一种基于绳索驱动的机械臂

1.本发明涉及机械臂技术领域，具体而言，涉及一种基于绳索驱动的机械臂。


背景技术：

2.本发明对于背景技术的描述属于与本发明相关的相关技术，仅仅是用于说明和便于理解本发明的

技术实现要素：
，不应理解为申请人明确认为或推定申请人认为是本发明在首次提出申请的申请日的现有技术。
3.随着工业化水平和机械设备集成度的不断提高，许多操作需要在狭小、非结构化且环境恶劣的空间中进行，这就需要机器人的灵活性更高，而传统的工业机器人已经无法满足在这些环境下操作的需求。超冗余机械臂，凭借其较多的自由度，使其具有灵活性高与避障能力强的特点，能够在核反应堆检查、航天飞机检修、灾后穿过碎石瓦砾搜救等领域作业，同时还能够通过控制冗余关节采用卷曲的方式对不规则物体的抓取。现有技术中的超冗余机械臂其具有多的驱动绳索大都是相互平行的直拉式，虽然降低了机构的复杂性，但是在机械臂长度较长时，机械臂需要克服自身重力产生的较大力矩，最后就会导致机械臂在抵消自身重力的情况下需要的驱动力较大，同时机械臂长度较大还会使其克服自重的过程中，导致机械臂末端变形及所受应力大，最后影响机械臂末端运动的精度。
发明内容
4.本发明的目的在于提供一种基于绳索驱动的机械臂，解决了现有技术机械臂受自重影响末端变形导致运动精度较低问题。
5.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
6.本发明提供一种基于绳索驱动的机械臂，包括移动组件、工作组件以及驱动组件，驱动组件活动连接于移动组件上，工作组件与驱动组件一侧连接，工作组件与移动组件平行设置；工作组件包括多个关节臂以及用于驱动关节臂的驱动绳索，驱动组件通过驱动绳索分别与关节臂连接；沿驱动绳索延伸的方向，多个关节臂的直径逐渐减小，其中直径最大的关节臂靠近驱动组件；相邻两个关节臂之间通过万向构件转动连接。
7.本发明通过工作组件实现狭小、非结构化、环境恶劣的空间的作业，通过驱动组件为工作组件的工作提供动力，通过移动组件带动着驱动组件实现位置的变化，进而使得驱动组件带动着工作组件实现工作位置的调整。工作组件包括关节臂、驱动绳索以及万向构件，将多个直径不同的关节臂通过万向构件转动连接，并使用驱动绳索将所有关节臂进行串联，进而增加关节臂的长度，多个关节臂的直径依次减小，直径最大的一个关节臂位于远离驱动组件的一侧设置，当所有关节臂处于同轴状态时，整个工作组件为圆台状。本实施例通过直径逐渐减小的关节臂，能够有效的减小整个工作组件自身的重力，降低工作组件在工作过程中所受到的自重的影响，能够最大可能的减小工作组件末端的变形，同时，由于工作组件重力的减小，进而能够有效的提高工作组件在工作过程中的精度，解决现有技术机械臂受自重影响末端变形导致运动精度较低问题。
8.进一步的，上述每个关节臂包括第一连接板、第二连接板以及连接柱，第一连接板与第二连接板之间均匀间隔的连接有多个连接柱。通过设置的连接柱保证整个关节臂结构的紧固性。
9.进一步的，上述第一连接板的直径小于第二连接板的直径，第二连接板在关节臂中位于靠近驱动组件的一侧，第一连接板和第二连接板均为圆形，第一连接板与第二连接板平行且同轴设置时形成圆台，该圆台的母线和轴线之间的角度为大于0度且小于等于10度。通过将第一连接板的直径设置为小于第二连接板的直径，进一步减小整个工作组件的质量，提高工作组件运动的精度。
10.进一步的，上述万向构件包括十字万向节、两个第一支撑座和两个第二支撑座，两个第二支撑座间隔连接在第二连接板一侧，两个第一支撑座间隔连接在第一连接板一侧，两个第二支撑座、两个第一支撑座呈十字状排布，十字万向节包括圆形连接块以及四个均匀间隔连接在连接块外圆上的圆柱状连接头，四个连接头分别与两个第二支撑座、两个第一支撑座连接。通过设置的万向构件使得任一相邻两个关节臂之间都能够角度的变化。
11.进一步的，上述第一连接板、第二连接板、连接块上均开设有功能孔。通过设置的功能孔用于连接集成线路，保护线路不被损坏的同时还能够使整个装置外形更美观。
12.进一步的，上述每一个关节臂的第二连接板分别通过驱动绳索与驱动组件连接；与对应第二连接板连接的驱动绳索穿过此第二连接板与驱动组件之间所有的第一连接板和第二连接板。通过上述设置使得每个关节臂都能够单独被驱动组件所控制，提供整个装置工作的灵活性。
13.进一步的，上述所有的驱动绳索呈环形排列且分为均匀间隔的三组。
14.进一步的，上述驱动组件包括保护壳以及设置在保护壳内的伺服电机、联轴器、工作丝杠、滑块、固定滑轮、绳索固定块和工作板；保护壳远离关节臂的一侧敞开，保护壳内从上到下间隔设置有多个工作板，工作板上表面均匀间隔的设置有多个工作丝杠；工作丝杠远离关节臂的一端连接有联轴器和伺服电机，工作丝杠靠近关节臂的一端连接有绳索固定块；工作丝杠套设有滑块，滑块上连接有固定滑轮。通过设置的固定滑轮用于带动驱动绳索进行运动同时限制驱动绳索的运动方向，还能利用固定滑轮缩短驱动绳索二分之一的行程，降低驱动组件占用的空间，设置的绳索固定块用于限制驱动绳索的延伸方向，保证整个工作组件在工作过程中的精度。
15.进一步的，上述工作板靠近关节臂的一端与保护壳内壁之间设置有分线盘，分线盘上间隔开设有若干分线孔，分线孔与工作丝杠相对设置。
16.设置的分线盘用于使驱动绳索穿过并与固定滑轮连接，能够更加方便的实现每个驱动绳索对应一个伺服电机，使用者可以根据具体的工作环境选择驱动绳索工作的数量，使本装置的应用更加灵活。
17.进一步的，上述移动组件包括安装平台、重载丝杠、驱动电机、两个滑动轨、辅助块和与辅助块相配合的滑动块，两个重载丝杠平行且间隔设置，滑动轨与工作丝杠平行设置，安装平台位于滑动轨上且与保护壳下底壁连接，滑动轨和重载丝杠上均连接有滑动块，安装平台下表面连接有多个辅助块。
18.本发明具有以下有益效果：本技术设置移动组件、工作组件、驱动组件，将多个直径不同的关节臂通过万向构件转动连接，关节臂能够通过多个相串联的万向构件实现空间
中的弯曲，并使用驱动绳索将所有关节臂进行串联，进而增加关节臂的长度，多个关节臂的直径依次减小，通过直径逐渐减小的关节臂并通过驱动绳索斜拉排布的方式，不仅能够使工作组件在狭小、非结构化、环境恶劣的空间进行作业，还能够有效的减小整个工作组件自身的重力，降低工作组件在工作过程中所受到的自重的影响，能够最大可能的减小工作组件末端的变形，同时，由于工作组件重力的减小，进而能够有效的提高工作组件在工作过程中的精度，解决现有技术机械臂受自重影响末端变形导致运动精度较低问题。相对于平行式绳索驱动构型，在仅受自重的影响的情况下斜拉式的绳索驱动构型受到的最大应力为平行式构型的27.45％，应变为平行式构型的三分之二且末端位姿变形更小，斜拉式机械臂构型绳索驱动力最大值为20.1n，与同质量、同长度情况下的平行式绳索驱动构型的最大驱动力为51.91n相比力学性能更好。
附图说明
19.图1为本发一种基于绳索驱动的机械臂的结构示意图；
20.图2为本发明中驱动组件的结构示意图；
21.图3为本发明中移动组件的结构示意图；
22.图4为本发明中工作组件的结构示意图。
23.图标：100-移动组件；101-滑动轨；102-安装平台；103-重载丝杠；104-驱动电机；105-辅助块；106-滑动块；200-工作组件；210-关节臂；211-第一连接板；212-第二连接板；213-连接柱；220-驱动绳索；230-万向构件；231-第一支撑座；232-第二支撑座；233-功能孔；234-连接块；235-连接头；300-驱动组件；301-保护壳；302-工作板；303-联轴器；304-工作丝杠；305-滑块；306-固定滑轮；307-绳索固定块；308-分线盘；309-分线孔。
具体实施方式
24.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
25.请参照图1，一种基于绳索驱动的机械臂，包括移动组件100、工作组件200以及驱动组件300，驱动组件300活动连接于移动组件100上，工作组件200与驱动组件300一侧连接，工作组件200与移动组件100平行设置；工作组件200包括多个关节臂210以及用于驱动关节臂210的驱动绳索220，驱动组件300通过驱动绳索220分别与关节臂210连接；沿驱动绳索220延伸的方向，多个关节臂210的直径逐渐减小，其中直径最大的关节臂210靠近驱动组件300；相邻两个关节臂210之间通过万向构件230转动连接。
26.需要说明的是，本实施例设置移动组件100、工作组件200、驱动组件300，通过工作组件200实现狭小、非结构化、环境恶劣的空间作业，通过驱动组件300为工作组件200的工作提供动力，通过移动组件100带动着驱动组件300实现位置的变化，进而使得驱动组件300带动着工作组件200实现工作位置的调整。详细的，工作组件200包括关节臂210、驱动绳索220以及万向构件230，本实施例提供的驱动绳索220的数量为若干个，将多个直径不同的关节臂210通过万向构件230转动连接，关节臂210能够通过多个相串联的万向构件230实现空间中的弯曲，并使用驱动绳索220将所有关节臂210进行连接，进而增加关节臂210的长度，具体的，驱动绳索220用于驱动关节臂210实现角度的调节，驱动绳索220的一端与关节臂
210相连、另一端与驱动组件相连，每个关节臂210可通过控制驱动绳索220的长度变化量进而实现控制此关节臂210产生转动幅度，通过驱动组件控制不同位置驱动绳索220的长短，由于驱动绳索220长短发生变化，则带动着关节臂210向不同方向进行弯曲，进而实现工作组件在空间中的弯折。具体的，多个关节臂210的直径依次减小，直径最大的一个关节臂210位于远离驱动组件300的一侧设置，当所有关节臂210处于同轴状态时，整个工作组件200为圆台状。本实施例通过直径逐渐减小的关节臂210并通过驱动绳索220斜拉排布的方式，不仅能够使工作组件200在狭小、非结构化、环境恶劣的空间进行作业，还能够有效的减小整个工作组件200自身的重力，降低工作组件200在工作过程中所受到的自重的影响，能够最大可能的减小工作组件200末端的变形，同时，由于工作组件200重力的减小，进而能够有效的提高工作组件200在工作过程中的精度，解决现有技术机械臂受自重影响末端变形导致运动精度较低问题。
27.请参照图4，每个关节臂210包括第一连接板211、第二连接板212以及连接柱213，第一连接板211与第二连接板212之间均匀间隔的连接有多个连接柱213。需要说明的是，关节臂210包括第一连接板211、第二连接板212、连接柱213，第一连接板211和第二连接板212之间排列了多个连接柱213，优选的多个连接柱213的排列方式为环状，在本发明其他实施例中，连接柱的排列方式还可以是线性阵列、矩形阵列以及其他能够对多个连接柱213进行排列的方式。
28.请参照图4，第一连接板211的直径小于第二连接板212的直径，第二连接板212在关节臂210中位于靠近驱动组件300的一侧，第一连接板211和第二连接板212均为圆形，第一连接板211与第二连接板212平行且同轴设置时形成圆台，该圆台的母线和轴线之间的角度为大于0度且小于等于2.5度。需要说明的是，每个关节臂210中均为第一连接板211的直径小于第二连接板212的直径，举例如，工作组件200中具有12个关节臂210、11个万向构件230，从驱动组件300向远离驱动组件300的方向依次为第一关节臂210、第二关节臂210、第三关节臂210
…
第十二关节臂210，第一关节臂210中第二连接板212直径大于第一关节臂210中第一连接板211直径，第二关节臂210中第二连接板212的直径大于第二关节臂210中第一连接板211的直径，第二关节臂210中第一连接板211的直径小于第一关节臂210中第二连接板212的直径，第三关节臂210至第十二关节臂210，同理，即第十二关节臂210中的第一连接板211的直径是所有十二个关节臂210中直径最小的，第一关节臂210中的第二连接板212的直径是所有十二个关节臂210中直径最大的。可选的，连接柱213与第一连接板211、第二连接板212之间通过螺栓或螺钉连接。在本发明的其他实施例中，工作组件200中的关节臂210的数量还可以是11个、10个或其他数量，具体可以根据实际作业环境进行设置。
29.值得说明的是，本实施例采用斜拉式的驱动绳索220能够实现平行式绳索驱动构型能够完成的探测抓取任务，同时力学特性更优，详细的，在母线与轴线角度为1
°
的实施案例中，在仅受自重的影响的情况下斜拉式的绳索驱动构型受到的最大应力为平行式构型的27.45％，应变为平行式构型的三分之二且末端位姿变形更小，本实施例采用的斜拉式机械臂构型绳索驱动力最大值为20.1n，与同质量、同长度情况下的平行式绳索驱动构型的最大驱动力为51.91n相比力学性能更优。具体的，上述有益效果会随斜拉角度的增加而进一步提升。关节臂210做行程的圆台的母线和轴线之间的角度为大于0度且小于等于10度，当小于0
°
时不满足进入狭窄环境的设计要求，该角度范围既能够满足狭小环境探测要求，同时
又能够降低整个工作组件的质心，故关节臂210母线和轴线之间的角度为大于0度且小于等于10度，优选的，关节臂210母线和轴线之间的角度还可以为大于0度且小于等于2度、大于0度且小于等于2.5度、大于0.5度且小于等于1度、大于0.8度且小于等于1度、大于1度且小于等于2.5度，还可以为1
°
、2
°
、0.9568
°
，作为最优选的角度为1
°
，该1
°
为能够满足机械臂进入狭窄环境中探测所设计的。
30.请参照图4，万向构件230包括十字万向节、两个第一支撑座231和两个第二支撑座232，两个第二支撑座232间隔连接在第二连接板212一侧，两个第一支撑座231间隔连接在第一连接板211一侧，两个第二支撑座232、两个第一支撑座231呈十字状排布，十字万向节包括圆形连接块234以及四个均匀间隔连接在连接块234外圆上的圆柱状连接头235，四个连接头235分别与两个第二支撑座232、两个第一支撑座231连接。需要说明的是，相邻的关节臂210通过万向构件230转动连接，该万向构件230具有两个自由度，以12个关节臂210、11个万向构件230为例，则工作组件200整体具有二十二个自由度，每个关节臂210由多根相互独立运动的驱动绳索220驱动，驱动绳索220靠近驱动组件300的一端与驱动组件300相连。举例如，工作组件200中具有12个关节臂210、11个万向构件230，从驱动组件300向远离驱动组件300的方向依次为第一关节臂210、第二关节臂210、第三关节臂210
…
第十二关节臂210，两个第一支撑座231间隔设置且均与第一关节臂210中的第一连接板211通过螺栓或螺钉连接，两个第二支撑座232间隔设置且均与第二关节臂210中的第二连接板212通过螺栓或螺钉连接，第一支撑座231、第二支撑座232呈方形排布，在本发明的其他实施例中，第一支撑座231和第二支撑座232可以为具有弧度的结构，第一支撑座231和第二支撑座232则呈环形排布，第一支撑座231、第二支撑座232上均开设有连接孔，该连接孔中连接有连接头235，作为优选的，连接头235与连接孔之间设置有轴套、套筒或环形保护圈。作为优选的，在万向构件230的连接下，相邻两个关节臂210之间的弯曲半径为400mm且前端更小，使得本实施例提供的装置能够完成特殊环境下的探测作业任务。
31.请参照图4，第一连接板211、第二连接板212、连接块234上均开设有功能孔233。需要说明的是，工作组件200的工作还需要连接集成线路，通过在第一连接板211、第二连接板212、连接块234上开设有功能孔233，能够通过该功能孔233实现对工作组件200中集成线路的串接，即将集成线路设置在工作组件200内部，进而使得整个工作组件200的外观更加的美观简洁，同时还能够保护线路不会被外界作用力破坏或损坏。作为优选的，功能孔233的直径为18mm，可以将数据线、串口线、传感器集成到功能孔233内。
32.请参照图4，每一个关节臂210的第二连接板212分别通过驱动绳索220与驱动组件300连接；与对应第二连接板212连接的驱动绳索220穿过此第二连接板212与驱动组件300之间所有的第一连接板211和第二连接板212。需要说明的是，在第一连接板211和第二连接板212上开设有数量相同的穿绳孔，穿绳孔内穿设有驱动绳索220，举例如，工作组件200中具有12个关节臂210、11个万向构件230，从驱动组件300向远离驱动组件300的方向依次为第一关节臂210、第二关节臂210、第三关节臂210
…
第十二关节臂210，即第一关节臂210中第一连接板211和第二连接板212上开设的穿绳孔数量相同，第二关节臂210中第一连接板211和第二连接板212上开设的穿绳孔数量相同，第三关节臂210至第十二关节臂210同理。沿驱动绳索220延伸的方向，多个关节臂210中第一连接板211上穿绳孔的数量逐渐减少，数量最少的第一连接板211远离驱动组件300设置，详细的，第十二关节臂210中第二连接板
212连接的驱动绳索220穿过第十一关节臂210中第一连接板211第二连接板212、第十关节臂210中第一连接板211第二连接板212
…
第一关节臂210中第一连接板211第二连接板212，最后与驱动组件300相连，同时，第十一关节臂210中第二连接板212连接的驱动绳索220穿过第十关节臂210中第一连接板211和第二连接板212、第九关节臂210中第一连接板211和第二连接板212
…
第一关节臂210中第一连接板211和第二连接板212，最后与驱动组件300相连，即第一关节臂210中第一连接板211和第二连接板212连接的驱动绳索220的数量最多，第十二关节臂210中第一连接板211和第二连接板212连接的驱动绳索220的数量最少。
33.请参照图4，所有的驱动绳索220呈环形排列且分为均匀间隔的三组。需要说明的是，在本发明其他实施例中，驱动绳索220还可以呈方形、三角形、多边形等排列方式。所有的驱动绳索220分为均匀间隔的三组，即相邻两组驱动绳索220之间的角度为120
°
，举例如，工作组件200中具有12个关节臂210、11个万向构件230，从驱动组件300向远离驱动组件300的方向依次为第一关节臂210、第二关节臂210、第三关节臂210
…
第十二关节臂210，每个关节臂210中第一连接板211和第二连接板212上的穿绳孔数量相同且相对设置，每个关节臂210中第一连接板211上的穿绳孔分为三组，如第九关节臂210中第一连接板211上开设有12个穿绳孔，这12个穿绳孔分为三组，每组中有4个穿绳孔，逆时针方向，第一组中从右到左第一个穿绳孔与第一连接盘圆心的连线为线a，第二组中从右到左第一个穿绳孔与第一连接盘圆心的连线为线b，线a与线b之间的夹角为120
°
，其余关节臂210同理。
34.作为优选的，驱动绳索220分为三组，则相邻两个关节臂210中第一连接板211上穿绳孔的数量之差为三，举例如，工作组件200中具有12个关节臂210、11个万向构件230，从驱动组件300向远离驱动组件300的方向依次为第一关节臂210、第二关节臂210、第三关节臂210
…
第十二关节臂210，即第一关节臂210中第一连接板211和第二连接板212上开设的穿绳孔数量相同，第二关节臂210中第一连接板211和第二连接板212上开设的穿绳孔数量相同，第一关节臂210中第一连接板211上穿绳孔的数量比第一关节臂210中第一连接板211上穿绳孔的数量多三个，第二关节臂210中第一连接板211上穿绳孔的数量比第三关节臂210中第一连接板211上穿绳孔的数量多三个，第三关节臂210至第十二关节臂210同理，即相邻两个关节臂210中每组穿绳孔的数量差值为一。
35.请参照图2，驱动组件300包括保护壳301以及设置在保护壳301内的伺服电机、联轴器303、工作丝杠304、滑块305、固定滑轮306、绳索固定块307和工作板302；保护壳301远离关节臂210的一侧敞开，保护壳301内从上到下间隔设置有多个工作板302，工作板302上表面均匀间隔的设置有多个工作丝杠304；工作丝杠304远离关节臂210的一端连接有联轴器303和伺服电机，工作丝杠304靠近关节臂210的一端连接有绳索固定块307；工作丝杠304套设有滑块305，滑块305上连接有固定滑轮306。需要说明的还是，保护壳301远离工作组件200的一侧敞开，保护壳301内设置有多个工作板302，工作板302所在平面与移动组件100所在平面平行，每个工作板302上均间隔设置有多个工作丝杠304，伺服电机和联轴器303带动工作丝杠304的转动，工作丝杠304转动带动着滑块305实现沿工作丝杠304轴线方向的往复移动，滑块305上设置的固定滑轮306用于带动驱动绳索220进行运动同时限制驱动绳索220的运动方向，另一方面还能利用固定滑轮306缩短驱动绳索220二分之一的行程，降低驱动机构占用的空间，工作板302远离伺服电机的一端绳索固定块307，该绳索固定块307用于限制驱动绳索220的延伸方向，保证整个工作组件200在工作过程中的精度。优选的，工作板
302的数量为五个，五个工作板302从上到下依次排列，五个工作板302上工作丝杠304的数量从上到下依次是6、5、6、5、6；在本发明其他实施例中，每层工作板302上工作丝杠304的数量也可以是相等的，相邻两层工作板302上的工作丝杠304可以是一一对应，也可以是交错排布。优选的，固定滑轮306通过螺栓或螺钉与滑块305连接。
36.请参照图2，工作板302靠近关节臂210的一端与保护壳301内壁之间设置有分线盘308，分线盘308上间隔开设有若干分线孔309，分线孔309与工作丝杠304相对设置。需要说明的是，保护壳301内设置有分线盘308，该分线盘308用于使驱动绳索220穿过并与固定滑轮306连接，分线盘308设置在工作板302远离伺服电机的一侧，且分线盘308上开设的分线孔309与工作组件200中的驱动绳索220相对应，则能够更加方便的实现每个驱动绳索220对应一个伺服电机，使得每个驱动绳索220都能够单独被一个伺服电机所控制，使用者可以根据具体的工作环境选择驱动绳索220工作的数量。
37.请参照图3，移动组件100包括安装平台102、重载丝杠103、驱动电机104、两个滑动轨101、辅助块105和与辅助块105相配合的滑动块106，两个重载丝杠103平行且间隔设置，滑动轨101与工作丝杠304平行设置，安装平台102位于滑动轨101上且与保护壳301下底壁连接，滑动轨101和重载丝杠103上均连接有滑动块106，安装平台102下表面连接有多个辅助块105。需要说明的是，驱动电机104和重载丝杠103之间通过联轴器303连接，辅助块105通过螺栓或螺钉与安装平台102连接，详细的，通过控制驱动电机104的工作，使驱动电机104带动重载丝杠103的转动，重载丝杠103的转动进而带动滑动块106在重载丝杠103轴线方向的往复运动，进而实现搭载在安装平台102上驱动模块的往复移动，提升了工作组件200的工作空间。优选的，滑动轨101还可以是三个、四个或其他数量。可选的，滑动轨101上可以设置滑动轮，该滑动轮与安装平台102下表面连接，能够避免安装平台102下表面与滑动轨101之间摩擦而被损坏。
38.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。