绳索驱动多自由度串联机械臂及其驱动方法技术

本发明专利技术公开了一种绳索驱动多自由度串联机械臂及其驱动方法，属于机械臂领域。该绳驱动机械臂包括基座、腰部关节单元、腰部平台、大臂单元、小臂单元、末端平台单元等。钢丝绳索一端固定于关节处从动轮，一端固定于腰部平台处的驱动单元绞盘处，实现了驱动力依靠绳索从腰部平台绞盘处传递至后端关节从动轮，从而驱动各关节单元绕各自关节轴做旋转运动。各关节驱动绳索依靠导向滑轮导向，并依次绕过前端各关节轴，通过规定的轴导向轮直径的设置，建立了一种驱动方法，实现机械臂前端任意关节转动，而末端相对世界坐标系的姿态保持不变。绳索自身柔性增加机械臂与环境接触的缓冲效果，尤其适用于对机械臂与人、环境交互安全性需求高的场合。

Wire driven multi degree of freedom series manipulator and its driving method

The invention discloses a wire driven multi freedom series mechanical arm and a driving method thereof, belonging to the field of mechanical arm. The rope drive manipulator consists of base, waist joint unit, waist platform, big arm unit, small arm unit, end platform unit, etc.. The wire rope is fixed at one end of the joints from the wheel, one end of the driving unit is fixed on the waist winch platform, the driving force on the rope from the waist to the back platform winch transfer joint from the wheel, thereby driving the joint unit around the respective joint axis rotation. The joint driving rope pulley on orientation, and turn around in front of each joint shaft through the shaft diameter of the guide wheel set provisions, establish a driving method for realization of the front end of the mechanical arm and the end of arbitrary joint rotation relative to the world coordinate system attitude remains unchanged. The flexibility of the rope increases the buffering effect of the contact between the manipulator and the environment, and is especially suitable for the occasions where the mechanical arm and the human environment interact with high safety requirements.

【技术实现步骤摘要】
绳索驱动多自由度串联机械臂及其驱动方法
本专利技术涉及一种多关节机械臂
，特别是涉及一种绳索驱动的、关节耦合的绳索驱动多自由度串联机械臂及其驱动方法。
技术介绍
目前，传统多自由度串联机械臂多采用液压、电机驱动，且驱动系统安装在机械臂关节处，各关节的驱动单元又成为下一级关节的负载，存在结构复杂、体积重量大、转动惯量大、系统柔性差、负载自重比低等缺点，限制了机械臂的承载能力、高速运动和快速响应能力。传统机械臂的高刚性、大惯量，使得不得不考虑人-机器、环境-机器之间交互的安全性。此外，为了克服传统机械臂存在的缺点，提高系统的负载自重比，提升系统的安全性能，提出一种绳索驱动多自由度串联机械臂。绳索能容易地实现在任意路径实现拉力的传递，因此可以将传统机械臂关节上的驱动电机安装后置于基座位置，利用绳索的自由走线配置，将驱动力传至关节处，实现机械臂关节的运动。驱动机构后置，能极大地减小机械臂的重量、降低关节惯量，结构简单，易于实现，同时系统的负载自重比得到了提升。但是，关节绳索之间的耦合现象又不可避免，这是实现机械臂运动首要解决的问题。通过对现有公开技术文献检索发现，上海交通大学的陶俊等人本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种绳索驱动多自由度串联机械臂，其特征在于：包括基座底板(1)、腰部平台(3)、大臂单元(9)、小臂单元(11)、末端平台单元(13)；所述腰部平台(3)上还安装有腰部驱动单元(4)、大臂驱动单元(5)、小臂驱动单元(6)和末端驱动单元(7)；上述腰部驱动单元(4)、大臂驱动单元(5)、小臂驱动单元(6)和末端驱动单元(7)均由电机、联轴器、绳索绞盘及绕于绳索绞盘上的绳索组成；所述腰部平台(3)通过腰部单元(2)安装于基座底板(1)上；腰部单元(2)包括和腰部转轴(204)和腰部支座(202)，腰部转轴(204)的旋转轴沿竖直方向，腰部支座(202)与基座底板(1)固接，腰部转轴(204)与腰...

【技术特征摘要】
1.一种绳索驱动多自由度串联机械臂，其特征在于：包括基座底板(1)、腰部平台(3)、大臂单元(9)、小臂单元(11)、末端平台单元(13)；所述腰部平台(3)上还安装有腰部驱动单元(4)、大臂驱动单元(5)、小臂驱动单元(6)和末端驱动单元(7)；上述腰部驱动单元(4)、大臂驱动单元(5)、小臂驱动单元(6)和末端驱动单元(7)均由电机、联轴器、绳索绞盘及绕于绳索绞盘上的绳索组成；所述腰部平台(3)通过腰部单元(2)安装于基座底板(1)上；腰部单元(2)包括和腰部转轴(204)和腰部支座(202)，腰部转轴(204)的旋转轴沿竖直方向，腰部支座(202)与基座底板(1)固接，腰部转轴(204)与腰部平台(3)固联，腰部转轴(204)套于腰部支座(202)上，两者之间通过轴承相连；腰部驱动单元(4)的腰部绳索(20)两端分别绕于腰部转轴(204)并与其固定；所述腰部平台(3)上固定有一对腰部左、右侧板(302-1，302-2)，腰部左右侧板之间安装有一水平布置的大臂关节转轴(901)；大臂关节转轴(901)上还安装有大臂关节从动轮(8)、小臂关节滑轮(16)、第一末端关节滑轮(17-1)；大臂单元(9)的下端和大臂关节从动轮(8)均与大臂关节转轴(901)固联；大臂驱动单元(5)的大臂绳索(21)两端分别绕于大臂关节从动轮(8)并与其固定；大臂单元(9)上还安装有小臂绳索张紧装置(14-1)；所述小臂单元(11)的下端通过水平布置的小臂关节转轴(1101)与大臂单元的上端相连；小臂关节转轴(1101)上还安装有小臂关节从动轮(10)和第二末端关节滑轮(17-2)；小臂单元(11)的下端、小臂关节从动轮(10)均与小臂关节转轴(1101)固联；小臂绳索(22)两端依次经过小臂关节滑轮(16)、小臂绳索张紧装置(14-1)后，分别绕于小臂关节从动轮(10)并与其固定；小臂单元(11)还安装有末端绳索张紧装置(14-2)；所述末端平台单元(13)的下端通过水平布置的末端关节转轴(1301)与小臂单元(13)的上端相连；上述末端关节转轴(1301)上还安装有末端关节从动轮(12)；末端平台单元(13)的下端、末端关节从动轮(12)均与末端关节轴固连；末端驱动单元(7)的末端绳索(23)两端依次经过第一末端关节滑轮(17-1)、第二末端关节滑轮(17-2)、末端绳索张紧装置(14-2)后，分别绕于末端关节从动轮(12)并与其固定。2.根据权利要求1所述的绳索驱动多自由度串联机械臂，其特征在于：所述小臂绳索(22)卷绕过的小臂关节滑轮(16)与小臂关节从动轮(10)直径相等；所述末端绳索(23)卷绕过的第一末端关节滑轮(17-1)、第二末端关节滑轮(17-2)与末端关节从动轮(12)直径相同；所述小臂绳索(22)、末端绳索(23)与小臂绳索绞盘(602)、末端绳索绞盘(702)构成的卷绕回路中，不存在交叉。3.根据权利要求1所述的绳索驱动多自由度串联机械臂，其特征在于：所述的小臂绳索张紧装置(14-1)和末端绳索张紧装置(14-2)结构如下，包括基板(1410)和左、右两个张紧臂(1404-1，1404-2)；基板(1410)上设置有上、下两个螺栓孔，左边张紧臂的右端通过螺栓安装于一个螺栓孔处，右边张紧臂的左端通过螺栓安装于另一个螺栓孔处；左边张紧臂的左端和右边张紧臂的右端分别安装左、右臂带槽滑轮(1402-1，1402-2)；张紧臂在相应的螺栓孔处还设置有扭簧孔套(1409)、左、右扭簧(1408-1，1408-2)、固定螺母(1414)；左、右臂扭簧(1408-1，1408-2)和扭簧孔套(1409)位于基板(1410)与左、右张紧臂(1404-1，1404-2)之间，左、右臂扭簧(1408-1，1408-2)套在扭簧孔套(1409)上，扭簧孔套(1409)套在螺栓轴(1406)上，螺栓轴(1406)末端通过螺栓轴螺母(1411)固定；上述扭簧一端通过基板的挡边固定，另一端通过张紧臂的挡边固定；无外力作用时两个张紧臂与基板垂直。4.根据权利要求1所述的绳索驱动多自由度串联机械臂，其特征在于：绳索张紧装置为独立模块设计，根据实际需要张紧的绳索数目安装相应的张紧装置。5.根据权利要求1所述的绳索驱动多自由度串联机械臂，其特征在于：大臂绳索绞盘(502)、大臂关节从动轮(8)与大臂绳索(21)中心对称线处于同一平面；小臂绳索绞盘(602)、小臂关节滑轮(16)、小臂关节从动轮(10)和小臂绳索(22)中心对称线处于同一平面；末端绳索绞盘(702)、第一末端关节滑轮(17-1)、第二末端关节滑轮(17-2)、末端关节从动轮(12)和末端绳索(23)中心对称线处于同一平面。6.按照权利要求1所述的绳索驱动多自由度串联机械臂，其特征在于：腰部绳索绞盘(402)到腰部转轴(204)、大臂绳索绞盘(502)到大臂关节从动轮(8)、小臂绳索绞盘(602)到小臂关节从动轮(10)、末端绳索绞盘(702)到末端关节从动轮(12)之间的减速比分别记为n0、n1、n2、n3，那么绳索绞盘(402、502、602、702)上的螺纹槽线圈数分别不小于n0、n1、n2、n3圈，螺距不小于绳索的直径。7.根据权利要求1所述的绳索驱动多自由度串联机械臂的驱动方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈柏，徐伟，王尧尧，李彬彬，华达人，蒋素荣，缪群华，吴青聪，鞠锋，曹燕飞，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32