[发明专利]一种实现柔性缓冲的绳驱动关节和绳驱动机械臂

说明书

本发明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。本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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。