一种螺旋传动式绳驱机械臂及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种螺旋传动式绳驱机械臂及其控制方法，其包括驱动基座和臂杆，驱动基座包括若干螺旋筒，螺旋筒的一端与驱动电机传动连接，螺旋筒的另一端设置有滚珠螺母，滚珠螺母活动设置在滚珠丝杠上，滚珠丝杠的轴线与螺旋筒的轴线重合，若干滚珠丝杠固定设置在基座壳体上，若干驱动电机上均固定设置有导套，导套活动套设在导柱上，若干导柱固定设置在基座壳体上；臂杆包括若干依次连接的中空连杆，相邻两个中空连杆通过万向节连接，每个万向节处均设置有若干驱动绳，且驱动绳与螺旋筒连接；本方案结构简单，采用螺旋传动的方式，相比于传统的传动结构拥有更长运动行程，螺旋筒上设置有位移补偿机构，提高了螺旋传动过程中驱动绳的稳定性。动绳的稳定性。动绳的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种螺旋传动式绳驱机械臂及其控制方法


[0001]本专利技术涉及机械臂
，具体涉及一种螺旋传动式绳驱机械臂及其控制方法。

技术介绍

[0002]随着空间技术发展，人类越来越多地开始进行太空探测活动。由于太空环境是一个微重力、强辐射、大温差的恶劣环境，探测任务的实施难度非常大，这对空间机器人的功能和性能提出了非常高的要求。空间机器人对机器人的运动精度、反应速度、灵巧度具有很高的要求，传统的空间机械臂的体型较大且避障能力不高，并且它们在执行狭窄空间或复杂环境下的任务时不灵活。相比于传统串联型机械臂，绳驱蛇形机械臂具有更灵活的运动方式，并且驱动元件与运动部分在空间上相互分离，具有更高的工作效率。因此，其在空间目标捕获、服务目标内部检查、行星探测等方面具有广阔的应用前景。
[0003]由于绳驱蛇形机械臂的机械臂臂杆和驱动基座是相互独立的，机械臂臂杆的运动行程以及臂杆的长度直接受限于驱动绳索能够伸缩和释放的长短，驱动绳索伸缩和释放的长度取决于布置在驱动基座中传动结构的运动行程；目前传统绳驱蛇形机械臂的传动结构采用的是“丝杠
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直线导轨”的结构，运动行程较短的传动结构使得机械臂臂杆较短，在需要机械臂执行狭长空间深距离的探测任务时，就需要增加机械臂臂杆的长度提高运动行程，然而这样会导致传动结构尺寸变长，导致驱动基座过大，不满足经济适用性和太空作业的轻载荷性；因此需要对传统的绳驱蛇形机械臂的传动结构形式作出优化，使其能够在保证较小尺寸的驱动基座结构下拥有更长的机械臂杆，更大的运动行程，使其大幅提高机械臂的可达空间范围的能力。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的上述不足，本专利技术提供了一种螺旋传动式绳驱机械臂及其控制方法，解决了现有技术中绳驱机械臂运动行程、臂杆长度受限的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：
[0006]提供一种螺旋传动式绳驱机械臂，其包括驱动基座和臂杆，驱动基座包括若干螺旋筒，螺旋筒的一端与驱动电机传动连接，螺旋筒的另一端设置有滚珠螺母，滚珠螺母活动设置在滚珠丝杠上，滚珠丝杠的轴线与螺旋筒的轴线重合，若干滚珠丝杠固定设置在基座壳体上，若干驱动电机上均固定设置有导套，导套活动套设在导柱上，若干导柱固定设置在基座壳体上；臂杆包括若干依次连接的中空连杆，中空连杆的两端设置有布线盘，布线盘的周向上均匀布置有若干绳孔，相邻两根中空连杆的两个布线盘之间通过万向节连接，位于臂杆后端的中空连杆与基座壳体固定连接，位于臂杆前端的中空连杆上设置有操作机构，每个万向节处均设置有若干驱动绳，驱动绳的前端设置在位于万向节前端布线盘的绳孔内，且驱动绳的后端通过绳孔穿过臂杆后端的所有布线盘并与螺旋筒连接。
[0007]采用上述技术方案的有益效果为：本方案通过驱动电机带动螺旋筒卷拉驱动绳，
使臂杆上的中空连杆实现弯曲，其中每一个万向节及其前端的中空连杆构成一个弯曲单元，且弯曲单元越多，机械臂可产生的弯曲构型越多，机械臂的最前端越灵活；其中采用螺旋传动的方式，减小了机械臂的整体尺寸，使机械臂拥有更长的机械臂杆，在开展细长空间的操作任务时机械臂能够更好的适应，相比于传统直线
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导轨传动结构拥有更长运动行程；
[0008]进一步地，螺旋筒与臂杆的延伸方向平行设置，基座壳体上设置有导轮支柱，导轮支柱上设置有若干导轮，若干驱动绳均设置在导轮上，且导轮与螺旋筒之间的驱动绳与螺旋筒的轴线垂直。
[0009]采用上述技术方案的有益效果为：驱动绳通过导轮进行导向，使导轮与螺旋筒之间的驱动绳与螺旋筒的轴线垂直，当螺旋筒在转动时，自身会沿滚珠丝杠的轴向移动，使得缠绕在螺旋筒上的驱动绳的出线切点始终和导轮的导线切点位于同一直线上，两点之间的驱动绳位置不会改变，改变的只是缠绕在螺旋筒上的驱动绳位置，这样设置极大的提高了螺旋传动过程中驱动绳的稳定性，避免了驱动绳脱落螺旋筒的情况。
[0010]进一步地，每个万向节处至少包括三根驱动绳，且三根驱动绳的端部均匀排布在布线盘的周向上。
[0011]采用上述技术方案的有益效果为：在布线盘的周向上至少需要布置三根驱动绳，才能通过绳驱实现中空连杆任意方向的偏移，从而实现臂杆的弯曲，且三根驱动绳最好是均匀排布在布线盘的周向上，这样设置有利于对中空连杆偏移方向的测算和控制。
[0012]进一步地，驱动绳的前端设置有卡扣，卡扣卡设在绳孔的前端口处，卡扣与弹性张紧杆的一端固定连接，弹性张紧杆的另一端固定设置在中空连杆前端布线盘上。
[0013]采用上述技术方案的有益效果为：弹性张紧杆对驱动绳存在一个拉力，避免螺旋筒在放线时，驱动绳由于没有受到拉力而松掉，导致驱动绳从螺旋筒上的螺旋槽中脱落，从而提高了传动过程中驱动绳索的稳定性和可靠性。
[0014]进一步地，绳孔内设置有直线轴承。
[0015]采用上述技术方案的有益效果为：直线轴承改变了驱动绳与绳孔的接触关系，使驱动绳和绳孔之间从滑动摩擦变成滚动摩擦，使驱动绳从直线轴承中穿出相比于直接从布线盘的绳孔中穿出具有更低的摩擦力，减小了摩擦力给传动精度带来的影响，提高了传动的效率，同时降低了驱动绳在驱动过程因摩擦而造成的损伤。
[0016]进一步地，相邻两个中空连杆的连接处包裹有柔性伸缩管，中空连杆两端的布线盘上设置有保护外壳，保护外壳间隙包裹中空连杆。
[0017]采用上述技术方案的有益效果为：通过设置柔性伸缩管和保护外壳，在不影响臂杆弯曲性能的同时，使中空连杆、万向节和驱动绳均与外部环境隔绝，防止其受到外部环境的影响。
[0018]进一步地，保护外壳的外部包裹有柔性压力传感器，通过柔性压力传感器可测量臂杆与抱捕对象不同接触位置的接触力。
[0019]进一步地，基座壳体包括丝杆固定板和电机固定板，若干滚珠丝杠均匀排布在丝杆固定板的周向上，若干所述导柱均匀排布在电机固定板的周向上，所述丝杆固定板与电机固定板若干支柱固定连接。
[0020]采用上述技术方案的有益效果为：基座壳体结构简单，同时又将驱动基座的所有部件紧密的集成在一起，每个螺旋筒和与其连接的滚珠螺母、滚珠丝杆、驱动电机、导套和
导柱共同构成一个驱动单元，若干驱动单元采用模块化单元布局，使驱动基座具有结构拓扑功能，驱动基座可根据机械臂所需要自由度的不同而布置不同数量的驱动单元。
[0021]提供一种螺旋传动式绳驱机械臂的控制方法，其包括以下步骤：
[0022]S1：调整臂杆以伸直的状态贴近抱捕对象，直至抱捕对象处于臂杆两端的操作机构和驱动基座之间的空间范围内；
[0023]S2：控制驱动电机带动螺旋筒转动，螺旋筒对驱动绳进行卷拉，直至整根臂杆形成抱捕对象的弯曲构型；
[0024]S3：采用柔性压力传感器实时监测臂杆与抱捕对象接触位置的接触力，直至所有柔性压力传感器均采集到接触力；
[0025]S4：调整每根中空连杆的弯曲程度，使每根中空连杆与抱捕对象的接触力相同，形成抱捕对象在抱捕方向的外包络形状，完成对非合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种螺旋传动式绳驱机械臂，其特征在于，包括驱动基座(1)和臂杆(2)，所述驱动基座(1)包括若干螺旋筒(3)，所述螺旋筒(3)的一端与驱动电机(4)传动连接，所述螺旋筒(3)的另一端设置有滚珠螺母(5)，所述滚珠螺母(5)活动设置在滚珠丝杠(6)上，所述滚珠丝杠(6)的轴线与螺旋筒(3)的轴线重合，若干所述滚珠丝杠(6)固定设置在基座壳体上，若干所述驱动电机(4)上均固定设置有导套(7)，所述导套(7)活动套设在导柱(8)上，若干所述导柱(8)固定设置在基座壳体上；所述臂杆(2)包括若干依次连接的中空连杆(9)，所述中空连杆(9)的两端设置有布线盘(10)，所述布线盘(10)的周向上均匀布置有若干绳孔(11)，相邻两根所述中空连杆(9)的两个布线盘(10)之间通过万向节(12)连接，位于臂杆(2)后端的所述中空连杆(9)与基座壳体固定连接，位于臂杆(2)前端的所述中空连杆(9)上设置有操作机构，每个所述万向节(12)处均设置有若干驱动绳(13)，所述驱动绳(13)的前端设置在位于万向节(12)前端布线盘(10)的绳孔(11)内，且驱动绳(13)的后端通过绳孔(11)穿过臂杆(2)后端的所有布线盘(10)并与螺旋筒(3)连接。2.根据权利要求1所述的螺旋传动式绳驱机械臂，其特征在于，所述螺旋筒(3)与臂杆(2)的延伸方向平行设置，所述基座壳体上设置有导轮支柱(14)，所述导轮支柱(14)上设置有若干导轮(15)，若干所述驱动绳(13)均设置在导轮(15)上，且导轮(15)与螺旋筒(3)之间的驱动绳(13)与螺旋筒(3)的轴线垂直。3.根据权利要求1所述的螺旋传动式绳驱机械臂，其特征在于，每个所述万向节(12)处至少包括三根驱动绳(13)，且三根驱动绳(13)的端部均匀排布在布线盘(10)的周向上。4.根据权利要求1所述的螺旋传动式绳驱机械臂，其特征在于，所述驱动...

【专利技术属性】
技术研发人员：周青华，杨强，蒋明，袁媛，蒲伟，周广武，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：