CN102019618B - 可单人操作的二级直线伸缩机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可单人操作的二级直线伸缩机械臂，外层、中间层、内层三个主要部件彼此通过导轨滑块的方式联接，并依靠各层独特的支撑部件平衡机械臂和附加末端执行器(机械手)带来的力与力矩的载荷，限定各部件只能准确地沿直线前进方向运动，通过锥齿轮箱、齿轮齿条啮合传递电机的运动，实现伸缩机械臂的直线运动。本发明具有结构紧凑、成本较低、适用范围广、重量轻、可承载大载荷、可伸缩长度大的特点。伸缩机械臂独特的支撑部件结构设计，使其自重足够轻，可以安装在人的手臂上，驱动附加末端执行器(机械手)运动到远距离的位置完成较重的抓取和传递载荷的任务，大大弥补了人手生理长度的不足，同时拓展了自动机械应用的空间。

Description

可单人操作的二级直线伸缩机械臂

所属领域

本发明属于机器人应用领域，特别涉及具有三层结构、可做二级直线运动承载大负荷的伸缩机械臂。

技术背景

机器人技术发展的一个重要方向是制造出可在人类无法接近的复杂的、危险的环境下作业的搜救机器人及其装备，如地震、火灾、洪水等自然灾害，恐怖活动、武力冲突等人为祸害，以及生化病毒、有毒、辐射性等危险物质。搜救类机器人及其装设备的研制，不但能够帮助工作人员执行救援工作，而且能够代替工作人员执行搜救任务，可以有效地提高救援的效率和减少施救人员的伤亡，在灾难救援中起着重要的作用。

在现有公开的技术中，伸缩机械臂主要涉及的内容基本上是改进手动伸缩杆的某个部件，以完成某种功能，但这些伸缩杆大多不是电机驱动自动运行的，而且也没有以轻自重、高负载、长距离为目标，对其本身结构进行完善的应用研究等。

在现有公开的技术中，经关键词“伸缩杆”检索，比较典型相关的有专利公开号CN1459576“伸缩杆装置”(公开日2003.12.03，申请号03108669.1)、专利公开号CN1267585“可伸缩机械臂”(公开日2000.09.27，申请号99101690.4)，专利公开号CN1459576主要解决针对拉杆部件的轨道末端区域间设置制动器的问题，专利公开号CN1267585主要特征是在最外层固定一个能调节杆体松紧度的控制元件，以增加夹紧各种杆状体直径的范围。它们都不是针对伸缩机械臂本体结构来解决低自重伸缩机械臂如何承受远距离、大载荷的问题，且其需要人工的手动操作，不是独立自主的自动化工具。

发明内容

本发明的目的是：针对人手难以进入很深狭小废墟环境搜救的问题，发明设计自重轻至可安装在人手臂上、具有三层结构、可驱动附加末端执行器(机械手)远距离运动、本体可承载大负荷的伸缩机械臂。

本发明的技术方案是：可单人操作的二级直线伸缩机械臂，包括直接与外界接触的外层部件、负责驱动末端执行器做第一级直线运动的中间层部件、负责驱动末端执行器做第二级直线运动的内层部件；所述外层部件包括支撑杆、外层滑块导轨组合和外层齿条，三者的两端头固定在外层底座和外层支撑部件上，所述外层滑块导轨组合和外层支撑部件联接、承载下一级中间层部件；所述中间层部件包括中间层滑块导轨组合、L形支撑杆和中间层齿条，三者两端固定在中间层底座和中间层支撑部件上，所述中层底座外侧设置中间层锥齿轮箱和中间层部件电机，所述中间层部件电机和中间层锥齿轮箱与上一级的外层齿条啮合，实现伸缩机械臂的第一级直线运动；所述内层部件包括内层主梁和内层部件电机，所述内层主梁两端分别与内层锥齿轮箱和末端联接件相固接，内层电机和内层锥齿轮箱与上一级的中间层齿条啮合，实现伸缩机械臂的第二级直线运动。

所述外层底座和外层支撑部件之间设外层支架；所述中间层底座和中间层支撑部件之间设中间层支架和中间层末端。

所述外层底座和外层支架为外圆内方结构，所述支撑杆为圆柱形，所述中间层支撑部件、中间层支架和中间层末端为方框形结构。

所述外层和中间层滑块导轨组合为相同结构，均包括滑块和导轨两部分，滑块的截面呈凹字型，导轨的截面呈口字型，滑块通过钢珠与导轨接触并被限制在导轨上滑动。

所述中间层锥齿轮箱和内层锥齿轮箱结构相同，均包括齿轮轴支架、左旋锥齿轮、电机支架、齿轮箱盖、右旋锥齿轮、齿轮轴、圆柱直齿轮，所述左旋锥齿轮和右旋锥齿轮构成的锥齿轮组将电机的旋转运动作90度变向，所述右旋锥齿轮与圆柱直齿轮同轴，所述圆柱直齿轮与上一级部件齿条啮合传动。

所述外层支撑部件由外圆内方柱型支架和轴承组成，所述轴承对称地分布安装在支架上，其中，支架的上部、下部、左侧、右侧各安装有四对轴承，支架内孔与下一级部件相配合。

所述中间层支撑部件由两个方型支架和轴承组成，轴承分别固定在方型支架上，方型支架内孔与内层部件配合。

本发明具有三层结构，依靠各层独特的支撑部件，平衡伸缩机械臂和附加末端执行器(机械手)带来的力与力矩的载荷；通过齿轮齿条结合滑块导轨的方式，将电机的旋转运动转化为各层的直线运动，来驱动末端执行器(机械手)在废墟环境中的直线运动。

所述外层支撑部件用来支撑中间层、内层、末端执行器(机械手)、任务载荷的重量，主要包括外圆内方柱型支架和若干轴承，外圆内方柱型支架与外层的外圆内方型零件通过螺栓相连接，内孔足以容纳中间层通过，轴承起到支撑中间层的作用，同时又不影响中间层沿导轨方向完成直线运动。所述的中间层支撑部件用来支撑内层、末端执行器(机械手)、任务载荷的重量，主要包括方型支架和若干轴承，方型支架与中间层的方型零件通过L型支撑杆相连接，内孔足以容纳内层通过，轴承起到支撑内层的作用，同时又不影响内层沿导轨方向完成直线运动。

本发明的运动过程是：伸缩机械臂的中间层电机通过锥齿轮箱变向，带动圆柱直齿轮做平行导轨方向的旋转运动，与上一级外层部件的齿条啮合，实现机械臂的第一级直线运动；伸缩机械臂的内层电机同样通过锥齿轮箱变向，带动圆柱直齿轮做平行导轨方向的旋转运动，与上一级中间层部件的齿条啮合，实现机械臂的第二级直线运动，驱动末端执行器(机械手)到达需要的位置。

本发明的支撑部件平衡外部负载的方法是：支撑部件由外圆内方柱形支架或方形支架和若干轴承组成，轴承对称地分布安装在支架上。其中，支架的上部、下部、左侧、右侧各安装有四对轴承。每个分部各包括前部和后部，下部的轴承平衡伸缩机械臂受到重力的作用；左侧和右侧的轴承限制伸缩机械臂的左右移动和左右转动，并限制了伸缩机械臂绕直线前进方向旋转的运动；当伸缩机械臂实现长距离直线运动时，重力不可避免地引起了重力矩，此时下部和上部的轴承联合作用，限制伸缩机械臂受重力矩而向下旋转的运动。轴承的内端用螺栓固定在支架上，外端承受因限制伸缩机械臂的运动部件中间层、内层的运动，而产生的限制力。根据上述平衡方法，所述的支撑部件可以限制伸缩机械臂运动部件的向下移动、向下转动、向左右移动、向左右转动、绕直线前进方向转动五个方向的运动，而仅仅留下直线前进的方向，并能很好地平衡重力和重力矩。

可单人操作的远距离大传载三层伸缩机械臂，通过电机、锥齿轮箱、圆柱直齿轮、齿条的配合实现各层部件直线运动，包括中间层的一级直线运动和内层的二级直线运动两个运动过程。外层和中间层支撑部件的主要功能是结合滑块导轨克服末端执行器(机械手)传递任务载荷时各层之间承受的力和力矩，将中间层和内层限制在只能沿导轨方向完成直线运动。

本发明克服了人手无法深入到具有一定深度的狭小废墟缝隙中，完成输送和收回的传递载荷的任务，在单人操作的情况下，本发明能驱动末端执行器(机械手)长距离地运动到需要的位置上，实现目标载荷的输送和收回，由于起支撑作用的外层和中间层的末端安装有支撑部件，可承受大载荷的性能，使得末端执行器(机械手)可以抓获和传递较重的目标载荷。

本发明的有益效果是：相对于现有技术而言，可单人操作的远距离大传载三层伸缩机械臂是一种由电机驱动的、可单人操作的机械臂装置，具有重量轻、结构紧凑、成本较低、适用范围广、可承载大载荷、可伸缩长度大的特点。该装置在很大程度上延伸了人类手臂生理长度有限的不足，增加了机械手的实际工作空间及独立性，拓展了机械手、机器人的应用范围。其针对废墟环境搜救应用的特性，也可应用于真空、太空、核等特殊的环境中。

附图说明

图1为伸缩机械臂总体模型展示的立体图。

图2为伸缩机械臂外层部件的立体组成图。

图3为伸缩机械臂中间层部件的立体组成图。

图4为伸缩机械臂内层部件的立体组成图。

图5为伸缩机械臂中采用的滑块导轨组成正视示意图。

图6为伸缩机械臂中采用的滑块导轨组成侧视示意图。

图7为伸缩机械臂中锥齿轮箱部件的示意图。

图8为伸缩机械臂中外层支撑件部件的示意图。

图9为伸缩机械臂中中间层支撑件部件的示意图。

图10为伸缩机械臂中中间层部件做第一级直线运动的示意图。

图11为伸缩机械臂中内层部件做第二级直线运动的示意图。

图12为伸缩机械臂工作过程的流程图。

具体实施方式

本发明用于在废墟搜救环境下单人操作的伸缩机械臂，首先必须要具有自重轻的特点，使伸缩机械臂可以装备在单人手臂上便于单人操作，减少不必要的负重麻烦。搜救中，需要传递的任务载荷不仅大多数出于废墟狭缝中人手够不到的地方，而且重量还有可能超出人手抓取重量的范围，因此伸缩机械臂必须是长距离自动伸缩，以驱动末端执行器(机械手)实现长距离的运动，同时也必须有承担大负载的能力，以承受末端执行器(机械手)抓获任务载荷时引起的力和力矩。可单人操作的远距离大传载三层伸缩机械臂，其自重轻而可远距离传递大负载和可以自动伸缩的两个主要特点，是相对于传统短距离、轻负载手动伸缩杆的主要区别，也是本发明的意义所在。本发明所解决的问题是自动伸缩机械臂应用于废墟搜救作业中的一个重要难点，根据废墟搜救作业要求，尽可能发明出具有伸缩长度足够长、负载足够大的单人操作自动伸缩机械臂，以满足作业过程中对伸缩机械臂本体结构的要求，而自身重量又足够轻、操作不复杂，不增加单人操作的困难程度。

下面结合附图对本发明的实施作进一步解释：

图1为伸缩机械臂总体模型展示的立体图。在图1中：1为外层部件，2为中间层部件，3为内层部件。伸缩机械臂的外层部件、中间层部件、内层部件之间均采用滑块导轨组合的方式连接，并结合支撑部件的限位支撑功能，一方面限制了部件之间不需要的移动，另一方面保证了在指定方向上可以灵活的运动。

图2为伸缩机械臂外层部件的立体组成图。在图2中：4为支撑杆，采用圆柱形，5为外层支架，形状外圆内方，6为外圆内方形末端，7为外层支撑部件，9为外层滑块导轨，10为外层齿条，11为外层底座，形状为外圆内方。支撑杆4在外层支5和外层支撑部件7上以每隔120弧度布置。滑块导轨组合和外层支撑部件用来联接、承载下一级中间层部件，外层齿条用来与下一级中间层部件的齿轮啮合，驱动末端执行器(机械手)做第一级直线运动。

图3为伸缩机械臂中间层部件的立体组成图。在图3中：12为中间层锥齿轮箱，13为中间层齿条，14为中间层滑块导轨组合，15为L形支撑杆，16为中间层支撑部件，17为中间层末端，形状为方框形，18为中间层支架，形状为方框形，19为中间层底座，形状为方框形，20为中间层电机。滑块导轨组合和中间层支撑部件用来联接、承载下一级部件内层，中间层电机20和中间层锥齿轮箱12用来与上一级部件外层的齿条啮合，实现伸缩机械臂的第一级直线运动，中间层齿条13用来与下一级部件内层的齿轮啮合，实现伸缩机械臂的第二级直线运动。

图4伸缩机械臂内层部件的立体组成图。在图4中：21为内层锥齿轮箱，22为内层主梁，呈十字形，23为末端联接件，呈Y形，24为内层电机。内层电机24和内层锥齿轮箱21用来与上一级部件中间层齿条13啮合，驱实现伸缩机械臂的第二级直线运动

图5为伸缩机械臂中用于联接各部件的滑块导轨组合正视示意图。图6为滑块导轨组合侧视示意图。在图5和图6中：25为滑块导轨组合中的滑块部件，26为滑块导轨组合中的导轨部件，27为小钢珠，滑块截面呈凹字型，导轨截面呈口字型，滑块通过小钢珠与导轨接触，使得滑块被限制只能在导轨上滑动，小钢珠的另一个作用是均匀地把滑块承受的载荷传递到导轨上，使得通过电机齿轮齿条驱动中间层部件2、内层部件3运动更为容易。

图7伸缩机械臂中锥齿轮箱部件的示意图。在图7中：28为齿轮轴支架，29为左旋锥齿轮，30为电机支架、31为齿轮箱盖，32为右旋锥齿轮，33为齿轮轴，34为圆柱直齿轮，其中，电机20(24)采用三个螺栓固定于电机支架30上，左旋锥齿轮29和右旋锥齿轮32构成的锥齿轮对用来将电机的旋转运动作90度变向，使得电机的运动可以转化为圆柱直齿轮34的旋转运动，左、右旋锥齿轮29、32分别安装在电机轴上和齿轮轴33上，齿轮轴33与齿轮支架28联接，齿轮轴33安装有圆柱直齿轮34，电机、锥齿轮对29、32、圆柱直齿轮34相互配合，将电机的旋转运动变为伸缩机械臂的直线运动，齿轮盖31起到密封左、右旋锥齿轮29、32和防尘的作用。中间层锥齿轮箱和内层锥齿轮箱结构相同。

图8为伸缩机械臂中外层支撑件部件的示意图。在图8中：35为轴承，36为螺栓，螺栓36将16个轴承35固定在外圆内方柱型支架上，外圆内方柱型支架内孔足以容纳中间层通过，轴承35起到支撑中间层、内层和末端执行器(机械手)的作用，同时又不影响上述部件沿导轨方向完成直线运动。

图9为伸缩机械臂中中间层支撑件部件的示意图。在图9中：螺栓36将16个轴承35分别固定在中间层支撑件部件16的两个方型支架上，方型支架内孔足以容纳内层部件通过，轴承35起到支撑内层部件和末端执行器(机械手)的作用，同时又不影响上述部件沿导轨方向完成直线运动。

图10为伸缩机械臂中中间层部件做第一级直线运动的示意图。三层伸缩机械臂的中间层电机20通过中间层锥齿轮箱12，将中间层电机20垂直外层滑块导轨组合9的导轨方向的旋转运动做90度旋转，改变为圆柱直齿轮34平行外层滑块导轨组合9的导轨方向的旋转运动，并与上一级外层部件的外层齿条10啮合，驱动末端执行器(机械手)到达需要的位置，等待末端执行器(机械手)完成任务后，中间层电机20驱动末端执行器(机械手)退回，实现末端执行器(机械手)的第一级直线运动。

图11为伸缩机械臂中内层部件做第二级直线运动的示意图。内层电机24通过内层锥齿轮箱21，将中间层电机20垂直中间层滑块导轨组合14的导轨方向的旋转运动做90度旋转，改变为圆柱直齿轮34平行中间层滑块导轨组合14的导轨方向的旋转运动，并与上一级中间层部件的齿条13啮合，驱动末端执行器(机械手)到达需要的位置，并在末端执行器(机械手)完成任务后驱动末端执行器(机械手)退回，实现末端执行器(机械手)的第二级直线运动。

图12为伸缩机械臂工作过程的流程图。其流程是：指定末端执行器(机械手)需运动到的位置，采用中间层部件进行一级直线伸长运动的办法将末端执行器(机械手)驱动到需要的位置；检测末端执行器(机械手)是否到位？如果否，采用内层部件进行二级直线伸长运动的办法进一步将末端执行器(机械手)驱动到需要的位置；如果是，则等待末端执行器(机械手)完成任务，之后按二级收缩直线运动和一级收缩直线运动将末端执行器(机械手)收回。

本发明伸缩机械臂的工作过程是：在得到末端执行器(机械手)需要移动到的位置后，三层伸缩机械臂的中间层电机开始工作，通过锥齿轮箱将电机垂直导轨方向的旋转运动做90度旋转改变为圆柱直齿轮平行导轨方向的旋转运动，并与上一级外层部件的齿条啮合，实现伸缩机械臂的第一级直线运动，若末端执行器(机械手)到达需要的位置，则中间层电机停止工作，等待末端执行器(机械手)完成任务后退回，若末端执行器(机械手)没有到达需要的位置，且中间层部件已经到达外层部件的末端后无法再进行前进直线运动，则内层的电机开始工作，同样通过锥齿轮箱将电机垂直导轨方向的旋转运动做90度旋转改变为圆柱直齿轮平行导轨方向的旋转运动，并与上一级中间层部件的齿条啮合，实现伸缩机械臂的第二级直线运动，驱动末端执行器(机械手)到达需要的位置，并在末端执行器(机械手)完成任务后退回。

本发明在废墟搜救环境下，针对人类难以进入狭小废墟环境的特点，以单人操作废墟搜救机械手中驱动末端执行器(机械手)运动的二级直线伸缩机械臂本体机械结构为侧重点，发明设计一种具有三层结构、可单人操作、可驱动附加末端执行器(机械手)远距离运动、本体可承载大负荷的伸缩机械臂。伸缩机械臂通过自身的三层结构可驱动搜救机械手在废墟环境中实现大跨度、远距离的直线运动，以此完成指定的远距离输送和收回载荷的任务，弥补人手生理长度的不足。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的：可单人操作的远距离大传载三层伸缩机械臂，进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，如增加其他相应的自由度，或增加相关的支撑件。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.可单人操作的二级直线伸缩机械臂，其特征在于：包括直接与外界接触的外层部件(1)、负责驱动末端执行器做第一级直线运动的中间层部件(2)、负责驱动末端执行器做第二级直线运动的内层部件(3)；所述外层部件(1)包括支撑杆(4)、外层滑块导轨组合(9)和外层齿条(10)，三者的两端头固定在外层底座(11)和外层支撑部件(7)上，所述外层滑块导轨组合(9)和外层支撑部件(7)联接、承载下一级中间层部件；所述中间层部件(2)包括中间层滑块导轨组合(14)、L形支撑杆(15)和中间层齿条(13)，三者两端固定在中间层底座(19)和中间层支撑部件(16)上，所述中间层底座(19)外侧设置中间层锥齿轮箱(12)和中间层部件电机(20)，所述中间层部件电机(20)和中间层锥齿轮箱(12)与上一级的外层齿条(10)啮合，实现伸缩机械臂的第一级直线运动；所述内层部件(3)包括内层主梁(22)和内层部件电机(24)，所述内层主梁(22)两端分别与内层锥齿轮箱(21)和末端联接件(23)相固接，内层电机(24)和内层锥齿轮箱(21)与上一级的中间层齿条(13)啮合，实现伸缩机械臂的第二级直线运动。

2.根据权利要求1所述的可单人操作的二级直线伸缩机械臂，其特征在于：所述外层底座(11)和外层支撑部件(7)之间设外层支架(5)；所述中间层底座(19)和中间层支撑部件(16)之间设中间层支架(18)和中间层末端(17)。

3.根据权利要求2所述的可单人操作的二级直线伸缩机械臂，其特征在于：所述外层底座(11)和外层支架(5)为外圆内方结构，所述支撑杆(4)为圆柱形；所述中间层支撑部件(16)、中间层支架(18)和中间层末端(17)为方框形结构；所述内层主梁(22)为十字形，末端联接件(23)呈Y形，设在内层主梁侧面。

4.根据权利要求1所述的可单人操作的二级直线伸缩机械臂，其特征在于：所述外层和中间层滑块导轨组合为相同结构，均包括滑块(25)和导轨(26)两部分，滑块的截面呈凹字型，导轨的截面呈口字型，滑块通过钢珠(27)与导轨接触并被限制在导轨上滑动。

5.根据权利要求1所述的可单人操作的二级直线伸缩机械臂，其特征在于：所述中间层锥齿轮箱和内层锥齿轮箱结构相同，均包括齿轮轴支架(28)、左旋锥齿轮(29)、电机支架(30)、齿轮箱盖(31)、右旋锥齿轮(32)、齿轮轴(33)、圆柱直齿轮(34)，所述左旋锥齿轮(29)和右旋锥齿轮(32)构成的锥齿轮组将电机的旋转运动作90度变向，所述右旋锥齿轮(32)与圆柱直齿轮(34)同轴，圆柱直齿轮(34)与上一级部件齿条啮合传动。

6.根据权利要求1或2所述的可单人操作的二级直线伸缩机械臂，其特征在于：所述外层支撑部件由外圆内方柱型支架和轴承(35)组成，所述轴承(35)对称地分布安装在外圆内方柱型支架上，其中，外圆内方柱型支架的上部、下部、左侧、右侧各安装有四对轴承，外圆内方柱型支架内孔与下一级部件相配合。

7.根据权利要求1或2所述的可单人操作的二级直线伸缩机械臂，其特征在于：所述中间层支撑部件(16)由两个方型支架和轴承(35)组成，轴承(35)分别固定在方型支架上，方型支架内孔与内层部件配合。

Images