一种方形模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人

摘要

本发明属于机械臂技术领域，特别涉及一种方形模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人。包括机械臂、绳驱组件、驱动模块及箱体，其中箱体为方形结构，驱动模块设置于箱体内，机械臂设置于箱体的外侧，机械臂的各关节分别通过一组绳驱组件与驱动模块连接。机械臂包括固定段及与固定段连接的柔性段，固定段与箱体连接，柔性段包括通过虎克铰依次铰接的多个连接筒；每组绳驱组件包括三个钢丝绳组件，三个钢丝绳组件的一端与一虎克铰连接，另一端与驱动模块连接。本发明的机械臂和驱动装置含有模块化的，具有不同的传动系数，能够实现合理的传动比匹配，能够在不影响机械臂负载能力的前提下，提高了机械臂的运行速度。

说明书

技术领域

本发明属于机械臂技术领域，特别涉及一种方形模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人。

背景技术

传统机械臂关节多采用电机等机构直接在关节处进行驱动，虽然机构简单但增加了机械臂负载并且结构不紧凑，无法满足狭小空间或恶劣环境的作业要求。目前，虽然出现了连续体机械臂，采用柔性结构体以实现类圆弧变形运动，但负载能力较弱和末端运动精度不够高。因此，现有的超冗余绳驱动机器人普遍存在负载能力差，运动速度低，控制精度低，安装拆卸不便等问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种方形模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人，以解决现有连续体机械臂存在负载能力差，运动速度低，控制精度低，安装拆卸不便等问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种方形模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人，包括机械臂、绳驱组件、驱动模块及箱体，其中箱体为方形结构，所述驱动模块设置于箱体内，所述机械臂设置于所述箱体的外侧，所述机械臂的各关节分别通过一组绳驱组件与所述驱动模块连接。

所述机械臂包括固定段及与所述固定段连接的柔性段，所述固定段与所述箱体连接，所述柔性段包括通过虎克铰依次铰接的多个连接筒；

每组所述绳驱组件包括三个钢丝绳组件，三个钢丝绳组件的一端与一所述虎克铰连接，另一端与所述驱动模块连接。

所述固定段包括钢丝绳导向块a、钢丝绳导向块b及机械臂前固定板，其中钢丝绳导向块a和钢丝绳导向块b连接在机械臂前固定板的两端，并且钢丝绳导向块a的直径小于钢丝绳导向块b的直径，所述钢丝绳导向块a和所述钢丝绳导向块b上沿周向均设有多个钢丝绳导向孔。

所述钢丝绳组件包括钢丝绳导管、导管固定座及钢丝绳，其中钢丝绳导管的两端通过导管固定座分别与所述驱动模块和所述钢丝绳导向块b上的钢丝绳导向孔连接，所述钢丝绳穿过所述钢丝绳导管并且两端分别与所述驱动模块和所述虎克铰连接。

所述驱动模块包括多个平行设置的丝杠驱动机构，各所述丝杠驱动机构分别与一所述钢丝绳组件连接；

所述丝杠驱动机构包括底板、丝杠、导轨滑块、钢丝绳固定座、浮动支撑机构及丝杠驱动模块，其中底板与所述箱体连接，所述导轨滑块和丝杠平行设置于所述底板上；所述钢丝绳固定座的一端与所述导轨滑块连接，另一端与所述丝杠螺纹连接，所述钢丝绳固定座用于固定所述钢丝绳组件；

所述浮动支撑机构和丝杠驱动模块设置于所述底板的后端，所述浮动支撑机构用于支撑所述丝杠，所述丝杠驱动模块与所述丝杠连接，用于驱动所述丝杠旋转。

所述浮动支撑机构包括滑块导向光轴、丝杠轴承、单压式传感器及轴承固定座，其中滑块导向光轴设置于所述底板上且与所述丝杠平行，所述轴承固定座与所述滑块导向光轴滑动连接，所述单压式传感器连接在所述轴承固定座与所述底板之间；所述丝杠轴承设置于所述轴承固定座内，用于支撑所述丝杠。

所述丝杠驱动模块包括减速机和电机，所述减速机设置于所述底板上且输入端与电机连接；所述减速机的输出轴通过联轴器与所述丝杠连接；所述电机上设有编码器和抱闸。

所述驱动模块包括多个平行设置的卷筒式驱动机构，所述卷筒式驱动机构沿垂直于所述钢丝绳组件的方向设置，各所述卷筒式驱动机构分别与一所述钢丝绳组件连接；

所述卷筒式驱动机构包括卷筒丝杠、钢丝绳卷筒、旋转式力矩传感器、卷筒减速机及卷筒电机，其中卷筒丝杠可转动地安装在所述箱体上，所述钢丝绳卷筒设置于所述卷筒丝杠，所述钢丝绳卷筒用于缠绕所述钢丝绳组件；所述卷筒丝杠与所述卷筒减速机和卷筒电机连接；所述卷筒电机上设有卷筒电机编码器和卷筒电机抱闸。

所述驱动模块包括多个平行设置的带轮式驱动机构，各所述带轮式驱动机构分别与一所述钢丝绳组件连接；

所述带轮式驱动机构包括驱动单元底板、驱动单元导轨、从动带轮组、滑块连接板、活动带轮组、主动带轮组、齿轮组、蜗轮蜗杆减速机、旋转式力矩传感器、带轮式驱动电机、同步带及行星齿轮减速机，其中驱动单元导轨设置于驱动单元底板上，所述从动带轮组和主动带轮组分别设置于所述驱动单元底板的两端；

所述滑块连接板与所述驱动单元导轨滑动连接，所述活动带轮组与所述滑块连接板连接；

所述同步带缠绕于主动带轮组、从动带轮组及活动带轮组；

所述蜗轮蜗杆减速机、旋转式力矩传感器、行星齿轮减速机及带轮式驱动电机依次连接，所述蜗轮蜗杆减速机通过齿轮组与所述主动带轮组连接；所述带轮式驱动电机上设有带轮式驱动电机编码器和带轮式驱动电机抱闸。

所述主动带轮组包括同轴安装的主动带轮Ⅰ和主动带轮Ⅱ，所述主动带轮Ⅰ的直径小于所述主动带轮Ⅱ的直径；

所述从动带轮组包括同轴安装的从动带轮Ⅰ和从动带轮Ⅱ；

所述活动带轮组包括活动带轮安装板及安装在所述活动带轮安装板上的活动带轮Ⅰ和活动带轮Ⅱ，所述活动带轮安装板与所述滑块连接板连接；

所述同步带依次缠绕于主动带轮Ⅰ、从动带轮Ⅰ、活动带轮Ⅰ、从动带轮Ⅱ、主动带轮Ⅱ及活动带轮Ⅱ上。

本发明的优点及有益效果是：

本发明提供的一种方形模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人，由于机械臂存在变径结构，同样性能参数下，减小了机械臂靠近末端部分的外径，提高了机械臂的灵巧性。

本发明不同编号的驱动单元具有不同的传动系数，能够实现合理的传动比匹配，能够在不影响机械臂负载能力的前提下，提高了机械臂的运行速度。

本发明驱动单元中的直接或间接绳张力测量装置能够配合控制系统实现力位双闭环控制，相比较传统的单位置控制模式，能够有效补偿机械臂传动系统弱刚性结构的运动精度。

本发明的机械臂和驱动装置含有模块化的，能够实现快捷安装维护。

附图说明

图1为本发明第一实施例中方形模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人的结构示意图；

图2为本发明第一实施例中机械臂的结构示意图；

图3为图2中Ⅰ处放大图；

图4为图2中Ⅱ处放大图；

图5为本发明第一实施例中钢丝绳组件的结构示意图；

图6为本发明第一实施例中丝杠驱动模块的结构示意图；

图7为本发明第一实施例中丝杠驱动机构的结构示意图；

图8为图7的局部放大示意图；

图9为本发明第二实施例中卷筒式驱动模块的结构示意图；

图10为本发明第二实施例中卷筒式驱动模块的局部结构示意图；

图11为本发明第二实施例中卷筒式驱动机构的结构示意图；

图12为本发明第三实施例中带轮式驱动模块的结构示意图；

图13为本发明第三实施例中带轮式驱动机构的结构示意图；

图14为本发明第三实施例中带轮式驱动机构的原理示意图。

图中：11为机械臂，111为虎克铰，112为连接筒，113为钢丝绳导向块 a，114为钢丝绳导向块b，115为机械臂前固定板，116为钢丝绳组件，1161 为前钢丝绳固定头，1162为钢丝绳导管，1163为导管固定座，1164为钢丝绳， 1165为后钢丝绳固定头，12为驱动模块，13为箱体，131为机械臂安装板， 132为固定框架，133为驱动单元固定板，134为固定架连接板，31为丝杠驱动机构，311为底板，312为丝杠，313为导轨滑块，314为钢丝绳固定座， 315为丝杠驱动模块，316为滑块导向光轴，317为丝杠轴承，318为轴承固定板，319为锁紧螺母，3110为联轴器，3111为减速机，3112为电机，3113 为编码器，3114为抱闸，3115为单压式传感器，3116为轴承固定座，41为卷筒式驱动机构，4101为卷筒丝杠，4102为钢丝绳卷筒，4104为旋转式力矩传感器，4105为卷筒联轴器，4106为卷筒减速机，4107为卷筒电机，4108 为卷筒电机编码器，4109为卷筒电机抱闸，51为带轮式驱动机构，5101为驱动单元底板，5102为驱动单元导轨，5103为从动带轮组，51031为从动带轮Ⅰ，51032为从动带轮Ⅱ，5104为滑块连接板，5105为活动带轮组，51051 为活动带轮Ⅰ，51052为活动带轮Ⅱ，51053为活动带轮安装板，5106为主动带轮组，51061为主动带轮Ⅰ，51062为主动带轮Ⅱ，5107为齿轮组，5108 为蜗轮蜗杆减速机，5109为旋转式力矩传感器，5110为带轮式驱动电机，5111 为带轮式驱动电机编码器，5112为带轮式驱动电机抱闸，5113为同步带，5114 为行星齿轮减速机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

实施例一

如图1所示，本发明提供的一种方形模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人，包括机械臂11、绳驱组件、驱动模块12及箱体13，其中箱体 13为方形结构，驱动模块12设置于箱体13内，机械臂11设置于箱体13的外侧，机械臂11的各关节分别通过一组绳驱组件与驱动模块12连接。

如图2-4所示，机械臂11包括固定段及与固定段连接的柔性段，固定段与箱体13连接，柔性段包括通过虎克铰111依次铰接的多个连接筒112；每组绳驱组件包括三个钢丝绳组件116，三个钢丝绳组件116的一端与一虎克铰 111连接，另一端与驱动模块12连接。

如图4所示，本发明的实施例中，固定段包括钢丝绳导向块a113、钢丝绳导向块b114及机械臂前固定板115，其中钢丝绳导向块a113和钢丝绳导向块b114连接在机械臂前固定板115的两端，并且钢丝绳导向块a113的直径小于钢丝绳导向块b114的直径，钢丝绳导向块a113和钢丝绳导向块b114上沿周向均设有多个钢丝绳导向孔。

如图5所示，本发明的实施例中，钢丝绳组件116包括钢丝绳导管1162、导管固定座1163及钢丝绳1164，其中钢丝绳导管1162的两端通过导管固定座1163分别与驱动模块12和钢丝绳导向块b114上的钢丝绳导向孔连接，钢丝绳1164穿过钢丝绳导管1162并且两端分别与驱动模块12和虎克铰111连接。

本实施例中，机械臂11具有若干串联虎克铰关节，虎克铰关节为一种两自由度的复合关节，属于成熟的通用技术，其中每个虎克铰111的姿态由三根钢丝绳1164控制，机械臂第一节活动臂处有过渡装置，通过钢丝绳导向块 a113和钢丝绳导向块b114，增加钢丝绳分布半径，机械臂活动部分整体固定在机械臂前固定板115上，机械臂前固定板115以后的部分用于与驱动模块 12对接，在本实施例中该部分包含三十六套钢丝绳组件116。每套钢丝绳组件116中的钢丝绳1164两端连接有前钢丝绳固定头1161和后钢丝绳固定头 1165，前钢丝绳固定头1161与虎克铰111连接，后钢丝绳固定头1165与驱动模块12的活动部件连接。钢丝绳导管1162是一种具有螺旋钢结构的柔性导管，具有类似刹车线的导向作用，钢丝绳导管1162的两端各有一个导管固定座1163，一个导管固定座1163通过螺纹连接在钢丝绳导向块b114的螺纹孔上，另一个导管固定座1163通过螺纹连接在驱动模块12的底板上。当驱动模块12工作时，钢丝绳1164在钢丝绳导管1162中滑动。

驱动模块12可采用多种形式实现钢丝绳1164的驱动，如丝杠驱动模块、卷筒式驱动模块及带轮式驱动模块等。

实施例一

如图6所示，本发明的实施例中，箱体13包括机械臂安装板131、固定框架132、驱动单元固定板133及固定架连接板134，其中机械臂安装板131 和驱动单元固定板133分别设置于固定框架132的前后端，固定架连接板134 设置于固定框架132的侧部。

本发明的实施例中，驱动模块12包括多个平行设置的丝杠驱动机构31，各丝杠驱动机构31分别与一钢丝绳组件116连接。

如图7所示，本发明的实施例中，丝杠驱动机构31包括底板311、丝杠 312、导轨滑块313、钢丝绳固定座314、浮动支撑机构及丝杠驱动模块315，其中底板311与箱体13连接，导轨滑块313和丝杠312平行设置于底板311 上；钢丝绳固定座314的一端与导轨滑块313连接，另一端与丝杠312螺纹连接，钢丝绳固定座314用于固定钢丝绳组件116；浮动支撑机构和丝杠驱动模块315设置于底板311的后端，浮动支撑机构用于支撑丝杠312，丝杠驱动模块315与丝杠312连接，用于驱动丝杠312旋转。

如图8所示，本发明的实施例中，浮动支撑机构包括滑块导向光轴316、丝杠轴承317、单压式传感器3115及轴承固定座3116，其中滑块导向光轴316 设置于底板311上且与丝杠312平行，轴承固定座3116与滑块导向光轴316 滑动连接，单压式传感器3115连接在轴承固定座3116与底板311之间；丝杠轴承317设置于轴承固定座3116内，用于支撑丝杠312。轴承固定座3116 可在滑块导向光轴316上小范围滑动，可补偿轴承固定座3116的微量轴向位移。丝杠驱动模块315包括减速机3111和电机3112，减速机3111设置于底板311上且输入端与电机3112连接；减速机3111的输出轴通过联轴器3110 与丝杠312连接；电机3112上设有编码器3113和抱闸3114。电机3112驱动丝杠312转动，从而使钢丝绳固定座314沿导轨滑块313滑动，进而实现对钢丝绳组件116的牵引。

实施例二

如图9-10所示，本发明的实施例中，驱动模块12包括多个平行设置的卷筒式驱动机构41，卷筒式驱动机构41沿垂直于钢丝绳组件116的方向设置，各卷筒式驱动机构41分别与一钢丝绳组件116连接。根据具体钢丝绳组件116 的数量确定卷筒式驱动机构41的数量，本实施例中，有两组对称设置的驱动模块12。

如11所示，本发明的实施例中，卷筒式驱动机构41包括卷筒丝杠4101、钢丝绳卷筒4102、旋转式力矩传感器4104、卷筒减速机4106及卷筒电机4107，其中卷筒丝杠4101可转动地安装在箱体13上，钢丝绳卷筒4102设置于卷筒丝杠4101，钢丝绳卷筒4102用于缠绕钢丝绳组件116；卷筒丝杠4101与卷筒减速机4106和卷筒电机4107连接；卷筒电机4107上设有卷筒电机编码器 4108和卷筒电机抱闸4109。卷筒电机4107驱动卷筒丝杠4101转动，卷筒丝杠4101带动钢丝绳卷筒4102转动，从而实现钢丝绳组件116的缠绕和释放。

实施例三

如图12所示，本发明的实施例中，驱动模块12包括多个平行设置的带轮式驱动机构51，各带轮式驱动机构51分别与一钢丝绳组件116连接。

如图13所示，带轮式驱动机构51包括驱动单元底板5101、驱动单元导轨5102、从动带轮组5103、滑块连接板5104、活动带轮组5105、主动带轮组5106、齿轮组5107、蜗轮蜗杆减速机5108、旋转式力矩传感器5109、带轮式驱动电机5110、同步带5113及行星齿轮减速机5114，其中驱动单元导轨5102设置于驱动单元底板5101上，从动带轮组5103和主动带轮组5106 分别设置于驱动单元底板5101的两端；滑块连接板5104与驱动单元导轨5102 滑动连接，活动带轮组5105与滑块连接板5104连接；滑块连接板5104与钢丝绳组件116连接。同步带5113缠绕于主动带轮组5106、从动带轮组5103 及活动带轮组5105；蜗轮蜗杆减速机5108、旋转式力矩传感器5109、行星齿轮减速机5114及带轮式驱动电机5110依次连接，蜗轮蜗杆减速机5108通过齿轮组5107与主动带轮组5106连接；带轮式驱动电机5110上设有带轮式驱动电机编码器5111和带轮式驱动电机抱闸5112。

如图14所示，本发明的实施例中，主动带轮组5106包括同轴安装的主动带轮Ⅰ51061和主动带轮Ⅱ51062，主动带轮Ⅰ51061的直径小于主动带轮Ⅱ51062的直径；从动带轮组5103包括同轴安装的从动带轮Ⅰ51031和从动带轮Ⅱ51032；活动带轮组5105包括活动带轮安装板51053及安装在活动带轮安装板51053上的活动带轮Ⅰ51051和活动带轮Ⅱ51052，活动带轮安装板 51053与滑块连接板5104连接；同步带5113依次缠绕于主动带轮Ⅰ51061、从动带轮Ⅰ51031、活动带轮Ⅰ51051、从动带轮Ⅱ51032、主动带轮Ⅱ51062 及活动带轮Ⅱ51052上。

带轮式驱动电机5110通过齿轮组5107驱动主动带轮组5106中的主动带轮Ⅰ51061和主动带轮Ⅱ51062转动，因主动带轮Ⅰ51061和主动带轮Ⅱ51062 之间具有直径差，所以会带动同步带5113转动，从而带动活动带轮组5105 和滑块连接板5104沿驱动单元导轨5102滑道，进而实现对钢丝绳组件116 的牵引。

本发明的实施例中，机械臂11是机器人直接承担作业任务的可运动的主体部分，其具有串联铰接式连杆结构，且包含用于控制关节旋转的并联钢丝绳机构。驱动装置是为机械臂部分提供动力的部分，其内部含有多组具有相似结构的驱动单元，每个驱动单元分别驱动一根钢丝绳。

本发明提供的一种模块化力位双闭环控制的超冗余绳驱动机器人，由于机械臂存在变径结构，同样性能参数下，减小了机械臂靠近末端部分的外径，提高了机械臂的灵巧性。本发明驱动单元中的直接或间接绳张力测量装置能够配合控制系统实现力位双闭环控制，相比较传统的单位置控制模式，能够有效补偿机械臂传动系统弱刚性结构的运动精度。本发明的机械臂和驱动装置含有模块化的，能够实现快捷安装维护。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。