[实用新型]伺服电机驱动四自由度柔性机械臂装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及柔性机器人领域，特别涉及一种电机驱动四自由度柔性机械臂装置。

背景技术

机械臂作为自动化产业的重要工具，既可配合控制系统独立工作，又能安装在机器人载体上以拓展其应用。由于其工作空间大，运动灵活，控制精度高，以及环境适应能力强等优点，使其在医疗器械、机械加工和航天工业等领域得到广泛应用。与传统的关节型机械臂(也称刚性机械臂)相比，柔性机械臂具有更高的灵活性和避障能力，再加上其质量轻、能耗低、效率高等优点，这使得柔性机械臂受到越来越多的关注，并有了长足的发展。但是，柔性机械臂的长细比大、质量轻、刚度低、柔性大等特点，使其在工作过程中存在不可避免的持续低频振动，导致了控制精度低、稳定性差等缺点。近年来，关于柔性机械臂的材料选择、结构设计、驱动方式、控制方式、传感器系统和人机交互界面等方面的研究得到了国内外普遍关注，尤其是材料选择、结构设计，是当前国际关注的焦点，是极其富有挑战性的重大课题。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种具备良好避障能力和环境适应能力的度柔性机械臂。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：本实用新型伺服电机驱动四自由度柔性机械臂装置，包括驱动箱体、伺服电机、舵盘、驱动绳索和弹簧，所述伺服电机安装在所述驱动箱体上，所述舵盘与所述伺服电机连接，所述驱动绳索一端连接所述舵盘，另一端连接所述弹簧。

进一步的，所述伺服电机有6组。

进一步的，所述弹簧有3组，且被约束环逐段固定。

进一步的，所述弹簧外有弹性薄膜。

本实用新型突破柔性机械臂设计的常规思路，即通过多节柔性或刚性弯曲来模拟整体柔性，本实用新型采用连续的细长弹簧进行一体化设计，因为其不仅具有良好的柔性弯曲能力，还具有一定的刚度以支撑机械臂主体结构，提供了一种基于伺服电机驱动的四自由度柔性机械臂的新型结构设计，通过对连续性良好的弹簧进行分截面绳索驱动，使得机械臂即使在单节连续的结构下，也能很容易实现平面360度旋转和任意可达空间内的“S型”变形能力，从而使其具备了良好的避障能力和环境适应能力。

附图说明

图1：本实用新型总体结构示意图。

图2：本实用新型驱动绳索与弹簧连接的示意图。

图3：本实用新型机械臂的驱动截面的示意图。

图4：本实用新型弯曲收缩的长度与柔性体距离之间的关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明对实用新型做进一步说明。

如图1所示，本实用新型由六个伺服电机(1)、(2)、(3)、(4)、(5)和(6)及其舵盘(7)、弹簧结构单元(9)、(10)和(11)、驱动绳索(8)、约束环(12)、弹性薄膜(13)和驱动箱体(14)组成。

如图2所示，每个弹簧外套有弹性薄膜(13)，内部设置两驱动绳索(8)，在中部驱动截面(19)上，将驱动绳索系在系点(21)上，在端部驱动截面(20)上，将驱动绳索系在系点(22)上。

在由三个弹簧组成的柔性机械臂结构中，取其驱动截面，如图3所示。三弹簧紧密贴合后，在同一圆周上布置驱动绳索系点，其中，在弹簧I(24)上布置系点I(23)，在弹簧II(25)上布置系点II(26)，在弹簧III(27)上布置系点III(28)，且相邻系点间隔120度方位角均匀地分布在同一圆周上。

基于由三个紧贴的弹簧结构单元组成的柔性臂，在其驱动截面上，同圆周间隔120度分布三个系点进行牵引，端部和中部驱动截面的3个驱动绳索都能通过不同的力的组合，使机械臂向任意方向弯曲，即可实现2个自由度。因为各个驱动是相对独立的，两个截面的自由度可以叠加，这样，机械臂就有了4个自由度，可在空间任意可达位置有“S型”变形能力。

将三根弹簧设计的结构单元采用紧密贴合的方法设计，主要是基于以下基本认识。

如图4，在A、B两性质相同的柔性体弯曲角度一定时，两柔性体间距越大，完成要求的弯曲所需柔性体产生的收缩量越大，则提供的伸缩牵引力也越大。在A与B1、A与B2、A与B3三个柔性体组合中，为了使A柔性杆弯曲特定的角度，所需要的收缩量：B1＜B2＜B3。显然，A与B1的组合在弯曲性能上的优势更明显。

将上述结论应用到三个弹簧设计的结构单元组成的机械臂中，也期望其尽可能地接近。于是，选择对三个柔性体定点包扎。为了保证机械臂有一定的刚度，不能选择轴向伸缩性太好的弹簧，必须通过小量伸缩就能实现显著弯曲。在柔性机械臂结构设计中，上述结论的应用显得很必要。