一种可进行绳索拉力测量的绳驱蛇形机械臂的制作方法

本发明涉及绳驱机械臂的机械系统设计领域，具体涉及一种可进行绳索拉力测量的绳驱蛇形机械臂。

背景技术：

绳驱超冗余机械臂由多个串联关节万向节、球铰或柔性结构组成，并使用绳索并联驱动，用于模拟生物体的肌腱作用，具有多个冗余自由度，可适用于空间站舱段、核电站、飞机油箱等狭小受限环境中。由于将电机、减速器等驱动部件集中安装于基座处，因此其臂体部分的结构重量大幅度减小，同时臂体部分没有电子元器件，可直接暴露于真空、辐射、高低温等恶劣环境中。依据模拟对象的特征，此类机械臂又被称为绳驱蛇形机械臂、仿生象鼻、仿生触手等。

传统的机械臂机器人多为串联或并联形式，串联机构的运动范围较大，承载能力差；并联机构的承载能力强，精度高，运动范围小。本机构结合串联与并联机构的运动特点，使用绳索作为传动介质，将所有的驱动部件集成于基座部分，能够大幅提高机构的可靠性。

由于绳索只能承受拉力不能承受压力的单向受力特性，因此绳索数目一般大于机构的自由度数目，具备冗余驱动特性。绳索之间存在相互拮抗力，对运动稳定性的影响较大，因此需要实时测量此种机构内力，但由于绳索在拉伸范围较大且与众多原件接触，难于提供足够的安装空间。因此，目前如何将同时获取运动测量信号与力测量信号一直是亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是：目前现有的绳驱超冗余机械臂存在无法同时获取运动测量信号与力测量信号，导致绳驱超冗余机械臂运动稳定性差的问题，进而提供一种可进行绳索拉力测量的绳驱蛇形机械臂。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：

所述的绳驱蛇形机械臂包括基座1、机械臂模块、多个驱动模块、多根驱动绳索2和多个拉力传感器3，基座1为一个箱体，基座1的前端设置有前箱板1-1，拉力传感器3的延长柱上开有第三绳孔21，

机械臂模块设置在基座前箱板1-1的外板面上，多个驱动模块和多个拉力传感器3分别设置在基座1内，驱动模块、驱动绳索2和拉力传感器3的数量相同，且每个驱动模块、每根驱动绳索2和每个拉力传感器3分别一一对应设置并构成一个驱动单元；每根驱动绳索2的一端固定连接在机械臂模块上，所述驱动绳索2的另一端穿过与其相对应的拉力传感器3上的第三绳孔21，并固定连接在其相对应的驱动模块上，多个驱动模块通过多根驱动绳索2带动机械臂模块摆动。

进一步地，所述的绳驱蛇形机械臂还包括电机安装板11、传感器固定板12、第一导线板13、第二导线板14、两根横向支撑梁22和多根支撑柱15，第二导线板14镶嵌在前箱板1-1的板面上，电机安装板11、传感器固定板12和第一导线板13顺次并排设置在基座1内，电机安装板11和传感器固定板12之间通过多根周向均匀设置的支撑柱15固定连接，传感器固定板12和第一导线板13之间通过多根周向均匀设置的支撑柱15固定连接，第一导线板13和第二导线板14之间通过多根周向均匀设置的支撑柱15固定连接，电机安装板11和传感器固定板12分别通过一根横向支撑梁22支撑在基座1的下箱板上。

进一步地，每个驱动模块包括驱动电机4、联轴器5、丝杠7、导轨8、螺母滑块9和轴承座10，电机安装板11上开有多个第一通孔，驱动电机4固定安装在电机安装板11的外侧板面上，轴承座10固定安装在传感器固定板12的内侧板面上；驱动电机4的输出轴穿过电机安装板11上的第一通孔与丝杠7的一端通过联轴器5固定连接，丝杠7的另一端设置在轴承座10内的轴承的内圈中，导轨8的一端固定安装在电机安装板11的内侧板面上，导轨8的另一端固定安装在传感器固定板12的内侧板面上，螺母滑块9螺接在丝杠7上，且螺母滑块9与导轨8滑动连接。

进一步地，每个驱动模块还包括一个挡板6，挡板6内设置有轴承，挡板6套装在丝杠7的驱动端并与丝杠7转动连接，挡板6的下端固定连接在导轨上。

进一步地，所述的机械臂模块包括多级椎节16和多个万向节17，多级椎节16串联设置，相邻的两级椎节16之间通过一个万向节17转动连接，末级椎节通过一个万向节17转动连接在第二导线板14上；多个驱动单元平均划分成多个驱动组，驱动组的个数与椎节16的个数相同，且每个驱动组与一级椎节16一一对应设置，每个驱动组驱动对应的一级椎节16运动。

进一步地，每级椎节16包括椎节顶板16-1、椎节底板16-2、多根支撑杆16-3和多个紧固件16-4，椎节顶板16-1和椎节底板16-2均为圆板，在椎节顶板16-1上沿圆周方向开有多个第二通孔，在椎节底板16-2上沿圆周方向开有多个第三通孔，椎节顶板16-1和椎节底板16-2之间通过多根周向均匀设置的支撑杆16-3进行固定连接，多个紧固件16-4沿椎节底板16-2的圆周方向均布在椎节底板16-2上；其中紧固件16-4的个数与每个驱动组中的驱动绳索2的根数相同，且每根驱动绳索2对应连接一个紧固件16-4。

进一步地，所述的紧固件16-4为开孔螺栓和压紧螺母。

进一步地，所述的绳驱蛇形机械臂还包括多个传感器固定架18，每个传感器固定架18上安装一个拉力传感器3，多个传感器固定架18固定安装在传感器固定板12的外侧板面上。

进一步地，在每个传感器固定架18的上横板上开有一个第一绳孔19，在传感器固定板12上且处于每个传感器固定架18的下方分别开有一个第二绳孔20；第一导线板13上沿圆周方向均匀开有多个第四通孔，第二导线板14上沿圆周方向均匀开有多个第五通孔；每个驱动组中的驱动绳索2的一端连接在与其相对应的椎节16的紧固件16-4上，所述驱动绳索2的另一端依次穿过下一级椎节至末级椎节中的椎节顶板16-1上的第二通孔和椎节底板16-2上的第三通孔，并依次穿过第二导线板14上的第五通孔、第一导线板13上的第四通孔、第一绳孔19、第三绳孔21和第二绳孔20，然后连接在相应的驱动模块上的螺母滑块9上。

本发明与现有技术相比产生的有益效果是：

1、利用拉力传感器测量绳驱蛇形机械臂的运动测量信号与力测量信号，可以实现机构对绳索运动与拉力的反馈与控制，绳索运动的速度由直流电动机的编码器反馈计算得到，且采用三角测力原理间接测量绳索拉力，绳索的拉力由拉力传感器和相应的绳段夹角计算得到，拉力传感器量程可以小于绳索拉力范围；

2、驱动单元分层布局，可以使相同的部件集中安装，整体结构紧凑，能够最大程度地减少基座的体积，节省空间，便于安装和调试，且整体结构简单，避免将拉力传感器安装于臂体部分，增加其可靠性；

3、本发明使用丝杠模组拉动驱动绳索，运动控制精度提高了30％，并输出较大的拉力；

4、本发明尽量减少绳索穿过的绳孔的数目，减小摩擦力造成的影响。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是图1中i处的局部放大图；

图3是图1中ii处的局部放大图；

图4是驱动模块与拉力传感器整体布置的结构示意图；

图5是驱动模块的结构示意图；

图6是图5的侧视图；

图7是电机安装板外侧板面上电机安装的示意图；

图8是传感器固定板内侧板面轴承座安装的示意图；

图9是传感器固定板外侧板面传感器固定架安装的示意图；

图10是图9中iii处的局部放大图；

图11是拉力传感器固定在传感器固定架上的结构示意图；

图12是拉力测量原理图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案：

具体实施方式一：如图1和图4所示，本实施方式中，所述的绳驱蛇形机械臂包括基座1、机械臂模块、多个驱动模块、多根驱动绳索2和多个拉力传感器3，基座1为一个箱体，基座1的前端设置有前箱板1-1，拉力传感器3的延长柱上开有第三绳孔21，机械臂模块设置在基座前箱板1-1的外板面上，多个驱动模块和多个拉力传感器3分别设置在基座1内，驱动模块、驱动绳索2和拉力传感器3的数量相同，且每个驱动模块、每根驱动绳索2和每个拉力传感器3分别一一对应设置并构成一个驱动单元，多个驱动单元分内外两层环形均匀布置；

每根驱动绳索2的一端固定连接在机械臂模块上，所述驱动绳索2的另一端穿过与其相对应的拉力传感器3上的第三绳孔21，并固定连接在其相对应的驱动模块上，多个驱动模块通过多根驱动绳索2带动机械臂模块摆动，拉力传感器3用于测量驱动绳索2拉伸过程中的张力。

本发明利用拉力传感器测量绳驱蛇形机械臂的运动测量信号与力测量信号，可以实现机构对驱动绳索运动与拉力的反馈与控制，驱动绳索运动的速度由直流电动机的编码器反馈计算得到，驱动绳索的拉力由拉力传感器和相应的绳段夹角计算得到；

其中驱动单元分层布局，可以使相同的部件集中安装，节省空间，便于安装和调试，且整体结构简单，可靠性强。

具体实施方式二：如图4所示，本实施方式中，所述的绳驱蛇形机械臂还包括电机安装板11、传感器固定板12、第一导线板13、第二导线板14、两根横向支撑梁19和多根支撑柱15；

第二导线板14镶嵌在前箱板1-1的板面上，用以尽量让驱动绳索垂直进入机械臂模块，防止机械臂模块运动时，驱动绳索与机械臂末端的夹角太小而被卡住，

电机安装板11、传感器固定板12和第一导线板13顺次并排设置在基座1内，电机安装板11和传感器固定板12之间通过多根周向均匀设置的支撑柱15固定连接，传感器固定板12和第一导线板13之间通过多根周向均匀设置的支撑柱15固定连接，第一导线板13和第二导线板14之间通过多根周向均匀设置的支撑柱15固定连接，电机安装板11和传感器固定板12分别通过一根横向支撑梁19支撑在基座1的下箱板上；

电机安装板11将驱动模块分隔成动力层a和驱动层b，动力层a处于电机安装板11的外侧，驱动层b处于电机安装板11和传感器固定板12之间，传感器固定板12与第一导线板13之间形成测量层c，多个拉力传感器3均布在测量层c内，第一导线板13与第二导线板14之间形成导线层d，导线层用于引导驱动绳索至机械臂臂体部分，驱动绳索2的一端连接在驱动层b上，驱动绳索2的另一端依次穿过测量层c和导线层d连接在机械臂模块上。

其他组成及连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图4至图8所示，本实施方式中，每个驱动模块包括驱动电机4、联轴器5、丝杠7、导轨8、螺母滑块9和轴承座10；

如图7所示，电机安装板11上开有内外两层环形均匀布置的多个第一通孔，多个驱动电机4分内外两层环形均匀固定安装在电机安装板11的外侧板面上；

如图8所示，多个轴承座10分内外两层环形均匀固定安装在传感器固定板12的内侧板面上，且驱动电机4、电机安装板11上的第一通孔和轴承座10一一对应设置；

如图4所示，驱动电机4的输出轴穿过电机安装板11上的与其对应设置的第一通孔，并与丝杠7的一端通过联轴器5固定连接，丝杠7的另一端设置在相应的轴承座10内的轴承的内圈中，导轨8的一端固定安装在电机安装板11的内侧板面上，导轨8的另一端固定安装在传感器固定板12的内侧板面上；

如图5和图6所示，螺母滑块9螺接在丝杠7上，且螺母滑块9与导轨8滑动连接。

本发明使用丝杠模组拉动驱动绳索，运动控制精度提高了30％，并输出较大的拉力。

其他组成及连接方式与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：如图5所示，本实施方式中，每个驱动模块还包括一个挡板6，所述的挡板6用以支撑丝杠，保证其直线度；

挡板6内设置有轴承，挡板6套装在丝杠7的驱动端并与丝杠7转动连接，挡板6的下端固定连接在导轨上。

其他组成及连接方式与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：如图2和图3所示，本实施方式中，所述的机械臂模块包括多级椎节16和多个万向节17，多级椎节16包括第一级椎节、第二级椎节、第三级椎节……末级椎节，多级椎节16通过万向节17串联设置，相邻的两级椎节16之间通过一个万向节17转动连接，末级椎节通过一个万向节17转动连接在第二导线板14上；

多个驱动单元平均划分成多个驱动组，驱动组的个数与椎节16的个数相同，且每个驱动组与一个椎节16一一对应设置，每个驱动组驱动对应的一级椎节16运动。

其他组成及连接方式与具体实施方式二相同。

具体实施方式六：如图2和图3所示，本实施方式中，每级椎节16包括椎节顶板16-1、椎节底板16-2、多根支撑杆16-3和多个紧固件16-4，椎节顶板16-1和椎节底板16-2均为圆板，在椎节顶板16-1上沿圆周方向开有多个第二通孔，在椎节底板16-2上沿圆周方向开有多个第三通孔，椎节顶板16-1和椎节底板16-2之间通过多根周向均匀设置的支撑杆16-3进行固定连接，多个紧固件16-4沿椎节底板16-2的圆周方向均布在椎节底板16-2上；

如图2所示，其中紧固件16-4的个数与每个驱动组中的驱动绳索2的根数相同，且每根驱动绳索2对应连接一个紧固件16-4。

其他组成及连接方式与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：如图2所示，本实施方式中，所述的紧固件16-4为开孔螺栓和压紧螺母。

其他组成及连接方式与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：如图9和图11所示，本实施方式中，所述的绳驱蛇形机械臂还包括多个传感器固定架18，每个传感器固定架18上安装一个拉力传感器3，多个传感器固定架18通过螺钉分内外两层环形均匀固定安装在传感器固定板12的外侧板面上。

其他组成及连接方式与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：如图10、图11和图12所示，本实施方式中，在每个传感器固定架18的上横板上开有一个第一绳孔19，在传感器固定板12上且处于每个传感器固定架18的下方分别开有一个第二绳孔20；

如图4所示，第一导线板13上沿圆周方向均匀开有多个第四通孔，第二导线板14上沿圆周方向均匀开有多个第五通孔；

如图2所示，每个驱动组中的驱动绳索2的一端连接在与其相对应的椎节16的紧固件16-4上，所述驱动绳索2的另一端依次穿过下一级椎节至末级椎节中的椎节顶板16-1上的第二通孔和椎节底板16-2上的第三通孔，并依次穿过第二导线板14上的第五通孔、第一导线板13上的第四通孔、第一绳孔19、第三绳孔21和第二绳孔20，然后连接在相应的驱动模块上的螺母滑块9上。

采用三角测力原理间接测量绳索拉力，绳索的拉力由拉力传感器和相应的绳段夹角计算得到，拉力传感器量程可以小于绳索拉力范围；且本发明尽量减少绳索穿过的绳孔的数目，减小摩擦力造成的影响。

其他组成及连接方式与具体实施方式八相同。

下面结合具体的实施例来描述本发明：

所述的绳驱蛇形机械臂包括基座1、机械臂模块、18个驱动模块、18根驱动绳索2、18个拉力传感器3、18个传感器固定架18、电机安装板11、传感器固定板12、第一导线板13、第二导线板14、两根横向支撑梁19和多根支撑柱15，

第二导线板14镶嵌在前箱板1-1的板面上，电机安装板11、传感器固定板12和第一导线板13顺次并排设置在基座1内，相邻的两个板块之间分别通过多根周向均匀设置的支撑柱15固定连接，第一导线板13和第二导线板14之间通过多根周向均匀设置的支撑柱15固定连接，电机安装板11和传感器固定板12分别通过一根横向支撑梁19支撑在基座1的下箱板上；

每个驱动模块包括驱动电机4、联轴器5、挡板6、丝杠7、导轨8、螺母滑块9和轴承座10；电机安装板11上开有内外两层环形均匀布置的18个第一通孔，外层12个第一通孔，内层6个第一通孔；18个驱动电机4分内外两层环形均匀固定安装在电机安装板11的外侧板面上，外层12个驱动电机，内层6个驱动电机；18个轴承座分内外两层环形均匀固定安装在传感器固定板12的内侧板面上，外层12个轴承座，内层6个轴承座；驱动电机4、电机安装板11上的第一通孔和轴承座10一一对应设置，驱动电机4的输出轴穿过电机安装板11上的与其对应的通孔，并与丝杠7的一端通过联轴器5固定连接，丝杠7的另一端设置在相应的轴承座10内的轴承的内圈中，导轨8的一端固定安装在电机安装板11的内侧板面上，导轨8的另一端固定安装在传感器固定板12的内侧板面上，螺母滑块9螺接在丝杠7上，且螺母滑块9与导轨8滑动连接；挡板6内设置有轴承，挡板6套装在丝杠7的驱动端并与丝杠7转动连接，挡板6的下端固定连接在导轨8上；

18个传感器固定架18通过螺钉分内外两层环形均匀固定安装在传感器固定板12的外侧板面上，外层12个传感器固定架，内层6个传感器固定架，每个传感器固定架上安装一个拉力传感器；

在每个传感器固定架18的上横板上开有一个第一绳孔19，在传感器固定板12上且处于每个传感器固定架18的下方分别开有一个第二绳孔20，拉力传感器3的延长柱上开有第三绳孔21，第一导线板13与第二导线板14上沿圆周方向分别均匀开有18个通孔；

机械臂模块通过万向节17转动连接在第二导线板14上，所述的机械臂模块是由6级椎节16串联而成，相邻的两级椎节16之间通过一个万向节17转动连接，整个机械臂模块具有12个自由度，每级椎节16包括椎节顶板16-1、椎节底板16-2、多根支撑杆16-3和3个紧固件16-4，椎节顶板16-1和椎节底板16-2均为圆板，椎节顶板16-1和椎节底板16-2之间通过三根周向均匀设置的支撑杆16-3进行固定连接，在椎节顶板16-1上沿圆周方向分别均匀开有18个第二通孔，在椎节底板16-2上沿圆周方向分别开有15个第三通孔，其中每5个第三通孔为一组，共分为三组，每组通孔之间设置有一个紧固件16-4，每根驱动绳索的一端与一个紧固件固定连接，每级椎节16由三条均布的驱动绳索驱动，整个机械臂模块共由18条驱动绳索驱动，驱动绳索的另一端分别穿过下一级椎节16中的椎节顶板16-1和椎节底板16-2上的通孔,并依次穿过第二绳孔20、第三绳孔21、第一绳孔19、第一导线板13上的通孔和第二导线板14上的通孔，然后连接在相应的驱动模块上的螺母滑块9上；

具体为：6级椎节16分别为第一级椎节、第二级椎节、第三级椎节、第四级椎节、第五级椎节和第六级椎节(末级椎节)，第一级椎节上的3个紧固件16-4分别引出一根驱动绳索2，共计3根驱动绳索，3根驱动绳索分别依次穿过第二级椎节上的椎节顶板16-1与椎节底板16-2上的通孔、第三级椎节上的椎节顶板16-1与椎节底板16-2上的通孔、第四级椎节上的椎节顶板16-1与椎节底板16-2上的通孔、第五级椎节上的椎节顶板16-1与椎节底板16-2上的通孔、第六级椎节上的椎节顶板16-1与椎节底板16-2上的通孔、第二导线板14上的通孔、第一导线板13上的通孔、第一绳孔19、第三绳孔21和第二绳孔20，最终连接在其中一个驱动模块上的螺母滑块9上；

第二级椎节上的3个紧固件16-4分别引出一根驱动绳索2，共计3根驱动绳索，3根驱动绳索分别依次穿过第三级椎节上的椎节顶板16-1与椎节底板16-2上的通孔、第四级椎节上的椎节顶板16-1与椎节底板16-2上的通孔、第五级椎节上的椎节顶板16-1与椎节底板16-2上的通孔、第六级椎节上的椎节顶板16-1与椎节底板16-2上的通孔、第二导线板14上的通孔、第一导线板13上的通孔、第一绳孔19、第三绳孔21和第二绳孔20，最终连接在另一个螺母滑块9上；

第三级椎节上的3个紧固件16-4分别引出一根驱动绳索2，共计3根驱动绳索，3根驱动绳索分别依次穿过第四级椎节上的椎节顶板16-1与椎节底板16-2上的通孔、第五级椎节上的椎节顶板16-1与椎节底板16-2上的通孔、第六级椎节上的椎节顶板16-1与椎节底板16-2上的通孔、第二导线板14上的通孔、第一导线板13上的通孔、第一绳孔19、第三绳孔21和第二绳孔20，最终连接在另一个螺母滑块9上；

以此类推，共计18根驱动绳索分别各自连接在18个驱动模块上。