绳索驱动切换装置及其绳驱机械臂

1.本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种绳索驱动切换装置及其绳驱机械臂。


背景技术：

2.区别于传统的关节串联型机械臂，连续型绳驱机械臂具有灵活度高、避障能力强等优点，在狭小空间和复杂环境中运动和操作能力强，在航空航天制造、大型装备检测维护等领域具有重要的应用价值。然而连续型绳驱机械臂仍然存在不可忽视的掣肘，即连续型绳驱机械臂的每个关节连接处均为独立驱动，每个关节段都对应3个或者4个电机驱动单元，导致连续型绳驱机械臂系统整体的体积庞大、重量大、成本高及可靠性低，限制了该系统的应用。
3.为了解决现有技术中连续型绳驱机械臂系统中驱动单元数量过多的问题，现有部分方案将关节连接处的电机驱动单元替换为弹性元件，把一段机械臂作为一个控制单元进行控制，另有部分方案直接利用弹性材料制作机械臂基体。上述方案均是使得机械臂控制单元具有弹性变形能力，从而使得控制单元能够实现类圆弧变形运动，如此便可以保证连续型机械臂的高灵活度的同时，减少电极驱动单元数量。但是上述方案同样也存在弊端，即类圆弧运动的运动精确性难以保证，会对连续型机械臂的绝对运动精度造成不利影响。


技术实现要素：

4.基于此，本发明提出了一种绳索驱动切换装置及其绳驱机械臂，通过对驱动电机进行复用，在不影响绳驱机械臂运动控制精度的前提下，减少了驱动电机的数量，大大缩小了驱动装置的体积、降低了成本、提高了可靠性。
5.本发明一方面公开了一种包括固定盘和旋转盘，所述固定盘与所述旋转盘同轴间隔设置，所述旋转盘能够相对所述固定盘轴向位移或者周向旋转；所述旋转盘在轴向上移动时具有分离位置和连锁位置；
6.所述绳索驱动切换装置还包括旋转盘驱动组件，所述旋转盘驱动组件包括棘爪，所述棘爪能够绕所述旋转盘的轴线旋转；所述旋转盘远离所述固定盘的一侧设有多个棘齿，多个棘齿间隔排布为与所述旋转盘同轴的环形；所述棘爪能够伸入所述棘齿之间或者与所述棘齿轴向抵接，当所述棘爪处于所述棘齿之间时，所述旋转盘位于所述分离位置，所述棘爪能够推动所述棘齿带动所述旋转盘旋转；当所述棘爪与所述棘齿轴向抵接时，所述棘爪推动所述旋转盘轴向运动至所述连锁位置；
7.所述固定盘上设有位于周向上的第一被动件和第二被动件，所述旋转盘上设有主动件，当所述旋转盘位于分离位置时，所述主动件与所述第一被动件、第二被动件分离，当所述旋转盘位于连锁位置时，所述主动件与所述第一被动件或者第二被动件驱动连接；所述旋转盘驱动组件还包括限制所述旋转盘旋转的旋转限位件。
8.在其中一个实施例中，旋转盘驱动组件还包括连接轴，所述固定盘与所述旋转盘
的中心位置设有轴孔，所述连接轴贯穿所述固定盘与所述旋转盘的轴孔，所述连接轴的两端设有轴向限位件，所述旋转盘和所述固定盘位于轴向限位件之间。
9.在其中一个实施例中，所述旋转限位件包括弹舌以及弹性件，所述弹性件使所述弹舌伸入所述棘齿之间。
10.在其中一个实施例中，所述弹舌与其中一侧所述棘齿的接触面被设置为平行于轴向的平面，所述弹舌与另一侧所述棘齿的接触面被设置为与轴向交叉的斜面。
11.在其中一个实施例中，旋转盘驱动组件还包括复位组件，所述复位组件使所述旋转盘具有远离所述固定盘的趋势。
12.在其中一个实施例中，所述固定盘上设有第一定位结构，所述旋转盘上设有第二定位结构，当所述旋转盘处于连锁位置时，所述第一定位结构与第二定位结构连接。
13.在其中一个实施例中，所述第一定位结构包括定位销或者定位孔，所述第二定位结构包括定位孔或定位销，所述定位销能够与所述定位孔插接。
14.在其中一个实施例中，所述棘爪为一个或多个。
15.在其中一个实施例中，所述旋转盘驱动组件还包括旋转轴和旋转臂，所述旋转臂连接在所述旋转轴的径向上，所述棘爪设于所述旋转臂的末端。
16.本发明另一方面公开了一种绳驱机械臂，包括机械臂本体、绳索驱动装置以及前述任一所述的绳索驱动切换装置，绳索驱动切换装置能够与绳索驱动装置驱动连接，所述绳索驱动装置与所述机械臂本体驱动连接。
17.有益效果
18.通过使用本发明的绳索驱动切换装置，只需要使用少数的主动件，即可以异步地对第一被动件及第二被动件进行驱动，从而可以非同时地调整绳驱机械臂的绳索，最终实现绳驱机械臂的位姿的调整。这种绳索驱动切换装置通过对主动件进行复用，大大降低了对于主动件数目的要求，大幅减少了使用了本发明的绳索驱动切换装置的绳驱机械臂的空间占用和重量，有效控制了制造成本。不仅如此，由于主动件数量的减少，使用了本发明的绳索驱动切换装置的绳驱机械臂的复杂程度有所降低，可以提高整个绳驱机械臂系统的可靠性。从另一方面来说，通过使用本发明的绳索驱动切换装置，本发明的绳驱机械臂对于机械臂本体的部分不需要进行改变，因此在操作方式上无需进行妥协，仍然可以保持原有的运动精度。
附图说明
19.图1为部分实施例中的本发明的绳驱机械臂的示意图；
20.图2为图1中的绳驱机械臂去除壳体后的示意图；
21.图3为部分实施例中的本发明的绳索驱动切换装置的爆炸图；
22.图4为部分实施例中的本发明的绳索驱动切换装置的旋转盘和固定盘的示意图；
23.图5为部分实施例中的本发明的绳索驱动切换装置的旋转盘处于分离位置时的示意图；
24.图6为部分实施例中的本发明的绳索驱动切换装置的旋转盘及主动件的示意图；
25.图7为部分实施例中的本发明的绳索驱动切换装置的旋转盘处于连锁位置时的示意图；
26.图8为部分实施例中的本发明的绳索驱动切换装置的棘爪及旋转限位件的示意图；
27.图9为部分实施例中的本发明的绳驱机械臂的绳索驱动装置的示意图；
28.其中，1为机械臂本体，2为绳索驱动装置，3为绳索驱动切换装置，11为臂杆关节，12为臂杆连接件，20为绳索驱动组件，21为导轨安装架，22为导轨，23为转接件，24为托架，25为丝杆单元，251为丝杆，252为丝杆滑块，255为齿轮，26为绳索固定架，27为绳索，31为固定盘，31a为第一定位结构，321为螺母，322为隔环，323为复位组件，324为旋转盘，324a为棘齿，325为连接轴，325a为端部，326为第二定位结构，326b为插入端，33为主动件，330为主动齿轮，331为短轴，332为联轴器，333为主动电机支架，334为主动电机，341为棘爪，341a为连接臂，341b为旋转轴，3421为弹舌，3421a为限位段，3422为弹性件，3423为弹舌安装架，3423a为轴向孔，3425为支架。
具体实施方式
29.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
30.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
31.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
32.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
34.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平
的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
35.参阅图1，图1示出了本发明一实施例中的绳驱机械臂的示意图，包括机械臂本体1、绳索驱动装置2以及本发明所述的绳索驱动切换装置3，如图2所示为绳驱机械臂去除外壳后的示意图，机械臂本体1包括若干段臂杆关节11，相邻的臂杆关节11之间通过臂杆连接件12相连，绳索驱动装置2包括多个绳索27以及多个绳索驱动组件20，绳索驱动组件20与绳索27驱动连接，每一段臂杆关节11上都连接有若干个绳索27，通过驱动多个绳索驱动组件20，可以对每个绳索27的运动进行控制，在多个绳索27相互配合之下，每段臂杆关节11的运动都可以进行精细控制，最终实现对机械臂本体1的精确控制。
36.需要指出的是，由于现有技术中的多个绳索驱动组件20均需要被电机等驱动装置进行控制，这就导致现有技术中的绳驱机械臂需要使用大量的驱动电机，这一方面导致驱动装置的成本很高，另一方面如此多的驱动电机会导致驱动部分的体积非常庞大，严重限制了绳驱机械臂的应用场景。
37.为了解决这一问题，本发明提出了一种绳索驱动切换装置，如图3所示，所述绳索驱动切换装置包括固定盘31和旋转盘324，所述固定盘31与所述旋转盘324同轴间隔设置，所述旋转盘324能够相对所述固定盘31轴向位移或者周向旋转。所述旋转盘在轴向上移动时具有分离位置和连锁位置。所述绳索驱动切换装置还包括旋转盘驱动组件34，所述旋转盘驱动组件34包括棘爪341，棘爪341能够绕旋转盘324的轴线旋转。如图4所示，旋转盘324远离所述固定盘31的一侧设有多个轴向延伸的棘齿324a，多个所述棘齿324a间隔排布为与所述旋转盘324同轴的环形。棘爪341能够伸入所述棘齿324a之间或者与所述棘齿324a轴向抵接，当棘爪341处于棘齿324a之间时，棘爪341能够推动棘齿324a带动旋转盘324旋转，此时旋转盘324位于所述分离位置；当棘爪341与棘齿324a轴向抵接时，棘爪341推动旋转盘324轴向运动至所述连锁位置。
38.所述固定盘31上还设有位于周向上不同位置的第一被动件和第二被动件，第一被动件和第二被动件分别与不同的绳索相连。如图6所示，所述旋转盘324上还设有主动件33，第一被动件和第二被动件能够分别与主动件33形成驱动连接，通过第一被动件与主动件33的配合，或者第二被动件与主动件33的配合，可以实现对绳索的操控。当旋转盘324处于连锁位置时，主动件33与所述第一被动件或者第二被动件驱动连接，当旋转盘324处于分离位置时，所述主动件33与所述第一被动件、第二被动件分离。如图3所示，所述旋转盘组件34还包括限制所述旋转盘324旋转的旋转限位件342。
39.本发明的所述绳索驱动切换装置在使用时，首先旋转盘324处于分离位置，即棘爪341位于棘齿324a之间，棘齿341旋转推动棘齿324a以及旋转盘324发生旋转，由于此时固定盘31上的第一被动件和第二被动件与旋转盘324上的主动件33分离，在此状态下旋转盘324可以自由旋转直至主动件33被旋转至与第一被动件或者第二被动件对准的位置。此时启动旋转限位件342，在其作用下旋转盘324无法旋转，主动件33被锁定在与第一被动件或者第二被动件对准的位置。这之后旋转棘爪341使其从棘齿324a之间脱出并且与棘齿324a的轴向相抵接，从而使得棘爪341轴向地将旋转盘324向固定盘31方向推动至连锁位置，主动件33顺利地与第一被动件或者第二被动件驱动连接，从而可以对于第一被动件、第二被动件连接的绳索进行控制。
40.当第一被动件或者第二被动件驱动完毕后，如果需要进一步对第二被动件或者第一被动件进行驱动，只需要首先启动旋转限位件342使旋转盘324无法旋转，这之后旋转棘爪341，使其从与棘齿324a抵接的状态变为伸入棘齿324a之间的状态。旋转盘324在这过程中也从连锁位置运动至分离位置。随后停止旋转限位件342，继续旋转棘爪341推动旋转盘324使主动件33移动至与第二被动件或者第一被动件相对准。此后操作与之前的操作方法一致，即启动旋转限位件，旋转棘爪341使旋转盘324从分离位置运动至连锁位置即可。
41.对本发明的绳索驱动切换装置的使用方法进行分析后可以看出，通过使用本发明的绳索驱动切换装置，只需要使用一个主动件33，即可以异步地对第一被动件及第二被动件进行驱动，从而可以非同时地调整绳驱机械臂的绳索，最终实现绳驱机械臂的位姿的调整。这种绳索驱动切换装置通过对主动件33进行复用，大大降低了对于主动件数量的要求，大幅减少了使用了本发明的绳索驱动切换装置的绳驱机械臂的空间占用和重量，有效控制了制造成本。不仅如此，由于主动件数量的减少，这种绳驱机械臂的复杂程度有所降低，可以提高整个绳驱机械臂系统的可靠性。从另一方面来说，通过使用本发明的绳索驱动切换装置，本发明的绳驱机械臂对于机械臂本体1的部分不需要进行改变，因此在操作方式上无需进行妥协，仍然可以保持原有的运动精度。
42.可以理解的，对于固定盘31和旋转盘324如何具体地设置，使其二者能够轴向相向运动，本发明的绳索驱动切换装置对此并不加以严格限制。如图3所示，在部分实施例中，绳索驱动切换装置还包括连接轴325，固定盘31与旋转324的中心都开设有轴孔，连接轴325贯穿固定盘31和旋转盘324的轴孔，从而使得旋转盘324仅能沿着连接轴325相对固定盘31运动。进一步地，连接轴325的两端还设置有轴向限位件，旋转盘324、固定盘31位于轴向限位件之间。这就使得旋转盘324的行程也受到限制，进一步保证了旋转盘324相对固定盘31运动时的稳定性。
43.具体的，在如图3所示的部分实施例中，所述轴向限位件包括螺母321和隔环322，隔环322对准所述轴孔且安装在固定盘31上，隔环322内设有内螺纹，螺母321对准所述隔环322，连接轴325的端部325a设有外螺纹，端部325a穿过所述轴孔后首先与隔环322螺纹连接，随后端部325a穿过隔环322进一步地与螺母321螺纹连接。如此设置，连接轴325可以十分牢固地固定在固定盘31上。所述轴向限位件还可以包括挡边，该挡边设置在连接轴325的端面上且沿连接轴325的径向延伸，所述挡边的宽度大于所述轴孔的内径。
44.类似地，本发明的绳索驱动切换装置对于旋转限位件34的具体结构没有严格要求。作为某些可实现的实施例，如图3、图4、图7、图8所示，所述旋转限位件34包括弹舌3421以及弹性件3422，所述弹舌3421沿旋转盘324的轴向延伸，弹性件3422驱动弹舌3421伸入棘齿324a之间。由于弹舌3421伸入棘齿324a之间，那么当旋转盘324想要旋转时，棘齿324a会与弹舌3421相互干涉，从而阻止了旋转盘324的旋转。具体的，如图8所示，旋转限位件34还包括设有轴向孔3423a的弹舌安装架3423，弹舌3421具有用于穿设在轴向孔3423a中的限位段3421a，弹性件3422可以为弹簧，弹簧套设在弹舌3421上，弹簧一端与弹舌安装架3423抵接，另一端与弹舌3421连接。在弹簧的弹力作用下，弹舌3421向旋转盘324的方向伸出，并且位于棘齿324a之间。
45.优选地，在部分实施例中，弹舌3421与一侧棘齿324a的接触面被设为平行于轴向的平面，弹舌3421与另一侧棘齿324a的接触面被设置为与轴向交叉的斜面。如此设置，弹舌
3421在伸入棘齿324a之间时，可以允许旋转盘324进行单向旋转，从而在切换主动件33与不同被动件连接时，不再需要重复启停旋转限位件34。
46.以下结合实例进行具体分析。在某些实施例中，主动件33已经与第一被动件驱动连接，目标是将主动件33调整为与第二被动件驱动连接。在该实施例中，弹舌3421允许旋转盘沿第一方向旋转。此时只要旋转棘爪341，使棘爪341从原本与棘齿324a抵接的状态变为位于棘齿324a之间，这之后使棘爪341沿第一方向旋转，在棘爪341的作用下，旋转盘324也沿着第一方向旋转，直至主动件与第二被动件对准即可。这种优选方案减少了操作步骤，结构简单而有效。
47.如图3所示，在部分实施例中，本发明的绳索驱动切换装置还可以包括复位组件323，所述复位组件323使所述旋转盘324具有远离所述固定盘31的趋势。通过设置复位组件323，旋转棘爪341就可以轻松地从与棘齿324a相抵接的位置移动至棘齿324a之间，即旋转盘324可以自动地从连锁位置移动至分离位置，进一步提高了本发明的绳索驱动切换装置运行时的可靠性。具体来说，所述复位组件可以为设置在固定盘31与旋转盘324之间的弹簧，所述弹簧两端分别与固定盘31、旋转盘324相抵接。
48.如图4、图5所示，在部分实施例中，固定盘31上设有第一定位结构31a，旋转盘324上设有第二定位结构326，当所述旋转盘324处于连锁位置时，所述第一定位结构31a与第二定位结构326连接。如此设置，可以进一步确保当旋转盘324处于连锁位置，主动件与第一、第二被动件驱动连接过程中的稳定性。可以理解的，第一定位结构31a与第二定位结构326的具体实现形式存在多种。作为某些可以实施的实施例，如图5所示，所述第一定位结构31a可以为设置在固定盘31轴向表面的轴向插孔，第二定位结构326可以为设置在旋转盘324上且轴向伸出的定位销，定位销的插入端326b能够与轴向插孔相插接固定。
49.显而易见的，本发明的绳索驱动切换装置可以仅设置一个棘爪341，单独一个棘爪341仍然可以保证本发明的绳索驱动切换装置的功能的实现。当然为了进一步保证棘爪与旋转盘324的棘齿324a的配合稳定性，棘爪341也可以设置为多个。但是正如前文中的描述，部分实施例中旋转限位件34同样也需要与旋转盘324的棘齿324a相互配合，为了避免旋转限位件34与棘爪341运行中发生冲突，在某些实施例中，如图8所示，所述旋转盘驱动组件34还包括旋转轴341b以及旋转臂341a，旋转臂341a连接在旋转轴341b的径向上，棘爪341设置在旋转臂341a的末端。如此设置，即使设置多个棘爪341也不会挤占旋转限位件34与棘齿324a配合的空间，兼顾了棘爪341与棘齿324a的配合时的稳定性，以及棘爪341与旋转限位件34之间的兼容性，使得本发明的绳索驱动切换装置在使用时具有更好的稳定性。
50.作为一个可实施的实例，如图8所示，本发明的绳索驱动切换装置还包括固定基座3424，其上安装有驱动棘爪341旋转的电机，当棘爪341与旋转轴341b连接时，电机与旋转轴341b的通过联轴器相连。固定基座3424上还设有支架3425，所述支架3425与固定盘31相连。
51.本发明另一方面公开了一种绳驱机械臂，包括前述任一所述的绳索驱动切换装置3、机械臂本体1以及绳索驱动装置2，机械臂本体1包括若干段臂杆关节11，相邻的臂杆关节11之间通过臂杆连接件12相连，绳索驱动装置2包括多个绳索27以及多个绳索驱动组件20，绳索驱动组件20与绳索27驱动连接，每一段臂杆关节11上都连接有若干个绳索27，通过驱动多个绳索驱动组件20，可以对每个绳索27的运动进行控制，在多个绳索27相互配合之下，每段臂杆关节11的运动都可以进行精细控制，最终实现对机械臂本体1的精确控制。由于绳
索驱动切换装置3的具体设置方式已在前文进行详细描述，任何有关绳索驱动切换装置3的设置都可以参照前文设置，在此不再赘述。
52.至于绳索驱动装置2的具体结构，显然本发明的绳驱机械臂对此并不加以限制。作为某些可以实现的实施例，如图9所示，绳索驱动装置2包括导轨安装架21、导轨22、转接件23、托架24、丝杆单元25以及绳索固定架26，导轨22安装在导轨安装架21上，导轨22上设有可沿其滑动的导轨滑块，导轨滑块与绳索固定架26连接，绳索固定架26与绳索27相连。丝杆单元25包括丝杆251以及设置于其上的丝杆滑块252，导轨滑块通过转接件23、托架24与丝杆滑块252相连接。丝杆251的驱动端设置有被动件(例如第一被动件、第二被动件)，所述被动件包括与丝杆连接的齿轮255，所述齿轮255能够被主动件33例如电机等所驱动，丝杆251带动丝杆滑块252滑动，从而使得导轨滑块以及绳索固定架26在导轨22上直线运动，带动绳索27运动，从而使得机械臂本体1的位姿发生变化。
53.在某些实施例中，作为具体可实现的方式，如图3所示，主动件33包括驱动齿轮330、短轴331、联轴器332、主动电机支架333以及主动电机334，驱动齿轮330能够与前述的齿轮255啮合，驱动齿轮330套设在短轴331上，联轴器332将短轴331以及主动电机334的驱动端相连，主动电机334安装在主动电机支架333上。
54.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
55.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。