一种分段式超灵巧机械臂的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种机械臂，具体涉及一种分段式超灵巧机械臂。
【背景技术】
[0002]超灵巧机械臂(Hyper-Dexterous Manipulator，HDM)是一种在复杂的或者非结构环境中面对各种未知任务能够像蛇、象鼻或者章鱼触手等一样具有惊人的运动、操作和灵巧性能的机器人。由于其固有的超灵巧特性，超灵巧机械臂在受限空间或狭小空间面对未知任务的运动和操作能力远高于传统的关节式机械臂，在空间操控、工业及医疗等领域中都具有重要的应用价值及潜在价值，体现了机器人技术的进步方向。
[0003]在医疗领域，超灵巧机械臂在介入操作过程中最大限度地利用了机械臂与生物组织的柔性及其相互间的被动顺应运动，从而摆脱了对运动学精确计算及主动控制的依赖，其机构和结构设计更多关注于微创、无创等功能要求。而对于空间操控和工业领域的应用，其运动的主动控制能力和控制精度却是一个基本的功能要求。这就引出了超灵巧机械臂在空间操控和工业应用中的一个最重要特征就是其末端作业载荷通常远高于医疗领域。现有超灵巧机械臂的结构以连续体形式为主，这种结构往往具有较低的刚度，这导致其承受外部载荷的能力差以及外部载荷作用下的稳定性差，并且外部作业载荷的增大可能引发机器人复杂的运动行为，严重影响其可控操作性能。从技术角度来看，因为任务和环境的不同，根本无法通过对医疗领域超灵巧机械臂的功能移植或功能复制来应对空间操控和工业领域的需求。很多机械臂都停留在设计的初步阶段中，可行性差且使用时安全可靠性差。
【发明内容】
[0004]本发明为了解决现有超灵巧机械臂存在承受外部载荷能力差、外部载荷作用下稳定性差和运动行为复杂，同时现有超灵巧机械臂还存在可行性差，安全可靠性差的问题，从而提出了一种分段式超灵巧机械臂。
[0005]本发明为解决上述问题采取的技术方案是:
[0006]—种分段式超灵巧机械臂，它包括机械臂本体、肌肉群式的驱动传动系统、电气系统和十五根腱绳；
[0007]所述机械臂本体包括六维力传感器组件、中空支撑管、转接杆、多个椎骨组件和多个椎间盘，所述多个椎骨组件和多个椎间盘同轴设置且交替连接形成机械臂骨架，每个椎间盘的上端和下端分别设置有一个椎骨组件，所述六维力传感器组件固定安装在机械臂骨架中处于最顶端的椎骨组件上，多个椎骨组件和多个椎间盘均穿设在中空支撑管上，所述转接杆位于机械臂骨架的下方且与机械臂骨架同轴设置，所述转接杆为阶梯型杆体，所述转接杆的小径端设置在机械臂骨架中处于最底端的椎骨组件上，所述转接杆内加工有空腔，所述空腔与中空支撑管的下端相连通；
[0008]所述肌肉群式的驱动传动系统包括箱体、三套导向滑轮组、三套驱动系统和三套绝对位置传感器，所述转接杆的大径端固定连接在箱体顶部的中心处，所述箱体包括三个条形连接框，所述三个条形连接框之间固定连接制为一体，所述三个条形连接框以转接杆轴向方向的中心轴线为中心均匀分布在转接杆的下方，每个条形连接框对应有一套驱动系统，每套驱动系统可拆卸连接在其对应的条形连接框上，每套驱动系统上设置有一套绝对位置传感器，三套导向滑轮组以转接杆轴向方向的中心轴线为中心均匀分布在转接杆的周围，电气系统固定安装在箱体的底部，所述十五根腱绳均设置在机械臂本体和肌肉群式的驱动传动系统之间，每根腱绳的首端沿机械臂骨架的长度方向设置在机械臂骨架上，每根腱绳的末端设置在肌肉群式的驱动传动系统上。
[0009]本发明的具有以下有益效果:
[0010]1、本发明的机械臂本体采用分段式的设计，具有结构简单、承受外部载荷的能力强和稳定性好的优点，本发明结构简单，组成机械臂本体的零件类型少且零件之间组装方便，仅需要将这些零件重复组装即可形成机械臂本体，有效降低机械臂本体的制作难度且该机械臂本体承受外部载荷能力强。
[0011]2、本发明中每套驱动系统能够实现最大输出10Nm的力矩的效果，表明在机械臂本体伸直状态下能够承受垂直于机械臂本体的载荷最大可达25N，同时本发明在这种外部载荷作用下稳定性高。
[0012]3、本发明将肌肉群的原理应用于超灵巧机械臂的驱动传动系统设计中，通过三套驱动系统与十五根腱绳相配合实现了十五路运动输出的效果，结构简单紧凑、集成度高，节约成本；本发明基于模块化设计的思想，模块之间可以互换，方便拆装和维护。
【附图说明】
[0013]图1为本发明的第一立体结构示意图，图中去掉十五根腱绳4 ;
[0014]图2为本发明的第二立体结构示意图，图中带有十五根腱绳4;
[0015]图3为机械臂本体1的主视结构示意图；
[0016]图4为图3中A-A处的剖面图；
[0017]图5为六维力传感器组件1-1的分解示意图；
[0018]图6为椎骨组件1-2的立体结构示意图；
[0019]图7为椎骨组件1-2的分解示意图；
[0020]图8为肌肉群式的驱动传动系统2的主视结构示意图；
[0021]图9为图8中B-B处的剖面图；
[0022]图10为导向滑轮组的立体结构示意图；
[0023]图11为电气系统3的立体结构示意图；
[0024]图12为本发明的极限工作状态图；
[0025]图13为本发明中间过程的工作状态图。
【具体实施方式】
[0026]【具体实施方式】一:结合图1?图13具体说明本实施方式，本实施方式包括机械臂本体1、肌肉群式的驱动传动系统2、电气系统3和十五根腱绳4 ；
[0027]所述机械臂本体1包括六维力传感器组件1-1、中空支撑管1-4、转接杆1-5、多个椎骨组件1-2和多个椎间盘1-3，所述多个椎骨组件1-2和多个椎间盘1-3同轴设置且交替连接形成机械臂骨架，每个椎间盘1-3的上端和下端分别设置有一个椎骨组件1-2，所述六维力传感器组件1-1固定安装在机械臂骨架中处于最顶端的椎骨组件1-2上，多个椎骨组件1-2和多个椎间盘1-3均穿设在中空支撑管1-4上，所述转接杆1-5位于机械臂骨架的下方且与机械臂骨架同轴设置，所述转接杆1-5为阶梯型杆体，所述转接杆1-5的小径端设置在机械臂骨架中处于最底端的椎骨组件1-2上，所述转接杆1-5内加工有空腔，所述空腔与中空支撑管1-4的下端相连通；
[0028]所述肌肉群式的驱动传动系统包括箱体2-15、三套导向滑轮组、三套驱动系统和三套绝对位置传感器，所述转接杆1-5的大径端固定连接在箱体2-15顶部的中心处，所述箱体2-15包括三个条形连接框，所述三个条形连接框之间固定连接制为一体，所述三个条形连接框以转接杆1-5轴向方向的中心轴线为中心均匀分布在转接杆1-5的下方，每个条形连接框对应有一套驱动系统，每套驱动系统可拆卸连接在其对应的条形连接框上，每套驱动系统上设置有一套绝对位置传感器，三套导向滑轮组以转接杆1-5轴向方向的中心轴线为中心均匀分布在转接杆1-5的周围，电气系统3固定安装在箱体2-15的底部，所述十五根腱绳4均设置在机械臂本体1和肌肉群式的驱动传动系统2之间，每根腱绳4的首端沿机械臂骨架的长度方向设置在机械臂骨架上，每根腱绳4的末端设置在肌肉群式的驱动传动系统2上。
[0029]本发明中空支撑管1-4采用镍钛合金材料，由于中空支撑管1-4的内部为添加传感器等提供空间和走线通道，镍钛合金制成的中空支撑管1-4具有良好的弹性和韧性，可维持超灵巧机械臂的整体稳定性。
[0030]本发明中椎间盘1-3采用金属橡胶材料。椎间盘1-3是超灵巧机械臂的运动部件和重要的功能部件，金属橡胶是一种新型迟滞非线性材料，具有良好的阻尼特性，还具有弹性好、寿命长的优点。
[0031]【具体实施方式】二:结合图1、图2、图8和图9具体说明本实施方式，本实施方式中所述三套驱动系统相对箱体2-15的纵向中心线间隔120°均匀分布在箱体2-15内，每套驱动系统包括电机2-1、减速器2-2、运动输出轴2-4、第一轴承2-5、第二轴承2_8和驱动轮组2-6，所述减速器2-2固定安装在箱体2-15上，电机2-1的输出轴通过减速器2_2与运动输出轴2-4的