CN107186707A - 柔性臂的机械结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性臂的机械结构，柔性臂的机械结构包括：柔性整臂，柔性整臂具有驱动端和自由端，柔性整臂包括多个柔性段单元，每个柔性段单元包括：多个柔性关节；多个刚性薄壁管，多个柔性关节和多个刚性薄壁管在柔性整臂的延伸方向上交替相连；多个过线圆环；多个绳索，每个柔性段单元的多个绳索沿柔性整臂的周向间隔设置，每个绳索的一端与所在柔性段单元上邻近自由端的过线圆环相连；驱动机构，驱动机构与柔性整臂的驱动端相连，每个绳索的另一端依次穿过所经过的过线圆环与驱动机构传动连接。根据本发明实施例的柔性臂的机械结构具有刚度大、负载能力强等优点。

Description

柔性臂的机械结构

技术领域

本发明涉及智能机械臂技术领域，具体而言，涉及一种柔性臂的机械结构。

背景技术

相关技术中的柔性臂机器人根据整臂构型的差异，可分为无中心支柱型、刚性中心支柱型和柔性中心支柱型三大类。无中心支柱型的柔性臂多以驱动器为支撑结构，没有明显的用于支撑的中心支柱，多用气动人工肌肉作为驱动，结构简单、弯曲力量大和易于搭建，但控制复杂；刚性支柱型的柔性臂以刚形体为中心支柱，以具有一到三个自由度的刚性关节为核心，多通过电机直接驱动或通过电机拉动相应的柔索驱动，重复定位高、控制简单、刚度大，但整臂显得过于笨重，柔性弯曲曲率小；柔性中心支柱型的柔性臂多用气囊或柔性杆作为中心支柱，具有结构简单、体积小、重量轻和弯曲曲率好的优点，但刚度略有不足。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种柔性臂的机械结构，该柔性臂的机械结构具有刚度大、负载能力强等优点。

为实现上述目的，根据本发明的实施例提出一种柔性臂的机械结构，所述柔性臂的机械结构包括：柔性整臂，所述柔性整臂具有驱动端和自由端，所述柔性整臂包括在所述柔性整臂的延伸方向上依次排列的多个柔性段单元，每个所述柔性段单元包括：多个柔性关节；多个刚性薄壁管，多个所述柔性关节和多个所述刚性薄壁管在所述柔性整臂的延伸方向上交替相连；多个过线圆环，多个所述过线圆环分别设在相邻的所述柔性关节和所述刚性薄壁管的连接处；多个绳索，每个所述柔性段单元的多个所述绳索沿所述柔性整臂的周向间隔设置，每个所述绳索的一端与所在柔性段单元上邻近所述自由端的过线圆环相连；驱动机构，所述驱动机构与所述柔性整臂的驱动端相连，每个所述绳索的另一端依次穿过所经过的过线圆环与所述驱动机构传动连接。

根据本发明实施例的柔性臂的机械结构，具有刚度大、负载能力强等优点。

另外，根据本发明上述实施例的柔性臂的机械结构还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，每个所述过线圆环的端面上设有沿所述过线圆环的周向间隔设置且适于所述绳索穿过的过线孔。这样便于所述绳索的设置。

可选地，所述刚性薄壁管和相邻的所述柔性关节中的一个可插拔地配合在另一个内，所述刚性薄壁管上设有刚性管销孔，所述柔性关节上设有柔性关节销孔，所述刚性薄壁管和相邻的所述柔性关节通过配合在所述刚性管销孔和所述柔性关节销孔内的销轴连接。这样便于所述刚性薄壁管和相邻的所述柔性关节的连接。

进一步地，每个所述过线圆环的周面上设有螺纹孔，所述销轴的一端设有外螺纹且螺纹配合在所述螺纹孔内。这样便于所述柔性段单元的安装。

根据本发明的又一个实施例，每个所述柔性段单元包括四条沿所述柔性整臂的周向间隔设置的绳索。这样便于所述绳索在不同方向上对所述柔性段单元进行驱动。

可选地，每个所述柔性段单元的多个所述绳索在所述柔性整臂的周向上等间隔设置。这样可以使所述柔性段单元的受力更加均匀。

根据本发明的再一个实施例，所述柔性段单元为三个。这样便于所述柔性整臂的设置。

可选地，每个所述柔性段单元包括五个刚性薄壁管和五个柔性关节。这样便于提高所述柔性段单元的强度和刚性。

根据本发明的一个实施例，所述驱动装置包括：支撑板；用于对所述绳索进行导向的绳索引出布置机构，所述绳索引出布置机构设在所述支撑板上；用于对所述绳索进行预紧的绳索固定预紧机构，所述绳索固定预紧机构设在所述支撑板上；丝杆推力机构，所述丝杆推力机构设在所述支撑板上且与所述绳索固定预紧机构传动连接。这样便于利用所述驱动机构对所述柔性整臂进行驱动。

进一步地，所述支撑板上设有用于避让所述绳索的避让孔。这样可以保证所述绳索的正常工作。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的柔性臂的机械结构的结构示意图。

图2是根据本发明实施例的柔性臂的机械结构的柔性段单元100的结构示意图。

图3是根据本发明实施例的柔性臂的机械结构的柔性段单元100的爆炸图。

图4是根据本发明实施例的柔性臂的机械结构的驱动机构20的结构示意图。

附图标记：柔性臂的机械结构1、柔性整臂10、驱动端11、自由端12、柔性段单元100、柔性关节110、柔性关节销孔111、刚性薄壁管120、刚性管销孔121、过线圆环130、过线孔131、螺纹孔132、绳索140、销轴150、驱动机构20、支撑板200、绳索引出布置机构300、绳索固定预紧机构400、丝杆推力机构500。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述根据本发明实施例的柔性臂的机械结构1。

如图1-图4所示，根据本发明实施例的柔性臂的机械结构1包括柔性整臂10和驱动机构20。

柔性整臂10具有驱动端11和自由端12，柔性整臂10包括在柔性整臂10的延伸方向上依次排列的多个柔性段单元100，每个柔性段单元100包括多个柔性关节110、多个刚性薄壁管120、多个过线圆环130和多个绳索140。多个柔性关节110和多个刚性薄壁管120在柔性整臂10的延伸方向上交替相连。多个过线圆环130分别设在相邻的柔性关节110和刚性薄壁管120的连接处。每个柔性段单元100的多个绳索140沿柔性整臂10的周向间隔设置，每个绳索140的一端与所在柔性段单元100上邻近自由端12的过线圆环130相连。驱动机构20与柔性整臂10的驱动端11相连，每个绳索140的另一端依次穿过所经过的过线圆环130与驱动机构20传动连接。

具体而言，每个柔性段单元100均包括多个绳索140，每个柔性段单元100均通过绳索140独立驱动。例如，3个柔性段单元100具有12个绳索140。这里需要理解的是，“每个所述绳索的另一端依次穿过所经过的过线圆环与所述驱动机构传动连接”是指由绳索140的所述一端至驱动机构20所经过的所有过线圆环130。

进一步地，通过利用驱动机构20牵引不同的绳索140，可以使对应的柔性段单元100朝向对应的位置弯曲，从而实现对柔性整臂10弯曲状态的控制。

根据本发明实施例的柔性臂的机械结构1，由于具有长径比大、自由度多、动作灵活、环境适应能力强等优点，易于在狭窄空间内灵活地调整位姿、扩展工作空间、回避障碍物和克服奇异点。在机械、航天领域，能伸入复杂的箱体内进行加工装配。在错综交叉的桁架结构中进行装配工作。在飞机空中对接加油时可灵活的将油管迅速的接到需要加油的飞机上。在核电、化工领域，可在错综交叉的管道间执行检测和维护、可伸入水电站涡轮机叶片进行现场检测。在海底和火山口以及外星球勘探时，可轻易的从缝隙中钻入探测和取样。若与步行、爬壁机构结合，则可在大坝、大堤的陡壁上探测查找蚁穴、风化的裂缝等。

并且，由于相关技术中柔性臂的机械结构，具有无中心支柱型的柔性臂以驱动器为支撑结构，没有明显的用于支撑的中心支柱，控制复杂。刚性支柱型的柔性臂以刚形体为中心支柱，以具有一到三个自由度的刚性关节为核心，多通过电机直接驱动或通过电机拉动相应的柔索驱动，整臂过于笨重，柔性弯曲曲率小。柔性中心支柱型的柔性臂用气囊或柔性杆作为中心支柱，刚度较差。本申请的柔性臂的机械结构1具有控制简单、整臂质量轻，柔性弯曲曲率大、刚度高、整臂直径大和负载能力强等优点，便于在工业上进行应用。

此外，本发明的创新之处在于突破传统柔性中心支柱型柔性臂和刚性中心支柱型柔性臂的界限，依据已申请的柔性关节专利的基础上，利用柔性关节110与刚性薄壁管120交错串联形成柔性整臂10，在相关技术中柔性支撑型整臂的基础上创新性的增加刚性支撑，解决了相关技术中柔性支撑整臂的直径小、刚度小、负载能力小和刚性支撑型整臂自重大的问题。柔性臂的机械结构1的柔性整臂10通过驱动机构20驱动，能够实现空间三维运动。在欠驱动控制中，在减少驱动单元的同时可获得更加光滑的弯曲轮廓曲线。

因此，根据本发明实施例的柔性臂的机械结构1具有刚度大、负载能力强等优点。

下面参考附图描述根据本发明具体实施例的柔性臂的机械结构1。

在本发明的一些具体实施例中，如图1-图4所示，根据本发明实施例的柔性臂的机械结构1包括柔性整臂10和驱动机构20。

可选地，如图3所示，每个过线圆环130的端面上设有沿过线圆环130的周向间隔设置且适于绳索140穿过的过线孔131。这样便于绳索140的设置，便于绳索140与过线圆环130相互配合。

具体地，如图3所示，刚性薄壁管120和相邻的柔性关节110中的一个可插拔地配合在另一个内，刚性薄壁管120上设有刚性管销孔121，柔性关节110上设有柔性关节销孔111，刚性薄壁管120和相邻的柔性关节110通过配合在刚性管销孔121和柔性关节销孔111内的销轴150连接。这样便于刚性薄壁管120和相邻的柔性关节110的连接，便于刚性薄壁管120和相邻的柔性关节110的定位。

更为具体地，如图3所示，每个过线圆环130的周面上设有螺纹孔132，销轴150的一端设有外螺纹且螺纹配合在螺纹孔132内。具体而言，多个销轴150沿过线圆环130的周向间隔设置，且与过线孔131错开设置。这样不仅便于柔性段单元100的安装，便于提高柔性段单元100的安装和拆卸效率，便于提高柔性段单元100连接的稳定性和可靠性，而且可以避免与过线孔131发生干涉。

可选地，每个柔性段单元100包括四条沿柔性整臂10的周向间隔设置的绳索140。这样便于绳索140在不同方向上对柔性段单元100进行驱动，便于提高柔性段单元100的运动稳定性。

具体地，每个柔性段单元100的多个绳索140在柔性整臂10的周向上等间隔设置。具体而言，多个绳索140在柔性整臂10的周向上等间隔90度设置。这样可以使柔性段单元100的受力更加均匀，进一步便于提高柔性段单元100的运动稳定性。

可选地，柔性段单元100为三个。这样不仅便于柔性整臂10的设置，而且便于柔性整臂10的运动。

具体地，如图2所示，每个柔性段单元100包括五个刚性薄壁管120和五个柔性关节110。这样不仅便于提高柔性段单元100的弯曲曲率，而且便于提高柔性段单元100的强度和刚性。

可选地，如图4所示，驱动机构20包括支撑板200、绳索引出布置机构300、绳索固定预紧机构400和丝杆推力机构500。绳索引出布置机构300用于对绳索140进行导向，绳索引出布置机构300设在支撑板200上。绳索固定预紧机构400用于对绳索140进行预紧，绳索固定预紧机构400设在支撑板200上。丝杆推力机构500设在支撑板200上且与绳索固定预紧机构400传动连接。这样便于利用驱动机构20对柔性整臂10进行驱动。

进一步地，支撑板200上设有用于避让绳索140的所述避让孔。这样可以进一步便于绳索140的设置，保证绳索140的正常工作。

根据本发明实施例的柔性臂的机械结构1的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种柔性臂的机械结构，其特征在于，包括：

柔性整臂，所述柔性整臂具有驱动端和自由端，所述柔性整臂包括在所述柔性整臂的延伸方向上依次排列的多个柔性段单元，每个所述柔性段单元包括：

多个柔性关节；

多个刚性薄壁管，多个所述柔性关节和多个所述刚性薄壁管在所述柔性整臂的延伸方向上交替相连；

多个过线圆环，多个所述过线圆环分别设在相邻的所述柔性关节和所述刚性薄壁管的连接处；

多个绳索，每个所述柔性段单元的多个所述绳索沿所述柔性整臂的周向间隔设置，每个所述绳索的一端与所在柔性段单元上邻近所述自由端的过线圆环相连；

驱动机构，所述驱动机构与所述柔性整臂的驱动端相连，每个所述绳索的另一端依次穿过所经过的过线圆环与所述驱动机构传动连接。

2.根据权利要求1所述的柔性臂，其特征在于，每个所述过线圆环的端面上设有沿所述过线圆环的周向间隔设置且适于所述绳索穿过的过线孔。

3.根据权利要求1所述的柔性臂，其特征在于，所述刚性薄壁管和相邻的所述柔性关节中的一个可插拔地配合在另一个内，所述刚性薄壁管上设有刚性管销孔，所述柔性关节上设有柔性关节销孔，所述刚性薄壁管和相邻的所述柔性关节通过配合在所述刚性管销孔和所述柔性关节销孔内的销轴连接。

4.根据权利要求3所述的柔性臂，其特征在于，每个所述过线圆环的周面上设有螺纹孔，所述销轴的一端设有外螺纹且螺纹配合在所述螺纹孔内。

5.根据权利要求1所述的柔性臂，其特征在于，每个所述柔性段单元包括四条沿所述柔性整臂的周向间隔设置的绳索。

6.根据权利要求1所述的柔性臂，其特征在于，每个所述柔性段单元的多个所述绳索在所述柔性整臂的周向上等间隔设置。

7.根据权利要求1所述的柔性臂，其特征在于，所述柔性段单元为三个。

8.根据权利要求1所述的柔性臂，其特征在于，每个所述柔性段单元包括五个刚性薄壁管和五个柔性关节。

9.根据权利要求1所述的柔性臂，其特征在于，所述驱动机构包括：

支撑板；

用于对所述绳索进行导向的绳索引出布置机构，所述绳索引出布置机构设在所述支撑板上；

用于对所述绳索进行预紧的绳索固定预紧机构，所述绳索固定预紧机构设在所述支撑板上；

丝杆推力机构，所述丝杆推力机构设在所述支撑板上且与所述绳索固定预紧机构传动连接。

10.根据权利要求9所述的柔性臂，其特征在于，所述支撑板上设有用于避让所述绳索的避让孔。