基于绳索驱动的轮辐式柔性机械臂的制作方法

本发明属于机器人领域，特别涉及一种机械臂。

背景技术：

机械臂是机器人的一种，传统的机械臂均为刚性连杆组成，通常有串联、并联或串并混联三种结构。这类机械臂的特点是具有离散关节和刚性连接，还有一类基于章鱼臂、象鼻等生物器官仿生的连续体机械臂。由于连续体机械臂可在任意部位产生柔性变形，所以具有很强的避障能力，能够更好的适应非结构环境，更好的抓取不规则物体。这类机械臂既可以像传统机械臂那样在末端装上夹持装置抓取物体，也可以利用机械臂本身卷起物体。从这类机械臂的结构上看，其功能强大，具有良好的柔顺性和适应性；从这类机器人的应用角度看，这些机械臂的操作对象往往是一些复杂环境内的不规则形状目标。

1995年，Immega等设计制作的KSI触手型机械手，该机械手主要有气囊、伺服电机、6根绳索组成，采用柔绳和气体混合驱动；2001年，Hannan和Walker等人研发了超冗余度象鼻型机器人，该机器人由16个2自由度U型关节组成,总长82.32cm,可被分为长度不等的4个部分,其中每个部分包括4个关节。每个关节由绳索与弹簧混合实现混合控制；2003年,Peirs等人研制了一种用于内窥镜机器人外科手术的柔性弯曲关节段。该连续机器人由微机电超弹性NiTi合金管构成,采用4根肌腱驱动,具有2个自由度,可在任意反方向弯曲90度；2007年,Harada等人研制了一种可弯曲的激光操作手,该操作手最大直径2.4mm,可向任意方向弯曲,最大弯曲角度为90度；2011年,德国费斯托公司研制根据大象鼻子的特点设计出来的新型仿生机器处理系统“仿生操作助手”,它可以平稳地搬运重负载,原理在于它的每一节椎骨可以通过气囊的压缩和充气进行扩展和收缩；2014年，中国专利CN203804991U,公开了一种弹簧线控柔性象鼻机械臂，该实用新型包括安装在机座上的多段串联的关节，其中串联的关节中第一关节的一端固定在机座上，第一关节的另一端和第二关节的一端固定连接在一起，其后依次类推，机座上固定有弹性支柱和关节单元，关节单元上有驱动弹簧，所述串联关节固定在弹性支柱上，并且驱动弹簧穿过串联关节。

以上所提到的这些类柔性机械臂按照驱动方式划分，可以分为三类：内驱动型、外驱动型和混合型。内驱动型一般采用波纹管内充流体驱动的方式，外驱动型采用轻质连续体加远程驱动的方式,混合型驱动是综合采纳了内、外两种驱动的混合方案。外驱动或混合驱动型方案中的轻质连续体的可能用弹性杆作为脊椎或用圆柱弹簧实现无脊椎。目前，就承载能力来看，驱动方式采用绳索的外驱动方式承载能力较高，但这类机械臂的机械臂身较重，影响了这类机械臂的灵活性、机动性和承载能力的进一步提高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种质量轻，机动性好，承载能力大的基于绳索驱动的轮辐式柔性机械臂。

本发明包括机座、臂身机构、末端执行器和驱动绳索，其中机座包括机座外壳、3部电机、电源和控制部件，电机、电源和控制部件固定在机座外壳内；臂身机构由若干组关节单元通过十字铰链串联而成，臂身机构的一端通过连接盘固定在机座上，其另一端与末端执行器连接，用来抓取目标物体；驱动绳索为周向均布的三根，每根绳索的一端固定在臂身机构末端，其另一端依次穿过每一个关节单元的过线孔分别连接在机座中的3部电机的滚轮上；所述连接盘为带光孔的法兰盘，其与机座连接的一面为平面，其另一面设有一个带孔的U型耳座，用以连接与其相邻的关节单元。

所述的关节单元包括外框连接架、内框连接架、滑套、拉条以及相应的紧固螺母，内框连接架中部为一个圆管，圆管两端分别设有一个向对面方向倾斜20°的法兰盘，两个法兰盘相反的一面上均设有对称的一对带孔的U型耳座，并且相邻的两个关节单元上的U型耳座在位置尺寸上沿内框连接架中轴线彼此错开30度，内框连接架的两个法兰盘均设有周向均布的三组连接孔，这三组连接孔两两一组；外框连接架上设有三组周向均置的连接孔，每组四个孔，并互成角度；拉条的一端通过直角弯头和圆球形冒头勾连在内框连接架的连接孔内，其另一端通过拉条上的螺纹和紧固螺母固定在外框连接架的连接孔内，所述的外框连接架内侧设有三个周向均匀布置的过线孔，过线孔内安装有滑套，并且相邻两关节单元之间均布三个弹簧，弹簧的两端分别抵在相邻的两个关节单元外框连接架带有过线孔的耳座上并套在滑套的外沿上，每个弹簧的中轴心与过线孔的中轴心重合。

与末端执行器连接的关节单元的内框连接架的一面为设有带螺纹孔的法兰盘。

所述的连接盘、外框连接架、内框连接架均为铝合金材质，拉条和紧固螺母为不锈钢材质，滑套为黄铜材质，驱动绳索为高强度钢丝绳。

本发明运动的基本原理是：某一个电机转动带动驱动绳索收紧，另外两个电机适当的放松驱动绳索，或是某两个电机带动驱动绳索收紧，另外一个电机放松驱动绳索，也可以三个电机同时收紧驱动绳索，可以实现柔性机械臂空间多个方向弯曲。同时控制三根驱动绳索的收放长度，可以控制臂身机构的软硬程度，可以使臂身机构保持当前姿态或是自由下垂。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

臂身质量轻，负载大，机动性好，既保证了柔性机械臂的灵活性，又扩展的柔性机械臂的使用范围。

附图说明

图1为本发明的立体示意简图。

图2为本发明连接盘的示意简图。

图3为本发明的关节单元的示意简图。

图4为本发明的内框连接架结构示意简图。

图5为本发明相邻的两个关节单元的连接示意简图。

图6为本发明与末端执行器连接的关节单元示意简图。

图中：1-驱动绳索、2-机座外壳、3-电源、4-控制部件、5-电机、6-连接盘、7-臂身机构、8-末端执行器、9-外框连接架、10-内框连接架、11-拉条、12-紧固螺母、13-滑套、14-十字轴、15-弹簧、16-与末端执行器连接的内框连接架。

具体实施方式

在图1所示的基于绳索驱动的轮辐式柔性机械臂示意图中，电机5、电源3和控制部件4固定在机座外壳2内；臂身机构7由若干组关节单元通过十字铰链串联而成，臂身机构的一端通过连接盘6固定在机座上，其另一端与末端执行器8连接，驱动绳索1为周向均布的三根，每根绳索的一端固定在臂身机构末端，其另一端依次穿过每一个关节单元的过线孔分别连接在机座中的3部电机的滚轮上；如图2所示，所述连接盘为带光孔的法兰盘，其与机座连接的一面为平面，其另一面设有一个带孔的U型耳座，用以连接与其相邻的关节单元。

如图3、图4所示，关节单元包括外框连接架、内框连接架、滑套、拉条以及相应的紧固螺母，内框连接架10中部为一个圆管，圆管两端分别设有一个向对面方向倾斜20°的法兰盘，两个法兰盘相反的一面上均设有对称的一个带孔的U型耳座，并且相邻的两个关节单元上的U型耳座在位置尺寸上沿内框连接架中轴线彼此错开30度，内框连接架的两个法兰盘均设有周向均布的三组连接孔，这三组连接孔两两一组，外框连接架9上设有三组周向均置的连接孔，每组四个孔，并互成角度，拉条11的一端通过直角弯头和圆球形冒头勾连在内框连接架的连接孔内，其另一端通过拉条上的螺纹和紧固螺母12固定在外框连接架的连接孔内，所述的外框连接架内侧设有三个周向均匀布置的过线孔，过线孔内安装有滑套13。

如图5所示，通过十字轴14将每两个相邻的关节单元的内框连接架上的两个相邻U型耳座连接，构成十字副，使每两个关节单元之间具有两自由度运动。两关节单元之间均布三个弹簧15起支撑作用，弹簧的两端分别抵在相邻的两个关节单元外框连接架带有过线孔的耳座上并套在滑套的外沿上，每个弹簧的中轴心与过线孔的中轴心重合。

如图6所示，与末端执行器连接的关节单元的内框连接架16的一面为设有带螺纹孔的法兰盘。

所述的连接盘、外框连接架、内框连接架均为铝合金材质，拉条和紧固螺母为不锈钢材质，滑套为黄铜材质，驱动绳索为高强度钢丝绳。