[发明专利]柔性机械臂及系统总成

说明书

本发明提出一种柔性机械臂，包括多段臂杆关节段和相应的中心块，各臂杆关节段通过转动连接机构与中心块相连，形成臂杆主体的一个单元，多个单元形成臂杆主体；还包括联动绳，相邻臂杆关节段之间以及相邻中心块之间通过联动绳相连以实现联动，所述联动绳至少有部分呈S形。本方案单元模块化的方式及联动绳联动过程的受力状态，较现有技术方案更为合理，联动精度更高。

技术领域

本发明涉及一种柔性机械臂，尤其是能实现双自由度等曲率弯曲联动的柔性机械臂，及由该柔性机械臂组成的系统总成。

背景技术

区别于传统的关节串联型机械臂，柔性机械臂具有灵活度高、避障能力强等优点，在狭小空间和复杂环境中运动和操作能力强，在航空航天制造、大型装备检测维护等领域具有重要的应用价值。现有技术中，柔性机械臂的每个关节连接处均为独立驱动，虽可以提高整臂的冗余度，但相应的也会增加驱动电机数目，导致柔性臂的控制难度、重量及成本的增加。

为解决驱动电机数目较多的问题，现有的方案是在关节之间增加弹性元件，把一段臂作为一个控制单元，进行控制，或直接利用弹性材料作为臂基体进行控制，实现类圆弧变形运动。此种机械臂实际运动过程中的形状与圆弧存在偏差，末端精度不高，难以满足需求。

如图1a、图1b所示是现有技术1的一种基于齿轮传动的等曲率弯曲机械臂，一个大伞齿轮通过与销钉过盈或键配合而安装在转动支架上，一个与所述大伞齿轮咬合的小伞齿轮，与传动轴过盈或键配合安装在传动轴的一端部靠近万向节处，大伞齿轮与小伞齿轮中心线的相交点位于该万向节的转动中心处。该技术具有以下缺点：

缺点一：齿轮传动机构占据空间较大，影响柔性臂的适用场景。

缺点二：大小伞齿轮在两个旋转自由度方向上，所旋转的角度为大小伞齿轮的齿数比。使得柔性臂运动能力受限制：只能实现一个自由度方向上的运动，限制了柔性机械臂的工作能力。

如图2a图2b、图2c、图2d、图2e是现有技术二的一种柔性臂联动关节段，包括短联动绳、长联动绳以及依次串联的第一端部关节、第一中心关节、第二中心关节、第三中心关节与第四中心关节，且从第一端部关节至第四中心关节，相邻关节之间依次设有第一端部连接件、第一中心连接件、第二中心连接件与第三中心连接件，其中第一端部关节与第一端部连接件固接；沿第一方向。第一中心关节的两端分别于第二端部连接件、第一中心连接件转动连接；第三中心关节的两端分别于第二中心连接件、第三中心连接件转动连接；第二中心关节的两端与第一中心连接件、第二中心连接件之间，以及第四中心关节与第三中心连接件之间相对固定；第一端部连接件与第一中心连接件之间，以及第二中心连接件与第三连接件之间分别通过短联动绳连接，第一端部连接件与第三中心连接件之间通过长联动绳连接，以使从第一端部关节至第四中心关节，相邻关节之间可发生沿第一方向的同向且通角度的转动。每个连杆两端中心块上轴线方向始终相同的两个自由度通过两个交叉缠绕成“8”字型的不锈钢绳索耦合在一起，实现反方向的耦合同步转动。端部中心块由穿过软管的绳索与相距较远的中间中心块(相对)通过交叉缠绕成“8”字型的不锈钢绳索耦合，另一端部中心块与中间中心块耦合，进而实现整段臂上俯仰、偏航自由度之间各自耦合，最终成为具有两自由度的联动臂段。远程联动绳索通过调节螺母将软管反向顶紧，进而实现远端绳索的张紧。该技术具有如下缺点：

缺点一：该方案臂段关节杆的数量必须为4的倍数，不便于臂杆内关节段数量的配置。

缺点二：该方案中远程联动绳在联动过程中，由于俯仰、偏航角度会对远程联动绳的形状产生影响。进而影响到联动的效果。

缺点三：该方案中的远程联动绳极大的占据了臂杆内部空间，影响到臂杆方案末端执行机构线缆的走线，进而不利于该方案的实际应用。