CN206967474U - 绳索驱动多自由度串联机械臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种绳索驱动多自由度串联机械臂，属于机械臂领域。该绳驱动机械臂包括基座、腰部关节单元、腰部平台、大臂单元、小臂单元、末端平台单元等。钢丝绳索一端固定于关节处从动轮，一端固定于腰部平台处的驱动单元绞盘处，实现了驱动力依靠绳索从腰部平台绞盘处传递至后端关节从动轮，从而驱动各关节单元绕各自关节轴做旋转运动。各关节驱动绳索依靠导向滑轮导向，并依次绕过前端各关节轴，通过规定的轴导向轮直径的设置，建立了一种驱动方法，实现机械臂前端任意关节转动，而末端相对世界坐标系的姿态保持不变。绳索自身柔性增加机械臂与环境接触的缓冲效果，尤其适用于对机械臂与人、环境交互安全性需求高的场合。

Description

绳索驱动多自由度串联机械臂

技术领域

本实用新型涉及一种多关节机械臂技术领域，特别是涉及一种绳索驱动的、关节耦合的绳索驱动多自由度串联机械臂。

背景技术

目前，传统多自由度串联机械臂多采用液压、电机驱动，且驱动系统安装在机械臂关节处，各关节的驱动单元又成为下一级关节的负载，存在结构复杂、体积重量大、转动惯量大、系统柔性差、负载自重比低等缺点，限制了机械臂的承载能力、高速运动和快速响应能力。传统机械臂的高刚性、大惯量，使得不得不考虑人-机器、环境-机器之间交互的安全性。此外，为了克服传统机械臂存在的缺点，提高系统的负载自重比，提升系统的安全性能，提出一种绳索驱动多自由度串联机械臂。绳索能容易地实现在任意路径实现拉力的传递，因此可以将传统机械臂关节上的驱动电机安装后置于基座位置，利用绳索的自由走线配置，将驱动力传至关节处，实现机械臂关节的运动。驱动机构后置，能极大地减小机械臂的重量、降低关节惯量，结构简单，易于实现，同时系统的负载自重比得到了提升。但是，关节绳索之间的耦合现象又不可避免，这是实现机械臂运动首要解决的问题。

通过对现有公开技术文献检索发现，上海交通大学的陶俊等人的专利(公开号：CN1995777A，名称：用于机械臂的钢丝绳传动机构)及相关论文《钢丝绳传动四自由度机械臂的机构设计》、《钢丝绳传动5自由度机器人的机构设计》等对钢丝绳索传动机构进行了有益探索，但是其设计的多自由度机械臂，也只实现单个关节的绳索驱动，其余关节依旧依靠电机直接驱动的方式，无法更好地发挥绳索驱动方式的优点，且在多关节绳驱的机械臂上的推广存在缺陷。华南理工大学的张勤等人的专利(专利公布号：CN102672715A，名称：一种助残/助老用绳驱动机械臂)，公布了一种助残/助老用绳驱动机械臂，将各个转动关节的驱动电机都安装在底座驱动箱内，采用套筒-绳索传动方式，实现了各个关节驱动单元的后置，虽然避免了各个转动关节驱动绳索的耦合现象，但是绳索与套筒之间的摩擦带来了死区、间隙、迟滞等诸多非线性特性，机械臂的控制精度、动态特性、驱动效率难以保证。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种绳索驱动多自由度串联机械臂，解决了多关节机械臂中绳索传动、布置、张紧等问题，并为关节驱动绳索耦合问题提供了简单、有益的解决方法。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种绳索驱动多自由度串联机械臂，其特征在于：

包括基座底板、腰部平台、大臂单元、小臂单元、末端平台单元；

所述腰部平台上还安装有腰部驱动单元、大臂驱动单元、小臂驱动单元和末端驱动单元；上述腰部驱动单元、大臂驱动单元、小臂驱动单元和末端驱动单元均由电机、联轴器、绳索绞盘及绕于绳索绞盘上的绳索组成；

所述腰部平台通过腰部单元安装于基座底板上；腰部单元包括和腰部转轴和腰部支座，腰部转轴的旋转轴沿竖直方向，腰部支座与基座底板固接，腰部转轴与腰部平台固联，腰部转轴套于腰部支座上，两者之间通过轴承相连；腰部驱动单元的腰部绳索两端分别绕于腰部转轴并与其固定；

所述腰部平台上固定有一对腰部左、右侧板，腰部左右侧板之间安装有一水平布置的大臂关节转轴；大臂关节转轴上还安装有大臂关节从动轮、小臂关节滑轮、第一末端关节滑轮；大臂单元的下端和大臂关节从动轮均与大臂关节转轴固联；大臂驱动单元的大臂绳索两端分别绕于大臂关节从动轮并与其固定；大臂单元上还安装有小臂绳索张紧装置；

所述小臂单元的下端通过水平布置的小臂关节转轴与大臂单元的上端相连；小臂关节转轴上还安装有小臂关节从动轮和第二末端关节滑轮；小臂单元的下端、小臂关节从动轮均与小臂关节转轴固联；小臂绳索两端依次经过小臂关节滑轮、小臂绳索张紧装置后，分别绕于小臂关节从动轮并与其固定；小臂单元还安装有末端绳索张紧装置；

所述末端平台单元的下端通过水平布置的末端关节转轴与小臂单元的上端相连；上述末端关节转轴上还安装有末端关节从动轮；末端平台单元的下端、末端关节从动轮均与末端关节轴固连；末端驱动单元的末端绳索两端依次经过第一末端关节滑轮、第二末端关节滑轮、末端绳索张紧装置后，分别绕于末端关节从动轮并与其固定。

绳驱动机械臂的驱动单元安装在远离各关节的腰部平台上，通过绳索连接各关节与驱动单元，传递运动和力，改变了传统机械臂将减速装置、驱动装置安装在各关节处导致机械臂整体质量大、惯量大的不足，减小了机械臂伸展部分的质量体积，降低了驱动电机的负载，有利于系统的运动性能及动态响应的提升。

所述的绳索驱动多自由度串联机械臂，其特征在于：

所述小臂绳索卷绕过的小臂关节滑轮与小臂关节从动轮直径相等；

所述末端绳索卷绕过的第一末端关节滑轮、第二末端关节滑轮与末端关节从动轮直径相同；

所述小臂绳索、末端绳索与小臂绳索绞盘、末端绳索绞盘构成的卷绕回路中，不存在交叉。

所述的绳索驱动多自由度串联机械臂，其特征在于：所述的小臂绳索张紧装置和末端绳索张紧装置结构如下，

包括基板和左、右两个张紧臂；基板上设置有上、下两个螺栓孔，左边张紧臂的右端通过螺栓安装于一个螺栓孔处，右边张紧臂的左端通过螺栓安装于另一个螺栓孔处；左边张紧臂的左端和右边张紧臂的右端分别安装左、右臂带槽滑轮；

张紧臂在相应的螺栓孔处还设置有扭簧孔套，左、右臂扭簧，固定螺母；左、右臂扭簧和扭簧孔套于基板与左、右张紧臂之间，左、右臂扭簧套在扭簧孔套上，扭簧孔套套在螺栓轴上，螺栓轴末端通过螺栓轴螺母固定；上述扭簧一端通过基板的挡边固定，另一端通过张紧臂的挡边固定；

无外力作用时两个张紧臂与基板垂直。

由于绳索只能承受拉力、存在弹性变形等因素，会导致绳索在驱动过程中出现松弛等现象，影响运动和力的传递性能，影响机械臂性能。通过安装绳索张紧装置，使得机械臂在驱动过程中，绳索始终保持在张紧状态，使传递过程可靠、高效，有利于提高控制性能，改善驱动效果。

所述的绳索驱动多自由度串联机械臂，其特征在于：绳索张紧装置为独立模块设计，根据实际需要张紧的绳索数目安装相应的张紧装置。

机械臂的多个自由度需要多条绳索传递，并且存在某些关节距离驱动电机较远，走线路径长的情况，单个张紧装置的张紧效果不理想，因此，使用该模块化的绳索张紧装置，可以根据实际因素安装一个或者多个张紧装置。

所述的绳索驱动多自由度串联机械臂，其特征在于：大臂绳索绞盘、大臂关节从动轮与大臂绳索中心对称线处于同一平面；小臂绳索绞盘、小臂关节滑轮、小臂关节从动轮和小臂绳索中心对称线处于同一平面；末端绳索绞盘、第一末端关节滑轮、第二末端关节滑轮、末端关节从动轮和末端绳索中心对称线处于同一平面；

保证上述关系，使得绳索在驱动过程中不会出现横向滑移等意外情况，绳索的驱动绳长变化可以简单、准确度量，是机械臂进行精确的运动学建模的基础。

所述的绳索驱动多自由度串联机械臂，其特征在于：腰部绳索绞盘到腰部转轴、大臂绳索绞盘到大臂关节从动轮、小臂绳索绞盘到小臂关节从动轮、末端绳索绞盘到末端关节从动轮之间的减速比分别记为n0、n1、n2、n3，那么绳索绞盘上的螺纹槽线圈数分别不小于n0、n1、n2、n3圈，螺距不小于绳索的直径。

各关节需满足能在预定的角度范围内转动，关节到驱动电机之间存在减速比，绳索在绞盘上的卷绕圈数多于在关节从动轮上的卷绕圈数，因此螺纹槽线的圈数必须大于减速比。通过在绞盘上加工螺纹槽线，使绳索在绞盘上可以按照螺纹路径卷绕，避免了绳索在卷绕过程中出现重叠、交叉等影响计算绳索长度变化的情况，保证了计算的准确性以及可靠驱动。

所述的绳索驱动多自由度串联机械臂的驱动方法，其特征在于：

腰部平台绕腰部支座转动，具有竖直方向转动自由度，大臂单元、小臂单元、末端平台单元为与垂直于腰部单元轴线的三个平行转动自由度；

腰部驱动单元、大臂驱动单元、小臂驱动单元和末端驱动单元上的绳索绞盘可以绕卷和释放相应的绳索，传递运动和力，从而带动各关节轴转动，实现绳索驱动多自由度串联机械臂运动；

小臂绳索张紧装置和末端绳索张紧装置使经过其上的绳索始终保持张紧状态；

腰部绳索、大臂绳索、小臂绳索、末端绳索传动过程中始终贴合导向滑轮。

采用四个绳驱关节的设定，满足的现实中大部分作业任务的需要；绳索驱动减小了机械臂的整体惯量、质量，简单的结构又降低了机构的复杂度；绳索张紧装置进一步保证了绳驱过程的可靠稳定；绳索的柔性又具有缓冲吸振的效果，拟补了传统刚性机械臂柔性交叉，安全性不足的缺点。

所述的绳索驱动多自由度串联机械臂的驱动方法，其特征在于：

所述小臂绳索卷绕过的小臂关节滑轮与小臂关节从动轮直径相等；所述末端绳索卷绕过的第一末端关节滑轮、第二末端关节滑轮与末端关节从动轮直径相同；所述小臂绳索、末端绳索与小臂绳索绞盘、末端绳索绞盘构成的卷绕回路中，不存在交叉；

所述大臂单元、小臂单元的任意角度转动，不会改变末端平台单元的姿态，具体原因如下：

其中符号表示为：θ₁、θ₂、θ₃分别表示末端绳索在大臂单元、小臂单元、末端平台单元的包覆角度；Δθ₁、Δθ₂、Δθ₃分别表示大臂单元、小臂单元、末端平台单元关节转动角度；R₃₁、R₃₂、R₃₃分别表示第一末端关节滑轮、第二末端关节滑轮、末端关节从动轮的半径；L′₃、L₃分别表示末端绳索运动前、运动后的总包覆长度。

运动前，处于初始位置时，末端绳索在位于大臂单元上的第一末端关节滑轮的包覆长度为θ₁R₃₁，在位于小臂单元上的第二末端关节滑轮的包覆长度为θ₂R₃₂，在所固定的末端关节从动轮上的包覆长度为θ₃R₃₃，因此，运动前末端绳索3的总包覆长度为L₃＝θ₁R₃₁+θ₂R₃₂+θ₃R₃₃。

当大臂关节从动轮带动大臂单元转动角度Δθ₁，小臂关节从动轮带动小臂单元转动角度Δθ₂时，若要保证末端平台单元的姿态相对大地坐标系不发生变化，需满足条件：Δθ₃＝Δθ₂-Δθ₁。

运动后，末端绳索在第一末端关节滑轮的包覆长度为(θ₁-Δθ₁)R₃₁，在第二末端关节滑轮的包覆长度为(θ₂+Δθ₂)R₃₂，在末端关节从动轮上的包覆长度为(θ₃-Δθ₃)R₃₃，末端绳索3此时的总包覆长度为L′₃＝(θ₁-Δθ₁)R₃₁+(θ₂+Δθ₂)R₃₂+θ′₃R₃₃。由于末端绳索绞盘在没有驱动末端绳索时，各关节的转动不影响末端绳索的总包覆长度，即L′₃＝L₃。那么，各关节发生转动后，末端绳索在末端关节从动轮上的包覆角度在保证末端绳索卷绕过的第一末端关节滑轮、第二末端关节滑轮与末端关节从动轮直径相同时，即R₃₁＝R₃₂＝R₃₃。因此，末端绳索在末端关节从动轮的包覆角度为θ′₃＝θ₃-(Δθ₂-Δθ₁)，末端平台单元的角度变化为Δθ₃＝Δθ₂-Δθ₁，满足条件。证明，末端平台姿态未发生改变。

这种特点，使得在保证末端位姿不变的情况下，只需要控制末端关节的驱动电机不转动即可。而传统机械臂在保持末端位姿不变时，需要同时控制末端关节的转角，运动耦合性强。该机械臂的这种特征的设计，极大地优化了保持末端位姿不变的控制方法，简单可行。同时，又具有降低能耗的优点。

所述的绳索驱动多自由度串联机械臂的驱动方法，其特征在于：

所述的小臂绳索张紧装置和末端绳索张紧装置结构如下，包括基板和左、右两个张紧臂；基板上设置有上、下两个螺栓孔，左边张紧臂的右端通过螺栓安装于一个螺栓孔处，右边张紧臂的左端通过螺栓安装于另一个螺栓孔处；左边张紧臂的左端和右边张紧臂的右端分别安装左、右臂带槽滑轮；张紧臂在相应的螺栓孔处还设置有扭簧孔套、左、右扭簧、固定螺母；左、右臂扭簧和扭簧孔套位于基板与左、右张紧臂之间，左、右臂扭簧套在扭簧孔套上，扭簧孔套套在螺栓轴上，螺栓轴末端通过螺栓轴螺母固定；上述扭簧一端通过基板的挡边固定，另一端通过张紧臂的挡边固定；无外力作用时两个张紧臂与基板垂直；

下侧绳索、上侧绳索两根绳索与左臂带槽滑轮、右臂带槽滑轮接触并以一定预张力由外向内压，产生向内侧压力，使左、右张紧臂绕近端螺栓轴转动，从而压缩左、右张紧臂变形；扭簧变形后产生扭矩，向外侧产生扭力，扭力方向与预张紧力方向相反，两个方向的力相互平衡，使两侧绳索张紧，固定绳索两端。此时，绳索达到以一定的预张力状态下连接固定。

当绳索出现松弛时，左张紧臂、右张紧臂在扭簧的作用下，继续向外侧扭转，向外顶绳索，直至与初始受预紧力相平衡状态，使绳索变化到张紧状态。

在机械臂运转过程中，若出现绳索松弛等现象，该绳索张紧装置可以动态张紧，自适应绳索的松紧状态，使绳驱性能稳定可靠，保证了运动和力的传递性能。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提出的绳索驱动多自由度机械臂系统将关节驱动电机安装后置于基座位置，利用绳索的自由走线配置，将驱动力传至关节处，实现机械臂关节的运动。驱动机构后置，能极大地减小机械臂的重量、降低关节惯量，系统的负载自重比得到了提升。所设计的绳索张紧模块，通过简单的扭簧等装置实现了驱动绳索的张紧，结构简单可靠的。采用模块化设计理念，可以根据实际需要增加机械臂的关节、臂数目，扩大机械臂使用范围及功能。通过各导向部件的尺寸约束，使得绳索在驱动各关节单元时的长度能精确度量，实现了一种保持机械臂末端位姿不变的方法，简单、有效。本实用新型结构简单可行，成本低，能替代和弥补现有的工业机器人的不足之处，可大面积推广应用。

附图说明

图1为绳驱动多自由度机械臂的轴测图；

图2为绳驱动多自由度机械臂的前视图；

图3为腰部平台三维爆炸视图；

图4为腰关节单元前视图；

图5为腰关节单元剖面图；

图6为大臂单元轴测图；

图7为大臂单元前视图；

图8为小臂单元轴视图；

图9为小臂单元前视图；

图10为末端单元轴视图；

图11为末端单元前视图；

图12为绳索张紧装置轴视图；

图13为绳索张紧装置爆炸视图；

图14为绳索张紧装置工作状态1示意图；

图15为绳索张紧装置工作状态2示意图；

图16为机械臂运动姿态1示意图；

图17为机械臂运动姿态2示意图；

图中标号名称：1基座底板、2腰部单元、3腰部平台、4腰部驱动单元、5小臂驱动单元、6大臂驱动单元、7末端驱动单元、8大臂关节从动轮、9大臂单元、10小臂关节从动轮、11小臂单元、12末端关节从动轮、13末端平台单元、14-1小臂绳索张紧装置、14-2末端绳索张紧装置、15-1大臂导向滑轮、15-2小臂导向滑轮、15-3末端导向滑轮、16小臂关节滑轮、17-1第一末端关节滑轮、17-2第二末端关节滑轮、20腰部绳索、21大臂绳索、22小臂绳索、23末端绳索；

301腰部平台底板、302-1腰部左侧板、302-2腰部右侧板、303-1腰部右加强筋、303-2腰部左加强筋、304-1左导向滑轮座、304-2右导向滑轮座、305腰部侧板支撑杆、401腰部伺服电机、501大臂伺服电机、601小臂伺服电机、701末端伺服电机、402腰部绳索绞盘、502大臂绳索绞盘、602小臂绳索绞盘、702末端绳索绞盘；

201-1下圆锥滚子轴承、201-2上圆锥滚子轴承、202腰部支座、203腰部轴套、204腰部转轴、205腰部轴承挡圈、206绳索压片、207螺钉；

901大臂关节转轴、902-1大臂左侧轴环、902-2大臂右侧轴环、903-1大臂左侧法兰轴承、903-2大臂右侧法兰轴承、904从动轮孔座、905-1大臂左侧板、905-2大臂右侧板、906大臂支撑杆；

1101小臂关节转轴、1102-1小臂左侧法兰轴承、1102-2小臂右侧法兰轴承、1103-1小臂左侧轴环、1103-2小臂右侧轴环、1104侧板支撑柱套、1105-1小臂左侧板、1105-2小臂右侧板、1106侧板支撑柱套；

1301末端关节转轴、1302-1末端左侧法兰轴承、1302-2末端右侧法兰轴承、1303-1末端左侧板、1303-2末端右侧板、1304-1末端左侧轴环、1304-2末端右侧轴环、1305末端安装座、1306侧板螺钉、1307从动轮螺钉；

1401弹性挡圈、1402-1左臂带槽滑轮、1402-1右臂带槽滑轮、1403垫圈、1404-1左张紧臂、1404-2右张紧臂、1405销轴、1406螺栓轴、1407垫片、1408-2左臂扭簧、1408-2右臂扭簧、1409扭簧孔套、1410基板、1411螺栓轴螺母、1412固定螺栓、1413调整垫圈、1414固定螺母；

14绳索张紧装置、30安装侧板、24-1上侧绳索、24-2下侧绳索、1404-1左张紧臂、1404-2右张紧臂、1402-1左臂带槽滑轮、1402-2右臂带槽滑轮、15-11左侧导向滑轮，15-12右侧导向滑轮

43末端绳索固定锚点

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

参阅图1和图2所示，本实用新型公开了一种绳索驱动多自由度串联机械臂，包括：基座底板1、腰部单元2、腰部平台3、腰部驱动单元4、小臂驱动单元5、大臂驱动单元6、末端驱动单元7、大臂关节从动轮8、大臂单元9、小臂关节从动轮10、小臂单元11、末端关节从动轮12、末端平台单元13组成、小臂绳索张紧装置14-1、末端绳索张紧装置14-2、大臂导向滑轮15-1、小臂导向滑轮15-2、末端导向滑轮15-3、大臂关节滑轮16、第一小臂关节滑轮17-1、第二小臂关节滑轮17-2、腰部绳索20、大臂绳索21、小臂绳索22、末端绳索23等。腰部单元2具有竖直方向转动自由度，大臂单元9、小臂单元11、末端平台单元13为与垂直于腰部单元2的三个平行转动自由度。腰部驱动单元4、小臂驱动单元5、大臂驱动单元6、末端驱动单元7均安装在腰部平台3上。腰部绳索20连接腰部驱动单元4和腰部单元2；大臂绳索21连接大臂驱动单元5和大臂关节从动轮8；小臂绳索22连接小臂驱动单元6和小臂关节从动轮10；末端绳索23连接末端驱动单元7和末端关节从动轮12。大臂绳索22、小臂绳索23分别通过小臂绳索张紧装置14-1、末端绳索张紧装置14-2实现张力预紧。各关节绳索传递驱动力，带动各关节轴转动，形成绳索驱动多自由度串联机械臂。

参阅图1和图2所示，腰部绳索绞盘(402)、腰部转轴(204)的凹槽的中心对称线保持在同一平面；大臂绳索绞盘(502)、大臂导向滑轮(15-1)、大臂关节从动轮(8)中心对称线保持在同一平面；小臂绳索绞盘(602)、小臂导向滑轮(15-2)、小臂关节滑轮(16)、小臂关节从动轮(8)中心对称线保持在同一平面；末端绳索绞盘(702)、末端导向滑轮(15-3)、第一末端关节滑轮(17-1)、第二末端关节滑轮(17-2)、末端关节从动轮(8)中心对称线保持在同一平面。

参阅图3所示，腰部平台3，包括：腰部平台底板301、腰部左侧板302-1、腰部右侧板302-2、腰部右加强筋303-1、腰部左加强筋303-2、左导向滑轮座304-1、右导向滑轮座304-2、大臂导向滑轮15-1、腰部侧板支撑杆305、腰部驱动单元4、小臂驱动单元5、大臂驱动单元6、末端驱动单元7。腰部左侧板302-1与腰部平台底板301上侧面之间通过腰部右加强筋303-1连接并通过螺栓紧固，腰部右侧板302-2与腰部平台底板301之间通过腰部左加强筋303-2连接并通过螺栓紧固。腰部驱动单元4、小臂驱动单元5、大臂驱动单元6、末端驱动单元7通过螺钉安装在腰部平台底板301上侧面。左导向滑轮座304-1与右导向滑轮座304-1上分别装有大臂导向滑轮15-2、小臂导向滑轮15-3，然后通过螺钉分别固定在腰部左侧板302-1及腰部右侧板302-2内侧面上。腰部导向滑轮15-1直接安装在腰部左侧板302-1外侧面。腰部左侧板302-1与腰部右侧板302-2上加工有轴承孔，用来安装大臂单元9的关节轴承。腰部侧板支撑杆305两端加工有螺纹孔，与腰部左侧板302-1、腰部右侧板302-2连接紧固，增加腰部两块侧板结构的稳定性。腰部平台底板301下侧面与腰部单元2通过螺栓连接，当腰部单元2转动时，带动腰部平台3转动。

参阅图1、图2和图3所示，绳索驱动多自由度串联机械臂各关节驱动方式为，腰部单元2与腰部驱动单元4通过腰部绳索20连接，由腰部驱动单元4上腰部绳索绞盘402卷绕绳索带动腰部单元2绕轴转动，形成腰部关节运动；大臂绳索21经大臂导向滑轮15-1导向后，连接大臂驱动单元5和大臂关节从动轮8，由大臂驱动单元5上大臂绳索绞盘502卷绕绳索带动大臂关节从动轮8转动，大臂关节从动轮8与大臂单元9关节轴连接，驱动大臂单元9绕轴转动，形成大臂关节运动；小臂绳索22由小臂导向滑轮15-2、小臂关节滑轮16、小臂绳索张紧装置14-1导向并张紧后，连接小臂驱动单元6和小臂关节从动轮10，由小臂驱动单元6上602卷绕绳索带动小臂关节从动轮10转动，小臂关节从动轮10与小臂单元11的关节轴连接，驱动小臂单元11绕轴转动，形成小臂关节运动；末端绳索23由末端导向滑轮15-3、第一末端关节滑轮17-1、第二末端关节滑轮17-2、末端绳索张紧装置14-2导向并张紧后，连接末端驱动单元7和末端关节从动轮12，由末端驱动单元7上绳索绞盘702卷绕绳索带动末端关节从动轮12转动，末端关节从动轮12与末端平台单元13关节轴连接，驱动末端关节从动轮12绕轴转动，形成末端关节运动。

参阅图4和图5所示，腰部单元2，包括下圆锥滚子轴承201-1、上圆锥滚子轴承201-2、腰部支座202、腰部轴套203、腰部转轴204、腰部轴承挡圈205、绳索压片206、螺钉207。腰部支座202、腰部转轴204为中空带凸缘柱体，凸缘处均加工有螺纹通孔。腰部支座202通过螺钉与基座底板1固接，腰部转轴204通过螺栓、螺母与腰部平台3的腰部平台底板301固接。下圆锥滚子轴承201-1、上圆锥滚子轴承201-2的内、外圈分别与腰部支座202外表面与腰部转轴204内表面紧密配合，内圈通过腰部轴套203定位，外圈通过腰部转轴204内圈的凸肩定位，从而使得腰部转轴204可以绕腰部绳索20相对自由转动。腰部转轴204外表面有环形凹槽，卷绕腰部绳索20，在腰部绳索20中部利用绳索压片206压紧于腰部转轴204的环形槽内，并用螺钉207拧紧，可靠紧固在腰部转轴204凹槽内，并以此为结点，腰部绳索20左右两段分别以相反方向绕腰部转轴204环形凹槽，卷绕至腰部绳索绞盘402并将绳索两头固定。腰部绳索绞盘402表面加工有螺纹槽线，可供绳索沿着槽线实现可靠的卷绕。腰部伺服电机401安装在腰部平台底板301上，通过联轴器403，带动腰部绳索绞盘402转动。由于腰部绳索20两端分别反向卷绕在腰部绳索绞盘402螺纹槽线上，因此，当腰部绳索绞盘402转动时，腰部绳索20一端继续卷绕在腰部绳索绞盘402上，另一端则同步从腰部绳索绞盘402上释放，使腰部绳索20拉伸，从而使腰部转轴204绕腰部支座202转动，并带动与腰部转轴204固接的腰部平台底板301转动，实现腰部单元2及腰部平台3的绕轴转动过程。

参阅图6和图7所示，大臂单元9，包括：大臂关节从动轮8、大臂关节转轴901、大臂左侧轴环902-1、大臂右侧轴环902-2、大臂左侧法兰轴承903-1、大臂右侧法兰轴承903-2、从动轮孔座904、大臂左侧板905-1、大臂右侧板905-2、大臂支撑杆906。大臂关节从动轮8与从动轮孔座904通过螺钉固接，从动轮孔座904与大臂关节转轴901轴孔配合，用键连接。大臂侧板905-1、大臂侧板905-2下端孔均加工有键槽及销孔，与大臂关节转轴901轴孔配合后，通过键及销钉连接，增加驱动性能。大臂左侧法兰轴承903-1、大臂右侧法兰轴承903-2内圈与大臂关节转轴901配合，外圈与腰部平台3左右侧板配合，构成大臂单元9与腰部平台3之间的转动关节。各部件安装压紧后，大臂关节转轴901两端利用大臂左侧轴环902-1、大臂右侧轴环902-2压紧，作轴向固定。小臂关节滑轮16、末端关节滑轮17-1安装在大臂关节转轴901上，起驱动绳索在关节轴上的导向作用。小臂绳索张紧装置14-1安装在大臂侧板905-2上，用于驱动绳索的张紧。小臂导向环路15-2、末端导向滑轮15-3分别安装在大臂左侧板905-1、大臂右侧板905-2上，用于驱动绳索的导向。大臂支撑杆906两端加工有螺纹孔，连接大臂左侧板905-1、大臂右侧板905-2，并用螺钉紧固，使两侧板支撑稳定。

参阅图8和图9，小臂单元11，包括小臂关节从动轮10、小臂关节转轴1101、小臂左侧法兰轴承1102-1、小臂右侧法兰轴承1102-2、小臂左侧轴环1103-1、小臂右侧轴环1103-2、侧板支撑柱套1104、小臂左侧板1105-1、小臂右侧板1105-2、侧板支撑柱套1106。侧板支撑柱套1104中间加工有轴孔，与小臂关节转轴1101通过键配合固接；左右两侧面加工有螺纹孔，分别与小臂侧板1105-1、小臂侧板1105-2通过螺栓固接。小臂关节从动轮10安装在小臂侧板1105-1外侧面，固定驱动绳索，驱动小臂单元11。小臂左侧法兰轴承1102-1、小臂右侧法兰轴承1102-2内圈与小臂关节转轴1101配合，外圈与9左右侧板配合，构成小臂单元11与大臂单元9之间的转动关节。各部件安装压紧后，小臂关节转轴1101两端利用小臂左侧法兰轴承1102-1、小臂右侧法兰轴承1102-2压紧，作轴向固定。小臂右侧板1105-2外侧面安装有末端绳索张紧装置14-2，用来后端关节绳索张紧，并利用末端导向滑轮15-3进行绳索的导向。小臂左侧板1105-1、小臂右侧板1105-2上端与侧板支撑柱套1106两侧面螺纹孔固接，用于侧板支撑，增加稳定性。

参阅图10和图11所示，末端平台单元13，包括：小臂关节从动轮10、末端关节转轴1301、末端左侧法兰轴承1302-1、末端右侧法兰轴承1302-2、末端左侧板1303-1、末端右侧板1303-2、末端左侧轴环1304-1、末端左侧轴环1304-2、末端安装座1305、侧板螺钉1306、从动轮螺钉1307。末端左侧板1303-1、末端右侧板1303-2下端为加工有带凸肩孔，并有键槽，与末端关节转轴1301轴孔配合后通过键固接；上端加工有螺纹通孔，与末端安装座1305两侧面配合后，通过侧板螺钉1306固接。末端安装座1305上侧面加工有安装凸台，作为其他执行机构的安装。末端关节从动轮12与末端右侧板1303-2外侧面配合，通过从动轮螺钉1307固接两者，固定驱动绳索，带动末端平台单元13。末端左侧法兰轴承1302-1、末端右侧法兰轴承1302-2内圈与末端关节转轴1301配合，外圈与小臂单元11左右侧板配合，构成末端平台单元13与小臂单元11之间的转动关节。各部件安装压紧后，末端关节转轴1301两端利用末端左侧轴环1304-1、末端左侧轴环1304-2压紧紧固，作轴向固定。

参阅图12和13所示，小臂绳索张紧装置14-1或者末端绳索张紧装置14-2，包括：弹性挡圈1401、左臂带槽滑轮1402-1、右臂带槽滑轮1402-2、垫圈1403、左张紧臂1404-1、右张紧臂1404-2、销轴1405、螺栓轴1406、垫片1407、左臂扭簧1408-2、右臂扭簧1408-2、扭簧孔套1409、基板1410、螺栓轴螺母1411、固定螺栓1412、调整垫圈1413、固定螺母1414。

基板1410上设置有上、下两个螺栓孔，左边张紧臂的右端通过螺栓轴安装于一个螺栓孔处，右边张紧臂的左端通过螺栓轴安装于另一个螺栓孔处；左边张紧臂的左端和右边张紧臂的右端分别安装左臂带槽滑轮1402-1、右臂带槽滑轮1402-2；

张紧臂在相应的螺栓孔处还设置有扭簧孔套1409，左臂扭簧1408-1、右臂扭簧1408-2，固定螺母1414；左臂扭簧1408-1、右臂扭簧1408-2和扭簧孔套1409位于基板1410与左张紧臂1404-1、右张紧臂1404-2之间，左臂扭簧1408-1、右臂扭簧1408-2套在扭簧孔套1409上，扭簧孔套1409套在螺栓轴1406上，螺栓轴1406末端通过螺栓轴螺母1411固定；上述扭簧一端通过基板的挡边固定，另一端通过张紧臂的挡边固定。左张紧臂1404-1、右张紧臂1404-2末端孔可绕螺栓轴1406自由转动。基板1410安装在目标物体上，通过固定螺母1414固定，其中调整垫圈1413可用于调整间距。无外力作用时两个张紧臂与基板垂直。

参阅图14和图15所示，绳索张紧过程的原理，包括：绳索张紧装置14、安装侧板30、上侧绳索24-1、下侧绳索24-2、左张紧臂1404-1、右张紧臂1404-2、左臂带槽滑轮1402-1、右臂带槽滑轮1402-2、左侧导向滑轮15-11，右侧导向滑轮15-12。

绳索张紧装置14安装在安装侧板30上，其中左张紧臂1404-1、右张紧臂1404-2可以绕固定螺栓轴转动。下侧绳索24-1、上侧绳索24-2分别跨过导向滑轮15-11后，连接到左张紧臂1404-1、右张紧臂1404-2的左臂带槽滑轮1402-1、右臂带槽滑轮1402-2上，再由导向滑轮15-12引出。下侧绳索24-1、上侧绳索24-2与左臂带槽滑轮1402-1、右臂带槽滑轮1402-2接触并以一定预张力由外向内压，产生向内侧压力，使左、右张紧臂绕近端螺栓转动，从而压缩扭簧变形；扭簧变形后产生扭矩，向外侧产生扭力，扭力方向与预张紧力方向相反，两个方向的力相互平衡，使两侧绳索张紧，固定绳索两端。此时，绳索达到以一定的预张力状态下连接固定。若绳索出现松弛，左张紧臂1404-1、右张紧臂1404-2在扭簧的作用下，继续向外侧扭转，向外顶绳索，使绳索保持张紧状态。图14为绳索张紧装置14最大张紧位置。

参阅图16和图17所示，机械臂末端平台单元13姿态保持不变的原理实现，所述小臂绳索22卷绕过的小臂关节滑轮16与小臂关节从动轮10直径相等；所述末端绳索23卷绕过的第一末端关节滑轮17-1、第二末端关节滑轮17-2与末端关节从动轮12直径相同；所述小臂绳索22、末端绳索23与小臂绳索绞盘602、末端绳索绞盘702构成的卷绕回路中，不存在交叉；

所述大臂单元9、小臂单元11的任意角度转动，不会改变末端平台单元13的姿态，具体原因如下：

其中符号表示为：θ₁、θ₂、θ₃分别表示末端绳索24在大臂单元9、小臂单元11、末端平台单元13的包覆角度；Δθ₁、Δθ₂、Δθ₃分别表示大臂单元9、小臂单元11、末端平台单元13关节转动角度；R₃₁、R₃₂、R₃₃分别表示第一末端关节滑轮17-1、第二末端关节滑轮17-2、末端关节从动轮12的半径；L′₃、L₃分别表示末端绳索23运动前、运动后的总包覆长度。

运动前，处于初始位置时，末端绳索23在位于大臂单元9上的第一末端关节滑轮17-1的包覆长度为θ₁R₃₁，在位于小臂单元11上的第二末端关节滑轮17-2的包覆长度为θ₂R₃₂，在所固定的末端关节从动轮12上的包覆长度为θ₃R₃₃，因此，运动前末端绳索3的总包覆长度为L₃＝θ₁R₃₁+θ₂R₃₂+θ₃R₃₃。

当大臂关节从动轮8带动大臂单元9转动角度Δθ₁，小臂关节从动轮10带动小臂单元11转动角度Δθ₂时，若要保证末端平台单元的姿态相对大地坐标系不发生变化，需满足条件：Δθ₃＝Δθ₂-Δθ₁。

运动后，末端绳索23在第一末端关节滑轮17-1的包覆长度为(θ₁-Δθ₁)R₃₁，在第二末端关节滑轮17-2的包覆长度为(θ₂+Δθ₂)R₃₂，在末端关节从动轮12上的包覆长度为(θ₃-Δθ₃)R₃₃，末端绳索3此时的总包覆长度为L′₃＝(θ₁-Δθ₁)R₃₁+(θ₂+Δθ₂)R₃₂+θ′₃R₃₃。由于末端绳索绞盘702在没有驱动末端绳索23时，各关节的转动不影响末端绳索23的总包覆长度，即L′₃＝L₃。那么，各关节发生转动后，末端绳索在末端关节从动轮12上的包覆角度在保证末端绳索23卷绕过的第一末端关节滑轮17-1、第二末端关节滑轮17-2与末端关节从动轮12直径相同时，即R₃₁＝R₃₂＝R₃₃。因此，末端绳索23在末端关节从动轮12的包覆角度为θ′₃＝θ₃-(Δθ₂-Δθ₁)，末端平台单元13的角度变化为Δθ₃＝Δθ₂-Δθ₁，满足条件。证明，末端平台姿态未发生改变。

Claims (6)

1.一种绳索驱动多自由度串联机械臂，其特征在于：

包括基座底板(1)、腰部平台(3)、大臂单元(9)、小臂单元(11)、末端平台单元(13)；

所述腰部平台(3)上还安装有腰部驱动单元(4)、大臂驱动单元(5)、小臂驱动单元(6)和末端驱动单元(7)；上述腰部驱动单元(4)、大臂驱动单元(5)、小臂驱动单元(6)和末端驱动单元(7)均由电机、联轴器、绳索绞盘及绕于绳索绞盘上的绳索组成；

所述腰部平台(3)通过腰部单元(2)安装于基座底板(1)上；腰部单元(2)包括和腰部转轴(204)和腰部支座(202)，腰部转轴(204)的旋转轴沿竖直方向，腰部支座(202)与基座底板(1)固接，腰部转轴(204)与腰部平台(3)固联，腰部转轴(204)套于腰部支座(202)上，两者之间通过轴承相连；腰部驱动单元(4)的腰部绳索(20)两端分别绕于腰部转轴(204)并与其固定；

所述腰部平台(3)上固定有一对腰部左、右侧板(302-1，302-2)，腰部左右侧板之间安装有一水平布置的大臂关节转轴(901)；大臂关节转轴(901)上还安装有大臂关节从动轮(8)、小臂关节滑轮(16)、第一末端关节滑轮(17-1)；大臂单元(9)的下端和大臂关节从动轮(8)均与大臂关节转轴(901)固联；大臂驱动单元(5)的大臂绳索(21)两端分别绕于大臂关节从动轮(8)并与其固定；大臂单元(9)上还安装有小臂绳索张紧装置(14-1)；

所述小臂单元(11)的下端通过水平布置的小臂关节转轴(1101)与大臂单元的上端相连；小臂关节转轴(1101)上还安装有小臂关节从动轮(10)和第二末端关节滑轮(17-2)；小臂单元(11)的下端、小臂关节从动轮(10)均与小臂关节转轴(1101)固联；小臂绳索(22)两端依次经过小臂关节滑轮(16)、小臂绳索张紧装置(14-1)后，分别绕于小臂关节从动轮(10)并与其固定；小臂单元(11)还安装有末端绳索张紧装置(14-2)；

所述末端平台单元(13)的下端通过水平布置的末端关节转轴(1301)与小臂单元(13)的上端相连；上述末端关节转轴(1301)上还安装有末端关节从动轮(12)；末端平台单元(13)的下端、末端关节从动轮(12)均与末端关节轴固连；末端驱动单元(7)的末端绳索(23)两端依次经过第一末端关节滑轮(17-1)、第二末端关节滑轮(17-2)、末端绳索张紧装置(14-2)后，分别绕于末端关节从动轮(12)并与其固定。

2.根据权利要求1所述的绳索驱动多自由度串联机械臂，其特征在于：

所述小臂绳索(22)卷绕过的小臂关节滑轮(16)与小臂关节从动轮(10)直径相等；

所述末端绳索(23)卷绕过的第一末端关节滑轮(17-1)、第二末端关节滑轮(17-2)与末端关节从动轮(12)直径相同；

所述小臂绳索(22)、末端绳索(23)与小臂绳索绞盘(602)、末端绳索绞盘(702)构成的卷绕回路中，不存在交叉。

3.根据权利要求1所述的绳索驱动多自由度串联机械臂，其特征在于：所述的小臂绳索张紧装置(14-1)和末端绳索张紧装置(14-2)结构如下，

包括基板(1410)和左、右两个张紧臂(1404-1，1404-2)；基板(1410)上设置有上、下两个螺栓孔，左边张紧臂的右端通过螺栓安装于一个螺栓孔处，右边张紧臂的左端通过螺栓安装于另一个螺栓孔处；左边张紧臂的左端和右边张紧臂的右端分别安装左、右臂带槽滑轮(1402-1，1402-2)；

张紧臂在相应的螺栓孔处还设置有扭簧孔套(1409)、左、右扭簧(1408-1，1408-2)、固定螺母(1414)；左、右臂扭簧(1408-1，1408-2)和扭簧孔套(1409)位于基板(1410)与左、右张紧臂(1404-1，1404-2)之间，左、右臂扭簧(1408-1，1408-2)套在扭簧孔套(1409)上，扭簧孔套(1409)套在螺栓轴(1406)上，螺栓轴(1406)末端通过螺栓轴螺母(1411)固定；上述扭簧一端通过基板的挡边固定，另一端通过张紧臂的挡边固定；

无外力作用时两个张紧臂与基板垂直。

4.根据权利要求1所述的绳索驱动多自由度串联机械臂，其特征在于：绳索张紧装置为独立模块设计，根据实际需要张紧的绳索数目安装相应的张紧装置。

5.根据权利要求1所述的绳索驱动多自由度串联机械臂，其特征在于：大臂绳索绞盘(502)、大臂关节从动轮(8)与大臂绳索(21)中心对称线处于同一平面；小臂绳索绞盘(602)、小臂关节滑轮(16)、小臂关节从动轮(10)和小臂绳索(22)中心对称线处于同一平面；末端绳索绞盘(702)、第一末端关节滑轮(17-1)、第二末端关节滑轮(17-2)、末端关节从动轮(12)和末端绳索(23)中心对称线处于同一平面。

6.按照权利要求1所述的绳索驱动多自由度串联机械臂，其特征在于：腰部绳索绞盘(402)到腰部转轴(204)、大臂绳索绞盘(502)到大臂关节从动轮(8)、小臂绳索绞盘(602)到小臂关节从动轮(10)、末端绳索绞盘(702)到末端关节从动轮(12)之间的减速比分别记为n0、n1、n2、n3，那么绳索绞盘(402、502、602、702)上的螺纹槽线圈数分别不小于n0、n1、n2、n3圈，螺距不小于绳索的直径。