伺服電機(jī)驅(qū)動四自由度柔性機(jī)械臂裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種伺服電機(jī)驅(qū)動四自由度柔性機(jī)械臂裝置，包括驅(qū)動箱體、伺服電機(jī)、舵盤、驅(qū)動繩索和彈簧，所述伺服電機(jī)安裝在所述驅(qū)動箱體上，所述舵盤與所述伺服電機(jī)連接，所述驅(qū)動繩索一端連接所述舵盤，另一端連接所述彈簧，其具備具備良好避障能力和環(huán)境適應(yīng)能力的度柔性機(jī)械臂。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及柔性機(jī)器人領(lǐng)域，特別涉及一種電機(jī)驅(qū)動四自由度柔性機(jī)械臂裝 置。 伺服電機(jī)驅(qū)動四自由度柔性機(jī)械臂裝置

【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)械臂作為自動化產(chǎn)業(yè)的重要工具，既可配合控制系統(tǒng)獨(dú)立工作，又能安裝在機(jī) 器人載體上以拓展其應(yīng)用。由于其工作空間大，運(yùn)動靈活，控制精度高，以及環(huán)境適應(yīng)能力 強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使其在醫(yī)療器械、機(jī)械加工和航天工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)型機(jī) 械臂（也稱剛性機(jī)械臂）相比，柔性機(jī)械臂具有更高的靈活性和避障能力，再加上其質(zhì)量 輕、能耗低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，這使得柔性機(jī)械臂受到越來越多的關(guān)注，并有了長足的發(fā)展。但 是，柔性機(jī)械臂的長細(xì)比大、質(zhì)量輕、剛度低、柔性大等特點(diǎn)，使其在工作過程中存在不可避 免的持續(xù)低頻振動，導(dǎo)致了控制精度低、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。近年來，關(guān)于柔性機(jī)械臂的材料 選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動方式、控制方式、傳感器系統(tǒng)和人機(jī)交互界面等方面的研究得到了國 內(nèi)外普遍關(guān)注，尤其是材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是當(dāng)前國際關(guān)注的焦點(diǎn)，是極其富有挑戰(zhàn)性的 重大課題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本實(shí)用新型的目的在于提供一種具備良好避障能力和環(huán)境適應(yīng)能力的度柔性機(jī) 械臂。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：本實(shí)用新型伺服電機(jī) 驅(qū)動四自由度柔性機(jī)械臂裝置，包括驅(qū)動箱體、伺服電機(jī)、舵盤、驅(qū)動繩索和彈簧，所述伺服 電機(jī)安裝在所述驅(qū)動箱體上，所述舵盤與所述伺服電機(jī)連接，所述驅(qū)動繩索一端連接所述 舵盤，另一端連接所述彈簧。
[0005] 進(jìn)一步的，所述伺服電機(jī)有6組。
[0006] 進(jìn)一步的，所述彈簧有3組，且被約束環(huán)逐段固定。
[0007] 進(jìn)一步的，所述彈簧外有彈性薄膜。
[0008] 本實(shí)用新型突破柔性機(jī)械臂設(shè)計(jì)的常規(guī)思路，即通過多節(jié)柔性或剛性彎曲來模擬 整體柔性，本實(shí)用新型采用連續(xù)的細(xì)長彈簧進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，因?yàn)槠洳粌H具有良好的柔性 彎曲能力，還具有一定的剛度以支撐機(jī)械臂主體結(jié)構(gòu)，提供了一種基于伺服電機(jī)驅(qū)動的四 自由度柔性機(jī)械臂的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過對連續(xù)性良好的彈簧進(jìn)行分截面繩索驅(qū)動，使得 機(jī)械臂即使在單節(jié)連續(xù)的結(jié)構(gòu)下，也能很容易實(shí)現(xiàn)平面360度旋轉(zhuǎn)和任意可達(dá)空間內(nèi)的"S 型"變形能力，從而使其具備了良好的避障能力和環(huán)境適應(yīng)能力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 圖1 :本實(shí)用新型總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010] 圖2 :本實(shí)用新型驅(qū)動繩索與彈簧連接的示意圖。
[0011] 圖3 :本實(shí)用新型機(jī)械臂的驅(qū)動截面的示意圖。
[0012] 圖4 :本實(shí)用新型彎曲收縮的長度與柔性體距離之間的關(guān)系示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0013] 以下結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】對實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。
[0014]如圖1所示，本實(shí)用新型由六個伺服電機(jī)（1)、（2)、（3)、（4)、（5)和（6)及其舵盤 (7)、彈簧結(jié)構(gòu)單元（9)、（10)和（11)、驅(qū)動繩索（8)、約束環(huán)（12)、彈性薄膜（13)和驅(qū)動箱 體（14)組成。
[0015]如圖2所示，每個彈簧外套有彈性薄膜（13)，內(nèi)部設(shè)置兩驅(qū)動繩索（8)，在中部驅(qū) 動截面（19)上，將驅(qū)動繩索系在系點(diǎn)（21)上，在端部驅(qū)動截面（20)上，將驅(qū)動繩索系在系 點(diǎn)（22)上。
[0016] 在由三個彈簧組成的柔性機(jī)械臂結(jié)構(gòu)中，取其驅(qū)動截面，如圖3所示。三彈簧緊 密貼合后，在同一圓周上布置驅(qū)動繩索系點(diǎn)，其中，在彈簧I(24)上布置系點(diǎn)I(23)，在彈簧 II(25)上布置系點(diǎn)II(26)，在彈簧III(27)上布置系點(diǎn)III(28)，且相鄰系點(diǎn)間隔120度方 位角均勻地分布在同一圓周上。
[0017] 基于由三個緊貼的彈簧結(jié)構(gòu)單元組成的柔性臂，在其驅(qū)動截面上，同圓周間隔120 度分布三個系點(diǎn)進(jìn)行牽引，端部和中部驅(qū)動截面的3個驅(qū)動繩索都能通過不同的力的組 合，使機(jī)械臂向任意方向彎曲，即可實(shí)現(xiàn)2個自由度。因?yàn)楦鱾€驅(qū)動是相對獨(dú)立的，兩個截 面的自由度可以疊加，這樣，機(jī)械臂就有了 4個自由度，可在空間任意可達(dá)位置有"S型"變 形能力。
[0018] 將三根彈簧設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)單元采用緊密貼合的方法設(shè)計(jì)，主要是基于以下基本認(rèn) 識。
[0019] 如圖4,在A、B兩性質(zhì)相同的柔性體彎曲角度一定時(shí)，兩柔性體間距越大，完成要 求的彎曲所需柔性體產(chǎn)生的收縮量越大，則提供的伸縮牽引力也越大。在A與B1、A與B2、A 與B3三個柔性體組合中，為了使A柔性桿彎曲特定的角度，所需要的收縮量：Bl<B2 <B3。 顯然，A與B1的組合在彎曲性能上的優(yōu)勢更明顯。
[0020] 將上述結(jié)論應(yīng)用到三個彈簧設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)單元組成的機(jī)械臂中，也期望其盡可能地 接近。于是，選擇對三個柔性體定點(diǎn)包扎。為了保證機(jī)械臂有一定的剛度，不能選擇軸向伸 縮性太好的彈簧，必須通過小量伸縮就能實(shí)現(xiàn)顯著彎曲。在柔性機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，上述結(jié) 論的應(yīng)用顯得很必要。
[0021] 伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)與柔性機(jī)械臂的連接如下。
[0022] 六個伺服電機(jī)及其舵盤和驅(qū)動繩索構(gòu)成驅(qū)動系統(tǒng)，六條驅(qū)動繩索一端分別系在不 同彈簧結(jié)構(gòu)單元的不同驅(qū)動截面上，另一端則分別系在不同伺服電機(jī)的舵盤上，通過電機(jī) 帶動舵盤的旋轉(zhuǎn)來收放繩索，進(jìn)而控制機(jī)械臂的收縮和彎曲。在由伺服電機(jī)組成的驅(qū)動系 統(tǒng)中，通過電腦控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)過特定的角度，帶動繞在舵盤上的驅(qū)動繩索的收放。驅(qū)動繩 索的連接方式如下所示：
[0023] 伺服電機(jī)⑴一舵盤一驅(qū)動繩索一系點(diǎn)一彈簧II中部驅(qū)動截面；
[0024] 伺服電機(jī)（2)-舵盤一驅(qū)動繩索一系點(diǎn)一彈簧I中部驅(qū)動截面；
[0025] 伺服電機(jī)（3)-舵盤驅(qū)動繩索系點(diǎn)彈簧III中部驅(qū)動截面；
[0026] 伺服電機(jī)（4) 航盤 驅(qū)動繩索 系點(diǎn) 彈簧ΠΙ端郃驅(qū)動截面；
[0027] 伺服電機(jī)（5)-舵盤一驅(qū)動繩索一系點(diǎn)一彈簧I端部驅(qū)動截面；
[0028] 伺服電機(jī)（6)-舵盤一驅(qū)動繩索一系點(diǎn)一彈簧II端部驅(qū)動截面。
[0029] 控制系統(tǒng)內(nèi)部通訊及其與驅(qū)動系統(tǒng)的連接過程如下：首先是供電方式，將220V的 交流電通過直流電源變換為5V的直流電，通過32路舵機(jī)控制電路板為伺服電機(jī)供電；用 9V的疊層電池之間給32路舵機(jī)控制電路板供電。32路舵機(jī)控制電路板提供32路相對獨(dú) 立的舵機(jī)控制接口，機(jī)械臂性能測試時(shí)，將伺服電機(jī)I-VI分別接在1-6號接口上；然后是通 訊與控制方式，電路板上有藍(lán)牙接收模塊，可以直接接收由電腦藍(lán)牙發(fā)射出來的控制信息。 將藍(lán)牙發(fā)射模塊插在電腦USB接口上，在電腦上同時(shí)運(yùn)行藍(lán)牙軟件Bluesoleil和32路舵 機(jī)控制軟件，通過藍(lán)牙搜索與電路板上的藍(lán)牙接收模塊建立無線通信，然后建立32路舵機(jī) 控制軟件和Bluesoeil的連接，這樣就建立了 32路舵機(jī)控制軟件和32路舵機(jī)控制電路板 之間的無線通信，可無線控制各路伺服電機(jī)的運(yùn)動。
[0030] 實(shí)施例1
[0031] 該實(shí)施是基于中部驅(qū)動截面的平面360度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和軸向收縮運(yùn)動。參與該實(shí)施 的除了控制中部驅(qū)動截面的伺服電機(jī)（4)、（5)和（6)外，還有柔性機(jī)械臂主體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及 其控制系統(tǒng)。
[0032] 平面360度旋轉(zhuǎn)的實(shí)施過程：首先驅(qū)動伺服電機(jī)（2)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動繩索收縮，使彈簧 I帶動柔性機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)基部安裝截面（18)和中部驅(qū)動截面（19)之間90度的彎曲；接著驅(qū) 動伺服電機(jī)（1)，使柔性機(jī)械臂彎曲方位向彈簧II所處的方位旋轉(zhuǎn)，當(dāng)兩驅(qū)動繩索（8)收縮 量相同時(shí)，柔性機(jī)械臂所處的方位為彈簧I和彈簧Π的中間方位；接著驅(qū)動伺服電機(jī)（2) 反向轉(zhuǎn)動，釋放驅(qū)動繩索至初始狀態(tài)，使柔性機(jī)械臂彎曲方位繼續(xù)向彈簧II所處的方位旋 轉(zhuǎn)至與其所處方位相同；接著驅(qū)動伺服電機(jī)（3)，驅(qū)動繩索收縮，使柔性機(jī)械臂彎曲方位向 彈簧III所處的方位旋轉(zhuǎn)，當(dāng)兩驅(qū)動繩索收縮量相同時(shí)，柔性機(jī)械臂所處的方位為彈簧II 和彈簧III的中間方位；接著驅(qū)動伺服電機(jī)（1)反向轉(zhuǎn)動，釋放驅(qū)動繩索至初始狀態(tài)，使柔 性機(jī)械臂彎曲方位繼續(xù)向彈簧ΠΙ所處的方位旋轉(zhuǎn)至與其所處方位相同；接著驅(qū)動伺服電 機(jī)（2)，驅(qū)動繩索收縮，使柔性機(jī)械臂彎曲方位向彈簧I所處的方位旋轉(zhuǎn)，當(dāng)兩驅(qū)動繩索收 縮量相同時(shí)，柔性機(jī)械臂所處的方位為彈簧I和彈簧ΠΙ的中間方位；接著驅(qū)動伺服電機(jī) III反向轉(zhuǎn)動，釋放驅(qū)動繩索至初始狀態(tài)，使柔性機(jī)械臂彎曲方位繼續(xù)向彈簧I所處的方位 旋轉(zhuǎn)至與其所處方位相同；最后驅(qū)動伺服電機(jī)（2)反向轉(zhuǎn)動，釋放驅(qū)動繩索至初始狀態(tài)，使 柔性機(jī)械臂恢復(fù)至自由平直狀態(tài)。
[0033] 軸向收縮的實(shí)施過程：首先同時(shí)控制伺服電機(jī)（1)、（2)、（3)定向旋轉(zhuǎn)，三根驅(qū) 動繩索（8)以相同的速度收縮相同的量，可實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)械臂長度減??；然后控制伺服電機(jī) (1)、（2)、（3)反向旋轉(zhuǎn)，釋放相應(yīng)驅(qū)動繩索至初始狀態(tài)，使柔性機(jī)械臂恢復(fù)原長。
[0034] 平面360度旋轉(zhuǎn)的實(shí)施過程是兩個自由度的運(yùn)動，驗(yàn)證了三個伺服電機(jī)驅(qū)動下的 二自由度運(yùn)動能力。軸向收縮的實(shí)施過程是一個自由度的運(yùn)動。
[0035] 實(shí)施例2
[0036] 該實(shí)施實(shí)現(xiàn)的是柔性機(jī)械臂在任意可達(dá)空間內(nèi)的"S型"變形能力，需要所有設(shè)備 參與才能實(shí)現(xiàn)。
[0037] "S型"變形的實(shí)現(xiàn)途徑有兩個：一是中部截面設(shè)計(jì)兩點(diǎn)驅(qū)動，端部截面設(shè)計(jì)單點(diǎn)驅(qū) 動；二是中部截面設(shè)計(jì)單點(diǎn)驅(qū)動，端部截面設(shè)計(jì)兩點(diǎn)驅(qū)動。
[0038] 第一種途徑的實(shí)施過程如下：
[0039] 首先驅(qū)動伺服電機(jī)（2)轉(zhuǎn)動，驅(qū)動繩索收縮，使彈簧I帶動柔性機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)基部安 裝截面和中部驅(qū)動截面之間90度的彎曲；然后同時(shí)驅(qū)動伺服電機(jī)（4)和（6)轉(zhuǎn)動，兩驅(qū)動 繩索（8)以相同的速度收縮相同的量，使彈簧II和彈簧III同時(shí)帶動柔性機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)中部 驅(qū)動截面（19)和端部驅(qū)動截面（20)之間90度的彎曲，形成"S型"變形；最后同時(shí)驅(qū)動伺 服電機(jī)（2)、⑷和（6)反向轉(zhuǎn)動，三驅(qū)動繩索⑶以相同的速度恢復(fù)到原長，使柔性機(jī)械臂 恢復(fù)自由平直狀態(tài)。
[0040] 第二種途徑的實(shí)施過程如下：
[0041] 首先同時(shí)驅(qū)動伺服電機(jī)（1)和（2)轉(zhuǎn)動，相應(yīng)驅(qū)動繩索（8)收縮，使彈簧II和I 帶動柔性機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)基部安裝面（18)和中部驅(qū)動截面（19)之間90度的彎曲；然后驅(qū)動伺 服電機(jī)（4)轉(zhuǎn)動，驅(qū)動繩索（8)收縮，使彈簧III帶動柔性機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)中部驅(qū)動截面和端部 驅(qū)動截面之間90度的彎曲，形成"S型"變形；最后同時(shí)驅(qū)動伺服電機(jī)（1)、（2)和（4)反向 轉(zhuǎn)動，三驅(qū)動繩索（8)以相同的速度恢復(fù)到原長，使柔性機(jī)械臂恢復(fù)自由平直狀態(tài)。
[0042] 兩種實(shí)施過程中的兩次90度彎曲在同一個平面內(nèi)，且彎曲的方向相反，即在"S 型"變形狀態(tài)下的端部驅(qū)動截面（20)與其在機(jī)械臂在自由平直狀態(tài)下的截面方向平行。該 實(shí)施是四自由度過程，驗(yàn)證了柔性機(jī)械臂在六個伺服電機(jī)驅(qū)動下的四自由度運(yùn)動能力。
【權(quán)利要求】
1. 一種伺服電機(jī)驅(qū)動四自由度柔性機(jī)械臂裝置，其特征是：包括驅(qū)動箱體、伺服電機(jī)、 舵盤、驅(qū)動繩索和彈簧，所述伺服電機(jī)安裝在所述驅(qū)動箱體上，所述舵盤與所述伺服電機(jī)連 接，所述驅(qū)動繩索一端連接所述舵盤，另一端連接所述彈簧。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的伺服電機(jī)驅(qū)動四自由度柔性機(jī)械臂裝置，其特征是：所述伺 服電機(jī)有6組。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的伺服電機(jī)驅(qū)動四自由度柔性機(jī)械臂裝置，其特征是：所述彈 簧有3組，且被約束環(huán)逐段固定。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的伺服電機(jī)驅(qū)動四自由度柔性機(jī)械臂裝置，其特征是：所述彈 簧外有彈性薄膜。
【文檔編號】B25J9/12GK203863676SQ201420141482
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】任仲靖, 李曙光, 袁建平 申請人:西北工業(yè)大學(xué)