一种拉线驱动的可旋转机械臂

1.本发明涉及软体机器人技术领域，特别涉及一种拉线驱动的可旋转机械臂。


背景技术：

2.由于柔性机械臂极强的环境适应性和结构柔顺性等优势，近年来已引起国内外科研人员的广泛研究和关注。相较于传统刚性机械臂，柔性机械臂还具有更安全的人机交互性，对细小易碎物体更强的操作能力，有着广泛的应用前景。目前有四种主流的驱动形式：拉线驱动、气驱动、sma驱动(形状记忆合金)、epa驱动(介电弹性材料)。此外还有通过多舵机串联形式实现的柔性机械臂。
3.针对拉线驱动形式的柔性机械臂仍存在一些问题。
4.现有方案(1)：帝国理工学院angus b.clark团队研发了一款用于微创手术的连续体机械手endo[1].endo由三段脊柱组成，每段由五个3d打印的刚性盘组成，相邻两刚性盘之间由四根柔性的tpu韧带连接形成关节。每段脊柱由两对相互正交的拉线控制弯曲，每对拉线由一个舵机驱动。三段式的endo在舵机控制下可以实现十分复杂的运动轨迹。
[0005]
上述方案(1)缺点是：endo的细长tpu韧带在经过反复驱动后容易产生疲劳或者导致关节之间的相对扭转，影响机械手的操作空间。随着时间的推移，对位置的控制精度会逐渐下降。同时整体结构设计使其不具备较大的负载能力。
[0006]
现有方案(2)：华南理工大学钟勇团队研发的一款线驱动的连续体机械手指[2]。每节由3d打印的外壳组成，由连接环相互连接。连接环内嵌套了薄壁轴承，在轴承内圈放置端盖用于穿过拉线。每对拉线由一个舵机驱动，同时底部由步进电机带动整体旋转。
[0007]
上述方案(2)缺点是：每两个相邻的薄壁轴承之间容易产生相对扭转，随着外壳的转动会不断使拉线缠绕，导致控制精度相对较低。
[0008]
文献[1]clark a.b.,mathivannan v.and rojas n.,“a continuum manipulator for open-source surgical robotics research and shared development,”in ieee transactions on medical robotics and bionics,vol.3,no.1,pp.277-280,feb.2021.
[0009]
文献[2]华南理工大学.一种绳驱动多自由度自适应机械手：中国，2022100917621[p]，2022-04-29.


技术实现要素：

[0010]
本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明实施例提供一种拉线驱动的可旋转机械臂，通过绳驱组件对内芯部分进行驱动，实现两个平面的弯曲，通过壳驱组件驱动外壳部分相对内芯部分旋转，可以实现三个自由度的运动，外壳部分和内芯部分独立驱动，避免拉线过度缠绕。
[0011]
根据本发明实施例的拉线驱动的可旋转机械臂，包括底座；内芯部分，所述内芯部分包括多节依次连接的内芯，首端的所述内芯与底座固定，相邻两节所述内芯之间通过连接环进行连接，所述连接环设置有与其中一节所述内芯铰接的第一转动轴部，所述连接环
设置有与另一节所述内芯铰接的第二转动轴部，所述第一转动轴部的轴线和所述第二转动轴部的轴线之间具有夹角，以使相邻两节所述内芯之间至少可在两个方向上相互转动；绳驱组件，所述绳驱组件包括设置在所述内芯部分内的两对拉线，每对所述拉线分别连接有第一驱动单元并由该第一驱动单元进行驱动，以分别驱动所述内芯部分在在第一平面和第二平面进行弯曲，各所述第一转动轴部的轴线垂直于所述第一平面，各所述第二转动轴部的轴线垂直于所述第二平面；外壳部分，所述外壳部分套在所述内芯部分外圈，所述外壳部分包括多节依次连接的外壳，相邻两节所述外壳之间固定连接，所述外壳部分和所述内芯部分之间设置有多个薄壁轴承，以使所述外壳部分可相对所述内芯部分旋转；以及壳驱组件，所述壳驱组件包括用于驱动所述外壳部分转动的第二驱动单元。
[0012]
在可选或优选的实施例中，所述内芯外圈置有圆环凸台，所述薄壁轴承套在所述圆环凸台上，所述薄壁轴承与所述圆环凸台过盈配合，相邻两节所述外壳之间设置有供所述薄壁轴承放置的环形槽，从而使所述外壳可相对所述内芯旋转。
[0013]
在可选或优选的实施例中，所述第二驱动单元包括安装在所述底座上的步进电机、安装在所述步进电机的输出轴上的主动齿轮、以及与该主动齿轮啮合的底端齿轮，首端的所述外壳与所述底端齿轮固定，从而使步进电机通过所述底端齿轮驱动所述外壳部分旋转。
[0014]
在可选或优选的实施例中，所述底端齿轮套在首端的所述内芯的薄壁轴承上。
[0015]
在可选或优选的实施例中，相邻两节所述外壳之间的连接面均设置有凹槽，两个所述凹槽围成所述环形槽。
[0016]
在可选或优选的实施例中，所述外壳为tpu材质3d打印的柔性波纹管结构。外壳采用tpu柔性材料制造，同时类似波纹管的结构设计使其具有更好的柔顺性和变形能力。
[0017]
在可选或优选的实施例中，所述第一转动轴部包括共轴线的两个第一凸起，所述第一凸起固设在所述连接环上，所述内芯一端开设有供第一凸起插入转动的第一轴孔，所述第二转动轴部包括共轴线的两个第二凸起，所述第二凸起固设在所述连接环上，所述，所述内芯另一端开设有供所述第二凸起插入转动的第二轴孔。
[0018]
在可选或优选的实施例中，所述第一转动轴部的轴线和所述第二转动轴部的轴线之间的夹角为90
°
，所述第一平面和所述第二平面垂直，四根所述拉线圆周均匀分布，所述圆环凸台设置有供各所述拉线穿过的线孔。
[0019]
在可选或优选的实施例中，其中一个所述第一驱动单元包括安装在所述底座上的第一舵机以及由所述第一舵机驱动的第一舵盘，另一个所述第一驱动单元包括安装在所述底座上的第二舵机以及由所述第二舵机驱动的第二舵盘，两对所述拉线分别安装在所述第一舵盘和所述第二舵盘上，以通过所述第一舵盘驱动所述内芯部分在第一平面弯曲，和/或通过所述第二舵盘驱动所述内芯部分在第二平面进行弯曲。
[0020]
在可选或优选的实施例中，所述内芯部分内设置有空心软管，所述连接环安装在所述空心软管上。
[0021]
基于上述技术方案，本发明实施例至少具有以下有益效果：上述技术方案，绳驱组件中的两对拉线，能驱动内芯在两个平面上弯曲，壳驱组件能驱动外壳部分相对内芯旋转，可以实现三个自由度的运动，即两个平面内的弯曲，和一个轴线的自转；通过在内芯和外壳之间布置薄壁轴承，同时固定了首端的内芯，使得内部的内芯部分不受外部的外壳部分旋
转影响，避免拉线过度缠绕。
附图说明
[0022]
下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
[0023]
图1是本发明实施例的透视图；
[0024]
图2是本发明实施例中内芯与外壳连接的爆炸图；
[0025]
图3是本发明实施例中内芯、外壳、壳驱组件与底座连接的爆炸图；
[0026]
图4是本发明实施例中两段外壳部分的结构示意图。
具体实施方式
[0027]
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0028]
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。
[0029]
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0030]
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
[0031]
参照图1至图4，一种拉线驱动的可旋转机械臂，包括底座10、内芯部分、绳驱组件、外壳部分以及壳驱组件，其中，图1出示的是单段机械臂。
[0032]
如图2和图3所示，内芯部分包括多节依次连接的内芯21，首端的内芯21与底座10固定，本实施例中所述“首段”、“首端”是指与底座10连接的一段或一端。
[0033]
相邻两节内芯21之间通过连接环26进行连接，连接环26设置有与其中一节内芯21铰接的第一转动轴部，连接环26设置有与另一节内芯21铰接的第二转动轴部，第一转动轴部的轴线和第二转动轴部的轴线之间具有夹角，以使相邻两节内芯21之间至少可在两个方向上相互转动。内芯部分内设置有空心软管29，连接环26安装在空心软管29上，空心软管29起到对内芯部分的支撑。连接环26中间通孔与空心软管29配合，空心软管29内外径分别为6mm、8mm。空心软管29对整体结构起支撑作用，同时空心软管内可布置末端执行器电机或摄像头类传感器的控制线。
[0034]
具体而言，第一转动轴部包括共轴线的两个第一凸起27，第一凸起27固设在连接环26上，内芯21一端开设有供第一凸起27插入转动的第一轴孔23，第二转动轴部包括共轴线的两个第二凸起28，第二凸起28固设在连接环26上，内芯21另一端开设有供第二凸起28插入转动的第二轴孔24。进一步的，第一转动轴部的轴线和第二转动轴部的轴线之间的夹
角为90
°
，第一平面和第二平面垂直，即连接环26上的第一凸起27和第二凸起28正交。四根拉线圆周均匀分布，内芯21外圈置有圆环凸台22，圆环凸台22设置有供各拉线穿过的线孔。本实施例中，内芯21外圈开设有半圆孔，圆环凸台22内圈开设有半圆孔，两个半圆孔围成线孔。同时负责驱动的拉线由圆环凸台22内径下面的线孔穿过，到每段机械臂末端固定。
[0035]
本实施例中，每节内芯21总长34mm，两端分别有一对轴孔，直径为3mm，分别为第一轴孔23和第二轴孔24，两对轴孔方向相互正交。轴孔与连接环11上的凸起间隙配合，即第一凸起27和第一轴孔23间隙配合，第二凸起28和第二轴孔24间隙配合。内芯21每端设置两个凸耳，轴孔设置在凸耳上，相邻两节内芯21之间，对应的凸耳正交。
[0036]
内芯21为刚性零件，由pla材质3d打印而成。
[0037]
绳驱组件包括设置在内芯部分内的两对拉线，每对拉线分别连接有第一驱动单元并由该第一驱动单元进行驱动，以分别驱动内芯部分在在第一平面和第二平面进行弯曲，各第一转动轴部的轴线垂直于第一平面，各第二转动轴部的轴线垂直于第二平面。
[0038]
具体而言，参照图1，其中一个第一驱动单元包括安装在底座10上的第一舵机31以及由第一舵机31驱动的第一舵盘33，另一个第一驱动单元包括安装在底座10上的第二舵机32以及由第二舵机32驱动的第二舵盘34，两对拉线分别安装在第一舵盘33和第二舵盘33上，以通过第一舵盘33驱动内芯部分在第一平面弯曲，和/或通过第二舵盘34驱动内芯部分在第二平面进行弯曲。
[0039]
拉线缠绕在第一舵盘33上，第一舵盘33由第一舵机31驱动。随着第一舵机31的左右转动，第一舵盘33上面两段的拉线会相应的分别拉长缩短，传导到内芯部分上的效果就是会使机械臂朝着拉线缩短的方向弯曲。整个机械臂由两对相互正交的拉线驱动，两对拉线分别由两个舵机控制，即第一舵机31和第二舵机32。每个舵机可以使机械臂在一个平面弯曲，两个平面对应两个自由度。当叠加两个舵机运动时，可使机械臂在整个空间内弯曲，到达设置的任意目标点。
[0040]
另外，底座10包括基座11和导轨12，导轨12与基座11固定，导轨12上安装基板13，绳驱组件安装在基板上，基板13可沿导轨12滑动并固定，可调节绳驱组件的位置。壳驱组件和内芯部分均安装在基座11上。底座10采用pla材质打印。
[0041]
外壳部分套在内芯部分外圈，外壳部分包括多节依次连接的外壳41，相邻两节外壳41之间固定连接，外壳部分和内芯部分之间设置有多个薄壁轴承25，以使外壳部分可相对内芯部分旋转。
[0042]
具体而言，内芯21外圈置有圆环凸台22，薄壁轴承25套在圆环凸台22上，薄壁轴承25与圆环凸台22过盈配合，相邻两节外壳41之间设置有供薄壁轴承25放置的环形槽，从而使外壳41可相对内芯21旋转。进一步的，相邻两节外壳41之间的连接面均设置有凹槽42，两个凹槽42围成环形槽。
[0043]
可以理解的是，圆环凸台22与薄壁轴承25过盈配合，薄壁轴承25内径为70mm，外径为88mm，厚度为5mm。外壳41两端都有直径为88mm，深度为2.5mm的凹槽42。
[0044]
两节外壳41两端外部边缘每90
°
有一个直径3mm的通孔，通过螺栓螺母与下一节外壳固定连接。本实施例中的两节外壳是通过螺栓进行固定连接，在其它的实施例中，亦可采用卡扣等方式进行固定连接。此时连接后的两节外壳41中间凹槽直径为5mm，用于放置薄壁轴承25。
[0045]
壳驱组件包括用于驱动外壳部分转动的第二驱动单元。具体而言，第二驱动单元包括安装在底座10上的步进电机51、安装在步进电机51的输出轴上的主动齿轮52、以及与该主动齿轮52啮合的底端齿轮53，首端的外壳41与底端齿轮53固定，从而使步进电机51通过底端齿轮53驱动外壳部分旋转，可顺时针也可逆时针转动。
[0046]
如图2所示，与基座11固定的内芯21只有一端设置有与连接环26连接的凸耳，通过连接环26与下一节内芯21连接，但是同样设置有圆环凸台22，圆环凸台22放置薄壁轴承25。底端齿轮53套在首端的内芯21的薄壁轴承25上。
[0047]
具体的，底端齿轮53厚度为8mm，底部有直径为88mm，深度5mm的凹槽用于与薄壁轴承25配合。底端齿轮53上端面有四个3mm通孔通过螺栓螺母与首端的第一节外壳21连接。步进电机的主动齿轮52与底端齿轮啮合传动，带动整个外壳部分的旋转。
[0048]
此时整个机械臂的内芯部分与底座连接，首端的固定使整个内芯部分无法转动或扭转，通过各薄壁轴承25与外壳部分隔离开，步进电机51驱动各外壳41转动，也不影响内部的内芯部分。同时由于拉线布置在刚性的内芯41上，内芯41的无法转动解决了因机械臂转动可能导致的拉线缠绕问题。
[0049]
外壳41为tpu材质3d打印的柔性波纹管结构，tpu为柔性材质，类似于波纹管的结构使得外壳41具有能够受力弯曲变形的性质。
[0050]
本发明中，绳驱组件中的两对拉线，能驱动内芯在两个平面上弯曲，壳驱组件能驱动外壳部分相对内芯旋转，可以实现三个自由度的运动，即两个平面内的弯曲，和一个轴线的自转；通过在内芯和外壳之间布置薄壁轴承，同时固定了首端的内芯，使得内部的内芯部分不受外部的外壳部分旋转影响，避免拉线过度缠绕。
[0051]
本发明通过两对拉线实现两个平面的弯曲，拉线由两个舵机控制。通过线驱动，可以使质量较大的驱动器远离末端执行机构，通过合理的排布，可以减轻末端执行器的惯量，提升动态性能；线驱动排布灵活，可以使本发明几何空间占用少，做到较小的尺寸，非常适合空间狭小且所需驱动自由度数目多的传动场合，对复杂工作环境具有良好的适应性，且符合仿生学设计的背景和要求，具有广泛的应用前景。
[0052]
壳驱组件能驱动外壳部分相对内芯旋转，轴线转动的自由度，后续应用中，可以在机械臂的末端添加摄像头、与外壳相连的机械爪等机构，使其具有拧、钻等动作的功能。
[0053]
步进电机的主动齿轮与底端齿轮啮合传动，带动整个外壳部分的旋转，机械臂外壳部分整体旋转的自由度是目前大多数机械臂不具备的。
[0054]
图4展示的是两段式的机械臂弯曲效果，其中，可以参考第一平面，需要说明的是，本领域技术人员能够理解，第一平面和第二平面是为了描述机械臂通过内芯部分具有两个平面内的弯曲自由度。所述的第一平面是相对于第一转动轴部的轴线而言，第一转动轴部的轴线是基于两个第一凸起而言，第二平面是相对第一平面而言，但第一转动轴部发生位置变化后，第二平面也会发生变化，并不能以图中所在平面作为限制。
[0055]
两段机械臂中，其中只出示了外壳部分，每段分别由两个舵机控制。第一段拉线从起始部分穿过到第一段末端内芯固定，第二段拉线先从空心软管穿过，从第二段起始节内芯开始到第二段末端内芯固定。通过控制四个舵机运动能实现更加复杂的运动轨迹。
[0056]
本发明具有很强的拓展性，可根据实际应用场景需要改变相应尺寸大小，长度等，且能通过增加线的对数做成多段式结构，如图4出示的两段机械臂，每段之间弯曲相对独
立，能完成更加复杂的运动轨迹。此外，本发明大多数材料采用3d打印，制造简便，成本低廉，对安装精度要求也不高，对外力有一定的承载能力，极具性价比。
[0057]
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。