柔性机械臂及系统的制作方法

本发明涉及一种柔性机械臂，尤其是能实现双自由度等曲率弯曲联动的柔性机械臂，及由该柔性机械臂组成的系统。

背景技术

区别于传统的关节串联型机械臂，柔性机械臂具有灵活度高、避障能力强等优点，在狭小空间和复杂环境中运动和操作能力强，在航空航天制造、大型装备检测维护等领域具有重要的应用价值。现有技术中，柔性机械臂的每个关节连接处均为独立驱动，虽可以提高整臂的冗余度，但相应的也会增加驱动电机数目，导致柔性臂的控制难度、重量及成本的增加。

为解决驱动电机数目较多的问题，现有的方案是在关节之间增加弹性元件，把一段臂作为一个控制单元，进行控制，或直接利用弹性材料作为臂基体进行控制，实现类圆弧变形运动。此种机械臂实际运动过程中的形状与圆弧存在偏差，末端精度不高，难以满足需求。

如图1a、图1b所示是现有技术1的一种基于齿轮传动的等曲率弯曲机械臂，一个大伞齿轮通过与销钉过盈或键配合而安装在转动支架上，一个与所述大伞齿轮咬合的小伞齿轮，与传动轴过盈或键配合安装在传动轴的一端部靠近万向节处，大伞齿轮与小伞齿轮中心线的相交点位于该万向节的转动中心处。该技术具有以下缺点：

缺点一：齿轮传动机构占据空间较大，影响柔性臂的适用场景。

缺点二：大小伞齿轮在两个旋转自由度方向上，所旋转的角度为大小伞齿轮的齿数比。使得柔性臂运动能力受限制：只能实现一个自由度方向上的运动，限制了柔性机械臂的工作能力。

如图2a图2b、图2c、图2d、图2e是现有技术二的一种柔性臂联动关节段，包括短联动绳、长联动绳以及依次串联的第一端部关节、第一中心关节、第二中心关节、第三中心关节与第四中心关节，且从第一端部关节至第四中心关节，相邻关节之间依次设有第一端部连接件、第一中心连接件、第二中心连接件与第三中心连接件，其中第一端部关节与第一端部连接件固接；沿第一方向。第一中心关节的两端分别于第二端部连接件、第一中心连接件转动连接；第三中心关节的两端分别于第二中心连接件、第三中心连接件转动连接；第二中心关节的两端与第一中心连接件、第二中心连接件之间，以及第四中心关节与第三中心连接件之间相对固定；第一端部连接件与第一中心连接件之间，以及第二中心连接件与第三连接件之间分别通过短联动绳连接，第一端部连接件与第三中心连接件之间通过长联动绳连接，以使从第一端部关节至第四中心关节，相邻关节之间可发生沿第一方向的同向且通角度的转动。每个连杆两端中心块上轴线方向始终相同的两个自由度通过两个交叉缠绕成“8”字型的不锈钢绳索耦合在一起，实现反方向的耦合同步转动。端部中心块由穿过软管的绳索与相距较远的中间中心块(相对)通过交叉缠绕成“8”字型的不锈钢绳索耦合，另一端部中心块与中间中心块耦合，进而实现整段臂上俯仰、偏航自由度之间各自耦合，最终成为具有两自由度的联动臂段。远程联动绳索通过调节螺母将软管反向顶紧，进而实现远端绳索的张紧。该技术具有如下缺点：

缺点一：该方案臂段关节杆的数量必须为4的倍数，不便于臂杆内关节段数量的配置。

缺点二：该方案中远程联动绳在联动过程中，由于俯仰、偏航角度会对远程联动绳的形状产生影响。进而影响到联动的效果。

缺点三：该方案中的远程联动绳极大的占据了臂杆内部空间，影响到臂杆方案末端执行机构线缆的走线，进而不利于该方案的实际应用。

缺点四：该方案中远程联动绳由于在运动过程中，其形状会产生变形，引起缆索预紧力的变化，从而导致臂段关节杆与中心块之间的正压力变化。而其对侧的“8”字型的不锈钢绳索预紧力可视为定值。由此导致的臂杆运动过程中，两侧正压力不同导致的偏载，也会影响到臂杆等角度联动的精度。从而降低了臂杆整体控制精度。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是：提出一种更便于工程应用、联动效果稳定可靠的柔性臂，实现等曲率弯曲联动。

为此，本发明所提出的柔性机械臂包括多段臂杆关节段和相应的中心块，各臂杆关节段通过转动连接机构与中心块相连，形成臂杆主体的一个单元，多个单元形成臂杆主体；还包括联动绳，相邻臂杆关节段之间以及相邻中心块之间通过联动绳相连以实现联动，所述联动绳至少有部分呈s形。

优选地，本发明实施例中还可以包括如特征：

所述联动绳为一端具有弧形的半s形，弧形一端绕至一中心块的导向圆盘上，另一端锁紧压死在相邻的另一中心块上。

两个半s形的联动绳分别连接相邻两中心块，并在该两中心块对侧对称布置。

所述联动绳带动臂杆关节段，实现在绕y轴转动上的联动，其中y轴方向为垂直于臂杆关节段轴向的一个方向。

所述联动为等角联动。

所述联动绳为两端均具有圆弧段的s形，关节段具有侧耳，侧耳上具有球面部分，所述联动绳的一端圆弧段与一关节段侧耳上的球面相切，该圆弧段紧贴在关节段侧耳上的球面上，另一端圆弧段与相邻关节段侧耳上的球面相切，该圆弧段紧贴在该另一关节段侧耳球面上。

两个s形的联动绳分别连接相邻两关节段，并在该两关节段对侧对称布置。

所述联动绳带动臂杆关节段，实现在绕x轴转动上的联动，其中x轴方向为垂直于臂杆关节段轴向的一个方向。

所述联动为等角联动。

多个联动模块串联构成柔性机械臂系统。

本发明还提出一种柔性机械臂系统，包括依次连接的驱动缆索牵引装置、机械臂和末端工具，其特征在于：所述机械臂采用前述的柔性机械臂。

采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：本方案单元模块化的方式及联动绳联动过程的受力状态，较现有技术方案更为合理，联动精度更高。

进一步地，本发明优选方案还具有如下优点：

关节段数量可以任意配置，通过重新设定每个关节段臂杆的长度等方式，使得本方案在实际工程应用设计时，更为方便灵活；

臂杆组成零件种类数量较现有技术方案大大减少，更易于产业化；

极大程度上保留臂杆中心空间，用于穿行末端工具所需的电力线缆、信号电缆，及光纤激光器所需的气管，提高臂杆末端工具的多样性及其工作能力。

附图说明

图1a、1b是现有技术一示意图。

图2a-2e是现有技术二示意图。

图3是本发明的整体结构及联动效果示意图。

图4a、4b是本发明实施例臂杆主体构成示意图。

图5a-5e是本发明联动绳实施例一示意图。

图6a-6f是本发明联动绳实施例二示意图。

图7是本发明实施例联动模块示意图。

图8a、8b是本发明多个联动模块串联示意图。

图9a、9b、9c、9d是本发明实施例机械臂系统结构示意图。

具体实施方式

本发明的如下实施例中的柔性臂主要包括多段臂杆关节段和相应的联动绳，还包括中心块，臂杆关节段通过转动连接机构与中心块相连，形成臂杆主体的一个单元，多个单元形成臂杆主体。下面分别对臂杆主体、联动绳及其联动进行介绍。

1、臂杆主体构成

如图4a、4b所示，臂杆关节段11的两个侧耳与中心块21相连后，将销轴312、314分别由臂杆关节段两侧耳压入，实现关节段与中心块的相对转动。其中销轴由两段组成，一段为圆柱面与中心块构成旋转铰链。另一段为“d形”结构且在其中部开有一个深1mm的槽道。销轴“d形”段嵌入到关节段11的侧耳中，槽道与关节段侧耳上的槽道对齐。“d形”结构防止销轴与臂杆关节段发生相对转动，确保销轴上的缺口槽道始终与臂杆侧耳槽道对齐。同理，臂杆关节段12通过转动销轴311、313与中心块21相连，形成臂杆主体结构的一个单元。

2、联动绳实施一：“小s”形联动绳

本实施例中，联动绳分为两类，其中一类为“小s”形联动绳，其组成如图5a-5e，图中41为中心穿孔的六角头螺钉，该中心孔可使钢丝绳从中穿过。51为一段压铆球头的钢丝绳，该球头直径大于41的中心孔直径，小于41的六角头直径。61为内六角紧定螺钉，用来将钢丝绳的自由端固连在中心块上。

具体安装实施如图5b(图5b中隐藏了臂杆关节段12)，41带中心块螺钉安装在中心块的螺纹孔c1中。随后，钢丝绳51从带中心孔螺钉41中穿过后，沿中心块22上导向圆盘a1，穿过臂杆关节段上的通孔后，绕至中心块21的导向圆盘a2上。拉紧钢丝绳使其球头b1与41贴死即可。随后在中心块21上，由两颗紧定螺钉61锁紧压死钢丝绳51。再将多余的钢丝绳剪断。由于绳索只能传递拉力，因此在中心块对侧对称布置如图5a、5b、5d、5e所示的钢丝绳52，其组成、安装与钢丝绳51相同。

如图5d所示，当臂杆关节段11带动中心块21，绕y1轴(销轴311与销轴313同轴构成的转动副)作顺时针转动时，在钢丝绳51的牵引下，使臂杆关节段13带动中心块22，绕y2轴(销轴321与销轴323同轴构成的转动副)作逆时针转动。同理，当臂杆关节段11带动中心块21，绕y1轴作逆时针转动时，在钢丝绳52的牵引下，使臂杆关节段13带动中心块22及销轴34，绕y2轴作顺时针转动。因此，实现了臂杆关节段在绕y轴转动上的联动。其联动等角度说明如下：

如图5e所示，对中心块进行简化，用圆替代导向圆盘。当中心块21的导向圆盘a2以垂直屏幕方向为旋转轴顺时针旋转θ1时，钢丝绳51跟随圆盘a2的转动，圆盘上缠绕的绳长量增加θ1在圆盘a2上所对应的弧长。在钢丝绳的预紧力远大于关节转动力矩时，可认为联动转动过程中钢丝绳长不变。同时，两圆盘中心距保持不变。钢丝绳51在中心块22的导向圆盘a1缠绕缩短的长度变化量与θ1在圆盘a2上所对应的弧长相等。又因为两圆盘直径相同，故中心块22上导向圆盘a1转动的角度θ2＝θ1。导向圆盘是直接在中心块上加工出的零件特征，因此中心块21与中心块22在“小s”形联动绳的传动下，实现了等角度的转动。

通过力矩扳手将带中心孔的螺钉41往螺纹孔外的方向拧时，螺钉41会带动球头向钢丝绳伸长方向运动，增加钢丝绳上的预紧力。通过该调整方法结合钢丝绳张力测量装置，可以保证钢丝绳51与钢丝绳52张力相同。且实现钢丝绳预紧力可调的目的。

3、联动绳之二：“球面s”形联动绳

“球面s”形联动绳的组成：如图6a-6f所示，71、72为带中心孔的六角头螺钉(与41类似)；81、82为一端带有压铆球头的钢丝绳；91、92为钢套(材质不限，要求与钢丝绳动摩擦系数小)；101、102是铜套，111、112为内六角紧定螺钉；121、122为螺杆上穿孔的沉头螺钉，131、132为垫片，141、142为六角螺母。

一组“球面s”形联动绳由两根钢丝绳及其相关零件组成，下文仅选一根对其安装进行说明。如图6c，带中心孔的六角头螺钉71安装在臂杆关节段13的m1螺纹孔中；该螺纹孔m1由两端组成，其靠近71侧为螺纹孔，靠近中心块22的一侧为光孔。随后带球头n1的钢丝绳81穿过螺钉71的中心孔；通过m1的光孔段与臂杆关节段12的侧耳上的球面m2相切；再通过销轴321“d形”段槽道，穿过嵌入在关节段12的m3半圆槽的钢套91后，沿钢套91紧贴臂杆关节段12的圆筒外壁，绕到y1轴的负方向上。

为便于观察，对图6c中的臂杆视角进行一定调整，如图6d所示。钢套91的两端，一段嵌入在臂杆关节段12的m3中，另一段嵌入在臂杆关节段12的m4中。钢丝绳81从m4处的钢套91中穿出后，进过臂杆关节段上的m5槽、销轴313的h2槽道，再经由臂杆关节段12的m6球面后，以切线方式过渡。穿入臂杆关节段11的m7光孔，m7光孔中嵌有保护铜套101。钢丝绳81穿过m7后，从沉头螺钉121螺杆上的孔穿过，完成钢丝绳81的穿线过程。随后拉直钢丝绳81，将垫片131和螺母141安装上，压紧钢丝绳81；再从侧面拧入内六角紧定螺钉111。完成一根“球面s”联动绳的装配。此时，可以通过定扭矩扳手拧出六角头螺钉71的方式，调节钢丝绳81上的预紧力。以同样的方式，在对侧安装上钢丝绳82。完成一组“球面s”联动绳的安装。

对“球面s”形联动绳原理进行说明：对图6e进行抽象与简化得到图6f。在图6f中构建坐标系o1-x1-y1，x1轴过o1点，垂直图面朝外为x1轴正方向；坐标系o2-x2-y2，x2轴过o2点，垂直图面朝外为x2轴正方向。如图钢丝绳81的两端，一段固连在臂杆关节段13，穿过臂杆关节段12的两个侧耳球面、钢套91后，另一段固定在臂杆关节段11上。显然，球头-d2，末端-d1为静止固定端，原理说明时不予考虑；p2-软管-p1为固定构型活动段，该段由于在预紧力的作用下钢套91及其中穿过的钢丝绳段紧贴在臂杆12的中间段上，其形状不会发生改变。同时不会对联动产生任何影响；重点考虑d2-p2及d1-p1段。d2-t2与关节段12侧耳上球面m2相切，t2-p2为圆弧段紧贴在关节段12侧耳上球面m2上。同理，d1-t1与关节段12侧耳上的球面m6相切，t1-p1为圆弧段紧贴在关节段12侧耳球面m6上。

对联动运动进行分析，假设臂杆关节段12保持静止不动；当臂杆关节段13绕x2轴作顺时针方向转动时，则臂杆关节段带动d2点绕o2点在当前视图平面内旋转。由于钢丝绳81带有预紧力，因此d2段到关节段12侧耳上球面m2与球面始终保持相切。故可以视为三角形o2-t2-d2绕x2轴旋转，即当臂杆关节段13绕x2轴顺时针方向旋转时，d2-t2绳长不变。同理，臂杆关节段11绕x1轴转动时，t1-d1长度不变。

t2-p2之间圆弧段绳长的增加量等于臂杆关节段13绕x2轴转动角度在关节段12侧耳球面上对应的弧长。又因为总绳长不变，p2-p1点长度不变，t1-d1长度不变。故t1-p1段绳长减少的量与之相等。臂杆关节段两个侧耳对应的球面m2与m6半径相同，因此，等长度的钢丝绳变化对应的转角相同。并且，由于m2和m6为球面，因此见图6e，当臂杆关节段13连同中心块22绕销轴321中心线(y2轴)旋转时，t2-p2段，p2点不动，t2点在球面上滑动，长度保持不变。即无论臂杆关节段13与销轴22绕y2轴转动多大角度，臂杆关节段13绕x2轴顺时针转动的角度都会以相同角度传递，使臂杆关节段11绕x1轴逆时针转动相同的角度。

对侧布置的钢丝绳82可以实现，无论臂杆关节段11与中心块21绕y1轴转动多大角度，臂杆关节段13绕x2轴逆时针转动的角度会以相同角度传递，使臂杆关节段11绕x1轴顺时针转动相同的角度。

4、“小s”联动绳及“球面s”联动绳联动模块

如图7所示，将“小s”联动绳及“球面s”联动绳装配后形成联动模块。仍假设臂杆关节段12静止不动。臂杆关节段13连同中心块22绕y2轴的旋转角度可以等角度的传递到臂杆关节段11连同中心块21绕y1轴的旋转；臂杆关节段13绕x2轴的旋转也可以等角度的传递到臂杆关节段11绕x1轴的旋转上。且绕x轴的转动角度与绕y轴的转动角度之间，完全独立，实现两个自由度之间的解耦。因此本发明的方案实现了x，y两个自由度的等角度联动。

5、多个联动模块串联构成的机械臂系统

多个联动模块串联后，在臂杆关节段上120°均布3根驱动绳，绳索一端与驱动装置固连，另一端带球头。如图8a、8b所示，机架连接段固定在驱动装置上。

易知，由于整段臂杆内，x、y两个旋转自由度实现了全部的等角度。因此，当3根驱动绳给定长度时，整段臂杆具有唯一对应的臂形。在运动学规划时，可以利用该原理，根据所需要的臂形，反求出3根驱动绳的长度，由驱动装置控制实现臂杆的运动。由此构成一个臂杆段。该臂杆段由3根驱动绳冗余控制，具有2个自由度。柔性臂系统还可以根据运动规划自由度的需要，串联多个臂杆段。

采用本发明方法的机械臂系统结构如图9a、9b、9c、9d所示，其中01为滚珠丝杆及直线导轨组成的缆索置，02为柔性臂，03末端工具；02由5个臂杆段组成，每个臂杆段包含6个模块化的关节段。每个臂杆段的末端由3根缆索牵引。01驱动装置共含15个直线驱动单元。每个关节段在x、y上可以实现±16°的转角(本发明专利中的方案，可以满足根据实际运动规划需求的角度)。一个大的臂杆可以实现x、y上±96°的转角。所给出实例中5个臂杆段10个自由度可以组合实现在三维空间中的运动能力。01a为末端工具基座，k1a为末端与臂杆连接处；02a为末端工具盒导向杆；03a为齿条，04a为末端工具盒(041a-工具盒上盖、042a-pcb板、043a-齿轮、044a驱动电机、045a-led、046a-相机、047a光纤激光器)；05a为定位导向叉；06a为沉头螺钉。

01a的k1a与臂杆相连，02a、03a安装在01a上，通过末端工具盒04a的步进电机驱动的齿轮043a与齿条03a的啮合实现末端工具盒沿导向杆02a的平移。05a通过螺钉06a固定在01a上。

各部分功能解释：臂杆带动末端整体运动。定位导向叉05a辅助实现臂杆定位。光纤激光器047a作切割作业时，驱动电机044a通过043a齿轮与03a齿条的啮合实现末端工具盒整体移动，完成切割任务。

此外，还能实现照明、摄像功能。

本发明实施例具有如下优点：

(1)针对现有技术方案二中缺点一(联动臂段内关节杆数量只能取4，或4的倍数)，在本发明方案中，采用全模块化关节段，联动臂段内关节杆的数量可以自由配置，使得臂杆整体可以根据实际工况、路径规划所要求的关节转角更为灵活的进行设计。

(2)在现有技术方案二中，远程联动绳在联动过程中，由于俯仰、偏航角度会对远程联动绳的形状产生影响；由于远程联动绳与远程联动绳的软管存在相对运动，且两者之间存在间隙。因此，远程联动绳在联动过程中，会产生联动绳上的力的波动，降低联动效果。而在本方案中，将采取的“球面s”形联动绳相比于技术方案二的远程联动绳在联动运动过程中，不会产生任何的形状变化。此外，本发明方案中，模块化设计使得在运动过程中，各关节段的缆索及中心块对侧的缆索之间不会出现技术方案二中的偏载现象，因此等角度联动过程实现更为可靠平稳。

(3)针对现有技术方案二，其远程联动绳软管固定方式占据了部分关节段径向空间，在关节段内部，仍有四条软管穿行；并且由于联动过程中，远程联动绳软管形状会发生改变，因此需要更多的径向空间；对于较狭窄的操作空间情况下，由于柔性臂的末端通常带有执行工具或摄像头、led等传感设备，而在现有技术方案二中远程联动绳，占据了原本用于电缆、光纤等通行的径向空间。

在本发明的方案中，在臂杆外径相同的前提下，“球面s”形联动绳与技术方案二远程联动绳相比较，径向空间仅需两倍软管外径。且在联动过程中，由于“球面s”形联动绳在其缆索拉力下，使得其始终紧贴在臂杆上，运动过程中其形状不会发生任何改变。因此为臂杆中电缆等的穿行留有更多的空间。

(4)在现有技术方案二中的“8”字型的不锈钢绳索在中心块的同侧需要两个固定点，使得中心块上的圆盘直径在设计时受到限制；并且绳索预紧力的调整放置在关节段上，如(3)所述，也占据了一定的径向空间。

而在本发明方案中，采用将“8”字型的不锈钢拆分为在中心块两侧对称布置的“小s”形联动绳后，单侧只需要一个固定点，使得在相同臂杆外径的前提下，中心块圆盘的直径可以进一步加大，由于在缆索传动过程中，当关节处传递相同负载力矩时，该圆盘直径越大，缆索受附加拉力越小。因为在本发明采取的方案中进一步提升了“小s”形联动绳的传动精度。

(5)此外，由于中心块在空间上小于臂杆关节段，本发明中充分利用中心块与臂杆关节段转动后空间上的空隙位置，将技术方案二中关节段上的“8”字型的不锈钢缆索的预紧力调节装置与中心块上的缆索固定点合并设计，在不额外占用中心块尺寸空间的前提下，也更进一步的节省了臂杆关节段的径向空间。

以上是对本发明做出的示例说明，不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员可以在本发明的启示下做出一些变形，都属于本发明的保护范围。比如：联动原理实现上的变形不局限于给出的实例，臂杆的主体构成不局限于给出的实例，末端工具不限于给出的实例，等等。