CN101863026B - 无关节机械臂和无关节机器蛇 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无关节机械臂和无关节机械蛇，由驱动装置和可变形机体构成。可变形机体是由多根预制弯曲成特定形状的弹簧杆与软管组成，弹簧杆穿入软管内，其一端与驱动装置的输出轴相连并在驱动装置带动下作扭转运动，可变形机体的形状也按预定规律变化运动，从而完成无关节机械臂和无关节机械蛇的运动。与现柔性机械臂和蛇形机械人比较，其结构简单、尺寸小、生产成本低。

Description

无关节机械臂和无关节机器蛇
技术领域
本发明涉及一种无关节机械臂和无关节机器蛇，特别是适用于水下、地下管道、废墟搜救、排除爆炸物等狭窄空间环境作业的无关节机械臂和无关节机器蛇。
背景技术
现有的柔性机械臂主要是由多个相同的模块(或杆件)通过之间的活动关节串接组成，每一模块(或杆件)均具有独立的驱动机构，柔性机械臂的一个前端部模块安装在基座上，通过控制各个活动关节的运动，使得活动关节连接的两相邻模块(或杆件)之间发生相对位置姿态有序的相对摆动变化，将柔性机械臂另一端上连接的机械手或操作器支撑送到目标位置，完成机械臂的作业。同样，现有机器蛇也是由多个相同的模块(或杆件)通过之间的活动关节串接组成，每一模块(或杆件)均具有独立的驱动机构，通过控制各个活动关节的运动，使得各活动关节连接的两相邻模块(或杆件)之间发生相对位置姿态有序的相对摆动变化，从而使整个机器蛇的机体发生类似动物蛇行走时的连续变形运动，使它与地面(或其他攀附物)因摩擦力等相互作用而产生行走运动。
上述现有的柔性机械臂和机器蛇是由许多模块组成，并且在模块与模块之间由活动关节依次串接而成，每一模块均要求有独立的驱动机构，其构件多、结构复杂、制造成本高，加上多关节的控制也很困难，这些因素影响了机器蛇和柔性机械臂的制作和应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种无关节机械臂和无关节机器蛇，它是由驱动控制部和可变形机体两部分组成。在驱动控制部的驱动下，可变形机体发生弯曲等变化运动，无关节机械臂：可变形机体发生弯曲变化运动，可变形机体的一端相对固定，就可把另一端连接的机械手或操作器支撑送达到目标位置，完成机械臂的作业。无关节机器蛇：可变形机体发生弯曲等类似动物蛇行走时连续的变形运动，使它与地面或其他攀附物因摩擦力等的相互作用而产生行走运动，从而完成无关节机械臂和无关节机器蛇的运动要求。
本发明的目的是这样实现的：
一种无关节机械臂，由驱动装置、可变形机体、机械手组成，其特征是：可变形机体由软管和穿入软管的内孔中的弹簧杆组成，弹簧杆的前端分别与驱动装置的输出转轴相连接，而其后端与机械手相连接。
一种无关节机器蛇，由驱动装置和可变形机体组成，其特征是：可变形机体由软管和穿入软管的内孔中的弹簧杆组成，弹簧杆的前端分别与驱动装置的输出轴相连接。
所述弹簧杆是用弹性材料弯曲制做成的曲线杆件，该弹簧杆的形状与无关节机械臂和无关节机器蛇的运动要求相适应。
所述可变形机体是包括两根或多根前端与驱动装置的输出轴相连接的弹簧杆。
所述弹簧杆是空心管形、螺旋管形。
所述软管是柔性管或可弯曲的弹性管。
所述软管是螺旋线管、弹性材料编织或焊接成网状的弹性空心管。
所述软管是弹性空心管或是弹性空心管和一根弹簧杆的组合。
所述软管是一根完整的长管，或是多根短管续接而成。
所述软管是刚性短管或刚性套环。
所述驱动装置由机壳、驱动电动机、蜗杆、两个蜗轮及两个连轴器构成。
本发明的有利效果是：与现有柔性机械臂和机器蛇的多个模块、多个关节、多个驱动装置的复杂结构比较，本发明所述无关节机械臂和无关节机械蛇的结构简单、部件少，尺寸小，降低了生产成本，能适应更为狭小空间环境处工作。
附图说明
图1为本发明典型实施例无关节机械臂的结构示意图；
图2为图1的A局部放大图；
图3为图2的B-B剖面图；
图4为无关节机械臂运动轨迹示意图；
图5为本发明典型实施例无关节机械蛇的结构示意图；
图6为图5的A局部放大图；
图7为图6的B-B剖面图。
具体实施方式
本发明的一种实施例主要由驱动装置4、可变形机体5及机械手6构成。如图1-图4，其中：
本发明的可变形机体5由软管3和穿入软管3的内孔中的弹簧杆1、2组成，在驱动装置的机壳40固定的情况下，无关节机械臂完成把机械手6或操作器支撑送达到目标位置的作业。其中：
图1中，弹簧杆1、2由弹簧材料弯制成螺旋线形状，它们的材料、螺距、直径、长度相同，左右旋向相反，这里螺旋线的螺距大于直径。
制作弹簧杆的材料的截面形状可以是圆形，也可是其他形状，也可以是空心管形或弹簧材料绕制的螺旋管形。用空心管形、螺旋管形制作的弹簧杆可以兼作软管3，例如弹簧杆1用弹簧钢丝弯制成左螺旋线形状的曲杆，弹簧杆2用弹性空心管弯制成右螺旋线形状的曲杆，弹簧杆1穿入弹簧杆2的空心管中，此时弹簧杆2兼作软管，软管3可以省略不要。
图1中，软管3是一根长金属软管，其内孔同时穿入弹簧杆1、2。弹簧杆1、2在软管3的约束作用下，其形状发生了不同于自由状态的变化，弹簧杆1、2和软管3共同组成可变形机体5，其形状由弹簧杆1、2自由状态下的形状、力学参数和相对位置共同决定。
软管3也可以是柔性细长筒、细长袋或弹性软管制成，例如可以是细长布制袋、细长织纺物袋、弹性的螺旋弹簧。软管3也可以是多段短管续接而成或多段短管时断时续间隔分布而成。每一段短管的长度也可小到短管成为环套的程度。在时断时续间隔分布短管或环套的情况下，短管或环套也可以是刚性材料制成的刚性短管或环套。
图1中，驱动装置4由机壳40、驱动电动机41、蜗杆42、两个蜗轮43、44及两个连轴器45、46构成。机壳40固定，驱动电动机41连接并带动蜗杆42转动，蜗杆42与两个蜗轮43、44啮合，蜗轮43、44的轴(即驱动装置4的输出轴)分别经两个连轴器45、46连接弹簧杆1、2的前端。驱动电动机41转动时就带动弹簧杆1、2作扭转运动，弹簧杆1、2和软管3共同组成的可变形机体就会发生周期性形状变化运动。图4为无关节机械臂形状的变化、末端机械手或操作器的运动轨迹图，其中有机壳固定孔100，机械臂起始位置200，机械手起始位置300。
在无关节机械臂中，驱动装置的结构形式也可以是其他的结构形式；驱动装置有几个输出转轴，每个输出转轴带动其连接的弹簧杆作扭转运动，简单的驱动装置是每个输出转轴的转速、转向按固定的传动比输出，复杂的驱动装置是每个输出转轴的转速、转向可以单独控制输出。
本发明另一典型实施例，无关节机器蛇主要是由驱动装置4和可变形机体5组成，如图5-图7，其中：
图5中，由弹簧材料弯曲制作成左螺旋线形状的弹簧杆1、右螺旋线形状的弹簧杆2，弹簧杆1、2穿入软管3的内孔组成可变形机体5。驱动装置4由机壳40、驱动电动机41、蜗杆42、两个蜗轮43、44及两个连轴器45、46构成。驱动电动机41连接并带动蜗杆42转动，蜗杆42与两个蜗轮43、44啮合，蜗轮43、44的轴(即驱动装置4的输出轴)分别经两个连轴器45、46连接弹簧杆1、2的前端。驱动电动机41转动时就带动弹簧杆1、2作扭转运动，弹簧杆1、2和软管3共同组成的可变形机体就发生类似生物蛇的蜿蜒运动。侧轮47的作用是减小可变形体与地面的纵向摩擦阻力、同时增大可变形机体与地面的横向摩擦阻力。
在无关节机器蛇中，驱动装置的结构形式也可以是其他的结构形式；驱动装置有几个输出转轴，每个输出转轴带动其连接的弹簧杆作扭转运动，简单的驱动装置是每个输出转轴的转速、转向按固定的传动比输出，复杂的驱动装置是每个输出转轴的转速、转向可以单独控制输出。
在上述两个实施例中，制作弹簧杆1、2的材料、制做的形状和尺寸大小不同，都将直接影响弹簧杆1、2和软管3共同组成的可变形机体的形状。同样在驱动装置4的带动下其形状变化也将不一样。因此，可通过用不同材料、制作不同形状或不同尺寸的弹簧杆1、2，或者驱动装置4用不同的转速驱动弹簧杆1、2作扭转运动，就能使可变形机体的形状在三维空间产生复杂的变化运动，实现要求的运动，譬如：模仿蛇的侧行运动等等。

Claims (4)

1.一种无关节机械臂，由驱动装置(4)、可变形机体(5)、机械手(6)组成，其特征是：可变形机体(5)由软管(3)和穿入软管(3)的内孔中的两根弹簧杆(1、2)组成，弹簧杆(1、2)的前端分别与驱动装置(4)的输出转轴相连接，而其后端与机械手(6)相连接；
所述弹簧杆(1、2)由弹性材料弯制成螺旋线形状，曲线杆件，它们的螺距、直径、长度相同，左右旋向相反，螺旋线的螺距大于直径，其形状与无关节机械臂的运动要求相适应；
所述弹簧杆(1、2)是空心管形、螺旋管形；
所述软管(3)是柔性管；
或软管(3)也是多段短管续接而成或多段短管时断时续间隔分布而成；
或所述软管(3)是螺旋线管、弹性材料编织或焊接成网状的弹性空心管；
所述驱动装置(4)由机壳(40)、驱动电动机(41)、蜗杆(42)、两个蜗轮(43、44)及两个连轴器(45、46)构成；
机壳(40)固定，驱动电动机(41)连接并带动蜗杆(42)转动，蜗杆(42)与两个蜗轮(43、44)啮合，蜗轮(43、44)的轴即驱动装置(4)的输出轴分别经两个连轴器(45、46)连接弹簧杆(1、2)的前端。
2.根据权利要求1所述的一种无关节机械臂，其特征是：所述软管(3)是多个刚性短管或刚性套环时断时续分布而成。
3.一种无关节机器蛇，由驱动装置(4)、可变形机体(5)和机械手(6)组成，其特征是：可变形机体(5)由软管(3)和穿入软管(3)的内孔中的弹簧杆(1、2)组成，弹簧杆(1、2)的前端分别与驱动装置(4)的输出轴相连接，而其后端与机械手(6)相连接；
所述弹簧杆(1、2)由弹簧材料弯制成螺旋线形状，它们的材料、螺距、直径、长度相同，左右旋向相反，螺旋线的螺距大于直径，其形状与无关节机器蛇的运动要求相适应；
所述弹簧杆(1、2)是空心管形或者螺旋管形；
所述软管(3)是柔性管；
或软管(3)也是多段短管续接而成或多段短管时断时续间隔分布而成；
或所述软管(3)是螺旋线管、弹性材料编织或焊接成网状的弹性空心管；
所述驱动装置(4)由机壳(40)、驱动电动机(41)、蜗杆(42)、两个蜗轮(43、44)及两个连轴器(45、46)构成；
机壳(40)固定，驱动电动机(41)连接并带动蜗杆(42)转动，蜗杆(42)与两个蜗轮(43、44)啮合，蜗轮(43、44)的轴即驱动装置(4)的输出轴分别经两个连轴器(45、46)连接弹簧杆(1、2)的前端。
4.根据权利要求3所述的一种无关节机器蛇，其特征是：所述软管(3)也可以是是刚性短管或刚性套环时断时续分布而成。
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