一种基于连续体关节的机器人手臂

本发明涉及人形机器人，尤其涉及一种基于连续体关节的机器人手臂。

背景技术：

1、人形机器人手臂作为机器人执行任务的关键执行部件，其设计目标是实现与人类手臂相近的灵活性、负载能力和操作精度。传统工业机械臂通常采用6自由度构型，这虽然能够满足末端三维空间定位的最小自由度数要求，但在实际应用中面临着奇异构型、关节运动范围超限以及运动容错性差等固有问题。

2、为克服这些局限，现代人形机器人手臂普遍采用七自由度冗余设计方案，通过在运动学上引入一个冗余自由度，使机械臂能够在保持末端位姿不变的情况下调整自身构型。

3、然而，这一设计思路并未完全消除奇异点问题，而是将其转化为一个需要系统研究的多解优化问题，如何从根本上认识、规避乃至消除奇异点，已成为人形机器人手臂结构设计领域的核心技术难题，对于人形机器人手臂而言，奇异点带来的实际危害十分明显，当机械臂接近奇异位形时，为实现微小的末端运动，某些关节角速度需趋于无穷大，这既超出电机驱动能力，也极易引发控制失稳，同时，关节力矩将出现急剧波动，影响操作精度与安全性。

4、因此，亟需一种基于连续体关节的人形机器人手臂结构，来解决人形机器人在工作中的奇异点问题，其中连续体关节采用公告号为cn 119238483 b，名称为“一种联动式串联球关节连续体机器人结构”中公开的结构。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于连续体关节的机器人手臂，利用转动单元控制连续体关节的运动，既避免了冗余自由度，又消除了机器人手臂的奇异点问题。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、第一方面，本发明提供一种基于连续体关节的机器人手臂，包括：顺次连接的肩部模块、大臂模块和小臂模块，所述肩部模块、大臂模块和小臂模块均包括转动单元；

4、所述转动单元包括驱动组件、第一驱动绳和连续体关节，所述驱动组件分别连接所述第一驱动绳的第一端和所述连续体关节的第一端，所述第一驱动绳的第二端穿过所述连续体关节上设置的驱动绳孔，并与所述连续体关节的第二端相连，所述驱动组件用于通过控制第一驱动绳的伸长收缩，进而控制所述连续体关节的运动。

5、可选地，所述转动单元包括一根或两根所述第一驱动绳；

6、所述驱动组件包括相连的第二电机和绕线轮，一根所述第一驱动绳缠绕在绕线轮上，或两根所述第一驱动绳沿相反方向缠绕在所述绕线轮上，所述绕线轮用于在第二电机的带动下旋转，实现伸长或收缩所述第一驱动绳；

7、沿相反方向缠绕在绕线轮上的两根所述第一驱动绳的第二端，与所述连续体关节的第二端的连接位置不重合。

8、可选地，所述驱动组件还包括相连的驱动组件外壳和驱动组件盖，所述驱动组件外壳和驱动组件盖包裹在所述第二电机和绕线轮外部，所述驱动组件盖上设有通孔，所述第一驱动绳穿设于通孔中。

9、可选地，所述机器人手臂还包括第一电机、第一扭转关节组件和第二扭转关节组件；所述第一电机通过联轴器与肩部模块的第一端相连，用于带动肩部模块扭转；所述第一扭转关节组件的第一端和第二端分别连接肩部模块的第二端和大臂模块的第一端，用于带动大臂模块相对于肩部模块扭动；所述第二扭转关节组件的第一端和第二端分别连接大臂模块的第二端和小臂模块，用于带动小臂模块相对于大臂模块扭动。

10、可选地，所述第一扭转关节组件和第二扭转关节组件结构相同，均包括扭转法兰，扭转转轴，第三电机、扭转关节转盘和第二驱动绳；一个扭转转轴至少对应两根第二驱动绳；

11、所述第三电机与扭转关节转盘相连，两根所述第二驱动绳的第一端与扭转关节转盘相连，并沿相反方向缠绕在所述扭转关节转盘上，两根所述第二驱动绳的第二端与所述扭转转轴的第一端相连，且连接位置不重合；所述扭转转轴的第二端与扭转法兰的第一端相连；所述扭转关节转盘用于在第三电机的带动下旋转，使得一根所述第二驱动绳伸长且另一根收缩，实现所述扭转转轴旋转，并带动所述扭转法兰旋转；所述扭转法兰的第二端用作第一扭转关节组件的第二端或第二扭转关节组件的第二端。

12、可选地，所述第一扭转关节组件和第二扭转关节组件还包括扭转关节筒，转轴箱和扭转电机套；

13、所述扭转电机套包裹在第三电机和扭转关节转盘外部；所述扭转关节筒包裹在扭转电机套外部，所述扭转关节筒的第一端与转轴箱相连，所述扭转关节筒的第二端用作第一扭转关节组件的第一端或第二扭转关节组件的第一端；

14、所述转轴箱包裹在扭转转轴外部，所述转轴箱设有通孔，所述第二驱动绳穿设于通孔中。

15、可选地，所述扭转关节筒的第二端设有连接螺杆，用作第一扭转关节组件的第一端或第二扭转关节组件的第一端。

16、可选地，所述扭转电机套上设有连接螺杆，所述连接螺杆穿过所述扭转关节筒，用作第一扭转关节组件的第一端或第二扭转关节组件的第一端。

17、可选地，所述连续体关节上设有传感器组件，用于获取连续体关节的弯曲角度；所述传感器组件包括检测单元和电路板；

18、所述检测单元包括卷线轮、磁铁、磁编码器和第三驱动绳，所述卷线轮与磁铁相连，卷线轮上还缠绕有第三驱动绳，所述第三驱动绳的第一端与所述连续体关节的第一端相连，第三驱动绳的第二端与所述连续体关节的第二端相连，所述第三驱动绳用于带动卷线轮和与其相连的磁铁，相对于所述磁编码器转动；所述磁编码器安装在所述电路板上，且与所述磁铁之间保持预定间隙，用于将检测到的磁铁的转动角度转换成电信号，并通过电路板输出至计算单元，由计算单元计算出连续体关节的弯曲角度。

19、可选地，所述传感器组件还包括相互连接的传感器上盖和传感器下盖；所述传感器上盖和传感器下盖围合在所述检测单元和电路板外部，所述传感器上盖或传感器下盖上设有通孔，所述第三驱动绳穿设于通孔中。

20、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

21、当转动单元中的驱动组件运动时，控制第一驱动绳的伸长收缩进而控制连续体关节的运动，使得机器人手臂的肩部、大臂和小臂都能够灵活运动，既避免了冗余自由度，又消除了机器人手臂的奇异点问题。

22、进一步地，当一个驱动组件配备两根第一驱动绳，当第二电机驱动所述绕线轮转动时，一根第一驱动绳收缩，另一根第一驱动绳伸长，从而带动被驱动连续体关节运动，相比于只利用一根第一驱动绳来控制连续体关节的运动，两根第一驱动绳更可靠，能够使得连续体关节运动时更稳定更灵活。

23、进一步地，第一扭转关节组件和第二扭转关节组件利用第三电机驱动所述扭转关节转盘转动时，两根第二驱动绳一根收缩、一根伸长，带动所述扭转转轴和所述扭转法兰转动，今儿带动与扭转法兰相连大臂或小臂转动，增强机器人手臂的扭转灵活度，进一步消除机器人手臂的奇异点问题。

24、进一步地，在机器人手臂的肩部、大臂和小臂处均设置有传感器组件，通过卷线轮、磁铁、第三驱动绳和磁编码器的配合关系，在机器人手臂活动时能够精准捕捉手臂的弯曲信号，再利用电路板完成输出动作，便于监测机器人手臂的运动情况。