一种轻量化柔性机器人

摘要

本发明公开了一种轻量化柔性机器人，包括控制箱、柔性机械臂与若干驱动绳，各驱动绳沿一圆周的方向均布，且沿圆周的轴向延伸后与柔性机械臂固定连接，并由控制箱驱动而牵引柔性机械臂运动，控制箱包括控制面板，控制面板沿轴向对应各驱动绳设有多个具有不同高度的台阶，各台阶上均设有安装结构，其中，各台阶的高度正比于各驱动绳的高度；沿圆周上与台阶平行的直径方向，各安装结构相对所在台阶的位移正比于各驱动绳的圆心至圆周的圆心之间的连线在所在台阶上的投影距离。本发明可以实现控制箱内各部件的紧凑摆放，有助于减小控制箱整机的包络尺寸，提升机器人的适用场景。

权利要求

1.一种轻量化柔性机器人，包括控制箱、柔性机械臂与若干驱动绳，各所述驱动绳沿一圆周的方向均布，且沿所述圆周的轴向延伸后与所述柔性机械臂固定连接，并由所述控制箱驱动而牵引所述柔性机械臂运动，其特征在于，其中，所述控制箱包括控制面板，所述控制面板沿所述轴向对应各所述驱动绳设有多个具有不同高度的台阶，各所述台阶上均设有安装结构，其中，各所述台阶的高度正比于各所述驱动绳的高度；沿所述圆周上与所述台阶平行的直径方向，各所述安装结构相对所在台阶的位移正比于各所述驱动绳的圆心至所述圆周的圆心之间的连线在所在台阶上的投影距离。

2.根据权利要求1所述的轻量化柔性机器人，其特征在于，所述控制面板包括并列设置的第一台阶区与第二台阶区，所述第一台阶区与第二台阶区均包括多个所述台阶。

3.根据权利要求2所述的轻量化柔性机器人，其特征在于，所述第一台阶区与第二台阶区的相邻台阶等高。

4.根据权利要求2所述的轻量化柔性机器人，其特征在于，所述第一台阶区中各所述台阶的高度沿所述轴向逐渐增加，且最末端的所述台阶高于其他任何所述台阶；所述第二台阶区中，与最高的所述台阶相邻的所述台阶低于其他任何所述台阶，除最低的所述台阶外，所述第二台阶区中的其他所述台阶沿所述轴向逐渐增加，并与所述第一台阶区中的相邻台阶等高。

5.根据权利要求2所述的轻量化柔性机器人，其特征在于，相对所述圆周上与所述台阶平行的直径方向，所述台阶倾斜放置，且所述第一台阶区与第二台阶区的相邻台阶错开放置。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的轻量化柔性机器人，其特征在于，所述安装结构为贯通所在台阶的通孔。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的轻量化柔性机器人，其特征在于，所述控制箱包括轮轴与驱动装置，各所述台阶上通过所述安装结构固定有所述轮轴，所述驱动绳由对应的所述驱动装置驱动以进行伸缩，并从对应所述轮轴上绕出后沿所述圆周方向均布。

8.根据权利要求7所述的轻量化柔性机器人，其特征在于，所述驱动装置包括旋转电机与绕线盘，所述绕线盘与所述旋转电机的驱动轴固定连接，所述驱动绳的端部可固定于所述绕线盘之上，所述驱动绳可缠绕于所述绕线盘的线槽内。

9.根据权利要求8所述的轻量化柔性机器人，其特征在于，所述驱动装置还包括沿所述绕线盘的周边设置以封闭所述线槽的护线座，所述护线座上设置有供所述驱动绳伸出的开口。

10.根据权利要求7所述的轻量化柔性机器人，其特征在于，所述控制箱还包括驱动绳支座，所述驱动绳支座与所述轴向垂直，其上沿所述圆周方向均布有若干的绳孔，所述驱动绳一一对应的穿设在所述绳孔之内。

说明书

一种轻量化柔性机器人

技术领域

[0001] 本发明涉及机器人领域，尤其是涉及一种绳驱动柔性机器人。

背景技术

[0002] 当前，大量高效率、高精度的工业级机器人已经在电气、化工、机械等制造业领域取得较为广阔的应用，但是传统的工业机器人受限于其过大的体积或过高的刚性，无法适应于极端狭窄与极端危险的工作环境，如管道清洁等。与传统机械臂相比，柔性臂关节由于其固有的超冗余度特性，可以实现多个连续部分的弯曲，伸缩、扭转，在受限空间中的运动和操作能力远高于传统的多关节刚性连接杆机器人。

[0003] 考虑到柔性机器人的操作臂即使具备伸缩功能仍会受到极限长度限制，在部分应用场景中需要移动整机以完成执行任务，而通常情况下机器人的驱动控制箱尺寸均大于操作壁的尺寸，机器人可进入的狭小空间受到驱动控制箱的尺寸限制，因此缩小驱动控制箱的包络尺寸对于机器人适应极端环境具有积极的意义，现有技术中的驱动控制箱多数采用导轨滑块系统控制驱动绳的伸缩，即驱动绳固定于滑块之上，滑块相对导轨滑动以牵引驱动绳运动，受限于导轨，此种方式难以实现紧凑排布，占据的空间大，无法适用于需要整机运动的极端环境。

发明内容

[0004] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种轻量化柔性机器人，用于解决应用导轨滑块系统的现有控制箱难以实现紧凑排布、占据的空间大、无法适用于需要整机运动的极端环境的问题。

[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0006] 一种轻量化柔性机器人，包括控制箱、柔性机械臂与若干驱动绳，各驱动绳沿一圆周的方向均布，且沿圆周的轴向延伸后与柔性机械臂固定连接，并由控制箱驱动而牵引柔性机械臂运动，其中，控制箱包括控制面板，控制面板沿轴向对应各驱动绳设有多个具有不同高度的台阶，各台阶上均设有安装结构，其中，各台阶的高度正比于各驱动绳的高度；沿圆周上与台阶平行的直径方向，各安装结构相对所在台阶的位移正比于各驱动绳的圆心至圆周的圆心之间的连线在所在台阶上的投影距离。

[0007] 作为上述方案的进一步改进方式，控制面板包括并列设置的第一台阶区与第二台阶区，第一台阶区与第二台阶区均包括多个台阶。

[0008] 作为上述方案的进一步改进方式，第一台阶区与第二台阶区的相邻台阶等高。

[0009] 作为上述方案的进一步改进方式，第一台阶区中各台阶的高度沿轴向逐渐增加，且最末端的台阶高于其他任何台阶；第二台阶区中，与最高的台阶相邻的台阶低于其他任何台阶，除最低的台阶外，第二台阶区中的其他台阶沿轴向逐渐增加，并与第一台阶区中的相邻台阶等高。

[0010] 作为上述方案的进一步改进方式，相对圆周上与台阶平行的直径方向，台阶倾斜放置，且第一台阶区与第二台阶区的相邻台阶错开放置。

[0011] 作为上述方案的进一步改进方式，安装结构为贯通所在台阶的通孔。

[0012] 作为上述方案的进一步改进方式，控制箱包括轮轴与驱动装置，各台阶上通过安装结构固定有轮轴，驱动绳由对应的驱动装置驱动以进行伸缩，并从对应轮轴上绕出后沿圆周方向均布。

[0013] 作为上述方案的进一步改进方式，驱动装置包括旋转电机与绕线盘，绕线盘与旋转电机的驱动轴固定连接，驱动绳的端部可固定于绕线盘之上，驱动绳可缠绕于绕线盘的线槽内。

[0014] 作为上述方案的进一步改进方式，驱动装置还包括沿绕线盘的周边设置以封闭线槽的护线座，护线座上设置有供驱动绳伸出的开口。

[0015] 作为上述方案的进一步改进方式，控制箱还包括驱动绳支座，驱动绳支座与轴向垂直，其上沿圆周方向均布有若干的绳孔，驱动绳一一对应的穿设在绳孔之内。

[0016] 本发明的有益效果是：

[0017] 本发明的控制箱通过阶梯式排布的多个台阶，以及台阶上对应各驱动绳的安装结构，在满足驱动绳沿圆周均布的条件下，可以实现控制箱内各部件的紧凑摆放，有助于减小控制箱整机的包络尺寸，进而减小机械人的整体尺寸，提升机器人的适用场景。

附图说明

[0018] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

[0019] 图1是本发明轻量化柔性机器人一个实施例的立体示意图；

[0020] 图2是本发明柔性机械臂相邻臂段之间连接的示意图；

[0021] 图3是本发明控制面板一个实施例的俯视图；

[0022] 图4是本发明控制面板一个实施例的侧视图；

[0023] 图5是本发明控制面板一个实施例的立体示意图；

[0024] 图6是本发明控制箱一个实施例的立体示意图；

[0025] 图7是本发明驱动绳、轮轴与驱动装置的配合示意图。

具体实施方式

[0026] 以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0027] 需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、前、后等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

[0028] 此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

[0029] 参照图1，示出了本发明柔性机器人一个实施例的立体示意图，图中对柔性机械臂进行了截断处理。如图所示，柔性机器人包括控制箱1、柔性机械臂2与若干驱动绳3，各驱动绳3沿一圆周的方向均布，且沿圆周的轴向延伸后与柔性机械臂2固定连接，并由控制箱1驱动而牵引柔性机械臂运动。

[0030] 参照图2，示出了本发明柔性机械臂相邻臂段之间连接的示意图。柔性机械臂2包括多个臂段21，相邻臂段21之间通过转动连接块22进行连接，转动连接块22呈矩形，其四个侧面上各设有一转轴或者转轴孔，相邻臂段21通过转轴孔或者转轴转动连接于转动连接块22上，从而使得相邻臂段21之间具有四个转动自由度，在相应驱动绳3的牵引下，柔性机械臂2可以实现多向弯曲。此外，臂段21之间还可以通过联动绳进行联动，减少驱动绳的数量。
本发明中柔性机械臂2的具体结构以及联动绳方案均可以采用现有技术，本发明对此不作详述。

[0031] 参照图3至图5，分别示出了本发明控制面板一个实施例的俯视图、侧视图与立体示意图。如图3所示，控制面板整体大致呈矩形，沿图示X轴正向，控制面板大致分为并列设置的第一台阶区101与第二台台阶区102，沿图示Y轴正向，第一台阶区101与第二台台阶区102其上均设有若干个台阶，优选地，第一台阶区101依次包括第一台阶11a、第二台阶11b、第三台阶11c、第四台阶11d、第五台阶11e与第六台阶11f，第二台阶区102依次包括第七台阶11g、第八台阶11h、第九台阶11i、第十台阶11j、第十一台阶11k与第十二台阶11m。

[0032] 各台阶上大致沿X轴的方向设置有通孔111与通孔112，其中，同一区域内的通孔111沿弧形轨迹分布，作为固定轮轴等部件的安装结构，同一区域内的第二通孔112沿直线分布，用于固定电机等部件。

[0033] 本实施例中，相对图3中的X轴方向，各台阶倾斜放置，且第一台阶区101与第二台阶区102的相邻台阶错开放置，避免安装于控制面板上的电机、轮轴、编码器等部件相互干涉，在满足正常安装上述部件的基础上，缩小面板的面积。

[0034] 如图4、图5所示，控制面板上各台阶具有不同的高度梯度，优选地，第一台阶区101中各台阶的高度沿Y轴正向逐渐增加，且最末端的第六台阶11f高于其他任何台阶。第二台阶区102中，与最高的第六台阶11f相邻的第十二台阶11m低于其他任何台阶。除最低的第十二台阶11m外，第二台阶区102中的其他台阶高度沿Y轴正向逐渐增加。此外，除第六台阶11f与第十二台阶11m外，第一台阶区101与第二台阶区102中的相邻台阶高度均相等。

[0035] 控制面板的前端优选还固定有驱动绳支座12，驱动绳支座12上设置有若干沿圆周方向均布的绳孔121，该圆周的轴向即为图3中的Y轴方向。本实施例中优选设置有12个绳孔，即台阶数量一一对应于绳孔的数量。同时，本实施例的绳孔按照一定的规律分布，即圆周的最高点与最低点均存在一个绳孔，其他的绳孔以该两个绳孔的圆心连心对称均匀分布。

[0036] 本发明中台阶与通孔111的分布规律与绳孔的分布规律存在关联。以上述绳孔的分布为例，除最高点与最低点的绳孔之外，其他绳孔均以两个为一组且等高，故台阶分为两个台阶区，且两个台阶区内相邻的台阶为一组且高度相等。同时，各组台阶的高度正比于对应的各组绳孔的高度，此处所称的“高度”，是指沿图5中Z轴方向，且参照相同基准面的高度。此处所称的“正比于”，包括相等的情况，下同。此外，沿X轴方向(即上述圆周上与台阶平行的直径方向)，通孔111相对所在台阶的位移d(参照图1，图中虚线经过驱动绳分布圆周的圆心)，正比于各绳孔的圆心至圆周的圆心之间的连线在所在台阶上的投影距离。

[0037] 依照上述规则，第六台阶11f与最高的绳孔对应，第十二台阶11m与最低的绳孔对应，除上述的两个绳孔之外，对于与第一台阶区101对应的5个绳孔，沿从下往上的方向依次对应第一台阶11a、第二台阶11b、第三台阶11c、第四台阶11d、第五台阶11e；对于与第二台阶区102对应的5个绳孔，沿从下往上的方向依次对应第七台阶11g、第八台阶11h、第九台阶11i、第十台阶11j、第十一台阶11k。

[0038] 依照本实施例中绳孔的分布情况，最低的第十二台阶11m单独位于其他台阶的最前方，最高的第六台阶11f单独位于其他台阶的最后方会更便于布线，然而按此设置会在台阶区的前端和后段均形成一个单独的突出结构，本发明将第十二台阶11m后置使其与第六台阶11f并列，从而可以节省一个台阶的宽度，有助于缩小控制面板的面积。

[0039] 由于最低的第十二台阶11m位于第二台阶区102的末端，为了方便对应于第十二台阶11m的驱动绳的走线，第一台阶区101与第二台阶区102之间还设置有走线间隙103。

[0040] 本发明中台阶与通孔的分布依赖于绳孔的分布，因此本发明不局限于上述实施例。如绳孔的数量变化时，台阶与通孔的数量同步变化；当不存在等高的一组绳孔时，则也无需设置等高的一组台阶。

[0041] 参照图6，示出了本发明控制箱一个实施例的立体示意图。如图所示，控制箱除上述的控制面板之外包括驱动绳，还包括轮轴13与驱动装置。轮轴13通过通孔111一一对应的安装于各台阶上，驱动装置通过通孔112一一对应的安装于各台阶上。驱动绳从对应轮轴13上绕出，穿过对应的绳孔后与柔性臂连接，并由对应的驱动装置驱动以进行伸缩。

[0042] 本发明通过阶梯式排布的多个台阶，以及台阶上对应各绳孔(驱动绳)的通孔111(安装结构)，在满足驱动绳沿圆周均布的条件下，可以实现控制箱内各部件的紧凑摆放，有助于减小控制箱整机的包络尺寸(本发明的体积可以缩小至现有控制箱体积的1/4至1/3)，提升机器人的适用场景。

[0043] 参照图7，示出了本发明驱动绳、轮轴与驱动装置的配合示意图。如图所示，驱动装置包括旋转电机141与绕线盘142，绕线盘142与旋转电机141的驱动轴固定连接，绕线盘142的周边设置有线槽。驱动绳的端部固定于绕线盘之上，并在绕线盘142的线槽内缠绕后伸出，再由轮轴13进行导向。

[0044] 本发明也可以将旋转电机141的驱动轴直接与轮轴13固定连接，驱动绳的端部直接与轮轴13固定连接。

[0045] 由于线槽的深度可能受绕线盘142的尺寸影响而不足以将驱动绳完全限制在槽内，本实施例还设置有护线座143，护线座143沿绕线盘142的周边设置以封闭线槽，并在设定位置开口驱动绳伸出的开口1431。

[0046] 本实施例还包括采集电机运动状态的编码器151，以及采集轮轴运动状态的编码器152，提供控制系统的闭环反馈信息。

[0047] 以上是对本发明的较佳实施进行的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。