[发明专利]一种七自由度索杆复合驱动的混联机械臂

权利要求书

1.一种七自由度索杆复合驱动的混联机械臂，其特征在于：包括基座(1000)、大臂(2000)、传动齿轮箱(3000)、小臂(4000)、末端执行器(5000)、和柔索驱动器(6000)；

通过虎克铰链结构将基座(1000)与大臂(2000)的一端相连，且大臂(2000)自身能沿其长度方向伸长或缩短；大臂(2000)的另一端与传动齿轮箱(3000)相连；第三连接筒(2006)与第二大臂分臂(2007)固结；所述小臂(4000)安装在传动齿轮箱(3000)上；末端执行器(5000)安装在小臂(4000)上；在末端执行器(5000)上安装的腕部电机，即其具有一个旋转自由度；传动齿轮箱(3000)通过三根柔索分别与三个柔索驱动器(6000)相连；在基座(1000)周围设有3个柔索驱动器(6000)；柔索驱动器(6000)呈品字型分布；基座(1000)安装在地基上；在基座(1000)内设有驱动电机；

所述基座(1000)包括第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块、第四驱动模块、支承模块、转矩导向模块；其中，第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块、第四驱动模块、转矩导向模块分别与支承模块相连接，其中第一驱动模块还与转矩导向模块相连接；

第一驱动模块负责收放柔索，使柔索在大臂(2000)进行伸缩动作时保持拉紧的状态；

第二驱动模块负责驱动小臂(4000)的平移动作；

第三驱动模块负责驱动大臂(2000)的伸缩动作；

第四驱动模块负责驱动小臂(4000)在竖直平面内的转动；

转矩导向模块负责将第四驱动模块的转矩转换成牵引力传输到小臂(4000)；

支承模块负责保持基座(1000)内第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块、第四驱动模块之间的相对位置关系；

大臂(2000)的一端与基座(1000)活动连接；大臂(2000)的另一端与传动齿轮箱(3000)的一侧端面活动连接；通过大臂(2000)将由基座(1000)内驱动电机产生的转矩传输到传动齿轮箱(3000)中；

大臂(2000)包括第一十字轴(2001)、第三传动轴(2002)、第二连接筒(2003)、第一大臂分臂(2004)、第二十字轴(2005)、第三连接筒(2006)、第二大臂分臂(2007)、防尘透明罩(2008)、螺旋杆(2009)；

第二连接筒(2003)的一端与第一大臂分臂(2004)的一端相连；在第二连接筒(2003)的另一端连接有第一十字轴(2001)；所述第一大臂分臂(2004)、第二连接筒(2003)、第一十字轴(2001)皆为空心结构，第三传动轴(2002)分别穿过第一十字轴(2001)、第二连接筒(2003)、第一大臂分臂(2004)内部与位于第一大臂分臂(2004)内部的螺旋杆(2009)相连接；所述第三传动轴(2002)通过球铰链与基座(1000)的第一传动轴(1010)相连接将基座(1000)传输来的转矩传递到螺旋杆(2009)；

第一大臂分臂(2004)的另一端经直线型导轨与第二大臂分臂(2007)的一端相连，在直线型导轨外设有防尘透明罩(2008)；防尘透明罩(2008)的两端分别与第一大臂分臂(2004)、第二大臂分臂(2007)的一端相连；在第二大臂分臂(2007)朝向螺旋杆(2009)一侧端面上设有螺纹孔，第二大臂分臂(2007)与螺旋杆(2009)螺纹连接；基座(1000)的转矩传输到螺旋杆(2009)，驱动螺旋杆(2009)、第二大臂分臂(2007)间的相对转动，带动由直线型导轨引导的第一大臂分臂(2004)、第二大臂分臂(2007)间的轴向前后移动，即大臂(2000)能够伸缩；第二大臂分臂(2007)的另一端与第三连接筒(2006)的一端相连接；在第三连接筒(2006)的另一端设有第二十字轴(2005)；

传动齿轮箱(3000)的另一侧端面与小臂(4000)的一端活动连接；传动齿轮箱(3000)起传递转矩的作用，将基座(1000)、大臂(2000)传输来的转矩传递到小臂(4000)；

传动齿轮箱(3000)包括基础箱体(3003)，基础箱体(3003)呈圆筒状；基础箱体(3003)的底部与顶部回转平台(3002)相连；所述顶部回转平台(3002)呈阶梯形圆筒状，在顶部回转平台(3002)的底部设有第四连接筒(3001)；所述第四连接筒(3001)用于与大臂(2000)相连接；

在基础箱体(3003)底部设有空腔，基础箱体(3003)的空腔的顶部与外圈无齿式回转支承(3031)相连接；外圈无齿式回转支承(3031)通过回转支承滚动体与内圈无齿式回转支承(3032)组合成一回转支承，外圈无齿式回转支承(3031)与内圈无齿式回转支承(3032)间能够相互转动；所述顶部回转平台(3002)包括3级圆台：顶部圆台、中部圆台、底部圆台；在底部圆台的底部设有底部圆环；所述顶部圆台、中部圆台、底部圆台、底部圆环的半径逐个增大；所述底部圆环的底面上等角度设有六个圆孔，柔索套(3028)通过关节轴承(3029)安装在圆孔内；柔索套(3028)、关节轴承(3029)与圆孔数量相同；在底部圆台的顶部、中部圆台上套有内圈无齿式回转支承(3032)；在中部圆台的顶部、顶部圆台上套有蜗轮(3021)；在顶部圆台的顶端设有贯穿圆孔，第四传动轴(3035)穿过顶部圆台顶端的贯穿圆孔与第四连接筒(3001)相连；

在基础箱体(3003)的侧壁上等角度设有三个圆环，基础箱体(3003)上的圆环负责与柔索驱动器(6000)中第三驱动柔索(6006)的一端相连；

在基础箱体(3003)的顶部设有一凸台，基础箱体(3003)上的凸台的顶部设有左箱体(3017)、右箱体(3008)，左箱体(3017)、右箱体(3008)内部的形状结构关于其接合面对称；左箱体(3017)、右箱体(3008)为顶部封口、底部开口的圆筒；由基础箱体(3003)将第二锥齿轮(3025)、蜗轮(3021)、蜗杆(3006)罩住；在左箱体(3017)、右箱体(3008)的侧壁上设有侧壁箱体；所述侧壁箱体为底部开口、顶部封口的圆筒；在侧壁箱体内设有加长旋转轴(3018)、第三轴用挡圈(3019)、第五滚动轴承(3020)、旋转轴(3022)、第四轴用挡圈(3023)与第一锥齿轮(3024)；其中，加长旋转轴(3018)的一端与小臂(4000)相连，加长旋转轴(3018)的另一端自侧壁箱体的底部开口伸入，且穿过第三轴用挡圈(3019)、第五滚动轴承(3020)、第四轴用挡圈(3023)与第一锥齿轮(3024)相连；第一锥齿轮(3024)与第二锥齿轮(3025)相互啮合；

在左箱体(3017)、右箱体(3008)的侧壁上设有水平箱体；在水平箱体内设有第六滚动轴承(3026)和蜗杆(3006)；所述蜗杆(3006)与蜗轮(3021)相互啮合；在水平箱体上设有圆孔；蜗杆(3006)的一端自水平箱体上的圆孔伸出；

在左箱体(3017)、右箱体(3008)的顶部设有一斜向上的短杆；短杆与滚动轴承座(3016)相连接；

通过第二铆钉(3009)将第二滑轮(3010)固定在右箱体(3008)上，第二驱动柔索(3007)的一端经第二滑轮(3010)，绕在第二卷筒(3004)上；第二驱动柔索(3007)的另一端穿过安装在滚动轴承座(3016)上的导向滑轮座(3013)与小臂(4000)相连接；

小臂(4000)的另一端与末端执行器(5000)活动连接；

小臂(4000)包括圆柱螺旋扭转弹簧(4001)、主小臂(4002)、副小臂(4003)、第一连接轴(4004)、第二连接轴(4005)、第五驱动电机(4006)、末端执行器安装座(4007)、柔索环(4008)；

主小臂(4002)、副小臂(4003)均为矩形条，且主小臂(4002)位于副小臂(4003)的上方，且两者相互平行；通过第一连接轴(4004)、第二连接轴(4005)将末端执行器安装座(4007)与位于同一侧的主小臂(4002)、副小臂(4003)端部连接在一起；主小臂(4002)、副小臂(4003)的另一侧端部通过第一连接轴(4004)、第二连接轴(4005)与加长旋转轴(3018)从传动齿轮箱(3000)中伸出的一端连接在一起；连接加长旋转轴(3018)、主小臂(4002)的第一连接轴(4004)两端等轴线安装有圆柱螺旋扭转弹簧(4001)；位于圆柱螺旋扭转弹簧(4001)同一侧的主小臂(4002)的左右侧壁上设有对称的矩形平板，与圆柱螺旋扭转弹簧(4001)的L型引脚相连；圆柱螺旋扭转弹簧(4001)另一侧的线型引脚与加长旋转轴(3018)相连，故主小臂(4002)、加长旋转轴(3018)可相对于连接两者的第一连接轴(4004)产生角度转动；所述末端执行器安装座(4007)的底部与第五驱动电机(4006)相连接；第五驱动电机(4006)的底部接末端执行器(5000)；在靠近末端执行器安装座(4007)一侧的主小臂(4002)的顶部设有柔索环(4008)；

在基座(1000)周围地基上设有2个以上的柔索驱动器(6000)；在传动齿轮箱(3000)与每个柔索驱动器(6000)之间配有柔索；通过传动齿轮箱(3000)与柔索驱动器(6000)之间的柔索、大臂(2000)、柔索驱动器(6000)带动传动齿轮箱(3000)运动及协同定位；

柔索驱动器(6000)包括第四滑轮(6001)、第四铆钉(6002)、第七轴用挡圈(6003)、滑轮座(6004)、第八滚动轴承(6005)、第三驱动柔索(6006)、电动绞盘(6007)、驱动器本体(6008)；

所述驱动器本体(6008)为一个中空的矩形块；在驱动器本体(6008)内设有电动绞盘(6007)；在驱动器本体(6008)的顶部开有圆孔；

第三驱动柔索(6006)的一端与电动绞盘(6007)相连，第三驱动柔索(6006)的另一端穿过驱动器本体(6008)顶部的孔后与传动齿轮箱(3000)中基础箱体(3003)的侧壁圆环相连；

在第四滑轮(6001)上配有第四铆钉(6002)；所述第四滑轮(6001)通过第四铆钉(6002)安装在滑轮座(6004)顶端；在滑轮座(6004)上依次设有第七轴用挡圈(6003)、第八滚动轴承(6005)；滑轮座(6004)通过一对第七轴用挡圈(6003)、一对第八滚动轴承(6005)安装在驱动器本体(6008)顶部圆孔内；

在传动齿轮箱(3000)与基座(1000)间配有柔索；在传动齿轮箱(3000)与小臂(4000)上配有一根柔索；通过传动齿轮箱(3000)与小臂(4000)之间的柔索、传动齿轮箱(3000)与基座(1000)之间的柔索、大臂(2000)、传动齿轮箱(3000)、小臂(4000)、柔索驱动器(6000)带动末端执行器(5000)运动及协同定位；

用于搬运工作时的操作步骤如下：

步骤1：“初始化”步骤：对所有的驱动电机和电动绞盘进行初始化，确保均处于初始位置；

步骤2：“粗定位”步骤：通过柔索驱动器、大臂与柔索的配合，对传动齿轮箱实现联动定位控制；通过与大臂相连的驱动电机的正转或反转，控制并实现大臂的伸或缩动作；

步骤3：“精定位”步骤：由与小臂相连的驱动电机，控制小臂空载平移；由与小臂相连的驱动电机，控制小臂空载提升/放下；

步骤4：“重物抓取”步骤：由末端执行器吸附住需要操作的对象；

步骤5：“重物搬运”步骤：由与小臂相连的驱动电机，控制吸附有需要操作对象的小臂平移；由与小臂相连的驱动电机，控制吸附有需要操作对象的小臂提升或放下；

步骤6：“重物放下”步骤：由驱动电机控制吸附式末端执行器的旋转，调整操作对象至合适角度；令吸附式末端执行器停止工作，则与末端执行器相连的、需要操作对象自由下落在目标位置，完成作业操作；

步骤7：“循环”步骤：如需要搬运下一个需要操作对象，则返回第2步；反之，关闭系统。