一种基于交叉弹性片的绳索驱动型柔性机械臂的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种基于交叉弹性片的绳索驱动型柔性机械臂。

背景技术：

目前，机械臂在各行各业的应用十分广泛，并且发展前景良好，而其中柔性机械臂尤为突出。与刚性机械臂相比较,柔性机械臂有着很多优点,能耗低、效率高、其响应速度快且准确,在很多领域具有越来越重要的作用，尤其在工业、国防等应用领域。目前，已经出现了很多有关柔性机械手的创新设计，例如，专利cn201711488564.4中公开了一种双自由度联动的绳索驱动柔性机械臂关节组，该柔性机械臂包括刚性支柱、单向弯曲柔性体、联动绳索、驱动绳索以及第一、第二过线体；专利cn201711469035.x中公开了一种绳索驱动装置及机械臂，包括基座、驱动装置、张紧装置、制动装置和绳索。

目前，柔性机械臂大多由多个并联单元串联而成，存在结构复杂，耦合多，理论模型解耦难度大，变形方向不易控制，质量相对较重等缺点。而解决这些问题的途径就是对机械臂结构的优化和创新，因此，创造出具有新型结构以及理论模型计算简单，耦合小，质量轻的柔性机械臂具有重要意义。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于交叉弹性片的绳索驱动型柔性机械臂，其解决了现有技术中柔性机械臂存在结构复杂，耦合多，理论模型解耦难度大，变形方向不易控制，质量相对较重等不足等问题，本发明的基于交叉弹性片的绳索驱动型柔性机械臂，采用串联结构，通过弹性片交叉垂直布置，并用绳索驱动每一个弹性片产生相应方向的变形，从而实现柔性机械臂的伸缩与弯曲运动。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于交叉弹性片的绳索驱动型柔性机械臂，其包括臂身、绳索和驱动装置；所述臂身包括两个单元，其分别为第一单元和第二单元，所述第一单元包括第一连接盘、弹性片和第二连接盘，第二连接盘包括位于第一单元中间的第二连接盘和位于第一单元末端的第二连接盘，第一单元由第一连接盘通过两个弹性片依次与两个第二连接盘相连；所述第二单元包括一个第二连接盘、一个第一连接盘和两个弹性片，第二单元中的第二连接盘位于第一单元末端的第二连接盘和第二单元的末端的第一连接盘的中间，第二单元由第一单元的末端的第二连接盘，通过两个弹性片依次与第二单元中的第二连接盘和第二单元中的第一连接盘相连；所述第一单元和所述第二单元中一共包括四个弹性片，每相邻两个弹性片呈交叉垂直布置，所述第二单元末端的第一连接盘与连接座相连，且连接座与机座相连，各绳索均从自身的两个对称的纵向通孔引出并穿过空间位置位于其下的各连接座的通孔，并穿过与连接座平行布置的导向座的通孔与对应的电动缸相连，且导向座与机座相连；固定座与机座相连。

优选地，所述第一单元的两个弹性片中的一个弹性片分别插入第一连接盘和位于第一单元中间的第二连接盘的第一槽；第一单元的两个弹性片中的另一个弹性片分别插入位于第一单元中间的第二连接盘的第二槽和位于第一单元末端的第二连接盘的第一槽。

优选地，所述第二单元的两个弹性片中的一个弹性片分别插入第一单元末端的第二连接盘的第二槽和第二单元中间的第二连接盘的第一槽，第二单元的两个弹性片中的另一个弹性片分别插入第二单元中间的第二连接盘的第二槽和第二单元末端的第一连接盘的第一槽。

优选地，所述第一单元中的第一连接盘两侧的外侧通孔分别连有两根绳索，且各绳索所在中心线组成的平面与第一个弹性片的中心面垂直，该绳索依次穿过其他连接盘的同轴线通孔；位于第一单元的第一连接盘和第一单元末端的第二连接盘之间的第一单元中的第二连接盘的两侧的外侧通孔分别连有两根绳索，且各绳索所在中心线组成的平面与该段弹性片的中心面垂直，该绳索依次穿过余下连接盘的同轴线通孔；第二个第二连接盘两侧的内侧通孔分别连有两根绳索，且各绳索所在中心线组成的平面与该段弹性片的中心面垂直，该绳索依次穿过余下连接盘的同轴线通孔；位于第一单元末端的第二连接盘和第二单元末端的第一连接盘中间的所述第二单元中的第二连接盘的两侧的内侧通孔分别连有两根绳索，且各绳索所在中心线组成的平面与该段弹性片的中心面垂直，该绳索穿过第二单元末端的第一连接盘的同轴线通孔。

优选地，所述驱动装置为电动缸。

优选地，所述电动缸的数量为四对，所述驱动装置固定于所述固定座上的通孔，呈十字分布，纵向中间为一对电动缸，分别与连接在第一单元的第一连接盘的外侧通孔的两根绳相连,外侧为一对电动缸，分别与连接在第一单元末端的第二连接盘的内侧通孔的两根绳相连,横向中间为一对电动缸，分别与连接在位于第一单元末端的第二连接盘和第二单元末端的第一连接盘中间的所述第二单元中的第二连接盘的内侧通孔的两根绳相连,外侧为一对电动缸，分别与连接在位于第一单元的第一连接盘和第一单元末端的第二连接盘之间的第一单元的另一个第二连接盘的外侧通孔的两根绳相连。

优选地，所述第一连接盘包括两部分，其分别为第一部分和第二部分，第一部分为八面体凸台，沿着所述八面体凸台的中心线设置一圆孔，所述圆孔贯穿所述八面体凸台，并在圆孔周边对称分布四个螺纹通孔，该通孔用于与连接座相连；第二部分整体呈十字形结构，十字结构的两个横梁的各端部均设置两个通孔，且各个端部的通孔对称分布。

优选地，所述第二连接盘整体呈十字形结构，所述第二连接盘的第一表面设置有第一槽，所述第二连接盘的第二表面上设置有第二槽，所述第一槽和所述第二槽均向所述第二连接盘的本体部延伸。

优选地，所述连接座为t型结构，所述导向座为t型结构，所述固定座为t型结构。

优选地，各第一连接盘、各第二连接盘、所述连接座、所述导向座、所述固定座均为铝合金材质。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明中的一种基于交叉弹性片的绳索驱动型柔性机械臂的有益效果如下：

经济性：本发明的柔性机械臂结构简单，能够尽量使用标准件，且所用材料价格低廉，使成本降低，从而产品具有较好的经济效益。

简易性：本发明的柔性机械臂，采用模块化设计，并且零部件较少，通过简易的装配即可完成，每一个弹性片相同，相互之间有互换性，非常便于维修和更换。

可控性：本发明的柔性机械臂，每个弹性片只有一个自由度，这样容易控制变形。

耦合少：本发明的柔性机械臂采用的是串联结构，有耦合少的优点，理论模型便于解耦，计算简单。且相比于其他的机械臂，交叉弹性片结构具有质量轻、结构简单等优点。

附图说明

图1为根据本发明的基于交叉弹性片的绳索驱动型柔性机械臂立体示意图；

图2为根据本发明的基于交叉弹性片的绳索驱动型柔性机械臂的臂身的立体示意图；

图3为根据本发明的基于交叉弹性片的绳索驱动型柔性机械臂的驱动装置的立体示意图；

图4为根据本发明的基于交叉弹性片的绳索驱动型柔性机械臂的第一连接盘的立体示意图；

图5为根据本发明的图4的基于交叉弹性片的绳索驱动型柔性机械臂的另一结构示意图；

图6为根据本发明的基于交叉弹性片的绳索驱动型柔性机械臂的第二连接盘的立体示意图；以及

图7为根据本发明的图6的基于交叉弹性片的绳索驱动型柔性机械臂的另一结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

根据本发明的一种基于交叉弹性片的绳索驱动型柔性机械臂，其为一种柔韧耦合型软体驱动器，其包括臂身、绳索和驱动装置。

臂身包括两个单元，其分别为第一单元和第二单元，第一单元由第一连接盘通过弹性片依次与两个第二连接盘相连。优选地，弹性片的数量为两个。

两个弹性片分别插入上下连接盘的槽，并用螺钉固定。第二单元由第一单元的末端第二连接盘通过两个弹性片依次与一个第二连接盘和一个第一连接盘相连，两个弹性片分别插入上下连接盘的槽，并用螺钉固定。且四个弹性片，每相邻两个呈交叉垂直分布。首端第一连接盘两侧的外侧通孔分别连有两根绳索，且绳索所在中心线组成的平面与第一个弹性片的中心面垂直，该绳索依次穿过其他连接盘的同轴线通孔。第一个第二连接盘两侧的外侧通孔分别连有两根绳索，且绳索所在中心线组成的平面与该段弹性片的中心面垂直，该绳索依次穿过余下连接盘的同轴线通孔。第二个第二连接盘两侧的内侧通孔分别连有两根绳索，且绳索所在中心线组成的平面与该段弹性片的中心面垂直，该绳索依次穿过余下连接盘的同轴线通孔。第三个第二连接盘两侧的内侧通孔分别连有两根绳索，且绳索所在中心线组成的平面与该段弹性片的中心面垂直，该绳索穿过末端第一连接盘的同轴线通孔。末端第一连接盘与连接座相连，且连接座与机座相连，所有绳索均穿过连接座的通孔，并穿过与连接座平行布置的导向座的通孔与对应长度的电动缸相连，且导向座与机座相连。驱动装置由四对电动缸组成，并固定于固定座上的通孔，呈十字分布，纵向中间为一对电动缸，分别与连接在首端第一连接盘外侧通孔的两根绳相连,外侧为一对电动缸，分别与连接在第二个第二连接盘的内侧通孔的两根绳相连,横向中间为一对电动缸，分别与连接在第三个第二连接盘的内侧通孔的两根绳相连,外侧为一对电动缸，分别与连接在第一个第二连接盘的外侧通孔的两根绳相连,固定座与机座相连。

第一连接盘的一面为八面体凸台，中间有一圆孔，并在圆孔周边对称分布四个螺纹通孔，用于与连接座相连；另一面整体呈十字形结构，横向两侧均有两个通孔，且两侧通孔对称分布，两通孔间距离为孔径的二分之三，纵向通孔的分布与横向相同，用于穿绳索，并在中间位置有与弹性片厚度相当的槽，用于弹性片的安装，深度为整个连接盘高度的三分之二，十字形结构上槽的中心平面平行的侧面两端有两个对称分布的螺纹通孔，孔心位于整个连接盘高度的三分之一处，用于连接螺钉，固定弹性片。

第二连接盘整体呈十字形结构，一面为平面，横向两侧均有两个通孔，且两侧通孔对称分布，两通孔间距离为孔径的二分之三，纵向通孔的分布与横向相同，用于穿绳索；另一面设有凸台，两端面均在中间位置有与弹性片厚度相当的槽，用于弹性片的安装，深度为整个连接盘高度的三分之二，凸台上与槽的中心平面平行的侧面两端有两个对称分布的螺纹通孔，孔心分别位于整个连接盘高度的三分之一处，凸台上与槽的中心平面垂直的侧面两端有两个对称分布的螺纹通孔，孔心分别位于整个连接盘高度的三分之二处，用于连接螺钉，固定弹性片。

连接座为t型结构，横面中间有与第一连接盘的八面体凸台上的四个螺纹通孔同轴心的四个通孔，用于与可第一连接盘连接，且分布有与第一连接盘的十字形结构上的八个通孔同轴心的八个通孔，用于与套筒连接以及绳索的穿出；竖面四周对称分布四个螺纹通孔，用于连接机座。

导向座为t型结构，横面为中间十字形分布的八个通孔，用于与套筒连接以及绳索的穿出；竖面四周对称分布四个螺纹通孔，用于连接机座。

固定座为t型结构，横面为与导向座十字形分布的八个通孔同轴心的八个通孔，用于电动缸的安装；竖面四周对称分布四个螺纹通孔，用于连接机座。

第一连接盘、第二连接盘、连接座、导向座、固定座均为铝合金材质。

更为具体地，如图1所示，根据本发明的基于交叉弹性片的绳索驱动型柔性机械臂包括：臂身、绳索和驱动装置。如图2所示，臂身包括两个单元，第一单元由第一连接盘1通过两个弹性片4依次与两个连接盘相连，两个弹性片4分别插入与其相邻的各连接盘的槽内，并通过紧固件，例如，螺钉进行固定。

第一单元包括第一连接盘、弹性片和第二连接盘，弹性片的数量为两个，第二连接盘的数量为两个。

优选地，第一连接盘盘与其相邻的第二连接盘之间设置弹性片4，两个第二连接盘之间也设置弹性片4，第一连接盘1设置在第一单元的第一端，将第一单元的第二端的连接盘称为第一单元的末端连接盘。

第二单元包括一个第二连接盘2、一个第一连接盘1和两个弹性片4，第二单元由第一单元的末端连接盘，通过两个弹性片4依次与一个第二连接盘2和一个第一连接盘1相连。

第一单元的末端连接盘通过弹性片4与一个第二连接盘2相连，该第二连接盘2通过弹性片4与一个第一连接盘1相连。也就是说，两个弹性片4分别插入上下连接盘的槽，并用通过紧固件，例如，螺钉固定。且四个弹性片4中相邻的两个弹性片呈交叉垂直分布。

第一单元的第一端部的第一连接盘1两侧的通孔中的外侧通孔分别连有两根绳索3，且绳索3所在中心线组成的平面与第一个弹性片4的中心面垂直，该绳索3依次穿过其他连接盘的同轴线通孔。第一个连接盘两侧的外侧通孔分别连有两根绳索3，且绳索3所在中心线组成的平面与该段弹性片4的中心面垂直，该绳索3依次穿过余下连接盘的同轴线通孔。第二个连接盘两侧的内侧通孔分别连有两根绳索3，且绳索3所在中心线组成的平面与该段弹性片4的中心面垂直，该绳索依次穿过余下连接盘的同轴线通孔。第三个连接盘两侧的内侧通孔分别连有两根绳索3，且绳索3所在中心线组成的平面与该段弹性片4的中心面垂直，该绳索穿过末端连接盘的同轴线通孔。末端连接盘与连接座5相连，且连接座5与机座7相连，所有绳索3均穿过连接座5的通孔，并穿过与连接座5平行布置的导向座6的通孔与对应长度的电动缸9相连，且导向座6与机座7相连。

如图3所示驱动装置由四对电动缸9组成，并固定于固定座8上的通孔，呈十字分布，纵向中间为一对电动缸9，分别与连接在首端连接盘外侧通孔的两根绳索3相连,外侧为一对电动缸9，分别与连接在第二个连接盘的内侧通孔的两根绳索3相连,横向中间为一对电动缸9，分别与连接在第三个连接盘的内侧通孔的两根绳索3相连,外侧为一对电动缸9，分别与连接在第一个连接盘的外侧通孔的两根绳索3相连,固定座8与机座7相连。

如图4和图5所示，第一连接盘1包括两部分，其分别为第一部分和第二部分，第一部分为八面体凸台，沿着八面体凸台的中心线设置一圆孔，圆孔贯穿八面体凸台，并在圆孔周边对称分布四个螺纹通孔，该通孔用于与连接座5相连；第二部分整体呈十字形结构，十字结构的两个横梁的各端部均设置两个通孔，且各个端部的通孔对称分布，各通孔的孔径相等，且孔径为位于同一端部的两个通孔间的距离的1.5倍。优选地，横梁端部的各通孔为纵向通孔，其设置在位于八面体凸台的外侧壁之外的十字形结构的端部。第一部分的八面体凸台沿着其本体方向设置有凹槽，凹槽配置作为紧固件容纳空间。优选地，四个凹槽为三棱柱状结构。

纵向通孔用于穿绳索3，第二部分的十字形结构上的两个横梁中的一个设置有供弹性片4插入的槽，优选地，槽的厚度与弹性片4厚度相等，其用于弹性片4的安装，优选地，槽的深度为整个第一连接盘1高度的三分之二。

相邻两个凹槽相对的侧壁一共有四个，其中位于供弹性片4插入的槽上方的两个侧壁上分别设置有横向通孔。也就是说，十字形结构上槽的中心平面平行的侧面两端有两个对称分布的螺纹通孔，优选地，螺纹通孔的孔心位于整个连接盘高度的三分之一处，用于连接螺钉，固定弹性片4，如图4和图5所示。

弹性片4上设置有与螺纹通孔相对应的通孔，以供紧固件穿过进行固定。

如图6和图7所示，第二连接盘2整体呈十字形结构，第二连接盘2的第一表面设置有第一槽，第二连接盘2的第二表面上设置有第二槽，第一槽和第二槽均向第二连接盘2的本体部延伸。第二连接盘2十字形结构的各横梁的端部均设有两个通孔，且两侧通孔对称分布。优选地，孔径为两通孔间距离的1.5倍，横梁端部的通孔为纵向通孔用于穿绳索3。

优选地，第二连接盘2包括第一部分和第二部分，第二部分为十字架，十字架的上表面设置沿着远离十字架的本体方向延伸的凸台。

第一槽的方向与第二槽的方向垂直。优选地，第一槽的厚度与第二槽的厚度均等于弹性片4的厚度，以安装弹性片4。优选地，第一槽的深度和第二槽的深度均为整个第二连接盘2高度的三分之二。

凸台上与第一槽的中心平面平行的凸台的侧面两端有两个对称分布的第一螺纹通孔，其中各第一螺纹通孔的孔心距离第二连接盘的第一表面的距离为整个第二连接盘2高度的三分之一。凸台上与第二槽的中心平面平行的侧面两端也有两个对称分布的第二螺纹通孔，其中各第二螺纹通孔的孔心距离第二连接盘的第一表面的距离为整个第二连接盘2高度的三分之二，各螺纹连接孔均用于连接螺钉，固定弹性片4。

如图1所示，连接座5为t型结构，连接座5设置有与第一连接盘1的八面体凸台上的四个螺纹通孔同轴心的四个通孔，例如，连接座3的中间设有与第一连接盘1的八面体凸台上的四个螺纹通孔同轴心的四个通孔，用于与第一连接盘1连接。

优选地，连接座5还设置有有与第一连接盘1的十字形结构上的八个通孔同轴心的八个通孔，该通孔用于与套筒连接以及绳索3的穿出；竖面四周对称分布四个螺纹通孔，用于连接机座7。

如图1所示，导向座6为t型结构，横面为中间十字形分布的八个通孔，用于与套筒连接以及绳索3的穿出；竖面四周对称分布四个螺纹通孔，用于连接机座7。

如图1所示，固定座8为t型结构，横面为与导向座6十字形分布的八个通孔同轴心的八个通孔，用于电动缸9的安装；竖面四周对称分布四个螺纹通孔，用于连接机座7。

优选地，第一连接盘1、第二连接盘2、连接座5、导向座6、固定座8均为铝合金材质。

以上所述是本申请的优选实施方式，应当指出，对于该技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。