超冗余多稳态变刚度机械臂制造技术

公开了一种超冗余多稳态变刚度机械臂，机械臂中，整体驱动绳的一端连接于整体驱动装置，穿过所有模块的第二通孔，另一端固连于最远端的模块；模块驱动绳一端固连于模块驱动装置，穿过所有模块的第一通孔，在抵达末端的模块的前一个模块时，通过其第二通孔，最后连接于末端模块的第二通孔；当柔性板不发生变形时，相邻模块的多稳态轮盘之间存在间隙，第一轮齿与第二轮齿不发生接触，当柔性板发生变形时，第一刚性块向下移动，上方多稳态轮盘的第一轮齿与下方多稳态轮盘的第二轮齿接触，相邻模块进行多稳态运动，多稳态运动为单自由度的旋转和往复移动的复合运动，第一轮齿的廓线与第二轮齿的廓线为多稳态运动的一对共轭曲线。第二轮齿的廓线为多稳态运动的一对共轭曲线。第二轮齿的廓线为多稳态运动的一对共轭曲线。

【技术实现步骤摘要】
超冗余多稳态变刚度机械臂


[0001]本专利技术涉及机器人
，特别是一种超冗余多稳态变刚度机械臂。

技术介绍

[0002]超冗余机械臂在装备故障诊断、微创手术、太空与海洋开发等领域有广泛的应用前景。这种机械臂具有的关节数目很多，远超确定其末端位姿所需的自由度数目，这使机械臂在确保执行器位姿的前提下，仍保留足够的自由度实现灵活变形。这种灵活性赋予超冗余机械臂对结构复杂环境的适应能力，还可实现对形状不规则物体的共形抓取。然而，过量的关节数目也带来两个缺陷，其一是臂身的侧向刚度低，难以抵抗较大的工作载荷；其二是使控制系统的复杂度急剧提升。
[0003]设计具有力学多稳态的超冗余机械臂，可提升臂身刚度并简化驱控复杂度。多稳态关节具有多个能量处于极小值的稳态构型。一方面，在稳态构型下，可施加特定的作用力提升关节刚度。另一方面，由于关节总倾向于转向稳态构型，因此无需反馈闭环就能控制关节角度，这极大地简化控制系统的复杂度。专利CN109702726公布了一种模块化多稳态变构型机器人，其模块壳体为凸多面体，壳体表面在绳索提供的张力下紧密贴合，当模块以凸多面体的边为轴旋转，绳索会提供抵抗旋转的力，此原理使模块在表面贴合时具有稳态。在稳态构型下，拉紧穿过贴合面的绳索可以提升刚度；在非稳态构型下，绳索总会拉近模块直至表面贴合，因此无需额外的反馈控制。
[0004]然而，上述多稳态技术方案存在两点问题，其一是构型数目较少，且随着构型数目的提升，稳态特性会不断减弱至消失，这导致机械臂仅具有较少的稳态工作构型；其二是模块的驱动装置全部安装在模块壳体内部，导致模块结构复杂、惯量大。这会使机械臂在构型跳转时产生较大的动量，若不慎与外界碰撞，容易对外部环境或臂身造成伤害。
[0005]在
技术介绍
部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本专利技术背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种超冗余多稳态变刚度机械臂，能主动地实现大范围的刚度调控，同时具有足够多的稳态构型数目以保证灵活地变形。此外，还具有低惯量、驱控便捷的优点。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案予以实现，一种超冗余多稳态变刚度机械臂包括，
[0008]基座，其包括驱动连接整体驱动绳的整体驱动装置和驱动连接模块驱动绳的模块驱动装置；
[0009]臂主体，其根部固定连接所述基座，所述臂主体包括依次串联的模块，所述模块包括，
[0010]两个多稳态轮盘，其间隔相对布置，所述多稳态轮盘包括设于下方的第一数目的
第一轮齿和设于上方的第二数目的第二轮齿；
[0011]连接器，其位于两个多稳态轮盘之间，连接器包括位于上方的第一刚性块和位于下方的第二刚性块，两个多稳态轮盘对称地固接于第二刚性块两侧，第一刚性块经由一对平行柔性板连接第二刚性块，使得第一刚性块可相对第二刚性块竖直方向移动，第一通孔贯穿第一刚性块和第二刚性块，第二刚性块两侧开有第二通孔；
[0012]其中，所述整体驱动绳的一端连接于整体驱动装置，穿过所有模块的第二通孔，另一端固连于最远端的模块；
[0013]所述模块驱动绳一端固连于模块驱动装置，穿过所有模块的第一通孔，在抵达末端的模块的前一个模块时，通过其第二通孔，最后连接于末端模块的第二通孔；
[0014]当柔性板不发生变形时，相邻模块的多稳态轮盘之间存在间隙，第一轮齿与第二轮齿不发生接触，当柔性板发生变形时，第一刚性块向下移动，上方多稳态轮盘的第一轮齿与下方多稳态轮盘的第二轮齿接触，相邻模块进行多稳态运动，所述多稳态运动为单自由度的旋转和往复移动的复合运动，所述第一轮齿的廓线与第二轮齿的廓线为所述多稳态运动的一对共轭曲线。
[0015]所述的超冗余多稳态变刚度机械臂中，还包括设在所述基座的刚度调节装置，其包括电机、扭簧和绕线盘，所述绕线盘通过扭簧串联电机输出端，张紧绳索从每个连接器的第一通孔穿过，一端连接最远端模块，另一端连接所述绕线盘。
[0016]所述的超冗余多稳态变刚度机械臂中，第一轮齿的齿廓为圆弧段，第二轮齿的齿廓为第一轮齿圆心在多稳态运动下生成轨迹的等距曲线。
[0017]所述的超冗余多稳态变刚度机械臂中，通过调节第一轮齿与第二轮齿的高度以调节刚度范围。
[0018]所述的超冗余多稳态变刚度机械臂中，第一刚性块铰接驱动杆，驱动杆与第一刚性块之间安装扭簧，整体驱动绳穿过所有驱动杆。
[0019]所述的超冗余多稳态变刚度机械臂中，所述第一轮齿和第二轮齿为波纹齿，第一数目大于第二数目。
[0020]所述的超冗余多稳态变刚度机械臂中，两柔性板之间设有限制第一刚性块向上移动行程的限位块。
[0021]所述的超冗余多稳态变刚度机械臂中，所述第一刚性块和第二刚性块分别设有销孔以铰接相邻的模块。
[0022]所述的超冗余多稳态变刚度机械臂中，所述第二刚性块两侧分别设有用于布置加强件的安装孔。
[0023]所述的超冗余多稳态变刚度机械臂中，所述臂主体为多稳态变刚度手指，其包括由5个串联的模块。
[0024]和现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术提出的多稳态运动使模块在转动时额外附加一个移动分量，张紧绳索布置在移动分量的运动方向上，提供阻碍模块运动的力，因此机械臂可以获得足够大的变刚度比。模块具有第一通孔以穿过张紧绳索，具有第二通孔以穿过驱动绳索，这使机械臂的刚度与变形都处于有效控制之中。尤其是，在对远端模块设置驱动绳时，可先穿过所有近端模块的第一通孔，最后再固连于目标模块的第二通孔位置，这防止驱动绳使近端模块产生非期望运动，提升驱控的准确性。第一和第二轮齿具有
类似波纹的形态，使模块获得足够多的稳态构型数目，保证机械臂的灵活变形能力。机械臂身仅包含模块和绳索，整体结构简单、惯量低。
附图说明
[0025]通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本专利技术各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
[0026]在附图中：
[0027]图1是根据本专利技术一个实施例的超冗余多稳态变刚度机械臂的结构示意图；
[0028]图2是根据本专利技术一个实施例的超冗余多稳态变刚度机械臂的结构示意图；
[0029]图3是根据本专利技术一个实施例的超冗余多稳态变刚度机械臂的两个相邻的模块总成示意图；
[0030]图4是根据本专利技术一个实施例的超冗余多稳态变刚度机械臂的连接器剖视示意图；
[0031]图5是根据本专利技术一个实施例的超冗余多稳态变刚度机械臂的模块进行自由转动示意图；
[0032]图6是根据本专利技术一个实施例的超冗余多稳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超冗余多稳态变刚度机械臂，其特征在于，其包括，基座，其包括驱动连接整体驱动绳的整体驱动装置和驱动连接模块驱动绳的模块驱动装置；臂主体，其根部固定连接所述基座，所述臂主体包括依次串联的模块，所述模块包括，两个多稳态轮盘，其间隔相对布置，所述多稳态轮盘包括设于下方的第一数目的第一轮齿和设于上方的第二数目的第二轮齿；连接器，其位于两个多稳态轮盘之间，连接器包括位于上方的第一刚性块和位于下方的第二刚性块，两个多稳态轮盘对称地固接于第二刚性块两侧，第一刚性块经由一对平行柔性板连接第二刚性块，使得第一刚性块可相对第二刚性块竖直方向移动，第一通孔贯穿第一刚性块和第二刚性块，第二刚性块两侧开有第二通孔；其中，所述整体驱动绳的一端连接于整体驱动装置，穿过所有模块的第二通孔，另一端固连于最远端的模块；所述模块驱动绳一端固连于模块驱动装置，穿过所有模块的第一通孔，在抵达末端的模块的前一个模块时，通过其第二通孔，最后连接于末端模块的第二通孔；当柔性板不发生变形时，相邻模块的多稳态轮盘之间存在间隙，第一轮齿与第二轮齿不发生接触，当柔性板发生变形时，第一刚性块向下移动，上方多稳态轮盘的第一轮齿与下方多稳态轮盘的第二轮齿接触，相邻模块进行多稳态运动，所述多稳态运动为单自由度的旋转和往复移动的复合运动，所述第一轮齿的廓线与第二轮齿的廓线为所述多稳态运动的一对共轭曲线。2.根据权利要求1所述的超冗余多稳态...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈贵敏，孔正，李博，陈雪峰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：