[发明专利]一种可重构绳驱动混联变刚度家用服务机械臂

说明书

一种可重构绳驱动混联变刚度家用服务机械臂，由肩关节、肘关节、腕关节串联组成，腕关节与末端手爪相连，驱动绳索终端均直接布置在各关节处，由直线推杆带动动滑轮组，每根绳索长度为定值；所述肩关节、腕关节通过直线推杆的协同调节实现绳索驱动重构；各个关节均为混联机构，绳索与中间螺旋压簧组成并联部分，两中间轴通过铰链或虎克铰连接，且穿过上平台由线性轴承支撑，组成串联部分；本发明机械臂质量轻，惯性小，成本低，绳索较短，避免运动耦合，具有运动冗余与驱动冗余，各个关节利用平动实现变刚度调节，保证了机械臂的运动灵活性、安全性与实用性。

技术领域

本发明涉及绳驱动机械臂技术领域，尤其涉及一种可重构绳驱动混联变刚度家用服务机械臂。确切地说，该机械臂可以安装在桌面、智能轮椅以及自动导引小车上，用来辅助老年人或残疾人执行日常生活活动，进而实现生活自理。该机械臂具有轻量化、本质安全的特点，能够提高家用服务机械臂的安全性和实用性。

背景技术

面对中国社会当前快速老龄化现状和庞大的残疾人群，对老年人及残疾人的长期护理俨然已经成为制约我国发展的社会问题。家用服务机械臂能够帮助老年人及残疾人提高他/她们的日常生活活动能力，因此，研究适合于我国老年人及残疾人使用的家用服务机械臂迫在眉睫。目前，由于机械臂的关节粗大，存在其臂体笨重、动作不够灵活等问题。由于绳驱动机构具有惯性小、工作空间大、有效负重比高、可实现远程驱动和较好的可重构性等特点，能够有效缓解上述问题。

现有绳驱动机械臂的绳索传动方式将驱动源集中放置在基座端，导致走线复杂，且随着驱动绳索地增多导致绳索间的运动耦合。

考虑到家用服务机械臂的作用对象为人，存在物理性人机交互，因此要求机械臂具有柔顺性以适应不同动作要求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可重构绳驱动混联变刚度家用服务机械臂，其解决了现有技术中臂体笨重、动作不够灵活、绳索间运动耦合、变刚度实时调节困难等问题。本发明的家用服务机械臂由肩关节、肘关节、腕关节串联组成，各关节分别采用混联结构，利用压簧压弯的非线性特性，构建变刚度关节，通过关节平动实现变刚度调节。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

肩关节、腕关节均为4根绳驱动的可重构混联变刚度关节，具有3个转动自由度与1个平动自由度。4根绳与中间非线性压簧组成关节并联部分，实现肩关节、腕关节的内屈/外伸与外展/内收动作；中间两轴由虎克铰连接，且中间轴穿过上平台由线性轴承支撑，组成关节串联部分，实现中间轴与上平台的平动；中间轴与下平台间安装直驱旋转电机，实现肩关节、腕关节的旋内/旋外动作。

非线性压簧为腰鼓型非线性变刚度弹簧以避免关节上平台运动过程中弹簧与虎克铰的干涉，通过改变弹簧丝直径、弹簧丝截面形状、螺距及中径实现变刚度弹簧设计。

考虑到直线推杆的特点诸如体积小、推力大、重量轻等，肩关节、腕关节的绳索驱动方案为：上平台用4根绳索驱动，每根绳索被上平台带有滑轮的直线推杆分成两段，这样使得绳索张力会减小；由于滑轮被直线推杆驱动，因此每根绳索分成两段的“断点”可以改变，进而改变关节构型，改变关节转动工作空间与平动工作空间；下平台的滑道有两段，一段安装带有软管的直线推杆，一段安装带有绳索固定端的直线推杆，这样通过两段的直线推杆调节，使得肩关节、腕关节的构型重构，进而改变关节转动工作空间与平动工作空间；绳索最终驱动端通过直线推杆驱动动滑轮组使得上平台、下平台间的绳索长度发生改变，进而驱动动平台实现动作，这种驱动方案使得绳索长度为一定值，只是通过上下平台及绳索驱动端的直线推杆的协同调节最终使得肩关节、腕关节的构型重构。这种驱动方案可以不再增加绳索张紧机构，依靠各个直线推杆的协同实现绳索时刻张紧。