一种基于绳索驱动的大转角柔性关节以及机器人

摘要

本发明提供了一种基于绳索驱动的大转角柔性关节以及机器人，柔性关节包括第一平台、第二平台、弹性支链和多根刚性支链，弹性支链的两端分别固定连接至第一平台、第二平台；刚性支链包括连杆、第一转动关节和第二转动关节，连杆的一端通过第一转动关节连接至第一平台，连杆的另一端通过第二转动关节连接至第二平台；第一转动关节包括具有两个转动副的第一连接件，第一连接件分别铰接至第一平台、连杆；第二转动关节包括具有两个转动副的第二连接件和具有一个转动副的第三连接件，第二连接件分别铰接至第二平台、第三连接件的一端，第三连接件的另一端铰接至连杆。本发明具有结构简单、灵活性好、刚度可调的优点。

权利要求

1.一种基于绳索驱动的大转角柔性关节，其特征在于，包括：

第一平台；

第二平台，设置为通过绳索驱动，并且能够相对所述第一平台进行运动；

弹性支链，所述弹性支链的两端分别固定连接至所述第一平台、所述第二平台；以及围绕所述弹性支链设置的多根刚性支链；

其中所述刚性支链包括连杆、第一转动关节和第二转动关节，所述连杆的一端通过所述第一转动关节连接至所述第一平台，所述连杆的另一端通过所述第二转动关节连接至所述第二平台；

其中所述第一转动关节包括具有两个转动副的第一连接件，所述第一连接件分别铰接至所述第一平台、所述连杆；所述第二转动关节包括具有两个转动副的第二连接件和具有一个转动副的第三连接件，所述第二连接件分别铰接至所述第二平台、所述第三连接件的一端，所述第三连接件的另一端铰接至所述连杆；

其中所述第一连接件通过转动副R1铰接至所述第一平台，所述第一连接件通过转动副R2铰接至所述连杆的一端，所述第二连接件通过转动副R5铰接至所述第二平台，所述第二连接件通过转动副R4铰接至所述第三连接件，所述第三连接件通过转动副R3铰接至所述连杆的另一端，其中，转动副R1、R2之间互相垂直，转动副R4、R5之间互相垂直，转动副R2、R3、R4的轴线互相平行；

其中多根所述刚性支链中的多个转动副R1的轴线交汇于同一位置点，多根所述刚性支链中的多个转动副R5的轴线交汇于同一位置点。

2.如权利要求1所述的基于绳索驱动的大转角柔性关节，其特征在于，多根所述刚性支链中的所述连杆以所述弹性支链为回转中心均匀分布。

3.如权利要求2所述的基于绳索驱动的大转角柔性关节，其特征在于，所述刚性支链中的所述连杆呈圆弧形结构。

4.如权利要求2所述的基于绳索驱动的大转角柔性关节，其特征在于，所述刚性支链的数目为三根或者四根。

5.如权利要求1所述的基于绳索驱动的大转角柔性关节，其特征在于，所述第一平台、所述第二平台上设有连接所述第一连接件、所述第二连接件的连接耳座。

6.如权利要求1所述的基于绳索驱动的大转角柔性关节，其特征在于，所述第一平台、所述第二平台互相平行时，多根所述刚性支链两端之间的连线交汇于同一位置点，该位置点位于所述弹性支链上。

7.如权利要求1所述的基于绳索驱动的大转角柔性关节，其特征在于，还包括用于调节所述第一平台、所述第二平台之间间距的位置调节螺母，所述位置调节螺母设置在所述第一平台和/或所述第二平台上。

8.一种机器人，其特征在于，包括如权利要求1-7之一所述的基于绳索驱动的大转角柔性关节。

说明书

一种基于绳索驱动的大转角柔性关节以及机器人

技术领域

[0001] 本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种基于绳索驱动的大转角柔性关节以及机器人。

背景技术

[0002] 绳索驱动机器人是通过绳索将动平台(或末端执行器)与静平台连接起来的机器人，它具有工作空间大、负载质量比高和易于模块化的优点，已成为人们研究的热点。

[0003] 在申请人在先的中国专利申请201910134989.8中提供了一种绳索驱动的串并联混合机构大负载机械臂，包括躯体和设置在躯体上的肩部关节、大臂部、肘部关节、小臂部、仿生手掌；肘部关节包括肘部固定平台、肘部活动平台、以及连接肘部固定平台与肘部活动平台的三条相同的位置约束支链，肘部固定平台设置在大臂部上，肘部固定平台的中心与肘部活动平台的中心之间的连线为L，三条位置约束支链相对于连线L呈中心对称分布；位置约束支链的一端通过第一转动关节连接至肘部活动平台，位置约束支链的另一端通过第二转动关节连接至肘部固定平台，第一转动关节与第二转动关节相对于连线L呈中心对称分布。上述技术方案中的肘部关节采用绳索进行驱动，其整体为刚性结构，不具备柔性的方案，对于绳驱并联机构来说，可以通过绳索拉力调整机构整体的刚度，然而在这个过程中会造成绳索松弛的现象，造成结构的不稳定。

[0004] 在申请人在先的中国专利申请201910344484.4中提供了一种基于绳索驱动的二自由度大转角柔性机器人关节及机器人，属于机器人技术领域。基于绳索驱动的二自由度大转角柔性机器人关节包括第一关节杆、第二关节杆以及转动连接件，所述转动连接件的一端铰接连接有第一铰接件，所述第一铰接件与所述第一关节杆铰接连接，所述转动连接件的另一端铰接连接有第二铰接件，所述第二铰接件与所述第二关节杆铰接连接。上述技术方案中的整体结构为刚性，也不具备柔性的方案。

[0005] 基于此，本申请提供了一种基于绳索驱动的大转角柔性关节及机器人。

发明内容

[0006] 针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于绳索驱动的大转角柔性关节，设置了分别连接第一平台与第二平台的弹性支链，可以实现整体结构的柔性化，具有结构简单、灵活性好，刚度可调的优点。

[0007] 为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种基于绳索驱动的大转角柔性关节，包括第一平台、第二平台、弹性支链和围绕弹性支链设置的多根刚性支链，第二平台设置为通过绳索驱动，并且能够相对第一平台进行运动，弹性支链的两端分别固定连接至第一平台、第二平台；其中刚性支链包括连杆、第一转动关节和第二转动关节，连杆的一端通过第一转动关节连接至第一平台，连杆的另一端通过第二转动关节连接至第二平台；其中第一转动关节包括具有两个转动副的第一连接件，第一连接件分别铰接至第一平台、连杆；第二转动关节包括具有两个转动副的第二连接件和具有一个转动副的第三连接件，第二连接件分别铰接至第二平台、第三连接件的一端，第三连接件的另一端铰接至连杆。

[0008] 在本发明的上述技术方案中，弹性支链的两端分别固定连接第一平台和第二平台，在第二平台相对第一平台进行运动时，弹性支链产生相应的弯曲而处于弯曲姿态，其中，弹性支链始终保持被压缩状态，例如弹性支链为受压状态下的弹簧，弹性支链的回复力能够与绳索的拉力保持平衡，实现整个关节的柔性化设计。

[0009] 根据本发明的另一种具体实施方式，第一连接件通过转动副R1铰接至第一平台，第一连接件通过转动副R2铰接至连杆的一端，第二连接件通过转动副R5铰接至第二平台，第二连接件通过转动副R4铰接至第三连接件，第三连接件通过转动副R3铰接至连杆的另一端，其中，转动副R1、R2之间互相垂直，转动副R4、R5之间互相垂直，转动副R2、R3、R4的轴线互相平行。

[0010] 根据本发明的另一种具体实施方式，多根刚性支链中的多个转动副R1的轴线交汇于同一位置点，多根刚性支链中的多个转动副R5的轴线交汇于同一位置点。

[0011] 根据本发明的另一种具体实施方式，多根刚性支链中的连杆以弹性支链为回转中心均匀分布。

[0012] 根据本发明的另一种具体实施方式，刚性支链中的连杆呈圆弧形结构，并且多根连杆之间呈螺旋状分布。

[0013] 根据本发明的另一种具体实施方式，刚性支链的数目为三根或者四根。

[0014] 根据本发明的另一种具体实施方式，第一平台、第二平台上设有连接第一连接件、第二连接件的连接耳座。

[0015] 根据本发明的另一种具体实施方式，第一平台、第二平台互相平行时，多根刚性支链两端之间的连线交汇于同一位置点，该位置点位于弹性支链上。

[0016] 根据本发明的另一种具体实施方式，还包括用于调节第一平台、第二平台之间间距的位置调节螺母，位置调节螺母设置在第一平台和/或第二平台上，优选的，在第一平台、第二平台均设置有位置调节螺母。

[0017] 另一方面，本发明还提供了一种机器人，包括前述的基于绳索驱动的大转角柔性关节。

[0018] 本发明中单根刚性支链为URU结构，关节整体由N-URU(N＝3或4)并联机构和一个约束弹簧组成，具有两个转动和一个移动自由度，申请人在先的申请201910134989.8、201910344484.4中均采用的是3-UU并联机构，仅仅具有两个转动自由度，而且该申请中的肘部关节采用的刚性机构，不具有柔性特性，本申请的关节采用柔性化设计，可以使用保持绳索的预拉紧，还可以实现关节的变刚度调节。

[0019] 本发明具有如下有益效果：

[0020] 本发明通过通过在第一平台与第二平台之间设置了弹性支链和多根刚性支链，实现第一平台与第二平台之间两个自由度的转动，其中通过弹性支链的回调释放作用，能够弥补绳索调整过程中出现的绳索松弛的现象，结构简单、灵活性好，实现关节的柔性化设计。

[0021] 下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

[0022] 图1是逆平行四边形机构的原理示意图；

[0023] 图2柔性逆平行四边形机构的原理示意图；

[0024] 图3是柔性关节的未弯曲状态下的整体结构示意图；

[0025] 图4是图3的正面示意图；

[0026] 图5是图4的爆炸示意图；

[0027] 图6是柔性关节的弯曲状态下的结构整体结构示意图；

[0028] 图7为单根刚性支链的约束线矢量分析示意图；

[0029] 图8为柔性关节整体的约束力矢量分析示意图；

[0030] 图9是柔性关节的刚度调节分析示意图。

具体实施方式

[0031] 本实施例提供了一种基于绳索驱动的大转角柔性关节，为了便于理解本实施例，以下先对本实施例中提及的逆平行四边形机构、柔性逆平行四边形机构的原理进行详细说明。

[0032] 关于逆平行四边形机构及其球面近似

[0033] 参见图1，为了使机构的运动中心轨迹近似为一个圆，假定以p0(0，c0)为圆心的假想圆，该假想圆的半径为r，考虑一条半径线与假想圆的交点为pc(xc，yc)，与椭圆的交点为pe(xe，ye)。

[0034] 由几何关系容易得到

[0035] ye＝xe/tanθ+c0

[0036]

[0037] 由上面两个式子可得

[0038]

[0039] 其中，定义|pcpe|＝|p0pe|-r，当|pcpe|接近于零时，运动中心轨迹近似为一个圆，通过数值计算(例如通过matlab进行计算)，可以得到满足假想圆r精度的要求的机构参数值，例如假想圆半径为38时，w、l、c0分别取值23.14mm、73.14mm和-3.29mm，此时，圆误差范围在0.035mm以内；因此，选择合理的设计参数，逆平行四边形机构能够实现作为球面滚动机构，并且能保证精度在合理范围内；控制逆平行四边形机构的每个转动自由度需要两根绳索，而逆平行四边形机构作为球面滚动机构时，两根控制绳索具有相同的绳长变化率，使控制更加简单高效。

[0040] 关于柔性逆平行四边形机构

[0041] 参见图2，逆平行四边形机构为刚性杆连接，为了引入柔性，我们在动平台的两个转动副附近分别添加一个额外的转动副E和转动副F，很容易得到，转动副E和F的引入使动平台(位于上方)具有了一个移动自由度。另外在机构内部设置弹簧，约束该移动，这样，弹簧的引入使该机构具有较好的柔性。

[0042] 同时，只需要确保转动副C和转动副E的相对位置以及转动副D和转动副F的相对位置保持不变，或者只是微小变化，使整个机构仍然具有前述的逆平行四边形机构运动特性，然后在通过引入了绳索驱动的方式，并且形成绳索的拉力与弹簧的弹力达到力平衡。

[0043] 如图3-9所示，一种基于绳索驱动的大转角柔性关节，包括第一平台1、第二平台2、弹簧3(弹性支链)和三根刚性支链4，三根刚性支链4呈螺旋形结构分布，并且三根刚性支链4以弹性支链为回转中心均匀分布；本实施例中以圆盘形的第一平台1为定平台、圆盘形的第二平台2为静平台并且在绳索的驱动下运动为例，进行进一步说明。

[0044] 在第一平台1、第二平台2上均设有连接座5，弹簧3的两端分别连接至该连接座5上；刚性支链4包括圆弧杆41(连杆)、第一转动关节42和第二转动关节43，圆弧杆41可以有效避免运动过程中的干涉问题，其中圆弧杆41的一端通过第一转动关节42连接至第一平台1的连接耳座上，圆弧杆41的另一端通过第二转动关节43连接至第二平台2的连接耳座上。

[0045] 第一转动关节42包括第一连接件421，第一连接件421具有两个互相垂直的转动副R1、R2，其中第一连接件421通过转动副R1铰接至第一平台1，第一连接件421通过转动副R2铰接至圆弧杆41的一端。

[0046] 第二转动关节43包括第二连接件431、第三连接件432，第二连接件431具有两个互相垂直的转动副R4、R5，第三连接件432具有一个转动副R3，其中第二连接件431通过转动副R5铰接至第二平台2，第二连接件431通过转动副R4铰接至第三连接件432，第三连接件432通过转动副R3铰接至刚性支链4的另一端，并且转动副R2、R3、R4的轴线互相平行。

[0047] 本实施例中单根刚性支链为URU结构，即该关节整体为3-URU结构，单根刚性支链而言，刚性支链的第一个R副(R1)设置在第一平台1上，最后一个R副(R5)设置在第二平台2上，中间的三个R副(R2、R3、R4)的轴线相互平行，且与两端的两个R副(R1、R5)轴线垂直；参见图3，多根刚性支链4中的多个转动副R1的轴线交汇于同一位置点，即位于或者接近位于第一平台1的圆心位置，多根刚性支链中的多个转动副(R51、R52、R53)的轴线交汇于同一位置点，如图7所示，即位于或者接近位于第二平台2的圆心位置。

[0048] 相应的，第一平台1、第二平台2互相平行时，即图4所示的位置状态，多根刚性支链4两端之间的连线交汇于同一位置点，该位置点位于弹簧3的中心。

[0049] 根据螺旋理论几何分析方法，对于单根刚性支链来说，容易得到其约束自由度为与转动副R2、转动副R3和转动副R4轴线平行，且与转动副R1和转动副R5轴线相交的约束力，即图7示出的约束线矢量$r1，同样，可以得到另两个约束线矢量$r2和$r3，这三个线矢量共面不汇交，由螺旋理论容易得到，这三个共面不汇交线矢量约束了机构的两个移动和一个转动。

[0050] 需要特别注意的是，当该关节转角为零时，即图8示出的初始状态时，建立原点位于关节中心的坐标系，坐标系的XOY平面与第一平台1之间面平行，Z轴垂直向上，此时该关节具有一个约束力偶$r4，该力偶轴线沿Z轴方向，即为联接于第一平台1的三个转动副的交点和联接于第二平台2的三个转动副的交点的连线。

[0051] 约束力偶$r4限制了该关节沿Z轴方向的一个转动自由度，因此在该状态下，关节具有两个转动(绕X轴、Y轴)和三个移动，然而弹簧的存在，约束了X方向和Y方向的移动，因此在初始状态，关节具有绕X轴和Y轴的两个转动和沿Z轴的移动，如前所述，第二平台2沿Z轴方向的移动被弹簧和绳索(四根绳索)共同约束，此时刚好为整个关节提供了柔性结构，因此该关节最终只呈现出具有绕X轴和Y轴的两个转动。

[0052] 本实施例中刚度的调节如图9所示，正如我们所知道的，绳索是由纤维或金属丝制成的长细柔性结构，其在张紧状态下具有较大刚度，而松弛状态下刚度几乎为零；对于绳驱并联机构来说，可以通过绳索拉力调整机构的刚度，然而同时可能会造成绳索松弛，不适合进行关节刚度的调整。本实施例中，由于弹簧的回调释放作用，能够弥补绳索调整刚度造成的绳索松弛，此时即使绳索拉力变小，绳索也不会松弛，从而实现变刚度。

[0053] 此外，还可以在第一平台1、第二平台2均设置有位置调节螺母6，利用手动或者电机驱动的方式，以压缩或者放松弹簧，进而进行第一平台1与第二平台2之间间距的小幅度调节。

[0054] 虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。