CN116787488A - 一种局部刚度可调整的机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种局部刚度可调整的机械臂，包括依次活动连接的多个张拉件；多个张拉件上均设有张拉通孔，任一张拉通孔内卡设有锁紧件，张拉通孔与锁紧件滑动连接；锁紧件包括套筒和换向杆；换向杆同轴地套设于套筒内，换向杆与套筒转动连接，换向杆的两端均设有张拉绳索和张拉孔卡块；两张拉绳索分别穿过相邻张拉件上的张拉通孔；张拉绳索用于带动锁紧件移入或移出张拉通孔，以使换向杆转动；换向杆的转动用于带动张拉孔卡块可选择性地卡设于张拉通孔外，具备在张拉通孔内滑动和卡设功能的锁紧件，可通过张拉绳索的拉动控制锁紧件的位移变化，在施加预张紧力前已经对绳索固定位置进行排布，能够对绳驱张拉整体机器人的该局部刚度特性进行调控。

Description

一种局部刚度可调整的机械臂

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，特别涉及一种局部刚度可调整的机械臂。

背景技术

张拉整体结构由承受拉力和压力的刚性杆及承受拉力的柔性绳索组成，为连续体机器人的设计提供了新思路。典型的张拉整体机器人能够滚动、爬行、抓取。基于张拉整体结构的机械臂已经成为研究热点，在大多数应用场景中，需要机械臂既能灵活柔顺地运动，又能保持稳定可控的姿态，因此，张拉整体机械臂的结构刚度调控尤为重要。

现有的张拉整体机械臂的结构刚度调控主要采取拮抗变刚度法是指在同一个目标上施加两方向相反的驱动力，以张拉方式提高整体刚度，这一方法在基于张拉整体结构的机械臂的刚度调控中被广泛应用，在现有研究发现，如果能够实现张紧绳两侧的非对称性位移变化，则柔性机器人的刚度特性就会与驱动绳的张紧力有关。

然而，现有的结构通常只能改变张紧绳的松紧程度，以实现该部位的刚度变化调整，即其无法实现张紧绳两侧的非对称性位移变化，从而无法在施加预张紧力前对绳索固定位置进行排布，进而无法直接通过改变驱动绳的张紧力来调节该部位的刚度特性。

因此，研究一种可实现张紧绳两侧的非对称性位移变化的局部刚度可调整的机械臂具有非常大的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种局部刚度可调整的机械臂，以解决现有机械臂无法实现张紧绳两侧的非对称性位移变化的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种局部刚度可调整的机械臂，包括依次活动连接的多个张拉件、锁紧件和张拉绳索；所述张拉件上均设有张拉通孔，所述锁紧件配置为可穿过所述张拉通孔；所述张拉绳索穿过所述张拉通孔，所述张拉绳索用于带动所述锁紧件，以使所述锁紧件局部移动至任一所述张拉件的张拉通孔内；所述锁紧件包括套筒和换向杆；所述套筒套设于所述换向杆外，所述换向杆与所述套筒转动连接；所述换向杆的两端均设有张拉孔卡块，两个所述张拉孔卡块交错布置，所述换向杆的转动被配置为需要致动力驱使；当所述张拉绳索的拉力小于所述换向杆的制动力时，至少一个所述卡块卡设于所述张拉通孔外；当所述张拉绳索的拉力大于所述换向杆的制动力时，所述换向杆转动，以使卡设于所述张拉通孔外的所述张拉孔卡块进入或穿过所述张拉通孔，具备在张拉通孔内滑动和卡设功能的锁紧件，可通过张拉绳索的拉动控制锁紧件的位移变化，在施加预张紧力前已经对绳索固定位置进行排布，能够对绳驱张拉整体机器人的该局部刚度特性进行调控。

在其中一个实施例中，所述套筒的内壁上设有换向开槽，所述换向开槽设有至少一段倾斜段；所述换向杆的外壁上设有换向滑块，所述换向滑块可滑动地置于所述倾斜段内，具备倾斜段的换向开槽可使张拉绳索的竖向拉动转换为换向杆的周向转动，从而带动张拉孔卡块进行转动，以实现张拉孔卡块卡设或与张拉通孔匹配的目的。

在其中一个实施例中，多个所述倾斜段绕所述套筒的轴线周向布置，多个所述倾斜段交错布置，多个所述倾斜段首尾连通，可实现换向杆的单向转动。

在其中一个实施例中，所述倾斜段的数量至少为四个，至少有任意两个所述倾斜段的行程用于控制所述换向杆进行90°的转动，具备90°的转动功能便于对张拉孔卡块的转动进行控制。

在其中一个实施例中，所述张拉孔卡块与所述套筒间设有复位弹簧，所述复位弹簧同轴地套设于所述换向杆外，复位弹簧一方面可增强换向滑块的单向转动功能，另一方面可增大装置致动力。

在其中一个实施例中，所述张拉孔卡块的形状与所述张拉通孔的形状均为椭圆状设置，张拉孔卡块与张拉绳索的接触截面为椭圆，有利于换向杆进行转动。

在其中一个实施例中，所述张拉绳索包括多条张拉绳；多条所述张拉绳与所述套筒固接，多条所述张拉绳相互绑结以形成承托空间，所述张拉孔卡块设于所述承托空间内。

在其中一个实施例中，多条所述张拉绳均与两所述张拉孔卡块抵接，以增加两者的摩擦力。

在其中一个实施例中，还包括卷绳机构，所述卷绳机构包括卷绳盘；所述张拉绳索的两端分别与所述卷绳盘固定连接，卷绳机构控制张拉绳索的收放，实现锁紧件在张拉通孔上的位移变化，从而可以自动完成绳线的排布，避免出现需要人手调控每一处绳线排布的情况。

本发明的有益效果如下：

由于张拉通孔内设有锁紧件，锁紧件包括有换向杆和套筒，并且换向杆端部亦设有张拉绳索，所以在进行应用时，张拉绳索可以拉动整个锁紧件选择性移入或移出同侧的任意张拉通孔内，当为锁紧件施加向下的拉力后(拉力小于致动力时)，锁紧件部分移入张拉通孔后，由于换向杆端部设有张拉孔卡块，顶部的张拉孔卡块会卡设在张拉通孔外，实现了底侧的绳索排布，即底侧的非对称性位移变化，类似的，当需要改变非对称位移的方向时，张拉绳索继续向下拉动换向杆(拉力大于致动力时)，会使换向杆进行周向转动直至底部部的张拉孔卡块可以卡设在张拉通孔外，随后，反向拉动张拉绳索使得整个锁紧件向上移动并卡设在张拉通孔内，实现顶侧的绳索排布，即顶侧的非对称性位移变化，在施加预张紧力前已经对绳索固定位置进行排布，能够对绳驱张拉整体机器人的该局部刚度特性进行调控。

并且由于锁紧件可选择性地卡设于任一张拉通孔内，所以当需要对某一指定的机械臂的臂节刚度进行调整时，可以拉动张拉绳索使得锁紧件移动至指定位置的张拉通孔内，随后通过张拉孔卡块在张拉通孔上的转动调整及卡设，可以实现指定位置的绳索排布，从而实现该位置的非对称性位移变化，进而实现对该位置的刚度控制。

综上所述，无论是顶侧还是底侧的绳索排布，在施加预张紧力前对绳索的固定位置已经进行非对称位移排布，能够对绳驱张拉整体机器人的刚度特性进行调控，彻底改变了现有技术中无法实现张紧绳的非对称性位移变化问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式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方式，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是本发明优选实施方式提供的整体的结构示意图；

图2是本发明优选实施方式提供的锁紧件的结构示意图；

图3是本发明优选实施方式提供的锁紧件的剖面结构示意图；

图4是本发明优选实施方式提供的套筒的剖面结构示意图；

图5是本发明优选实施方式提供的换向开槽的展开示意图；

图6-1是本发明优选实施方式提供的绳索排布过程示意图一；

图6-2是本发明优选实施方式提供的绳索排布过程示意图二；

图6-3是本发明优选实施方式提供的绳索排布过程示意图三；

图6-4是本发明优选实施方式提供的绳索排布过程示意图四。

附图标记如下：

1、张拉件；10、张拉通孔；

2、锁紧件；20、套筒；200、换向开槽；2000、倾斜段；21、换向杆；210、张拉孔卡块；211、换向滑块；22、复位弹簧；

3、张拉绳索；30、张拉绳。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

张拉整体结构由承受拉力和压力的刚性杆及承受拉力的柔性绳索组成，为连续体机器人的设计提供了新思路。典型的张拉整体机器人能够滚动、爬行、抓取。基于张拉整体结构的机械臂已经成为研究热点，在大多数应用场景中，需要机械臂既能灵活柔顺地运动，又能保持稳定可控的姿态，因此，结构刚度调控尤为重要。

在现有技术中，张拉整体机械臂存在两大问题，一是存在无法实现张紧绳的非对称性位移变化问题，即无法对绳索排布进行调整，具体可表现为现有技术对机械臂的局部刚度调节，通常是直接拉动局部结构的连接张拉绳，通过拉紧拉松绳索来调节机械臂的局部刚度，无法直接将驱动绳的张紧力与机械臂的刚度特性相关联；二是现有技术中对绳索排布依然是通过人工手动操作，即需要对某个臂节的绳索排布进行调整时，需要人工调控绳索的位置，费时费力。

为了解决上述问题，本发明提供了一种局部刚度可调整的机械臂，设计了两大方向，一是在张拉件1上开设张拉通孔10以及可以移入移出张拉通孔10或卡设在张拉通孔10外的锁紧件2，以实现张紧绳的非对称性位移变化；二是将张拉绳索3与卷绳机构固定连接，通过卷绳机构的拉动，当张紧绳索3的拉力大于换向杆21的致动力时，会带动锁紧件2进行移动以及带动锁紧件2进行转动，实现张拉绳索3的非对称性位移变化。

具体的，请参照图1至图5，包括依次通过连接杆铰接的张拉件1、张拉件1上的张拉通孔10和锁紧件2，以及设于锁紧件2两端的张拉绳索3，通过张拉绳索3的拉动牵引，控制锁紧件2在张拉通孔10内的移动以及固定，从而实现张紧绳的非对称性位移变化，在施加预张紧力前对绳索的固定位置已经进行非对称位移排布，可对绳驱张拉整体机器人的刚度特性进行调控。

在本申请的实施例中，有关上述的张拉件1，请参照图1，张拉件1包括两相对布置的张拉弹簧和两相对布置的张拉杆，张拉弹簧的两端与相邻的张拉杆固定连接，以形成矩形的张拉结构，靠近张拉弹簧的一侧，张拉杆与另一张拉件1上的长拉杆通过倾斜杆铰接，形成整个张拉机械臂结构。

对于张拉杆而言，张拉杆上开设有张拉通孔10，张拉通孔10的开设槽向与整个张拉机械臂的长度方向一致，张拉通孔10用于卡设锁紧件2，在采用此种设置方式后，通过锁紧件2与张拉通孔10的移动配合，可实现锁紧件2的非对称性位移变化。

在本申请的实施例中，有关上述的锁紧件2，请参照图2至图5所示，锁紧件2包括套筒20和换向杆21，套筒20卡设于中部张拉件1的张拉通孔10内，套筒20与张拉通孔10滑动连接，换向杆21同轴地套设于套筒20内，换向杆21与套筒20转动连接，换向杆21的两端均设有张拉绳索3和张拉孔卡块210，在采用此种设置方式后，套筒20由于张拉通孔10的限定，除了张拉绳索3拉动套筒20上下滑动外，无法进行周向的转动，为换向杆21的绳驱转动提供结构基础。

在本申请的一些实施例中，请参照图1，套筒20与张拉通孔10的形状相互匹配，套筒20与张拉通孔10的横截面形状均为矩形，在采用此种设置方式后，套筒20只能进行上下方向的移动，无法进行圆周方向的转动，起到限定自由度的目的。

在本申请的一些实施例中，请参照图3和图4，套筒20的内壁上开设有换向开槽200，换向开槽200至少设有一段倾斜段2000；而换向杆21的外壁上设有换向滑块211，换向滑块211可滑动地置于倾斜段2000内，在采用此种设置方式后，换向滑块211可在倾斜段2000内滑动，当张拉孔卡块210卡在张拉通孔10外时，绳线拉动换向杆21，当张拉绳索3的触发拉力大于换向杆21的致动力时，换向杆21会将绳子竖直方向的拉力转变为换向杆21圆周运动的力，即可实现竖直方向移动转变为圆周方向转动的换向目的，以此调整张拉孔卡块210和张拉通孔10的相对位置，满足使用者需将张拉孔卡块210卡设在张拉通孔10外或将张拉孔卡块210移入张拉通孔10的目的。

需要指出的是，如果张拉绳索3的触发拉力小于换向杆21的致动力时，则换向杆21无法被带着转动。

在本申请的一些实施例中，请参照图5，多个倾斜段2000绕套筒20的轴线周向布置，多个倾斜段2000交错布置，多个倾斜段2000首尾连通形成多个V字形槽体结构，在采用此种设置方式后，当张拉绳索3拉动换向杆21进行移动时，会带动换向滑块211从换向开槽200的底端(即V字形的底部)移动至换向开槽200的顶端(即V字形的顶部)，随后放松绳线，换向滑块211会从换向开槽200的顶端移动至另一换向开槽200的底端，实现换向杆21的单向转动。

具体的，请参照图5，四个倾斜段2000绕套筒20的轴线周向布置，换向滑块211在两个倾斜段2000的行程用于实现换向杆2190°的转动，在采用此种设置方式后，譬如，当顶部的张拉孔卡块210卡设在张拉通孔10外时，且张拉孔卡块210的长度方向与张拉通孔10的长度方向相互垂直时，向下拉动换向杆21，换向杆21的换向滑块211首先从换向开槽200的底端(即V字形的底部)移动至换向开槽200的顶端(即V字形的顶部)，随后放松绳线，换向滑块211会从换向开槽200的顶端移动至另一换向开槽200的底端，在这个过程中，换向杆21与套筒20间恰好转过90°角，张拉孔卡块210亦会随动转90°，至此张拉孔卡块210可以穿入张拉通孔10，实现更长的非对称位移排布，可对绳驱张拉整体机器人的刚度特性进行调控。

并且，张拉孔卡块210通过换向杆21的转动，可以实现将张拉孔卡块210卡设在张拉通孔10外或者穿入张拉通孔10，通过换向杆21的转动配合，整个锁紧件2可移动至指定位置的张拉通孔10内，对指定位置的机械臂节进行绳索预排布，便于后续的刚度调节。

进一步的，为了增大驱动换向杆转动的致动力，请参照图2，张拉孔卡块210与套筒20间设有复位弹簧22，复位弹簧22套设于换向杆21的壁面外，在采用此种设置方式后，一方面，复位弹簧22的设置使得驱动换向杆21转动的致动力变得更大，即需要更大的触发力才能使换向杆21转动；另一方面，当换向滑块211从换向开槽200的底端(即V字形的底部)移动至换向开槽200的顶端(即V字形的顶部)，松开绳线，在复位弹簧22的恢复力作用下，换向滑块211会从换向开槽200的顶端移动至另一换向开槽200的底端，以此实现增大驱动换向杆21转动的致动力的功能。

在本申请的一些实施例中，请参照图1，张拉孔卡块210的形状与张拉通孔10的形状均为椭圆状设置，在采用此种设置方式后，张拉孔卡块210与张拉绳索3的接触截面为椭圆，有利于换向杆21进行转动，并且，形状相互匹配的张拉孔卡块210和张拉通孔10也便于两者相互配合。

在本申请的一些实施例中，请参照图2，换向杆21两端的两个张拉孔卡块210相互交错布置，并且在进行应用时，会保持有至少一个张拉孔卡块210与张拉通孔10错位，在采用此种设置方式后，当一个张拉孔卡块210通过换向杆21的转动换向实现与张拉通孔10匹配时，该张拉孔卡块210可以穿入或穿出张拉通孔10，然而另一个张拉孔卡块210由于与张拉通孔10的错位，会一直卡设在张拉通孔10外，起到固定和防止整个锁紧件2从张拉通孔10外掉落的目的。

具体的，两个张拉孔卡块210的交错角度为90°，即两者为相互垂直的交错布置，以配合换向开槽200的设置。

在本申请的实施例中，有关上述的张拉绳索3，请参照图1，张拉绳索3穿过相邻的张拉件的张拉通孔，张拉绳索3包括四条张拉绳30，四条张拉绳30的均与套筒的四角固定连接，四条张拉绳30不会阻碍锁紧件2的转动，四条张拉绳30相互绑结以形成承托空间，锁紧件2设于该承托空间内，在采用此种设置方式后，张拉绳30的拉力会通过锁紧件2，当张拉孔卡块210卡设在张拉通孔10外时，当张紧绳索3的触发拉力大于换向杆21的致动力时，会带动换向杆21进行转动，有利于换向杆21的转动。

在本申请的一些实施例中，请参照图1，承托空间为锥形承托空间，两个张拉孔卡块210分别卡设于锥形承托空间的两个收窄处，多条张拉绳30的均与换向杆21两端均与两所述张拉孔卡块210抵接，在采用此种设置方式后，张拉孔卡块210会进一步增加与张拉绳30的接触面积，使得张拉孔卡块210与张拉绳30的接触更加充分，有利于换向杆21的转动。

需要指出的是，两端的绳结与张拉孔卡块210的距离相同，即以套筒20为中心对称分布，以消除牵引产生的扭转力矩。

进一步的，为了避免人工参与绳线的排布，本方案还包括有卷绳机构，卷绳机构具备卷绳盘，张拉绳索3的两端分别与卷绳盘固定连接，在采用此种设置方式后，当需要对某一指定位置进行绳索排布时，卷绳机构拉动锁紧件2至指定位置，随后控制张拉绳索3的收放，实现锁紧件2在张拉通孔10上的位移变化，从而可以自动完成绳线的排布，避免出现需要人手调控每一处绳线排布的情况。

需要指出的是，卷绳机构为一个由电机驱动的卷绳机，卷绳机的两端长度相等，在整个调节过程中，仅有电机运动参与了整个绳线排布过程，没有多余的手动操作。

从上文可知本方案的基本结构和原理，下文将结合应用进行描述。

下文以将整个锁紧件2移动至指定的臂节处，并完成绳索的排布目的为例，请参照图6-1至图6-4。

首先，如图6-1所示，控制卷绳机构，张拉绳索3拉动整个锁紧件2至指定的张拉通孔10上，由于底部的张拉孔卡块210与张拉通孔10的形状匹配，底部的张拉孔卡块210可以直接通过张拉通孔10，在此过程中，触发力小于致动力，所以换向杆21不会发生转动。

随后，如图6-2所示，当顶部的张拉孔卡块210与张拉通孔10抵接时，由于顶部的张拉孔卡块210与底部的张拉孔卡块210相互交错布置，顶部的张拉孔卡块210与张拉通孔10相互交错成90°，其将无法通过孔洞，此后，如图6-3所示，当张拉绳索3继续拉动锁紧件2时，由于触发力大于致动力，结合张拉绳索3与张拉孔卡块210的摩擦接触，会带动换向杆21的换向滑块211开始在换向开槽200内移动，即从换向滑块211从换向开槽200的底端(即V字形的底部)移动至换向开槽200的顶端(即V字形的顶部)，此时将张拉绳索3放松，在复位弹簧22的弹性恢复力的作用下，换向滑块211会从换向开槽200的顶端移动至另一换向开槽200的底端，在此过程中，整个换向杆21与套筒20恰好转过90°角，顶部的张拉孔卡块210刚好与张拉通孔10形状匹配，顶部的张拉孔卡块210能够穿过张拉通孔10。

最后，如图6-4所示，向上拉动锁紧件2直至底部的张拉孔卡块210抵接张拉通孔10，由于底部的张拉孔卡块210与张拉通孔10相互交错成90°，底部的张拉孔卡块210无法通过张拉通孔10，随后卷绳机构保持触发力小于致动力，保持不放松张拉绳索3即可使节点固定，实现绳索的排布。

需要指出的是，上述只是向上固定实现的绳索排布情况，同理的，向下固定实现绳索的排布情况，可以通过逆向的移动实现想要的功能，在此不过多赘述。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种局部刚度可调整的机械臂，包括依次活动连接的多个张拉件；

其特征在于，还包括锁紧件和张拉绳索；

所述张拉件上均设有张拉通孔，所述锁紧件配置为可穿过所述张拉通孔；

所述张拉绳索穿过所述张拉通孔，所述张拉绳索用于带动所述锁紧件，以使所述锁紧件局部移动至任一所述张拉件的张拉通孔内；

所述锁紧件包括套筒和换向杆；

所述套筒套设于所述换向杆外，所述换向杆与所述套筒转动连接；

所述换向杆的两端均设有张拉孔卡块，两个所述张拉孔卡块交错布置，所述换向杆的转动被配置为需要致动力驱使；

当所述张拉绳索的拉力小于所述换向杆的制动力时，至少一个所述卡块卡设于所述张拉通孔外；

当所述张拉绳索的拉力大于所述换向杆的制动力时，所述换向杆转动，以使卡设于所述张拉通孔外的所述张拉孔卡块进入或穿过所述张拉通孔。

2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，

所述套筒的内壁上设有换向开槽，所述换向开槽设有至少一段倾斜段；

所述换向杆的外壁上设有换向滑块，所述换向滑块可滑动地置于所述倾斜段内。

3.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，

多个所述倾斜段绕所述套筒的轴线周向布置，多个所述倾斜段交错布置，多个所述倾斜段首尾连通。

4.根据权利要求3所述的机械臂，其特征在于，

所述倾斜段的数量至少为四个，至少有任意两个所述倾斜段的行程用于控制所述换向杆进行90°的转动。

5.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，

所述张拉孔卡块与所述套筒间设有复位弹簧，所述复位弹簧同轴地套设于所述换向杆外。

6.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，

所述张拉孔卡块的形状与所述张拉通孔的形状均为椭圆状设置。

7.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，

所述张拉绳索包括多条张拉绳；

多条所述张拉绳与所述套筒固接，多条所述张拉绳相互绑结以形成承托空间，所述张拉孔卡块设于所述承托空间内。

8.根据权利要求7所述的机械臂，其特征在于，多条所述张拉绳均与两所述张拉孔卡块抵接。

9.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，

还包括卷绳机构，所述卷绳机构包括卷绳盘；

所述张拉绳索的两端分别与所述卷绳盘固定连接。