CN103895012B - 一种仿象鼻机械臂单元装置 - Google Patents

Abstract

一种仿象鼻机械臂单元装置，属于机器人技术领域，包括基座、多个人工肌肉组件、多个中间件、多个弹簧、末端件和柔性罩；人工肌肉组件包括驱动器、传动机构和柔性螺杆组件。该装置具有多个自由度，能够向多个方向弯曲和伸缩，可以做出各种弯曲的空间形状，使连接在仿象鼻机械臂装置末端的工具可以抵达某个空间位置，机动性好，具有较好的柔性，在与人交互的过程中安全性高，同时自重轻、体积小、结构紧凑和成本低。仿象鼻机械臂装置可以本发明装置可以广泛应用于各种需要机械臂的自动化系统中。

Description

一种仿象鼻机械臂单元装置

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种仿象鼻机械臂单元装置的结构设计。

背景技术

机器人设计的目标是代替人完成任务，通常需要有一双手臂。人的臂部具有七个自由度，属于串联悬臂结构，具有发达的肌肉，能够产生很大的力量并且在较高速度下运动，这些都使得机械臂的研制有很大的困难。无论是美国卡内基·梅隆大学研制的CMU/Sarcos机器人、韩国高技术研究院研制的HUBO机器人、日本本田公司研制的ASIMO机器人……都有一个共同的特点：这些传统的机器人手臂均为多个刚性连杆通过关节串联或并联构成，存在结构复杂、体积大、重量大、耗能多、成本高等不足。

大自然一直是人类发明家和工程师们取之不尽、用之不竭的灵感之源。计算机控制的机械臂也越来越复杂和灵巧，逐步开始向伸缩性和柔韧度的方向发展，受生物学启发的机器人研究正如火如荼的开展。

受到章鱼的臂爪、乌贼的触手和大象鼻子的启发，本发明主要是一种相似的柔性连续体机械臂。章鱼在捕食和抓取食物时充分利用了其臂爪所具有的灵活性。但在给它喂食的时候，它能够弯曲触须形成和人手臂类似的关节。而象鼻是大象的主要操作部件，类似于人的手臂，能够实现多个方向的弯曲，还具有较好的柔性。

Walker等人曾经在文献中介绍了所研制的柔性连续体机械臂OCTARM。此外，受生物界象鼻和柔性触手等的启发而设计出的机器人Air-Octor，具有较好的弯曲能力，并显示其冗余自由度性能在许多场合下优于相同自由度的刚性机械臂。

德国费斯托(Festo)公司模仿大象鼻子和鱼鳍概念研制了一种利用气体驱动的仿象鼻柔性机械臂。该装置由多个沿着曲线以堆叠的方式布置的操纵组件构成，每个操纵组件又分别包含多个联接板和多个流体腔。

综上所述，目前仿象鼻机械手已经有一些成果，主要采用气动方式实现，由于空气压缩机体积庞大，所以整个系统占地面积大；另外该装置的结构复杂、成本昂贵；还存在气密性等问题，能耗也高。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种仿象鼻机械臂装置，使其具有多个自由度，能够柔性地向不同方向弯曲，从而做出不同的空间形状，使连接在机械臂末端的工具可以抵达某个空间位置，同时自重轻、体积小、结构紧凑和成本低等特点。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种仿象鼻机械臂单元装置，其特征在于：包括基座、至少2个人工肌肉组件、至少两个中间件和一个末端件；所述人工肌肉组件包括驱动器、传动机构和柔性螺杆组件；所述柔性螺杆组件包括柔性杆和螺杆；所述驱动器与基座固接，所述驱动器的输出轴与传动机构的输入轴相连，所述传动机构的输出轴与柔性杆的一端相连，所述柔性杆的另一端与螺杆的一端相连；所述螺杆与末端件形成螺纹传动关系；所述中间件设置在基座和末端件之间，多个中间件沿柔性杆方向依次布置，所述中间件上至少有两个通孔，所述每个柔性杆分别依次穿过各中间件的通孔，相邻中间件之间至少设置一个弹簧，所述弹簧的两端分别连接两个相邻中间件。

本发明所述的仿象鼻机械臂单元装置，其特征在于：该装置还包括用于防止仿象鼻机械臂单元装置扭曲的柔性罩，所述柔性罩设置在多个中间件的外部，柔性罩中的至少两点与中间件、末端件和基座中的一个或几个相连。

本发明所述的仿象鼻机械臂单元装置，其特征在于：所述柔性杆采用塑料或橡胶制成的柔性杆。

本发明所述的仿象鼻机械臂单元装置，其特征在于：所述柔性罩采用弹簧、胶管或波纹管。所述胶管采用镶嵌金属丝的胶管。所述波纹管采用镶嵌金属丝的波纹管。

本发明所述的仿象鼻机械臂单元装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、液压缸或气缸。

本发明所述的仿象鼻机械臂单元装置，其特征在于：所述装置还包括挡板，所述挡板上有至少2个通孔，所述挡板与末端件分开一段距离并且通过连接件固接在一起，所述柔性杆穿过挡板上的通孔。

本发明还提供了一种所述仿象鼻机械臂单元装置的多级仿象鼻机械臂装置，其特征在于：该仿象鼻机械臂装置包括至少2个串联布置的仿象鼻机械臂单元装置；各个所述机械臂单元装置的基座固接在一起，从基座向外依次称为第1级、第2级……第n级；第2级的柔性杆穿过第1级的中间件，第3级的柔性杆依次穿过第1级的中间件、第2级的中间件……以此类推，第n级的柔性杆依次穿过第1级的中间件、第2级的中间件……第n-1级的中间件，其中n≥2。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：本发明所述的仿象鼻机械臂单元装置具有多个自由度，能够向多个方向弯曲和伸缩，可以做出各种弯曲的空间形状，使连接在仿象鼻机械臂装置末端的工具可以抵达某个空间位置，机动性好，具有较好的柔性，在与人交互的过程中安全性高，同时自重轻、体积小、结构紧凑和成本低。仿象鼻机械臂装置可以广泛应用于各种需要机械臂的自动化系统中。

附图说明

图1是本发明提供的仿象鼻机械臂单元装置的一种实施例的立体视图。

图2是图1所示实施例的立体视图(未画出柔性罩)。

图3是图1所示实施例的正视图(未画出柔性罩)。

图4是图1所示实施例的嵌簧丝波纹管。

图5是中间件的立体视图。

图6是图1所示实施例的运动原理示意图。

图7是多级仿象鼻机械臂单元装置的实施例图(未画出柔性罩)。

图8是图7所示实施例的立体视图(未画出柔性罩)。

图9是图7所示实施例的剖视图(未画出柔性罩)。

图10是图7所示实施例的外观图。

在图1至图10中：

1－基座，2－驱动器，3－传动机构，

4－联轴器，51－柔性杆，

511－第一柔性杆，512－第二柔性杆，513－第三柔性杆，

52－螺杆，6－中间件，7－弹簧，

8－末端件，9－柔性罩，91－金属丝，

92－塑料薄膜，10－挡板，11－连接件，

61－第一通孔，62－第二通孔，63－第三通孔；

21－第二级第一柔性杆，22－第二级第二柔性杆，23－第二级第三柔性杆。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明的具体结构、工作原理及工作过程。

本发明设计的一种仿象鼻机械臂单元装置的实施例如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示。该仿象鼻机械臂单元装置包括基座1、至少2个人工肌肉组件、至少2个中间件6和一个末端件8；所述人工肌肉组件包括驱动器2、传动机构3和柔性螺杆组件；所述柔性螺杆组件包括柔性杆51和螺杆52；所述驱动器2与基座1固接，所述驱动器2的输出轴与传动机构3的输入轴相连，所述传动机构3的输出轴与柔性杆的一端相连，所述柔性杆51的另一端与螺杆52的一端相连；所述螺杆与末端件形成螺纹传动关系；所述中间件设置在基座1和末端件8之间，多个中间件6沿柔性杆方向依次布置，所述中间件6上至少有两个通孔，所述每个柔性杆51分别依次穿过各中间件6的通孔，相邻中间件6之间至少设置一个弹簧7，所述弹簧7的两端分别连接两个相邻中间件6。

为了防止象鼻机械臂单元装置发生扭曲，本实施例还包括用于防止仿象鼻机械臂单元装置扭曲的柔性罩9，所述柔性罩设置在多个中间件6的外部，柔性罩中的至少两点与中间件、末端件和基座中的一个或几个相连。所述柔性罩采用弹簧、胶管或波纹管，所述胶管优选采用镶嵌金属丝的胶管。所述波纹管优选采用镶嵌金属丝的波纹管。

所述柔性杆51可以采用塑料或橡胶制成的柔性杆。例如，所述柔性杆51采用塑料棒、塑料管、橡胶棒或橡胶管。本实施例采用聚四氟乙烯棒作为柔性杆。

本实施例中，所述驱动器采用电机、液压缸或气缸。本实施例中所述驱动器采用电机。所述的传动机构3采用减速器。

本实施例中，采用3个人工肌肉组件(分别称为第一、第二和第三人工肌肉组件)、5个中间件和六个弹簧；其中有3个柔性螺杆组件，各自包括了3个柔性杆(即第一柔性杆511、第二柔性杆512和第三柔性杆513)和3个螺杆；所述末端件8上有3个螺纹孔，3个螺杆52分别穿过末端件8上的3个螺纹孔，所述螺杆52与末端件8形成螺纹传动关系；所述中间件6上有3个通孔(即第一通孔61、第二通孔62和第三通孔63)；所述末端件8与基座1之间有5个中间件；每个弹簧的两端分别连接两个相邻中间件6，相邻中间件中间有一个弹簧7。相邻中间件之间也可以有多个弹簧，例如均布的三个弹簧，见后面的多级机械臂装置的实施例图。每个所述柔性杆51分别穿过所有中间件6上对应的通孔，即：第一柔性杆511穿过中间件6上对应的第一通孔61，第二柔性杆512穿过中间件6上对应的第二通孔62，第三柔性杆513穿过中间件6上对应的第三通孔63。

本实施例中，采用联轴器4将减速器的输出轴与柔性杆固接起来，柔性杆51与对应的螺杆52之间也可以通过类似的联轴器(图2中未画出此联轴器)固接起来，这样电机的扭矩可以通过减速器减速后传递到柔性杆上，再传递到螺杆上，螺杆的转动(即人工肌肉的收缩或者舒展)会带来末端件相对位置的变化，从而达到驱动机械臂单元装置朝向某个方向弯曲的目的。在最靠近基座的中间件6的下方有两种方案：一种是让中间件直接与基座或柔性杆上的联轴器相接触，无需弹簧；另一种方法也可以设置弹簧，该弹簧的两端分别连接基座和最近的中间件，此弹簧可以防止中间件6与联轴器4之间相互摩擦，减少耗能；当然，还可以采用轴承等别的方式来达到同样的目的，不赘述。

本实施例还包括挡板10，所述挡板10上有3个通孔，所述挡板10与末端件8分开一段距离并且通过连接件11固接在一起，所述挡板位10于末端件8与中间件6之间，每个所述柔性螺杆组件51分别穿过挡板10上的不同通孔。挡板的作用是在机械臂弯曲时能够始终使位于不同位置的各个中间件均能够较好地垂直于柔性杆的中心线，优化机械臂单元装置获得更理想的弯曲弧线。

本实施例中，为了获得较好的效果，中间件上的三个穿柔性杆的通孔在中间件上处于均匀分布的位置，即三个通孔与中心点的连线之间角度为120度。

本发明还提供了一种多级仿象鼻机械臂装置，可以直接将上述介绍的仿象鼻机械臂单元装置串联起来构成高自由度的机械臂。该仿象鼻机械臂装置包括至少2个串联布置的仿象鼻机械臂单元装置；各个所述机械臂单元装置的基座固接在一起，从基座向外依次称为第1级、第2级……第n级；第2级的柔性杆穿过第1级的中间件，第3级的柔性杆依次穿过第1级的中间件、第2级的中间件……以此类推，第n级的柔性杆依次穿过第1级的中间件、第2级的中间件……第n-1级的中间件，其中n≥2，如图7、图8、图9和图10所示。本实施例中采用两个仿象鼻机械臂单元装置串联起来构成的多级仿象鼻机械臂装置。

从图9中可以看出第二级(上部)的仿象鼻机械臂单元装置的柔性杆是从底部基座中穿过第一级(下部)的仿象鼻机械臂单元装置的中间通孔(中间件有通孔)而实现的，这样的好处是能够将比较重的电机放置在最下方，减轻机械臂的负载，提高机械臂的控制响应能力，同时减少能耗。

下面结合附图介绍仿象鼻机械臂单元装置实施例的工作原理。

仿象鼻机械臂单元装置最初位于如图1所示的伸直状态(也可从图6中双点划线看出)中，第一人工肌肉组件中的电机转动，通过传动机构带动第一柔性杆转动，传递扭矩至相应的螺杆(称为第一螺杆)，通过螺纹传动实现末端件与基座之间沿该柔性杆中心线方向的距离变化(减小或变大)，从而实现第一人工肌肉的收缩或舒展，当第一人工肌肉收缩时，由于第二、第三人工肌肉并未收缩或舒展，导致机械臂单元装置向第一人工肌肉所在的一侧弯曲，如图6所示。图中AD长度为初始的第一柔性杆长度，AE弧线为第一柔性杆收缩后的长度，AE弧线长度比AD长度短，BC长度与BF弧线长度相等，机械臂形成了以O为圆心，以R为半径的圆弧形状，此时的圆弧对应的角度为α。

多个中间件和弹簧起到约束柔性杆，支撑机械臂的作用；柔性罩(例如采用波纹管)至少两个点与两个中间件固接，因为柔性罩允许弯曲和压缩但是不允许扭转，因此柔性罩起到了防止机械臂在弯曲过程中扭曲失稳的作用。当然在一些轻载的工作需求下，中间件较少等情况下，即使没有柔性罩也不会发生大的扭曲，因而也可以不采用柔性罩。

本发明提供的仿象鼻机械臂单元装置利用驱动器、多个柔性螺杆组件、多个中间件、多个弹簧和末端件等综合实现了柔性仿象鼻机械臂功能；每个柔性螺杆组件由电机、液压缸或气缸等方式驱动转动，通过螺纹传动实现末端件与基座之间沿柔性杆中心线方向的距离变化，由于中间件和其他柔性杆的约束，能够达到让机械臂向某个方向弯曲的效果。

本发明所述的仿象鼻机械臂单元装置具有多个自由度，能够向多个方向弯曲和伸缩，可以做出各种弯曲的空间形状，使连接在仿象鼻机械臂装置末端的工具可以抵达某个空间位置，机动性好，具有较好的柔性，在与人交互的过程中安全性高，同时自重轻、体积小、结构紧凑和成本低。仿象鼻机械臂装置可以本发明装置可以广泛应用于各种需要机械臂的自动化系统中。

Claims (8)

1.一种仿象鼻机械臂单元装置，其特征在于：包括基座(1)、至少2个人工肌肉组件、至少两个中间件(6)、一个末端件(8)和用于防止仿象鼻机械臂单元装置扭曲的柔性罩(9)；所述柔性罩设置在多个中间件(6)的外部，柔性罩中的至少两点与中间件、末端件和基座中的一个或几个相连；所述人工肌肉组件包括驱动器(2)、传动机构(3)和柔性螺杆组件；所述柔性螺杆组件包括柔性杆(51)和螺杆(52)；所述驱动器(2)与基座(1)固接，所述驱动器(2)的输出轴与传动机构(3)的输入轴相连，所述传动机构(3)的输出轴与柔性杆的一端相连，所述柔性杆(51)的另一端与螺杆(52)的一端相连；所述螺杆与末端件形成螺纹传动关系；所述中间件设置在基座(1)和末端件(8)之间，多个中间件(6)沿柔性杆方向依次布置，所述中间件(6)上至少有两个通孔，所述每个柔性杆(51)分别依次穿过各中间件(6)的通孔，相邻中间件(6)之间至少设置一个弹簧(7)，所述弹簧(7)的两端分别连接两个相邻中间件(6)。

2.如权利要求1所述的仿象鼻机械臂单元装置，其特征在于：所述柔性杆(51)采用塑料或橡胶制成的柔性杆。

3.如权利要求1所述的仿象鼻机械臂单元装置，其特征在于：所述柔性罩采用弹簧、胶管或波纹管。

4.如权利要求3所述的仿象鼻机械臂单元装置，其特征在于：所述胶管采用镶嵌金属丝的胶管。

5.如权利要求3所述的仿象鼻机械臂单元装置，其特征在于：所述波纹管采用镶嵌金属丝的波纹管。

6.如权利要求1所述的仿象鼻机械臂单元装置，其特征在于：所述驱动器(2)采用电机、液压缸或气缸。

7.如权利要求1所述的仿象鼻机械臂单元装置，其特征在于：所述装置还包括挡板(10)，所述挡板上有至少2个通孔，所述挡板(10)与末端件(8)分开一段距离并且通过连接件(11)固接在一起，所述柔性杆(51)穿过挡板(10)上的通孔。

8.一种采用如权利要求1所述仿象鼻机械臂单元装置的多级仿象鼻机械臂装置，其特征在于：该仿象鼻机械臂装置包括至少2个串联布置的仿象鼻机械臂单元装置；各个所述仿象鼻机械臂单元装置的基座固接在一起，从基座向外依次称为第1级、第2级……第n级；第2级的柔性杆穿过第1级的中间件，第3级的柔性杆依次穿过第1级的中间件、第2级的中间件……以此类推，第n级的柔性杆依次穿过第1级的中间件、第2级的中间件……第n-1级的中间件，其中n≥2。