本發(fā)明涉及機器人領域，更具體地，涉及到用于復雜空間探查和取物的一種多自由度繩驅(qū)離散型機械臂，提供了一種使用較少電機來實現(xiàn)多自由復雜控制的解決方案，并可以搭配不同組件，實現(xiàn)輕載抓取，空間探查等工作任務，能夠廣泛應用于管道作業(yè)、災后救援設備等行業(yè)之中。

背景技術：

1、事故及災難發(fā)生后的應急救援對減少突發(fā)事件的損失具有重要意義[2]，而造成大多數(shù)損失的一大原因，就是由于地震造成的復雜空腔內(nèi)情況無法及時探查，但專業(yè)的探查設備造價高昂且操作復雜，研制基于先進機器人技術且較為廉價易用的探查設備已迫在眉睫。為此，本發(fā)明提出了一種由少數(shù)電機來控制多自由的線控離散型導管機械臂，可以極大的降低因多電機導致的造價高昂與控制復雜，且線控系統(tǒng)極大的提高了設備的可靠性與易維護性。本發(fā)明可以同時在硬件、軟件與操作人員培訓三個方面降低成本，從而助力災后救援以及在如管道作業(yè)等在復雜空間背景下開展的工程項目。

2、在仿生機器人設計領域，根據(jù)線驅(qū)動的致動原理，結(jié)合滑塊滑槽設計，對于機械臂的靈活性有了極大的提升，同時降低了需要的電機數(shù)量，滿足工作需要的同時，降低了制造難度與成本。在現(xiàn)有的中國專利中cn118061159a申請公開一種充氣式柔性機械手，采用了旋轉(zhuǎn)關節(jié)與柔性關節(jié)來提高機械手的靈活性，其中部分結(jié)構(gòu)采用了絞盤與細線來提高結(jié)構(gòu)的剛度并實現(xiàn)復位操作。但該結(jié)構(gòu)設計較為復雜，且靈活度有限，無法在狹小空間內(nèi)工作。而在中國專利cn117644501a中公開了一種面向狹小空間靈巧操作的可折疊繩牽引并聯(lián)機器人，其中末端的線驅(qū)機械臂采用線驅(qū)動具有高靈活度與柔韌性，但關節(jié)之間采用壓縮彈簧作為連接，精度難以保障，且難以在有負載的情況下工作。而中國專利cn117415855a公開了一種肌腱型繩驅(qū)機械臂，其采用了十字形結(jié)構(gòu)提高了繩驅(qū)機械臂的結(jié)構(gòu)剛度，但同時其靈活性較低且四電機控制成本較高。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決在技術背景中提及的問題，本發(fā)明的目的是提供一種低成本、高靈活度且具備不錯的剛性的機械臂，可廣泛的應用到如災后救援與管道作業(yè)等領域中。

2、本發(fā)明的技術方案如下：機械臂由前部導管系統(tǒng)與機架系統(tǒng)以及后部滑臺系統(tǒng)構(gòu)成，三者通過驅(qū)動繩連接并作為動力傳遞的載體。

3、前部機械臂由末端導桿、中部導桿、撥塊、萬向關節(jié)、基座導桿等構(gòu)成，運動時由繩驅(qū)動帶動撥塊向后運動，卡入導桿中的后部滑槽，由萬向關節(jié)限制撥塊旋轉(zhuǎn)從而撥動導桿旋轉(zhuǎn)，再通過導桿兩端的斜截平面使得機械臂移動。同理，當細繩張力下降，由壓縮彈簧將撥塊復位，同時進入前部滑槽，使得導桿進一步旋轉(zhuǎn)，使得機械臂可以連續(xù)工作。如此的中部導桿與末端導桿都可以實現(xiàn)繞萬向關節(jié)中心點的兩個旋轉(zhuǎn)自由度，由分動輪可以分別控制。

4、進一步的，由蝸輪蝸桿機構(gòu)帶動基座導桿進行旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機械臂繞主軸的旋轉(zhuǎn)自由度，從而實現(xiàn)了由兩個電機間歇控制機械臂的五個自由度。

5、進一步的，在前部機械臂的基礎上，集成了繩驅(qū)機械手，安裝在末端導桿上，從而實現(xiàn)抓取操作，同時，配套的后部滑臺系統(tǒng)通過滑臺來為機械手驅(qū)動繩提供動力，實現(xiàn)抓握動作。

6、本發(fā)明的優(yōu)勢效果為：

7、1.本發(fā)明提供了一種多自由度繩驅(qū)離散型機械臂，具備低成本，高靈活度以及不錯的剛性等優(yōu)點。整體采用繩驅(qū)傳動，使用兩臺電機完成機械臂的五自由度控制，一臺滑臺實現(xiàn)機械手的抓取，造價成本與控制成本低。

8、2.本發(fā)明具備良好的適配性，不僅僅局限于機械手單一末端執(zhí)行器，還可以適配如攝像頭等其他模塊，僅需更換末端執(zhí)行器與后部滑臺既可。

9、3.本發(fā)明具備極佳的靈活度，五自由度的機械臂可以實現(xiàn)一近似于半球形的可達空間，且中部導桿通過增加單元數(shù)的方式可進一步提高靈活性，可以應用于復雜工作環(huán)境。

技術特征：

1.一種多自由度繩驅(qū)離散型機械臂，其特征在于：由繩驅(qū)機械臂、機架和后部滑臺組成；繩驅(qū)機械臂位于機架前部，機械臂的末端固定在機架上，后部滑臺固定在機架的尾部上方；

2.根據(jù)權利要求1所述的多自由度繩驅(qū)離散型機械臂，其特征在于，該機械臂由驅(qū)動繩帶動撥塊運動，撥塊通過卡入中部導桿前后的滑槽，使機械臂及其末端結(jié)構(gòu)移動；在導桿軸線上設置有滑桿和復位壓縮彈簧，導桿外側(cè)非對稱分布有拉伸復位彈簧，并且滑桿內(nèi)部貫通驅(qū)動繩；機架上固定安裝有導桿座，導桿座中央穿過中部導桿，中部導桿通過萬向關節(jié)與滑桿連接；中部導桿上裝有導向平鍵、撥塊和壓縮復位彈簧；滑桿外部可套裝中部導桿或末端導桿，中部導桿外側(cè)安裝有角接觸軸承和軸承蓋，軸承蓋周向非對稱布置拉伸復位彈簧，與其他導桿相連；末端導桿上配備末端機械手作為執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)抓取功能。

3.根據(jù)權利要求1所述的多自由度繩驅(qū)離散型機械臂，其特征在于，機架上同軸裝配有導桿座、搖籃機構(gòu)、電滑環(huán)、蝸輪和滑塊，提供定位和支撐，并集成有步進電機控制器；機架設有燕尾槽；架體上安裝的搖籃機構(gòu)與電滑環(huán)同軸設置，便于信號傳輸；搖籃機構(gòu)通過安裝在機架上的步進電機經(jīng)蝸輪蝸桿機構(gòu)驅(qū)動，實現(xiàn)相對于架體的360度旋轉(zhuǎn)；搖籃機構(gòu)上還安裝了一臺步進電機，并帶有分動輪，用以獨立調(diào)節(jié)兩根驅(qū)動繩的張力。

4.根據(jù)權利要求1所述的多自由度繩驅(qū)離散型機械臂，其特征在于，滑臺通過步進電機提供動力和控制，滑臺放大力的輸出，使滑塊能夠沿滑臺前后移動，從而影響機械手驅(qū)動繩的張力，實現(xiàn)對機械手的抓取控制。

技術總結(jié)
本發(fā)明公開了一種多自由度繩驅(qū)離散型機械臂，由繩驅(qū)機械臂、機架和后部滑臺組成；繩驅(qū)機械臂由末端機械手、末端導桿、中部導桿、拉伸復位彈簧、角接觸軸承、軸承蓋、萬向關節(jié)、撥塊、滑桿、導向平鍵、壓縮復位彈簧和導桿座組件構(gòu)成；機架由架體、搖籃機構(gòu)、電滑環(huán)、分動輪和蝸輪蝸桿機構(gòu)組成。通過控制機架上的步進電機，經(jīng)蝸輪蝸桿機構(gòu)傳動實現(xiàn)搖籃機構(gòu)、電滑環(huán)和繩驅(qū)機械臂繞主軸的周向旋轉(zhuǎn)自由度；通過安裝在搖籃機構(gòu)上的步進電機，利用分動輪調(diào)節(jié)兩條驅(qū)動繩的張力，控制兩撥塊在滑桿上移動；復位壓縮彈簧與拉伸復位彈簧共同作用，撥塊上的滑槽與中部導桿前后部的滑槽配合，提供第二至第五旋轉(zhuǎn)自由度。

技術研發(fā)人員：程強,金兆鈞,劉若淵,周子翔,鄭軻之,孫婷,劉杰
受保護的技術使用者：北京工業(yè)大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/9