[发明专利]一种基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂

说明书

一种基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂。其包括驱动机构、臂段机构、第一连杆和第一导轨；臂段机构包括第一至第三关节单元；每个关节单元具有两个弯曲自由度，整个机构具有一个移动自由度和六个弯曲自由度。本发明优点：本发明采用偏置十字关节轴实现各个关节连杆间连接，加强了机械臂抗扭转刚度，提高了运动精度，同时外径尺寸较小，使得该机械臂可很好地适应各种狭窄空间的检测和操作任务。采用力传感器连接驱动绳索，通过感知预紧力的大小，从而改变驱动绳索的伸长量，由此来控制柔性机械臂的弯曲程度。一个驱动电机驱动两根对称的驱动绳索实现该机械臂的一个弯曲自由度，减少了驱动电机的数量，使得该柔性机械臂更加小型化。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别是涉及一种基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂。

背景技术

柔性机械臂不同于传统刚性关节的机械臂，通常由多个柔性关节串联而成，具有自由度多、运动灵活等优点，特别适合在狭窄空间环境下应用，例如管道检测、复杂箱体内的检测、航空发动机在翼检测与维修等。

目前，柔性机械臂的关节普遍采用十字万向铰链、球铰结构或纯柔性材料支撑结构，存在关节结构复杂，外径尺寸较大，抗扭转刚度低等问题，极大地限制了其应用范围。此外，绳驱动的柔性机械臂普遍采用一个驱动电机驱动一条绳索，导致所需驱动电机很多，因此驱动机构较为复杂。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂。

为了达到上述目的，本发明提供的基于偏置十字轴铰接的七自由度柔性机械臂包括驱动机构、臂段机构、第一导轨和第一连杆；

其中，所述第一导轨包括滑轨、第一滑块、第二丝杠、第一驱动电机、第二联轴器和支撑架；第一驱动电机固定安装在支撑架的一端，输出轴通过第二联轴器与第二丝杠的一端相连接，第二丝杠的另一端以转动的方式安装在支撑架的另一端；滑轨以与第二丝杠平行的方式安装在支撑架上；第一滑块套装在第二丝杠且底面安装在滑轨上，因此能够在第一驱动电机的驱动下沿滑轨往复移动；

所述臂段机构包括结构完全相同且依次排布的第一关节单元、第二关节单元和第三关节单元；每个关节单元包括一个首端连杆、多个关节连杆、多个偏置十字关节轴、一根弹性支撑杆与四条驱动绳索；所述首端连杆的整体为圆柱体形结构，轴心处贯通形成有一个第一中心孔，后端面外侧部位沿径向对称凹陷形成有两个第一连接槽，并且两个第一连接槽的轴线位于一条直线，位于第一中心孔外侧的部位沿轴向贯通形成有多个对称分布的第一导向孔；关节连杆的整体为圆柱体形结构，轴心处贯通形成有一个第二中心孔，两端面外侧部位对称凹陷形成有两个第二连接槽，并且两个第二连接槽的轴线位于一条直线，位于第二中心孔外侧的部位沿轴向贯通形成有多个对称分布的第二导向孔；首端连杆与关节连杆以及相邻两个关节连杆之间均设置一个偏置十字关节轴；每个偏置十字关节轴包括偏置中心轴和四个关节轴；偏置中心轴的轴心处贯通形成有一个第三中心孔，偏置中心轴两端面上位于第三中心孔外侧的部位对称安装有两个关节轴，并且两个关节轴的轴线位于一条直线，同时两端面上的关节轴轴线相互垂直；每个端面上的两个关节轴外侧部位分别嵌入在首端连杆上的两个第一连接槽或关节连杆同一端面上的两个第二连接槽内，由此利用偏置十字关节轴将两个关节连杆或首端连杆与关节连杆相互连接并形成两个轴线相互垂直的第一转动副，并且第三中心孔与上述首端连杆上的第一中心孔及关节连杆上的第二中心孔对齐，同时首端连杆上的每个第一导向孔与所有关节连杆上的一个第二导向孔对齐；弹性支撑杆贯穿设置在首端连杆的第一中心孔、各关节连杆的第二中心孔和偏置十字关节轴的第三中心孔内；四条驱动绳索的一端等间距连接在首端连杆上，相对的两条驱动绳索为一对，另一端穿过本关节单元以及位于本关节单元后侧的所有关节单元上同一位置的所有导向孔后连接在驱动机构上；