一种小型超冗余柔性机械臂的制作方法

本发明涉及机械臂领域，尤其超冗余柔性机械臂领域。

背景技术

超冗余自由度机械臂是为了解决传统串联机器人灵活性差的问题提出来的，其通过增加大量的冗余关节，使关节空间的维数远大于任务空间维数，冗余关节的引入使机械臂可以更加灵活地实现期望的末端姿势。因此，这种机械臂特别适合用于：1、不规则空间内的操作设备，大量的冗余关节可使机械臂具有极强的避障能力，使其特别适合用作特种机器人，例如作为地震灾后穿过碎石瓦砾来寻找幸存者的救生机器人，核反应堆检查机器人等；2、抓取非规则物体的机械手，即采用全臂包卷方式来抓取较大尺寸以及不规则的物体，可以用于爆炸物的排除以及空间站的维护等。

但是，现有的超冗余柔性机械臂，如发明专利cn105150219所述，超冗余机械臂通常通过后置的驱动模块牵引绳索的方式实现臂杆的三维空间的姿势的确定。后置驱动模块通常包括伺服电机、丝杆、滑块、螺母、导轨等，这种后置驱动模块虽然控制准确、能够实现机械臂的高速移动和快速响应。但是，作为只需在实验室中作为原理性样机使用、去验证超冗余柔性机械臂的基本功能如各种规划控制算法的超冗余柔性机械臂而言，上述的超冗余柔性机械臂存在以下问题：一、成本高，由于伺服电机、丝杆等的控制精度很高，其成本也很高，并且丝杆安装时还需要配备支撑的轴承座等，作为仅用于验证功能的样机的而言，成本过高；二、结构不紧凑，伺服电机、丝杆、联轴器、滑块等相对而言需要的安装空间更大，对于实验室的空间而言，过于占据空间。

技术实现要素：

本发明针对上述技术问题，提出了一种小型超冗余柔性机械臂，以实现将超冗余柔性机械臂的整体尺寸小型化、优化超冗余柔性机械臂的整体体积，并且降低成本。

一种小型超冗余柔性机械臂，包括机架，驱动模块，机械臂模块、多根驱动绳，所述机械臂模块连接于所述机架的一端，包括多个串联的臂杆，所述臂杆相互之间分别通过关节连接，所述驱动绳的一端与所述驱动模块连接，另一端与所述关节或所述臂杆连接，其中，每一个所述关节或所述臂杆至少与三根所述驱动绳连接，所述驱动模块通过驱动所述驱动绳从而控制所述臂杆转动至预设的位置，所述机架包括沿上下方向排布的若干层安装部，所述驱动模块包括若干舵机驱动机构，所述若干舵机驱动机构分布在所述安装部内，每一个所述舵机驱动机构分别包括一台舵机、安装在所述舵机上的传动齿轮及与所述传动齿轮啮合的一根齿条，每根所述驱动绳的一端分别连接于一个所述舵机驱动机构上。

优选地，所述舵机驱动机构分别在每一层所述安装部内水平方向平行地排布。

优选地，所述安装部上分别设置有用于固定安装每一根所述齿条的齿条安装部，及用于固定安装可滑动地支撑每一台所述舵机的滑动支撑部的舵机安装部，所述驱动绳的一端与所述舵机连接。

进一步优选地，所述安装部上还分别设置有用于将每一根所述驱动绳引导至所述机械臂模块的绳索引导部。

优选地，所述安装部包括第一上安装件、与所述第一上安装件通过第一连接件固定连接的第一下安装件，及分别与所述第一上安装件、所述第一连接件、所述第一下安装件对称设置的第二上安装件、第二连接件、第二下安装件。

优选地，所述齿条安装部分别设置在所述第一上安装件及所述第二上安装件上，所述舵机安装部分别设置在所述第一下安装件及所述第二下安装件上，所述绳索引导部设置在所述第二连接件上。

优选地，所述传动齿轮和所述齿条之间，还介入安装有齿轮组机构，所述齿轮组机构安装在所述舵机上。

优选地，所述舵机驱动所述齿轮组机构直线行走的行程与所述齿条的有效行程相同。

优选地，所述驱动模块包括十八个所述舵机驱动机构。

优选地，所述机架包括三层所述安装部，每一处所述安装部内分别分布有六个所述舵机驱动机构。

本发明的小型超冗余柔性机械臂，使用了舵机与齿轮齿条传动的配合驱动驱动绳，由于舵机与齿轮齿条传动的配合结构紧凑，并且将各舵机驱动机构分层布置，因此作为验证超冗余柔性机械臂的基本功能如各种规划控制算法的超冗余柔性机械臂而言，可以实现将超冗余柔性机械臂的整体尺寸小型化、优化超冗余柔性机械臂的整体体积，并且降低成本。

附图说明

图1(a)是本发明的小型超冗余柔性机械臂的一种实施例的结构示意图；

图1(b)是图1(a)的实施例省略安装罩12后另一视角的结构示意图；

图2是图1(b)中a处的局部放大图；

图3是部分安装部及部分驱动模块的一种实施例的结构示意图；

图4是舵机驱动机构及齿轮组机构的一种实施例的结构示意图；

图5是图1(b)中b处的局部放大图。

具体实施方式

以下参照图1至图5，对本发明作详细说明。需要指出的是，本发明可以以许多不同的方式实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例目的是为了使本领域的技术人员对本发明所公开的内容理解更加透彻全面。

另外，根据本发明的原理对说明性的实施例所进行的描述旨在要结合附图来进行阅读，其将被视作整个书面说明书的一部分。在公开的本发明的实施例的描述中，任何方向或方位的引用仅仅旨在便于说明，而并非旨在以任何方式限制本发明的范围。相关术语如“正面”、“背面”、“上部”、“下部”、“侧部”、“前端部”、“后端部”、“前侧部”、“后侧部”、“中部”、“内部”、“外部”、“下部的”、“上部的”、“水平的”、“垂直的”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”)及其派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应当被解释为下文所述的或在讨论中的附图所示的方位。这些相关术语仅为方便说明之用，而不能要求设备按照特定方位进行构造或操作,除非有明确说明。因此，本发明不应被确切地限制于对可单独存在或在其它特征组合中存在的特征的一些可能的非限制性组合进行说明的示例性实施例；本发明的保护范围由所附权利要求界定。

正如当前设想，本次公开描述了本发明的最优模式或实践模式。本发明并非旨在从限制层面上进行理解，而是通过结合附图提供仅供说明使用的发明示例，以告知本领域的普通技术人员本发明的优点和构造。在附图的各种视图中，相同的附图标记指代相同或相似的部件。

参照图1(a)、图1(b)，一种小型超冗余柔性机械臂，包括机架1，驱动模块2，机械臂模块3，多根驱动绳4。机械臂模块3连接于机架1的一端，包括多个串联的臂杆31，臂杆31相互之间分别通过关节32连接，驱动绳4的一端与驱动模块2连接，另一端与关节32或者臂杆31连接，其中，每一个关节32或臂杆31至少与三根驱动绳4连接，驱动模块2通过驱动驱动绳4从而使臂杆31转动至预设的位置，具体地，驱动模块2通过驱动驱动绳4拉动臂杆31或关节32改变角度，从而使臂杆31转动至预设的位置，本实施例中的预设的位置，指的是调试人员或者示范人员所期望的臂杆31到达的位置。机架1包括沿上下方向排布的若干层安装部11，驱动模块2包括若干舵机驱动机构21，若干舵机驱动机构21分布在安装部11内，具体地，若干舵机驱动机构21在每一层安装部11内水平方向地排布。在本实施例中，水平方向指的是，如与水平放置的桌面平行的方向。

另外，为了便于驱动绳4的管理，还可以在机架1上设置有出线盘5，出线盘5可以设置为与机械臂模块3同轴设置，机架1上所有与驱动模块2连接的驱动绳4的另一端均经由出线盘5与各臂杆31或关节32连接。

参照图2、图3，在本实施例中，驱动模块2包括十八个舵机驱动机构21，每个舵机驱动机构21分别与一根驱动绳4连接。为了进一步使机架1小型化，机架1包括三层安装部11，每一层安装部11可以通过螺纹连接，上下锁紧。每一处安装部11内分别分布有六个舵机驱动机构21。每一个舵机驱动机构21分别包括一台舵机211、安装在舵机211上的传动齿轮212及与传动齿轮212啮合的一根齿条213，每根驱动绳4的一端分别连接于一处舵机驱动机构21上。

安装部11包括第一上安装件114a、与第一上安装件114a通过第一连接件115a固定连接的第一下安装件116a，第一上安装件114a、第一连接件115a、第一下安装件116a固定安装后，呈栅栏状。在本实施例中，第一上安装件114a、第一连接件115a、第一下安装件116a可以使用型材焊接成型，此处陈述的型材指的是如钢制或铝质的方通、矩通、槽钢、圆管等本领域普通技术人员所公知的标准件。第二上安装件114b、第二连接件115b、第二下安装件116b固定安装后，同样呈栅栏状，同样可以使用型材焊接成型，其焊接成型后的结构与第一上安装件114a、第一连接件115a、第一下安装件116a焊接成型后的结构大致相同，且在安装部11中，两者大致相互对称，基于此，以下的说明中，均只以第一上安装件114a、第一连接件115a、第一下安装件116a进行说明。

另外，第一上安装件114a、第一连接件115a、第一下安装件116a同样可以使用铝型材搭建完成，由于该小型超冗余柔性机械臂在实验室中作为原理机使用，侧重于空间的小型化要求，而并不侧重于强度要求，因此，安装部11可以使用铝型材搭建完成。

再次，第一上安装件114a、第一下安装件116a、第一连接件115a均可以是由钢板或者铝板加工而成的长条状的零件，并且相互之间通过螺钉连接。

或者，安装部11还可以使用整板直接加工而成。

如上所述，为了节省空间，各舵机驱动机构21分别在安装部11内水平方向平行地排布。其中，安装部11上分别设置有用于固定安装每一根齿条213的齿条安装部111，及用于固定安装可滑动地支撑每一台所述舵机211的滑动支撑部214的舵机安装部112，驱动绳4的一端与舵机211连接。舵机211安装在滑动支撑部214上，在本实施例中，滑动支撑部214可以选择线性滑轨、两套线性导向轴和线性轴承的组合、燕尾槽或者非标设计的能够防止其导向的过程中旋转的导向结构等，优选线性滑轨。当舵机211驱动时，通过舵机211驱动传动齿轮212旋转并与齿条213啮合，从而使舵机211直线方向移动，从而拉动驱动绳4。另外，安装部11上还分别设置有用于将每一根驱动绳4引导至出线盘的绳索引导部113。

当安装部11使用型材焊接，或者由长条状的零件连接而成时，可以分别在第一上安装件114a、第二上安装件114b上开设有沉孔或者螺纹孔，与此对应，齿条213的两端可以分别开设有螺纹孔或者沉孔，从而在安装部11的上部将第一上安装件114a、第二上安装件114b固定连接。与此对应，第一下安装件116a、第二下安装件116b可以开设有沉孔或螺纹孔，而线性滑轨的两端分别通过第一下安装件116a、第二下安装件116b的沉孔或螺纹孔连接，从而从安装部11的下部将第一下安装件116a、第二下安装件116b固定连接。

与此相似，当安装部11使用铝型材搭建时，齿条213及线性滑轨可以分别通过铝型材的安装槽连接紧固。当然，安装部11使用铝型材搭建另外一个用处在于，可以调节安装在舵机211的输出轴上的传动齿轮212与齿条213之间的中心距，从而提高传动齿轮212与齿条213之间的啮合精度。

因此，在本实施例中，安装部11的第一上安装件114a、第一下安装件116a与第二上安装件114b、第二下安装件116b实际上通过齿条213及线性滑轨的连接从而构成的一个整体。在此，齿条213在作为传动机构的一部分的同时，起到了连接安装部11的功能，而线性滑轨则在对舵机211传动导向的同时，起到了连接安装部11的功能，因此，通过这样的结构，可以尽可能地将机架1的整体尺寸小型化。

在本实施例中，绳索引导部113设置在第二连接件115b上，具体地，在第二连接件115b上开设有用于驱动绳4穿过的引导孔。为了防止绳索穿过引导孔时被刮伤，引导孔内可以内嵌有铜质或者塑料材质的衬套(未图示)，并在衬套的边缘设置有倒角或者圆角。在别的实施例中，绳索引导部113还可以在第二连接件115b上安装具有引导槽的辊筒(未图示)，以将驱动绳4引导至出线盘5(参照图1(a))。

安装部11通过齿条213及线性滑轨214连接构成一个整体后，各安装部11上下方向通过螺纹锁紧连接，构成机架1。机架1的外围还可以设置有安装罩12(或者参照图1(a))，各安装部11分别容置在安装罩12内。机械臂模块3及出线盘5分别同轴地连接于机架1的一侧的安装罩12的中部。各驱动绳4分别经由绳索引导部113穿过出线盘5，然后连接至各机械臂模块3的臂杆31。

在本实施例中，如舵机211性能指标为：1)最大脉宽：500-2500us；2)最大角度：180°；3)中点位：1500us；4)扭力(4.8v)：17.25kg.cm；5)扭力(6v)：20.32kg-cm；6)尺寸：40.5*20.2*38mm；7)重量：62g。

舵机211的外形尺寸仅为40.5*20.2*38mm，相比于伺服电机，其所需的安装空间大大地下降。

参照图4，在一个改进的实施例中，为了提高舵机驱动机构21的输出扭矩，传动齿轮212和齿条213之间，还介入安装有齿轮组机构22，齿轮组机构22安装在舵机211上。

以下对舵机211及齿轮组机构22进行说明。

舵机211包括安装凸耳211a，舵机安装板215一端与该安装凸耳211a连接，另一端锁紧至线性滑轨214的滑块。齿轮组机构22包括第一齿轮安装座221，第一齿轮安装座221同样地与舵机211的安装凸耳221a连接，优选地，舵机安装板215与第一齿轮安装座221一同通过螺栓及螺母在安装凸耳221a上锁紧。驱动绳4可以通过压紧、卡紧、打结等方式与第一齿轮安装座221或舵机安装板215连接，驱动绳4同样地也可以通过一样的方式与关节32或者臂杆31连接。

在该齿轮组机构22中，优选地，采用了两级齿轮组增大舵机211的输出扭矩。齿轮组机构22包括第二齿轮安装座222，第二齿轮安装座222锁紧在第一齿轮安装座221上，其中，第一级齿轮组22a、第二级齿轮组22b分别包括同轴设置的大齿轮223a/223b、小齿轮225a/225b及安装大齿轮223a/223b、小齿轮225a/225b的转动轴224，转动轴224的一端轴接于第一齿轮安装座221，另一端轴接于第二齿轮安装座222，另外，为了节省安装空间，可以设置铜质的衬套(未图示)代替轴承去轴支撑转动轴224。关于两级齿轮组22a、22b的齿轮的配置，大齿轮223a/223b及小齿轮225a/225b的模数m均可优选为0.5，齿数优选为大齿轮223a/223b：小齿轮225a/225b＝2:1，如优选大齿轮223a/223b的齿数z1为48，小齿轮225a/225b的齿数z2为24，安装在舵机211输出轴的传动齿轮212模数及齿数可以设置为与大齿轮223a/223b的模数及齿数相同。

由于在本实施例中，选用180度的舵机211，传动齿轮212首先与第一级齿轮组22a的小齿轮225a啮合，第一级齿轮组22a的大齿轮223a与第二级齿轮组22b的小齿轮225b啮合，第二级齿轮组22b的大齿轮223b与齿条213啮合。通过两级齿轮组22a/22b的分配后，可使第二级的大齿轮223b的旋转720度，另外，齿条213的行程可优选为除去首尾两端的安装位置后(有效行程)，等于或稍大于舵机211驱动第二级的大齿轮22ab(即：齿轮组机构22)所能行走的最大的行程，从而进一步将机架1的尺寸小型化。

初始位置的时候，舵机211大致位于齿条213的中部，通过控制系统启动舵机211后，舵机211通过线性滑轨214的导向，其传动齿轮212通过齿轮组机构22与齿条213啮合，从而使舵机211直线滑动，进而拉动驱动绳4动作。

对于舵机驱动机构21而言，虽然同样也可以将舵机211设置为固定式的，将齿条213设置为活动式的，但是，从使机架1小型化的观点出发，由于，齿条213所需要的活动空间大致等于齿条213的行程的两倍，并不利于空间的小型化，因此，在本实施例中，将齿条213固定，而将舵机211设置为直线驱动式。

另外，虽然在本实施例中，将齿条213与第一上安装件114a、第二上安装件114b固定连接，将线性滑轨与第一下安装件116a、第二下安装件116b固定连接，但是，同样可以将线性滑,214与齿条213的安装位置相互对调，或者整合至一起。

参照图1(a)、图5，以下对机械臂模块3进行说明。

机械臂模块3包括多个串联的关节32，相邻的关节32通过设于二者之间相互交叉且垂直的转轴321连接，这样关节32之间便可以相对产生两个自由度上的转动，从而形成万向节，机械臂模块3的臂杆31分别通过关节32连接。

在本实施例中臂杆31优选为六处。

任意臂杆31上固接有至少三处的驱动绳4，驱动绳4作为动力的传递介质由驱动模块2进行驱动，且任意驱动绳4分别通过独立的舵机211驱动从而独立运动，这样在同一时间内不同的驱动绳4可以分别处于向前拉或者往后收的状态，从而拉动对应的臂杆31朝不同方向偏转。

作为本发明驱动绳4的优选实施例，每三根驱动绳4驱动一个臂杆31，且相邻的驱动绳4之间沿臂杆31的周向呈间隔120°设置。以此为例，为满足机械臂各臂杆31的控制，驱动绳4的总数应为十八根，各臂杆31沿周向的边缘均匀设置有十八个容许各驱动绳4穿过的布线孔311，驱动绳4在经过第一段臂杆31时，其中三根与第一段臂杆31固接，其余的十五根穿过该臂杆31后达到第二段臂杆31处，此时再分出三根驱动绳4与第二段臂杆31固接，剩下的驱动绳4继续延伸，以此类推直至到达最后的一段臂杆31，这样便实现了各段臂杆31的分开控制。

在上述具体实施方式中所描述的各个具体的技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何方式进行组合，为了不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不另行说明。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明范围的任何修改或者等同替换，均应当涵括在本发明的技术方案。