[发明专利]一种等曲率联动机械臂

说明书

本发明提出了一种等曲率联动机械臂，包括若干依次交替设置的第一关节和第二关节，各相邻的两关节之间分别通过相应的一个转动连接件连接；第一关节的管壁内部开设有至少2个圆周均布且沿第一关节轴向延伸的螺旋形槽道，其内分别设有用于传递相同负载的介质；第二关节内沿其轴向设置有至少2个彼此独立的联动轴；转动连接件包括球销副和锥齿轮组，球销副与其两侧的第一关节和第二关节固接，锥齿轮组与第二关节内的各联动轴固定以实现联动，通过该转动连接件可实现相邻两关节之间相互独立地绕不同的方向发生同向同角度的转动。本发明的机械臂更易实现高精度运动控制、承载能力更强且联动效果更稳定可靠。

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种等曲率联动机械臂。

背景技术

区别于传统的关节串联型机械臂，柔性机械臂具有灵活度高、避障能力强等优点，在狭小空间和复杂环境中运动和操作能力强，在航空航天制造、大型装备检测维护等领域具有重要的应用价值。现有技术中，柔性机械臂的每个关节连接处均为独立驱动，虽可以提高整臂的冗余度，但相应的也会增加驱动电机数目，导致柔性臂的控制难度、重量及成本的增加。

为解决驱动电机数目较多的问题，现有的方案是在关节之间增加弹性元件，把一段臂作为一个控制单元，进行控制，或直接利用弹性材料作为臂基体进行控制，实现类圆弧变形运动。此种机械臂实际运动过程中的形状与圆弧存在偏差，末端精度不高，难以满足需求，是本发明针对的问题。

现有技术方案一(中国发明专利，申请号：201710114905.5，公开日：2017-05-10)公开了一种柔性臂联动关节段，具体结构参见其说明书附图1～图5；该柔性臂联动关节段，包括短联动绳、长联动绳以及依次串联的第一端部关节、第一中心关节、第二中心关节、第三中心关节与第四中心关节，且从第一端部关节至第四中心关节，相邻关节之间依次设有第一端部连接件、第一中心连接件、第二中心连接件与第三中心连接件，其中，每个关节可以看作为一个连杆，各相邻的两连杆端部分别通过对应的一个连接件连接。每个连杆两端连接件上轴线方向始终相同的两个自由度通过两个交叉缠绕成“8”字型的不锈钢绳索耦合在一起，实现反方向的耦合同步转动。

位于端部的连接件由穿过软管的绳索与相距较远的中间连接件(相对)通过交叉缠绕成“8”字型的不锈钢绳索耦合，另一端部连接件与中间连接件耦合，进而实现整段臂上俯仰、偏航自由度之间各自耦合，最终成为具有两自由度的联动臂段。长联动绳通过调节螺母将软管反向顶紧，进而实现远端绳索的张紧。

现有技术方案一存在的缺点为：

缺点一：该柔性臂联动关节段中连杆的数量必须为4的倍数，不便于臂杆内关节段数量的配置。

缺点二：该柔性臂联动关节段中长联动绳在联动过程中，由于俯仰、偏航角度会对长联动绳的形状产生影响，进而影响到联动的效果。

缺点三：该柔性臂联动关节段中长联动绳由于在运动过程中，其形状会产生变形，引起缆索预紧力的变化，从而导致臂段连杆与连接件之间的正压力变化。而其对侧的“8”字型的不锈钢绳索预紧力可视为定值。由此导致的连杆运动过程中，两侧正压力不同导致的偏载，也会影响到连杆等角度联动的精度。从而降低了连杆整体的控制精度。

缺点四：受连杆直径的限制，连接件上绳索绕过的圆盘最大直径受到限制，因而制约了绳索的最大可用直径。因此，在一定的载荷下，绳索会产生不可忽略的伸长量，进而影响联动精度。此外，也限制了整臂的最大工作载荷。

现有技术方案二(中国发明专利，申请号：201810863901.1，公开日：2018-12-07)公开了一种柔性机械臂，参见其说明书附图3，包括球销副关节组成的臂杆框架；以及多套“球面S”联动绳实现等曲率联动。

现有技术方案二存在的缺点为：

缺点一：其说明书附图3所示的现有技术方案二中，形成球销副的内外球面接触面较大；并且，由于联动绳的安装必须提供一定的预紧力，会对球销副的运动产生不利影响。