CN105729498A - 模块化线绳驱动连续体机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模块化线绳驱动连续体机械臂，包括多个模块化单体；其中，任一相邻两个模块化单体的相对面分别设置第一铰接件、第二铰接件；一模块化单体的所述第一铰接与另一模块化单体的所述第二铰接件形成铰接结构；多个模块化单体依次通过所述铰接结构铰接形成机械臂节；所述模块化单体上设置有功能孔和周向依次排列的过线孔。本发明中两相邻模块化单体间采用不同的连接和锁紧方式，可以得到灵活性和负载能力不同的连续体机械臂。

Description

模块化线绳驱动连续体机械臂

技术领域

本发明涉及机械臂，具体地，涉及一种模块化线绳驱动连续体机械臂。

背景技术

传统机械臂关节采用电机等机构直接在关节处进行驱动，虽然机构简单但增加了机械臂负载并且结构不紧凑，效率低。一般很难满足狭小深腔或恶劣环境的作业要求。连续体机器人是指存在多个连续分布的弯曲、伸缩或扭转自由度的柔性机器人。由于其固有的超冗余度特性，连续体机器人在受限空间中的运动和操作能力远高于传统的多关节刚性连杆机器人，在核工厂大型装备检测与维护、抢险救灾及航空航天制造等领域的深腔和危险环境作业中有重要的应用价值。

通过对现有技术文献检索发现，中国专利公开号CN101653353A和公布号CN103948435A分别介绍了用于一种内窥镜机器人和一种单孔腹腔镜微创手术系统。这两种手术机器人中的机械臂都属于线绳驱动的连续体机械臂。由于用于人体手术的机械臂外径比较小，因此比较柔软灵活，但能承受负载较小不适合用于负载较大的工业场合。公开号CN105014689A专利中详细介绍的连续体机械臂采用刚性的虎克铰结构，通过增加关节数目实现灵活的运动及变形能力，负载及末端精度有显著提高，但由于采用刚性结构，不能实现连续变形因此不够灵活。事实上灵活性与高刚度高负载能力是一对矛盾的性能指标，为了保证灵活性可能会牺牲部分负载能力，反之亦然。为了解决柔性和刚性负载之间的矛盾，本发明提出了四种模块化线绳驱动连续体机械臂，

发明内容

针对现有技术中的缺陷，为了解决柔性和刚性负载之间的矛盾，本发明的目的是提供一种模块化线绳驱动连续体机械臂，能够在灵活性和负载之间寻求一个平衡点，从而可以根据不同的工况要求选择不同的设计。

根据本发明提供的模块化线绳驱动连续体机械臂，包括多个模块化单体；

其中，任一相邻两个模块化单体的相对面分别设置第一铰接件、第二铰接件；一模块化单体的所述第一铰接与另一模块化单体的所述第二铰接件形成铰接结构；

多个模块化单体依次通过所述铰接结构铰接形成机械臂节；

所述模块化单体上设置有功能孔和周向依次排列的过线孔。

优选地，所述过线孔的数量为至少3个；

所述过线孔内均设置有驱动线绳。

优选地，所述模块化单体的上端面、下端面均设置有两个相对设置的对称斜面；两个相对设置的对称斜面之间设置有沿径向贯穿的上滑槽；

所述模块化单体的上端面的下端面设置有与所述上滑槽相匹配的下转轴；

一模块化单体的上滑槽与另一模块化单体的下转轴形成铰接结构。

优选地，所述模块化单体的上端面设置有上球铰面和上圆弧扫略面，下端面设置有下球铰面和下圆弧扫略面；

一模块化单体的上球铰面与另一模块化单体的下球铰面之间形成铰接结构。

优选地，所述模块化单体的上端面设置有沿周向依次排列的盲孔通道，下端面设置有与所述盲孔通道相匹配的柔性杆；

所述柔性杆的端部设置有固定铰链；所述盲孔通道的底部设置有与所述固定铰链相匹配的球形凹槽；

一模块化单体的柔性杆通过固定铰链与另一模块化单体的盲孔通道之间形成铰接结构。

优选地，还包括铰链中圈和螺纹弹簧；

所述第一铰接件与所述第二铰接件之间通过所述铰链中圈形成铰接结构；

相邻两个模块化单体之间设置有多个螺纹弹簧。

优选地，多个所述螺纹弹簧沿所述模块化单体的周向依次排列；

所述第一铰接与所述铰链中圈的一相对两侧面之间、所述第二铰接与所述铰链中圈的另一相对两侧面之间通过台阶螺钉连接。

优选地，多个所述模块化单体上的功能孔组成的管道内设置有弹性骨架。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明中两相邻模块化单体相对对称斜面相互接触后相当于锁死不能运动，因此能提供较大负载；

2、本发明相邻模块化单体采用球铰连接，故上下两个相邻模块化单体可以绕任意方向转动，运动十分灵活；

3、本发明结构简单，布局合理，易于推广。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中线绳传动连续体机器人的结构示意图；

图2为在第一实施例中模块化线绳驱动连续体机械臂的结构示意图；

图3为在第一实施例中模块化单体的结构示意图；

图4为在第二实施例中模块化线绳驱动连续体机械臂的结构示意图；

图5为在第二实施例中模块化单体的结构示意图；

图6为在第三实施例中模块化线绳驱动连续体机械臂的结构示意图；

图7为在第三实施例中模块化单体的结构示意图；

图8为在第四实施例中模块化线绳驱动连续体机械臂的结构示意图；

图9为在第四实施例中模块化单体的结构示意图；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

在本实施例中，如图1所示，为本发明提供的线绳传动连续体机器人的整体结构示意图。主要由连续体机器人驱动装置1以及连续体机器人机械臂2组成。其中1是连续体机器人驱动装置，该设计内容已经在公开号CN105058423A中详细介绍。图2有一种运动解耦的绳驱动连续体机器人机械臂已在公开号CN105014689A专利中详细介绍。公开号CN105058423A专利中介绍的连续体机器人驱动装置对线绳传动的机械臂有一定的通用性，例如可驱动专利CN105014689A中介绍的机械臂。这一类线绳传动的机械臂可以有多种设计方案，其结构特点和优势各有不同。

本发明提供的模块化线绳驱动连续体机械臂，包括多个模块化单体；

其中，任一相邻两个模块化单体的相对面分别设置第一铰接件、第二铰接件；一模块化单体的所述第一铰接与另一模块化单体的所述第二铰接件形成铰接结构；

多个模块化单体依次通过所述铰接结构铰接形成机械臂节；

所述模块化单体上设置有功能孔和周向依次排列的过线孔。

所述过线孔的数量为至少3个；所述过线孔内均设置有驱动线绳。

在本实施例中，4个模块化单体组成一个机械臂节，每个机械臂节由3根驱动线绳控制，驱动线绳通过所述连续体机器人驱动装置1引出，驱动线绳通过连续体机器人驱动装置1中的电机、丝杠和导轨连接到每一机械臂节的末端模块化单体上，并且沿圆周间隔120度等间距分布，每根驱动线绳在每一机械臂节的末端用套线圈锁死。驱动线绳始终处于拉紧状态，可以通过改变驱动线绳的长度。当驱动线绳的绳长改变时会带动每个机械臂节里的每个模块化单体相对另一个模块化单体的运动，以此来改变机械臂节的位置和形状，从而操纵机械臂末端达到预定的位置完成相应的操作。

在模块化单体4的中心孔所组成的管道，有连续的弹簧作为每小节的弹性骨架。所述模块化单体的上端面、下端面设置有两个相对设置的对称斜面6；两个相对设置的对称斜面6之间设置有沿径向贯穿的上滑槽8；所述模块化单体的上端面的下端面设置有与所述上滑槽8相匹配的下转轴10；一模块化单体的上滑槽8与另一模块化单体的下转轴10形成铰接结构。

多个所述模块化单体上的功能孔7组成的管道内设置有弹性骨架。所述弹性骨架采用弹簧，机械臂节组合起来模拟脊椎骨架，由驱动线绳和弹簧牵引骨架运动，并且提供一定的柔性，使得机械臂运动相对灵活，另外这种结构加工简单，并且负载承载能力大。

模块化单体的本体为圆柱体5，在圆柱体5上加工出很多用于装配，布线及工具运送通道的结构特征。两个相对设置的对称斜面6以圆柱体5的一条直径对称，对称斜面6与水平面的夹角可根据运动范围选取，本实例中选10度。

上端面的两个对称斜面6的对称中心线和下端面的两个对称斜面6的对称中心线可以重合，也可以有一定夹角。

当两端面的对称中心重合时，组装成的机械臂节只能绕着该中心线左右摆动。当上下度面的中心线有一定的夹角时，机械臂节中有四个摆动方向，机械臂节的合成运动可以视为在空间中的转动。对称斜面6的作用是为相邻模块化单体4提供一定相对运动空间，当两相邻模块化单体4相互接触后相当于锁死不能运动，因此能提供较大负载。功能孔7是在圆柱体5上打的通孔，所述通孔一方面可以减轻重量，另一方面可以排布弹簧或柔性杆等柔性元件，或者放置一些通信线缆等工具，用来方便在整个机械臂末端即最后一个零件上安装末端的执行器如钻头等完成一些特定工作。

上滑槽8是位于上顶面对称中心上的圆柱形滑槽。下转轴10是位于下底面对称中心上的转轴，上滑槽8和下转轴10对应的圆心角大于180度且采用间隙配合，这样当把一个模块化单体4的下转轴10装入另一模块化单体4的上滑槽8中便完成了周向定位。然后使两模块化单体4的圆柱中心线重合或相交，再用销钉把下转轴10锁定在上滑槽8中便完成了轴向定位。这样两相邻模块化单体4便装配好并且可以灵活自由的相对运动。最后将从连续体机器人驱动装置1中引出的驱动线绳每三根一组，等间隔120度依次经过每节模块化单体4中的过线孔9，并在每机械臂节末端一个模块化单体4上将驱动线绳锁死，这样反复依次进行，直到所有模块化单体4安装完成。过线孔9的数量可以根据模块化单体4的个数计算出所需驱动线绳数目得出。

实施例2

第二实施例为第一实施例的变化例，第二实施例与第一实施例的区别主要在于，在第二实施例中，所述模块化单体的上端面设置有上球铰面18和上圆弧扫略面，下端面设置有下球铰面15和下圆弧扫略面14；

一模块化单体的上球铰面18与另一模块化单体的下球铰面15之间形成铰接结构，具体为球铰结构。

如图4所示，在实施例1中上下两端面对称中心线不平行时，机械臂节3可以绕多个方向转动，但是其转动方向是离散的有限个数，始终不能绕任意方向转动。第二种模块化线绳驱动连续体机械臂上下两底面采用圆弧扫略得到，相邻模块化单体4采用球铰连接，故上下两个模块化单体可以绕任意方向转动。运动十分灵活。但由于两相邻模块化单体到达运动最大限度时为线接触，而实施例1中相邻模块化单体4是面接触，因此锁死功能没有第一种机械臂好，故负载能力没有实施例1中模块化线绳驱动连续体机械臂的大。

上下端面为相邻两模块化单体提供一定相对运动空间，当两相邻模块化单体12相互接触后相当于锁死不能运动。下球铰面15另一模块化单体12的上球铰面18配合使得两相邻模块化单体可以绕任意方向转动，运动能够非常灵活。

实施例3

第三实施例为第一实施例的变化例，第三实施例与第一实施例的区别主要在于，在第三实施例中，所述模块化单体的上端面设置有沿周向依次排列的盲孔通道23，下端面设置有与所述盲孔通道23相匹配的柔性杆26；

所述柔性杆26的端部设置有固定铰链25；所述盲孔通道23的底部设置有与所述固定铰链25相匹配的球形凹槽；

一模块化单体的柔性杆26通过固定铰链25与另一模块化单体的盲孔通道23之间形成铰接结构。

如图6所示，实施例1和实施例2中，由于模块化单体本身较大，且模块化单体之间运动范围较大，根据运动范围及灵活性的需求，可选择4个左右的模块化单体组成一个机械臂节。但在本实施例中，由于机械臂的模块化单体较小，且单根柔性杆26提供的变形有限，故可以多选几个模块化单体组成一节。在本实施例中选择10个模块化单体组成一节更逼近柔性体变形的情况。前两种机械臂的基本思想利用模块化单体4组成机械臂的骨架，利用机械臂的骨架之间的转动或球铰关节运动，利用机械臂的功能孔组成的通路布置弹簧等柔性关节，为机械臂提供一定的柔性。在本实施例中，机械臂最主要的不同是直接利用柔性材料连接相邻的模块化单体4，并且利用柔性材料的变形使得机械臂发生形状变化并且运动。其中的柔性杆的材料可以选择镍钛合金等，由于镍钛合金材料的柔性杆长度很短时刚性较强，变形不大。当其长度增加时，其变形很容易，并且既可以提供拉力也可以提供推力，故所形成的柔性机械臂灵活性非常好。但由于柔度大，受较大负载时在特定方向上很容易变形，故可用于需要大变形非常灵巧的工况场合。

如图7所示，模块化单体4包括作为本体的刚性支架21、柔性杆26以及固定铰链25组成。刚性支架21为一个圆柱形零件，刚性支架21的上下端面平行，中间设置有功能孔。刚性支架21外周排布一圈过线通孔24；刚性支架21内周排布一圈与柔性杆26、固定铰链25配合的盲孔通道23。盲孔通道23的底部设置有球形凹槽，所述球形凹槽与运动铰链25配合，使得柔性杆26变形运动时，两个模块化单体4发生相对运动。柔性杆26的材料选择、尺寸设计非常关键，例如两个模块化单体4之间的最大偏转角由柔性杆26的长度以及刚性支架21的半径决定。最大偏转角影响到整个机械臂的运动性能。由于有一圈盲孔通道23，在每两个模块化单体4装配时可以有不同的选择，选择不同的安装方向可以得到不同性能的机械臂。

实施例4

第四实施例为第一实施例的变化例，第四实施例与第一实施例的区别主要在于，在第四实施例中，本发明提供的模块化线绳驱动连续体机械臂，还包括铰链中圈32和螺纹弹簧；所述第一铰接与所述第二铰接件之间通过所述铰链中圈32形成铰接结构；相邻两个模块化单体之间设置有多个螺纹弹簧29。所述铰链中圈32具有中心通孔33。

多个所述螺纹弹簧29沿所述模块化单体的周向依次排列；所述第一铰接与所述铰链中圈32的一相对两侧面之间、所述第二铰接与所述铰链中圈32的另一相对两侧面之间通过台阶螺钉31连接。

如图8所示，本发明提供的模块化线绳驱动连续体机械臂包括单端支架28、双端支架30、台阶螺钉31，铰链中圈32以及螺纹弹簧29。单端支架28、双端支架30为模块化单体的本体；

单端支架28和双端支架30分别通过两个台阶螺钉31与铰链中圈32装配组成可以在空间运动的万向关节。在单端支架28和双端支架30的外周有一圈螺纹孔，三根螺纹弹簧29分别等间隔120安装在单端支架28和双端支架30的螺纹孔中将其连接起来。根据运动范围及灵活性的需求，可选择4个左右的模块化单体组成一个机械臂节。由于其采用万向关节，因此运动灵活并且相对精度较高，同时采用了弹簧部件，使得整个机构柔性增强，变形及运动具有柔性体的特点。

图9，机械臂采用了万向关节加螺纹弹簧的结构使得其运动灵活，精度相对高，同时提高了其柔顺度。但由于螺纹弹簧29一般所占的空间较大且沿机械臂外圆周排布。有些工况例如手术机器人等，要求机械臂的直径非常小，这种结构可能达不到要求，故可以采用其一种变体，如图9所示，在变形中，省略了螺纹弹簧29，单端支架及双端支架外周的一过线孔只需要使驱动线绳通过即可，这样可以有效减小机械臂直径。由于其组成部件都有功能孔，所以可以将弹簧等弹性原件布置在中心通孔所形成的功能孔内，使得机械臂具有柔性。

机械臂灵活性与高刚度高负载能力是一对矛盾的性能指标，为了保证灵活性可能会牺牲部分负载能力，反之亦然。为了解决柔性和刚性负载之间的矛盾，本发明提出了四种模块化线绳驱动连续体机械臂，在灵活性和负载之间寻求一个平衡点，可以根据不同的工况要求选择不同的设计。第一种模块化线绳驱动连续体机械臂主要特征包括上下端面上的对称斜面6、功能孔、上滑槽、过线孔、下转轴。当两相邻模块化单体相邻对称斜面相互接触后相当于锁死不能运动，因此能提供较大负载；第二种模块化线绳驱动连续体机械臂主要特征包括上、下圆弧扫略面、下球铰面、过线孔、功能孔、上球铰面。相邻模块化单体采用球铰连接，故上下两个相邻模块化单体可以绕任意方向转动。运动十分灵活。但由于两相邻模块化单体到达运动最大限度时为线接触，而第一种机械臂中是面接触，因此锁死功能没有第一种机械臂好，故负载能力没有第一种机械臂大；第三种模块化线绳驱动连续体机械臂主要特征包括刚性支架、功能通孔、盲孔通道、过线孔、固定铰链以及柔性杆。直接利用柔性材料连接相邻的模块化单体，并且利用柔性材料的变形使得机械臂发生形状变化并且运动。形成的柔性臂灵活性非常好，可用于需要大变形非常灵巧的工况场合；第四种模块化线绳驱动连续体机械臂主要特征包括单端支架、螺纹弹簧、双端支架、台阶螺钉以及铰链中圈。采用了万向关节加螺纹弹簧的结构使得其运动灵活，精度相对高，同时提高了机械臂柔顺度。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种模块化线绳驱动连续体机械臂，其特征在于，包括多个模块化单体；

其中，任一相邻两个模块化单体的相对面分别设置第一铰接件、第二铰接件；一模块化单体的所述第一铰接与另一模块化单体的所述第二铰接件形成铰接结构；

多个模块化单体依次通过所述铰接结构铰接形成机械臂节；

所述模块化单体上设置有功能孔和周向依次排列的过线孔。

2.根据权利要求1所述的模块化线绳驱动连续体机械臂，其特征在于，所述过线孔的数量为至少3个；

所述过线孔内均设置有驱动线绳。

3.根据权利要求1所述的模块化线绳驱动连续体机械臂，其特征在于，所述模块化单体的上端面、下端面均设置有两个相对设置的对称斜面(6)；两个相对设置的对称斜面(6)之间设置有沿径向贯穿的上滑槽(8)；

所述模块化单体的上端面的下端面设置有与所述上滑槽(8)相匹配的下转轴(10)；

一模块化单体的上滑槽(8)与另一模块化单体的下转轴(10)形成铰接结构。

4.根据权利要求1所述的模块化线绳驱动连续体机械臂，其特征在于，所述模块化单体的上端面设置有上球铰面(18)和上圆弧扫略面，下端面设置有下球铰面(15)和下圆弧扫略面(14)；

一模块化单体的上球铰面(18)与另一模块化单体的下球铰面(15)之间形成铰接结构。

5.根据权利要求1所述的模块化线绳驱动连续体机械臂，其特征在于，所述模块化单体的上端面设置有沿周向依次排列的盲孔通道(23)，下端面设置有与所述盲孔通道(23)相匹配的柔性杆(26)；

所述柔性杆(26)的端部设置有固定铰链(25)；所述盲孔通道(23)的底部设置有与所述固定铰链(25)相匹配的球形凹槽；

一模块化单体的柔性杆(26)通过固定铰链(25)与另一模块化单体的盲孔通道(23)之间形成铰接结构。

6.根据权利要求1所述的模块化线绳驱动连续体机械臂，其特征在于，还包括铰链中圈(32)和螺纹弹簧；

所述第一铰接件与所述第二铰接件之间通过所述铰链中圈(32)形成铰接结构；

相邻两个模块化单体之间设置有多个螺纹弹簧(29)。

7.根据权利要求6所述的模块化线绳驱动连续体机械臂，其特征在于，多个所述螺纹弹簧(29)沿所述模块化单体的周向依次排列；

所述第一铰接与所述铰链中圈(32)的一相对两侧面之间、所述第二铰接与所述铰链中圈(32)的另一相对两侧面之间通过台阶螺钉(31)连接。

8.根据权利要求1所述的模块化线绳驱动连续体机械臂，其特征在于，多个所述模块化单体上的功能孔组成的管道内设置有弹性骨架。