CN104070535A - 一种多节折叠式遥操作机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多节折叠式遥操作机械臂，特征是包括移动基座、滑台、滑座和由多个节臂依次首尾串接而成的臂体，相邻节臂通过前耳板和后耳板与关节轴枢接，同一个节臂的前耳板的回转轴线和后耳板的回转轴线相互平行，且分别位于两个均平行于该节臂中轴线的平面内，两平面间距大于节臂半径。本发明的机械臂可实现相邻节臂完全相对折叠，缩小机械臂总体折叠后的轴向尺寸，进一步减小臂体整个收纳后的半径空间，可以在较小的工作场地空间内，方便实现机械臂整体收纳、姿态调整和运输，将大大提高机械臂在不同大小场地空间使用的适应性。

Description

一种多节折叠式遥操作机械臂

技术领域

本发明属于机械臂技术领域，具体涉及多节折叠式遥操作机械臂的结构。

背景技术

多节遥操作机械臂通常被称为“蛇形机械臂”，其具有长径比大、自由度多、空间适应强的特点，尤其适合在非结构化纵深狭小空间内实现部件的远距离操控或状态观测。在保证一定末端携载能力和操作半径空间的前提下，遥操作机械臂力求结构紧凑、体积小，以便能够在较小的工作场地空间内方便实现其整体收纳(节臂间相对折叠以减小臂体的轴向尺寸)、姿态调整和运输，从而提高机械臂在不同场地空间使用的适应性。

中国专利申请CN102990676A公开的一种蛇形机械臂，其数个杆件(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，每个球关节具有3个方向的转动自由度，相邻两杆件的轴线在其相连接的球关节的形心处相交。中国专利申请CN102744732A公开的一种蛇形机械臂，其臂体由多个骨节依次活动连接，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、左右方向的自由摆动。上述两种蛇形机械臂都存在着一个相同的问题：由于相邻节臂(或骨节)的轴线在球关节或十字轴中心处相交，相邻两节臂之间不能实现轴线相向对折(即相邻两节臂轴线夹角不为零)。因此，多节臂由于结构限制不能完全折叠在一起，收纳后整体轴向尺寸仍然很大，机械臂的作业空间半径越大，其收纳后整体轴向尺寸就越大，在机械臂的收纳、搬运和运输过程中，机械臂总体收纳后的占地空间大造成其使用受到一定程度的限制。

荷兰爱思唯尔(Elsevier)科学出版公司出版的《聚变工程与设计》(Fusion Engineeringand Design，83(2008)，pp:1833–1836.)中公开了一种被称作“AIA”的多节遥操作机械臂(AIA,Articulated Inspection Arm)，每节机械臂作为一个模块，包含两个旋转关节(水平方向和垂直方向各一个自由度)和一个平行四杆机构，相邻模块间通过旋转关节连接，驱动马达和减速器安装在机械臂内部，通过钢丝绳驱动水平方向旋转关节，垂直方向旋转关节由安装在机械臂内部的平行四杆机构驱动。在操作任务开始前和结束后，该机械臂需置于一个长度大于机械臂总长度的长桶形的容器内，机械臂总体进行搬运、基座位姿调整、移动等操作极不方便，需要足够大的场地空间。机械臂越长，观测半径越大，总体收纳后的占地空间就越大，其使用就需要更大的场地空间。

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，以克服现有机械臂总体收纳后的占地空间大而造成其使用受到场地空间限制的不足，实现相邻节臂中轴线相对折叠，缩小机械臂收纳后的总体轴向尺寸，减小整个臂体收纳后的空间半径，在相对较小的场地空间内可方便地对其进行收纳、位姿调整和搬运等操作，大大降低其对使用场地空间的要求，进一步提高机械臂在不同场地空间内使用的适应性。

本发明多节折叠式遥操作机械臂，包括：由M个节臂依次首尾串接而成的臂体4，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；

其特征在于：

滑台2固定在移动基座1的上端，滑台2上端安装有可沿其滑道作往复直线运动的滑座3，臂体4第一节臂5的后端固定在滑座3的前端部；

除第一节臂5和第M节臂9外，其余节臂的前、后端均成型有与关节轴13枢接的成对的前耳板10和成对的后耳板11，所述的前耳板10和后耳板11均分别加工有同轴心的、与关节轴13配合的回转孔12；

所述的第一节臂5只包括前耳板10，所述的第M节臂9只包括后耳板11；

所述臂体4的第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；

同一个节臂的前耳板10和后耳板11的回转轴线相互平行，且分别位于两个平行于该节臂中轴线的平面内，两平面间距大于节臂半径；

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；

第一节臂5至第M-2节臂7中，除第M-2节臂7的前耳板10外，其余节臂的前耳板10和后耳板11的回转轴线均垂直于移动基座1上端面；

第M节臂9至第M-2节臂7中，除第M-2节臂7的后耳板11外，其余节臂的前耳板10和后耳板11的回转轴线均平行于移动基座1上端面；

所述臂体4的所有关节模块的驱动器和控制器均安装在滑座3的后端部，随滑座3一同滑动；

在臂体4完全伸展的状态下，除第M节臂9和第M-1节臂8外，所有序号为偶数的节臂和所有序号为奇数的节臂分别具有同轴关系，且所有节臂中轴线相互平行；

在臂体4完全折叠的状态下，第二节臂6与第一节臂5中轴线垂直，第二节臂6至第M节臂9两两相邻节臂中轴线夹角为零度。

所述臂体4的每个关节模块均可以只有一个转动自由度，含有M个节臂的臂体4其关节模块可以总共有M-1个转动自由度。

所述臂体4的每个节臂内部可以分别安装有陀螺仪。

所述臂体4的第M节臂9的前端可以安装有观测或操作装置。

与现有机械臂相比较，本发明多节折叠式遥操作机械臂的优点是：

1.由于本发明的机械臂采用节臂首尾串联的方式连接，相邻节臂在完全伸展后其中轴线相互平行且沿节臂横向错开一大于节臂半径的距离，收纳时，可实现相邻节臂可完全相对折叠，缩小了机械臂总体收纳后的轴向尺寸，减小整个臂体收纳后的半径空间，大大降低其对使用场地空间大小的要求。

2.由于本发明采用移动基座和滑台配合运动，可实现机械臂整体灵活移动和姿态调整，并且可以增加机械臂的有效工作半径空间。

3.由于本发明的第M节臂和第M-1节臂，在垂直于移动基座上端面的平面(通常为水平面)内折叠和伸展，可以用来补偿由于重力而引起的机械臂前端下垂量。

4.本发明的多个类似节臂和关节采用模块化，系统自由度为各节臂自由度的组合，拆卸方便，且每个关节模块均为独立控制，不同数量的节臂串接可实现臂体工作半径大小的调整。

附图说明

图1为本发明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示意图。

图2为臂体的第二节臂至第M-1节臂中的其中一个节臂的结构示意图。

图3为臂体的第M节臂至第M-2节臂相连接后的结构示意图。

图4为臂体完全折叠后的机械臂整体结构示意图。

图5为相邻节臂间的关节模块的结构示意图。

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给出了本实施例多节折叠式遥操作机械臂第一节臂至第M‐2节臂完全伸展后的机械臂整体结构示意图。图2为臂体的第二节臂至第M‐1节臂中的其中一个节臂的结构示意图，图3为臂体的第M节臂至第M‐2节臂相连接后的结构示意图，图4为臂体完全折叠后的机械臂整体结构示意图，图5为相邻节臂间的关节模块的结构示意图。

结合图1至图5，本实施例的这种多节折叠式遥操作机械臂，包括：移动基座1、滑台2、滑座3、臂体4，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，观测或操作装置安装在第M节臂9的前端。

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，具体的讲，前耳板10与关节轴13保持相对转动，后耳板11与关节轴13两端部的凸台通过螺钉固定连接在一起，为减小关节模块摩擦损耗，前耳板10上的回转孔12与关节轴13之间可以安装有轴承做为过渡连接，各相邻节臂通过关节模块依次首尾连接组成一个臂体4。每个关节模块可以由一个马达驱动关节轴13转动，相邻节臂之间以关节轴13为回转中心保持相对转动。

为降低关节自重和增加臂体4运动的灵活性，将所有关节模块的驱动器和控制器均安装在所述滑座3的后端部，可以随滑座3一同滑动。

在臂体4完全伸展的状态下，相邻节臂中轴线保持平行，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通过关节轴13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已确定，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通过关节轴13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保持同轴关系，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。

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，通过控制第M节臂9和第M-1节臂8相连接的关节模块，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位置传感器和节臂内部的陀螺仪，可以分别实时检测关节的位移量和各节臂姿态信息，进一步获取臂体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，通过控制每个关节模块，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中的相邻节臂两两折叠，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，这样将有利于减小臂体4自重对第一节臂5固定端产生的扭转力矩，有利于臂体4总体力矩平衡，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 (4)

1.一种多节折叠式遥操作机械臂，包括：由M个节臂依次首尾串接而成的臂体(4)，节臂串接的个数M根据实际需要确定，其特征在于：滑台(2)固定在移动基座(1)的上端，滑台(2)上端安装有可沿其往复直线运动的滑座(3)，臂体(4)的第一节臂(5)的后端固定在滑座(3)的前端部；

除第一节臂(5)和第M节臂(9)外，其余节臂的前、后端均成型有与关节轴(13)枢接的成对的前耳板(10)和成对的后耳板(11)，耳板均加工有同轴心的、与关节轴(13)配合的回转孔(12)；

臂体(4)的第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；

所述的第一节臂(5)只包括前耳板(10)，所述的第M节臂(9)只包括后耳板(11)；

同一个节臂的前耳板(10)和后耳板(11)的回转轴线相互平行，且分别位于两个平行于该节臂中轴线的平面内，两平面间距大于节臂半径；

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；

第一节臂(5)至第M-2节臂(7)中，除第M-2节臂(7)的前耳板(10)外，其余节臂的前耳板(10)和后耳(11)的回转轴线均垂直于移动基座(1)上端面；

第M节臂(9)至第M-2节臂(7)中，除第M-2节臂(7)的后耳板(11)外，其余节臂的前耳板(10)和后耳板(11)的回转轴线均平行于移动基座(1)上端面；

所述臂体(4)的所有关节模块的驱动器和控制器均安装在滑座(3)的后端部，随滑座(3)一同滑动；

在臂体(4)完全伸展的状态下，除第M节臂(9)和第M-1节臂(8)外，所有序号为偶数的节臂和所有序号为奇数的节臂分别具有同轴关系，且所有节臂中轴线相互平行；

在臂体(4)完全折叠的状态下，第二节臂(6)与第一节臂(5)中轴线垂直，第二节臂(6)至第M节臂(9)两两相邻节臂中轴线夹角为零度。

2.如权利要求1所述的多节折叠式遥操作机械臂，特征在于所述臂体(4)的每个关节模块均只有一个转动自由度，含有M个节臂的臂体(4)，其关节模块总共有M-1个转动自由度。

3.如权利要求1所述的多节折叠式遥操作机械臂，特征在于所述臂体(4)的每个节臂内部分别安装有陀螺仪。

4.如权利要求1所述的多节折叠式遥操作机械臂，特征在于所述臂体(4)的第M节臂(9)的前端安装有观测或操作装置。