多自由度绳驱刚性机械臂

技术领域

本发明涉及机械人领域、手术机器人领域，尤其涉及多自由度绳驱刚性机械臂。

背景技术

在机器人领域，通常在机械臂关节处放置电机及减速器，以实现关节的驱动，这导致机械臂外形笨重、自身负载重、体积大，成本高。

在一些特种领域，如手术机器人领域，机械臂如要进入人体工作，这对机械臂外形尺寸要求很高，同时也对机械臂工作力矩输出要求很高，具体在腹腔镜手术机器人领域，芬奇手术机器人其持械臂关节驱动采用绳驱技术连接，在持械臂工作时驱动绳需保持张紧状态，以保证持械臂的刚性和传动精度，这对驱动绳的要求也大大提高，同时驱动绳对所经过的关节有较大作用力，这也导致持械臂末端无法保持或输出较大力矩，关节自由度数量也受到受限，且关节加工复杂，成本高昂。

因此，本申请人经过锐意研究，现提出多自由度绳驱刚性机械臂的技术方案。

发明内容

为了解决上述背景技术中提出的问题，本发明公开了多自由度绳驱刚性机械臂，包括基座、关节部分和绳驱部分组成，所述关节部分包括n个执行关节组，n为大于2的整数，在第i个执行关节组包括第i执行关节、第i执行关节蜗杆安装轴、第i执行关节蜗杆、第i+1执行关节涡轮安装轴、第i+1执行关节涡轮左定位套、第i+1执行关节右定位套，其中第i+1个执行关节首端通过第i个执行关节涡轮安装轴与第i个执行关节的末端铰接，所述第i+1个执行关节首端设置有涡轮，所述i为1至n-1的整数；

所述绳驱部分包括n-1组驱动绳，每个关节包括一组驱动绳组，在第i组驱动绳组包括第i执行关节左驱动绳，第i执行关节左驱动绳固定套，第i执行关节右驱动绳，第i执行关节右驱动绳固定套；

所述绳驱部分第i组驱动绳组的第i执行关节左驱动绳、第i执行关节右驱动绳于驱动所述关节部分第i个执行关节蜗杆独立运动，所述第i个执行关节组蜗杆驱动与之啮合传动的第i+1个执行关节首端设置的涡轮转动，从而实现各关节独立运动。

所述第i组驱动绳组，第i执行关节左驱动绳一端固定于第i执行关节左驱动绳固定套内，第i执行关节左驱动绳固定套固定于第i执行关节蜗杆左侧，第i执行关节左驱动绳顺时针绕卷在第i执行关节蜗杆左侧， 第i执行关节右驱动绳一端固定于第i执行关节右驱动绳固定套内，第i执行关节右驱动绳固定套固定于第i执行关节蜗杆右侧，第i执行关节右驱动绳顺时针绕卷在第i执行关节蜗杆右侧。

所述关节部分第i+1执行关节首端端加工成多个涡轮齿轮，并在涡轮齿轮转轴处设置有通孔。

所述关节部分第i个执行关节末端端设置有的铰接孔。

所述关节部分第i个执行关节铰接孔一端的下方设置有空间垂直的贯穿孔。

所述关节部分第i个执行关节铰接孔一端下方的设置为中空结构。

所述第i执行关节蜗杆两端设置有通孔，驱动绳通过驱动绳固定套安装在蜗杆通孔内。

所述关节部分第i个执行关节轴向设置有多个穿线孔。

第i执行关节蜗杆安装轴固定于第i执行关节贯穿孔内，第i执行关节蜗杆可转动安装于第i执行关节蜗杆安装轴上，第i+1个执行关节首端涡轮处通孔通过第i个执行关节涡轮安装轴与第i个执行关节的末端铰接，第i个执行关节涡轮安装轴固定于第i个执行关节末端铰接孔内，第i+1执行关节涡轮左定位套可传动安装于第i个执行关节涡轮安装轴左侧，第i+1执行关节涡轮右定位套可传动安装于第i个执行关节涡轮安装轴右侧。

本发明采用绳驱技术与涡轮蜗杆的结合实现机械臂刚性及多个自由度，关节之间之间由涡轮蜗杆直接驱动，涡轮蜗杆既实现了两个关节之间的自锁及刚性，同时蜗杆驱动涡轮减速增矩，极大降低了驱动关节运动时驱动绳的输入力矩，同时也降低了驱动绳对所经过关节的作用力，使得机械臂自由度增加不受限制，同时采用集成化设计，将涡轮与关节集成在一起，使得持械臂外形体积大大减小，极大降低了成本，结构简单巧妙，大大提高了机械臂的可靠性。

附图说明

图1为实施例1的整体结构示意图。

图2为实施例1的内部剖视图。

图3为实施例1的爆炸图。

图4为实施例1的第二执行关节驱动绳组及执行关节组爆炸图。

图5为实施例1的第二执行关节组第二执行关节结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为楚明确的界定。

实施例1

参照附图1-5，多自由度绳驱刚性机械臂，包括基座1、关节部分2和绳驱部分3组成，所述基座1与所述第一执行关节A1一端固定连接，所述第一执行关节蜗杆安装轴A111通过第一执行关节贯穿孔g1与所述第一执行关节A1固定连接，所述第一执行关节蜗杆安装轴A111与所述第一执行关节蜗杆A112可转动连接，所述第一执行关节左驱动绳固定套B112固定于所述第一执行关节蜗杆A112左侧通孔z1内，所述第一执行关节左驱动绳固定套B112与所述第一执行关节左驱动绳B111固定连接，所述第一执行关节左驱动绳B111一端缠绕在第一执行关节蜗杆A112上，所述第一执行关节右驱动绳固定套B114固定于所述第一执行关节蜗杆A112右侧通孔y1内，所述第一执行关节左驱动绳固定套B112与所述第一执行关节右驱动绳B113固定连接，所述第一执行关节右驱动绳B113一端缠绕在第一执行关节蜗杆A112上，所述第一执行关节左驱动绳B111及第一执行关节右驱动绳B113另一端穿过第一执行关节A1轴向设置的穿线孔h1。

所述第二执行关节涡轮安装轴A201通过第一执行关节铰接孔j1与第一执行关节A1固定连接，所述第二执行关节涡轮安装轴A201与所述第二执行关节涡轮左定位套A202可转动连接，所述第二执行关节涡轮安装轴A201与所述第二执行关节涡轮右定位套A203可转动连接，所述第二执行关节A2通过涡轮上的通孔k2与第二执行关节涡轮安装轴A201可转动连接。

所述第二执行关节蜗杆安装轴A211与所述第二执行关节蜗杆A212可转动连接，所述第二执行关节左驱动绳固定套B212固定于所述第二执行关节蜗杆A212左侧通孔z2内，所述第二执行关节左驱动绳固定套B212与所述第二执行关节左驱动绳B211固定连接，所述第二执行关节左驱动绳B211一端缠绕在第二执行关节蜗杆A212上，所述第二执行关节右驱动绳固定套B214固定于所述第二执行关节蜗杆A212左侧通孔y2内，所述第二执行关节右驱动绳固定套B214与所述第二执行关节右驱动绳B213固定连接，所述第二执行关节右驱动绳B213一端缠绕在第二执行关节蜗杆A212上，所述第二执行关节左驱动绳B211与第二执行关节右驱动绳B213另一端穿过第二执行关节A2轴向设置的穿线孔h2及第一执行关节A1轴向设置的穿线孔h1，所述第二执行关节蜗杆安装轴A211通过第二执行关节贯穿孔g2与所述第二执行关节A2固定连接。

所述第三执行关节涡轮安装轴A301通过第二执行关节铰接孔j2与第二执行关节A2固定连接，所述第三执行关节涡轮安装轴A301与所述第三执行关节涡轮左定位套A302可转动连接，所述第三执行关节涡轮安装轴A301与所述第三执行关节涡轮右定位套A303可转动连接，所述第三执行关节A3通过涡轮上的通孔k3与第三执行关节涡轮安装轴A301可转动连接。

所述第三执行关节蜗杆安装轴A311与所述第三执行关节蜗杆A312可转动连接，所述第三执行关节左驱动绳固定套B312固定于所述第三执行关节蜗杆A312左侧通孔z3内，所述第三执行关节左驱动绳固定套B312与所述第三执行关节左驱动绳B311固定连接，所述第三执行关节左驱动绳B311一端缠绕在第三执行关节蜗杆A312上，所述第三执行关节右驱动绳固定套B314固定于所述第三执行关节蜗杆A312左侧通孔y3内，所述第三执行关节右驱动绳固定套B314与所述第三执行关节右驱动绳B313固定连接，所述第三执行关节右驱动绳B313一端缠绕在第三执行关节蜗杆A312上，所述第三执行关节左驱动绳B311与第三执行关节右驱动绳B313另一端穿过第三执行关节A3轴向设置的穿线孔h3及第二执行关节A2轴向设置的穿线孔h2、第一执行关节A1轴向设置的穿线孔h1，所述第三执行关节蜗杆安装轴A311通过第三执行关节贯穿孔g3与所述第三执行关节A3固定连接。

所述第四执行关节涡轮安装轴A401通过第三执行关节铰接孔j3与第三执行关节A3固定连接，所述第四执行关节涡轮安装轴A401与所述第四执行关节涡轮左定位套A402可转动连接，所述第四执行关节涡轮安装轴A401与所述第四执行关节涡轮右定位套A403可转动连接，所述第四执行关节A4通过涡轮上的通孔k4与第四执行关节涡轮安装轴A401可转动连接。

所述第四执行关节蜗杆安装轴A411与所述第四执行关节蜗杆A412可转动连接，所述第四执行关节左驱动绳固定套B412固定于所述第四执行关节蜗杆A412左侧通孔z4内，所述第四执行关节左驱动绳固定套B412与所述第四执行关节左驱动绳B411固定连接，所述第四执行关节左驱动绳B411一端缠绕在第四执行关节蜗杆A412上，所述第四执行关节右驱动绳固定套B414固定于所述第四执行关节蜗杆A412左侧通孔y4内，所述第四执行关节右驱动绳固定套B414与所述第四执行关节右驱动绳B413固定连接，所述第四执行关节右驱动绳B413一端缠绕在第四执行关节蜗杆A412上，所述第四执行关节左驱动绳B411与第四执行关节右驱动绳B413另一端穿过第四执行关节A4轴向设置的穿线孔h4及第三执行关节A3轴向设置的穿线孔h3、第二执行关节A2轴向设置的穿线孔h2、第一执行关节A1轴向设置的穿线孔h1，所述第四执行关节蜗杆安装轴A411通过第四执行关节贯穿孔g4与所述第四执行关节A4固定连接。

所述第五执行关节涡轮安装轴A501通过第五执行关节铰接孔j5与第四执行关节A4固定连接，所述第五执行关节涡轮安装轴A501与所述第五执行关节涡轮左定位套A502可转动连接，所述第五执行关节涡轮安装轴A501与所述第五执行关节涡轮右定位套A503可转动连接，所述第五执行关节A5通过涡轮上的通孔k5与第五执行关节涡轮安装轴A501可转动连接。

所述第五执行关节蜗杆安装轴A511与所述第五执行关节蜗杆A512可转动连接，所述第五执行关节左驱动绳固定套B512固定于所述第五执行关节蜗杆A512左侧通孔z5内，所述第五执行关节左驱动绳固定套B512与所述第五执行关节左驱动绳B511固定连接，所述第五执行关节左驱动绳B511一端缠绕在第五执行关节蜗杆A512上，所述第五执行关节右驱动绳固定套B514固定于所述第五执行关节蜗杆A512左侧通孔y5内，所述第五执行关节右驱动绳固定套B514与所述第五执行关节右驱动绳B513固定连接，所述第五执行关节右驱动绳B513一端缠绕在第五执行关节蜗杆A512上，所述第五执行关节左驱动绳B511与第五执行关节右驱动绳B513另一端穿过第五执行关节A5轴向设置的穿线孔h5及第四执行关节A4轴向设置的穿线孔h4、第三执行关节A3轴向设置的穿线孔h3、第二执行关节A2轴向设置的穿线孔h2、第一执行关节A1轴向设置的穿线孔h1，所述第五执行关节蜗杆安装轴A511通过第五执行关节贯穿孔g5与所述第五执行关节A5固定连接。

所述第六执行关节涡轮安装轴A601通过第五执行关节铰接孔j5与第五执行关节A5固定连接，所述第六执行关节涡轮安装轴A601与所述第六执行关节涡轮左定位套A602可转动连接，所述第六执行关节涡轮安装轴A601与所述第六执行关节涡轮右定位套A603可转动连接，所述第六执行关节A6通过涡轮上的通孔k6与第六执行关节涡轮安装轴A601可转动连接。

工作原理：

各关节左侧驱动绳顺时针绕卷在蜗杆上，右侧驱动绳也是顺时针绕卷在蜗杆上，当关节处的左驱动绳收缩，驱动涡轮顺时针旋转，由于下一关节上一端加工有涡轮齿轮，并与蜗杆啮合传动，涡轮旋转带动涡轮转动，既带动下一关节顺时针转动，涡轮顺时针旋转的同时带动右侧驱动绳收卷在涡轮上。

当关节处的右侧驱动绳收缩时，驱动涡轮逆时针旋转，涡轮旋转带动涡轮既下一关节逆时针转动，涡杆逆时针旋转的同时带动左侧驱动绳收卷在涡轮上，左右驱动绳的分别收缩带动蜗杆顺时针或逆时针转动，同时与之啮合的下一关节也随之顺时针或逆时针转动，同时涡轮驱动涡轮时处于减速增矩，涡轮蜗杆之间自锁，相邻关节之间也能实现自锁。

本发明采用绳驱技术与涡轮蜗杆的结合实现机械臂刚性及多个自由度，关节之间之间由涡轮蜗杆直接驱动，涡轮蜗杆既实现了两个关节之间的自锁及刚性，同时蜗杆驱动涡轮减速增矩，极大降低了驱动关节运动时驱动绳的输入力矩，同时也降低了驱动绳对所经过关节的作用力，使得机械臂自由度增加不受限制，同时采用集成化设计，将涡轮与关节集成在一起，使得持械臂外形体积大大减小，极大降低了成本，结构简单巧妙，大大提高了机械臂的可靠性。

相邻两个执行关节之间铰接处的两执行关节涡轮安装轴可以互相垂直，也可以互相平行，也可以互相斜交。以上实施方式均在本申请的保护范围内。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。