CN108237551A - 一种双自由度联动的绳索驱动柔性机械臂关节组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双自由度联动的绳索驱动柔性机械臂关节组，其包括刚性支柱、单向弯曲柔性体、联动绳索、驱动绳索以及第一、第二过线体。本发明沿轴向交替连接刚性支柱与单向弯曲柔性体，刚性支柱的周向外壁设置有第一过线体，单向弯曲柔性体的周向外壁设置有第二过线体；联动绳索通过第一、第二过线体将单向弯曲柔性体与刚性支柱联动，形成运动关节组；另有驱动绳索通过第一过线体牵引关节组运动，减少柔性机械臂分布在各关节上的电机数目，减轻机械臂质量，提高机械臂刚性以及载荷能力，柔性机械臂响应速度快、动作平稳；同时设置单向弯曲柔性体的弯曲方向以及联动绳索、驱动绳索的分布方式，实现柔性机械臂关节组双自由度等曲率弯曲。

Description

一种双自由度联动的绳索驱动柔性机械臂关节组

技术领域

本发明涉及机械臂领域，尤其涉及一种双自由度联动的绳索驱动柔性机械臂关节组。

背景技术

随着机械臂应用于越来越复杂、多样的特殊场合，研究人员在传统工业机械臂的基础上，需要提高机械臂的运动的灵活程度，精确程度，稳定性以及安全性能，使其更好的适用于各种环境，在环境中方便快捷地避开障碍物等，因此，柔性机械臂应运而生。

现有技术中关于柔性机械臂的记载，一类机械臂是单关节由绳索联动，同时每个关节受电机驱动，整条机械臂的稳定性降低，运动精度降低，成本升高；另一类机械臂是采用弹性体作为机械臂支撑，减少了驱动电机的数量，但机械臂刚度不足，难以承受载荷，且空间运动时其控制策略复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，在于提供一种双自由度联动的绳索驱动柔性机械臂关节组，利用本发明的装置，可以在减少驱动电机数目、减轻机械臂质量的同时，提高机械臂的响应速度，使柔性机械臂具有一定的刚性以及载荷能力，且柔性机械臂的各组成关节双自由度等曲率弯曲运动。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种双自由度联动的绳索驱动柔性机械臂关节组，包括：

刚性支柱；单向弯曲柔性体，所述单向弯曲柔性体的侧壁上均匀设置有两列沿轴向分布的互不连通的镂空结构，这两列周向相对的所述镂空结构相互对称；

所述刚性支柱与所述单向弯曲柔性体沿轴向交替连接，且相邻两个单向弯曲柔性体的弯曲方向垂直，相间两个单向弯曲柔性体的弯曲方向相同；

过线结构，所述刚性支柱的周向外壁上设置有第一过线体，所述单向弯曲柔性体的周向外壁上设置有第二过线体；

联动绳索，所述联动绳索的一端设置结点，另一端自下而上沿轴线依次穿过第一单向弯曲柔性体、第一刚性支柱、第二单向弯曲柔性体上的所述过线结构，在第二刚性支柱上转180度向上继续沿轴线穿过第三单向弯曲柔性体上的所述第二过线体后，固定在最邻近所述刚性支柱上；连接相邻三节所述单向弯曲柔性体的所述联动绳索包括的外侧联动绳索与内侧联动绳索从第二刚性支柱往上，相对柔性机械臂外壁形成对称的八字绕线结构；

驱动绳索，所述驱动绳索的一端从底部自下而上沿轴线依次穿过所述第一过线体后，被固定在顶部，另一端连接驱动装置。

在一种优选的实施方式中，所述刚性支柱包括中间柱体以及所述中间柱体两端的上平台与下平台。

在一种优选的实施方式中，所述中间柱体为中空管道。

在一种优选的实施方式中，所述第一过线体包括所述上平台与所述下平台上沿周向均匀开设的过线孔。

在一种优选的实施方式中，所述第一过线体包括的过线孔包括内圈过线孔与外圈过线孔，所述内圈过线孔供所述联动绳索穿过，所述外圈过线孔供所述驱动绳索穿过。

在一种优选的实施方式中，所述第二过线体包括固定安装在所述单向弯曲柔性体的周向外壁上的过线套，所述过线套上开有过线孔。

在一种优选的实施方式中，若干所述过线套在所述单向弯曲柔性体的周向外壁上，沿所述单向弯曲柔性体的轴向等间距分布。

在一种优选的实施方式中，所述过线套的径向横截面上沿周向对称设置有至少四个过线孔。

在一种优选的实施方式中，所述驱动绳索有三根，沿整条柔性机械臂的周向均匀分布。

在一种优选的实施方式中，所述刚性支柱有五个，所述单向弯曲柔性体有四个。

本发明的有益效果是：

本发明通过沿轴向交替连接刚性支柱与单向弯曲柔性体，刚性支柱的周向外壁上设置有第一过线体，单向弯曲柔性体的周向外壁上设置有第二过线体；有联动绳索通过第一、第二过线体将单向弯曲柔性体与刚性支柱联动，形成一个运动关节组；另有驱动绳索通过第一过线体牵引关节组运动，减少柔性机械臂分布在各关节上的电机数目，降低成本，在减轻机械臂质量的同时，提高机械臂的刚性以及载荷能力，柔性机械臂各关节的响应速度快、动作平稳；同时设置单向弯曲柔性体的弯曲方向以及联动绳索、驱动绳索的分布方式，实现柔性机械臂关节组双自由度等曲率弯曲。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1是本发明一个实施例的组成结构示意图；

图2是本发明的部分结构示意图；

图3是本发明的部分结构示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

图1是本发明一个实施例的组成结构示意图，参照图1-3，该双自由度联动的绳索驱动柔性机械臂关节组包括：

刚性支柱1，单向弯曲柔性体2，联动绳索3，驱动绳索4，过线孔5以及过线套6。

本实施例中，如图1所示，刚性支柱1的周向外壁上设置有第一过线机构，单向弯曲柔性体2的周向外壁上设置有第二过线体，此处刚性支柱1与单向弯曲柔性体2沿轴向交替连接，且相邻两个单向弯曲柔性体的弯曲方向垂直。其中，单向弯曲柔性体2的侧壁上均匀设置有两列沿轴向分布的互不连通的镂空结构，这两列周向相对的镂空结构相互对称，单向弯曲柔性体2不可轴向压缩。

设置联动绳索3，联动绳索3的一端设置结点，另一端自下而上沿轴线依次穿过第一单向弯曲柔性体201、第一刚性支柱104、第二单向弯曲柔性体202上的过线结构，在第二刚性支柱105上转180度向上继续沿轴线穿过第三单向弯曲柔性体203上的第二过线体后，被固定在最邻近刚性支柱1上；连接相邻三节单向弯曲柔性体2的联动绳索3包括外侧联动绳索301与内侧联动绳索302，外侧联动绳索301与内侧联动绳索302从第二刚性支柱105往上，相对柔性机械臂外壁形成对称的八字绕线结构；

驱动绳索4的一端从机械臂关节组底部闫周贤依次穿过第一过线体，被固定在机械臂关节组顶部，另一端连接驱动装置。

当第三单向弯曲柔性体203的弯曲角度为θ1时，

内侧绳长的变化δ1为：δ1＝(R-r)*θ1-R*θ1-＝-r*θ1,

外侧绳长的变化δ2为：δ2＝(R+r)*θ1-R*θ1＝r*θ1，

按照图2中的八字绕线方式，内侧联动绳索302穿过第一单向弯曲柔性体201、第一刚性支柱104、第二单向弯曲柔性体202的内侧，在第二刚性支柱105上缠绕，再通过第三单向弯曲柔性体203的外侧，再固定在最邻近的刚性支柱1上。

在该过程中，在刚性支柱1上缠绕的的联动绳索的长度不变，顶端关节联动绳索伸长r*θ1，假设底端关节弯曲角度为θ2，则底端关节联动绳索缩短r*θ2。因联动绳索总长不变，则有r*θ1＝r*θ2，进而θ1＝θ2，显然相间隔的第一单向弯曲柔性体201、第三单向弯曲柔性体203为等曲率弯曲并且弯曲转动角度一致。

如此，可实现相间隔的两个关节通过该八字绕线结构实现等曲率弯曲。

此处，通过沿轴向交替连接刚性支柱1与单向弯曲柔性体2、并用联动绳索3通过第一、第二过线体将单向弯曲柔性体与刚性支柱联动起来，形成一个运动关节组；另有驱动绳索4通过第一过线体牵引关节组运动。以上结构可以减少柔性机械臂分布在各关节上的电机数目，降低成本，在减轻机械臂质量的同时，提高机械臂的刚性以及载荷能力，柔性机械臂各关节的响应速度快、动作平稳。通过设置单向弯曲柔性体2的弯曲方向以及联动绳索3、驱动绳索4的分布方式，实现柔性机械臂关节组双自由度等曲率弯曲。

本发明中的驱动绳索3采用远程驱动的方式，驱动装置远离机械臂，进一步减轻机械臂的质量，驱动装置的电气电路不受外界环境的影响而损坏，适用于特殊工作环境。

本实施例中，优选地，如图2所示，刚性支柱1包括中间柱体101、中间柱体两端101的上平台102与下平台103。此时刚性支柱1的轴向横截面为工字型，结构稳定。此处，中间柱体101优选为中空管道，可进一步减轻柔性机械臂的重量。

本实施例中，优选地，第一过线体包括过线孔5，结构简单；过线孔5沿周向均匀开设在上平台102与下平台103上，使穿过过线孔5的联动绳索3以及驱动绳索4分布规律，互不干扰。

此处，优选地，第一过线体上的过线孔5包括内圈过线孔与外圈过线孔，内圈过线孔供联动绳索3穿过，外圈过线孔供驱动绳索4穿过。

本实施例中，优选地，第二过线体包括固定安装在单向弯曲柔性体2的周向外壁上的过线套6，过线套6上开有过线孔5。过线套6结构简单，且不损害单向弯曲柔性体2本身的结构及特性。

此处，优选地，过线套6上开有的过线孔沿单向弯曲柔性体2的轴向等间距分布。

此处，优选地，过线套6的径向横截面上，沿周向对称设置有至少四个过线孔。

本实施例中，优选地，驱动绳索4有三根，沿整条柔性机械臂的周向均匀分布。机械臂关节组底部一端保持相对静止，通过对驱动绳索4远程驱动，调节每一节单向弯曲柔性体2对应的驱动绳索4的长度，使单向弯曲柔性体2等角度运动。

本实施例中，优选地，如图1所示，刚性支柱1有五个，单向弯曲柔性体2有四个。当然，此处对刚性支柱1以及单向弯曲柔性体的数量不作具体限制，只要在满足工作需求的基础上，保证机械臂关节组结构的稳定性以及重量的适宜性即可。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种双自由度联动的绳索驱动柔性机械臂关节组，其特征在于，包括：

刚性支柱；单向弯曲柔性体，所述单向弯曲柔性体的侧壁上均匀设置有两列沿轴向分布的互不连通的镂空结构，这两列周向相对的所述镂空结构相互对称；

所述刚性支柱与所述单向弯曲柔性体沿轴向交替连接，相邻两个单向弯曲柔性体的弯曲方向垂直，相间两个单向弯曲柔性体的弯曲方向相同；

过线结构，所述刚性支柱的周向外壁上设置有第一过线体，所述单向弯曲柔性体的周向外壁上设置有第二过线体；

联动绳索，所述联动绳索的一端设置结点，另一端自下而上沿轴线依次穿过第一单向弯曲柔性体、第一刚性支柱、第二单向弯曲柔性体上的所述过线结构，在第二刚性支柱上转180度向上继续沿轴线穿过第三单向弯曲柔性体上的所述第二过线体后，固定在最邻近所述刚性支柱上；连接相邻三节所述单向弯曲柔性体的所述联动绳索包括的外侧联动绳索与内侧联动绳索从第二刚性支柱往上，相对柔性机械臂外壁形成对称的八字绕线结构；

驱动绳索，所述驱动绳索的一端从底部自下而上沿轴线依次穿过所述第一过线体后，被固定在顶部，另一端连接驱动装置。

2.根据权利要求1所述的双自由度联动的绳索驱动柔性机械臂关节组，其特征在于：所述刚性支柱包括中间柱体以及所述中间柱体两端的上平台与下平台。

3.根据权利要求2所述的双自由度联动的绳索驱动柔性机械臂关节组，其特征在于：所述中间柱体为中空管道。

4.根据权利要求2所述的双自由度联动的绳索驱动柔性机械臂关节组，其特征在于：所述第一过线体包括所述上平台与所述下平台上沿周向均匀开设的过线孔。

5.根据权利要求4所述的双自由度联动的绳索驱动柔性机械臂关节组，其特征在于：所述第一过线体包括的过线孔包括内圈过线孔与外圈过线孔，所述内圈过线孔供所述联动绳索穿过，所述外圈过线孔供所述驱动绳索穿过。

6.根据权利要求1所述的双自由度联动的绳索驱动柔性机械臂关节组，其特征在于：所述第二过线体包括固定安装在所述单向弯曲柔性体的周向外壁上的过线套，所述过线套上开有过线孔。

7.根据权利要求6所述的双自由度联动的绳索驱动柔性机械臂关节组，其特征在于：所述过线套上开有的过线孔沿所述单向弯曲柔性体的轴向等间距分布。

8.根据权利要求7所述的双自由度联动的绳索驱动柔性机械臂关节组，其特征在于：所述过线套的径向横截面上沿周向对称设置有至少四个过线孔。

9.根据权利要求1所述的双自由度联动的绳索驱动柔性机械臂关节组，其特征在于：所述驱动绳索有三根，沿整条柔性机械臂的周向均匀分布。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的双自由度联动的绳索驱动柔性机械臂关节组，其特征在于：所述刚性支柱有五个，所述单向弯曲柔性体有四个。