一种分布式扭绳驱动的连续型柔性机械臂

1.本发明涉及连续型机械臂技术领域，特别是涉及一种分布式扭绳驱动的连续型柔性机械臂。


背景技术：

2.连续型机械臂固有的超冗余特性能够在任务执行过程中更加灵活地适应环境，提高受限空间下的操作能力；另一方面，连续型机械臂的柔性驱动使其能够在物理上实现固有的柔顺特性，相比算法层面的柔性更加安全可靠，在与环境发生接触时可以显著降低安全风险。此外，连续型机械臂可以实现整臂抓捕操作，对于未来多样性的空间被捕获目标具有更好的适应性。综上，连续型机械臂能够弥补传统机械臂的不足之处，可以替代或者辅助传统机械臂系统共同完成复杂的任务，在未来的航天在轨服务和智能机器人服务领域能够中发挥巨大的应用价值，具有广泛的应用前景。而现有的连续型机械臂在使用过程中均存在传动效率较低、摩擦和绳索变形损耗较大，控制难度高且效率低等问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种分布式扭绳驱动的连续型柔性机械臂，以解决上述现有技术存在的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.本发明提供一种分布式扭绳驱动的连续型柔性机械臂，包括机械臂本体和固定安装在所述机械臂本体末端的末端执行器，所述机械臂本体包括同轴等间距设置的若干个模块隔板，任意相邻两所述模块隔板之间安装有模块单元，所述模块单元包括柔性支撑骨架和沿所述柔性支撑骨架的周向等间距设置的若干个调节机构，所述柔性支撑骨架的两端分别与其相邻两所述模块隔板的中部固定连接，且所述柔性支撑骨架用于对相邻两所述模块隔板进行柔性支撑，所述调节机构固定安装在其相邻两所述模块隔板之间，所述调节机构用于调节所述柔性支撑骨架的朝向。
6.优选的，所述调节机构的数量不少于三个。
7.优选的，所述调节机构包括若干根平行设置的传动扭绳以及固定连接在所有所述传动扭绳两端的连接工装，其中一个所述连接工装与同侧相邻所述模块隔板固定连接，另一个所述连接工装通过驱动电机驱动旋转，所述驱动电机的输出轴与其相邻的所述连接工装传动连接，所述驱动电机与其相邻的所述连接工装分设在所述模块隔板两侧。
8.优选的，同一所述连接工装上的所述传动扭绳的数量不少于两根。
9.优选的，同一所述连接工装上的所述传动扭绳的数量为四根。
10.优选的，所述柔性支撑骨架为弹簧。
11.优选的，所述机械臂本体上远离所述末端执行器一端的所述模块隔板固定连接有机械臂底座。
12.优选的，还包括控制平台和控制器，所述控制器、若干个所述调节机构均与所述控
制平台电性连接。
13.本发明公开了以下技术效果：通过在机械臂本体中相邻两模板隔板之间均设置有模块单元，可对机械臂本体实现模块化分布控制；通过在每个模块单元中均设置有柔性支撑骨架和若干个调节机构，可实现各模块单元间的独立驱动，当指定的模块单元运动时，对其他模块单元的弯曲不会产生干涉或影响。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本发明分布式扭绳驱动的连续型柔性机械臂的整体结构示意图；
16.图2为本发明图1中a部分的局部放大图；
17.图3为本发明分布式扭绳驱动的连续型柔性机械臂的模块单元的弯曲构型；
18.图4为本发明分布式扭绳驱动的连续型柔性机械臂的运动构型；
19.其中，1、机械臂底座，2、连接筒，3、模块隔板，4、柔性支撑骨架，5、驱动电机，6、传动扭绳，7、连接工装，8、末端执行器。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
22.本发明提供一种分布式扭绳驱动的连续型柔性机械臂，包括机械臂本体和固定安装在机械臂本体末端的末端执行器8，机械臂本体包括同轴等间距设置的若干个模块隔板3，机械臂本体上远离末端执行器8一端的模块隔板3固定连接有机械臂底座1。任意相邻两模块隔板3之间安装有模块单元，通过在机械臂本体中相邻两模板隔板3之间均设置有模块单元，可对机械臂本体实现模块化分布控制。
23.模块单元包括柔性支撑骨架4和沿柔性支撑骨架4的周向等间距设置的若干个调节机构，柔性支撑骨架4的两端分别与其相邻两模块隔板3的中部固定连接，且柔性支撑骨架4用于对相邻两模块隔板3进行柔性支撑；调节机构固定安装在相邻两模块隔板3之间，调节机构用于调节柔性支撑骨架4的朝向；通过在每个模块单元中均设置有柔性支撑骨架4和不少于三个调节机构，可实现各模块单元之间的独立驱动，当指定的模块单元运动时，对其他模块单元的弯曲不会产生干涉或影响；同时通过每个模块单元内设置的不少于三个调节机构，可实现对柔性支撑骨架4在水平方向上不同角度的弯曲，提高了模块单元角度调节的范围，进而使机械臂本体的变形更加多样化。
24.进一步优化方案，调节机构包括若干根平行设置的传动扭绳6以及固定连接在所
有传动扭绳6两端的连接工装7，其中一个连接工装7与同侧相邻模块隔板3固定连接，另一个连接工装7通过驱动电机5驱动旋转，驱动电机5的输出轴与其相邻的连接工装7传动连接，驱动电机5与其相邻的连接工装7分设在模块隔板3两侧，驱动电机5与连接工装7固定连接，驱动电机5的输出轴贯穿连接工装7后与连接工装7连接。同一连接工装7上的传动扭绳6的数量不少于两根，从而保证传动扭绳6相互缠绕时，缩短上下对应两个连接工装7之间的距离；柔性支撑骨架4可为弹簧或弹性橡胶柱其中的一种，本实施例中柔性支撑骨架4优选为弹簧，柔性支撑骨架4的两端均固定连接有连接筒2，两个连接筒2均与其相邻的模块隔板3固定连接，且连接筒2与模块隔板3为一体成型结构。同一连接工装7上的传动扭绳6的数量优选为四根。
25.当本实施例分布式扭绳驱动的连续型柔性机械臂处于初始状态(即图1的未变形状态)时，弹簧(即柔性支撑骨架4)处于压缩状态，并且连接工装7上所有的传动扭绳6均处于绷直的状态；通过驱动电机5带动连接工装7转动，进而带动四根传动扭绳6相互缠绕，使得四根传动扭绳6的长度缩短，此时弹簧会朝着长度缩短的传动扭绳6一侧进行弯曲，改变了相邻两模块隔板3之间的距离，同时实现了模块单元水平方向上角度的调节，如图3、图4所示的本实施例分布式扭绳驱动的连续型柔性机械臂的模块单元的弯曲构型和分布式扭绳驱动的连续型柔性机械臂的运动构型；同一模块单元不同的驱动电机5同时工作时，可进一步增加模块单元在水平方向上角度调节的范围；本实施例中使用分布式驱动电机5替代了传统设置在机械臂根部的电机集中驱动的方式，使得本实施例中机械臂本体的各个模块单元内部的驱动电机5只需要控制自身所在的模块单元进行运动即可，解决了传统绳驱连续型机械臂中把电机布置在机械臂根部，而导致驱动力的分布极其不均匀，使得越靠近机械臂根部的驱动绳索越容易张紧，而越靠近机械臂末端的绳索越难以施加足够驱动力的技术问题；本实施例通过引入传动扭绳6驱动的形式，大幅度提高了驱动电机5减速比的同时保证了驱动柔性，从而实现了小扭矩驱动电机5可以提供较大的驱动拉力，解决了现有的连续型机械臂电机通过直接卷曲绳索实现机械臂驱动的方式中，电机需要具备比较大的驱动力矩，进而导致选型时需要较大功率的电机，造成电机质量较大，无法直接分布到机械臂模块内部的技术问题；此外，本实施例通过引入传动扭绳6驱动的形式，使得传动扭绳6的张力主要由驱动电机5轴向拉伸螺钉与连接工装7承受，不会对驱动电机5产生过大的扭矩，能够降低驱动电机5的负载，提升了机械臂本体驱动系统的使用寿命，解决了现有的连续型机械臂中电机转角与绳索收缩量近似呈线性关系，导致绳索拉伸产生的张力直接作用到电机上，使得张紧的绳索需要电机持续提供较大扭矩的技术问题。
26.进一步优化方案，还包括控制平台和控制器，控制器、若干个调节机构均与控制平台电性连接；通过控制器向驱动电机发送指令，控制平台根据驱动电机5反馈的角位移信息进行正逆运动学求解运算并向驱动电机5发送控制指令，通过各模块单元中分布的驱动电机5执行最终需要的控制效果。本实施例中机械臂本体末端还可以扩展添加视觉或力传感器设备，可以将末端传感器信号传输到控制平台，便于连续型机械臂实现视觉检测、装配加工等复杂任务。
27.本发明提供的分布式扭绳驱动的连续型柔性机械臂，在使用时，根据需求通过控制器向驱动电机5发送指令，控制平台根据驱动电机5反馈的角位移信息行正逆运动学求解运算并向驱动电机5发送控制指令，使得模块单元中的驱动电机5进行旋转，驱动电机5带动
连接工装7进行转动，进而会使得连接工装7上固定连接的四根平行设置的传动扭绳6相互缠绕，使得四根传动扭绳6的长度缩短，此时弹簧会朝着长度缩短的传动扭绳6一侧进行弯曲，改变了相邻两模块隔板3之间的距离，同时实现了模块单元水平方向上角度的调节；通过各模块单元中分布的驱动电机5执行最终需要的控制效果。本发明实现了各模块单元之间的独立驱动，当指定模块单元运动时对其他模块单元的弯曲不会产生干涉或影响，解决了现有各类连续型机械臂并不具备完全独立驱动个别模块单元的能力，所有模块单元均靠根部巨大的电机来驱动，并且远端模块单元的驱动绳索需要采取各种技术手段通过当前模块单元与根部电机之间的所有模块单元，而导致的传动效率较低、摩擦和绳索变形损耗较大，控制难度高且效率低等技术问题；本发明采用传动扭绳6驱动的方式代替传统的绳索直接驱动的方式，降低了机械臂操作过程中需要的电机扭矩，解决了现有的连续型机械臂多采用根部电机直接卷曲绳索来进行驱动时，所需要的扭矩较大而不得不使用重量和功率都比较大的驱动电机的技术问题；此外，本发明采用传动扭绳6驱动的方式代替传统的绳索直连电机转动轴的方式，降低了外荷载或冲击作用引起的绳索张力骤变而对电机造成的损害，由于绳索本身受扭转变形后产生的扭转方向弹性力非常小，因此大部分绳索张力变化由连接工装7和螺钉承受，降低了对驱动电机5产生的冲击，提高了使用过程中驱动电机5的安全性。
28.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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。
29.以上的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。