CN107225564B - 一种可蜷缩的蛇形机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可蜷缩的蛇形机械臂，旋转给进机构提供一容置空间，钢丝驱动机构安装于旋转给进机构，并连接运动臂，钢丝驱动机构可在旋转给进机构的驱动下旋转，带动运动臂蜷缩放置在容置空间内。通过将蛇形机械臂的运动臂安装在钢丝驱动机构侧面，可实现运动臂绕钢丝驱动机构的蜷缩，提高空间利用率；通过将蛇形机械臂与给进平台集成为一体，减小了整体尺寸，便于在狭窄应用环境中使用；通过自身可伸缩的单元模块串联构成运动臂，可在需要时，减小运动臂的长度和蜷缩半径，使蛇形机械臂更加紧凑。

Description

一种可蜷缩的蛇形机械臂

技术领域

本发明属于机器人领域，具体涉及一种可蜷缩的蛇形机械臂。

背景技术

蛇形机械臂以生物蛇为原型，具有高灵活性、高冗余度、横截面积小等优点，可以在狭小、复杂以及高危的环境中进行工作，在近几年中得到了快速的发展。

在现有的技术中，蛇形机械臂的运动臂安装在通用或专门设计的移动平台上，通过移动平台与机械臂复合运动，实现狭窄空间中的推进与避障。这种方式在设计上相对易于实现，在控制上通过运动学模型的优化分解能够得到平台和蛇形机械臂各自的运动控制量，在一定程度上能够实现蛇形机械臂的作业功能，但这种方式由于推送平台的运动范围大，往往需要具有较大的作业场地来安放移动平台，阻碍了蛇形机械臂的实际应用。同时由于推送平台与蛇形机械臂是分离设计的，在非作业状态下蛇形机械臂也通常处于伸展状态，不仅占用较大的空间，对于蛇形机械臂本身的机构保护也存在不利因素。

因此将蛇形机械臂与推送平台进行一体化设计，进而提高整个作业系统的空间利用率，是提高蛇形机械臂系统实用性的重要问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明旨在解决现有蛇形机械臂所用推送平台占地较大，非工作状态时仍处于伸展状态的不便性，提供一种可蜷缩、体积小、便于推广使用的蛇形机械臂。

(二)技术方案

本发明提供了一种可蜷缩的蛇形机械臂，包括：运动臂、钢丝驱动机构和旋转给进机构；所述旋转给进机构提供一容置空间；所述钢丝驱动机构安装于所述旋转给进机构，并连接所述运动臂，所述钢丝驱动机构可在所述旋转给进机构的驱动下旋转，带动所述运动臂蜷缩放置在所述容置空间内。

在本发明的一些实施例中，所述旋转给进机构包括：旋转机构、环形辅助支架以及固定架，所述旋转机构和环形辅助支架通过所述固定架相连；所述钢丝驱动机构置于所述旋转机构和环形辅助支架之间的空间，所述旋转机构可驱动所述钢丝驱动机构旋转，所述容置空间位于所述环形辅助支架。

在本发明的一些实施例中，所述固定架包括：相互垂直的固定板和连接板；所述旋转机构包括：第一联轴器和置于所述固定板的精密减速机、旋转电机，所述第一联轴器的一端固定精密减速机的输出轴；所述环绕辅助支架包括：环绕外罩1、底盘和第一轴承，所述第一轴承安装在所述底盘，所述环绕外罩围成所述容置空间，其侧面有开口并固定于所述连接板；所述钢丝驱动机构的一端固定所述第一联轴器的另一端，其另一端安装于所述第一轴承并连接所述运动臂，所述运动臂沿所述钢丝驱动机构的切线方向经所述开口伸出，所述旋转电机经所述精密减速机和第一联轴器驱动所述钢丝驱动机构旋转，所述运动臂可从所述容置空间伸出或蜷缩至所述容置空间。

在本发明的一些实施例中，所述钢丝驱动机构包括：固定装置，包括同轴设置的底部固定圆盘和电机固定圆盘；支撑轴，包括主轴体及其两端的第一凸轴和第二凸轴，所述主轴体穿过并固定于所述底部固定圆盘和电机固定圆盘，所述第一凸轴固定所述第一联轴器，所述第二凸轴安装于所述第一轴承；多个钢丝驱动器，安装于所述底部固定圆盘和电机固定圆盘；钢丝绳引导架，固定于所述底部固定圆盘的底面并连接所述运动臂；所述钢丝驱动器引出的钢丝绳经所述钢丝绳引导架引入所述运动臂。

在本发明的一些实施例中，所述钢丝驱动器包括：减速电机，其输出轴穿过所述电机固定圆盘；第二联轴器，一端固定所述减速电机的输出轴；轴承座，固定于所述底部固定圆盘；第二轴承，安装在所述轴承座；梯形丝杠，包括梯形螺杆和丝杠螺母，所述梯形螺杆的一端固定在所述联轴器上，另一端安装于所述第二轴承，所述丝杠螺母套接在所述梯形螺杆上；绳索座，套接在所述梯形螺杆上，与所述丝杠螺母连接在一起；滑轨固定座，一端固定在轴承座上，另一端固定在电机固定圆盘上；滑轨，固定于所述滑轨固定座；旁压式拉力传感器，固定于所述滑轨固定座的靠近轴承座的位置；滑块，固定于所述绳索座底部，套入所述滑轨中；钢丝绳由所述绳索座引出，经所述旁压式拉力传感器，穿过所述轴承固定座和底部固定圆盘，引入所述钢丝绳引导架。

在本发明的一些实施例中，所述钢丝绳引导架包括：钢丝约束筒，其中部和一端分别有一圆环，所述圆环上开有供钢丝绳穿过的通孔，另一端与所述钢丝转向架连接；钢丝转向架，包括：两个相互垂直的第一直板和第二直板和连接两个直板的加强筋，所述第一直板连接所述钢丝约束筒，所述第二直板连接所述运动臂；钢丝绳从所述钢丝驱动器引出后，经由所述钢丝约束筒一端和中部圆环的通孔，连续穿过所述第一直板和第二直板引入运动臂。

在本发明的一些实施例中，所述钢丝驱动机构还包括：外罩，所述钢丝驱动器置于其中，一端固定在所述底部固定圆盘的侧面，中间部位与所述电机固定圆盘的侧面固定，另一端开有圆孔，所述支撑轴的第一凸轴从所述圆孔穿过。

在本发明的一些实施例中，所述运动臂包括多个串联的单元模块。

在本发明的一些实施例中，所述单元模块包括运动主体模块和分别连接在运动主体模块两端的第一万向接头、第二万向接头，相邻单元模块的万向接头之间通过菱形十字轴构成万向节。

在本发明的一些实施例中，还包括：控制柜。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明可蜷缩的蛇形机械臂具有以下有益效果：

(1)通过将蛇形机械臂的运动臂安装在钢丝驱动机构侧面，可实现运动臂绕钢丝驱动机构的蜷缩，提高空间利用率。

(2)通过将蛇形机械臂与给进平台集成为一体，减小了整体尺寸，便于在狭窄应用环境中使用。

(3)通过自身可伸缩的单元模块串联构成运动臂，可在需要时，减小运动臂的长度和蜷缩半径，使蛇形机械臂更加紧凑。

附图说明

图1是本发明实施例的蛇形机械臂整体机构示意图。

图2是本发明实施例的蛇形机械臂旋转给进机构示意图。

图3是本发明实施例的蛇形机械臂钢丝驱动机构示意图。

图4是本发明实施例的蛇形机械臂钢丝驱动器示意图。

图5是本发明实时的蛇形机械臂钢丝引导架示意图。

图6是本发明实施例的蛇形机械臂运动臂示意图。

【符号说明】

1-运动臂，2-钢丝驱动机构，3-旋转给进机构，4-控制柜，11-单元模块，12-菱形十字轴，111-运动主体模块，112a-第一万向接头，112b-第二万向接头，21-固定装置，22-钢丝驱动器，23-钢丝绳引导架，24-支撑轴，241-第一凸轴，242-第二凸轴，25-外罩，211-底部固定圆盘，212-电机固定圆盘，221-梯形丝杠，222-减速电机，223-联轴器，224-绳索座，225-轴承，226-轴承座，227-滑块，228-滑轨，229-滑轨固定座，230-紧凑型旁压式拉力传感器，221a-梯形螺杆，221b-丝杠螺母，231-钢丝约束筒，232-钢丝转向架，232a-第一直板，232b-第二直板，31-旋转机构，32-环形辅助支架，33-固定架，311-精密减速机，312-旋转电机，313-联轴器，321-环绕外罩，322-底盘，323-轴承，331-固定板，332-连接板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明为一种可蜷缩的蛇形机械臂，该蛇形机械臂的运动臂与给进平台集成一体，可蜷缩收回至给进平台中。

如图1所示，可蜷缩的蛇形机械臂包括：运动臂1和给进平台，给进平台包括：钢丝驱动机构2、旋转给进机构3以及控制柜4。

参见图1和图2所示，旋转给进机构3由旋转机构31、环形辅助支架32以及固定架33构成，旋转机构31和环形辅助支架32通过固定架33相连。

固定架33由相互垂直的固定板331和连接板332构成，呈倒L型。旋转机构31固定在固定板331上，可驱动钢丝驱动机构2旋转，环绕辅助支架是一个侧面有开口的桶，其侧面固定在连接板332上，桶内空间可放置并保护蜷缩起来的运动臂1。

旋转机构31由精密减速机311、旋转电机312以及联轴器313构成，联轴器313的一端固定精密减速机311的输出轴，另一端固定钢丝驱动机构2。环绕辅助支架32由环绕外罩321、底盘322以及轴承323构成。轴承323安装在底盘322的圆心位置，连接钢丝驱动机构2。

钢丝驱动机构2置于旋转机构31和环形辅助支架32之间的空间。钢丝驱动机构2为桶状结构，顶端和底端的中心分别具有凸轴，顶端的凸轴固定联轴器313，底端的凸轴安装于轴承323，底端连接运动臂1，运动臂1沿钢丝驱动机构2的切线方向伸出，旋转电机312经精密减速机311和联轴器313驱动钢丝驱动机构2旋转。

本发明的可蜷缩的蛇形机械臂工作时，运动臂1蜷缩于环绕辅助支架的桶内空间，旋转机构31带动处于蜷缩状态的运动臂1旋转，使其从环绕辅助支架32的开口出伸出，实现运动臂1的给进；停机时，旋转机构31反向旋转，收回运动臂1，使其蜷缩放置在环绕辅助支架32的桶内空间中。

由此可见，本发明的可蜷缩的蛇形机械臂，通过将运动臂安装在钢丝驱动机构侧面，可实现运动臂绕钢丝驱动机构的蜷缩，提高了空间利用率；通过将运动臂与给进平台集成一体，减小了蛇形机械臂的整体尺寸，便于在狭窄应用环境中使用。

进一步地，参见图3所示，钢丝驱动机构2包括：固定装置21、多个钢丝驱动器22、钢丝绳引导架23、支撑轴24以及外罩25构成。

固定装置21包括底部固定圆盘211和电机固定圆盘212，二者同轴设置，底部固定圆盘211与电机固定圆盘212具有相同的外径，其中心位置加工有相同直径的圆孔，底部固定圆盘211开有供钢丝绳穿过的通孔。

支撑轴24包括主轴体，主轴体顶端具有第一凸轴241，底端具有第二凸轴242，主轴体依次通过上述两个圆孔，并与底部固定圆盘211与电机固定圆盘212固定，第一凸轴241固定联轴器313，第二凸轴242安装于轴承323。

参见图4所示，钢丝驱动器22包括：梯形丝杠221、减速电机222、联轴器223、绳索座224、轴承225、轴承座226、滑块227、滑轨228、滑轨固定座229以及紧凑型旁压式拉力传感器230。

减速电机222是一种具有大减速比和扭矩的直流减速电机，其靠近输出轴的一端固定在电机固定圆盘212上，输出轴穿过电机固定圆盘212。

联轴器223的一端固定减速电机222的输出轴。

轴承座226固定于底部固定圆盘211的面向电机固定圆盘212的底面，开有供钢丝绳穿过的通孔，该通孔与底部固定圆盘211的通孔对应连通。

轴承225安装在轴承座226上，且与联轴器223位置相对。

梯形丝杠221包括梯形螺杆221a和丝杠螺母221b。梯形螺杆221a的一端固定在联轴器233上，通过联轴器223与减速电机222相连，另一端安装于轴承225，以连接轴承固定座226，丝杠螺母221b套接在梯形螺杆221a上。

绳索座224套接在梯形螺杆221a上，与丝杠螺母221b连接在一起。，其底部连接有滑块227，绳索座224连接运动臂1中的钢丝绳，通过绳索座的直线运动可以控制钢丝绳的伸缩，进而控制运动臂1的伸缩和旋转。

滑轨固定座229是一个长方体，一端固定在轴承座226上，另一端固定在电机固定圆盘212上，其朝向梯形丝杠221的表面固定有滑轨228，靠近轴承座的位置固定有紧凑型旁压式拉力传感器230。紧凑型旁压式拉力传感器230可获知钢丝绳的拉力，配合钢丝绳的伸缩量控制，可实现对应运动臂1的伸缩。

滑块227套入滑轨228中，通过减速电机222带动梯形螺杆221a旋转，在滑轨228的配合下，丝杠螺母221b将梯形螺杆221a的旋转运动转换为绳索座224的直线运动。

钢丝驱动器22所要驱动的钢丝绳，一端连接在绳索座224上，另一端经过紧凑型旁压式拉力传感器230，穿过轴承固定座226和底部固定圆盘211上的通孔，引入钢丝绳引导架23，最终固定在对应的运动臂1的单元模块11上。

参见图5所示，钢丝绳引导架23固定于底部固定圆盘211的另一底面，可引导钢丝绳的走线方向，使运动臂1沿钢丝驱动机构2的切线方向伸出，包括：钢丝约束筒231和钢丝转向架232。

钢丝约束筒231是中空的圆柱形刚体，其中部和一端分别有一个圆环，圆环上留有供钢丝绳穿过的通孔，另一端与钢丝转向架232连接。

钢丝转向架232由两个相互垂直的第一直板232a和第二直板232b、以及连接两个直板的加强筋构成，两个直板上均留有供钢丝绳穿过的通孔，其中第一直板232a连接钢丝约束筒231，第二直板232b连接运动臂1。

钢丝绳从固定装置的底部固定圆盘211的通孔穿出后，经由钢丝约束筒231一端和中部的圆环对应的通孔后，进入钢丝转向架232，连续穿过钢丝转向架的两个直板的通孔后，进入运动臂1。

外罩25是一个圆柱形的桶，钢丝驱动器22置于桶内，桶口固定在底部固定圆盘211的侧面，桶壁的中间部位与电机固定圆盘212的侧面固定，桶底留有圆孔，支撑轴的第一凸轴241从圆孔穿过。

参见图6所示，运动臂1由多个串联的单元模块11构成，单元模块11由运动主体模块111和分别连接在运动主体模块111两端的第一万向接头112a、第二万向接头112b构成，相邻单元模块的万向接头之间通过菱形十字轴12构成万向节。主体模块111和万向接头112a、112b的圆周上开若干穿线孔，钢丝驱动器22的引出的钢丝绳穿入穿线孔，钢丝绳和穿线孔的数量由单元模块的个数决定，例如，如果单元模块的个数为n，则共需3n根钢丝绳，其中的三根钢丝绳均匀分布并固定在第一单元模块，控制第一单元模块的伸缩，其余3n-3根钢丝绳穿过第一单元模块到达第二单元模块，其中三根钢丝绳再均匀分布并固定在第二单元模块，控制第二单元模块的伸缩，依此类推直至最后一个单元模块。

本发明的可蜷缩的蛇形机械臂，通过自身可伸缩的单元模块串联构成运动臂，可在需要时，减小运动臂的长度和蜷缩半径，使蛇形机械臂更加紧凑，节省空间，具有空间利用率高、灵活性强的优点。

本发明的可蜷缩的蛇形机械臂还包括控制柜4，固定在旋转给进机构固定架的连接板332上，靠近旋转给进机构3和钢丝驱动机构2，控制柜4内部安装有控制整个蛇形机械臂运动的控制器。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的可蜷缩的蛇形机械臂有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可蜷缩的蛇形机械臂，其特征在于，包括：运动臂、钢丝驱动机构和旋转给进机构；

所述旋转给进机构提供一容置空间；

所述钢丝驱动机构安装于所述旋转给进机构，并连接所述运动臂，所述钢丝驱动机构可在所述旋转给进机构的驱动下旋转，带动所述运动臂蜷缩放置在所述容置空间内；

所述运动臂包括多个串联的单元模块，所述单元模块包括运动主体模块和分别连接在运动主体模块两端的第一万向接头、第二万向接头，相邻单元模块的万向接头之间通过菱形十字轴构成万向节；

所述旋转给进机构包括：旋转机构、环形辅助支架以及固定架，所述旋转机构和环形辅助支架通过所述固定架相连；

所述固定架包括：相互垂直的固定板和连接板；

所述旋转机构包括：第一联轴器和置于所述固定板的精密减速机、旋转电机，所述第一联轴器的一端固定精密减速机的输出轴；

所述环形辅助支架包括：环绕外罩、底盘和第一轴承，所述第一轴承安装在所述底盘，所述环绕外罩围成所述容置空间，其侧面有开口并固定于所述连接板；

所述钢丝驱动机构包括：多个钢丝驱动器；

所述钢丝驱动机构置于所述旋转机构和环形辅助支架之间的空间，所述旋转机构可驱动所述钢丝驱动机构旋转，所述容置空间位于所述环形辅助支架；

所述钢丝驱动机构的一端固定所述第一联轴器的另一端，其另一端安装于所述第一轴承并连接所述运动臂，所述运动臂沿所述钢丝驱动机构的切线方向经所述开口伸出，所述旋转电机经所述精密减速机和第一联轴器驱动所述钢丝驱动机构旋转，所述运动臂可从所述容置空间伸出或蜷缩至所述容置空间。

2.如权利要求1所述一种可蜷缩的蛇形机械臂，其特征在于，所述钢丝驱动机构包括：

固定装置，包括同轴设置的底部固定圆盘和电机固定圆盘；

支撑轴，包括主轴体及其两端的第一凸轴和第二凸轴，所述主轴体穿过并固定于所述底部固定圆盘和电机固定圆盘，所述第一凸轴固定所述第一联轴器，所述第二凸轴安装于所述第一轴承；

多个钢丝驱动器安装于所述底部固定圆盘和电机固定圆盘；

钢丝绳引导架，固定于所述底部固定圆盘的底面并连接所述运动臂；

所述钢丝驱动器引出的钢丝绳经所述钢丝绳引导架引入所述运动臂。

3.如权利要求2所述一种可蜷缩的蛇形机械臂，其特征在于，所述钢丝驱动器包括：

减速电机，其输出轴穿过所述电机固定圆盘；

第二联轴器，一端固定所述减速电机的输出轴；

轴承座，固定于所述底部固定圆盘；

第二轴承，安装在所述轴承座；

梯形丝杠，包括梯形螺杆和丝杠螺母，所述梯形螺杆的一端固定在所述联轴器上，另一端安装于所述第二轴承，所述丝杠螺母套接在所述梯形螺杆上；

绳索座，套接在所述梯形螺杆上，与所述丝杠螺母连接在一起；

滑轨固定座，一端固定在轴承座上，另一端固定在电机固定圆盘上；

滑轨，固定于所述滑轨固定座；

旁压式拉力传感器，固定于所述滑轨固定座的靠近轴承座的位置；

滑块，固定于所述绳索座底部，套入所述滑轨中；

钢丝绳由所述绳索座引出，经所述旁压式拉力传感器，穿过所述轴承座和底部固定圆盘，引入所述钢丝绳引导架。

4.如权利要求2所述一种可蜷缩的蛇形机械臂，其特征在于，所述钢丝绳引导架包括：

钢丝约束筒，其中部和一端分别有一圆环，所述圆环上开有供钢丝绳穿过的通孔，另一端与钢丝转向架连接；

钢丝转向架，包括：两个相互垂直的第一直板和第二直板和连接两个直板的加强筋，所述第一直板连接所述钢丝约束筒，所述第二直板连接所述运动臂；

钢丝绳从所述钢丝驱动器引出后，经由所述钢丝约束筒一端和中部圆环的通孔，连续穿过所述第一直板和第二直板引入运动臂。

5.如权利要求2所述一种可蜷缩的蛇形机械臂，其特征在于，所述钢丝驱动机构还包括：

外罩，所述钢丝驱动器置于其中，一端固定在所述底部固定圆盘的侧面，中间部位与所述电机固定圆盘的侧面固定，另一端开有圆孔，所述支撑轴的第一凸轴从所述圆孔穿过。

6.如权利要求1所述一种可蜷缩的蛇形机械臂，其特征在于，还包括：控制柜。

Images