WO2023065659A1 - 一种基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂 - Google Patents

一种基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂 Download PDF

Info

Publication number
WO2023065659A1
WO2023065659A1 PCT/CN2022/094130 CN2022094130W WO2023065659A1 WO 2023065659 A1 WO2023065659 A1 WO 2023065659A1 CN 2022094130 W CN2022094130 W CN 2022094130W WO 2023065659 A1 WO2023065659 A1 WO 2023065659A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
joint
connecting rod
connection plate
driving
rod
Prior art date
Application number
PCT/CN2022/094130
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
王旭浩
李明宇
吴孟丽
李德祚
林玉飞
吕东洋
陈莫
唐杰
张军
Original Assignee
中国民航大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 中国民航大学 filed Critical 中国民航大学
Publication of WO2023065659A1 publication Critical patent/WO2023065659A1/zh

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J18/00—Arms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators

Definitions

  • the invention belongs to the technical field of robots, in particular to a seven-degree-of-freedom flexible mechanical arm articulated on the basis of an offset cross axis.
  • the flexible robotic arm is different from the traditional rigid joint robotic arm. It is usually composed of multiple flexible joints in series. It has the advantages of many degrees of freedom and flexible movement. It is especially suitable for applications in narrow space environments, such as pipeline inspections and inspections in complex boxes. , On-wing inspection and maintenance of aero-engines, etc.
  • joints of flexible manipulators generally use cross universal hinges, ball joint structures or pure flexible material support structures, which have problems such as complex joint structures, large outer diameters, and low torsional stiffness, which greatly limit their application range.
  • rope-driven flexible manipulators generally use one drive motor to drive one rope, resulting in many drive motors required, so the drive mechanism is more complicated.
  • the object of the present invention is to provide a seven-degree-of-freedom flexible robot arm articulated based on an offset cross axis.
  • the seven-degree-of-freedom flexible mechanical arm articulated based on the offset cross axis includes a driving mechanism, an arm segment mechanism, a first guide rail and a first connecting rod;
  • the first guide rail includes a slide rail, a first slider, a second lead screw, a first drive motor, a second coupling and a support frame;
  • the first drive motor is fixedly installed at one end of the support frame, and the output shaft passes through
  • the second coupling is connected with one end of the second lead screw, and the other end of the second lead screw is installed on the other end of the support frame in a rotating manner;
  • the slide rail is installed on the support frame in parallel with the second lead screw ;
  • the first slider is set on the second lead screw and the bottom surface is installed on the slide rail, so it can move back and forth along the slide rail under the drive of the first drive motor;
  • the arm segment mechanism includes a first joint unit, a second joint unit, and a third joint unit with identical structures and arranged in sequence; each joint unit includes a head end link, multiple joint links, and multiple offset joints.
  • Two first connecting grooves, and the axes of the two first connecting grooves are located in a straight line, and the part located outside the first central hole is axially penetrated to form a plurality of symmetrically distributed first guide holes;
  • the whole of the joint connecting rod is Cylindrical structure, a second central hole is formed through the center of the axis, two second connecting grooves are formed in symmetrical depressions on the outer parts of both ends, and the axes of the two second connecting grooves are on a straight line, outside the second central hole
  • a plurality of symmetrically distributed second guide holes are formed through the part along the axial direction;
  • an offset cross joint axis is set between the head end connecting rod, the joint connecting rod and two adjacent joint connecting rods; each offset cross
  • the joint axis includes an offset central axis and four joint axes; a third central hole is formed through the axis of the offset central axis, and two symmetrically installed on the parts outside the third central hole on both ends of the offset central axi
  • the drive mechanism includes three drive units respectively connected to a joint unit, a first connection plate, a second connection plate, a third connection plate, a round platform, a second connecting rod, a fourth connection plate, a connecting part and a central connection pieces; the first connection plate, the second connection plate and the third connection plate are arranged in parallel at intervals and the middle parts are connected to each other by a central connecting piece;
  • the second connecting rod is connected with the fourth connecting plate; one end of the connecting part is connected on the side of the central connecting piece, and the other end extends to the outside of the driving mechanism and is fixedly connected with the first slider on the first guide rail;
  • each driving The unit includes two second drive motors, two first couplings, four first pulleys, two first lead screws, at least two guide rods, two first force sensors, two second force sensors, Two second sliders, four second pulleys and four third pulleys; two second drive motors are symmetrically installed on the edge of the bottom surface of the first connecting plate, and the output shaft runs through
  • One end of the first connecting rod is connected to the middle part of the top surface of the fourth connection plate in the drive mechanism, and the other end is connected to the rear end surface of the joint link at the rear end of the first joint unit in the arm segment mechanism.
  • the first connecting rod is an elongated hollow rod.
  • the middle circumferential surface of the connecting rod at the head end is inwardly recessed to form two symmetrical U-shaped grooves, and the part between the first central hole and the first guide hole is axially penetrated to form a plurality of first reducing holes. Heavy bore to reduce the overall weight of the head end linkage.
  • a plurality of second weight-reducing holes are formed axially through the part of the joint connecting rod located between the second center hole and the second guide hole, and at the same time, the middle parts of the two end surfaces are recessed inward to reduce the weight of the joint connecting rod. overall weight.
  • the central connecting piece is a hollow cylindrical structure.
  • the offset cross joint axis is used to realize the connection between the connecting rods of each joint, which strengthens the torsional rigidity of the flexible robotic arm and improves the motion accuracy of the flexible robotic arm.
  • the outer diameter of the flexible robotic arm is small, making The flexible robotic arm can be well adapted to various detection and manipulation tasks in narrow spaces.
  • a force sensor is used to connect the driving rope, and the elongation of the driving rope can be changed by sensing the magnitude of the pre-tightening force, thereby controlling the bending degree of the flexible robotic arm.
  • One driving motor drives two symmetrical driving ropes to realize a bending degree of freedom of the robot arm, which reduces the number of driving motors and makes the flexible robot arm more miniaturized.
  • Fig. 1 is a schematic structural diagram of a seven-degree-of-freedom flexible manipulator based on an offset cross-axis hinge according to the present invention.
  • Fig. 2 is a schematic structural diagram of a joint unit of the arm segment mechanism in the present invention.
  • Fig. 3 is a schematic diagram of the head-end link structure of the arm section mechanism in the present invention.
  • Fig. 4 is a schematic diagram of the joint link structure of the arm segment mechanism in the present invention.
  • Fig. 5 is a schematic structural diagram of the offset cross joint shaft of the arm section mechanism in the present invention.
  • Fig. 6 is a structural schematic diagram of the driving mechanism in the present invention.
  • Fig. 7 is a schematic diagram of the structure of the first guide rail in the present invention.
  • Fig. 8 is a schematic longitudinal sectional view of the driving mechanism in the present invention.
  • the seven-degree-of-freedom flexible robotic arm articulated based on the offset cross axis provided by the present invention includes a driving mechanism 1, an arm segment mechanism 2, a first link 4 and a first guide rail 3;
  • the first guide rail 3 includes a slide rail 31, a first slider 32, a second screw 311, a first drive motor 33, a second shaft coupling 34 and a support frame 35;
  • the first drive motor 33 is fixedly mounted on One end of the support frame 35, the output shaft is connected with one end of the second leading screw 311 through the second coupling 34, and the other end of the second leading screw 311 is installed on the other end of the support frame 35 in a rotating manner;
  • slide rail 31 Installed on the support frame 35 in a manner parallel to the second lead screw 311;
  • the first slider 32 is sleeved on the second lead screw 311 and the bottom surface is installed on the slide rail 31, so it can be driven by the first drive motor 33 along the Slide rail 31 reciprocates;
  • the arm segment mechanism 2 includes the first joint unit I, the second joint unit II and the third joint unit III which have the same structure and are arranged in sequence; each joint unit includes a head-end connecting rod 21, a plurality of joint connecting rods 22. A plurality of offset cross joint shafts 23, an elastic support rod 25 and four driving ropes 24; the head-end connecting rod 21 has a cylindrical structure as a whole, and a first central hole 212 is formed through the center of the shaft.
  • Two first connecting grooves 213 are formed in radially symmetrical depressions on the outer part of the rear end surface, and the axes of the two first connecting grooves 213 are on a straight line, and the part located outside the first central hole 212 is formed through a plurality of Symmetrically distributed first guide holes 211;
  • the joint connecting rod 22 has a cylindrical structure as a whole, a second central hole 222 is formed through the axis, and two second connecting grooves 223 are formed in symmetrical depressions on the outer parts of both ends, and The axes of the two second connecting grooves 223 are located in a straight line, and a plurality of symmetrically distributed second guide holes 221 are formed through the part located outside the second central hole 222 in the axial direction;
  • An offset cross joint axis 23 is arranged between two adjacent joint links 22; each offset cross joint axis 23 includes an offset central axis 232 and four joint axes 231; at the center
  • the two joint links 22 or the head-end link 21 and the joint link 22 are connected to each other by using the offset cross joint shaft 23 to form a first rotating pair 26 whose axes are perpendicular to each other.
  • the third center hole 233 is aligned with the first center hole 212 on the head end link 21 and the second center hole 222 on the joint link 22, and each first guide hole 211 on the head end link 21 is aligned with A second guide hole 221 on all joint links 22 is aligned;
  • the elastic support rod 25 runs through the first center hole 212 provided on the head end link 21, the second center hole 222 of each joint link 22 and the offset cross joint
  • one end of the four driving ropes 24 is connected to the connecting rod 21 at the head end at equal intervals, and the opposite two driving ropes 24 are a pair, and the other ends pass through the joint unit and are located in the joint unit. All the guide holes at the same position on all joint units on the rear side are connected to the drive mechanism 1
  • the drive mechanism 1 includes three drive units respectively connected to a joint unit, a first connecting plate 102, a second connecting plate 104, a third connecting plate 109, a round platform 110, a second connecting rod 113, and a fourth connecting plate 114, connecting part 117 and central connecting piece 118;
  • the first connecting plate 102, the second connecting plate 104 and the third connecting plate 109 are arranged in parallel at a distance and the middle part is connected to each other by using the central connecting piece 118;
  • the bottom surface of the round table 110 is installed on the third
  • the top surface middle part of connection plate 109, the top surface of circular platform 110 is connected with the 4th connection plate 114 by many second connecting rods 113;
  • the outside of the mechanism 1 is fixedly connected with the first slider 32 on the first guide rail 3;
  • each drive unit includes two second drive motors 101, two first couplings 103, four first pulleys 115, two A first lead screw 105, at least two guide rods 106, two first force sensors 107
  • each second slide block 116 is sleeved on a first lead screw 105 and at least one guide rod 106 nearby, so it can move back and forth along the guide rod 106; each first force sensor 107 and the second force sensor 108 are installed on the bottom surface and the top surface of a second slider 116 at the same time; the four first pulleys 115 are symmetrically installed on the central connecting piece 118 between the first connecting plate 102 and the second connecting plate 104 The position;
  • Four second pulleys 111 are symmetrically installed on the circumferential surface of the round platform 110;
  • Four third pulleys 112 are symmetrically installed on the top edge of the round platform 110, and each first pulley 115 is respectively connected with a second pulley 111 Align up and down with the installation position of a third pulley 112; one drive rope 24 in each pair of drive ropes 24 on each joint unit in the described arm section mechanism 2 first passes through the fourth connecting disk 114, then goes around a third Pulley 11
  • One end of the first link 4 is connected to the middle part of the top surface of the fourth connection plate 114 in the drive mechanism 1, and the other end is connected to the rear end surface of the joint link 22 at the rear end of the first joint unit I in the arm segment mechanism 2.
  • the first connecting rod 4 is an elongated hollow rod.
  • Two symmetrical U-shaped grooves 214 are recessed inward on the middle circumferential surface of the connecting rod 21 at the head end.
  • a first lightening hole 215 is provided to reduce the overall weight of the connecting rod 21 at the head end.
  • a plurality of second weight-reducing holes 224 are formed through the joint connecting rod 22 between the second center hole 222 and the second guide hole 221 in the axial direction, and the middle parts of the two end surfaces are recessed inward to reduce the The overall weight of joint link 22.
  • the central connecting piece 118 is a hollow cylindrical structure.
  • each second drive motor 101 on the drive mechanism 1 drives the first lead screw 105 to rotate through the first coupling 103 , so that the second slider 116 reciprocates along the guide rod 106, thereby driving two symmetrical driving cables 24 to realize a bending degree of freedom of a joint unit; one end of a driving cable 24 is connected to the joint unit in the arm segment mechanism 2 On the first end link 21 of the drive mechanism 1, the other end is connected to the first force sensor 107 of the drive unit in the drive mechanism 1, and one end of the other symmetrical drive rope 24 is connected to the second force sensor 108 of the drive unit, and the other end is connected to the second force sensor 108 of the drive unit.
  • the pre-tightening force can be sensed by the force sensor, thereby changing the elongation of the driving rope 24 to drive the bending degree of the flexible mechanical arm; each driving unit only needs Driven by two second drive motors 101, the six degrees of freedom of the arm segment mechanism 2 are finally realized through six second drive motors 101, so as to achieve the purpose of controlling the end position of the flexible manipulator; in addition, the first drive motor can 33 Drive the drive mechanism 1 and the arm segment mechanism 2 to slide on the first guide rail 3 to realize the freedom of movement of the entire flexible robotic arm; the flexible robotic arm has a total of six degrees of freedom in bending and one degree of freedom in movement, a total of seven degrees of freedom ;
  • the robotic arm has the advantages of flexible movement, high compliance, small outer diameter, less driving required and high torsional rigidity, and can be well adapted to various detection and operation tasks in narrow spaces.

Abstract

一种基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂，包括驱动机构（1）、臂段机构（2）、第一连杆（4）和第一导轨（3）；臂段机构包括第一至第三关节单元（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）；每个关节单元具有两个弯曲自由度，整个柔性机械臂具有一个移动自由度和六个弯曲自由度；采用偏置十字关节轴（23）实现各个关节连杆（22）间连接，加强了机械臂抗扭转刚度，提高了运动精度，同时外径尺寸较小，使得机械臂可很好地适应各种狭窄空间的检测和操作任务；采用力传感器（107，108）连接驱动绳索（24），通过感知预紧力的大小，从而改变驱动绳索的伸长量，由此来控制柔性机械臂的弯曲程度；通过一个驱动电机（101）驱动两根对称的驱动绳索实现机械臂的一个弯曲自由度，减少了驱动电机的数量，使得柔性机械臂更加小型化。

Description

一种基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂 技术领域
本发明属于机器人技术领域，特别是涉及一种基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂。
背景技术
柔性机械臂不同于传统刚性关节的机械臂，通常由多个柔性关节串联而成，具有自由度多、运动灵活等优点，特别适合在狭窄空间环境下应用，例如管道检测、复杂箱体内的检测、航空发动机在翼检测与维修等。
目前，柔性机械臂的关节普遍采用十字万向铰链、球铰结构或纯柔性材料支撑结构，存在关节结构复杂，外径尺寸较大，抗扭转刚度低等问题，极大地限制了其应用范围。此外，绳驱动的柔性机械臂普遍采用一个驱动电机驱动一条绳索，导致所需驱动电机很多，因此驱动机构较为复杂。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂。
为了达到上述目的，本发明提供的基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂包括驱动机构、臂段机构、第一导轨和第一连杆；
其中，所述第一导轨包括滑轨、第一滑块、第二丝杠、第一驱动电机、第二联轴器和支撑架；第一驱动电机固定安装在支撑架的一端，输出轴通过第二联轴器与第二丝杠的一端相连接，第二丝杠的另一端以转动的方式安装在支撑架的另一端；滑轨以与第二丝杠平行的方式安装在支撑架上；第一滑块套装在第二丝杠且底面安装在滑轨上，因此能够在第一驱动电机的驱动下沿滑轨往复 移动；
所述臂段机构包括结构完全相同且依次排布的第一关节单元、第二关节单元和第三关节单元；每个关节单元包括一个首端连杆、多个关节连杆、多个偏置十字关节轴、一根弹性支撑杆与四条驱动绳索；所述首端连杆的整体为圆柱体形结构，轴心处贯通形成有一个第一中心孔，后端面外侧部位沿径向对称凹陷形成有两个第一连接槽，并且两个第一连接槽的轴线位于一条直线，位于第一中心孔外侧的部位沿轴向贯通形成有多个对称分布的第一导向孔；关节连杆的整体为圆柱体形结构，轴心处贯通形成有一个第二中心孔，两端面外侧部位对称凹陷形成有两个第二连接槽，并且两个第二连接槽的轴线位于一条直线，位于第二中心孔外侧的部位沿轴向贯通形成有多个对称分布的第二导向孔；首端连杆与关节连杆以及相邻两个关节连杆之间均设置一个偏置十字关节轴；每个偏置十字关节轴包括偏置中心轴和四个关节轴；偏置中心轴的轴心处贯通形成有一个第三中心孔，偏置中心轴两端面上位于第三中心孔外侧的部位对称安装有两个关节轴，并且两个关节轴的轴线位于一条直线，同时两端面上的关节轴轴线相互垂直；每个端面上的两个关节轴外侧部位分别嵌入在首端连杆上的两个第一连接槽或关节连杆同一端面上的两个第二连接槽内，由此利用偏置十字关节轴将两个关节连杆或首端连杆与关节连杆相互连接并形成两个轴线相互垂直的第一转动副，并且第三中心孔与上述首端连杆上的第一中心孔及关节连杆上的第二中心孔对齐，同时首端连杆上的每个第一导向孔与所有关节连杆上的一个第二导向孔对齐；弹性支撑杆贯穿设置在首端连杆的第一中心孔、各关节连杆的第二中心孔和偏置十字关节轴的第三中心孔内；四条驱动绳索的一端等间距连接在首端连杆上，相对的两条驱动绳索为一对，另一端穿过本关节单 元以及位于本关节单元后侧的所有关节单元上同一位置的所有导向孔后连接在驱动机构上；
所述驱动机构包括三个分别与一个关节单元相连接的驱动单元、第一连接盘、第二连接盘、第三连接盘、圆台、第二连杆、第四连接盘、连接部件和中心连接件；第一连接盘、第二连接盘和第三连接盘间隔距离平行设置且中部利用中心连接件相互连接；圆台的底面安装在第三连接盘的顶面中部，圆台的顶面通过多根第二连杆与第四连接盘相连接；连接部件的一端连接在中心连接件的侧面上，另一端延伸至驱动机构的外侧且与第一导轨上的第一滑块固定连接；每个驱动单元包括两台第二驱动电机、两个第一联轴器、四个第一滑轮、两根第一丝杠、至少两根导向杆、两个第一力传感器、两个第二力传感器、两个第二滑块、四个第二滑轮和四个第三滑轮；两台第二驱动电机对称安装在第一连接盘的底面边缘部位，输出轴贯穿第一连接盘；第一联轴器位于第一连接盘和第二连接盘之间；两根第一丝杠对称设置，每根第一丝杠的一端以转动的方式安装在第三连接盘的外侧部位，另一端贯穿第二连接盘后通过一个第一联轴器与一台第二驱动电机的输出端相连接；每根第一丝杠的附近安装至少一根导向杆，导向杆的两端分别安装在第二连接盘和第三连接盘上；每个第二滑块同时套装在一根第一丝杠和附近的至少一根导向杆上，因此能够沿导向杆往复移动；每个第一力传感器和第二力传感器同时安装在一个第二滑块的底面和顶面上；四个第一滑轮对称安装在中心连接件上位于第一连接盘和第二连接盘之间的部位；四个第二滑轮对称安装在圆台的圆周面上；四个第三滑轮对称安装在圆台的顶面边缘上，并且每个第一滑轮分别与一个第二滑轮和一个第三滑轮的安装位置上下对齐；所述臂段机构中每个关节单元上每对驱动绳索中的一条驱动绳 索先穿过第四连接盘、然后绕过一个第三滑轮和一个第二滑轮、再穿过第三连接盘后连接在一个驱动单元的一个第二力传感器上，另一条驱动绳索先穿过第四连接盘、然后绕过一个第三滑轮和一个第二滑轮、继而相继穿过第三连接盘和第二连接盘，再绕过一个第一滑轮后横向贯穿中心连接件、最后绕过另一个对称设置的第一滑轮后连接在第一力传感器上；
第一连杆的一端连接在驱动机构中第四连接盘的顶面中部，另一端连接在臂段机构中第一关节单元后端的关节连杆后端面上。
所述第一连杆为细长空心杆件。
所述首端连杆的中部圆周面上向内凹陷形成有两个对称的U型槽，同时位于第一中心孔与第一导向孔之间的部位沿轴向贯通形成有多个第一减重孔，以减轻首端连杆的整体重量。
所述关节连杆上位于第二中心孔与第二导向孔之间的部位沿轴向贯通形成有多个第二减重孔，同时两个端面中部向内凹陷形成，以减轻关节连杆的整体重量。
所述中心连接件为空心圆筒形结构。
本发明提供的基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂具有以下优点：
1、采用偏置十字关节轴实现各个关节连杆之间的连接，加强了该柔性机械臂的抗扭转刚度，提高了柔性机械臂的运动精度，同时柔性机械臂的外径尺寸较小，使得该柔性机械臂可以很好地适应各种狭窄空间的检测和操作任务。
2、采用力传感器连接驱动绳索，通过感知预紧力的大小，从而改变驱动绳索的伸长量，由此来控制柔性机械臂的弯曲程度。
3、一个驱动电机驱动两根对称的驱动绳索实现该机械臂的一个弯曲自由 度，减少了驱动电机的数量，使得该柔性机械臂更加小型化。
附图说明
图1为本发明基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂结构示意图。
图2为本发明中臂段机构的一个关节单元结构示意图。
图3为本发明中臂段机构的首端连杆结构示意图。
图4为本发明中臂段机构的关节连杆结构示意图。
图5为本发明中臂段机构的偏置十字关节轴结构示意图。
图6为本发明中驱动机构结构示意图。
图7为本发明中第一导轨结构示意图。
图8为本发明中驱动机构纵向剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂进行详细说明。
如图1—图8所示，本发明提供的基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂包括驱动机构1、臂段机构2、第一连杆4和第一导轨3；
其中，所述第一导轨3包括滑轨31、第一滑块32、第二丝杠311、第一驱动电机33、第二联轴器34和支撑架35；第一驱动电机33固定安装在支撑架35的一端，输出轴通过第二联轴器34与第二丝杠311的一端相连接，第二丝杠311的另一端以转动的方式安装在支撑架35的另一端；滑轨31以与第二丝杠311平行的方式安装在支撑架35上；第一滑块32套装在第二丝杠311且底面安装在滑轨31上，因此能够在第一驱动电机33的驱动下沿滑轨31往复移动；
所述臂段机构2包括结构完全相同且依次排布的第一关节单元Ⅰ、第二关 节单元Ⅱ和第三关节单元Ⅲ；每个关节单元包括一个首端连杆21、多个关节连杆22、多个偏置十字关节轴23、一根弹性支撑杆25与四条驱动绳索24；所述首端连杆21的整体为圆柱体形结构，轴心处贯通形成有一个第一中心孔212，后端面外侧部位沿径向对称凹陷形成有两个第一连接槽213，并且两个第一连接槽213的轴线位于一条直线，位于第一中心孔212外侧的部位沿轴向贯通形成有多个对称分布的第一导向孔211；关节连杆22的整体为圆柱体形结构，轴心处贯通形成有一个第二中心孔222，两端面外侧部位对称凹陷形成有两个第二连接槽223，并且两个第二连接槽223的轴线位于一条直线，位于第二中心孔222外侧的部位沿轴向贯通形成有多个对称分布的第二导向孔221；首端连杆21与关节连杆22以及相邻两个关节连杆22之间均设置一个偏置十字关节轴23；每个偏置十字关节轴23包括偏置中心轴232和四个关节轴231；偏置中心轴232的轴心处贯通形成有一个第三中心孔233，偏置中心轴232两端面上位于第三中心孔233外侧的部位对称安装有两个关节轴231，并且两个关节轴231的轴线位于一条直线，同时两端面上的关节轴231轴线相互垂直；每个端面上的两个关节轴231外侧部位分别嵌入在首端连杆21上的两个第一连接槽213或关节连杆22同一端面上的两个第二连接槽223内，由此利用偏置十字关节轴23将两个关节连杆22或首端连杆21与关节连杆22相互连接并形成两个轴线相互垂直的第一转动副26，并且第三中心孔233与上述首端连杆21上的第一中心孔212及关节连杆22上的第二中心孔222对齐，同时首端连杆21上的每个第一导向孔211与所有关节连杆22上的一个第二导向孔221对齐；弹性支撑杆25贯穿设置在首端连杆21的第一中心孔212、各关节连杆22的第二中心孔222和偏置十字关节轴23的第三中心孔233内；四条驱动绳索24的一端等间距连接在首端连杆 21上，相对的两条驱动绳索24为一对，另一端穿过本关节单元以及位于本关节单元后侧的所有关节单元上同一位置的所有导向孔后连接在驱动机构1上；
所述驱动机构1包括三个分别与一个关节单元相连接的驱动单元、第一连接盘102、第二连接盘104、第三连接盘109、圆台110、第二连杆113、第四连接盘114、连接部件117和中心连接件118；第一连接盘102、第二连接盘104和第三连接盘109间隔距离平行设置且中部利用中心连接件118相互连接；圆台110的底面安装在第三连接盘109的顶面中部，圆台110的顶面通过多根第二连杆113与第四连接盘114相连接；连接部件117的一端连接在中心连接件118的侧面上，另一端延伸至驱动机构1的外侧且与第一导轨3上的第一滑块32固定连接；每个驱动单元包括两台第二驱动电机101、两个第一联轴器103、四个第一滑轮115、两根第一丝杠105、至少两根导向杆106、两个第一力传感器107、两个第二力传感器108、两个第二滑块116、四个第二滑轮111和四个第三滑轮112；两台第二驱动电机101对称安装在第一连接盘102的底面边缘部位，输出轴贯穿第一连接盘102；第一联轴器103位于第一连接盘102和第二连接盘104之间；两根第一丝杠105对称设置，每根第一丝杠105的一端以转动的方式安装在第三连接盘109的外侧部位，另一端贯穿第二连接盘104后通过一个第一联轴器103与一台第二驱动电机101的输出端相连接；每根第一丝杠105的附近安装至少一根导向杆106，导向杆106的两端分别安装在第二连接盘104和第三连接盘109上；每个第二滑块116同时套装在一根第一丝杠105和附近的至少一根导向杆106上，因此能够沿导向杆106往复移动；每个第一力传感器107和第二力传感器108同时安装在一个第二滑块116的底面和顶面上；四个第一滑轮115对称安装在中心连接件118上位于第一连接盘102和第二连 接盘104之间的部位；四个第二滑轮111对称安装在圆台110的圆周面上；四个第三滑轮112对称安装在圆台110的顶面边缘上，并且每个第一滑轮115分别与一个第二滑轮111和一个第三滑轮112的安装位置上下对齐；所述臂段机构2中每个关节单元上每对驱动绳索24中的一条驱动绳索24先穿过第四连接盘114、然后绕过一个第三滑轮112和一个第二滑轮111、再穿过第三连接盘109后连接在一个驱动单元的一个第二力传感器108上，另一条驱动绳索24先穿过第四连接盘114、然后绕过一个第三滑轮112和一个第二滑轮111、继而相继穿过第三连接盘109和第二连接盘104，再绕过一个第一滑轮115后横向贯穿中心连接件118、最后绕过另一个对称设置的第一滑轮115后连接在第一力传感器107上；
第一连杆4的一端连接在驱动机构1中第四连接盘114的顶面中部，另一端连接在臂段机构2中第一关节单元Ⅰ后端的关节连杆22后端面上。
所述第一连杆4为细长空心杆件。
所述首端连杆21的中部圆周面上向内凹陷形成有两个对称的U型槽214，同时位于第一中心孔212与第一导向孔211之间的部位沿轴向贯通形成有多个第一减重孔215，以减轻首端连杆21的整体重量。
所述关节连杆22上位于第二中心孔222与第二导向孔221之间的部位沿轴向贯通形成有多个第二减重孔224，同时两个端面中部向内凹陷形成，以减轻关节连杆22的整体重量。
所述中心连接件118为空心圆筒形结构。
本发明提供的基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂的工作原理为：通过驱动机构1上的每台第二驱动电机101分别通过第一联轴器103驱动第一 丝杠105旋转，从而使第二滑块116沿导向杆106往复移动，由此带动两条对称的驱动绳索24实现一个关节单元的一个弯曲自由度；一条驱动绳索24的一端连接到臂段机构2中关节单元的首端连杆21上，另一端连接到驱动机构1中驱动单元的第一力传感器107上，另一条对称的驱动绳索24的一端连接到驱动单元的第二力传感器108上，另一端连接到臂段结构2中关节单元的首端连杆21上；可通过力传感器感知预紧力大小，从而改变驱动绳索24的伸长量来驱动柔性机械臂的弯曲程度；每个驱动单元只需两台第二驱动电机101驱动，最终通过六个第二驱动电机101实现臂段机构2的六个弯曲自由度，从而达到对柔性机械臂末端位置控制的目的；另外，可通过第一驱动电机33驱动驱动机构1及臂段机构2在第一导轨3上滑动而实现整个柔性机械臂的移动自由度；本柔性机械臂总共具有六个弯曲自由度与一个移动自由度，共七个自由度；该机械臂具有运动灵活、柔顺性高、外径尺寸小、所需驱动少与抗扭转刚度大等优点，可以很好地适应各种狭窄空间的检测和操作任务。

Claims (5)

  1. 一种基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂，其特征在于：所述基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂包括驱动机构(1)、臂段机构(2)、第一导轨(3)和第一连杆(4)；
    其中，所述第一导轨(3)包括滑轨(31)、第一滑块(32)、第二丝杠(311)、第一驱动电机(33)、第二联轴器(34)和支撑架(35)；第一驱动电机(33)固定安装在支撑架(35)的一端，输出轴通过第二联轴器(34)与第二丝杠(311)的一端相连接，第二丝杠(311)的另一端以转动的方式安装在支撑架(35)的另一端；滑轨(31)以与第二丝杠(311)平行的方式安装在支撑架(35)上；第一滑块(32)套装在第二丝杠(311)且底面安装在滑轨(31)上，因此能够在第一驱动电机(33)的驱动下沿滑轨(31)往复移动；
    所述臂段机构(2)包括结构完全相同且依次排布的第一关节单元(Ⅰ)、第二关节单元(Ⅱ)和第三关节单元(Ⅲ)；每个关节单元包括一个首端连杆(21)、多个关节连杆(22)、多个偏置十字关节轴(23)、一根弹性支撑杆(25)与四条驱动绳索(24)；所述首端连杆(21)的整体为圆柱体形结构，轴心处贯通形成有一个第一中心孔(212)，后端面外侧部位沿径向对称凹陷形成有两个第一连接槽(213)，并且两个第一连接槽(213)的轴线位于一条直线，位于第一中心孔(212)外侧的部位沿轴向贯通形成有多个对称分布的第一导向孔(211)；关节连杆(22)的整体为圆柱体形结构，轴心处贯通形成有一个第二中心孔(222)，两端面外侧部位对称凹陷形成有两个第二连接槽(223)，并且两个第二连接槽(223)的轴线位于一条直线，位于第二中心孔(222)外侧的部位沿轴向贯通形成有多个对称分布的第二导向孔(221)；首端连杆(21)与关节连杆(22)以及相邻两个关节连杆(22)之间均设置一个偏置十字关节轴(23)； 每个偏置十字关节轴(23)包括偏置中心轴(232)和四个关节轴(231)；偏置中心轴(232)的轴心处贯通形成有一个第三中心孔(233)，偏置中心轴(232)两端面上位于第三中心孔(233)外侧的部位对称安装有两个关节轴(231)，并且两个关节轴(231)的轴线位于一条直线，同时两端面上的关节轴(231)轴线相互垂直；每个端面上的两个关节轴(231)外侧部位分别嵌入在首端连杆(21)上的两个第一连接槽(213)或关节连杆(22)同一端面上的两个第二连接槽(223)内，由此利用偏置十字关节轴(23)将两个关节连杆(22)或首端连杆(21)与关节连杆(22)相互连接并形成两个轴线相互垂直的第一转动副(26)，并且第三中心孔(233)与上述首端连杆(21)上的第一中心孔(212)及关节连杆(22)上的第二中心孔(222)对齐，同时首端连杆(21)上的每个第一导向孔(211)与所有关节连杆(22)上的一个第二导向孔(221)对齐；弹性支撑杆(25)贯穿设置在首端连杆(21)的第一中心孔(212)、各关节连杆(22)的第二中心孔(222)和偏置十字关节轴(23)的第三中心孔(233)内；四条驱动绳索(24)的一端等间距连接在首端连杆(21)上，相对的两条驱动绳索(24)为一对，另一端穿过本关节单元以及位于本关节单元后侧的所有关节单元上同一位置的所有导向孔后连接在驱动机构(1)上；
    所述驱动机构(1)包括三个分别与一个关节单元相连接的驱动单元、第一连接盘(102)、第二连接盘(104)、第三连接盘(109)、圆台(110)、第二连杆(113)、第四连接盘(114)、连接部件(117)和中心连接件(118)；第一连接盘(102)、第二连接盘(104)和第三连接盘(109)间隔距离平行设置且中部利用中心连接件(118)相互连接；圆台(110)的底面安装在第三连接盘(109)的顶面中部，圆台(110)的顶面通过多根第二连杆(113)与第四连接盘(114) 相连接；连接部件(117)的一端连接在中心连接件(118)的侧面上，另一端延伸至驱动机构(1)的外侧且与第一导轨(3)上的第一滑块(32)固定连接；每个驱动单元包括两台第二驱动电机(101)、两个第一联轴器(103)、四个第一滑轮(115)、两根第一丝杠(105)、至少两根导向杆(106)、两个第一力传感器(107)、两个第二力传感器(108)、两个第二滑块(116)、四个第二滑轮(111)和四个第三滑轮(112)；两台第二驱动电机(101)对称安装在第一连接盘(102)的底面边缘部位，输出轴贯穿第一连接盘(102)；第一联轴器(103)位于第一连接盘(102)和第二连接盘(104)之间；两根第一丝杠(105)对称设置，每根第一丝杠(105)的一端以转动的方式安装在第三连接盘(109)的外侧部位，另一端贯穿第二连接盘(104)后通过一个第一联轴器(103)与一台第二驱动电机(101)的输出端相连接；每根第一丝杠(105)的附近安装至少一根导向杆(106)，导向杆(106)的两端分别安装在第二连接盘(104)和第三连接盘(109)上；每个第二滑块(116)同时套装在一根第一丝杠(105)和附近的至少一根导向杆(106)上，因此能够沿导向杆(106)往复移动；每个第一力传感器(107)和第二力传感器(108)同时安装在一个第二滑块(116)的底面和顶面上；四个第一滑轮(115)对称安装在中心连接件(118)上位于第一连接盘(102)和第二连接盘(104)之间的部位；四个第二滑轮(111)对称安装在圆台(110)的圆周面上；四个第三滑轮(112)对称安装在圆台(110)的顶面边缘上，并且每个第一滑轮(115)分别与一个第二滑轮(111)和一个第三滑轮(112)的安装位置上下对齐；所述臂段机构(2)中每个关节单元上每对驱动绳索(24)中的一条驱动绳索(24)先穿过第四连接盘(114)、然后绕过一个第三滑轮(112)和一个第二滑轮(111)、再穿过第三连接盘(109)后连 接在一个驱动单元的一个第二力传感器(108)上，另一条驱动绳索(24)先穿过第四连接盘(114)、然后绕过一个第三滑轮(112)和一个第二滑轮(111)、继而相继穿过第三连接盘(109)和第二连接盘(104)，再绕过一个第一滑轮(115)后横向贯穿中心连接件(118)、最后绕过另一个对称设置的第一滑轮(115)后连接在第一力传感器(107)上；
    第一连杆(4)的一端连接在驱动机构(1)中第四连接盘(114)的顶面中部，另一端连接在臂段机构(2)中第一关节单元(Ⅰ)后端的关节连杆(22)后端面上。
  2. 根据权利要求1所述的基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂，其特征在于：所述第一连杆(4)为细长空心杆件。
  3. 根据权利要求1所述的基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂，其特征在于：所述首端连杆(21)的中部圆周面上向内凹陷形成有两个对称的U型槽(214)，同时位于第一中心孔(212)与第一导向孔(211)之间的部位沿轴向贯通形成有多个第一减重孔(215)，以减轻首端连杆(21)的整体重量。
  4. 根据权利要求1所述的基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂，其特征在于：所述关节连杆(22)上位于第二中心孔(222)与第二导向孔(221)之间的部位沿轴向贯通形成有多个第二减重孔(224)，同时两个端面中部向内凹陷形成，以减轻关节连杆(22)的整体重量。
  5. 根据权利要求1所述的基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂，其特征在于：所述中心连接件(118)为空心圆筒形结构。
PCT/CN2022/094130 2021-10-19 2022-05-20 一种基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂 WO2023065659A1 (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111215181.6 2021-10-19
CN202111215181.6A CN113733153B (zh) 2021-10-19 2021-10-19 一种基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023065659A1 true WO2023065659A1 (zh) 2023-04-27

Family

ID=78726845

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/CN2022/094130 WO2023065659A1 (zh) 2021-10-19 2022-05-20 一种基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN113733153B (zh)
WO (1) WO2023065659A1 (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113733153B (zh) * 2021-10-19 2023-09-29 中国民航大学 一种基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂
CN114027982B (zh) * 2021-12-09 2023-07-21 合肥工业大学 一种基于连续体构型的单杆柔性驱动手术机器人执行器
CN114406995A (zh) * 2022-01-29 2022-04-29 中国航空制造技术研究院 一种蛇形机械臂及稳定工作方法
CN114536315B (zh) * 2022-03-03 2023-06-23 哈尔滨工业大学（深圳） 面向在轨服务的连续型多臂机器人
CN115009743A (zh) * 2022-06-22 2022-09-06 上海科钛众联医疗科技有限公司 一种试管分配装置

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012031919A1 (de) * 2010-09-08 2012-03-15 Siemens Aktiengesellschaft Instrumentensystem für einen endoskopieroboter
CN107322584A (zh) * 2017-08-30 2017-11-07 享奕自动化科技（上海）有限公司 一种蛇形臂
CN107363820A (zh) * 2017-06-21 2017-11-21 浙江大学 可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置
CN108098744A (zh) * 2017-12-26 2018-06-01 清华大学深圳研究生院 一种坐标型机械臂
CN108527348A (zh) * 2018-04-04 2018-09-14 北京航空航天大学 一种多关节机械臂
US20190192129A1 (en) * 2016-08-31 2019-06-27 BEIJING SURGERi! TECHNOLOGY CO., LTD. Flexible surgical instrument system
CN109955286A (zh) * 2019-04-26 2019-07-02 哈尔滨工业大学（深圳） 绳驱柔性机器人实验平台
CN110666833A (zh) * 2019-09-23 2020-01-10 广东工业大学 一种基于并联机构的绳驱动七自由度仿人机械臂
CN112706155A (zh) * 2020-12-30 2021-04-27 沈阳新松机器人自动化股份有限公司 一种模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人
CN113733153A (zh) * 2021-10-19 2021-12-03 中国民航大学 一种基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101173619B1 (ko) * 2010-04-29 2012-08-13 한국과학기술원 내시경 수술용 로봇장치
CN106313034B (zh) * 2016-11-10 2018-07-13 燕山大学 刚柔耦合的柔性机械臂
CN106514703B (zh) * 2016-12-08 2019-07-26 燕山大学 基于绳索驱动的轮辐式柔性机械臂
CN206393667U (zh) * 2016-12-08 2017-08-11 燕山大学 基于绳索驱动的轮辐式柔性机械臂
CN110757441B (zh) * 2019-10-21 2023-02-17 中山大学 一种多关节联合运动的柔性机械臂驱动装置

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012031919A1 (de) * 2010-09-08 2012-03-15 Siemens Aktiengesellschaft Instrumentensystem für einen endoskopieroboter
US20190192129A1 (en) * 2016-08-31 2019-06-27 BEIJING SURGERi! TECHNOLOGY CO., LTD. Flexible surgical instrument system
CN107363820A (zh) * 2017-06-21 2017-11-21 浙江大学 可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置
CN107322584A (zh) * 2017-08-30 2017-11-07 享奕自动化科技（上海）有限公司 一种蛇形臂
CN108098744A (zh) * 2017-12-26 2018-06-01 清华大学深圳研究生院 一种坐标型机械臂
CN108527348A (zh) * 2018-04-04 2018-09-14 北京航空航天大学 一种多关节机械臂
CN109955286A (zh) * 2019-04-26 2019-07-02 哈尔滨工业大学（深圳） 绳驱柔性机器人实验平台
CN110666833A (zh) * 2019-09-23 2020-01-10 广东工业大学 一种基于并联机构的绳驱动七自由度仿人机械臂
CN112706155A (zh) * 2020-12-30 2021-04-27 沈阳新松机器人自动化股份有限公司 一种模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人
CN113733153A (zh) * 2021-10-19 2021-12-03 中国民航大学 一种基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂

Also Published As

Publication number Publication date
CN113733153A (zh) 2021-12-03
CN113733153B (zh) 2023-09-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2023065659A1 (zh) 一种基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂
CN110315511B (zh) 一种采用被动弹簧张紧的索驱动并联分拣机器人
RU2400351C2 (ru) Высокоскоростной робот параллельной кинематики с четырьмя степенями подвижности
US10246276B2 (en) Cable-strut combination driven parallel robotic palletizer
EP0188863B1 (en) Direct drive robotic system
KR20180019720A (ko) 힘 측정 장치를 갖는 로봇
CN110561408B (zh) 一种机器人系统
JP2008529816A5 (zh)
KR20120127888A (ko) 중력 보상 기구 및 이를 이용하는 로봇암
US20160089776A1 (en) Compact Parallel Kinematics Robot
US5698959A (en) Robot with two dimensional driving mechanism
US11491645B2 (en) Scissor linkage design and method of operation
KR101715222B1 (ko) 로봇 동축 관절 유니트
JP2002523687A (ja) ナット／ネジジャッキ連結構成部品及びロボットアームへの適用
CN211278393U (zh) 基于斯图尔特并联机构的六自由度运动装置及其伸缩机构
WO2023065658A1 (zh) 一种基于十字轴铰接的柔性机械臂
CN111975748A (zh) 竖直搓动式移动与转动自由度解耦的高速并联机器人
CN113386117B (zh) 一种实现正弦解耦的具有偏航自由度的绳驱柔性机械臂
JP4124232B2 (ja) 水平アームを有するロボット
JP2005226777A (ja) リンク作動装置
CN113459071A (zh) 一种三自由度并联机器人
CN113172618A (zh) 一种模块化七自由度绳驱动仿人臂
JPH11254357A (ja) 水平アームを有するロボット
CN111975749A (zh) 水平搓动式转动与移动自由度解耦的高速并联机器人
CN113459152B (zh) 一种大运动范围复合柔性仿生球窝关节

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22882284

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1