A novel 7-DOF cable-driven robotic arm with modular series-elastic-actuator joint

绳驱动机械臂具有重量轻、有效载荷重量比高、速度快等优点。本文提出了一种新型的7-DOF绳驱动拟人机械臂，该机械臂具有模块化串联弹性驱动关节，兼顾了关节灵活性、高动态性和高输出扭矩。对3-DOF肩关节的模块化SEA关节进行了设计和分析，基于反平行四边形机构设计了绳驱动1-DOF肘关节和3-DOF腕关节，满足了关节轻量化的要求。建立了机械臂的正运动学模型，提出了机械臂逆运动学求解方法，并在指数映射空间上进行了机械臂运动规划。研制了机械臂原理样机并进行了功能和性能测试试验。所设计的拟人机械臂重4.86 kg、长0.77 m，接近人体上肢参数。关节运动试验结果表明所设计的机械臂具有较好的运动性能，验证了关节设计的有效性。采用提出的运动规划算法实现了直线和圆弧轨迹的运动。机械臂末端的最大负载能力为2.0 kg。所设计的拟人机械臂包含SEA肩关节、绳驱动肘关节和腕关节，具有高柔顺性、大输出力矩、轻质量、易安装和维修等优点，应用前景广阔。