[发明专利]可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置

说明书

技术领域

本发明涉及了机器人机械臂领域，尤其是涉及了一种可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置。

背景技术

高冗余柔性机械臂主要是为了解决传统刚性关节机械臂无法在狭小空间工作而设计的，可以进入狭小空间完成设备维护、机械装配、救援救灾等任务。目前在冗余机械臂领域，主要有内置驱动和外置驱动两种形式，内置驱动主要采用气动伺服肌肉，外置驱动主要采用钢丝绳驱动。内置驱动由于气动伺服肌肉的特点，负载和控制精度较低。

外置驱动则易因外负载、驱动绳张力、摩擦力等原因影响其定位精度，可以通过检测关节的姿态进行反馈控制来解决以上问题。因此，研究冗余机械臂的姿态检测具有重要意思。

发明内容

为了解决冗余机械臂精度低，无法检测姿态的技术问题，本发明涉及了一种可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置，可在狭小空间内工作，具有多自由度，具有姿态检测功能。

本发明可通过一下技术方案来实现：

本发明包括驱动模块、机械臂模块、水平滑台和升降平台，水平滑台安装在液压驱动的升降平台上，驱动模块安装在由伺服电机驱动的水平滑台上，驱动模块端面安装连接机械臂模块。

整个驱动模块通过安装底板安装在由伺服电机驱动的直线滑台上，直线滑台安装在液压升降平台上，使得机械臂可实现水平和竖直方向的直线运动，增大了机械臂的运动操作空间。

所述的机械臂模块包括底座、多个串联的关节臂和末端关节，多个关节臂串联后的一端与驱动模块之间、相邻关节臂之间以及多个关节臂串联后的另一端和末端关节之间均通过装有两个相互垂直转轴的连接铰连接，每个关节臂由三个沿圆周间隔均布(相隔120°)的钢丝绳驱动，钢丝绳一端穿设地连接到关节臂，钢丝绳另一端连接到驱动模块。

每个关节臂由三根钢丝绳独立驱动，关节间通过具有两个铰接自由度的连接铰连接，连接铰内嵌入姿态检测模块，可实时检测机械臂的关节两个转角，通过这两个角度可唯一确定关节当前的姿态，获取每个关节的姿态后可推算出整个机械臂的姿态。

所述的驱动各个关节臂的钢丝绳的穿设位置相错开。

所述的驱动模块包括电机安装座、位于支撑端板以及连接在电机安装座和支撑端板之间沿圆周间隔均布的多个驱动组件，多个驱动组件与各根钢丝绳连接并驱动。每个驱动组件与驱动钢丝绳一一对应并排布在以关节中心为圆心的更大的一个圆周上，滑块与钢丝绳连接部分为细长状是为了使滑块直接驱动排布密集的驱动钢丝绳。

每个驱动组件包括滑块、光轴、螺母、伺服电机和丝杠，伺服电机固定安装在电机安装座，伺服电机输出轴与丝杠一端同轴连接，丝杠另一端铰接到支撑端板，电机安装座和支撑端板之间连接平行于丝杠的光轴，丝杠外通过丝杠螺母副套装有螺母，光轴外活动套装有滑块，螺母和滑块固定连接，钢丝绳一端连接到滑块，钢丝绳另一端穿过支撑端板后连接到自身对应的关节臂上。

每个驱动组件在以关节臂轴线为圆心的圆周上与各自的钢丝绳一一对应，按此布置方式使得丝杠与伺服电机在足够的空间内驱动分布密集的钢丝绳。

所述的关节臂包括两个端盖、支撑筒、关节外壳、钢套和连接铰，支撑筒两端分别与两个端盖同轴固定连接，关节外壳罩在两个端盖之间的支撑筒外；端盖中心开有中心通孔，端盖的中心通孔和支撑筒形成用于电线穿过的中空通道；端盖的圆周边缘开有沿周向间隔均布的多个绳通孔，其中沿圆周等间隔设置的三个绳通孔处安装钢套，钢套用于钢丝绳穿设，钢丝绳穿过一个端盖的钢套后固定连接到另一个端盖上。

每个关节均有三根钢丝绳与之固定，后一关节的钢丝绳从前一关节的孔中穿过。钢丝绳与关节之间是固定连接的，当钢丝绳需要穿过关节时，此处需要钢套。具体说明一下，第6个关节的3根钢丝绳顺次通过第5、4、3、2、1关节，所以第5个关节上有3个钢套。第6和第5关节的钢丝绳均通过第4关节所以，第4关节上有6个钢套。以此类推，第1个关节有15个钢套，因为后边5个关节的钢丝绳均要从第1关节通过，然后另外有三根钢丝绳与第1关节固定。由于钢丝绳穿过关节会有摩擦，设置钢套使得关节不被钢丝绳磨损。

所述的支撑筒两端均设有法兰端部，两个端盖的内端面设有环形凸台，环形凸台嵌装到支撑筒的法兰端部内，支撑筒的法兰端部和端盖中心通孔外周围的端面和连接铰之间用螺钉连接。

所述的末端关节包含关节端盖、安装架、激光器、摄像机、射灯和机械手，安装架固定安装在两块关节端盖之间，位于末端的关节端盖上安装有激光器、摄像机、射灯和机械手，可实现抓取、视觉伺服、雕刻等功能。