一种多自由度柔顺性连体机械臂

1.本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种多自由度柔顺性连体机械臂。


背景技术：

2.目前的机器人技术已经广泛应用到工业生产、航空航天、民生医疗等诸多领域，给人类的生产发展带来了极大的便利。现有的工业机器人多是刚性的机械臂；该种机械臂的变形拟合能力较差，难以在狭窄空间内进行应用；为此，现有技术对该种机械臂进行了一定的改进；在授权公告号为cn109877819b的发明专利变刚度软体蛇形臂的授权文本中，该软体蛇形臂内设置有气动人工肌肉与超弹性杆；该软体蛇形臂利用软体气动人工肌肉群提供柔顺弯曲运动能力，多个超弹性杆起运动导向作用，通过气动人工肌肉与超弹性杆形成的相互力作用，实现蛇形臂的刚度可变可控，使蛇形臂能够达到不同的位姿，以提高蛇形臂作业末端的运动精度；也正是气动人工肌肉与超弹性杆相互作用的关系，该蛇形臂作业末端的承载能力也被削弱；兼顾变形拟合能力和作业末端承载能力是应用于狭窄空间内的机器人技术发展新需求。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种多自由度柔顺性连体机械臂。
4.本发明的技术方案是：一种多自由度柔顺性连体机械臂，包括n个相互叠加的连接组件、4个钢丝绳、若干个第一牵引绳；n≥3；钢丝绳将各个连接组件串联在一起；每个连接组件均包括节板、2个滑块、2个绕线轮、2个第二牵引绳、关节块；节板中心径向设有关节轴；关节块整体为u形；关节块封闭端中心与关节轴转动配合；关节块开口端设有与关节轴垂直的连接孔；关节块的封闭端外侧面、关节块内侧面均呈v形；绕线轮、滑块由内而外依次对称设置在关节轴的两端；绕线轮与节板转动配合；绕线轮的转动轴线与关节轴的轴线垂直；绕线轮包括同轴设置的一号轨道、二号轨道；滑块与节板滑动配合；滑块的滑动方向与关节轴的轴向同向；第二牵引绳一端缠绕一号轨道后固定在一号轨道，另一端固定在滑块的内端中心；滑块的外端中心设有第二固定节点；钢丝绳与二号轨道缠绕配合；节板上还设有长孔形的过绳槽；该过绳槽与钢丝绳对应；该过绳槽与关节轴垂直；过绳槽外端的节板上均设有第一固定节点；每两个相邻的连接组件，在上的第二固定节点与在下相邻的第一固定节点通过第一牵引绳相连；在上的第一固定节点与在下相邻的第二固定节点通过第一钢丝绳相连；各个第一牵引绳等长；在上的关节块封闭端设置在在下的关节块开口端的开口内；在上的关节轴与在下的连接孔转动配合；所有关节块封闭端均厚于关节块开口端；每个钢丝绳均与上下位置对应的绕线轮配合；四个钢丝绳分别对应节板的四角，以控制各个绕线轮。
5.优选的，节板还设有与二号轨道对应的绳管；该绳管设置在绕线轮上下；钢丝绳穿过上方的绳管与二号轨道配合，再从下方的绳管穿出；绳管材质与自行车刹车线的外包皮
相同；只不过绳管被分成各段，并不是连续的。
6.优选的，节板上设有与滑块滑动配合的滑槽；滑槽对滑块滑动进行导向。
7.进一步的，该滑槽贯穿节板；滑块卡入滑槽内，与节板的上、下端面以及滑槽槽壁均有滑动配合；节板对滑块进行轴向的限位，滑槽槽壁对滑块进行径向的限位。
8.优选的，关节块封闭端的厚度与关节块开口端的开口间距相匹配；在上的关节块封闭端得到在下的关节块开口端的轴向限位，以确保关节块稳定转动。
9.优选的，二号轨道内设有与钢丝绳匹配的螺旋缠绕槽；该螺旋缠绕槽的槽口宽度小于钢丝绳的直径；该螺旋缠绕槽的螺距与钢丝绳的直径相当；钢丝绳缠绕在螺旋缠绕槽上。
10.进一步的，该螺旋缠绕槽的圈数为三圈以上，以避免钢丝绳打滑。
11.本发明的有益效果是：本发明的多自由度柔顺性连体机械臂，具有以下有益效果：（1）本发明的承载零部件包括关节块、关节轴，均为刚性件，能够保障一定的承载能力；本发明的控制零部件包括钢丝绳、绕线轮、滑块、节板、第一牵引绳、第二牵引绳；钢丝绳能够控制绕线轮旋转；旋转的绕线轮能够通过第二牵引绳驱使滑块在节板上内移；内移的滑块能够通过第一牵引绳控制滑块所在侧的节板端部向该滑块靠拢，从而实现各个节板偏转，形成弯曲；因为滑块的移动量能够被钢丝绳外伸量控制，各个节板偏转角度可被控制，弯曲曲率也能控制；因为各个节板间的间距小，所以本发明拟合能力也强；因此本发明兼顾拟合能力和作业末端的承载能力，值得推广；（2）本发明的节板上设有供钢丝绳穿过的绳管；该绳管与刹车线的外包装材质相同，但并不连续；这样，该绳管既能规避钢丝绳与节板直接接触造成严重磨损，又规避了绳管对伸缩臂弯曲变形的干涉；（3）本发明的绕线轮上设有与钢丝绳匹配的螺旋缠绕槽，用于理顺缠绕在绕线轮上的钢丝绳，以达到钢丝绳稳定作用于绕线轮的目的；而该螺旋缠绕槽的圈数为三圈以上，则用于规避钢丝绳打滑情况。
附图说明
12.图1是本发明多自由度柔顺性连体机械臂的结构示意图一；图2是连接组件的立体图一；图3是连接组件的立体图二；图4是绕线轮的截面图；图5是连接组件的立体图三；图6是本发明多自由度柔顺性连体机械臂的基本功能单元的立体图一；图7是图6的i放大视图；图8是本发明多自由度柔顺性连体机械臂的基本功能单元的立体图二；图9是图8的ii放大视图；图10是图6的俯视图；图11是图10的a-a剖视图；图12是图11的b-b剖视图；图13是基于图12的工作原理图
图14是本发明多自由度柔顺性连体机械臂的结构示意图二；图中：1.连接组件、11.节板、111.关节轴、112.过绳槽、113.第一固定节点、114.绳管、115.滑槽、12.滑块、121.第二固定节点、13.绕线轮、131.一号轨道、132.二号轨道、1321.螺旋缠绕槽、14.第二牵引绳、15.关节块、151.关节块封闭端、152.关节块开口端、1521.连接孔、2.钢丝绳、3.第一牵引绳。
具体实施方式
13.实施例一：参见图1-14，一种多自由度柔顺性连体机械臂，包括n个相互叠加的连接组件1、4个钢丝绳2、若干个第一牵引绳3；n≥3；钢丝绳2将各个连接组件1串联在一起；所串联起的相邻三个连接组件1组成一个基本功能单元，参见图8-13，承担最小的多自由度变形；参见图2-5，每个连接组件1均包括节板11、2个滑块12、2个绕线轮13、2个第二牵引绳14、关节块15；节板11中心径向设有关节轴111；关节块15整体为u形；关节块封闭端151中心与关节轴111转动配合；关节块开口端152设有与关节轴111垂直的连接孔1521；连接孔1521用于连接在该连接组件1之上的连接组件1；关节块封闭端151中心则与关节轴111轴心一并作为该连接组件1的偏转中心；关节块15的封闭端外侧面、关节块15内侧面均呈v形；叠加在一起的连接组件1关节块15不会产生干涉；绕线轮13、滑块12由内而外依次对称设置在关节轴111的两端；绕线轮13与节板11转动配合；绕线轮13的转动轴线与关节轴111的轴线垂直；绕线轮13包括同轴设置的一号轨道131、二号轨道132；滑块12与节板11滑动配合；滑块12的滑动方向与关节轴111的轴向同向；第二牵引绳14一端缠绕一号轨道131后固定在一号轨道131，另一端固定在滑块12的内端中心；钢丝绳2与二号轨道132缠绕配合；拉动钢丝绳2，通过钢丝绳2作用于二号轨道132以驱使绕线轮13转动；转动的绕线轮13可驱使滑块12内移；节板11上还设有长孔形的过绳槽112；该过绳槽112与钢丝绳2对应，用于钢丝绳2以不与节板11产生接触的方式通过；该过绳槽112与关节轴111垂直；过绳槽112外端的节板11上均设有第一固定节点113；滑块12的外端中心设有第二固定节点121；每个钢丝绳2均与上下位置对应的绕线轮13配合；四个钢丝绳2分别对应节板11的四角，以控制各个绕线轮13；每两个相邻的连接组件1，在上的第二固定节点121与在下相邻的第一固定节点113通过第一牵引绳3相连；在上的第一固定节点113与在下相邻的第二固定节点121通过第一钢丝绳2相连；各个第一牵引绳3等长；假设某个连接组件1的滑块12因为绕线轮13的作用内移；该滑块12通过第一钢丝绳2作用于在上、在下的连接组件1的节板11，使在上、在下的节板11在该滑块12所在侧向中间的节板11靠拢偏转；与在该滑块12相对的另一侧，在上、在下的节板11则相互远离；相互远离的节板11反过来通过该侧第一钢丝绳2作用于该侧的滑块12，使该侧的滑块12外移；滑块12的外移量转换为绕线轮13的转动量，使该侧的钢丝绳2回缩；此时在上连接组件1、该连接组件1、在下连接组件1形成一条曲线；因为绕线轮13上的一号轨道131、二号轨道132均与绕线轮13同轴，拉动钢丝绳2外伸的速度、钢丝绳2回缩的速度均能够转换为相应侧滑块12的移动速度，进而估测出在上连
接组件1、在下连接组件1弯曲的曲率；简而言之，本发明控制钢丝绳2的外拉速度就可以控制各个连接组件1在钢丝绳2所在侧所形成曲线的曲率；在上的关节块封闭端151设置在在下的关节块开口端152的开口内，得到一定的限位，以确保节板11偏转的准确性；在上的关节轴111与在下的连接孔1521转动配合，进行连接；所有关节块封闭端151均厚于关节块开口端152，结构强度也强于关节块开口端152；因为关节块15的封闭端是主要的转动部件。这样关节块15、关节轴111是该机械臂的主要受力零部件。
14.节板11还设有与二号轨道132对应的绳管114；该绳管114设置在染线轮上下；钢丝绳2穿过上方的绳管114与二号轨道132配合，再从下方的绳管114穿出；绳管114材质与自行车刹车线的外包皮相同；所以绳管114可有效避免钢丝绳2与节板11产生摩擦而损耗严重；但不同的是，本实施例中的绳管114被分成各段，主要是为了避免绳管114对机械臂的弯曲造成阻碍。
15.节板11上设有与滑块12滑动配合的滑槽115，用于对滑块12滑动进行引导。
16.该滑槽115贯穿节板11；滑块12卡入滑槽115内，与节板11的上、下端面以及滑槽115槽壁均有滑动配合；节板11对滑块12进行轴向的限位，滑槽115槽壁对滑块12进行径向的限位；滑块12获得更好的引导效果。
17.关节块封闭端151的厚度与关节块开口端152的开口间距相匹配；在上的关节块封闭端151得到在下的关节块开口端152的轴向限位，以确保关节块15稳定转动，保障机械臂能够顺畅弯曲。
18.二号轨道132内设有与钢丝绳2匹配的螺旋缠绕槽1321；该螺旋缠绕槽1321的槽口宽度小于钢丝绳2的直径；该螺旋缠绕槽1321的螺距与钢丝绳2的直径相当；钢丝绳2受到螺旋缠绕槽1321的限位，可理顺缠绕其上的钢丝绳2；以避免缠绕在二号轨道132内的钢丝绳2出现卡死。
19.该螺旋缠绕槽1321的圈数为三圈以上，以避免钢丝绳2打滑，从而有效施力。
20.本发明的工作原理：本发明以三个连接组件1为基本功能单元，为使得工作原理更加明确，就以基本功能单元为例进行说明；参见图12、图13，图13是图12转化后的图；图12中左侧的钢丝绳2受到牵引外拉，通过二号轨道132转变成绕线轮13的旋转；旋转后的绕线轮13通过一号轨道131内的第二牵引绳14驱使左侧的滑块12相内侧移动，图上展示的是向右侧移动；该滑块12通过第一牵引绳3作用于在上节板11以及在下节板11上，左侧的第一固定节点113，使得左侧上下两个第一固定节点113均随着内移的滑块12向中间靠拢；此时，右侧上下两个第一固定节点113进行远离带着右侧的滑块12向外移动，最后形成图13，在上连接组件1、中间连接组件1、在下连接组件1构成一个曲线；因为一号轨道131、二号轨道132均与绕线轮13同轴设置，参见图4，钢丝绳2外拉量可根据一号轨道131、二号轨道132的半径比转化成滑块12移动的量，而对滑块12移动量的控制可转变成在上、在下的节板11偏转量；所以通过对相应钢丝绳2的牵引外拉量的控制，可控制在上、在下节板11相应中间节板11的偏转，即三个连接组件1在该方向上的可控曲率的弯曲；同样的，图11也能进行类似的演变，以形成与图12方向垂直的方向上的弯曲曲率控制；本发明两个相互垂直方向的可控曲率弯曲相结合可得到更强的拟合能力；本发明的承载零部件包括关节块15、关节轴111，均为刚性件，承载能力得到以一定的保障。
21.本实施例中为清楚介绍本发明的工作原理，所以用基本功能单元为例进行介绍；连接组件1比基本功能单元多的机械臂，也是其中能够组成的功能单元的结合；本实施例不再详细说明。
22.实施例二：实施例二与实施例一基本相同，相同之处不再赘述，不同之处是：第二节点的设置位置与关节轴111轴线重合，从而确保机械臂弯曲曲率方向稳定。

技术特征：
1.一种多自由度柔顺性连体机械臂，其特征在于，包括n个相互叠加的连接组件、4个钢丝绳、若干个第一牵引绳；n≥3；每个连接组件均包括节板、2个滑块、2个绕线轮、2个第二牵引绳、关节块；节板中心径向设有关节轴；关节块整体为u形；关节块封闭端中心与关节轴转动配合；关节块开口端设有与关节轴垂直的连接孔；绕线轮、滑块由内而外依次对称设置在关节轴的两端；绕线轮与节板转动配合；绕线轮的转动轴线与关节轴的轴线垂直；绕线轮包括同轴设置的一号轨道、二号轨道；滑块与节板滑动配合；滑块的滑动方向与关节轴的轴向同向；第二牵引绳一端缠绕一号轨道后固定在一号轨道，另一端固定在滑块的内端中心；滑块的外端中心设有第二固定节点；钢丝绳与二号轨道缠绕配合；节板上还设有长孔形的过绳槽；该过绳槽与钢丝绳对应；该过绳槽与关节轴垂直；过绳槽外端的节板上均设有第一固定节点；每两个相邻的连接组件，在上的第二固定节点与在下相邻的第一固定节点通过第一牵引绳相连；在上的第一固定节点与在下相邻的第二固定节点通过第一钢丝绳相连；各个第一牵引绳等长；在上的关节块封闭端设置在在下的关节块开口端的开口内；在上的关节轴与在下的连接孔转动配合；每个钢丝绳均与上下位置对应的绕线轮配合；四个钢丝绳分别对应节板的四角。2.根据权利要求1所述的多自由度柔顺性连体机械臂，其特征在于：节板还设有与二号轨道对应的绳管；该绳管设置在绕线轮上下；钢丝绳穿过上方的绳管与二号轨道配合，再从下方的绳管穿出。3.根据权利要求1所述的多自由度柔顺性连体机械臂，其特征在于：节板上设有与滑块滑动配合的滑槽。4.根据权利要求3所述的多自由度柔顺性连体机械臂，其特征在于：该滑槽贯穿节板；滑块卡入滑槽内，与节板的上、下端面以及滑槽槽壁均有滑动配合。5.根据权利要求1所述的多自由度柔顺性连体机械臂，其特征在于：关节块封闭端的厚度与关节块开口端的开口间距相匹配。6.根据权利要求1所述的多自由度柔顺性连体机械臂，其特征在于：二号轨道内设有与钢丝绳匹配的螺旋缠绕槽；该螺旋缠绕槽的槽口宽度小于钢丝绳的直径；该螺旋缠绕槽的螺距与钢丝绳的直径相当。7.根据权利要求6所述的多自由度柔顺性连体机械臂，其特征在于：该螺旋缠绕槽的圈数为三圈以上。

技术总结
本发明涉及一种多自由度柔顺性连体机械臂；该机械臂的承载零部件包括关节块、关节轴，均为刚性件，能够保障一定的承载能力；该机械臂的控制零部件包括钢丝绳、绕线轮、滑块、节板、第一牵引绳、第二牵引绳；钢丝绳能够控制绕线轮旋转；旋转的绕线轮能够通过第二牵引绳驱使滑块在节板上内移；内移的滑块能够通过第一牵引绳控制滑块所在侧的节板端部向该滑块靠拢，从而实现各个节板偏转，形成弯曲；因为滑块的移动量能够被钢丝绳外伸量控制，各个节板偏转角度可被控制，弯曲曲率也能控制；因为各个节板间的间距小，所以本发明拟合能力也强；因此本发明兼顾拟合能力和作业末端的承载能力，值得推广。值得推广。值得推广。


技术研发人员：张志刚 靳勇利 王才东 郑华栋 肖志玲 王胜永 侯俊剑 赵登峰 赵峰 付志军
受保护的技术使用者：郑州轻工业大学
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/7/25