可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置。水平滑台安装在液压驱动的升降平台上，驱动模块安装在由伺服电机驱动的水平滑台上，驱动模块端面安装连接机械臂模块；机械臂模块包括多个串联的关节臂和末端关节，关节臂与驱动模块间、相邻关节臂之间以及关节臂和末端关节间均通过连接铰连接，每个关节臂由三个沿圆周间隔均布的钢丝绳驱动，钢丝绳一端穿设地安装于关节臂，钢丝绳另一端连接到驱动模块。本发明专利技术可以实时获得机械臂的姿态，从而通过闭环反馈对机械臂进行精确控制，通过检测连接铰内两个相互垂直的转轴的相对转角来唯一确定当前关节的姿态，可消除因驱动绳拉力、负载、摩擦力等产生的误差。

High redundancy flexible manipulator device with joint attitude detection

The invention discloses a high redundancy flexible manipulator device capable of detecting joint postures. Horizontal table mounted lifting platform in hydraulic driving and driving module is mounted on the horizontal sliding table is driven by servo motor, drive connected manipulator module end; mechanical arm module includes a plurality of tandem articulated arm and end joint, joint between the arm and the drive module, the adjacent joint arm and joint arm and end joint are connected by a hinge connection, each joint arm driven by three spaced evenly distributed along the circumference of the wire rope, one end of the wire rope is penetrated and installed in joint arm steel wire rope, the other end is connected to the drive module. The invention can obtain the real-time attitude of the mechanical arm, through the precise control of mechanical arm closed-loop feedback, relative angle connecting two mutually vertical shaft hinge by testing to uniquely determine the current joint posture, which can eliminate the error caused by the driving rope tension, load, friction force etc..

【技术实现步骤摘要】
可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置
本专利技术涉及了机器人机械臂领域，尤其是涉及了一种可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置。
技术介绍
高冗余柔性机械臂主要是为了解决传统刚性关节机械臂无法在狭小空间工作而设计的，可以进入狭小空间完成设备维护、机械装配、救援救灾等任务。目前在冗余机械臂领域，主要有内置驱动和外置驱动两种形式，内置驱动主要采用气动伺服肌肉，外置驱动主要采用钢丝绳驱动。内置驱动由于气动伺服肌肉的特点，负载和控制精度较低。外置驱动则易因外负载、驱动绳张力、摩擦力等原因影响其定位精度，可以通过检测关节的姿态进行反馈控制来解决以上问题。因此，研究冗余机械臂的姿态检测具有重要意思。
技术实现思路
为了解决冗余机械臂精度低，无法检测姿态的技术问题，本专利技术涉及了一种可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置，可在狭小空间内工作，具有多自由度，具有姿态检测功能。本专利技术可通过一下技术方案来实现：本专利技术包括驱动模块、机械臂模块、水平滑台和升降平台，水平滑台安装在液压驱动的升降平台上，驱动模块安装在由伺服电机驱动的水平滑台上，驱动模块端面安装连接机械臂模块。整个驱动模块通过安装底板安装在由伺服电机驱动的直线滑台上，直线滑台安装在液压升降平台上，使得机械臂可实现水平和竖直方向的直线运动，增大了机械臂的运动操作空间。所述的机械臂模块包括底座、多个串联的关节臂和末端关节，多个关节臂串联后的一端与驱动模块之间、相邻关节臂之间以及多个关节臂串联后的另一端和末端关节之间均通过装有两个相互垂直转轴的连接铰连接，每个关节臂由三个沿圆周间隔均布(相隔120°)的钢丝绳驱动，钢丝绳一端穿设地连接到关节臂，钢丝绳另一端连接到驱动模块。每个关节臂由三根钢丝绳独立驱动，关节间通过具有两个铰接自由度的连接铰连接，连接铰内嵌入姿态检测模块，可实时检测机械臂的关节两个转角，通过这两个角度可唯一确定关节当前的姿态，获取每个关节的姿态后可推算出整个机械臂的姿态。所述的驱动各个关节臂的钢丝绳的穿设位置相错开。所述的驱动模块包括电机安装座、位于支撑端板以及连接在电机安装座和支撑端板之间沿圆周间隔均布的多个驱动组件，多个驱动组件与各根钢丝绳连接并驱动。每个驱动组件与驱动钢丝绳一一对应并排布在以关节中心为圆心的更大的一个圆周上，滑块与钢丝绳连接部分为细长状是为了使滑块直接驱动排布密集的驱动钢丝绳。每个驱动组件包括滑块、光轴、螺母、伺服电机和丝杠，伺服电机固定安装在电机安装座，伺服电机输出轴与丝杠一端同轴连接，丝杠另一端铰接到支撑端板，电机安装座和支撑端板之间连接平行于丝杠的光轴，丝杠外通过丝杠螺母副套装有螺母，光轴外活动套装有滑块，螺母和滑块固定连接，钢丝绳一端连接到滑块，钢丝绳另一端穿过支撑端板后连接到自身对应的关节臂上。每个驱动组件在以关节臂轴线为圆心的圆周上与各自的钢丝绳一一对应，按此布置方式使得丝杠与伺服电机在足够的空间内驱动分布密集的钢丝绳。所述的关节臂包括两个端盖、支撑筒、关节外壳、钢套和连接铰，支撑筒两端分别与两个端盖同轴固定连接，关节外壳罩在两个端盖之间的支撑筒外；端盖中心开有中心通孔，端盖的中心通孔和支撑筒形成用于电线穿过的中空通道；端盖的圆周边缘开有沿周向间隔均布的多个绳通孔，其中沿圆周等间隔设置的三个绳通孔处安装钢套，钢套用于钢丝绳穿设，钢丝绳穿过一个端盖的钢套后固定连接到另一个端盖上。每个关节均有三根钢丝绳与之固定，后一关节的钢丝绳从前一关节的孔中穿过。钢丝绳与关节之间是固定连接的，当钢丝绳需要穿过关节时，此处需要钢套。具体说明一下，第6个关节的3根钢丝绳顺次通过第5、4、3、2、1关节，所以第5个关节上有3个钢套。第6和第5关节的钢丝绳均通过第4关节所以，第4关节上有6个钢套。以此类推，第1个关节有15个钢套，因为后边5个关节的钢丝绳均要从第1关节通过，然后另外有三根钢丝绳与第1关节固定。由于钢丝绳穿过关节会有摩擦，设置钢套使得关节不被钢丝绳磨损。所述的支撑筒两端均设有法兰端部，两个端盖的内端面设有环形凸台，环形凸台嵌装到支撑筒的法兰端部内，支撑筒的法兰端部和端盖中心通孔外周围的端面和连接铰之间用螺钉连接。所述的末端关节包含关节端盖、安装架、激光器、摄像机、射灯和机械手，安装架固定安装在两块关节端盖之间，位于末端的关节端盖上安装有激光器、摄像机、射灯和机械手，可实现抓取、视觉伺服、雕刻等功能。所述的连接铰有两个旋转自由度，使得相邻两个关节之间有两个旋转自由度；所述的连接铰包含环形连接块、转轴、铰接座和连接电线，环形连接块四边的每个侧面均通过转轴与各自的铰接座一端铰接，环形连接块对称的一对侧面之间的连线作为一个旋转自由度方向，环形连接块对称的另一对侧面之间的连线作为另一个旋转自由度方向，环形连接块两个旋转自由度方向的铰接座分别固定连接到所述连接铰两端所连接的关节臂的端盖上。环形连接块内壁固定安装有姿态检测构件，姿态检测构件包含分别对应于两个旋转自由度的两个传感器电路板与两个磁铁，传感器电路板通过垫片固定在环形连接块内壁，传感器电路板上设有传感器芯片与两个接线端，磁铁固定在转轴端部，并贴近于传感器芯片，通过垫片调整磁铁与传感器芯片之间的间距，接线端用于串接传感器电路板。通过传感器芯片检测出磁铁转动的角度，由于磁铁与转轴、铰接座是同轴的，进而检测到连接铰的两个转动角度，通过这两个转动角度唯一确定关节的姿态，通过检测多个串联关节的姿态，用来推算整个机械臂的姿态，从而完成姿态检测。由此方式使得姿态检测装置是嵌入到关节内部的，实现姿态检测，不额外增加体积。所述的转轴一端上设有扁位，铰接座上开有具有与扁位配合的轴孔，转轴和轴孔通过扁位配合安装，使得转轴和铰接座同轴连接；所述的转轴另一端通过轴承安装在环形连接块侧面的安装孔内。本专利技术的有益效果：本专利技术采用嵌入式转角检测，通过检测连接铰内两个相互垂直的转轴的相对转角来唯一确定当前关节的姿态，使得在不增加关节体积的前提下实现高精度姿态检测(转角检测精度为0.1°)，从而通过闭环反馈对机械臂进行精确控制，可消除因驱动绳拉力、负载、摩擦力等产生的误差。本专利技术具有多自由度、动作灵活、定位精度高的特点，可在狭小有限空间内进行较高精度作业。附图说明图1是本专利技术一个实施例的整体示意图(省去了钢丝绳)；图2是本专利技术驱动模块一个实施例的示意图；图3是本专利技术一个关节实施例的示意图；图4是本专利技术一个末端执行器实施例的示意图；图5是本专利技术一个关节连接铰实施例的示意图；图6是本专利技术一个关节连接铰的装配示意图；图7是本专利技术一个姿态检测模块实施例的示意图。图中：驱动模块102、机械臂模块101、水平滑台103、升降平台104；滑块201、光轴202、螺母203、伺服电机204、丝杠205、钢丝绳206、电机安装座207、支撑端板208；端盖301、支撑筒302、关节外壳303、钢套304、连接铰305；激光器401、摄像机402、射灯403、机械手404、关节端盖405、安装架406；环形连接块501、转轴502、铰接座503、连接电线504；扁位601、轴承602；传感器电路板701、磁铁702，传感器芯片703、接线端704、垫片705。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。如图1所示，本专利技术具体实施包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置，其特征在于：包括驱动模块(102)、机械臂模块(101)、水平滑台(103)和升降平台(104)，水平滑台(103)安装在液压驱动的升降平台(104)上，驱动模块(102)安装在由伺服电机驱动的水平滑台(103)上，驱动模块(102)端面安装连接机械臂模块(101)。

【技术特征摘要】
1.一种可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置，其特征在于：包括驱动模块(102)、机械臂模块(101)、水平滑台(103)和升降平台(104)，水平滑台(103)安装在液压驱动的升降平台(104)上，驱动模块(102)安装在由伺服电机驱动的水平滑台(103)上，驱动模块(102)端面安装连接机械臂模块(101)。2.根据权利要求1所述的一种可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置，其特征在于：所述的机械臂模块(101)包括多个串联的关节臂和末端关节，多个关节臂串联后的一端与驱动模块(102)之间、相邻关节臂之间以及多个关节臂串联后的另一端和末端关节之间均通过装有两个相互垂直转轴的连接铰连接，每个关节臂由三个沿圆周间隔均布的钢丝绳(206)驱动，钢丝绳(206)一端穿设地连接到关节臂，钢丝绳另一端连接到驱动模块(102)。3.根据权利要求2所述的一种可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置，其特征在于：所述的驱动各个关节臂的钢丝绳(206)的穿设位置相错开。4.根据权利要求1所述的一种可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置，其特征在于：所述的驱动模块(102)包括电机安装座(207)、位于支撑端板(208)以及连接在电机安装座(207)和支撑端板(208)之间沿圆周间隔均布的多个驱动组件，多个驱动组件与各根钢丝绳(206)连接并驱动；每个驱动组件包括滑块(201)、光轴(202)、螺母(203)、伺服电机(204)和丝杠(205)，伺服电机(204)固定安装在电机安装座(207)，伺服电机(204)输出轴与丝杠(205)一端同轴连接，丝杠(205)另一端铰接到支撑端板(208)，电机安装座(207)和支撑端板(208)之间连接平行于丝杠(205)的光轴(202)，丝杠(205)外通过丝杠螺母副套装有螺母(203)，光轴(202)外活动套装有滑块(201)，螺母(203)和滑块(201)固定连接，钢丝绳(206)一端连接到滑块(201)，钢丝绳(206)另一端穿过支撑端板(208)后连接到自身对应的关节臂上。5.根据权利要求2所述的一种可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置，其特征在于：所述的关节臂包括两个端盖(301)、支撑筒(302)、关节外壳(303)、钢套(304)和连接铰(305)，支撑筒(302)两端分别与两个端盖(301)同轴固定连接，关节外壳(303)罩在两个端盖(301)之间的支撑筒(302)外；端盖(301)中心开有中心通孔，端盖(301)的中心通孔和支撑筒(302)形成用于电线穿过的中空通道；端盖(301)的圆周边缘开有沿周向间隔均布的多个绳通孔，其中沿圆周等间隔设置的三个绳通孔处安装钢套(304)，钢套(304)用于钢丝绳(206)穿设，钢...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢海波，王程，刘建彬，李树森，杨华勇，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33