本實用新型涉及機械臂技術，具體地，涉及一種運動解耦的繩驅動連續(xù)體機械臂。

背景技術：

連續(xù)體機器人在受限空間中的運動和操作能力遠高于傳統(tǒng)的多關節(jié)剛性連桿機器人，在航空航天制造、大型裝備檢測與維護等領域的深腔和危險環(huán)境作業(yè)中有重要的應用價值。

傳統(tǒng)機械臂關節(jié)多采用電機等機構直接在關節(jié)處進行驅動，雖然機構簡單但增加了機械臂負載并且結構不緊湊，無法滿足狹小空間或惡劣環(huán)境的作業(yè)要求。一些新型的醫(yī)療器械領域的連續(xù)體機械臂，如中國專利公開號CN 101653353A專利中采用柔性結構體以實現(xiàn)類圓弧變形運動，但負載能力較弱和末端運動精度不夠高。本實用新型采用剛性的虎克鉸結構，通過增加關節(jié)數(shù)目實現(xiàn)靈活的運動及變形能力，負載及末端精度有顯著提高。本實用新型在每個關節(jié)處對不控制該關節(jié)的途經(jīng)繩外套導管后，實現(xiàn)了運動解耦，降低了控制難度和能源消耗。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術中的缺陷，本實用新型的目的是提供一種運動解耦的繩驅動連續(xù)體機械臂。

根據(jù)本實用新型一個方面提供的運動解耦的繩驅動連續(xù)體機械臂，包括機械臂套筒、牽引繩組和關節(jié)；

其中，所述機械臂套筒、牽引繩組和所述關節(jié)的數(shù)量為多個；多個機械臂套筒順次排列且相鄰的機械臂套筒之間通過關節(jié)鉸接構成機械臂本體；所述機械臂本體的前端用于連接線繩驅動底座；所述牽引繩組用于驅動相對應的關節(jié)；

所述牽引繩組和所述關節(jié)一一對應；所述牽引繩組的一端連接相對應的所述關節(jié)，另一端用于依次通過穿過設置在相對應關節(jié)前側的多個關節(jié)的導繩盤上的通孔后連接線繩驅動底座。

優(yōu)選地，所述關節(jié)包括導繩盤、鉸鏈支座以及環(huán)形十字軸，所述導繩盤包括第一導線盤和第二導線盤；鉸鏈支座包括第一鉸鏈支座和第二鉸鏈支座；所述第一鉸鏈支座的一端連接所述第一導線盤；所述第二鉸鏈支座的一端連接所述第二導線盤；

所述環(huán)形十字軸一方面與所述第一鉸鏈支座的另一端鉸接，另一方面與所述第二鉸鏈支座的另一端鉸接；

所述機械臂套筒的一端連接一關節(jié)的第一導線盤，另一端連接另一關節(jié)的第二導線盤。

優(yōu)選地，所述牽引繩組包括三根牽引驅動繩；

所述牽引驅動繩的一端連接對應關節(jié)的第一導線盤，另一端用于通過所述第二導線盤依次穿過相對應關節(jié)前側的多個關節(jié)導繩盤上的通孔后連接線繩驅動底座；

所述第一導線盤和所述第二導線盤均設置有多個通孔；所述通孔的數(shù)量與所述驅動繩的數(shù)量一一對應。

優(yōu)選地，所述牽引驅動繩包括相連的途經(jīng)繩段和牽引繩段；

所述牽引繩段的一端連接對應關節(jié)的第一導線盤，另一端穿過對應關節(jié)的第二導線盤；

所述途經(jīng)繩段的一端連接所述牽引繩段的另一端，另一端用于依次穿過相對應關節(jié)前側的多個關節(jié)導繩盤上的通孔后連接線繩驅動底座。

優(yōu)選地，三根所述牽引驅動繩之間構成等邊三角形。

優(yōu)選地，還包括牽引驅動繩導管；所述途經(jīng)繩段設置在所述牽引驅動繩導管內側；

所述途經(jīng)繩段采用螺旋曲線的方式連接在一關節(jié)對應的兩個導繩盤之間。

優(yōu)選地，所述第一導線盤和所述第二導線盤沿周向方向均勻設置有36個通孔；

所述機械臂套筒、牽引繩組和所述關節(jié)的數(shù)量均為12個。

優(yōu)選地，所述鉸鏈支座包括第一支座、第二支座和鉸鏈支座筋板；

其中，所述第一支座通過所述鉸鏈支座筋板連接所述第二支座；所述第一支座和所述第二支座的一端部均設置有螺紋孔，另一端部均設置有鉸鏈支座定位孔；所述第一支座和所述第二支座的一端均設置有倒角。

優(yōu)選地，環(huán)形十字軸為環(huán)狀八邊形結構，在十字方向設置有4個連接通孔；

連接通孔處通過內六角圓柱端緊定螺釘與螺紋孔配合。

根據(jù)本實用新型另一個方面提供的機器人，包括項所述的運動解耦的繩驅動連續(xù)體機械臂，還包括線繩驅動底座和直線導軌；

所述線繩驅動底座設置在所述直線導軌上且能夠沿所述直線導軌滑動；線繩驅動底座設置有多個獨立的拉繩機構，所述機械臂本體的前端連接所述線繩驅動底座，所述拉繩機構連接所述牽引繩組的另一端。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有如下的有益效果：

1、本實用新型中每個關節(jié)由獨立的多根牽引驅動繩驅動，而經(jīng)過該關節(jié)延伸至前端關節(jié)的途經(jīng)繩外套牽引驅動繩導管后，前側關節(jié)的運動將不影響其繩長的變化，從而實現(xiàn)了運動解耦；

2、本實用新型中鉸鏈支座和環(huán)形十字軸組成改進型虎克鉸，在保證結構強度的前提下，質量輕，為電纜線或液壓管道提供通過空間的中空設計；

3、本實用新型自由度多，體型細長，適用于狹小空間的勘測與作業(yè)，具有較大的應用潛力。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本實用新型的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本實用新型中機器人的結構示意圖；

圖2為本實用新型中運動解耦的繩驅動連續(xù)體機械臂的結構示意圖；

圖3為本實用新型中關節(jié)的結構示意圖；

圖4為本實用新型中途徑繩外套牽引驅動繩導管的彎曲示意圖；

圖5為本實用新型中鉸鏈支座的結構示意圖；

圖6是本實用新型中環(huán)形十字軸的結構示意圖；

圖7是本實用新型中導繩盤的結構示意圖；

圖8是本實用新型中機械臂套筒的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本實用新型進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本實用新型，但不以任何形式限制本實用新型。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本實用新型的保護范圍。

在本實施例中，本實用新型提供的運動解耦的繩驅動連續(xù)體機械臂，包括機械臂套筒3、牽引繩組和關節(jié)4；其中，所述機械臂套筒3、牽引繩組和所述關節(jié)4的數(shù)量為多個；多個機械臂套筒3順次排列且相鄰的機械臂套筒3之間通過關節(jié)4鉸接構成機械臂本體；所述機械臂本體的前端用于連接線繩驅動底座；所述牽引繩組和所述關節(jié)4一一對應；所述牽引繩組的一端連接相對應的所述關節(jié)，另一端用于依次通過穿過設置在相對應關節(jié)前側的多個關節(jié)導繩盤上的通孔后連接線繩驅動底座。所述牽引繩組用于驅動相對應的關節(jié)4。

在本實施例中，更為具體地，如圖2所示，將牽引驅動繩中靠近操作手部分稱為末端，靠近驅動底座部分稱為前端。將最末端的關節(jié)作為第一關節(jié)100，依次是第二關節(jié)200，第三關節(jié)300至第十二關節(jié)1200，第十二關節(jié)1200為連接驅動底座的關節(jié)。所述第一關節(jié)100設置有三根周向互成120度的牽引驅動繩，牽引驅動繩的另一端連接至線繩驅動底座1的夾線處。將第一關節(jié)100處的三根繩稱為第一牽引繩組，顯然當整個機械臂伸直的情況下第一繩組以三根直線的形式貫穿整個機械臂本體。第二關節(jié)200處有途經(jīng)第二關節(jié)200的途經(jīng)第一牽引繩組和控制該第二關節(jié)的第二牽引繩組2。第二牽引繩組2以第一牽引繩組1的逆時針方向一個間隔孔的方式排布。第二關節(jié)1200處共有12組牽引繩通過。總結規(guī)律為，第N牽引繩組在第n關節(jié)處為驅動繩段，而在第(n+1)至12關節(jié)處都為途經(jīng)繩段。途經(jīng)繩段外套牽引繩導管，驅動繩段為裸露的牽引繩。

所述關節(jié)4包括導繩盤10、鉸鏈支座8以及環(huán)形十字軸9，所述導繩盤10包括第一導線盤和第二導線盤；鉸鏈支座8包括第一鉸鏈支座和第二鉸鏈支座；所述第一鉸鏈支座的一端連接所述第一導線盤；所述第二鉸鏈支座的一端連接所述第二導線盤；所述環(huán)形十字軸9一方面與所述第一鉸鏈支座的另一端鉸接，另一方面與所述第二鉸鏈支座的另一端鉸接；所述機械臂套筒3的一端連接一關節(jié)4的第一導線盤，另一端連接另一關節(jié)4的第二導線盤。

所述牽引繩組包括三根牽引驅動繩；所述牽引驅動繩的一端連接對應關節(jié)的第一導線盤，另一端用于通過所述第二導線盤依次穿過相對應關節(jié)前側的多個關節(jié)導繩盤上的通孔后連接線繩驅動底座；所述第一導線盤和所述第二導線盤均設置有多個通孔；所述通孔的數(shù)量與所述驅動繩的數(shù)量一一對應。

所述牽引驅動繩包括相連的途經(jīng)繩段和牽引繩段；所述牽引繩段的一端連接對應關節(jié)的第一導線盤，另一端穿過對應關節(jié)的第二導線盤；所述途經(jīng)繩段的一端連接所述牽引繩段的另一端，另一端用于依次穿過相對應關節(jié)前側的多個關節(jié)導繩盤上的通孔后連接線繩驅動底座。三根所述牽引驅動繩之間構成等邊三角形。

本實用新型提供的運動解耦的繩驅動連續(xù)體機械臂，還包括牽引驅動繩導管；所述途經(jīng)繩段設置在所述牽引驅動繩導管內側；所述途經(jīng)繩段采用螺旋曲線的方式連接一關節(jié)對應的兩個導繩盤之間。在對機械臂有較高動力學性能要求時，可將所有牽引驅動繩導管移除，所有牽引驅動繩都為裸露的狀態(tài)。這樣變成了各關節(jié)運動耦合的連續(xù)體機械臂，協(xié)同控制所有牽引繩組，機械臂將獲得較好的動力學性能。

在本實施例中，更為具體地，所述第一導線盤和所述第二導線盤沿周向方向均勻設置有36個通孔；所述機械臂套筒3、牽引繩組和所述關節(jié)4的數(shù)量均為12個。

鉸鏈支座8和環(huán)形十字軸9之間由內六角圓柱端緊定螺釘13進行連接。一牽引驅動繩6是第二繩組中的一牽引驅動繩，其一端由鋼絲繩套11加緊，在形成的圓環(huán)中加入圓柱筒12以防止受力后圓環(huán)變小而導致的一牽引驅動繩6變長。如圖3所示，鋼絲繩套11和圓柱筒12配合使用簡單牢固，且不干涉兩側繩的運動。另一牽引驅動繩段14為第一繩組中的另一牽引驅動繩，關節(jié)4為所述機械臂本體的第二關節(jié)，另一牽引驅動繩段14為途經(jīng)繩，其外部套有牽引繩導管，故在運動中，另一牽引驅動繩段14的長度保證在關節(jié)4不發(fā)生變化。

如圖4所示，關節(jié)4僅保留一途經(jīng)繩段7、另一途經(jīng)繩段15、再一途經(jīng)繩段16途經(jīng)繩段采用螺旋曲線的方式連接兩個導繩盤，故其在壓縮或者拉伸中可以是類似彈簧一樣的運動，這樣即可避免干擾周圍的繩組，又減小了運動中途經(jīng)繩變形產(chǎn)生的阻力。

如圖5所示，所述鉸鏈支座8包括第一支座18、第二支座和鉸鏈支座筋板21；其中，所述第一支座通過所述鉸鏈支座筋板21連接所述第二支座；所述第一支座和所述第二支座的一端部均設置有螺紋孔17，另一端部均設置有鉸鏈支座定位孔19；所述第一支座和所述第二支座的一端均設置有倒角，可有效防止運動中和導繩盤干涉，且減輕結構質量。鉸鏈支座8呈凸臺狀，其可以與導繩盤配合，限制軸向移動，鉸鏈支座定位孔19和導繩盤定位孔25配合以限制鉸鏈支座的周向轉動和軸向位移。鉸鏈支座筋板21在保證結構強度的情況下，為中間留下了通過電纜線或者液壓導管的空間，且當關節(jié)運動到極限位置時，鉸鏈支座筋板21將會和環(huán)形十字軸9接觸，起到限定最大偏角的作用。如圖6所示，環(huán)形十字軸9為環(huán)狀八邊形結構，在十字方向設置有4個連接通孔，在連接通孔22處通過內六角圓柱端緊定螺釘與螺紋孔17配合；環(huán)狀結構設計可有效減輕重量，且為中間電纜線或液壓管道的通過提供空間。

如圖7所示，所述導繩盤呈凸臺狀，包括導線盤本體26，導線盤本體26上設置有第一定位孔23，用于和機械臂套管進行軸向定位和周向定位；導繩盤上有均布分布36個通孔，可通過12組牽引繩組，第一導繩盤和第二導繩盤相同，保證了同一關節(jié)的兩個導繩盤互為安裝時導繩孔可以對齊；導繩盤體積緊湊，和牽引驅動繩接觸面積小，可有效減少牽引驅動繩拉伸過程的摩擦；導繩盤內側設置有凹槽24，避免運動中和鉸鏈支座8干涉。

如圖8所示，機械臂套筒3為薄壁圓柱套筒，兩端設置有第二定位孔27，機械臂套第一定位孔23與第二定位孔27之間通過螺栓連接。機械臂套筒3外徑與導繩盤10外徑一致，這樣可保證其外型平滑；套筒軸向長度可根據(jù)實際需要設計加工，且在保證結構強度的前提下，鏤空28減少機械臂本體的質量。

每個關節(jié)4由獨立的三根牽引驅動繩驅動，而經(jīng)過該關節(jié)4延伸至前端關節(jié)的途經(jīng)繩外套牽引驅動繩導管后，前側關節(jié)的運動將不影響其繩長的變化，從而實現(xiàn)了運動解耦。鉸鏈支座8和環(huán)形十字軸9組成改進型虎克鉸，其主要特點是保證結構強度的前提下，質量輕，為電纜線或液壓管道提供通過空間的中空設計。

在本實施例中，本實用新型提供的機器人，包括所述的運動解耦的繩驅動連續(xù)體機械臂，還包括線繩驅動底座1和直線導軌2；

所述線繩驅動底座1設置在所述直線導軌2上且能夠沿所述直線導軌2滑動；線繩驅動底座設置有36個獨立的拉繩機構，所述機械臂本體的前端連接所述線繩驅動底座，所述拉繩機構連接所述牽引驅動繩的另一端。拉繩機構用作所述運動解耦的繩驅動連續(xù)體機械臂的動力源，且對連續(xù)體機械臂起支撐作用。所述運動解耦的繩驅動連續(xù)體機械臂可以在空間內可做大變形的彎曲運動，當線繩驅動底座1在直線導軌2上滑動時，所述運動解耦的繩驅動連續(xù)體機械臂作伸縮動作，大大提高了工作空間。

本實用新型自由度多，體型細長，適用于狹小空間的勘測與作業(yè)，具有較大的應用潛力。本實用新型與傳統(tǒng)連續(xù)體機械臂相比，提高了負載能力及運動精度；在關節(jié)處，對途徑該關節(jié)延伸至下一個關節(jié)的途徑繩組外套導管，實現(xiàn)繩組之間運動解耦。連續(xù)體機械臂所有關節(jié)由繩驅動，驅動后置，結構緊湊，能在輻射或高溫等惡劣環(huán)境下作業(yè)；機械臂關節(jié)處采用改進型虎克鉸，剛度高，質量輕；每個關節(jié)由獨立的繩組驅動，可按運動能力需求設計關節(jié)數(shù)；包括虎克鉸在內的所有部件在沿軸線方向采用中空設計，為內部通過電纜線或者液壓管道提供充足的空間；連續(xù)體機械臂采用模塊設計，易于加工和裝配，可按需要拓展。

以上對本實用新型的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本實用新型并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本實用新型的實質內容。