[發明專利]一種模塊化高冗余多自由度柔性機械臂系統

有效

• 申請號: 201610227400.5
• 申請日: 2016-04-13
• 公開（公告）號: CN105856213B
• 公開（公告）日: 2017-10-10
• 發明（設計）人: 徐凱;朱向陽;陽志雄;劉歡;朱志軍;韓亮亮
• 申請（專利權）人: 上海交通大學;上海宇航系統工程研究所
• 主分類號: B25J9/08
• 分類號: B25J9/08;B25J18/06
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司31225
• 代理人: 蔣亮珠

技術領域

本發明屬于工業機器人領域，具體涉及一種模塊化高冗余多自由度柔性機械臂系統

背景技術

現代的工業領域中經常需要在人無法進入的復雜狹小空間里完成一些異物探查、維修裝配、缺陷探傷等操作任務。在該領域內，英國的OC Robotics公司所開發的剛性結構體的冗余機械臂已經在商業飛機的裝配中得到應用；德國Festo氣動元件公司推出的全柔性氣動冗余操作臂也將投入工業應用；而一些工業內窺鏡早就在工業中得到廣泛應用。但是由于自身的一些限制，上述幾種機械臂都有一定的局限性，諸如OC Robotics公司的機械臂為基于剛性結構體的冗余機械臂，由于其結構的特點以及驅動方式上的缺陷，使得機械臂構節間的運動能力有限，很難在復雜的狹小空間里工作；全柔性氣動冗余操作臂則因其全柔性的材料特點，負載較低，且氣體驅動的控制精度也比較低；而工業內窺鏡多為被動產品，即使有主動驅動的部件，也只有1至2個可控關節，缺乏完整探索結構復雜的深腔的能力，更不可能實現力負載的工作。因此，針對在狹小空間進行一定力負載操作的柔性機械臂的研究具有極高的意義。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種運動能力強、可在復雜的狹小空間工作，負載較高，精度高的模塊化高冗余多自由度柔性機械臂系統。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種模塊化高冗余多自由度柔性機械臂系統，其特征在于，該系統包括2節機械臂模塊，2節機械臂模塊之間嵌套組合在一起，并且可進行相對運動。各單節機械臂模塊有3個自由度，分別是2個彎曲自由度以及1個進給自由度，所以這個柔性機械臂系統將擁有6個自由度。該柔性機械臂系統在工作時將每個機械臂模塊逐級往外伸展，并可在伸展的過程中實現彎曲運動。該柔性機械臂系統集成不同的末端執行器將可以完成不同的復雜環境的工作任務。

具體來說：

上述模塊化高冗余多自由度柔性機械臂系統，包括機架、第一節機械臂模塊和第二節機械臂模塊，所述的第一節機械臂模塊安裝在機架上，并在第一節機械臂模塊與機架之間設有第一進給機構，該第一進給機構驅動第一節機械臂模塊整體進給運動，實現1個進給自由度，所述的第一節機械臂模塊包括第一功能執行機構和第一驅動機構，其中第一驅動機構驅動第一功能執行機構實現2個彎曲自由度；所述的第二節機械臂模塊嵌套在第一機械臂模塊中，并通過兩者之間的第二進給機構驅動第二節機械臂模塊整體直線進給運動，實現1個進給自由度，所述的第二節機械臂模塊包括第二功能執行機構和第二驅動機構，第二驅動機構驅動第二功能執行機構實現2個彎曲自由度。

所述的機架包括框架以及固定支架，框架的前端板和后端板上固定4根導向光軸，為機械臂模塊進給運動導向；前端板上固定第一節機械臂模塊的進給機構，實現第一節機械臂模塊的整體直線進給運動，第一節機械臂模塊的第一功能執行機構的遠端結構由前端板上的孔伸出。

所述的框架上方固定一個給整個柔性機械臂系統供電的供電盒，供電盒內部由兩個開關電源和相應連接電路組成，所述的第一開關電源將220V交流電轉化為24V直流電供給第一驅動機構、第二驅動機構、第一進給機構和第二進給機構，其中第一驅動機構和第一進給機構通過CAN總線1連接供電盒，第二驅動機構和第二進給機構通過CAN總線2連接供電盒，所述的供電盒連接一手持控制器，將所述CAN總線1和所述CAN總線2轉接至所述手持控制器，所述的第二開關電源將220V交流電轉化為5V直流電供給手持控制器，通過手持控制器控制2節機械臂模塊進給運動或彎曲運動，從而帶動第二節機械臂模塊末端執行器完成不同的復雜環境的工作，并將末端執行器的執行情況反應到手持控制器的顯示屏上，實現人機交互。

所述的第一進給機構包括電機a、聯軸器a、錐齒輪、聯軸器b和絲杠a，所述的電機a通過聯軸器a驅動一對錐齒輪，錐齒輪的轉動通過聯軸器b轉換成絲杠a的轉動，絲杠a與第一節機械臂模塊相配合，實現第一節機械臂模塊整體直線進給運動；

所述的第二進給機構結構與第一進給機構的結構未使用錐齒輪以外相同。

所述的第一節機械臂模塊包括第一驅動機構和第一功能執行機構，所述的第一驅動機構和第一功能執行機構通過4個相隔90°布置的方鍵連接；

所述的第二節機械臂模塊結構與第一節機械臂模塊除第二功能執行機構的遠端結構外相同。

所述的系統還包括機架，第一節機械臂模塊安裝在機架上，其余各節機械臂模塊可逐級往外伸展，并可在伸展的過程中實現彎曲運動，所述的機架與第一節機械臂模塊之間，以及相鄰機械臂模塊之間設有進給機構，實現進給運動。