运动解耦的绳驱动连续体机械臂及机器人的制作方法

本实用新型涉及机械臂技术，具体地，涉及一种运动解耦的绳驱动连续体机械臂。

背景技术：

连续体机器人在受限空间中的运动和操作能力远高于传统的多关节刚性连杆机器人，在航空航天制造、大型装备检测与维护等领域的深腔和危险环境作业中有重要的应用价值。

传统机械臂关节多采用电机等机构直接在关节处进行驱动，虽然机构简单但增加了机械臂负载并且结构不紧凑，无法满足狭小空间或恶劣环境的作业要求。一些新型的医疗器械领域的连续体机械臂，如中国专利公开号CN 101653353A专利中采用柔性结构体以实现类圆弧变形运动，但负载能力较弱和末端运动精度不够高。本实用新型采用刚性的虎克铰结构，通过增加关节数目实现灵活的运动及变形能力，负载及末端精度有显著提高。本实用新型在每个关节处对不控制该关节的途经绳外套导管后，实现了运动解耦，降低了控制难度和能源消耗。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种运动解耦的绳驱动连续体机械臂。

根据本实用新型一个方面提供的运动解耦的绳驱动连续体机械臂，包括机械臂套筒、牵引绳组和关节；

其中，所述机械臂套筒、牵引绳组和所述关节的数量为多个；多个机械臂套筒顺次排列且相邻的机械臂套筒之间通过关节铰接构成机械臂本体；所述机械臂本体的前端用于连接线绳驱动底座；所述牵引绳组用于驱动相对应的关节；

所述牵引绳组和所述关节一一对应；所述牵引绳组的一端连接相对应的所述关节，另一端用于依次通过穿过设置在相对应关节前侧的多个关节的导绳盘上的通孔后连接线绳驱动底座。

优选地，所述关节包括导绳盘、铰链支座以及环形十字轴，所述导绳盘包括第一导线盘和第二导线盘；铰链支座包括第一铰链支座和第二铰链支座；所述第一铰链支座的一端连接所述第一导线盘；所述第二铰链支座的一端连接所述第二导线盘；

所述环形十字轴一方面与所述第一铰链支座的另一端铰接，另一方面与所述第二铰链支座的另一端铰接；

所述机械臂套筒的一端连接一关节的第一导线盘，另一端连接另一关节的第二导线盘。

优选地，所述牵引绳组包括三根牵引驱动绳；

所述牵引驱动绳的一端连接对应关节的第一导线盘，另一端用于通过所述第二导线盘依次穿过相对应关节前侧的多个关节导绳盘上的通孔后连接线绳驱动底座；

所述第一导线盘和所述第二导线盘均设置有多个通孔；所述通孔的数量与所述驱动绳的数量一一对应。

优选地，所述牵引驱动绳包括相连的途经绳段和牵引绳段；

所述牵引绳段的一端连接对应关节的第一导线盘，另一端穿过对应关节的第二导线盘；

所述途经绳段的一端连接所述牵引绳段的另一端，另一端用于依次穿过相对应关节前侧的多个关节导绳盘上的通孔后连接线绳驱动底座。

优选地，三根所述牵引驱动绳之间构成等边三角形。

优选地，还包括牵引驱动绳导管；所述途经绳段设置在所述牵引驱动绳导管内侧；

所述途经绳段采用螺旋曲线的方式连接在一关节对应的两个导绳盘之间。

优选地，所述第一导线盘和所述第二导线盘沿周向方向均匀设置有36个通孔；

所述机械臂套筒、牵引绳组和所述关节的数量均为12个。

优选地，所述铰链支座包括第一支座、第二支座和铰链支座筋板；

其中，所述第一支座通过所述铰链支座筋板连接所述第二支座；所述第一支座和所述第二支座的一端部均设置有螺纹孔，另一端部均设置有铰链支座定位孔；所述第一支座和所述第二支座的一端均设置有倒角。

优选地，环形十字轴为环状八边形结构，在十字方向设置有4个连接通孔；

连接通孔处通过内六角圆柱端紧定螺钉与螺纹孔配合。

根据本实用新型另一个方面提供的机器人，包括项所述的运动解耦的绳驱动连续体机械臂，还包括线绳驱动底座和直线导轨；

所述线绳驱动底座设置在所述直线导轨上且能够沿所述直线导轨滑动；线绳驱动底座设置有多个独立的拉绳机构，所述机械臂本体的前端连接所述线绳驱动底座，所述拉绳机构连接所述牵引绳组的另一端。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

1、本实用新型中每个关节由独立的多根牵引驱动绳驱动，而经过该关节延伸至前端关节的途经绳外套牵引驱动绳导管后，前侧关节的运动将不影响其绳长的变化，从而实现了运动解耦；

2、本实用新型中铰链支座和环形十字轴组成改进型虎克铰，在保证结构强度的前提下，质量轻，为电缆线或液压管道提供通过空间的中空设计；

3、本实用新型自由度多，体型细长，适用于狭小空间的勘测与作业，具有较大的应用潜力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型中机器人的结构示意图；

图2为本实用新型中运动解耦的绳驱动连续体机械臂的结构示意图；

图3为本实用新型中关节的结构示意图；

图4为本实用新型中途径绳外套牵引驱动绳导管的弯曲示意图；

图5为本实用新型中铰链支座的结构示意图；

图6是本实用新型中环形十字轴的结构示意图；

图7是本实用新型中导绳盘的结构示意图；

图8是本实用新型中机械臂套筒的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

在本实施例中，本实用新型提供的运动解耦的绳驱动连续体机械臂，包括机械臂套筒3、牵引绳组和关节4；其中，所述机械臂套筒3、牵引绳组和所述关节4的数量为多个；多个机械臂套筒3顺次排列且相邻的机械臂套筒3之间通过关节4铰接构成机械臂本体；所述机械臂本体的前端用于连接线绳驱动底座；所述牵引绳组和所述关节4一一对应；所述牵引绳组的一端连接相对应的所述关节，另一端用于依次通过穿过设置在相对应关节前侧的多个关节导绳盘上的通孔后连接线绳驱动底座。所述牵引绳组用于驱动相对应的关节4。

在本实施例中，更为具体地，如图2所示，将牵引驱动绳中靠近操作手部分称为末端，靠近驱动底座部分称为前端。将最末端的关节作为第一关节100，依次是第二关节200，第三关节300至第十二关节1200，第十二关节1200为连接驱动底座的关节。所述第一关节100设置有三根周向互成120度的牵引驱动绳，牵引驱动绳的另一端连接至线绳驱动底座1的夹线处。将第一关节100处的三根绳称为第一牵引绳组，显然当整个机械臂伸直的情况下第一绳组以三根直线的形式贯穿整个机械臂本体。第二关节200处有途经第二关节200的途经第一牵引绳组和控制该第二关节的第二牵引绳组2。第二牵引绳组2以第一牵引绳组1的逆时针方向一个间隔孔的方式排布。第二关节1200处共有12组牵引绳通过。总结规律为，第N牵引绳组在第n关节处为驱动绳段，而在第(n+1)至12关节处都为途经绳段。途经绳段外套牵引绳导管，驱动绳段为裸露的牵引绳。

所述关节4包括导绳盘10、铰链支座8以及环形十字轴9，所述导绳盘10包括第一导线盘和第二导线盘；铰链支座8包括第一铰链支座和第二铰链支座；所述第一铰链支座的一端连接所述第一导线盘；所述第二铰链支座的一端连接所述第二导线盘；所述环形十字轴9一方面与所述第一铰链支座的另一端铰接，另一方面与所述第二铰链支座的另一端铰接；所述机械臂套筒3的一端连接一关节4的第一导线盘，另一端连接另一关节4的第二导线盘。

所述牵引绳组包括三根牵引驱动绳；所述牵引驱动绳的一端连接对应关节的第一导线盘，另一端用于通过所述第二导线盘依次穿过相对应关节前侧的多个关节导绳盘上的通孔后连接线绳驱动底座；所述第一导线盘和所述第二导线盘均设置有多个通孔；所述通孔的数量与所述驱动绳的数量一一对应。

所述牵引驱动绳包括相连的途经绳段和牵引绳段；所述牵引绳段的一端连接对应关节的第一导线盘，另一端穿过对应关节的第二导线盘；所述途经绳段的一端连接所述牵引绳段的另一端，另一端用于依次穿过相对应关节前侧的多个关节导绳盘上的通孔后连接线绳驱动底座。三根所述牵引驱动绳之间构成等边三角形。

本实用新型提供的运动解耦的绳驱动连续体机械臂，还包括牵引驱动绳导管；所述途经绳段设置在所述牵引驱动绳导管内侧；所述途经绳段采用螺旋曲线的方式连接一关节对应的两个导绳盘之间。在对机械臂有较高动力学性能要求时，可将所有牵引驱动绳导管移除，所有牵引驱动绳都为裸露的状态。这样变成了各关节运动耦合的连续体机械臂，协同控制所有牵引绳组，机械臂将获得较好的动力学性能。

在本实施例中，更为具体地，所述第一导线盘和所述第二导线盘沿周向方向均匀设置有36个通孔；所述机械臂套筒3、牵引绳组和所述关节4的数量均为12个。

铰链支座8和环形十字轴9之间由内六角圆柱端紧定螺钉13进行连接。一牵引驱动绳6是第二绳组中的一牵引驱动绳，其一端由钢丝绳套11加紧，在形成的圆环中加入圆柱筒12以防止受力后圆环变小而导致的一牵引驱动绳6变长。如图3所示，钢丝绳套11和圆柱筒12配合使用简单牢固，且不干涉两侧绳的运动。另一牵引驱动绳段14为第一绳组中的另一牵引驱动绳，关节4为所述机械臂本体的第二关节，另一牵引驱动绳段14为途经绳，其外部套有牵引绳导管，故在运动中，另一牵引驱动绳段14的长度保证在关节4不发生变化。

如图4所示，关节4仅保留一途经绳段7、另一途经绳段15、再一途经绳段16途经绳段采用螺旋曲线的方式连接两个导绳盘，故其在压缩或者拉伸中可以是类似弹簧一样的运动，这样即可避免干扰周围的绳组，又减小了运动中途经绳变形产生的阻力。

如图5所示，所述铰链支座8包括第一支座18、第二支座和铰链支座筋板21；其中，所述第一支座通过所述铰链支座筋板21连接所述第二支座；所述第一支座和所述第二支座的一端部均设置有螺纹孔17，另一端部均设置有铰链支座定位孔19；所述第一支座和所述第二支座的一端均设置有倒角，可有效防止运动中和导绳盘干涉，且减轻结构质量。铰链支座8呈凸台状，其可以与导绳盘配合，限制轴向移动，铰链支座定位孔19和导绳盘定位孔25配合以限制铰链支座的周向转动和轴向位移。铰链支座筋板21在保证结构强度的情况下，为中间留下了通过电缆线或者液压导管的空间，且当关节运动到极限位置时，铰链支座筋板21将会和环形十字轴9接触，起到限定最大偏角的作用。如图6所示，环形十字轴9为环状八边形结构，在十字方向设置有4个连接通孔，在连接通孔22处通过内六角圆柱端紧定螺钉与螺纹孔17配合；环状结构设计可有效减轻重量，且为中间电缆线或液压管道的通过提供空间。

如图7所示，所述导绳盘呈凸台状，包括导线盘本体26，导线盘本体26上设置有第一定位孔23，用于和机械臂套管进行轴向定位和周向定位；导绳盘上有均布分布36个通孔，可通过12组牵引绳组，第一导绳盘和第二导绳盘相同，保证了同一关节的两个导绳盘互为安装时导绳孔可以对齐；导绳盘体积紧凑，和牵引驱动绳接触面积小，可有效减少牵引驱动绳拉伸过程的摩擦；导绳盘内侧设置有凹槽24，避免运动中和铰链支座8干涉。

如图8所示，机械臂套筒3为薄壁圆柱套筒，两端设置有第二定位孔27，机械臂套第一定位孔23与第二定位孔27之间通过螺栓连接。机械臂套筒3外径与导绳盘10外径一致，这样可保证其外型平滑；套筒轴向长度可根据实际需要设计加工，且在保证结构强度的前提下，镂空28减少机械臂本体的质量。

每个关节4由独立的三根牵引驱动绳驱动，而经过该关节4延伸至前端关节的途经绳外套牵引驱动绳导管后，前侧关节的运动将不影响其绳长的变化，从而实现了运动解耦。铰链支座8和环形十字轴9组成改进型虎克铰，其主要特点是保证结构强度的前提下，质量轻，为电缆线或液压管道提供通过空间的中空设计。

在本实施例中，本实用新型提供的机器人，包括所述的运动解耦的绳驱动连续体机械臂，还包括线绳驱动底座1和直线导轨2；

所述线绳驱动底座1设置在所述直线导轨2上且能够沿所述直线导轨2滑动；线绳驱动底座设置有36个独立的拉绳机构，所述机械臂本体的前端连接所述线绳驱动底座，所述拉绳机构连接所述牵引驱动绳的另一端。拉绳机构用作所述运动解耦的绳驱动连续体机械臂的动力源，且对连续体机械臂起支撑作用。所述运动解耦的绳驱动连续体机械臂可以在空间内可做大变形的弯曲运动，当线绳驱动底座1在直线导轨2上滑动时，所述运动解耦的绳驱动连续体机械臂作伸缩动作，大大提高了工作空间。

本实用新型自由度多，体型细长，适用于狭小空间的勘测与作业，具有较大的应用潜力。本实用新型与传统连续体机械臂相比，提高了负载能力及运动精度；在关节处，对途径该关节延伸至下一个关节的途径绳组外套导管，实现绳组之间运动解耦。连续体机械臂所有关节由绳驱动，驱动后置，结构紧凑，能在辐射或高温等恶劣环境下作业；机械臂关节处采用改进型虎克铰，刚度高，质量轻；每个关节由独立的绳组驱动，可按运动能力需求设计关节数；包括虎克铰在内的所有部件在沿轴线方向采用中空设计，为内部通过电缆线或者液压管道提供充足的空间；连续体机械臂采用模块设计，易于加工和装配，可按需要拓展。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。