CN104070532A - 一种多节折叠式遥操作机械臂的关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多节折叠式遥操作机械臂的关节，特征是定滑轮的凹槽的形心与关节轮轮缘的凹槽的形心平齐，且均位于与驱动轮轮缘相切且垂直于关节轴轴线的平面内，马达的输出轴与对应的关节轴组成正交轴系，马达通过驱动轮、定滑轮、钢丝柔索和关节轮将驱动力传递到关节轴，实现相邻节臂间的相对转动；固定在节臂内部并靠近关节轴的拉线传感器的拉线缠绕在关节轴的外缘面，拉线的伸出端与关节轴相对固定。本发明充分利用了节臂纵向空间，既减小节臂横向尺寸实现了结构的紧凑性，又提高了机械臂的刚度；本发明机械臂的关节结构简单、可靠，检测方便，不需要拆解关节模块即可完成对拉线传感器的安装、拆卸或更换等，操作简单方便。

Description

一种多节折叠式遥操作机械臂的关节

技术领域

本发明属于机械臂的关节技术领域，具体涉及多节折叠式遥操作机械臂的关节结构。

背景技术

多节遥操作机械臂通常被称为“蛇形机械臂”，适合在非结构化纵深狭小空间内进行部件的远距离观测或操控。现有的机械臂通常由多个节臂通过关节首尾串接而成，并在末端节臂安装不同的执行器观测装置，作为末端执行器的运动支撑部件，遥操作机械臂的臂体要求具有总体轻量化、关节刚度大、关节位置易于检测和控制的特性，以实现末端执行器多方位到达目标位置。

中国专利申请CN102990676A公开的一种蛇形机械臂，由数个杆件(节臂)之间通过球关节串接成中心支柱，中心支柱的底部连接起支撑作用的底座，驱动装置固定在底座侧板上，每根杆件的末端通过绕圆周对称分布的三根柔索与驱动装置连接。中国专利申请CN102744732A公开的一种蛇形机械臂，其臂体由多数个骨节依次活动连接，臂体中两相邻骨节之间采用十字轴连接，通过两组牵引线的牵动驱动与之对应的骨节实现上下、左右方向摆动。上述两种关节都是由固定在底座的驱动装置通过柔索驱动，纵然驱动装置固定在底座上，减小了节臂的自重，关节运动灵活性增强，但是关节驱动柔索长度加长，每个关节驱动柔索长度随关节与底座间的距离而不同，距离底座越远的关节，驱动柔索长度越长，并且柔索本身具有一定的弹性形变性质，柔索承受拉力越大，其形变量(即柔索轴向伸展量)就越大，将造成关节的刚度变小，关节动作响应时间长，臂体总体响应速度将变慢。

中国专利申请CN102814821A公开的一种双钢丝绳驱动的机械臂大角度可控回转式关节装置，其前级机械臂和后级机械臂通过转轴和轴承连接并保持相对转动，钢丝轮盘固定在前级机械臂上、下凸台之间，钢丝轮盘转轴一端的凸缘中部型腔内的角度传感器输出轴与转轴同轴并同步转动，两根驱动钢丝绳分别通过球头卡在凹槽通孔并缠绕在钢丝轮盘轮缘U形凹槽内。该装置的角度传感器位于钢丝轮盘转轴一端的凸缘中部型腔内，其后期安装和更换需要拆离钢丝轮盘和前级机械臂，每次更换后需要调整角度传感器输出轴与转轴同轴度，操作繁琐，且关节装置的各零件配合面由于反复拆离和再装配，会造成一定程度的磨损，其配合精度也很难保证。

发明内容

本发明的目的是提供一种多节折叠式遥操作机械臂的关节结构，以克服现有机械臂关节刚度低、关节位置传感器安装和更换繁琐且易造成关节模块由于再装配而造成精度降低的问题，实现关节结构紧凑，刚度大，关节位置检测简单、可靠，又可在不拆解关节模块的前提下方便实现关节位置传感器的安装或更换。

本发明多节折叠式遥操作机械臂的关节，包括：与关节轮14同轴心固定连接的关节轴13，节臂的前、后端均成型有与关节轴13枢接的成对的前耳板10和后耳板11，成对的耳板上均加工有同轴心的、与关节轴13配合的回转孔12；每个节臂的前耳板10与其前端相邻节臂的后耳板11通过关节轴13枢接，前耳板10与关节轴13保持相对转动，后耳板11与关节轴13两端部的凸台固定连接，关节轮14和定滑轮18的轮缘均成型有供钢丝柔索19缠绕的凹槽；其特征在于：

每个关节均由一个马达驱动，马达15通过法兰16固定在节臂内部，马达15的输出轴一侧靠近关节轮14，马达15的输出轴的轴线与该节臂中轴线平行，马达15的输出轴端固联有驱动轮17；

两个定滑轮18位于沿节臂中轴线关节轮14和驱动轮17之间，分别安装在位于驱动轮17左右两侧与法兰16固定连接的两个支架20上，两个定滑轮18的凹槽的形心与关节轮14轮缘的凹槽的形心平齐，且均位于与驱动轮17轮缘相切且垂直于关节轴13轴线的平面内；

钢丝柔索19缠绕在驱动轮17上，钢丝柔索19的两端分别经过两个定滑轮18的凹槽相向缠绕在关节轮14的凹槽内，并与关节轮14相对固定；

马达15通过驱动轮17、定滑轮18、钢丝柔索19和关节轮14将驱动力传递到关节轴13，实现相邻节臂间的相对转动；

拉线传感器21固定在节臂内部并靠近关节轴13，拉线传感器21的拉线22缠绕在关节轴13的外缘面，拉线22的伸出端与关节轴13相对固定。

与现有机械臂的关节相比较，本发明多节折叠式遥操作机械臂的关节的优点是：

1.由于本发明将驱动马达安装在每节臂的内部，马达的输出轴与对应的关节轴组成正交轴系，通过钢丝绳和定滑轮实现正交转轴驱动力的传递，既减小节臂横向尺寸实现了结构的紧凑性，又提高了机械臂的刚度。

2.由于本发明的关节结构采用拉线传感器检测关节轴位移量，关节位置检测简单、可靠，不需要拆解关节模块即可完成对拉线传感器的安装、拆卸或更换等，操作简单方便。

3.本发明多节折叠式遥操作机械臂的关节可以做为一个关节模块，应用在多节折叠式遥操作机械臂中，组装和拆卸方便，且每个关节模块均为独立控制，特别适合多节节臂串接使用。

本发明充分利用了节臂纵向空间，既减小节臂横向尺寸实现了结构的紧凑性，又提高了机械臂的刚度；本发明的关节结构简单、可靠，检测方便，不需要拆解关节模块即可完成对拉线传感器的安装、拆卸或更换等，操作简单方便。

附图说明

图1为本发明多节折叠式遥操作机械臂的关节结构主视图。

图2为本发明关节结构的立体示意图。

图3为图1中A向的剖切示意图。

图4为本发明的关节所应用在一种多节折叠式遥操作机械臂的第一节臂至第M-2节臂完全伸展后的机械臂整体结构立体示意图。

图5为本发明的关节所应用在一种多节折叠式遥操作机械臂的臂体完全折叠后的机械臂整体结构立体示意图。

具体实施方式

下面结合附图通过实施例对本发明作进一步具体详细的说明。

实施例1：

图1给出了本发明多节折叠式遥操作机械臂的关节结构主视图，图2为本发明关节结构的立体示意图，图3为图1中A向的剖切示意图。

结合图1至图3，本实施例的这种多节折叠式遥操作机械臂的关节，包括：关节轴13、关节轮14、马达15、法兰16、驱动轮17、定滑轮18、钢丝柔索19、支架20、拉线传感器21，每个关节均由一个马达15驱动，马达15通过法兰16固定安装在节臂内部，马达15输出轴的一侧靠近对应的关节轮14，驱动轮17固定在马达15输出轴端，马达15的输出轴的轴线平行于该节臂中轴线，马达15的输出轴与对应的关节轴13组成正交轴系，充分利用了节臂纵向空间，大大减小节臂的横向尺寸，使整个关节模块结构紧凑。

钢丝柔索19缠绕在驱动轮17上，为了增大钢丝柔索19与驱动轮17间的摩擦力，缠绕的圈数当以钢丝柔索19间不产生因缠绕圈数过多而叠压在一起为限。

两个定滑轮18位于沿节臂中轴线方向关节轮14和驱动轮17之间，分别安装在驱动轮17左右两侧与法兰16固定连接的两个支架20上，钢丝柔索19的两端分别经过两个定滑轮18的凹槽，相向缠绕在关节轮14的凹槽内，钢丝柔索19的两端分别与关节轮14相对固定。关节轴13与关节轮14同轴心固定连接，马达15通过驱动轮17、定滑轮18、钢丝柔索19和关节轮14将驱动力传递到关节轴13，实现相邻节臂间的相对转动。马达15靠近对应的关节轮14，机械臂纵向距离越短，需要的钢丝柔索19长度就越小，在相同的关节驱动力作用下，钢丝柔索19的弹性形变量就越小，关节刚度将大大提高。

拉线传感器21固定在节臂内部，拉线22缠绕在关节轴13的外缘面，拉线22伸出端与关节轴13相对固定。关节轴13转动过程中，拉线传感器21内部的自动回旋装置将自动收回拉线22，并在拉线22伸收过程中保持其张力不变，拉线22带动拉线传感器21的传动机构与编码器同步转动，通过测量拉线22位移量推导出关节轴13的角位移。采用拉线传感器21检测关节轴13位移量，结构简单、可靠，不需要拆解关节模块即可完成对拉线传感器21的安装、拆卸或更换等，操作简单方便。

将本发明的上述关节应用在一种多节折叠式遥操作机械臂时，该多节折叠式遥操作机械臂还可以包括：移动基座1、滑台2、滑座3、臂体4，臂体由M个节臂依次首尾串接而成，节臂串接的个数M可根据实际需要确定；

定义：臂体4固定在滑座3的一端为“后端”，则臂体4另一端为“前端”；左、右侧是以背对移动基座1、面向臂体4前端而言，则从臂体4后端算起，各节臂依次定义为：第一节臂5，第二节臂6，…，第M-2节臂7，第M-1节臂8，第M节臂9；

图4给出了本发明的关节所应用在一种多节折叠式遥操作机械臂的第一节臂至第M-2节臂完全伸展后的机械臂整体结构立体示意图；图5给出了本发明的关节所应用在一种多节折叠式遥操作机械臂的臂体完全折叠后的机械臂整体结构立体示意图。

下面结合图4和图5，对本发明的上述关节应用在一种多节折叠式遥操作机械臂的实施例做进一步详细说明：滑座3安装在滑台2的上端面，并可沿滑台2的上端面做往复直线运动，滑台2固定安装在移动基座1的上端面，臂体4通过第一节臂5的后端固定连接于滑座3的前端部，第一节臂5前端的前耳板10与第二节臂6的后耳板11通过关节轴13连接，第M节臂9后端的后耳板11与第M-1节臂8的前耳板10通过关节轴13连接，第M节臂9的前端安装有观测或操作装置。

第一节臂5至第M-1节臂8中，每节臂的前耳板10与其前端相邻节臂的后耳板11通过关节轴13枢接组成一个关节模块，各节臂依次首尾连接组成一个臂体4。前耳板10与关节轴13保持相对转动，为减小关节运动阻力，耳板上的回转孔12与关节轴13之间有轴承做为连接过渡连接。后耳板11与关节轴13两端部的凸台通过螺钉固定连接在一起，相邻节臂之间以关节轴13为回转中心相对转动。

为降低关节自重和增加臂体4运动的灵活性，将关节模块驱动器和控制器安装在所述滑座3的后端部，可以随滑座3一同滑动，与其相应马达15间连接的电气线缆均通过该节臂及其后端依次连接的节臂的内部(腔)延伸到滑座3的后端部。

在相邻节臂中轴线保持平行状态下，除第M节臂9和第M-1节臂8外，调整前端节臂中轴线在当前节臂中轴线的右侧，则前端节臂以当前节臂的前耳板10回转轴线为中心，相对当前节臂可实现向左折叠，反之，向右折叠，机械臂的功能和臂体4的运动半径均不受折叠方向的影响。具体的讲就是：将第二节臂6的后耳板11与第一节臂5的前耳板10连接，即第二节臂6中轴线相对第一节臂5中轴线向右或向左折叠方向确定后，则第二节臂6之后的所有序号为偶数的节臂分别与其后端相邻节臂的连接方向与此相同；第三节臂23沿自身中轴线相对于第一节臂5中轴线旋转180度，其后耳板11与第二节臂6的前耳板10连接，则除第M节臂9和第M-1节臂8外，第三节臂23之后的所有序号为奇数的节臂也同时旋转180度后分别与其后端相邻节臂的连接方向与此相同。除第M节臂9和第M-1节臂8外，所有M-2个节臂依次首尾串接后，所有序号为偶数的节臂中轴线和所有序号为奇数的节臂中轴线分别同轴，且所有节臂中轴线相互平行。

第M节臂9和第M-1节臂8分别绕自身中轴线旋转180度后，将第M节臂9的后耳板11与第M-1节臂8的前耳板10通过关节轴13连接，第M-1节臂8的后耳板11与第M-2节臂7的前耳板10连接后，由于第M-2节臂7的前耳板10的回转轴线与后耳板11的回转轴线正交，因此，臂体4的第一节臂5至第M-2节臂7在平行于移动基座1上端面的平面内折叠和伸展，第M节臂9和第M-1节臂8就可以在垂直于移动基座1上端面的平面内折叠和伸展。这样，在整个臂体4由于自重而导致最前端(即第M节臂9的前端)具有一定的下垂，可利用每个节臂内部的陀螺仪实时检测各节臂姿态信息，并准确计算出臂体4最前端的下垂位移量，通过控制马达15驱动第M节臂9和第M-1节臂8运动，使第M节臂9前端的观测或操作装置保持在相对于移动基座1上端面的指定高度，进而补偿臂体4最前端的下垂位移。通过每个关节模块内部的拉线传感器21和节臂内部的陀螺仪，可以实时检测关节轴13的角位移量和各节臂姿态信息，进一步获得臂体4最前端观测或操作装置的准确位置信息，从而可以精确操作机械臂完成指定的观测或操作任务。

在观测或操作任务结束后，控制马达15驱动各关节动作，使第二节臂6与第一节臂5中轴线保持垂直关系，使第二节臂6至第M节臂9两两折叠，达到相邻节臂中轴线夹角为零，即机械臂完全折叠后，除第一节臂5和第二节臂6外，臂体4相对于固定端的第一节臂5中轴线左右对称，有利于臂体4总体力矩平衡，即减小臂体4自重对第一节臂5固定端产生的扭转力矩，因此，优选第三节臂23至第M节臂9长度相等，第二节臂6长度为第三节臂23长度的一半，第一节臂5可以视滑台2长度和观测距离需要适当加大长度。

Claims (1)

1.一种多节折叠式遥操作机械臂的关节，包括：与关节轮(14)同轴心固定连接的关节轴(13)，节臂的前、后端均成型有与关节轴(13)枢接的成对的前耳板(10)和后耳板(11)，成对的耳板上均加工有同轴心的、与关节轴(13)配合的回转孔(12)；每个节臂的前耳板(10)与其前端相邻节臂的后耳板(11)通过关节轴(13)枢接，前耳板前耳板(10)与关节轴(13)保持相对转动，后耳板(11)与关节轴(13)两端部的凸台固定连接；关节轮(14)和定滑轮(18)的轮缘均成型有供钢丝柔索(19)缠绕的凹槽；

其特征在于：

每个关节均由一个马达驱动，马达(15)通过法兰(16)固定在节臂内部，马达(15)的输出轴一侧靠近关节轮(14)，马达(15)的输出轴的轴线与该节臂中轴线平行，马达(15)的输出轴端固联有驱动轮(17)；

两个定滑轮(18)位于沿节臂中轴线方向关节轮(14)和驱动轮(17)之间，分别安装在位于驱动轮(17)左右两侧与法兰(16)固定连接的两个支架(20)上，两个定滑轮(18)的凹槽的形心与关节轮(14)轮缘的凹槽的形心平齐，且均位于与驱动轮(17)轮缘相切且垂直于关节轴(13)轴线的平面内；

钢丝柔索(19)缠绕在驱动轮(17)上，钢丝柔索(19)的两端分别经过两个定滑轮(18)的凹槽相向缠绕在关节轮(14)的凹槽内，并分别与关节轮(14)相对固定；

马达(15)通过驱动轮(17)、定滑轮(18)、钢丝柔索(19)和关节轮(14)将驱动力传递到关节轴(13)，实现相邻节臂间的相对转动；

拉线传感器(21)固定在节臂内部并靠近关节轴(13)，拉线传感器(21)的拉线(22)缠绕在关节轴(13)的外缘面，拉线(22)的伸出端与关节轴(13)相对固定。