本发明实现了结构的轻量化，且不同功能部件的模块化使得机械臂结构更加简单，更加易于部署和维护。

本发明的绳驱动仿人机械臂实现了基于柔性驱动环境下，机械臂七自由度仿人关节运动，其中，机械臂肩关节通过三电机带动三组绕线滑轮进行动力传递，具备三自由度旋转、俯仰、翻滚运动；肘部关节通过肘部传动滑轮与两对共轭齿轮进行高刚度、纯滚动运动；腕关节通过四个电机带动四根绳索，利用腕部球铰链实现三自由度运动，其中四根绳索可以在腕部上下平面的定滑轮上进行多次缠绕，在保证低质量的前提下，提高整体刚度。

本发明还提出一种包含上述绳驱动仿人机械臂的工业机器人，其具备上述绳驱动仿人机械臂所具有的所有特点，在此不再赘述。

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为本发明实施例所公开的绳驱动仿人机械臂的正视图；

图2为本发明实施例所公开的绳驱动仿人机械臂的俯视图；

图3为本发明实施例所公开的绳驱动仿人机械臂中肩关节部分的正视图；

图4为本发明实施例所公开的绳驱动仿人机械臂中肩关节部分的上剖面图；

图5为本发明实施例所公开的绳驱动仿人机械臂中肩关节部分的俯视图；

图6为本发明实施例所公开的绳驱动仿人机械臂中肘关节部分的正视图；

图7为本发明实施例所公开的绳驱动仿人机械臂中肘关节部分的俯视图；

图8为本发明实施例所公开的绳驱动仿人机械臂中腕关节部分的轴测图；

图9为本发明实施例所公开的绳驱动仿人机械臂中肘腕关节驱动模块部分的正视图。

其中，附图标记为：

1-肩关节部分；101-外筒驱动模块；102-内筒驱动模块；103-中筒驱动模块；104-底部固定板；105-筒轴；106-内筒；107-中筒；108-外筒；109-中心支撑板；110-中心支撑架侧板；111-俯仰转动架；112-翻滚转动架；113-支撑架连接件；114-俯仰轴导向滑轮；115-绳索预紧装置；116-支撑架导向滑轮；117-翻滚轴导向滑轮；

2-肘关节部分；201-肘部连接头；202-共轭齿轮；203-肘部导向滑轮；204-肘部传动滑轮；205-中心连接轴；206-肘部连杆；

3-腕关节部分；301-腕部下平面；302-下平面定滑轮；303-腕部上平面304-上平面定滑轮；305-球铰链；306-铰链连杆；

4-肘腕关节驱动模块部分；401-电机驱动件；402-绕线轮；403-导向定滑轮；404-张力检测定滑轮；405-张力检测传感器；406-驱动模块支撑架。

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。

本发明的目的之一是提供一种绳驱动仿人机械臂，以解决目前绳驱动机械臂所存在的结构复杂、重量大以及各关节耦合严重的问题。

本发明的另一目的还在于提供一种具有上述绳驱动仿人机械臂的工业机器人。

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。

实施例一

如图1～图2所示，本实施例提供一种绳驱动仿人机械臂，具体为，一种轻量高集成度的绳驱动仿人机械臂设计，其总体由模块化四部分组成，分别为肩关节部分1、肘关节部分2、腕关节部分3和肘腕关节驱动模块部分4，其中肩关节部分1、肘关节部分2、腕关节部分3和肘腕关节驱动模块部分4四部分之间的机械连接为标准圆盘式设计，圆盘上具有四个M6螺纹孔，通过连接组件进行整体机械臂搭建，整体传动部分为肩关节部分1基座处三电机直接驱动绕线筒，再利用各处导向滑轮转换，使得肩关节部分1具有三自由度旋转；肘腕关节驱动模块部分4为6电机圆周均布设计，通过绕线轮、导向滑轮等组件向肘关节部分2以及腕关节部分3传递动力。

于本实施例中，肩关节部分1的主要部件有外筒驱动模块101、内筒驱动模块102、中筒驱动模块103、底部固定板104、筒轴105、内筒106、中筒107、外筒108、中心支撑板109、中心支撑架侧板110、俯仰转动架111、翻滚转动架112、支撑架连接件113、俯仰轴导向滑轮114、绳索预紧装置115、支撑架导向滑轮116和翻滚轴导向滑轮117。其中筒轴105与底部固定板104通过螺栓紧固连接，底部固定板104用于连接机器人或其他固定设置的基座，为整体机械臂固定部位，筒轴105外侧由内至外依次排布的部件为内筒106、中筒107以及外筒108，相邻两部件之间使用标准轴承进行装配，使每个筒套均能绕自身轴线进行旋转，其中外筒驱动模块101、内筒驱动模块102以及中筒驱动模块103均优选为驱动电机，外筒驱动模块101、内筒驱动模块102以及中筒驱动模块103的输出端均连接有绕线轮，且绕线轮上的绳索分别缠绕至外筒108、内筒106和中筒107上，外筒驱动模块101、内筒驱动模块102以及中筒驱动模块103启动可驱动各自的绕线轮转动，进而通过绳索驱动外筒108、内筒106和中筒107相互独立转动，其中，内筒106能够绕筒轴105进行旋转，中筒107能够绕内筒106进行旋转，外筒108能够绕中筒107进行旋转，筒轴105、内筒106、中筒107以及外筒108内部均设计有轴承定位轴肩，中间的轴承两端定位通过套筒进行安装。其中，内筒106与中心支撑板109通过螺栓固定连接形成一个整体，中心支撑板109与两侧的中心支撑架侧板110通过M4螺栓进行固定连接，中心支撑架整体为对称布置，分别在中心支撑板109的长度方向两端开孔，用以安装支撑架导向滑轮116，其作用是将中筒107及外筒108的动力通过绳索传递到俯仰转动架111和翻滚转动架112。因此内筒驱动模块102通过缠绕在其绕线轮上的绳索驱动内筒106及中心支撑板109整体进行旋转；缠绕在中筒107上的绳索，通过一侧的支撑架导向滑轮116缠绕到俯仰转动架111上的线轮上，从而驱动俯仰转动架111旋转；缠绕在外筒108上的绳索，通过另一侧的支撑架导向滑轮116及设置在俯仰转动架111上的俯仰轴导向滑轮114缠绕到翻滚转动架112上的线轮上，从而驱动翻滚转动架112旋转。以上即为肩关节部分1三自由度的绕线及驱动原理。

于本实施例中，俯仰转动架111包含中间安装件、端部连接轴和设置于端部连接轴上的边侧绕线轮，中间安装件的中部开设有中心安装圆孔，中间安装件的两端分别通过一端部连接轴与中心支撑架侧板110转动连接。翻滚转动架112的基本组成包括翻滚连接轴和设置于翻滚连接轴上的外周开有穿线通孔的绕线轮，翻滚连接轴转动安装于上述中心安装圆孔内，且翻滚连接轴的远离中心支撑板109的一端通过肩部连接头与肘部连接头201刚性连接，翻滚连接轴的靠近中心支撑板109的一端设置有支撑架连接件113，肘腕关节驱动模块部分4设置于该支撑架连接件113上。其中，上述翻滚连接轴的两端均设置有开设四个M6螺纹孔安装圆盘，肘部连接头201亦为同等规格的安装圆盘，翻滚连接轴与肘关节部分之间可实现标准圆盘式对接；翻滚连接轴与与支撑架连接件113之间采用螺栓固定连接。端部连接轴与中心支撑架侧板110之间及中心安装圆孔与翻滚连接轴之间均使用标准轴承连接，能够实现不同部件的单独旋转。

本实施例中，从内筒驱动模块102、中筒驱动模块103、外筒驱动模块101缠绕到内筒106、中筒107和外筒108上的绳索均先与绳索预紧装置115相连，绳索预紧装置115主要包括安装块、滑块、定滑轮、调节块和张紧调节螺栓，安装块设置于底部固定板104上，安装块上开设有滑槽；滑块的一侧滑动安装于滑槽内；定滑轮设置于滑块的背离滑槽的一侧，定滑轮上饶设缠绕于内筒上106的绳索、缠绕于中筒107上的绳索或缠绕于外筒108上的绳索；调节块设置于安装块或底部固定板104上，调节块上开设有螺纹调节孔；张紧调节螺栓与螺纹调节孔螺纹连接，且张紧调节螺栓的尾部与滑块连接，以驱动滑块沿滑槽滑动。张紧调节螺栓为一长螺栓，可通过旋转张紧调节螺栓的不同进给量实现滑块在滑槽内部的上下运动，从而改变绕在定滑轮上的绳索长度和张力大小。作为优选方式，上述绳索预紧装置115设置有三组，以分别用于张紧缠绕于内筒上106的绳索、缠绕于中筒107上的绳索和缠绕于外筒108上的绳索。

本实施例中，肘关节部分2的主要部件为肘部连接头201、共轭齿轮202、肘部导向轮203、肘部传动滑轮204、中心连接轴205和肘部连杆206。其中肘部连接头201为连接共轭齿轮传动部分与肩关节部分1、腕关节部分3的连接装置，为模块化成对设计，肘部连接头201为通用固定圆盘，开有M6大小的螺纹孔进行紧密连接。设计了两对肘部传动滑轮204对于来自肘腕关节驱动模块部分4的绳索进行绕线传动，其中一对肘部传动滑轮204的绕线方式为正“8”型缠绕，另一对肘部传动滑轮204的绕线方式为逆“8”型缠绕，每对肘部传动滑轮204由一个肘关节驱动电机驱动，通过控制不同的肘关节驱动电机运动，可以实现肘部传动滑轮204的正反转，从而实现肘部关节的单自由度运动。其中肘部传动滑轮204与两根中心连接轴205相连，中心连接轴205分别连接两对共轭齿轮202，共轭齿轮202外侧使用肘部连杆206进行固定，实现在肘部传动滑轮204旋转的同时，两对共轭齿轮202能够同步进行旋转。由于在旋转过程中，中心连接轴205一直位于两对共轭齿轮202中心，其距离即中心距保持不变，因此在中心连接轴205对称两侧分别布置4对肘部导向轮203，对来自肘腕关节驱动模块部分4到腕关节部分3的绳索进行解耦。

本实施例中，腕关节部分3的主要部件包括腕部下平面301、下平面定滑轮302、腕部上平面303、上平面定滑轮304、球铰链305和铰链连杆306。其中如图8所示，腕部下平面301和腕部上平面303均进行了减重设计，采用十字结构，在腕部下平面301的四顶点处分别布置一下平面定滑轮302，腕部上平面303的四顶点处分别布置一上平面定滑轮304，从肘部导向轮203缠绕过来的绳索分别在下平面定滑轮302和一上平面定滑轮304上进行缠绕，缠绕的圈数越多，对应的整体张力放大能力越大，整体结构刚度更高。四个顶点处的定滑轮分别缠绕，由四个腕关节驱动电机驱动对应的绳索，腕部上下平面之间具有球铰链305，可实现三自由度任意方向旋转，其中的铰链连杆306为连接腕部上平面303与球铰链305之间的部件，通过调节不同长度的铰链连杆306，可以改变腕部下平面301和腕部上平面303之间的距离。

本实施例中，肘腕关节驱动模块部分4的主要部件包括电机驱动件401、绕线轮402、导向定滑轮403、张力检测定滑轮404、张力检测传感器405和驱动模块支撑架406。其中电机驱动件401设置有六个，且呈圆周均匀布置，其中两个电机驱动件40为肘关节驱动电机，四个电机驱动件40为腕关节驱动电机，每个电机驱动件40的驱动端(即输出端)均连接一绕线轮402，绳索从绕线轮402端开始进行缠绕，然后依次缠绕对称布置的导向定滑轮403及张力检测定滑轮404上，其中张力检测传感器405与张力检测定滑轮404的支撑架通过螺栓固定连接，对应每一个绕线轮402的绳索均设置了一个张力检测模块进行张力检测，驱动模块支撑架406基本组成为上端电机安装圆盘、中部导向滑轮正六边形安装架和底部张力检测传感器安装圆盘，末端为连接头。通过张力检测装置的绳索依次通过翻滚转动架112上绕线轮外周的穿线通孔向肘关节部分2及腕关节部分3传递，其中对应肘关节部分2的两根绳索通过端部连接轴中空的内部腔道连接到肘部传动滑轮204，对应腕关节部分3的四根绳索通过4对肘部导向滑轮203连接到腕部下平面301和腕部上平面303的定滑轮上。

本技术方案提出的上述轻量高集成度的绳驱动仿人机械臂结构设计，包括仿人机械臂肩关节，肘关节和腕关节机构，各关节部分为模块化设计，具有通用圆盘接头，可以进行随意组合和装配。将肘关节及腕关节的驱动装置进行模块化构建形成肘腕驱动模块，主体结构采用绳索驱动原理，电机及主体质量部件进行后置，可将整体惯性极大降低，提高机械臂本身本质安全性要求。在柔性绳索驱动制约的整体刚度方面，肘关节及腕关节创新性采用张力及刚度放大机制，其中肘关节通过两个共轭齿轮进行啮合，形成小体积，低质量的高刚度单关节结构，腕关节借鉴经典绳驱动并联CDPR机器人优点，利用动定滑轮多次绕线组合，进行刚度及张力的放大，保证低质量下高刚度的实现。由于机械臂主体质量部分，如电机，减速器等部件靠近肩关节附近，因此对于机构的集成度要求十分重要，本方案中的张力检测模块，绳索预紧模块，电机驱动模块均进行了集成化及模块化设计，能够更好的适应不同场合的实际需求。

与现有技术相比，本技术方案主要具有如下特点：

(1)绳驱动仿人机械臂由置于底部固定板的三个电机通过三个绕线筒及相关滑轮走线装置进行直接驱动三自由度肩关节，肘关节及腕关节通过六个电机进行四自由度的冗余驱动，其中肘关节设计有两对共轭齿轮，齿轮对中间轴分别布置两对滑轮，在滑轮上进行绳索绕线，令两个滑轮对的绕线方式相反，便可通过其中两个肘关节电机的驱动带动肘关节向两个方向进行运动。腕关节为参考CDPR绳索并联驱动方式，采用n+1型驱动方案，通过四个腕关节驱动电机驱动腕关节三个自由度的运动，其中绳索绕线通过了肘关节的解耦滑轮，由于肘关节相邻两对齿轮中心位置在肘部转动过程中保持不变，从而不会影响解耦滑轮上腕关节绳索的长度，实现不同关节之间绕线干扰的解耦。

(2)绳驱动仿人机械臂由于采用柔性绳索进行动力传递，相比于传统工业机器人来说，柔性绳索存在刚度较低，只能承受单方向拉力的特点，刚度不能得到很好保证。本技术方案主要通过两方面设计来提高机械臂整体刚度：首先在单自由度肘关节部分使用两对相同半径的共轭齿轮实现纯滚动运动，利用内部绳索的动力传递来提高肘关节整体刚度；然后在三自由度腕关节部分，基于改进的CDPR结构，利用滑轮代替传动的线缆固定端点，通过在每个端点滑轮处进行多次绕线，从而实现腕部关节的张力放大和刚度放大。

(3)在总体质量靠近基座的前提下，将张力检测装置放置于肘腕关节驱动模块部分上，张力检测装置主要由张力检测传感器和张力检测定滑轮组成，通过将电机绕线筒处的绳索进行依次缠绕，实现每一根绳索张力的检测，在基座处设计了一种滑轮及螺栓滑槽组合的绳索预紧装置，通过绳索绕在滑轮槽内，改变滑槽顶端螺栓的进给量，可以改变总体绳索的张紧力。通过上述张力检测模块及绳索预紧模块，能够保证机械臂在控制过程中张力保持及张力控制的可靠性和稳定性。

(4)利用绳索驱动为主要的动力传递方式，通过将主要质量部件进行后置，极大减少机械臂运动惯量，提高运行的安全性。

(5)肩关节、肘关节、腕关节以及肘腕关节驱动模块进行了模块化设计，各个部分可通过连接圆盘接头进行组合，提高了机械臂本体的易部署性及可维护性；而且圆盘接头通用性强，可以进行随意组合和装配。

(6)在绳索柔性及整体质量较低导致的刚度制约下，使用肘部共轭齿轮传动及腕部张力与刚度同步放大机制，极大提高在低质量柔性驱动环境下的机械臂刚度要求。

(7)设计有绳索预紧及张力检测装置，能够对机械臂运行过程中绳索的张力变化进行检测，提前进行绳索预紧，提高运行过程控制的稳定性。

实施例二

本实施例还提出一种工业机器人，其包括如实施例一所述的绳驱动仿人机械臂，故具备上述绳驱动仿人机械臂所具有的所有特点，在此不再赘述。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

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 (10)

1.一种绳驱动仿人机械臂，其特征在于，包括：

肩关节部分，所述肩关节部分包括中心支撑架、俯仰转动架、翻滚转动架、第一肩关节驱动组件、第二肩关节驱动组件和第三肩关节驱动组件；所述第一肩关节驱动组件与所述中心支撑架的轴向一端刚性连接，所述第一肩关节驱动组件能够驱动所述中心支撑架绕其轴线360°旋转；所述俯仰转动架转动连接于所述中心支撑架的轴向另一端，并垂直于所述中心支撑架的轴向设置，所述俯仰转动架的轴向一端设置第一俯仰轴导向滑轮，所述第二肩关节驱动组件的绳索绕经所述第一俯仰轴导向滑轮缠绕到所述俯仰转动架的线轮上，以驱动所述俯仰转动架相对所述中心支撑架俯仰转动；所述翻滚转动架转动连接于所述俯仰转动架上，并平行于所述中心支撑架的轴向设置，所述俯仰转动架的轴向另一端设置第二俯仰轴导向滑轮和翻滚轴导向滑轮，所述第三肩关节驱动组件的绳索依次绕经所述第二俯仰轴导向滑轮、所述翻滚轴导向滑轮缠绕到所述翻滚转动架的线轮上，以驱动所述翻滚转动架相对所述俯仰转动架翻转转动；

肘关节部分，所述肘关节部分包括能够实现肘关节单自由度运动的共轭齿轮传动机构，所述共轭齿轮传动机构的一端通过肘部连接头与所述俯仰转动架的远离所述肩关节部分的一端刚性连接；所述共轭齿轮传动机构上设置肘部传动滑轮；

腕关节部分，所述腕关节部分包括三自由度腕关节，所述三自由度腕关节的一端通过所述肘部连接头与所述共轭齿轮传动机构的另一端刚性连接；所述三自由度腕关节上设置腕部传动滑轮；

肘腕关节驱动模块部分，所述肘腕关节驱动模块部分整体连接于所述俯仰转动架的靠近所述肩关节部分的一端；所述肘腕关节驱动模块部分包括肘关节驱动组件和腕关节驱动组件，所述肘关节驱动组件的绳索与所述肘部传动滑轮相连，以驱动所述共轭齿轮传动机构动作，所述腕关节驱动组件的绳索与所述腕部传动滑轮相连，以驱动所述三自由度腕关节动作；其中，与所述肘部传动滑轮相连的绳索穿设于所述肘部连接头内，与所述腕部传动滑轮相连的绳索位于所述肘部连接头外部。

2.根据权利要求1所述的绳驱动仿人机械臂，其特征在于，所述中心支撑架包括：

中心支撑板，所述中心支撑板的中点与所述第一肩关节驱动组件刚性连接；

中心支撑架侧板，所述中心支撑架侧板设置有两块，两块所述中心支撑架侧板的一端分别连接于所述中心支撑板的两端，两块所述中心支撑架侧板的另一端分别与所述俯仰转动架的两端转动连接；

支撑架导向滑轮，所述支撑架导向滑轮设置有两个，两个所述支撑架导向滑轮分别设置于所述中心支撑板的两端，两个所述支撑架导向滑轮分别用于将所述第二肩关节驱动组件和所述第三肩关节驱动组件的动力通过绳索传递至所述第一俯仰轴导向滑轮和所述第二俯仰轴导向滑轮。

3.根据权利要求2所述的绳驱动仿人机械臂，其特征在于，所述第一肩关节驱动组件包括筒轴、底部固定板、内筒和内筒驱动模块，所述筒轴与所述底部固定板的一侧连接，所述内筒转动套设于所述筒轴外部，且所述内筒与所述中心支撑板的中点刚性连接，所述内筒驱动模块设置于所述底部固定板的另一侧，所述内筒驱动模块与缠绕于所述内筒上的绳索相连，以驱动所述内筒绕所述筒轴转动；

所述第二肩关节驱动组件包括中筒和中筒驱动模块，所述中筒转动套设于所述内筒外部，缠绕于所述中筒上的绳索的一端绕经所述第一俯仰轴导向滑轮缠绕到所述俯仰转动架的线轮上，所述中筒驱动模块与所述内筒驱动模块设置于所述底部固定板的同一侧，所述中筒驱动模块与缠绕于所述中筒上的绳索的另一端相连，以驱动所述中筒绕所述内筒转动；

所述第三肩关节驱动组件包括外筒和外筒驱动模块，所述外筒转动套设于所述中筒外部，缠绕于所述外筒上的绳索的一端依次绕经所述第二俯仰轴导向滑轮、所述翻滚轴导向滑轮缠绕到所述翻滚转动架的线轮上，所述外筒驱动模块与所述内筒驱动模块设置于所述底部固定板的同一侧，所述外筒驱动模块与缠绕于所述外筒上的绳索的另一端相连，以驱动所述外筒绕所述中筒转动。

4.根据权利要求2所述的绳驱动仿人机械臂，其特征在于，所述俯仰转动架包括中间安装件和端部连接轴，所述中间安装件的中部开设有中心安装圆孔，所述中间安装件的两端分别通过一所述端部连接轴与所述中心支撑架侧板转动连接；

所述翻滚转动架包括翻滚连接轴和设置于所述翻滚连接轴上的外周开有穿线通孔的线轮，所述翻滚连接轴转动安装于所述中心安装圆孔内，且所述翻滚连接轴的远离所述中心支撑板的一端通过肩部连接头与所述肘部连接头刚性连接；所述翻滚连接轴的靠近所述中心支撑板的一端设置有支撑架连接件，所述肘腕关节驱动模块部分设置于所述支撑架连接件上。

5.根据权利要求3所述的绳驱动仿人机械臂，其特征在于，所述底部固定板的设置所述筒轴的一侧还设置有绳索预紧装置，所述绳索预紧装置包括：

安装块，所述安装块设置于所述底部固定板上，所述安装块上开设有滑槽；

滑块，所述滑块的一侧滑动安装于所述滑槽内；

定滑轮，所述定滑轮设置于所述滑块的背离所述滑槽的一侧，所述定滑轮上绕设缠绕于所述内筒上的绳索、缠绕于所述中筒上的绳索或缠绕于所述外筒上的绳索；

调节块，所述调节块设置于所述安装块或所述底部固定板上，所述调节块上开设有螺纹调节孔；

张紧调节螺栓，所述张紧调节螺栓与所述螺纹调节孔螺纹连接，且所述张紧调节螺栓的尾部与所述滑块连接，以驱动所述滑块沿所述滑槽滑动。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的绳驱动仿人机械臂，其特征在于，所述共轭齿轮传动机构包括：

中心连接轴，所述中心连接轴间隔且平行设置有两根；

共轭齿轮，所述共轭齿轮设置有两对，每根所述中心连接轴上均安装有一对所述共轭齿轮，且每对所述共轭齿轮中的两个所述共轭齿轮之间通过一U型架连接；两根所述中心连接轴上的所述共轭齿轮一一对应且相互啮合；每相互啮合的两个所述共轭齿轮的外侧通过肘部连杆相连，且所述肘部连杆的两端分别与两个所述共轭齿轮转动连接；

所述肘部传动滑轮，所述肘部传动滑轮设置有两对，每对所述肘部传动滑轮中的两个所述肘部传动滑轮分别设置于两根所述中心连接轴上，且任意一所述肘部传动滑轮均位于同一所述中心连接轴上的两个所述共轭齿轮之间；两对所述肘部传动滑轮中的一对通过绳索进行正“8”型缠绕，另一对通过绳索进行逆“8”型缠绕；所述肘关节驱动组件包括两个连接有绕线轮的肘关节驱动电机，每对所述肘部传动滑轮上缠绕的绳索分别与一个所述肘关节驱动电机的所述绕线轮连接；

肘部导向轮，所述肘部导向轮设置四对，任意一所述中心连接轴的两端均设置有一对所述肘部导向轮，且任意一对所述肘部导向轮均位于对应端所述共轭齿轮的外侧。

7.根据权利要求6所述的绳驱动仿人机械臂，其特征在于，所述三自由度腕关节包括：

腕部下平面，所述腕部下平面的一侧与所述肘部连接头相连，所述腕部下平面为“十”字结构，且其四个顶点处分别设置一下平面定滑轮；

球铰链，所述球铰链设置于所述腕部下平面的另一侧；

腕部上平面，所述腕部上平面通过铰链连杆与所述球铰链相连，所述腕部上平面为“十”字结构，且其四个顶点处分别设置一上平面定滑轮；

其中，所述腕部下平面上的所述下平面定滑轮与所述腕部上平面上的所述上平面定滑轮一一对应形成四组平面定滑轮组；每组所述平面定滑轮组中的所述下平面定滑轮和所述上平面定滑轮均通过一绳索缠绕连接，所述腕关节驱动组件包括四个连接有绕线轮的腕关节驱动电机，每组所述平面定滑轮组中缠绕的绳索分别绕经一对所述肘部导向轮与一所述腕关节驱动电机的所述绕线轮连接。

8.根据权利要求7所述的绳驱动仿人机械臂，其特征在于，所述肘腕关节驱动模块部分还包括驱动模块支撑架，所述驱动模块支撑架与所述支撑架连接件相连；所述驱动模块支撑架的远离所述支撑架连接件的一侧还设置有电机安装圆盘；

两个所述肘关节驱动电机和四个所述腕关节驱动电机均安装于所述电机安装圆盘上，且两个所述肘关节驱动电机和四个所述腕关节驱动电机呈圆周均匀分布。

9.根据权利要求8所述的绳驱动仿人机械臂，其特征在于，所述肘腕关节驱动模块部分还包括张力检测组件，所述张力检测组件包括：

导向滑轮正六边形安装架，所述导向滑轮正六边形安装架设置于所述驱动模块支撑架上，且所述导向滑轮正六边形安装架位于所述支撑架连接件与所述电机安装圆盘之间；

导向定滑轮组，所述导向定滑轮组安装于所述导向滑轮正六边形安装架上，且所述导向滑轮正六边形安装架的六个定点分别设置一组所述导向定滑轮组；每个所述导向定滑轮组均包括两个所述导向定滑轮；

张力检测传感器，所述张力检测传感器设置于所述支撑架连接件上，且所述张力检测传感器设置有六组；每个所述张力检测传感器上均设置有一张力检测定滑轮，所述张力检测定滑轮、所述导向定滑轮组以及所述电机安装圆盘上的驱动电机一一对应布置。

10.一种工业机器人，其特征在于，包括如权利要求1～9任意一项所述的绳驱动仿人机械臂。