CN105751210B - 一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，该系统包括N节机械臂模块，N为大于1的自然数；各单节机械臂模块有3个自由度，分别是2个弯曲自由度以及1个进给自由度，相邻机械臂模块之间嵌套组合在一起，并可进行相对运动。所述的系统还包括机架，第一节机械臂模块安装在机架上并可相对机架向外伸展，其余各节机械臂模块可逐级往外伸展，并可在伸展的过程中实现弯曲运动，所述的机架与第一节机械臂模块之间，以及相邻机械臂模块之间设有进给机构，实现进给运动。与现有技术相比，本发明具有运动能力强、可在复杂的狭小空间工作，负载较高，精度高等优点。

Description

一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统
技术领域
本发明属于工业机器人领域，具体涉及一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统
背景技术
现代的工业领域中经常需要在人无法进入的复杂狭小空间里完成一些异物探查、维修装配、缺陷探伤等操作任务。在该领域内，英国的OC Robotics公司所开发的刚性结构体的冗余机械臂已经在商业飞机的装配中得到应用；德国Festo气动元件公司推出的全柔性气动冗余操作臂也将投入工业应用；而一些工业内窥镜早就在工业中得到广泛应用。但是由于自身的一些限制，上述几种机械臂都有一定的局限性，诸如OC Robotics公司的机械臂为基于刚性结构体的冗余机械臂，由于其结构的特点以及驱动方式上的缺陷，使得机械臂构节间的运动能力有限，很难在复杂的狭小空间里工作；全柔性气动冗余操作臂则因其全柔性的材料特点，负载较低，且气体驱动的控制精度也比较低；而工业内窥镜多为被动产品，即使有主动驱动的部件，也只有1至2个可控关节，缺乏完整探索结构复杂的深腔的能力，更不可能实现力负载的工作。因此，针对在狭小空间进行一定力负载操作的柔性机械臂的研究具有极高的意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种运动能力强、可在复杂的狭小空间工作，负载较高，精度高的模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，其特征在于，该系统包括N节机械臂模块，N为大于1的自然数；各单节机械臂模块有3个自由度，分别是2个弯曲自由度以及1个进给自由度，相邻机械臂模块之间嵌套组合在一起，并可进行相对运动。
所述的机械臂模块包括驱动机构和功能执行机构，所述的驱动机构和功能执行机构通过4个相隔90°布置的方键连接。方键从驱动机构固定板上面的T型槽插入，插至功能执行机构固定板的T型槽。驱动机构固定板上的4个T型槽与功能执行机构固定板上的4个T型槽均为周向相隔90°布置。
所述的驱动机构包括固定板、4个电机驱动单元、4个直线轴承、传动螺母、电机b、丝杠b、驱动杆和圆弧片；所述的直线轴承与机架中的导向光轴配合，使得机械臂模块能够沿导向光轴滑动，所述的电机驱动单元是推拉驱动杆的装置，4个电机驱动单元相隔90°分布在一个圆上，相隔180°的两个电机驱动单元协同驱动，一个推驱动杆，一个拉驱动杆，运动量相等，所述的圆弧片为四分之一圆弧，4片圆弧片连接成一个完整的圆片，每两个圆片距离5-20mm，防止驱动杆运动过程中受压失稳，所述的电机b带动丝杠b转动，丝杠b与下一节机械臂模块上的传动螺母配合，实现下一节机械臂模块的整体直线进给运动。
所述的系统还包括机架，第一节机械臂模块安装在机架上并可相对机架向外伸展，其余各节机械臂模块可逐级往外伸展，并可在伸展的过程中实现弯曲运动，所述的机架与第一节机械臂模块之间，以及相邻机械臂模块之间设有进给机构，实现进给运动。
所述的机架包括框架以及固定支架，框架的前端板和后端板上固定4根导向光轴，为机械臂模块进给运动导向；前端板上固定第一节机械臂模块的进给机构，实现第一节机械臂模块的整体直线进给运动，第一节机械臂模块的功能执行机构由前端板上的孔伸出。
所述的进给机构包括电机a、联轴器a、锥齿轮、联轴器b和丝杠a，所述的电机a通过联轴器a驱动一对锥齿轮，锥齿轮的转动通过联轴器b转换成丝杠a的转动，丝杠a与第一节机械臂模块相配合，实现第一节机械臂模块整体直线进给运动。
所述的电机驱动单元包括电机c、联轴器c、直齿轮、固定角码、丝杠c、光轴、传动螺母、压块a，电机c通过联轴器c与直齿轮将旋转运动传递到丝杠c，使得传动螺母沿光轴进行直线运动，压块a将驱动杆压紧在传动螺母上，传动螺母进行直线运动时，将推动或者拉动驱动杆的驱动，驱动杆另一端穿过圆弧片通过压块b压紧在功能执行机构的固定环上，四个电机驱动单元通过控制驱动杆的运动来控制功能执行机构固定环的运动，整个电机驱动单元通过固定角码与固定板连接。
所述的功能执行机构包括功能执行机构远端结构与功能执行机构近端结构。
所述的功能执行机构远端结构包括若干个圆环与若干根钢丝，钢丝从圆环的小孔中穿过，并且钢丝的一端与最远端的圆环相固定，同一个机械臂模块中，圆环的大小尺寸相同；不同的机械臂模块中，圆环的大小尺寸不同，若干个圆环相隔5-20mm布置在功能执行机构远端结构上，防止钢丝在运动过程中受压失稳，这样所有的圆环的空缺部分形成一个中央管道，下一节机械臂模块的功能执行机构从上一节的中央管道中伸出。
所述的功能执行机构近端结构包括连接盘、连接杆、导向管、固定板、圆环片、固定环和压块b，所述的连接盘与功能执行机构远端结构的近端连接，并且通过4根连接杆与固定板连接，功能执行机构远端结构的钢丝通过若干根导向管，穿过固定板、若干个圆环片到达固定环，并固定在固定环上，若干个圆环片相隔5-20mm布置，防止钢丝在运动过程中受压失稳。
与现有技术相比，本发明柔性机械臂系统由多个结构相似的机械臂模块组成。每个机械臂模块的尺寸大小都不相同，可在整个柔性机械臂系统上实现模块化的组装，针对不同的场合使用适合的机械臂模块进行工作。每个机械臂模块之间嵌套组合在一起，并且可进行相对运动。单个机械臂模块有3个自由度，分别是2个弯曲自由度以及1个进给自由度。由N个这样的机械臂模块组成的柔性机械臂系统将拥有3xN个自由度。该柔性机械臂系统在工作时将每个机械臂模块逐级往外伸展，并可在伸展的过程中实现弯曲运动。该柔性机械臂系统集成不同的末端执行器(例如，摄像头、异物钳等)将可以完成不同的复杂环境的工作任务，具有运动能力强、可在复杂的狭小空间工作，负载较高，精度高等优点。
附图说明
图1是本发明的柔性机械臂系统立体图；
图2是本发明的机架立体图；
图3是本发明的第一节机械臂模块进给机构立体图；
图4是本发明的机械臂模块立体图；
图5是本发明的机械臂模块驱动机构立体图；
图6是本发明的机械臂模块驱动机构另一侧面立体图；
图7是本发明的电机驱动单元立体图；
图8是本发明的电机驱动单元另一侧面立体图；
图9是本发明的机械臂模块功能执行机构立体图；
图10是本发明的机械臂模块功能执行机构远端结构立体图；
图11是本发明的机械臂模块功能执行机构近端结构立体图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
实施例1
一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，该柔性机械臂系统由多节结构相似的机械臂模块组成。每节机械臂模块的尺寸大小都不相同，可在整个柔性机械臂系统上实现模块化的组装，针对不同的场合使用适合的机械臂模块进行工作。每节机械臂模块之间嵌套组合在一起，并且可进行相对运动。单节机械臂模块有3个自由度，分别是2个弯曲自由度以及1个进给自由度。则由N节这样的机械臂模块组成的柔性机械臂系统将拥有3xN个自由度，N为大于1的自然数。该柔性机械臂系统在工作时将每节机械臂模块逐级往外伸展，并可在伸展的过程中实现弯曲运动。该柔性机械臂系统集成不同的末端执行器(例如，摄像头、异物钳等)将可以完成复杂环境内的不同工作任务。
这里，将以一个由两节机械臂模块组成的柔性机械臂系统进行说明。
如图1所示，柔性机械臂系统的立体图，包括机架101和两节机械臂模块，第一节机械臂模块包括功能执行机构402(具体结构如图4所示)和驱动机构401，第二节机械臂模块包括第二功能执行机构和第二驱动机构105。其中，各机械臂模块的驱动机构可实现对功能执行机构的2个弯曲自由度的驱动。机架与第一节机械臂模块间有一个进给机构206，可实现第一节机械臂模块的整体进给运动。第一节机械臂模块与第二节机械臂模块有一个由电机502和丝杠503组成的进给机构，可实现第二节机械臂模块的整体直线进给运动。其中第一节机械臂模块的第一功能执行机构的远端结构901(具体结构如图9所示)从孔205伸出，完成进给运动。第二节机械臂模块的第二功能执行机构的远端结构103从第一节的机械臂模块的功能执行机构的远端结构901的中央管道中伸出，完成直线进给运动。
如图2所示，所述的机架101包括框架201以及固定支架202，框架201的前端板203和后端板204上固定4根导向光轴207，为机械臂模块进给运动导向；前端板203上固定第一节机械臂模块的进给机构206，实现第一节机械臂模块的整体直线进给运动，第一节机械臂模块的功能执行机构由前端板203上的孔205伸出。
机架与第一节机械臂模块间的进给机构206，以及相邻机械臂模块之间的进给机构的结构相似。
如图3所述，为进给机构206的结构示意图，所述的进给机构包括电机a 301、联轴器a 302、锥齿轮303、联轴器b 304和丝杠a 305，所述的电机a 301通过联轴器a 302驱动一对锥齿轮303，锥齿轮303的转动通过联轴器b 304转换成丝杠a305的转动，丝杠a 305与第一节机械臂模块上的传动螺母504相配合，实现第一节机械臂模块整体直线进给运动。
各节机械臂模块的结构除功能执行机构大小不同外，其他结构相同。
如图4所示，为机械臂模块的结构示意图，所述的机械臂模块包括驱动机构401和功能执行机构402，所述的驱动机构401和功能执行机构402通过4个相隔90°布置的方键连接，方键从驱动机构固定板506上面的T型槽602插入(如图6所示)，插至功能执行机构固定板的T型槽1105。4个T型槽602与4个T型槽1105均为周向相隔90°布置(如图11所示)。
如图5、图6，示出了驱动机构立体图，所述的驱动机构401包括固定板506、4个电机驱动单元501、4个直线轴承505、传动螺母504、电机b 502、丝杠b 503、驱动杆601和圆弧片603；所述的直线轴承505与机架中的导向光轴207配合，使得机械臂模块能够沿导向光轴207滑动，所述的电机驱动单元501是推拉驱动杆601的装置，4个电机驱动单元501相隔90°分布在一个圆上，相隔180°的两个电机驱动单元501协同驱动，一个推驱动杆601，一个拉驱动杆601，运动量相等，所述的圆弧片603为四分之一圆弧，4片圆弧片连接成一个完整的圆片，每两个圆片距离5-20mm分布，防止驱动杆601运动过程中受压失稳，所述的电机b 502带动丝杠b 503转动，丝杠b 503与下一节机械臂模块上的传动螺母504配合，实现下一节机械臂模块的整体直线进给运动。
如图7、图8，示出了电机驱动单元立体图，所述的电机驱动单元501包括电机c701、联轴器c 702、直齿轮703、固定角码704、丝杠c 801、光轴802、传动螺母803和压块a804，电机c 701通过联轴器c 702与直齿轮703将旋转运动传递到丝杠c 801，使得传动螺母803沿光轴802进行直线运动，压块a 804将驱动杆601压紧在传动螺母803上，传动螺母803进行直线运动时，将推动或者拉动驱动杆601的驱动，驱动杆601另一端穿过圆弧片603通过压块b 1108压紧在功能执行机构固定环1107上(如图11所示)，四个电机驱动单元501通过控制驱动杆601的运动来控制功能执行机构固定环1107的运动，整个电机驱动单元通过固定角码704与固定板506连接。
如图9，示出了机械臂模块功能执行机构立体图，所述的功能执行机构402包括功能执行机构远端结构901与功能执行机构近端结构902。
如图10，示出了机械臂模块功能执行机构远端结构，所述的功能执行机构远端结构901包括若干个圆环1001与若干根钢丝1002，钢丝1002从圆环1001的小孔中穿过，并且钢丝的一端与最远端的圆环1003相固定(可使用胶接或者焊接等连接方式)，同一个机械臂模块中，圆环1001的大小尺寸相同；不同的机械臂模块中，圆环1001的大小尺寸不同，圆环1001中间的空缺部分1004是一个较大的圆。若干个圆环1001相隔5-20mm布置在功能执行机构远端结构上，防止钢丝运动过程中受压失稳，这样所有的圆环1001的空缺部分1004形成一个中央管道，第二节机械臂模块的功能执行机构从上一节的中央管道中伸出。
如图11，示出了机械臂模块功能执行机构近端结构，所述的功能执行机构近端结构902包括连接盘1101、连接杆1102、导向管1103、固定板1104、圆环片1106、固定环1107和压块b 1108，所述的连接盘1101与功能执行机构远端结构的近端(与1103相反的一端)连接(可使用胶接或者焊接等连接方式)，并且通过4根连接杆1102与固定板1104连接，功能执行机构远端结构的钢丝1002通过若干根导向管1103，穿过固定板1104、若干个圆环片1106到达固定环1107，并固定在固定环1107上(可使用胶接或者焊接等连接方式)，若干个圆环片1106相隔5-20mm布置，防止钢丝运动过程中受压失稳。
在驱动机构401中4个电机驱动单元501通过推或拉驱动杆601，带动固定环1107的翻转，固定环1107的翻转将推拉固定在上面的若干根钢丝1002，被推拉的钢丝1002通过导向管1103，实现功能执行机构远端结构两自由度的弯曲运动。
当机械臂模块的数量大于2时，第一节机械臂模块安装在机架上并可向外伸展，其余各节机械臂模块可逐级往外伸展，并可在伸展的过程中实现弯曲运动，所述的机架与第一节机械臂模块之间，以及相邻机械臂模块之间设有进给机构，实现进给运动。
以上已详细描述了本发明的较佳实例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，其特征在于，该系统包括N节机械臂模块，N为大于1的自然数；各单节机械臂模块有3个自由度，分别是2个弯曲自由度以及1个进给自由度，相邻机械臂模块之间嵌套组合在一起，并可进行相对运动；
各单节机械臂模块均包括驱动机构和功能执行机构，所述的驱动机构和功能执行机构通过4个相隔90°布置的方键连接；
所述的驱动机构包括固定板(506)、4个电机驱动单元(501)、4个直线轴承(505)、传动螺母(504)、电机b(502)、丝杠b(503)、驱动杆(601)和圆弧片(603)；所述的直线轴承(505)与机架中的导向光轴(207)配合，使得与其对应的机械臂模块能够沿导向光轴(207)上滑动，所述的电机驱动单元(501)是推拉驱动杆(601)的装置，4个电机驱动单元(501)相隔90°分布在一个圆上，相隔180°的两个电机驱动单元(501)协同驱动，一个推驱动杆(601)，一个拉驱动杆(601)，运动量相等，所述的圆弧片(603)为四分之一圆弧，4片圆弧片连接成一个完整的圆片，所述的电机b(502)带动丝杠b(503)转动，丝杠b(503)与下一节机械臂模块上的传动螺母配合，实现下一节机械臂模块的整体直线进给运动。
2.根据权利要求1所述的一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，其特征在于，所述的系统还包括机架，第一节机械臂模块安装在机架上并可相对机架向外伸展，其余各节机械臂模块可逐级往外伸展，并可在伸展的过程中实现弯曲运动，所述的机架与第一节机械臂模块之间，以及相邻机械臂模块之间设有进给机构，实现进给运动。
3.根据权利要求2所述的一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，其特征在于，所述的机架包括框架(201)以及固定支架(202)，框架(201)的前端板(203)和后端板(204)上固定4根导向光轴(207)，为机械臂模块进给运动导向；前端板(203)上固定第一节机械臂模块的进给机构(206)，实现第一节机械臂模块的整体直线进给运动，第一节机械臂模块的功能执行机构由前端板(203)上的孔(205)伸出。
4.根据权利要求2所述的一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，其特征在于，所述的进给机构包括电机a(301)、联轴器a(302)、锥齿轮(303)、联轴器b(304)和丝杠a(305)，所述的电机a(301)通过联轴器a(302)驱动一对锥齿轮(303)，锥齿轮(303)的转动通过联轴器b(304)转换成丝杠a(305)的转动，丝杠a(305)与第一节机械臂模块相配合，实现第一节机械臂模块整体直线进给运动。
5.根据权利要求1所述的一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，其特征在于，所述的电机驱动单元(501)包括电机c(701)、联轴器c(702)、直齿轮(703)、固定角码(704)、丝杠c(801)、光轴(802)、传动螺母(803)和压块a(804)，电机c(701)通过联轴器c(702)与直齿轮(703)将旋转运动传递到丝杠c(801)，使得传动螺母(803)沿光轴(802)进行直线运动，压块a(804)将驱动杆(601)压紧在传动螺母(803)上，传动螺母(803)进行直线运动时，将推动或者拉动驱动杆(601)，驱动杆(601)另一端穿过圆弧片(603)通过压块b(1108)压紧在功能执行机构固定环(1107)上，四个电机驱动单元(501)通过控制驱动杆(601)的运动来控制功能执行机构固定环(1107)的运动，整个电机驱动单元通过固定角码(704)与固定板(506)连接。
6.根据权利要求1所述的一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，其特征在于，所述的功能执行机构(402)包括功能执行机构远端结构(901)与功能执行机构近端结构(902)。
7.根据权利要求6所述的一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，其特征在于，所述的功能执行机构远端结构(901)包括若干个圆环(1001)与若干根钢丝(1002)，钢丝(1002)从圆环(1001)的小孔中穿过，并且钢丝的一端与最远端的圆环(1003)相固定，同一个机械臂模块中，圆环(1001)的大小尺寸相同；不同的机械臂模块中，圆环(1001)的大小尺寸不同，若干个圆环(1001)相隔5-20mm布置在功能执行机构远端结构上，防止钢丝运动过程中受压失稳，所有的圆环(1001)的空缺部分(1004)形成一个中央管道，下一节机械臂模块的功能执行机构从上一节的中央管道中伸出。
8.根据权利要求6所述的一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，其特征在于，所述的功能执行机构近端结构(902)包括连接盘(1101)、连接杆(1102)、导向管(1103)、固定板(1104)、圆环片(1106)、固定环(1107)和压块b(1108)，所述的连接盘(1101)与功能执行机构远端结构的近端连接，并且通过4根连接杆(1102)与固定板(1104)连接，功能执行机构远端结构的钢丝(1002)通过若干根导向管(1103)，穿过固定板(1104)、若干个圆环片(1106)到达固定环(1107)，并固定在固定环(1107)上，若干个圆环片(1106)相隔5-20mm，防止钢丝运动过程中受压失稳。
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