一种用于绳驱分段联动机械臂的中空球面并联关节及机械臂

本发明涉及机器人关节及机械臂，尤其是涉及一种用于绳驱分段联动机械臂的中空球面并联关节及机械臂。

背景技术：

1、随着空间在轨服务、航天器维护、特殊环境设施检修、复杂管道巡检以及微创操作等应用的发展，机械臂需要在狭小、曲折或非结构化环境中完成穿行、绕障、探测和操作等任务。此类应用不仅要求机械臂具有较好的灵活性和可达性，还要求其兼顾结构刚度、承载能力、姿态可控性以及内部集成能力，以便在机械臂内部布置驱动绳、供电线、信号线、流体管路及工具连接线束等。

2、绳驱分段联动机械臂通常采用多个关节和臂杆串联形成操作臂，并将驱动装置集中布置于机械臂的基座侧，通过驱动绳远程传递驱动力。该结构能够减少操作臂上的主动驱动部件，有利于降低臂体质量和末端惯量。同时，同一臂段内的多个关节可以通过联动结构形成协调偏转，使机械臂在保持离散刚性关节结构的同时获得近似连续的弯曲形态。

3、现有绳驱分段联动机械臂中，相邻臂杆之间通常采用万向节、十字轴关节或其他实体铰接结构进行连接。此类关节通常通过多个相交或交错设置的转轴建立不同方向的转动自由度，从而使相邻臂杆能够进行俯仰、偏航等方向的姿态变化。但是，由于转轴、支承件、轴承及连接件等结构通常集中设置于关节的旋转中心附近，当关节产生较大角度偏转时，不同运动构件之间容易发生几何干涉，从而限制关节的可偏转范围和有效姿态工作空间。

4、与此同时，关节旋转中心区域也是机械臂沿轴向进行内部走线和管路布置的重要位置。传统实体铰接结构中的转轴、支架及连接件占据关节中心空间，使固定侧结构与运动输出侧结构之间难以形成连续贯通的内部通道。为了避让关节内部的实体结构，驱动绳、供电线、信号线、流体管路等通常需要绕开关节中心区域布置，容易增加布线路径长度和弯折程度，并可能在关节运动过程中产生磨损、缠绕或运动干涉，不利于机械臂内部空间的充分利用及功能部件的集成。

5、现有绳驱分段联动机械臂还可通过设置联动绳索、绕绳结构、导向结构、预紧结构以及关节角度检测装置等改善多个关节之间的运动协调性。然而，此类措施主要针对绳索传动误差或关节联动精度进行改善，并不能改变实体转轴、支承件和连接件集中占据关节旋转中心区域的结构特点，因此对于关节中心区域的结构干涉以及内部贯通空间不足的问题仍存在进一步改善的需要。

6、因此，如何在满足关节多方向姿态调节需求的同时，减少关节内部连接及传力结构对中心区域的占用和运动干涉，并在关节内部形成连续贯通的空间，以兼顾关节的姿态运动范围和机械臂的内部集成能力，是现有绳驱分段联动机械臂关节结构有待解决的技术问题。

7、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：“如何解决机械臂有限关节空间内，球面姿态运动所需传力结构与中心连续贯通空间之间的空间冲突”。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供一种用于绳驱分段联动机械臂的中空球面并联关节，包括固定基座、动平台、多个运动支链以及贯通中空通道；

4、多个运动支链分别连接于固定基座与动平台之间，每个运动支链包括多个转动连接部以及连接相邻转动连接部的弧形连接部，各运动支链中的转动连接部按照使动平台相对于固定基座围绕共同旋转中心产生球面姿态运动的几何关系布置；

5、不同的弧形连接部至少部分位于以共同旋转中心为球心且径向位置不同的球面层，并围绕共同旋转中心形成空间错层的包络分布，使弧形连接部构成的传力路径避开共同旋转中心；

6、贯通中空通道包括形成于固定基座的基座贯通部、位于包络分布内侧的关节中心空腔以及形成于动平台的平台贯通部，基座贯通部、关节中心空腔和平台贯通部依次连通；贯通中空通道穿过共同旋转中心。

7、在一些实施例中，多个运动支链包括三条rrr运动链，每条rrr运动链包括三个转动连接部，三个转动连接部分别为依次设置的基座侧转动副、中间转动副和动平台侧转动副；每条rrr运动链的弧形连接部包括第一球面弧形连杆和第二球面弧形连杆，第一球面弧形连杆连接基座侧转动副与中间转动副，第二球面弧形连杆连接中间转动副与动平台侧转动副。

8、在一些实施例中，三条rrr运动链沿固定基座和动平台的周向间隔布置，各rrr运动链共同约束动平台相对于固定基座围绕共同旋转中心产生球面姿态运动。

9、在一些实施例中，第一球面弧形连杆和第二球面弧形连杆分别为球壳连杆，各球壳连杆以共同旋转中心为共同球心并位于半径不同的球面层上，使不同球壳连杆形成内外层嵌套的球壳式布置。

10、在一些实施例中，基座侧转动副、中间转动副和动平台侧转动副分别设有连接轴承，基座侧转动副的连接轴承设置于固定基座与第一球面弧形连杆之间，中间转动副的连接轴承设置于第一球面弧形连杆与第二球面弧形连杆之间，动平台侧转动副的连接轴承设置于第二球面弧形连杆与动平台之间。

11、在一些实施例中，还包括第一臂杆连接结构和第二臂杆连接结构，第一臂杆连接结构设置于固定基座，用于与机械臂的第一臂杆连接，第二臂杆连接结构设置于动平台，用于与机械臂的第二臂杆连接，以实现第一臂杆、固定基座、多个运动支链、动平台和第二臂杆的依次连接。

12、在一些实施例中，第一臂杆和第二臂杆分别具有第一内部通道和第二内部通道，基座贯通部与第一内部通道连通，平台贯通部与第二内部通道连通，使第一内部通道、贯通中空通道和第二内部通道依次连通形成连续的内部穿设空间，内部穿设空间用于供驱动绳、联动绳、供电线、信号线、流体管路或工具线束中的至少一种穿过。

13、在一些实施例中，还包括联动绳索安装结构和联动绳索导向结构，联动绳索安装结构设置于中空球面并联关节的预设位置，用于安装联动绳索；联动绳索导向结构用于限定联动绳索沿弧形连接部外侧的预定路径延伸，使联动绳索在弧形连接部的预定位置形成相切导向。

14、在一些实施例中，还包括联动绳索预紧固定结构，联动绳索预紧固定结构用于调节并保持联动绳索的初始张紧状态，联动绳索还用于限制动平台相对于固定基座的最大偏转范围，以形成机械限位。

15、在一些实施例中，还提供一种分段联动机械臂，包括操作臂、驱动装置、多根驱动绳索以及多根联动绳索；

16、操作臂包括多个依次连接的臂段，每个臂段包括多个臂杆和多个中空球面并联关节，多个臂杆与多个中空球面并联关节沿臂段的延伸方向交替连接；

17、每个中空球面并联关节包括固定基座、动平台、多个运动支链以及贯通中空通道；多个运动支链分别连接于固定基座与动平台之间，每个运动支链包括多个转动连接部以及连接相邻转动连接部的弧形连接部，各运动支链中的转动连接部按照使动平台相对于固定基座围绕共同旋转中心产生球面姿态运动的几何关系布置；

18、不同的弧形连接部至少部分位于以共同旋转中心为球心且径向位置不同的球面层，并围绕共同旋转中心形成空间错层的包络分布，使弧形连接部构成的传力路径避开共同旋转中心；

19、贯通中空通道包括形成于固定基座的基座贯通部、位于包络分布内侧的关节中心空腔以及形成于动平台的平台贯通部，基座贯通部、关节中心空腔和平台贯通部依次连通；贯通中空通道穿过共同旋转中心；

20、每根联动绳索连接于同一臂段内相邻两个中空球面并联关节之间，并按照使相邻两个中空球面并联关节形成确定角度对应关系的路径布置，以使同一臂段内的多个中空球面并联关节产生相同或近似相同的偏转角度；

21、驱动装置设置于操作臂的基座侧，多根驱动绳索分别由驱动装置引出并沿操作臂延伸，驱动装置通过收放多根驱动绳索驱动对应的臂段产生弯曲。

22、本发明具有如下有益效果：

23、本发明通过将多个运动支链分别连接于所述固定基座与所述动平台之间，并使每个所述运动支链包括多个转动连接部以及连接相邻所述转动连接部的弧形连接部，使所述固定基座与所述动平台之间形成由多个所述运动支链共同作用的运动约束和传力关系；通过将各所述运动支链中的转动连接部按照使所述动平台相对于所述固定基座围绕共同旋转中心产生球面姿态运动的几何关系布置，使多个所述运动支链在共同约束所述动平台运动的同时，使所述动平台能够围绕所述共同旋转中心产生球面姿态运动；通过使不同的所述弧形连接部至少部分位于以所述共同旋转中心为球心且径向位置不同的球面层，并围绕所述共同旋转中心形成空间错层的包络分布，使不同的所述弧形连接部在径向和空间位置上相互错开，从而使所述弧形连接部构成的传力路径避开所述共同旋转中心，减少实现球面姿态运动所需传力路径对所述共同旋转中心附近空间的占用，并有利于降低不同所述弧形连接部在姿态运动过程中的空间干涉；通过使所述贯通中空通道包括形成于所述固定基座的基座贯通部、位于所述包络分布内侧的关节中心空腔以及形成于所述动平台的平台贯通部，并使所述基座贯通部、所述关节中心空腔和所述平台贯通部依次连通，使所述固定基座至所述动平台之间形成连续贯通的内部空间，从而在实现球面姿态运动的同时保留贯穿关节中心区域的连续通行条件。

24、综上所述，本发明通过多个运动支链对动平台形成球面姿态运动约束，并使不同径向位置的弧形连接部围绕共同旋转中心形成空间错层的包络分布，使承担运动约束和传力作用的传力路径避开共同旋转中心，从而释放共同旋转中心附近的空间；在此基础上，通过依次连通的基座贯通部、关节中心空腔和平台贯通部，将所释放的中心区域形成连续的贯通中空通道。由此，球面姿态运动所需的传力路径与用于内部穿设和功能集成的中心连续贯通空间形成相互避让且彼此兼容的空间配置关系，使关节无需以占用中心贯通空间为代价实现球面姿态运动，也无需以压缩球面姿态运动所需传力空间为代价形成中心贯通通道，从而缓解有限关节空间内传力结构与中心连续贯通空间之间的空间冲突，减少中心区域占用及运动干涉，提高关节的姿态运动能力和内部集成能力。

25、本发明的其他有益效果将在下文中进一步述及。