一种基于肌肉群原理的超灵巧机械臂驱动装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种机械臂驱动装置，具体涉及一种基于肌肉群原理的超灵巧机械臂驱动装置。
【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。现有的超灵巧机械臂往往采用缩短节长度或者臂杆长度和增加驱动器数目的方式来获取较高的负载能力，但是驱动器数目的增加，会使控制系统变得复杂、功耗增加、成本增加。
【发明内容】
[0004]本发明为解决现有超灵巧机械臂采用缩短节长度或者臂杆长度以及增加驱动器数目的方式来获取较高的负载能力，进而导致控制系统变得复杂、功耗增加、成本增加的问题，提出了一种基于肌肉群原理的超灵巧机械臂驱动装置。
[0005]本发明为解决上述问题采取的技术方案是:
[0006]本发明的一种基于肌肉群原理的超灵巧机械臂驱动装置包括包括箱体、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机械臂本体轴向方向的中心轴线为中心均匀分布在机械臂本体的下方，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，三套导向滑轮组以机械臂本体轴向方向的中心轴线为中心均匀分布在机械臂本体的周围，每套导向滑轮组固定连接在箱体的顶面上；
[0007]每套驱动系统包括电机、减速器、运动输出轴和驱动轮组，所述减速器固定安装在箱体上，电机的输出轴通过减速器与运动输出轴的一端相连接，所述运动输出轴的另一端设置在箱体内，驱动轮组固定安装在运动输出轴上。
[0008]本发明的具有以下有益效果:
[0009]本发明将肌肉群的原理应用于超灵巧机械臂驱动装置的设计，通过三组驱动器实现了十五路运动输出，每组驱动器的输出转矩高达10Nm ;本发明具有结构紧凑、集成度高、可靠度高、易于维护的优点；本发明采用肌肉群式的驱动装置，结构简单，效率高，节约了成本，简化了超灵巧机械臂驱动装置的设计。
【附图说明】
[0010]图1为本发明和机械臂本体1连接的整体结构示意图；
[0011]图2为三套驱动系统2的主视结构示意图；
[0012]图3为图2中A-A处的剖面图；
[0013]图4为减速器2-2与转接框架2-3连接的分解示意图；
[0014]图5为端盖2-9与箱体2-15连接的立体结构示意图；
[0015]图6为驱动轮组2-6的立体结构示意图；
[0016]图7为一个滑轮2-16与两个第一轴承2-17之间连接关系的立体结构示意图；
[0017]图8为绝对位置传感器5的立体结构示意图；
[0018]图9为机械臂本体1的主视结构剖面图；
[0019]图10为机械臂本体1、驱动腱绳4和本发明之间连接关系的整体结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]【具体实施方式】一:结合图1?图10具体说明本实施方式，本实施方式包括箱体2-15、三套导向滑轮组、三套驱动系统2和三套绝对位置传感器5，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机械臂本体1轴向方向的中心轴线为中心均匀分布在机械臂本体1的下方，每个条形连接框对应有一套驱动系统2，每套驱动系统2可拆卸连接在其对应的条形连接框上，每套驱动系统2上设置有一套绝对位置传感器5，三套导向滑轮组以机械臂本体1轴向方向的中心轴线为中心均匀分布在机械臂本体1的周围，每套导向滑轮组固定连接在箱体2-15的顶面上；
[0021]每套驱动系统2包括电机2-1、减速器2-2、运动输出轴2_4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的一端相连接，所述运动输出轴2-4的另一端设置在箱体2-15内，驱动轮组2-6固定安装在运动输出轴2-4上。
[0022]本发明具有结构简单紧凑、集成度高、可靠度高、易于维护的优点，将肌肉群的原理应用于超灵巧机械臂驱动装置的设计，节约了成本，简化了超灵巧机械臂驱动装置的设计，通过三组驱动器实现了十五路运动输出，每组驱动器的输出转矩高达10Nm。
[0023]本发明为机械臂本体1的驱动装置，机械臂本体1为一种超灵巧机械臂，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，所述中空支撑管1-4穿设在所有的椎骨组件1-2和椎间盘1-3中，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，十五根驱动腱绳4均设置在机械臂骨架和三套驱动系统2之间。
[0024]每个椎骨组件1-2包括椎骨本体、大固定套、两个锁紧螺母、三个小固定套和三个腱绳穿过块，所述椎骨本体的两端沿其长度方向各加工有一个圆形凹槽，每个圆形凹槽的槽内壁上沿其圆周方向均匀加工有多个豁口，所述大固定套套装在椎骨本体上，所述大固定套的外壁上沿其圆周方向均匀布置有三个小固定套，所述大固定套、三个小固定套和椎骨本体之间固定连接制为一体，每个固定套内可拆卸连接有一个腱绳穿过块每个腱绳穿过块上加工有五个腱绳穿过孔，每个腱绳穿过孔内穿设有一根驱动腱绳4，两个锁紧螺母分别套装在椎骨本体的两端且每个锁紧螺母与大固定套相贴紧。
[0025]【具体实施方式】二:结合图1、图2和图7具体说明本实施方式，本实施方式中每两套相邻导向滑轮组之间的夹角为120°，每套导向滑轮组包括支撑板2-18和多个滑轮2-16，所述支撑板2-18竖直设置，支撑板2-18的下端固定连接在箱体2_15上，支撑板2_18的一侧与机械臂本体1的外壁相连接，支撑板2-18上加工有多个阶梯孔，每个阶梯孔内设置有一个滑轮2-16。如此设置是为了引导驱动腱绳4的走向，使驱动腱绳4稳定地安装在驱动轮组2-6上，减小摩擦和能量损失，保证驱动腱绳4的使用寿命。其它组成及连接关系与【具体实施方式】一相同。
[0026]【具体实施方式】三:结合图2、图5和图7具体说明本实施方式，本实施方式中每套导向滑轮组中滑轮2-16的个数为九个，每个滑轮2-16通过两个第一轴承2-17安装在其对应的支撑板2-18上。
[0027]本实施方式中为使驱动腱绳4能够稳定地安装在驱动轮组2-6上，每根驱动腱绳4需要两个滑轮2-16来引导其走向，以使驱动腱绳4的走向相切于驱动轮组2-6的边缘，而连接在机械臂骨架中最顶端的椎骨组件1-2上的驱动腱绳4由于结构和空间的限制仅需要一个滑轮2-16就可以引导其正确的走向，所以每套导向滑轮组包括九个滑轮2-16。每套导向滑轮组的结构及位置关系是通过多次样品试验得出。其它组成及连接关系与【具体实施方式】二相同。
[0028]【具体实施方式】四:结合图3具体说明本实施方式，本实施方式中每套驱动系统2还包括转接框架2-3、运动输出轴2-4、第二轴承2-5、轴套2-7、第三轴承2_8、端盖2_9、挡圈2-10和转接轴2-11，所述减速器2-2通过转接框架2-3固定安装在箱体2_15上，运动输出轴2-4的一端通过型孔与减速器2-2的输出轴连接，动力输出轴2-4的另一端分别通过第二轴承2-5和第三轴承2-8设置在箱体2-15内，驱动轮组2-6通过型孔固定安装在运动输出轴2-4上，驱动轮组2-6通过轴套2-7定位于第三轴承2-8，挡圈2_10通过转接轴2_11固定安装在运动输出轴2-4上，端盖2-9固定安装在箱体2-15上。
[0029]本实施方式中的电机2-1由FAULHABER公司制造，型号为3242G，功率21.7W，供电电压为24V，连续输出转矩为56mNm，减速器2_2由FAULHABER公司制造，型号为32/3S，减速比 246:lo
[0030]本实施方式中电机2-1的输出轴安装在减速器2-2的输入端，减速器2-2通过转接框架2-3固定安装在箱体2-15上，运动输出轴2-4的一端通过型孔与减速器2-2的输出轴连接，动力输出轴2-4通过第二轴承2-5和第三轴承2-8与箱体2-15连接，驱动轮组2_6通过型孔固定安装在运动输出轴2-4上，驱动轮组2-6通过轴套2-7定位于第三轴承2-8，压片2-14固定安装在驱动轮组2-6上，电位计5-1通过转接轴2-11与运动输出轴2_4连接，转接轴2-11把挡圈2-10压紧在第三轴承2-8上，端盖2-9固定安装在箱体2_15上。如此设置使每套驱动系统2具有结构简单紧凑、集成度高、易于维护的优点，节约成本，通过三套驱动系统2实现了十五路运动输出，每套驱动系统2的输出转矩高达lONm。其它组成及连接关系与【具体实施方式】三相同