CN105666519A - 一种机械手及一种蛇形机器臂系统装置的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械手及一种蛇形机器臂系统装置的实现方法，机械手包括基座、机械臂和驱动机构，机械臂由至少两个关节件串联而成，每一关节件具有一转动轴，相邻关节件的转动轴平行或正交，每一所述关节件对应配置有拉绳，拉绳在驱动机构的驱动下独立拉动对应关节件使该关节件绕其自身的转动轴正反转动，蛇形机器臂系统装置的实现方法使用了机械手结构。本发明的结构和方法的优点在于利用正交或平行关节件的连接及使用拉绳以控制关节件的摆动，增加了工作空间范围，结构简单而且易于控制。

Description

一种机械手及一种蛇形机器臂系统装置的实现方法

技术领域

本发明涉及一种机械手及一种蛇形机器臂系统装置的实现方法。

背景技术

相比早期机器人只为替代单一的工种，或者在指定的环境下完成单一的动作而言，如今对于机器人的研究更多的是基于复杂乃至未知的环境下，多任务的结合。在这种非结构化的、未知的环境下作业的大趋势下，以轮式或者履带式作为移动方式的传统的移动机器人，其运动稳定性差、在特殊环境中运动不灵活等弊病日益暴露出来。这就使得以新的运动方式代替传统移动形式的机器人的研究成为了热点。

与传统的轮式或行走式机器人相比，蛇形机器臂由于其天生的多关节、多冗余自由度，可以有多种运动模式，这就为蛇形机器臂在不同领域的使用与推广成为可能；同时，与目前使用广泛的工业多轴机械臂相比(如六轴机械臂)，蛇形机器臂结构上更加灵活，更适用于空间狭小、情况复杂的工作环境。然而另一个现实是，鲜有研究机构对蛇形机器臂进行深入广泛的研究，尤其是在国内，更遑论将蛇形机器臂与实际的工业作业相结合。

目前蛇形机器人(臂)的主要设计方式有以下几种：一是关节平行连接，这样的方式控制虽然简单，但最大的问题在于不能实现三维空间的运动，极大限制了使用范围；二是关节正交连接，这种方式可实现几乎三维空间内的任意角度的运动，控制方式简便，但按照现有的技术，使用这种方式需要的驱动机构较多；三是关节万向节连接，能够实现三维空间内的360度旋转，但加工复杂，控制难度高。如何设计出加工难度低、运动范围广、控制简单、驱动精简的机械结构，是蛇形机械臂的热点与难点

发明内容

本发明的第一目的在于针对现有机械手中普遍存在的驱动结构复杂、和控制复杂的不足，提出了一种机械手的结构，以达到简单易控制，而且能够实际运用于工业作业中的目的。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种机械手，包括基座、机械臂和驱动机构，其特征在于，机械臂由至少两个关节件串联而成，每一关节件具有一转动轴，相邻关节件的转动轴平行或正交，机械臂第一端最末的关节件能够以其转动轴为转动中心转动的方式连结于所述基座，其余各关节件能够以其转动轴为转动中心与相邻的关节件相转动连结，机械臂第二端最末的关节件安装有终端执行器；每一所述关节件对应配置有拉绳，拉绳在驱动机构的驱动下独立拉动对应关节件使该关节件绕其自身的转动轴正反转动。

本发明优点在于利用正交或平行关节件的连接及使用拉绳以控制关节件的摆动，增加了工作空间范围，结构简单而且易于控制。

本发明可通过如下方案进行改进：

所述的一种机械手，其特征在于，所述驱动机构由若干驱动单元组成，每一所述关节件对应配置有一驱动单元和两根拉绳，所述驱动单元包括驱动支架、推动机构和驱动杠杆，所述驱动支架安装在所述基座上，所述驱动杠杆具有两个拉绳连接部，所述驱动杠杆铰接在所述驱动支架上且其铰接位置处于所述两个拉绳连接部之间，所述推动机构铰接于所述驱动支架上，推动机构具有可伸缩运动的输出轴，输出轴与所述驱动杠杆铰接，输出轴的伸缩运动使所述驱动杠杆绕其铰接中心轴正反转动，两根所述拉绳的一端与关节件相连接且分列在对应关节件之转动轴的两侧，另一端与对应的拉绳连接部连接。从理论上来说，当用直线型驱动结构来驱动一个万向节连接关节时，至少需要三根驱动拉线、三个电机来驱动，因此，采用上述驱动机构，一个驱动单元即能驱动两根拉线，也即两个正交型关节件只需要用四根拉线来驱动，即所需推动机构数量仅为两个，因此，相比平行连接方式而言，上述驱动机构增加了工作空间的范围，又相比万向节连接方式而方，述驱动机构减少了驱动机构的数量、降低了加工、控制难度。

所述的一种机械手，其特征在于，每一拉绳还配置有拉绳预紧装置，拉绳预紧装置包括设置在拉绳之与拉绳连接部连接的一端周壁上的外螺纹、可与所述外螺纹螺合的调节螺母，及调节弹簧，所述拉绳依次穿过所述拉绳连接部和调节弹簧后与调节螺母螺合，调节弹簧两端分别抵顶调节螺母和拉绳连接部。拉绳预紧装置可以在拉绳不紧的时候调节其松紧度。

所述的一种机械手，其特征在于，所述机械臂由至少两种不同规格大小的关节件所组成，关节件依其尺寸由大到小从机械臂第一端排布到机械臂第二端，所述驱动机构根据所驱动的关节件的大小而具备有至少两种不同规格的驱动单元，相同规格的驱动单元其驱动杠杆的铰接中心分布在同一圆心的同一圆周上，并且在该圆周上呈等角分布，不同规格的驱动单元其驱动杠杆的铰接中心分布在同一圆心的不同直径的圆周上。机械臂采用至少两种不同规格大小的关节件所组成可使拉绳之间拥有相对运动的空间，同时又为了尽量减轻机械臂本身重量。驱动杠杆采用长度不等的两种形式，采用了短臂的杠杆可以提高了驱动单元的响应速度，从而提高机械手的灵活程度

所述的一种机械手，其特征在于，关节件包括有关节柱，关节柱的两端分别设置上铰接部和下铰接部，所述下铰接部形成有所述转动轴，上铰接部可与相邻关节件的下铰接部相铰接。

所述的一种机械手，其特征在于，关节柱与上铰接部之间设置有与关节柱同中心轴的上圆盘，上圆盘上设置若干供拉绳连接或拉绳通过上过孔，上过孔的中心轴分布在以上圆盘的中心轴为圆心的同一圆周上，并且在该圆周上呈等角分布。

所述的一种机械手，其特征在于，关节柱与下铰接部之间设置有与关节柱同中心轴的下圆盘，下圆盘上设置若干供拉绳通过的下过孔，下过孔的中心分布在以下圆盘的中心为圆心的同一圆周上，并且在该圆周上呈等角分布。

所述的一种机械手，其特征在于，所述机械手还包括有控制器，每一所述关节件配置有用以实时检测该关节件相对以该关节件之转动轴为转动中心相连接相邻关节件的转动角度的角度检测装置，所述角度检测装置将所检测的转动角度信息反馈至控制器，控制器做出停止或调节的驱动指令作用于所述驱动机构。

所述的一种机械手，其特征在于，角度检测装置包括角度检测传感器模块和关节连接滚轴，所述角度检测传感器模块安装在对应的关节件上并具有一检测孔，所述关节连接滚轴连接相邻两个关节件且其中心轴作为所述其对应的关节件的转动轴，关节连接滚轴跟随关节件相对以该关节件之转动轴为转动中心相连接相邻关节件的转动而转动，关节连接滚轴的一端延伸设置有检测头，检测头伸进所述检测通孔实时测量转动角。

本发明的第二目的在于针对现有机械手中普遍存在的驱动结构复杂、和控制复杂的不足，提出了一种机械手的使用方法，以达到简单易于实施，能够实际运用于工业作业中的目的。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种蛇形机器臂系统装置的实现方法，其特征在于，蛇形机器臂系统装置使用上述所述的机械手，包括以下步骤：A：根据控制器设定的参数，驱动机构工作，拉绳在驱动机构的驱动下独立拉动对应关节件使该关节件绕其自身的转动轴正反转动,从而带动对应关节件能够进行摆动；B：关节件运动时，角度检测装置将所检测的转动角度是否到达预定位置信息反馈至控制器，控制器做出相应的停止指令或者调节控制驱动机构的指令，最终控制终端执行器到达指定位置执行任务。

本发明优点在于利用正交或平行关节件的连接及使用拉绳以控制关节件的摆动，以达到增加了工作空间范围，结构简单而且易于控制的目的。

附图说明

图1是实施例之机械手的三维状态示意图；

图2是只显示一个驱动单元、两个关节件及拉绳间相互关系的三维状态示意图；

图3是显示两个关节件及角度检测装置安装关系的三维状态示意图；

图4是图3所示结构的三维分解状态示意图；

图5是图3所示结构的一个纵向剖面结构示意图(经过转动轴)；

图6是图3所示结构的一个横向剖面结构示意图(经过转动轴)；

图7是只显示一个驱动单元及拉绳间相互关系的三维状态示意图；

图8是图7所示结构的一个纵向剖面结构示意图(经过拉绳的中心轴)；

图9是驱动机构的三维状态示意图；

图10是图9所示结构的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如附图1所述的一种机械手，包括基座1、机械臂2和驱动机构3，机械臂2由至少两个关节件4串联而成，每一关节件4具有一转动轴41，相邻关节件4的转动轴41平行或正交(本实施例只采用相邻关节件4的转动轴41正交的形式)。机械臂第一端21最末的关节件4能够以其转动轴41为转动中心转动的方式连结于所述基座1，其余各关节件4能够以其转动轴41为转动中心与相邻的关节件4相转动连结，机械臂第二端22最末的关节件4安装有终端执行器5；每一所述关节件4对应配置有拉绳6，拉绳6在驱动机构3的驱动下独立拉动对应关节件4使该关节件4绕其自身的转动轴41正反转动。

所述关节件4如附图4所示，其包括有关节柱42，关节柱42的两端分别设置上铰接部43a和下铰接部43b，所述下铰接部43b形成有所述转动轴41，上铰接部43a可与相邻关节件4的下铰接部43b相铰接。关节柱42与上铰接部43a之间设置有与关节柱42同中心轴的上圆盘44a，上圆盘44a上设置若干供拉绳6连接或拉绳6通过上过孔45a，上过孔45a的中心分布在以上圆盘44a的中心为圆心的同一圆周上，并且在该圆周上呈等角分布。关节柱42与下铰接部43b之间设置有与关节柱42同中心轴的下圆盘44b，下圆盘44b上设置若干供拉绳6通过的下过孔45b，下过孔45b的中心分布在以下圆盘44b的中心为圆心的同一圆周上，并且在该圆周上呈等角分布。

具体而言，本实施中机械臂2采用了共20个关节件4，基座1具有一个结构类似关节件4的结构以供机械臂第一端21最末的关节件4与其铰接，即该类似关节件4的结构只由关节柱42、上圆盘44a和上铰接部43a所组成。

终端执行器5可采用诸如夹爪等一些可以执行任务的执行机构，在此不展开阐述。

如附图2、附图7和附图8所示，所述驱动机构3由若干驱动单元31组成，每一所述关节件4对应配置有一驱动单元31和两根拉绳6，所述驱动单元31包括驱动支架311、推动机构312和驱动杠杆313，所述驱动支架311安装在所述基座1上，所述驱动杠杆313具有两个拉绳连接部314，所述驱动杠杆313铰接在所述驱动支架311上且其铰接位置处于所述两个拉绳连接部314之间，所述推动机构312铰接于所述驱动支架311上，推动机构312具有可伸缩运动的输出轴315，输出轴315与所述驱动杠杆313铰接，输出轴315的伸缩运动使所述驱动杠杆313绕其铰接中心轴正反转动，两根所述拉绳6的一端与关节件4相连接且分列在对应关节件4之转动轴41的两侧，另一端与对应的拉绳连接部314连接。具体而言，拉绳6的一端设置有卡帽61，卡帽61可将拉绳6钳住在对应关节件4上的其中一个上过孔45a中，每一关节件4供两个拉绳6一端钳住的两个上过孔45a的中心连线与该关节件4的转动轴41正交，以达到最省力的目的。

所述推动机构312可以是一种电推杆驱动机构，该电推杆驱动机构包括电机和减速齿轮组，电机的正反转动带动减速齿轮，最终实现推动机构312的输出轴315的伸缩运动，所述推动机构312也可以是一种气缸驱动机构3，气缸的缸体铰接在所述驱动支架311上，而气缸的推动轴即为所述输出轴315，也可以实现推动机构312的输出轴315的伸缩运动。

由于前(即相对靠近机械臂第二端22一端位置)一个关节件4的所对应的拉绳6必定会穿过后(即相对远离机械臂第二端22一端位置)一个关节件4的过孔(包括上过孔45a和下过孔45b)，因此越靠近机械臂第一端21的关节件4其穿过的拉绳6数量越多，为了使拉绳6之间拥有相对运动的空间，同时又为了尽量减轻机械臂2本身重量，所以所述机械臂2由至少两种不同规格大小的关节件4所组成。关节件4依其尺寸由大到小从机械臂第一端21排布到机械臂第二端22，本实施中，机械臂2优选两种不同规格大小的关节件4(分为46a和46b)所组成。同一关节件4的上圆盘44a和下圆盘44b采用相同直径的圆盘，而两种不同规格大小的关节件4的主要区别在于圆盘的直径不同，当然，其关节柱42的直径也是可以不同的。圆盘直径较大的关节件4靠近机械臂第一端21，而圆盘直径较小的关节件4远离机械臂第一端21。

另外，虽然不同的关节件4因其位置决定了其为其它关节件4提供的过孔(包括上过孔45a和下过孔45b)的数量不同，因而各关节件4其过孔(包括上过孔45a和下过孔45b)的数量是可以不一样的，不过为了便于生产，每一关节件4仍采用相同数量的过孔(包括上过孔45a和下过孔45b)。

如附图9和附图10所示，所述驱动机构3根据所驱动的关节件4的大小而具备有至少两种不同规格的驱动单元31，相同规格的驱动单元31其驱动杠杆313的铰接中心分布在同一圆心的同一圆周(如附图10虚线圆圈所示)上，并且在该圆周上呈等角分布，不同规格的驱动单元31其驱动杠杆313的铰接中心分布在同一圆心的不同直径的圆周(如附图10两个虚线圆圈71、72所示)上。在本实施例中，对应上述所述两种不同规格的关节件4配置两种不同规格的驱动单元31，两种不同规格的驱动单元31的区别主要在于各自的驱动杠杆313的尺寸不同。具体地而言是驱动杠杆313采用长度不等的两种形式，采用了短臂的杠杆可以提高了驱动单元31的响应速度，从而提高机械手的灵活程度。

结合附图2、附图7和附图8所示，每一拉绳6还配置有拉绳预紧装置62，拉绳预紧装置62包括设置在拉绳6之与拉绳连接部314连接的一端周壁上的外螺纹、可与所述外螺纹螺合的调节螺母621，及调节弹簧622，所述拉绳6依次穿过所述拉绳连接部314和调节弹簧622后与调节螺母621螺合，调节弹簧622两端分别抵顶调节螺母621和拉绳连接部314。通过旋转调节螺母621对拉绳6进行预紧设置。特别地，拉绳6还外套63设有外套63，外套63能够有效的降低拉绳6运动时，对其他无关的关节件4造成的运动耦合影响。

如附图3至附图6所示，所述机械手还包括有控制器，每一所述关节件4配置有用以实时检测该关节件4相对以该关节件4之转动轴41为转动中心相连接相邻关节件4的转动角度的角度检测装置8，所述角度检测装置8将所检测的转动角度信息反馈至控制器，控制器做出停止或调节的驱动指令作用于所述驱动机构3。角度检测装置8包括角度检测传感器模块81和关节连接滚轴82，所述角度检测传感器模块81安装在对应的关节件4上并具有一检测孔811，所述关节连接滚轴82连接相邻两个关节件4且其中心轴作为所述其对应的关节件4的转动轴41，关节连接滚轴82跟随关节件4相对以该关节件4之转动轴41为转动中心相连接相邻关节件4的转动而转动，关节连接滚轴82的一端延伸设置有检测头821，检测头821伸进所述检测通孔实时测量转动角度。

另外，采用上述所机械手的一种蛇形机器臂系统装置的实现方法包括以下步骤：

A：根据控制器设定的参数，驱动机构3工作，拉绳6在驱动机构3的驱动下独立拉动对应关节件4使该关节件4绕其自身的转动轴41正反转动,从而带动对应的关节件4能够进行摆动；

B：关节件4运动时，角度检测装置8将所检测的转动角度是否到达预定位置信息反馈至控制器，控制器实时做出相应的停止指令或者调节控制驱动机构3的指令，以使最终控制终端执行器5到达指定位置执行任务。

对于执行上面步骤B的过程中，后一关节件4的动作是跟随前一关节件4的动作的，即在前一关节件4动作的基础上再做摆动角度的调整，这样能大大降低控制上的难度。例如避障时，第一个关节件4向上抬起k1度，避开障碍物后再向下旋转k2度，那么后面的每个关节件4中，与前一个关节件4有相同摆动方向的关节件4的动作都控制使其形成先向上抬起k1度，后向下低头k2度的姿态，这样机械手整体就能顺利避开障碍物。一个简单的动作是当机械手的预定动作为一个环状动作时，此时第一个关节件4的俯仰方向旋转一定角度，其余后面的每个关节件4中关于俯仰方向的关节件4均依次旋转相同角度，即可实现预定动作。

Claims (10)

1.一种机械手，包括基座、机械臂和驱动机构，其特征在于，机械臂由至少两个关节件串联而成，每一关节件具有一转动轴，相邻关节件的转动轴平行或正交，机械臂第一端最末的关节件能够以其转动轴为转动中心转动的方式连结于所述基座，其余各关节件能够以其转动轴为转动中心与相邻的关节件相转动连结，机械臂第二端最末的关节件安装有终端执行器；每一所述关节件对应配置有拉绳，拉绳在驱动机构的驱动下独立拉动对应关节件使该关节件绕其自身的转动轴正反转动。

2.根据权利要求1所述的一种机械手，其特征在于，所述驱动机构由若干驱动单元组成，每一所述关节件对应配置有一驱动单元和两根拉绳，所述驱动单元包括驱动支架、推动机构和驱动杠杆，所述驱动支架安装在所述基座上，所述驱动杠杆具有两个拉绳连接部，所述驱动杠杆铰接在所述驱动支架上且其铰接位置处于所述两个拉绳连接部之间，所述推动机构铰接于所述驱动支架上，推动机构具有可伸缩运动的输出轴，输出轴与所述驱动杠杆铰接，输出轴的伸缩运动使所述驱动杠杆绕其铰接中心轴正反转动，两根所述拉绳的一端与关节件相连接且分列在对应关节件之转动轴的两侧，另一端与对应的拉绳连接部连接。

3.根据权利要求2所述的一种机械手，其特征在于，每一拉绳还配置有拉绳预紧装置，拉绳预紧装置包括设置在拉绳之与拉绳连接部连接的一端周壁上的外螺纹、可与所述外螺纹螺合的调节螺母，及调节弹簧，所述拉绳依次穿过所述拉绳连接部和调节弹簧后与调节螺母螺合，调节弹簧两端分别抵顶调节螺母和拉绳连接部。

4.根据权利要求1所述的一种机械手，其特征在于，所述机械臂由至少两种不同规格大小的关节件所组成，关节件依其尺寸由大到小从机械臂第一端排布到机械臂第二端，所述驱动机构根据所驱动的关节件的大小而具备有至少两种不同规格的驱动单元，相同规格的驱动单元其驱动杠杆的铰接中心分布在同一圆心的同一圆周上，并且在该圆周上呈等角分布，不同规格的驱动单元其驱动杠杆的铰接中心分布在同一圆心的不同直径的圆周上。

5.根据权利要求1所述的一种机械手，其特征在于，关节件包括有关节柱，关节柱的两端分别设置上铰接部和下铰接部，所述下铰接部形成有所述转动轴，上铰接部可与相邻关节件的下铰接部相铰接。

6.根据权利要求5所述的一种机械手，其特征在于，关节柱与上铰接部之间设置有与关节柱同中心轴的上圆盘，上圆盘上设置若干供拉绳连接或拉绳通过上过孔，上过孔的中心轴分布在以上圆盘的中心轴为圆心的同一圆周上，并且在该圆周上呈等角分布。

7.根据权利要求6所述的一种机械手，其特征在于，关节柱与下铰接部之间设置有与关节柱同中心轴的下圆盘，下圆盘上设置若干供拉绳通过的下过孔，下过孔的中心分布在以下圆盘的中心为圆心的同一圆周上，并且在该圆周上呈等角分布。

8.根据权利要求1至7任一权利要求所述的一种机械手，其特征在于，所述机械手还包括有控制器，每一所述关节件配置有用以实时检测该关节件相对以该关节件之转动轴为转动中心相连接相邻关节件的转动角度的角度检测装置，所述角度检测装置将所检测的转动角度信息反馈至控制器，控制器做出停止或调节的驱动指令作用于所述驱动机构。

9.根据权利要求8所述的一种机械手，其特征在于，角度检测装置包括角度检测传感器模块和关节连接滚轴，所述角度检测传感器模块安装在对应的关节件上并具有一检测孔，所述关节连接滚轴连接相邻两个关节件且其中心轴作为所述其对应的关节件的转动轴，关节连接滚轴跟随关节件相对以该关节件之转动轴为转动中心相连接相邻关节件的转动而转动，关节连接滚轴的一端延伸设置有检测头，检测头伸进所述检测通孔实时测量转动角度。

10.一种蛇形机器臂系统装置的实现方法，其特征在于，蛇形机器臂系统装置使用权利要求8或9任一权利要求所述机械手，包括以下步骤：

A：根据控制器设定的参数，驱动机构工作，拉绳在驱动机构的驱动下独立拉动对应关节件使该关节件绕其自身的转动轴正反转动,从而带动对应关节件能够进行摆动；

B：关节件运动时，角度检测装置将所检测的转动角度是否到达预定位置信息反馈至控制器，控制器做出相应的停止指令或者调节控制驱动机构的指令，最终控制终端执行器到达指定位置执行任务。