CN117984348B - 一种线缆驱动式软体机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种线缆驱动式软体机械臂，包括安装台、控制装置、安装组件、软体机械臂，控制装置通过安装组件设置于安装台上，软体机械臂通过安装台与控制装置连接；控制装置包括至少三组控制单元，控制单元包括互相连接的驱动组件和控制绳，软体机械臂沿轴向贯穿设有通道，每组控制绳分别穿过通道与软体机械臂的末端可拆卸式连接，软体机械臂为软体弹性材料。控制绳螺旋拉紧或松开软体机械臂，以控制软体机械臂的整段形变，使软体机械臂的每个部分都可根据环境路线随变，且整体段的形变同时开始，避免首端形变的滞后性，可适应复杂环境，提高控制精度；通过第一连接件和第二连接件，便于控制绳与软体机械臂的安装，以及相邻软体机械臂之间安装。

Description

一种线缆驱动式软体机械臂

技术领域

本发明涉及一种线缆驱动式软体机械臂，属于柔性体驱动技术领域。

背景技术

常见的柔性体为软体机械臂，其在与人/环境交互过程中的柔顺性、适应性和安全性等优势，在军事侦察、医疗手术、工程应用等领域具有广泛的应用前景。柔性机械臂的控制精度与其驱动装置密切相关。驱动装置需要能够准确地控制柔性机械臂的形变和运动，同时保持足够的柔性和精度。控制精度受到驱动装置的稳定性、响应速度以及力和位置控制能力的影响。柔性机械臂的控制精度通常需要在保持柔软性的同时，实现对形态的准确调节。

目前柔性机械臂的驱动方式包括气动驱动、液压驱动、电动驱动和线驱动等。气动驱动具有简单、灵活的特点，但控制精度较低且响应速度相对较慢；液压驱动具有较大的力矩输出和精度，但系统复杂、能耗高；电动驱动精度高、响应速度快，但柔性较差且容易受到外部干扰；线驱动通过绳索或缆索来驱动软体，具有较好的柔性和精度，但需要考虑绳索的张力和松弛问题。

公开号为CN105150219A的专利公开了一种基于绳索驱动的超冗余柔性机械臂，包括驱动模块、机械臂模块与若干驱动绳，机械臂模块包括多个串联的关节，相邻的关节通过设于二者之间相互交叉且垂直的转轴连接，任意关节上固接有至少三处的驱动绳，驱动绳可在驱动模块的驱动下独立运动，且位于同一关节上的驱动绳满足设置：该关节可随驱动绳的拉动而相对临近的关节发生绕所述转轴的转动。机械臂模块为刚性结构，通过转轴连接相邻关节，通过拉动驱动绳带动关节转动，但是机械臂模块本身无法根据环境路线产生对应形变，并且由于相邻机械臂模块之间仅依靠转轴连接，无法实现整体的柔性形变，存在应用局限性；并且驱动绳所在管路均为直线管路，拉动驱动绳时，机械臂模块的末端连接处随之产生形变，但是远离末端的节段处形变量较小，存在控制滞后性，无法精准控制机械臂模块的形变和运动，并且若遇到拥有多个拐弯口的复杂情况，该机械臂模块无法实现整体多角度的形变。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种线缆驱动式软体机械臂，本发明通过设置软体弹性材质的软体机械臂，并同时设置至少三组控制单元对其进行控制，实现了软体机械臂整体形变控制。

技术方案：一种线缆驱动式软体机械臂，包括安装台、控制装置、安装组件、软体机械臂，所述控制装置通过安装组件设置于安装台上，软体机械臂通过安装台与控制装置连接；

所述控制装置包括至少三组控制单元，所述控制单元包括互相连接的驱动组件和控制绳，所述软体机械臂沿轴向贯穿设有通道，每组所述控制绳分别穿过通道与软体机械臂的末端可拆卸式连接，所述软体机械臂为软体弹性材料。

本发明通过将软体机械臂设置为柔性材料，同时设置至少三组驱动组件和控制绳，控制绳通过通道控制软体机械臂的弯曲形变，驱动组件驱动控制绳的伸缩，可以控制整体软体机械臂进行弯曲形变。

优选项，为了精准控制软体机械臂整体形变，所述通道为旋向相同的螺旋通道，且通道口沿圆周方向均布设置。将通道设置为旋向相同的螺旋通道，当控制绳拉紧后，软体机械臂整体会同时发生压缩形变，避免直筒状管道所造成的首端控制的滞后性；可通过控制每根控制绳的张紧度，以适应多个拐弯口时的复杂情况，实现整体多角度形变。

为了实现对下节段的控制，优选项，至少设置两组依次连接的软体机械臂，每组所述软体机械臂上同轴设有第一通孔，相邻所述软体机械臂之间还安装有第一连接件，所述第一连接件上设有与第一通孔同轴的第二通孔，所述第一连接件与相邻所述软体机械臂中的下节段的上端面拼合构成分线槽，所述分线槽的一端与第二通孔连通，另一端与下节段的螺旋通道口连通，所述控制绳自第一通孔依次经过第二通孔、分线槽后，进入下节段的螺旋通道内。

通过设置分线槽，使下节段的控制绳依次经过第一通孔、第二通孔、分线槽后进入下节段的螺旋通道内，设置第二通孔是为了让下节段的控制绳穿过上节段到达下节段，设置分线槽是为了让下节段的控制绳进入下节段螺旋通道内部，从而以实现对下节段的控制。

优选项，为了便于上节段控制绳的安装，所述第一连接件上还设有与上节段的螺旋通道口分别同轴的第三通孔。由于软体机械臂为软体弹性材料，在拉紧控制绳时，末端螺旋通道口处的应力过于集中，整个端面仅通过螺旋通道口受力，应力过于集中，此处会随着拉力越大而产生越严重的形变，甚至磨损螺旋通道口，因此设置刚性材料的第一连接件通过第三通孔来连接控制绳，此时拉紧控制绳后，由末端整个端面受力，既保护软体机械臂，同时保证控制效果。

优选项，为了保证控制绳的可靠性，还包括第二连接件，所述第二连接件设有与第二通孔同轴的第四通孔和与下节段的螺旋通道口分别同轴的第五通孔，所述第一连接件与第二连接件拼合构成分线槽，所述分线槽的一端与第二通孔连通，另一端与第五通孔连通，所述控制绳自第一通孔依次经过第二通孔、第一连接件与第二连接件拼合构成的分线槽、第五通孔后，进入下节段的螺旋通道内。

通过刚性第一连接件和刚性第二连接件拼合构成的分线槽，来防止软体机械臂端面弯曲形变，进而导致其端面与第一连接件之间存在缝隙，使得控制绳从分线槽中脱出，提高控制绳的可靠性。

优选项，为了便于第一连接件和第二连接件的安装，所述第一连接件和第二连接件沿轴向分别设有第一凸台和第二凸台，所述第一凸台设有与第二通孔连通的第六通孔，所述第二凸台设有与第四通孔连通的第七通孔，所述第一凸台的外壁与上节段软体机械臂的第一通孔的内壁接触，所述第二凸台的外壁与下节段软体机械臂的第一通孔的内壁接触。

设置凸台既可以在安装第一连接件和第二连接件时提供导向作用，同时降低软体机械臂与二者之间的装配难度。

优选项，为了提高软体机械臂的控制效果，所述第一凸台和第二凸台的第六通孔和第七通孔内分别设置分线部，下节段的控制绳经过上节段的第一通孔时，同时穿过第一凸台和第二凸台的分线部。通过设置分线部，防止第一通孔内的控制绳互相缠绕，导致拉紧时互相摩擦，容易打结无法移动，进而影响软体机械臂的控制效果的问题。

优选项，为了便于整体软体机械臂末端与控制绳的连接，整体所述软体机械臂的末端设置有末端连接件，所述末端连接件上设有末端连接孔和末端连接凸台，所述末端连接孔与螺旋通道口同轴设置，所述末端连接凸台的外壁与第一通孔内壁接触。

设置末段连接件通过末段连接孔与控制绳连接，减少软体机械臂的磨损，保护软体机械臂，同时保证末端的控制效果，末端连接凸台便于控制绳与软体机械臂的安装。

优选项，为了提高控制绳传动的稳定性，所述驱动组件包括驱动电机、主动轮和从动轮，所述驱动电机与主动轮连接，所述控制绳分别与主动轮和从动轮缠绕连接，所述从动轮与安装组件连接，每组所述从动轮沿着垂直于主动轮中心轴线的方向同轴设置。

若每组从动轮不处于同一轴线上，控制绳容易自从动轮上松脱，并且会在从动轮的侧轮面上摩擦，对控制绳造成磨损，降低控制绳的使用寿命和传动稳定性。

优选项，为了提高安装台的空间利用率，还包括设置在安装组件上的转向轮，所述转向轮的中心轴线与从动轮的中心轴线垂直。设置转向轮，便于将驱动组件紧凑安装，避免直线排开的驱动组件占用安装台过多空间，提高空间利用率，同时将转向轮和从动轮垂直设置，便于控制绳在转角处转向时不容易脱落，提高整体传动的稳定性。

有益效果：本发明控制绳通过螺旋通道，螺旋拉紧或松开软体机械臂，可以控制软体机械臂的整段形变，使得软体机械臂的每个部分都可以根据环境路线随变，且整体段的形变同时开始，避免首端形变的滞后性，进而可以适应复杂环境的同时，提高控制精度；并且通过设置第一连接件和第二连接件，便于控制绳与软体机械臂的安装，以及相邻软体机械臂之间的安装；设置分线部避免控制绳缠绕降低控制精度，损坏控制绳。

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，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明整体结构图；

图2为本发明软体机械臂结构图；

图3为本发明第一连接件与软体机械臂装配分解图；

图4为本发明第一连接件和第二连接件与软体机械臂装配分解图；

图5为本发明第一凸台和第二凸台装配分解图；

图6 本发明第一连接件正面和反面视图；

图7为本发明分解部示意图；

图8为本发明末端连接件结构图；

图9为本发明驱动组件结构图；

图10为调整装置结构图。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1和图2所示，一种线缆驱动式软体机械臂，包括安装台1、控制装置2、安装组件3、软体机械臂4，所述控制装置2通过安装组件3设置于安装台1上，软体机械臂4通过安装台1与控制装置2连接；

所述控制装置2包括至少三组控制单元，所述控制单元包括互相连接的驱动组件21和控制绳22，所述软体机械臂4沿轴向贯穿设有通道41，每组所述控制绳22分别穿过通道41与软体机械臂4的末端可拆卸式连接，所述软体机械臂4为软体弹性材料。

通过将软体机械臂4设置为柔性材料，同时设置至少三组驱动组件21和控制绳22，控制绳22通过通道41控制软体机械臂4的弯曲形变，驱动组件21驱动控制绳22的伸缩，可以控制整体软体机械臂4进行弯曲形变。

为了精准控制软体机械臂4整体形变，所述通道41为旋向相同的螺旋通道41，且通道41口沿圆周方向均布设置。

将通道41设置为旋向相同的螺旋通道41，当控制绳22拉紧后，软体机械臂4整体会同时发生压缩形变，避免直筒状管道所造成的首端控制的滞后性；可通过控制每根控制绳22的张紧度，以适应多个拐弯口时的复杂情况，实现整体多角度形变。

如图3所示，为了实现对下节段的控制，至少设置两组依次连接的软体机械臂4，每组所述软体机械臂4上同轴设有第一通孔42，相邻所述软体机械臂4之间还安装有第一连接件5，所述第一连接件5上设有与第一通孔42同轴的第二通孔51，所述第一连接件5与相邻所述软体机械臂4中的下节段的上端面拼合构成分线槽6，所述分线槽6的一端与第二通孔51连通，另一端与下节段的螺旋通道41口连通，所述控制绳22自第一通孔42依次经过第二通孔51、分线槽6后，进入下节段的螺旋通道41内。

通过设置分线槽，使下节段的控制绳22依次经过第一通孔42、第二通孔51、分线槽6后进入下节段的螺旋通道41内，设置第二通孔51是为了让下节段的控制绳22穿过上节段到达下节段，设置分线槽6是为了让下节段的控制绳22进入下节段螺旋通道41内部，从而以实现对下节段的控制。分线槽6可以在第一连接件5的下端面，也可以在下节段的上端面，还可以第一连接件5的下端面和下节段的上端面都有对应的分线槽6，保证控制绳22驱动时线绳的稳定性和可靠性。

为了便于上节段控制绳22的安装，所述第一连接件5上还设有与上节段的螺旋通道41口分别同轴的第三通孔52。

由于软体机械臂4为软体弹性材料，在拉紧控制绳22时，末端螺旋通道41口处的应力过于集中，整个端面仅通过螺旋通道41口受力，应力过于集中，此处会随着拉力越大而产生越严重的形变，甚至磨损螺旋通道41口，因此设置刚性材料的第一连接件5通过第三通孔52来连接控制绳22，此时拉紧控制绳22后，由末端整个端面受力，既保护软体机械臂4，同时保证控制效果。

如图4所示，为了保证控制绳22的可靠性，还包括第二连接件7，所述第二连接件7设有与第二通孔51同轴的第四通孔71和与下节段的螺旋通道41口分别同轴的第五通孔72，所述第一连接件5与第二连接件7拼合构成分线槽6，所述分线槽6的一端与第二通孔51连通，另一端与第五通孔72连通，所述控制绳22自第一通孔42依次经过第二通孔51、第一连接件5与第二连接件7拼合构成的分线槽6、第五通孔72后，进入下节段的螺旋通道41内。

通过刚性第一连接件5和刚性第二连接件7拼合构成的分线槽6，来防止软体机械臂4端面弯曲形变，进而导致其端面与第一连接件5之间存在缝隙，使得控制绳22从分线槽6中脱出，提高控制绳22的可靠性。分线槽6可以在第一连接件5的下端面，也可以在第二连接件7的上端面，还可以第一连接件5的下端面和第二连接件7的上端面都有对应的分线槽6，保证控制绳22驱动时线绳的稳定性和可靠性。

如图5和图6所示，为了便于第一连接件5和第二连接件7的安装，所述第一连接件5和第二连接件7沿轴向分别设有第一凸台53和第二凸台73，所述第一凸台53设有与第二通孔51连通的第六通孔531，所述第二凸台73设有与第四通孔71连通的第七通孔731，所述第一凸台53的外壁与上节段软体机械臂4的第一通孔42的内壁接触，所述第二凸台73的外壁与下节段软体机械臂4的第一通孔42的内壁接触。整体软体机械臂4的最后一节段上端面的第二连接件7可选择地开设第四通孔71。

设置第一凸台53和第二凸台73既可以在安装第一连接件5和第二连接件7时提供导向作用，同时降低软体机械臂4与二者之间的装配难度。此时第一连接件5和第二连接件7结构相同。

如图7所示，为了提高软体机械臂4的控制效果，所述第一凸台53和第二凸台73的第六通孔531和第七通孔731内分别设置分线部8，下节段的控制绳22经过上节段的第一通孔42时，同时穿过第一凸台53和第二凸台73的分线部8。

通过设置分线部8，防止第一通孔42内的控制绳22互相缠绕，导致拉紧时互相摩擦，容易打结无法移动，进而影响软体机械臂4的控制效果的问题。

如图8所示，为了便于整体软体机械臂4末端与控制绳22的连接，整体所述软体机械臂4的末端设置有末端连接件9，所述末端连接件9上设有末端连接孔91和末端连接凸台92，所述末端连接孔91与螺旋通道41口同轴设置，所述末端连接凸台92的外壁与第一通孔42内壁接触。

设置末段连接件9通过末段连接孔91与控制绳22连接，减少软体机械臂4的磨损，保护软体机械臂4，同时保证末端的控制效果，末端连接凸台92便于控制绳与软体机械臂4的安装。

如图9所示，为了提高控制绳22传动的稳定性，所述驱动组件21包括驱动电机211、主动轮212和从动轮213，所述驱动电机211与主动轮212连接，所述控制绳22分别与主动轮212和从动轮213缠绕连接，所述从动轮213与安装组件3连接，每组所述从动轮213沿着垂直于主动轮212中心轴线的方向同轴设置。

若每组从动轮213不处于同一轴线上，控制绳22容易自从动轮213上松脱，并且会在从动轮213的侧轮面上摩擦，对控制绳22造成磨损，降低控制绳22的使用寿命和传动稳定性。

为了提高安装台的空间利用率，还包括设置在安装组件3上的转向轮214，所述转向轮214的中心轴线与从动轮213的中心轴线垂直。

设置转向轮，便于将驱动组件21紧凑安装，避免直线排开的驱动组件21占用安装台过多空间，提高空间利用率，同时将转向轮214和从动轮213垂直设置，便于控制绳22在转角处转向时不容易脱落，提高整体传动的稳定性。

为了防止控制绳22松脱，所述安装组件3包括安装架，所述从动轮213安装于安装架上，所述安装架至少设置两组，相邻两组安装架上的从动轮213呈高低交替式设置。将从动轮213呈高低交替式设置，当任意一根控制绳22需要放松时，高低交替式的设置就不会使控制绳22自从动轮213上松脱，反而提供张紧作用，提高了装置可靠性；

为了防止同轴设置多组从动轮213后，控制绳22交叉互相干涉，可在任意两组驱动电机211之间设置单独安装架及从动轮213，以此避免由于存在多组控制绳22从而发生的交叉干涉问题。

为了防止安装架折弯，影响控制效果，每组相邻的所述安装架顶部之间设置有加固杆10。在相邻安装架之间设置加固杆10，可以防止控制绳22传动时，拉弯安装架，导致控制精度下降，安装架损坏变形。

如图10所示，还包括调整装置11，所述调整装置11包括设置于安装架底部的滑块111和安装在安装台1上的滑槽112，所述滑块111与滑槽112滑动式连接。为了调整相邻从动轮213之间的间距，节省利用空间，通过设置滑块111和滑槽112结构，可以在加固杆10安装前，调整从动轮213的位置，均匀分布每组从动轮213之间的间距，提高控制精确度，便于控制绳22的安装。

为了提高间距调整时的便利性，所述滑槽112内设置有U形槽1121，所述滑块111上设有与U形槽1121对应的安装孔1111，所述U形槽1121和安装孔1111可解锁式连接。

移动滑块111至对应位置后，将该滑块111上的安装孔1111和U形槽1121通过螺栓连接，此时该安装架无法移动，避免在加固杆10安装时，由于安装架未固定从而再次移动，需要重新调整间距。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种线缆驱动式软体机械臂，包括安装台（1）、控制装置（2）、安装组件（3）、软体机械臂（4），所述控制装置（2）通过安装组件（3）设置于安装台（1）上，软体机械臂（4）通过安装台（1）与控制装置（2）连接；

所述控制装置（2）包括至少三组控制单元，所述控制单元包括互相连接的驱动组件（21）和控制绳（22），所述软体机械臂（4）沿轴向贯穿设有通道（41），每组所述控制绳（22）分别穿过通道（41）与软体机械臂（4）的末端可拆卸式连接，所述软体机械臂（4）为软体弹性材料；所述通道（41）为旋向相同的螺旋通道（41）；

其特征在于：至少设置两组依次连接的软体机械臂（4），每组所述软体机械臂（4）上同轴设有第一通孔（42），相邻所述软体机械臂（4）之间还安装有第一连接件（5），所述第一连接件（5）上设有与第一通孔（42）同轴的第二通孔（51），所述第一连接件（5）与相邻所述软体机械臂（4）中的下节段的上端面拼合构成分线槽（6），所述分线槽（6）的一端与第二通孔（51）连通，另一端与下节段的螺旋通道（41）口连通，所述控制绳（22）自第一通孔（42）依次经过第二通孔（51）、分线槽（6）后，进入下节段的螺旋通道（41）内。

2.根据权利要求1所述的线缆驱动式软体机械臂，其特征在于：所述第一连接件（5）上还设有与上节段的螺旋通道（41）口分别同轴的第三通孔（52）。

3.根据权利要求2所述的线缆驱动式软体机械臂，其特征在于：还包括第二连接件（7），所述第二连接件（7）设有与第二通孔（51）同轴的第四通孔（71）和与下节段的螺旋通道（41）口分别同轴的第五通孔（72），所述第一连接件（5）与第二连接件（7）拼合构成分线槽（6），所述分线槽（6）的一端与第二通孔（51）连通，另一端与第五通孔（72）连通，所述控制绳（22）自第一通孔（42）依次经过第二通孔（51）、第一连接件（5）与第二连接件（7）拼合构成的分线槽（6）、第五通孔（72）后，进入下节段的螺旋通道（41）内。

4.根据权利要求3所述的线缆驱动式软体机械臂，其特征在于：所述第一连接件（5）和第二连接件（7）沿轴向分别设有第一凸台（53）和第二凸台（73），所述第一凸台（53）设有与第二通孔（51）连通的第六通孔（531），所述第二凸台（73）设有与第四通孔（71）连通的第七通孔（731），所述第一凸台（53）的外壁与上节段软体机械臂（4）的第一通孔（42）的内壁接触，所述第二凸台（73）的外壁与下节段软体机械臂（4）的第一通孔（42）的内壁接触。

5.根据权利要求4所述的线缆驱动式软体机械臂，其特征在于：所述第一凸台（53）和第二凸台（73）的第六通孔（531）和第七通孔（731）内分别设置分线部（8），下节段的控制绳（22）经过上节段的第一通孔（42）时，同时穿过第一凸台（53）和第二凸台（73）的分线部（8）。

6.根据权利要求1或5所述的线缆驱动式软体机械臂，其特征在于：所述软体机械臂（4）的末端设置有末端连接件（9），所述末端连接件（9）上设有末端连接孔（91）和末端连接凸台（92），所述末端连接孔（91）与螺旋通道（41）口同轴设置，所述末端连接凸台（92）的外壁与第一通孔（42）内壁接触。

7.根据权利要求1所述的线缆驱动式软体机械臂，其特征在于：所述驱动组件（21）包括驱动电机（211）、主动轮（212）和从动轮（213），所述驱动电机（211）与主动轮（212）连接，所述控制绳（22）分别与主动轮（212）和从动轮（213）缠绕连接，所述从动轮（213）与安装组件（3）连接，每组所述从动轮（213）沿着垂直于主动轮（212）中心轴线的方向同轴设置。

8.根据权利要求7所述的线缆驱动式软体机械臂，其特征在于：还包括设置在安装组件（3）上的转向轮（214），所述转向轮（214）的中心轴线与从动轮（213）的中心轴线垂直。