一种实现柔性缓冲的绳驱动关节和绳驱动机械臂制造技术

本实用新型专利技术公开了一种实现柔性缓冲的绳驱动关节，包括定平台、相对于定平台在第一平面内转动的动平台，在定平台和动平台之间设有能在第一平面内转动的中间平台；中间平台相对于定平台顺时针转动时设有用于限制转动的第一刚性绳，逆时针转动时设有用于转动缓冲的第一弹性绳；动平台相对于中间平台顺时针转动时设有用于转动缓冲的第二弹性绳，逆时针转动时设有用于限制转动的第二刚性绳。本实用新型专利技术将多个实现柔性缓冲的绳驱动关节串联组合成绳驱动机械臂，使得绳驱动机械臂实现柔性缓冲的功能，在外载荷较小时处于高刚度状态以保证运动精度和控制精度，在受到较大外载荷如外力冲击时，表现出柔顺性以保证本质安全。

【技术实现步骤摘要】
一种实现柔性缓冲的绳驱动关节和绳驱动机械臂
本技术涉及机器人关节设计和机械臂构型设计，具体地说是一种能够实现柔性缓冲的绳驱动关节和绳驱动机械臂。
技术介绍
近年来，市场对服务机器人的需求越来越大，服务机器人的应用也逐渐广泛。然而，由于服务机器人的一系列技术问题尚未解决，服务机器人仍存在柔顺性差、安全性差等问题，无法实现本质安全的人机互动，因此，服务机器人的应用受到了限制，普及程度依然较低。因此，服务机器人的安全性不足是一个亟待解决的重要问题。传统的工业机器人具有较高的运动精度，但由于其高刚度的特点，难以实现本质安全的操作，因此无法直接作为服务机器人应用于市场。为了实现可靠安全的操作，提高机械臂的柔顺性是一种有效的解决方案。现有实现机械臂柔性的方法有两种：一种方法是通过柔顺控制算法来实现机械臂的柔性，通过选取控制参数或采用柔顺控制模型使机械臂具有类似柔性臂的性能。常用的方法有阻抗控制和导纳控制。该方法的不足在于对控制器的性能要求较高，当受到外力冲击时控制算法容易发散。因此该方法的柔顺性不够可靠，难以应用于服务机器人。另一种方法是通过设计柔性元件来实现机械臂的本质柔顺。在机械臂中加入弹性元件，通过控制弹性元件的刚度来实现机械臂的刚度控制。这种方法直接在机械臂硬件上实现柔顺性，因此可以实现本质安全的操作。柔性机械臂具有本质安全的特点。绳驱动机器人是一种由绳索驱动运动平台(7)运动的特殊的混联机构，由若干单自由度或多自由度绳驱动关节组成。绳驱动机器人具有轻量化、惯量小、承重能力强、柔顺性好等优点，因此非常适合应用于服务机器人，具有很高的研究价值。然而，较低的刚度往往导致机械臂运动精度不足。在一些场合，机械臂需要在保证安全的前提下实现高刚度的运动。虽然机械臂可以实现高刚度和低刚度的转换控制，但不同的刚度切换仍需要时间，难以应对突发状况，例如撞击等。因此，现有的机械臂难以同时兼顾高精度与安全性。为了保证绳驱动机械臂的安全性，绳驱动关节的刚度是需要调节控制的，现有技术中还未有控制绳驱动关节刚度的技术方案。因此，我们需要设计一种机械臂，既能在完成正常操作时始终保持高刚度状态以保证足够的运动精度，又能在受到较大外力冲击时表现出柔顺性实现缓冲保护，保证安全性。
技术实现思路
本技术针对上述现有技术现状，而提供一种实现柔性缓冲的绳驱动关节和绳驱动机械臂，这种绳驱动关节和绳驱动机械臂在低载荷下具有高刚度，在高载荷下具有低刚度，解决了现有绳驱动关节和绳驱动机械臂难以同时兼顾高精度与安全性的技术问题。本技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种实现柔性缓冲的绳驱动关节，包括定平台、相对于定平台在第一平面内转动的动平台，在定平台和动平台之间设有能在第一平面内转动的中间平台；中间平台相对于定平台顺时针转动时设有用于限制转动的第一刚性绳，逆时针转动时设有用于转动缓冲的第一弹性绳；动平台相对于中间平台顺时针转动时设有用于转动缓冲的第二弹性绳，逆时针转动时设有用于限制转动的第二刚性绳。作为上述技术方案的进一步改进，中间平台通过第一转动副与定平台连接；所述的中间平台通过第二转动副与动平台连接。作为上述技术方案的进一步改进，第一转动副和第二转动副具有同一个转动轴。作为上述技术方案的进一步改进，第一转动副具有第一转动轴，所述的第二转动副具有第二转动轴；所述的第一转动轴和第二转动轴平行、并且上下分立布置。作为上述技术方案的进一步改进，定平台具有在第一平面内向两侧延伸的第一连接臂和第二连接臂；所述中间平台具有在第一平面内向两侧延伸的第三连接臂和第四连接臂；所述动平台具有在第一平面内向两侧延伸的第五连接臂和第六连接臂；所述的第一连接臂、第三连接臂和第五连接臂位于同一侧；所述的第二连接臂、第四连接臂和第六连接臂位于同一侧。作为上述技术方案的进一步改进，第一刚性绳位于第一连接臂和第三连接臂之间；所述的第一弹性绳位于第二连接臂和第四连接臂之间；所述的第二弹性绳位于第三连接臂和第五连接臂之间；所述的第二刚性绳位于第四点连接臂和第六连接臂之间。作为上述技术方案的进一步改进，第一刚性绳和第二刚性绳为钢丝绳。作为上述技术方案的进一步改进，第一弹性绳和第二弹性绳为串联弹簧的钢丝绳。本技术将多个实现柔性缓冲的绳驱动关节串联组合成绳驱动机械臂，使得绳驱动机械臂实现柔性缓冲的功能。与现有技术相比，本技术的绳驱动关节和绳驱动机械臂，在外载荷较小时处于高刚度状态以保证运动精度和控制精度，在受到较大外载荷如外力冲击时，表现出柔顺性以保证本质安全。附图说明图1是本技术实施例中绳驱动关节的结构原理图。图2a是本技术实施例中绳驱动关节受到向右外力时绳索及关节的变形示意图1。图2b是本技术实施例中绳驱动关节受到向右外力时绳索及关节的变形示意图2。图2c是本技术实施例中绳驱动关节受到向右外力时绳索及关节的变形示意图3。图3a是本技术实施例中绳驱动关节受到向左外力时绳索及关节的变形示意图1。图3b是本技术实施例中绳驱动关节受到向左外力时绳索及关节的变形示意图2。图3c是本技术实施例中绳驱动关节受到向左外力时绳索及关节的变形示意图3。图4是本技术实施例的外力-动平台位移曲线示意图。图5是本技术实施例中绳驱动机械臂的结构原理图。具体实施方式图1至图5所示为本实施例的结构示意图及外力-位移曲线示意图。其中的附图标记为：定平台1、第一刚性绳2、中间平台3、转动轴4、第二刚性绳5、第一弹性绳6、动平台7、第二弹性绳8。以下结合附图、实施例对本技术作进一步详细说明。需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本技术的理解，而对其不起任何限定作用。本设计的目的是实现机械臂在外载荷较小时处于高刚度状态，在外载荷较大时处于低刚度状态。本设计创新之处在于充分利用了绳驱动机构的冗余驱动特性。当动平台7不受外力时，所有驱动绳索的张力都大于0，即绳索处于张紧状态，使得机械臂处于平衡状态。当末端受到一个外载荷时，如果该外载荷较小，只会引起绳索张力的改变而不会引起绳驱动关节的运动。如图1所示，实现柔性缓冲的绳驱动关节包括定平台1、相对于定平台1在第一平面内转动的动平台7。在定平台1和动平台7之间设有能在第一平面内转动的中间平台3。中间平台3相对于定平台1顺时针转动时设有用于限制转动的第一刚性绳2，逆时针转动时设有用于转动缓冲的第一弹性绳6。动平台7相对于中间平台3顺时针转动时设有用于转动缓冲的第二弹性绳8，逆时针转动时设有用于限制转动的第二刚性绳5。中间平台3通过第一转动副与定平台1连接；所述的中间平台3通过第二转动副与动平台7连接。本实施例中，第一转动副和第二转动副优选采用同一个转动轴，具有简化结构的作用。定平台1具有在第一平面内向两侧延伸的第一连接臂和第二连接臂；所述中间平台3具有在第一平本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实现柔性缓冲的绳驱动关节，包括定平台(1)、相对于定平台(1)在第一平面内转动的动平台(7)，其特征在于：所述的定平台(1)和动平台(7)之间设有能在第一平面内转动的中间平台(3)；所述中间平台(3)相对于定平台(1)顺时针转动时设有用于限制转动的第一刚性绳(2)，逆时针转动时设有用于转动缓冲的第一弹性绳(6)；所述动平台(7)相对于中间平台(3)顺时针转动时设有用于转动缓冲的第二弹性绳(8)，逆时针转动时设有用于限制转动的第二刚性绳(5)。/n

【技术特征摘要】
1.一种实现柔性缓冲的绳驱动关节，包括定平台(1)、相对于定平台(1)在第一平面内转动的动平台(7)，其特征在于：所述的定平台(1)和动平台(7)之间设有能在第一平面内转动的中间平台(3)；所述中间平台(3)相对于定平台(1)顺时针转动时设有用于限制转动的第一刚性绳(2)，逆时针转动时设有用于转动缓冲的第一弹性绳(6)；所述动平台(7)相对于中间平台(3)顺时针转动时设有用于转动缓冲的第二弹性绳(8)，逆时针转动时设有用于限制转动的第二刚性绳(5)。


2.根据权利要求1所述的绳驱动关节，其特征在于：所述的中间平台(3)通过第一转动副与定平台(1)连接；所述的中间平台(3)通过第二转动副与动平台(7)连接。


3.根据权利要求2所述的绳驱动关节，其特征在于：所述的第一转动副和第二转动副具有同一个转动轴。


4.根据权利要求2所述的绳驱动关节，其特征在于：所述的第一转动副具有第一转动轴，所述的第二转动副具有第二转动轴；所述的第一转动轴和第二转动轴平行、并且上下...

【专利技术属性】
技术研发人员：王逸，杨桂林，沈雯钧，郑天江，方灶军，张驰，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：新型
国别省市：浙江;33