[發明專利]一種基于繩驅動的可重構冗余機械臂

有效

• 申請號: 201911301394.3
• 申請日: 2019-12-17
• 公開（公告）號: CN110900592B
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發明（設計）人: 曹政才;居仁杰;劉天龍;胡標;周萌
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: B25J9/10
• 分類號: B25J9/10;B25J17/00;B25J18/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了一種基于繩驅動的可重構冗余機械臂，屬于機器人研究與工程領域。本發明的冗余機械臂由多個關節單元組成，其關節單元主要包括第一關節、第二關節、第三關節、可伸縮耳軸、雙向電動推桿、外螺紋型軸承以及內嵌彈簧的硅膠波紋管，關節內置的雙向電動推桿與可伸縮耳軸相連接，兩關節間通過外螺紋型軸承將耳軸固定形成單自由度旋轉關節并包覆有硅膠波紋管。方法使用電動推桿提供驅動而改變耳軸的位置與等效耳軸高度，從而實現關節機構的重構。本發明的耳軸收縮時關節間間隙減小，整體冗余機械臂剛度與控制精度提高；耳軸伸展時關節間隙增大，冗余臂轉動角度范圍增大并具有更大的末端操作空間。

技術領域

本發明涉及機器人研究與工程領域，具體是指一種基于繩驅動的可重構冗余機械臂。

背景技術

隨著工業以及科技的高速發展，智能制造、核電設備檢修、災后勘探等諸多領域面臨著非結構化的復雜工作環境，需要克服多障礙、空間狹小等困難，傳統關節式機械臂往往難以滿足受限空間的工作要求，而多自由度、運動靈活的冗余機械臂則成為眾多學者的研究對象。

繩驅動的冗余機械臂相較于其他驅動方式的冗余機械臂，將傳動部分與臂身機構分開，實現遠程動力傳輸，具有更強的環境適應能力、使用壽命與更高的控制精度。現有的繩驅動冗余臂的關節部分主要采用十字軸萬向節連接為主，并在此基礎上增加彈性元件、變剛度機構、線繩拉力傳感器等來提高控制精度，但忽略了關節部分轉角受限的問題，為提高末端負載能力采用緊湊關節連接，對于實際復雜工況缺乏適應能力。

基于此，本發明提供了一種基于繩驅動的可重構冗余機械臂關節機構。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的目的是提供一種基于繩驅動的可重構冗余機械臂關節機構，為解決多種實際復雜工況提供應對策略。本發明關節采用可伸縮耳軸調節結構作為傳統冗余臂末端的拓展，耳軸收縮時關節間間隙減小，整體冗余機械臂剛度與控制精度提高，耳軸伸展時關節間隙增大，冗余臂轉動角度范圍增大并具有更大的末端操作空間，可針對不同工況切換冗余臂構型；伸縮部分采用錐齒輪與絲桿結合的電動推桿結構；為避免大轉角時繩索與十字軸中間件之間的干涉問題，將單個兩自由度十字軸關節拆解為兩個單自由度轉動關節，單個關節分別由兩根繩索控制；關節部分兩側連桿端面處設有內嵌彈簧單元的硅膠波紋管，增加關節單元的安全性與使用壽命。

本發明的可重構冗余臂關節，是采用以下技術方案實現的：

一種基于繩驅動的可重構冗余機械臂，整個冗余機械臂由多個關節機構單元提供多自由度組成，該關節機構單元由第一關節、第二關節、第三關節和關節件連接組成。

所述第一關節包含關節外殼、直線傳動機構、伸縮耳軸、微型電機。

所述第二關節通過外螺紋型軸承與第一關節連接固定在一起，內部結構和第一關節相同，也包含關節外殼、直線傳動機構、伸縮耳軸、微型電機，并通過下一級關節連接，連接到第三關節處。

所述關節件由關節外殼、直線傳動機構、伸縮耳軸與微型電機組成；關節外殼由布線圓盤與分體式外殼組成，布線圓盤與分體式外殼通過固定螺栓緊定，兩側外殼間通過固定螺栓配合緊定，兩側外殼中心配合處的凹槽固定有微型電機。

所述直線傳動機構由錐形齒輪、傳動絲桿、傳動螺母和高精度軸承組成；錐形齒輪包括第一錐形齒輪和第二錐形齒輪，第一錐形齒輪與電機輸出端同心配合、頂絲緊定，第二錐心齒輪與傳動絲桿中間光滑處同心配合、頂絲緊定。高精度軸承固定于關節外殼內部軸向凹槽處，傳動絲桿通過高精度軸承實現關節內的軸向定位。傳動螺母包括第一傳動螺母、第二傳動螺母，第一傳動螺母、第二傳動螺母分別位于傳動絲桿的兩側螺紋處，伸縮耳軸通過固定螺栓與傳動螺母緊定配合，伸縮耳軸徑向兩端凸起處與外殼凹槽配合，避免耳軸沿軸向旋轉。

所述關節兩端布線盤處設有線孔，線孔兩端倒圓角，用于進行線繩傳動，兩根線繩同時作用與一個關節連接處，實現關節高精度控制。