一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，该系统包括机架、第一节机械臂模块和第二节机械臂模块，第一节机械臂模块安装在机架上，并在第一节机械臂模块与机架之间设有第一进给机构，用于驱动第一节机械臂模块整体进给运动，实现1个进给自由度，第一节机械臂模块包括第一功能执行机构和第一驱动机构，实现2个弯曲自由度；第二节机械臂模块嵌套在第一机械臂模块中，并通过两者之间的第二进给机构驱动第二节机械臂模块进行进给运动，实现1个进给自由度，第二节机械臂模块包括第二功能执行机构和第二驱动机构，实现2个弯曲自由度。与现有技术相比，本发明具有运动能力强、可在复杂的狭小空间工作，负载较高，精度高等优点。
【专利说明】
一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统
技术领域
[0001]本发明属于工业机器人领域，具体涉及一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统
【背景技术】
[0002]现代的工业领域中经常需要在人无法进入的复杂狭小空间里完成一些异物探查、维修装配、缺陷探伤等操作任务。在该领域内，英国的OC Robotics公司所开发的刚性结构体的冗余机械臂已经在商业飞机的装配中得到应用;德国Festo气动元件公司推出的全柔性气动冗余操作臂也将投入工业应用；而一些工业内窥镜早就在工业中得到广泛应用。但是由于自身的一些限制，上述几种机械臂都有一定的局限性，诸如OC Robotics公司的机械臂为基于刚性结构体的冗余机械臂，由于其结构的特点以及驱动方式上的缺陷，使得机械臂构节间的运动能力有限，很难在复杂的狭小空间里工作;全柔性气动冗余操作臂则因其全柔性的材料特点，负载较低，且气体驱动的控制精度也比较低;而工业内窥镜多为被动产品，即使有主动驱动的部件，也只有I至2个可控关节，缺乏完整探索结构复杂的深腔的能力，更不可能实现力负载的工作。因此，针对在狭小空间进行一定力负载操作的柔性机械臂的研究具有极高的意义。
【发明内容】
[0003]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种运动能力强、可在复杂的狭小空间工作，负载较高，精度高的模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统。
[0004]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，其特征在于，该系统包括2节机械臂模块，2节机械臂模块之间嵌套组合在一起，并且可进行相对运动。各单节机械臂模块有3个自由度，分别是2个弯曲自由度以及I个进给自由度，所以这个柔性机械臂系统将拥有6个自由度。该柔性机械臂系统在工作时将每个机械臂模块逐级往外伸展，并可在伸展的过程中实现弯曲运动。该柔性机械臂系统集成不同的末端执行器将可以完成不同的复杂环境的工作任务。
[0005]具体来说:
[0006]上述模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，包括机架、第一节机械臂模块和第二节机械臂模块，所述的第一节机械臂模块安装在机架上，并在第一节机械臂模块与机架之间设有第一进给机构，该第一进给机构驱动第一节机械臂模块整体进给运动，实现I个进给自由度，所述的第一节机械臂模块包括第一功能执行机构和第一驱动机构，其中第一驱动机构驱动第一功能执行机构实现2个弯曲自由度;所述的第二节机械臂模块嵌套在第一机械臂模块中，并通过两者之间的第二进给机构驱动第二节机械臂模块整体直线进给运动，实现I个进给自由度，所述的第二节机械臂模块包括第二功能执行机构和第二驱动机构，第二驱动机构驱动第二功能执行机构实现2个弯曲自由度。
[0007]所述的机架包括框架以及固定支架，框架的前端板和后端板上固定4根导向光轴，为机械臂模块进给运动导向；前端板上固定第一节机械臂模块的进给机构，实现第一节机械臂模块的整体直线进给运动，第一节机械臂模块的第一功能执行机构的远端结构由前端板上的孔伸出。
[0008]所述的框架上方固定一个给整个柔性机械臂系统供电的供电盒，供电盒内部由两个开关电源和相应连接电路组成，所述的第一开关电源将220V交流电转化为24V直流电供给第一驱动机构、第二驱动机构、第一进给机构和第二进给机构，其中第一驱动机构和第一进给机构通过CAN总线I连接供电盒，第二驱动机构和第二进给机构通过CAN总线2连接供电盒，所述的供电盒连接一手持控制器，将所述CAN总线I和所述CAN总线2转接至所述手持控制器，所述的第二开关电源将220V交流电转化为5V直流电供给手持控制器，通过手持控制器控制2节机械臂模块进给运动或弯曲运动，从而带动第二节机械臂模块末端执行器完成不同的复杂环境的工作，并将末端执行器的执行情况反应到手持控制器的显示屏上，实现人机交互。
[0009]所述的第一进给机构包括电机a、联轴器a、锥齿轮、联轴器b和丝杠a，所述的电机a通过联轴器a驱动一对锥齿轮，锥齿轮的转动通过联轴器b转换成丝杠a的转动，丝杠a与第一节机械臂模块相配合，实现第一节机械臂模块整体直线进给运动；
[0010]所述的第二进给机构结构与第一进给机构的结构未使用锥齿轮以外相同。
[0011]所述的第一节机械臂模块包括第一驱动机构和第一功能执行机构，所述的第一驱动机构和第一功能执行机构通过4个相隔90°布置的方键连接；
[0012]所述的第二节机械臂模块结构与第一节机械臂模块除第二功能执行机构的远端结构外相同。
[0013]所述的系统还包括机架，第一节机械臂模块安装在机架上，其余各节机械臂模块可逐级往外伸展，并可在伸展的过程中实现弯曲运动，所述的机架与第一节机械臂模块之间，以及相邻机械臂模块之间设有进给机构，实现进给运动。
[0014]所述的机架包括框架以及固定支架，框架的前端板和后端板上固定4根导向光轴，为机械臂模块进给运动导向；前端板上固定第一节的进给机构，实现第一节机械臂模块的整体直线进给运动，第一节机械臂模块的功能执行机构的远端结构由前端板上的孔伸出。
[0015]所述的进给机构包括电机a、联轴器a、锥齿轮、联轴器b和丝杠a，所述的电机a通过联轴器a驱动一对锥齿轮，锥齿轮的转动通过联轴器b转换成丝杠a的转动，丝杠a与机械臂模块相配合，实现机械臂模块整体直线进给运动。
[0016]所述的机械臂模块包括驱动机构和功能执行机构，所述的驱动机构和功能执行机构通过4个相隔90°布置的方键连接。方键从驱动机构固定板上面的T型槽插入，插至功能执行机构固定板的T型槽。驱动机构固定板上的4个T型槽602与功能执行机构固定板上的4个T型槽均为周向相隔90°布置。
[0017]所述的驱动机构包括固定板、4个电机驱动单元、4个直线轴承、传动螺母、电机b、丝杠b、驱动杆和圆弧片;所述的直线轴承与机架中的导向光轴配合，使得机械臂模块能够沿导向光轴滑动，所述的电机驱动单元是推拉驱动杆的装置，4个电机驱动单元相隔90°分布在一个圆上，相隔180°的两个电机驱动单元协同驱动，一个推驱动杆，一个拉驱动杆，运动量相等，所述的圆弧片为四分之一圆弧，4片圆弧片连接成一个完整的圆片，每两个圆片距离5-20mm分布，防止驱动杆运动过程中受压失稳，所述的电机b带动丝杠b转动，丝杠b与第二节机械臂模块上的传动螺母配合，实现第二节机械臂模块的整体直线进给运动。
[0018]所述的电机驱动单元包括电机c、联轴器c、直齿轮、固定角码、丝杠c、光轴、传动螺母、压块a、电机控制器和电机控制器载板，电机c通过联轴器c与直齿轮将旋转运动传递到丝杠c，使得传动螺母沿光轴进行直线运动，压块a将驱动杆压紧在传动螺母上，传动螺母进行直线运动时，将推动或者拉动驱动杆，驱动杆另一端穿过圆弧片通过压块b压紧在功能执行机构固定环上，四个电机驱动单元通过驱动驱动杆的运动来驱动功能执行机构固定环的运动，整个电机驱动单元通过固定角码与固定板连接。所述的电机控制器设置在电机控制器载板上，电机控制器控制4个电机驱动单元的电机c以及第一进给机构的电机a，从而控制第一节机械臂模块3个自由度的运动。
[0019]所述的功能执行机构包括功能执行机构远端结构与功能执行机构近端结构。
[0020]所述的功能执行机构远端结构包括若干个圆环与若干根钢丝，钢丝从圆环的小孔中穿过，并且钢丝的一端与最远端的圆环相固定，同一个机械臂模块中，圆环的大小尺寸相同；不同的机械臂模块中，圆环的大小尺寸不同，若干个圆环相隔5-20_布置在功能执行机构远端结构上，防止钢丝运动过程中受压失稳，这样所有的圆环的空缺部分形成一个中央管道，第二节机械臂模块的功能执行机构从第一节机械臂模块的中央管道中伸出。
[0021]所述的功能执行机构近端结构包括连接盘、连接杆、导向管、固定板、圆环片、固定环和压块b，所述的连接盘与功能执行机构远端结构的近端连接，并且通过4根连接杆与固定板连接，功能执行机构远端结构的钢丝通过若干根导向管，穿过固定板、若干个圆环片到达固定环，并固定在固定环上，若干个圆环片相隔5_20mm布置，防止钢丝运动过程中受压失Ho
[0022]所述的第二节机械臂模块的功能执行机构远端结构的末端安装有末端执行器，该末端执行器包括摄像头、异物钳、显微镜、内窥镜或机械手。
[0023]所述的末端执行器包括摄像头、上盖、下盖、电路板、若干个LED灯、异物钳和空心金属软管;所述的摄像头安装在上盖中，上盖和下盖通过螺栓合在一起，套在第二节机械臂模块的功能执行机构远端结构末端，并压紧直径不可变化的空心金属软管，空心金属软管内部通过摄像头和电路板的线缆以及异物钳，空心金属软管最后接到第二节机械臂模块的驱动机构，可在第二节机械臂模块的驱动机构处控制异物钳的开合，并且可旋转空心金属软管使末端执行器旋转。
[0024]所述的手持控制器包括显示屏、摇杆、按钮、紧急关闭按钮和手腕带；通过按钮启动和关闭整个柔性机械臂系统，摇杆是一个三维操作摇杆，可以上下与左右摇动，并且可以绕中心轴进行转动，通过控制摇杆3个自由度的运动，可以转化为单个机械臂模块的3个自由度，通过摇杆上的按钮来切换被控制机械臂模块，显示屏用于显示摄像头拍摄的图像并绘制虚拟的柔性机械臂系统的姿态，通过显示屏上的虚拟按钮切换成所需要的用户交互界面，所述手腕带设置在手持控制器两端，方便用户抓握手持控制器。
[0025]与现有技术相比，本发明柔性机械臂系统由2个结构相似的机械臂模块组成。每个机械臂模块的尺寸大小都不相同，可在整个柔性机械臂系统上实现模块化的组装，针对不同的场合使用适合的机械臂模块进行工作。每个机械臂模块之间嵌套组合在一起，并且可进行相对运动。单节机械臂模块有3个自由度，分别是2个弯曲自由度以及I个进给自由度。则由2节这样的机械臂模块组成的柔性机械臂系统将拥有6个自由度。该柔性机械臂系统在工作时将每节机械臂模块逐级往外伸展，并可在伸展的过程中实现弯曲运动。该柔性机械臂系统集成不同的末端执行器(例如，摄像头、异物钳等)将可以完成复杂环境内的不同工作任务，具有运动能力强、可在复杂的狭小空间工作，负载较高，精度高等优点。
【附图说明】
[0026]图1是本发明的柔性机械臂系统立体图；
[0027]图2是本发明的机架立体图；
[0028]图3是本发明的第一节机械臂模块进给机构立体图；
[0029]图4是本发明的机械臂模块立体图；
[0030]图5是本发明的机械臂模块驱动机构立体图；
[0031 ]图6是本发明的机械臂模块驱动机构另一侧面立体图；
[0032]图7是本发明的电机驱动单元立体图；
[0033]图8是本发明的电机驱动单元另一侧面立体图；
[0034]图9是本发明的机械臂模块功能执行机构立体图；
[0035]图10是本发明的机械臂模块功能执行机构远端结构立体图；
[0036]图11是本发明的机械臂模块功能执行机构近端结构立体图；
[0037]图12是本发明的柔性机械臂系统末端执行器立体图；
[0038]图13是本发明的柔性机械臂系统控制系统接线图；
[0039]图14是本发明的手持控制器立体图。
【具体实施方式】
[0040]以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
[0041 ] 实施例1
[0042]一种高冗余多自由度的柔性机械臂系统。该柔性机械臂系统由2节结构相似的机械臂模块组成。2节机械臂模块之间嵌套组合在一起，并且可进行相对运动。单节机械臂模块有3个自由度，分别是2个弯曲自由度以及I个进给自由度。所以这个柔性机械臂系统将拥有6个自由度。该柔性机械臂系统在工作时将每节机械臂模块逐级往外伸展，并可在伸展的过程中实现弯曲运动。该柔性机械臂系统集成不同的末端执行器将可以完成不同的复杂环境的工作任务。
[0043]如图1所示，柔性机械臂系统的立体图，包括机架101和两个机械臂模块，第一节机械臂模块包括功能执行机构402和驱动机构401，第二节机械臂模块包括功能执行机构和驱动机构105。其中，机械臂模块的驱动机构可实现对功能执行机构的2个弯曲自由度的驱动。机架与第一节机械臂模块间有一个进给机构206，可实现第一节机械臂模块的整体进给运动。第一节机械臂模块与第二节机械臂模块有一个由电机b 502和丝杠503组成的进给机构，可实现第二节机械臂模块的整体直线进给运动。其中第一节机械臂模块的功能执行机构远端结构901从孔205伸出，完成进给运动。第二节机械臂模块的功能执行机构远端结构103从第一节的机械臂模块的功能执行机构102的中央管道中伸出，完成直线进给运动。
[0044]如图2所示，所述的机架101包括框架201以及固定支架202，框架201的前端板203和后端板204上固定4根导向光轴207，为机械臂模块进给运动导向；前端板203上固定第一节的进给机构206，实现第一节机械臂模块的整体直线进给运动，第一节机械臂模块的功能执行机构远端结构901由前端板203上的孔205伸出。
[0045]机架与第一节机械臂模块间的进给机构206，以及第一节机械臂模块与第二节机械臂模块之间的进给机构的结构除未使用锥齿轮外相同。
[0046]如图3所述，为进给机构206的结构示意图，所述的进给机构包括电机a301、联轴器a 302、锥齿轮303、联轴器b 304和丝杠a 305，所述的电机a 301通过联轴器a 302驱动一对锥齿轮303，锥齿轮303的转动通过联轴器b 304转换成丝杠a 305的转动，丝杠a 305与第一节机械臂模块上的传动螺母504相配合，实现第一节机械臂模块整体直线进给运动。
[0047]各节机械臂模块的结构除其功能执行机构的远端结构大小不同外，其他结构相同。
[0048]如图4所示，为机械臂模块的结构示意图，所述的机械臂模块包括驱动机构401和功能执行机构402，所述的驱动机构401和功能执行机构402通过4个相隔90°布置的方键连接，方键从驱动机构固定板506上面的T型槽602插入，插至功能执行机构固定板的T型槽1105。4个T型槽602与4个T型槽1105均为周向相隔90°布置。
[0049]如图5、图6，示出了驱动机构立体图，所述的驱动机构401包括固定板506、4个电机驱动单元501、4个直线轴承505、传动螺母504、电机b 502、丝杠b 503、驱动杆601和圆弧片603;所述的直线轴承505与机架中的导向光轴207配合，使得机械臂模块能够沿导向光轴207上滑动，所述的电机驱动单元501是推拉驱动杆601的装置，4个电机驱动单元501相隔90°分布在一个圆上，相隔180°的两个电机驱动单元501协同驱动，一个推驱动杆601，一个拉驱动杆601，运动量相等，所述的圆弧片603为四分之一圆弧，4片圆弧片连接成一个完整的圆片，每两个圆片距离5_20mm分布，防止驱动杆601运动过程中受压失稳，所述的电机b502带动丝杠b 503转动，丝杠b 503与下一节机械臂模块上的传动螺母504配合，实现下一节机械臂模块的整体直线进给运动。
[0050]如图7、图8，示出了电机驱动单元立体图，所述的电机驱动单元501包括电机c701、联轴器c 702、直齿轮703、固定角码704、丝杠c 801、光轴802、传动螺母803、压块a804、电机控制器705和电机控制器载板706，电机c 701通过联轴器c 702与直齿轮703将旋转运动传递到丝杠c 801，使得传动螺母803沿光轴802进行直线运动，压块a 804将驱动杆601压紧在传动螺母803上，传动螺母803进行直线运动时，将推动或者拉动驱动杆601的驱动，驱动杆601另一端穿过圆弧片603通过压块b 1108压紧在功能执行机构固定环1107上，四个电机驱动单元通过驱动驱动杆的运动来驱动功能执行机构固定环1107的运动，整个电机驱动单元通过固定角码704与固定板506连接。所述的电机控制器705设置在电机控制器载板706上，电机控制器705控制4个电机驱动单元501的电机c 701以及第一进给机构206的电机a 301，从而控制第一节机械臂模块3个自由度的运动。
[0051]如图9，示出了机械臂模块功能执行机构立体图，所述的功能执行机构402包括功能执行机构远端结构901与功能执行机构近端结构902。
[0052]如图10，示出了机械臂模块功能执行机构远端结构，所述的功能执行机构远端结构901包括若干个圆环1001与若干根钢丝1002，钢丝1002从圆环1001的小孔中穿过，并且钢丝的一端与最远端的圆环1003相固定(可使用胶接或者焊接等连接方式)，同一个机械臂模块中，圆环1001的大小尺寸相同；不同的机械臂模块中，圆环1001的大小尺寸不同，圆环1001中间的空缺部分1004是一个较大的圆。若干个圆环1001相隔5-20mm布置在功能执行机构远端结构上，防止钢丝运动过程中受压失稳，这样所有的圆环1001的空缺部分1004形成一个中央管道，第二节机械臂模块的功能执行机构从上一节的中央管道中伸出。
[0053]如图11，示出了机械臂模块功能执行机构近端结构，所述的功能执行机构近端结构902包括连接盘1101、连接杆1102、导向管1103、固定板1104、圆环片1106、固定环1107和压块b 110 8，所述的连接盘1101与功能执行机构远端结构的近端(与110 3相反的一端)连接(可使用胶接或者焊接等连接方式)，并且通过4根连接杆1102与固定板1104连接，功能执行机构远端结构的钢丝1002通过若干根导向管1103，穿过固定板1104、若干个圆环片1106到达固定环1107，并固定在固定环1107上(可使用胶接或者焊接等连接方式)，若干个圆环片1106相隔5-20mm布置，防止钢丝运动过程中受压失稳。
[0054]在驱动机构401中4个电机驱动单元501通过推或拉驱动杆601，带动固定环1107的翻转，固定环1107的翻转将推拉固定在上面的若干根钢丝1002，被推拉的钢丝1002通过导向管1103，实现功能执行机构远端结构两自由度的弯曲运动。
[0055]在下面以摄像头与异物钳作为末端执行器进行说明。
[0056]如图12，示出了柔性机械臂系统末端执行器立体图。这个末端执行器安装在第二节机械臂模块的功能执行机构远端结构的末端，包括摄像头1201、上盖1202、下盖1203、电路板1204、若干个LED灯1205、异物钳1206和空心金属软管1207。摄像头1201安装在上盖1202中，上盖1202和下盖1203通过螺栓合在一起，套在第二节机械臂模块的功能执行机构远端结构末端，并压紧直径不可变化的空心金属软管1207。空心金属软管1207内部通过摄像头1201和电路板1204的线缆以及异物钳1206。空心金属软管1207最后接到第二节机械臂模块的驱动机构，用户可在第二节机械臂模块的驱动机构处控制异物钳的开合，并且可旋转空心金属软管1207使末端执行器旋转。
[0057]如图13，示出了该柔性机械臂系统的接线图。本系统的通信方式选用CAN总线通信协议，且每个机械臂模块单独使用一路CAN总线模块进行通信。这里的机械臂模块不是指物理上机械臂模块，而是指控制逻辑上的机械臂模块，例如:第一节机械臂模块中4个驱动功能执行机构402弯曲运动的电机驱动单元501安装在驱动机构401上，而控制第一节机械臂模块直线进给运动的电机固定在框架前端板203上，虽然这5个电机(包括进给机构206的电机a 301，4个电机驱动单元501的电机c 701)安装位置不一样，但都是控制第一节机械臂模块运动，所以控制这5个电机的电机控制器705 (图7、8中的705)均连接在CAN总线I 1302上。同理，控制第二节机械臂模块进给运动的电机b 502(安装在第一节机械臂模块的驱动机构上)以及控制第二节机械臂模块功能执行机构103弯曲运动的电机驱动器1303均连接在CAN总线2 1304上。这两路CAN总线均在供电盒208中转接，然后连接至手持控制器1305中。供电盒208中其中一个开关电源将220V交流电转化为24V直流电1306给所有电机驱动器，另一个开关电源将220V交流电转化为5V直流电1307给手持控制器1305进行供电。末端执行器上的摄像头1201的信号线直接连接手持控制器1305，摄像头1201的图像信号直接在手持控制器显示屏1401上显示。
[0058]如图13，示出了手持控制器立体图，包括显示屏1401、三维操作摇杆1402、启动关闭按钮1404、紧急关闭按钮1405和手腕带1406。用户可通过按钮1404启动和关闭整个柔性机械臂系统。摇杆1402是一个三维操作摇杆，可以上下与左右摇动，并且可以绕中心轴进行转动，通过控制摇杆3个自由度的运动，可以转化为单个机械臂模块的3个自由度(2个弯曲自由度以及一个直线进给自由度)。用户可以通过摇杆1402上的按钮1403来切换被控制机械臂模块。显示屏1401用于显示摄像头1201拍摄的图像并绘制虚拟的柔性机械臂系统的姿态，另外可通过显示屏1401上的虚拟按钮切换成所需要的用户交互界面。手持控制器两端的手腕带1406方便用户抓握手持控制器。
[0059]以上已详细描述了本发明的较佳实例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
【主权项】
1.一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，其特征在于，该系统包括机架、第一节机械臂模块和第二节机械臂模块，所述的第一节机械臂模块安装在机架上，并在第一节机械臂模块与机架之间设有第一进给机构(206)，该第一进给机构(206)驱动第一节机械臂模块整体进给运动，实现I个进给自由度，所述的第一节机械臂模块包括第一功能执行机构和第一驱动机构，其中第一驱动机构驱动第一功能执行机构实现2个弯曲自由度;所述的第二节机械臂模块嵌套在第一机械臂模块中，并通过两者之间的第二进给机构驱动第二节机械臂模块整体直线进给运动，实现I个进给自由度，所述的第二节机械臂模块包括第二功能执行机构和第二驱动机构，第二驱动机构驱动第二功能执行机构实现2个弯曲自由度。2.根据权利要求1所述的一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，其特征在于，所述的机架包括框架(201)以及固定支架(202)，框架(201)的前端板(203)和后端板(204)上固定4根导向光轴(207)，为机械臂模块进给运动导向；前端板(203)上固定第一节机械臂模块的进给机构(206)，实现第一节机械臂模块的整体直线进给运动，第一节机械臂模块的第一功能执行机构的远端结构(901)由前端板(203)上的孔(205)伸出。3.根据权利要求2所述的一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，其特征在于，所述的框架(201)上方固定一个给整个柔性机械臂系统供电的供电盒(208)，供电盒(208)内部由两个开关电源和相应转接电路组成，所述的第一开关电源将220V交流电转化为24V直流电供给第一驱动机构、第二驱动机构、第一进给机构(206)和第二进给机构，其中第一驱动机构和第一进给机构(206)通过CAN总线I连接供电盒(208)，第二驱动机构和第二进给机构通过CAN总线2连接供电盒(208)，所述的供电盒(208)连接一手持控制器，将所述CAN总线I和所述CAN总线2转接至所述手持控制器，所述的第二开关电源将220V交流电转化为5V直流电供给手持控制器。4.根据权利要求1所述的一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，其特征在于，所述的第一进给机构(206)包括电机a(301)、联轴器a(302)、锥齿轮(303)、联轴器b(304)和丝杠a(305)，所述的电机a(301)通过联轴器a(302)驱动一对锥齿轮(303)，锥齿轮(303)的转动通过联轴器b(304)转换成丝杠a(305)的转动，丝杠a(305)与第一节机械臂模块相配合，实现第一节机械臂模块整体直线进给运动。5.根据权利要求1所述的一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，其特征在于，所述的第一节机械臂模块包括第一驱动机构(401)和第一功能执行机构(402)，所述的第一驱动机构(401)和第一功能执行机构(402)通过4个相隔90°布置的方键连接。6.根据权利要求5所述的一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，其特征在于，所述的驱动机构(401)包括固定板(506)、4个电机驱动单元(501), 4个直线轴承(505),传动螺母(504)、电机b(502)、丝杠b(503)、驱动杆(601)和圆弧片(603);所述的直线轴承(505)与机架中的导向光轴(207)配合，使得机械臂模块能够沿导向光轴(207)滑动，所述的电机驱动单元(501)是推拉驱动杆(601)的装置，4个电机驱动单元(501)相隔90°分布在一个圆上，相隔180°的两个电机驱动单元(501)协同驱动，一个推驱动杆(601)，一个拉驱动杆(601)，运动量相等，所述的圆弧片(603)为四分之一圆弧，4片圆弧片连接成一个完整的圆片，所述的电机b(502)带动丝杠b(503)转动，丝杠b(503)与下第二节机械臂模块上的传动螺母(504)配合，实现第二节机械臂模块的整体直线进给运动。7.根据权利要求6所述的一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，其特征在于，所述的电机驱动单元(501)包括电机c(701)、联轴器c(702)、直齿轮(703)、固定角码(704)、丝杠c(801)、光轴(802)、传动螺母(803)、压块a(804)、电机控制器(705)和电机控制器载板(706)，电机c(701)通过联轴器c(702)与直齿轮(703)将旋转运动传递到丝杠c(801)，使得传动螺母(803)沿光轴(802)进行直线运动，压块a(804)将驱动杆(601)压紧在传动螺母(803)上，传动螺母(803)进行直线运动时，将推动或者拉动驱动杆(601)的驱动，驱动杆(601)另一端穿过圆弧片(603)通过压块b(1108)压紧在功能执行机构固定环(1107)上，四个电机驱动单元通过控制驱动杆的运动来控制功能执行机构固定环(1107)的运动，整个电机驱动单元通过固定角码(704)与固定板(506)连接;所述的电机控制器(705)设置在电机控制器载板(706)上，电机控制器(705)控φ?」4个电机驱动单元(501)的电机c(701)以及第一进给机构(206)的电机a (301)。8.根据权利要求5所述的一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，其特征在于，所述的功能执行机构(4 O 2)包括功能执行机构远端结构(9 OI)与功能执行机构近端结构(902)。9.根据权利要求8所述的一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，其特征在于，所述的功能执行机构远端结构(901)包括若干个圆环(1001)与若干根钢丝(1002)，钢丝(1002)从圆环(1001)的小孔中穿过，并且钢丝的一端与最远端的圆环(I 003)相固定，同一节机械臂模块中，圆环(1001)的大小尺寸相同；不同的机械臂模块中，圆环(1001)的大小尺寸不同，若干个圆环(1001)相隔5-20mm布置在功能执行机构远端结构上，防止钢丝运动过程中受压失稳，所有的圆环(1001)的空缺部分(1004)形成一个中央管道，第二节机械臂模块的功能执行机构从第一节机械臂模块的中央管道中伸出。10.根据权利要求8所述的一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，其特征在于，所述的功能执行机构近端结构(902)包括连接盘(1101)、连接杆(1102)、导向管(1103)、固定板(1104)、圆环片(1106)、固定环(1107)和压块b(1108)，所述的连接盘(1101)与功能执行机构远端结构的近端连接，并且通过4根连接杆(1102)与固定板(1104)连接，功能执行机构远端结构的钢丝(1002)通过若干根导向管(1103)，穿过固定板(1104)、若干个圆环片(1106)到达固定环(I 107)，并固定在固定环(I 107)上，若干个圆环片(I 106)相隔5-20mm布置，防止钢丝运动过程中受压失稳。11.根据权利要求10所述的一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，其特征在于，所述的第二节机械臂模块的功能执行机构远端结构的末端安装有末端执行器，该末端执行器包括摄像头、异物钳、显微镜、内窥镜或机械手。12.根据权利要求11所述的一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，其特征在于，所述的末端执行器包括摄像头(1201)、上盖(1202)、下盖(1203)、电路板(1204)、若干个LED灯(1205)、异物钳(1206)和空心金属软管(1207);所述的摄像头(1201)安装在上盖(1202)中，上盖(1202)和下盖(1203)通过螺栓合在一起，套在第二节机械臂模块的功能执行机构远端结构末端，并压紧直径不可变化的空心金属软管(1207)，空心金属软管(1207)内部通过摄像头(1201)和电路板(1204)的线缆以及异物钳(1206)，空心金属软管(1207)最后接到第二节机械臂模块的驱动机构，可在第二节机械臂模块的驱动机构处控制异物钳的开合，并且可旋转空心金属软管(1207)使末端执行器旋转。13.根据权利要求3所述的一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，其特征在于，所述的手持控制器包括显示屏(1401)、摇杆(1402)、按钮(1404)、紧急关闭按钮(1405)和手腕带(1406);通过按钮(1404)启动和关闭整个柔性机械臂系统，摇杆(1402)是一个三维操作摇杆，可以上下与左右摇动，并且可以绕中心轴进行转动，通过控制摇杆(I 40 2) 3个自由度的运动，可以转化为单个机械臂模块的3个自由度，通过摇杆(1402)上的按钮(1403)来切换被控制机械臂模块，显示屏(1401)用于显示摄像头(1201)拍摄的图像并绘制虚拟的柔性机械臂系统的姿态，通过显示屏(1401)上的虚拟按钮切换成所需要的用户交互界面，所述手腕带(1406)设置在手持控制器两端，方便用户抓握手持控制器。
【文档编号】B25J18/06GK105856213SQ201610227400
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月13日
【发明人】徐凯, 朱向阳, 阳志雄, 刘欢, 朱志军, 韩亮亮
【申请人】上海交通大学, 上海宇航系统工程研究所