CN107322584A - 一种蛇形臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蛇形臂，设有由多节连杆串接而成的臂体，相邻连杆之间通过十字轴关节活动连接，连杆上端面设有一对与十字轴关节其中一组枢轴枢接的第一轴叉、下端面设有一对与十字轴关节的另一组枢轴枢接的第二轴叉，每一连杆上端面的一对第一轴叉和下端面的一对第二轴叉之间呈90度交错设置，连杆上、下端面上与十字轴关节两组枢轴相对应处设有四组第一通孔，每组第一通孔的各通孔之间呈中心对称分布，每个十字轴关节的两组枢轴通过四根拉索依次穿过其下方各连杆上对应的一个第一通孔连接至对应的一个驱动单元，通过驱动单元对拉索的牵拉，控制十字轴关节的旋转，以控制蛇形臂的多维运动，实现高柔性的操作能力。

Description

一种蛇形臂

技术领域

本发明涉及电动汽车自动充电技术领域，更具体地，涉及一种用于电动汽车自动充电机器人技术装备的蛇形机械臂。

背景技术

随着电动汽车在国际和国内的普及，同时以电动汽车分时租赁业务的大步发展为背景，电动汽车分时租赁存在的人性化管理问题也凸显出来，尤其是电动汽车的充电方式。

目前，传统的充电方式采用充电站或在城市不同区域设置电动汽车充电桩，充电过程完全依赖人工操作，自动化程度低，尤其对于分时租赁的电动汽车更是如此。

实现电动汽车自动充电和无人化全自动操作，能大幅度降低充电站的管理成本，极大地提高分时租赁的用车体验和操作安全性，为电动车充电给租客和车主提供极大便利条件。并且，电动汽车自动充电可与其他自动化设施相结合，例如自动泊车、自动清洁等，形成完善的电动汽车自动化服务体系，充分实现智能化。

为了实现电动汽车的自动充电，可采用机械臂作为电动汽车自动充电机器人技术装备进行充电电缆与电动汽车之间的接驳。然而，现有技术中，传统的工业机械臂受限于刚度和尺寸限制，其自由度有限，且环境适应能力差，因此难以胜任电动汽车的自动充电过程。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种用于电动汽车自动充电机器人技术装备的蛇形臂，实现电动汽车自动充电和无人化全自动操作。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种蛇形臂，包括：

臂体，由多节连杆串接而成，相邻连杆之间通过十字轴关节活动连接，除顶部连杆外每一连杆的上端面设有一对与十字轴关节其中一组枢轴枢接的第一轴叉、除底部连杆外每一连杆的下端面设有一对与十字轴关节的另一组枢轴枢接的第二轴叉，每一连杆上端面的一对第一轴叉和下端面的一对第二轴叉之间呈90度交错设置；所述连杆上、下端面上与十字轴关节两组枢轴相对应处设有四组第一通孔，每组第一通孔的各通孔之间呈中心对称分布；其中，每个十字轴关节的两组枢轴通过四根拉索依次穿过其下方各连杆上对应的一个第一通孔连接至对应的一个驱动单元，通过驱动单元对拉索的牵拉，控制十字轴关节的旋转，以控制蛇形臂的多维运动。

优选地，还包括支撑底座，其通过底座顶板正面与臂体最下端的一节连杆下端面连接，所述底座顶板设有与第一通孔对应的四组第二通孔，所述底座顶板背面绕连杆中心轴设有多个驱动单元，每个十字轴关节的两组枢轴通过四根拉索依次穿过其下方各连杆上对应的一个第一通孔及底座顶板上对应的一个第二通孔连接至对应的一个驱动单元各拉索之间相互平行设置。

优选地，各拉索之间相互平行设置。

优选地，每组所述第一通孔的数量与连杆的数量相等。

优选地，所述连杆及十字轴关节的中心开有第三通孔，所述底座顶板的中心开有与第三通孔对应的第四通孔，所述第三通孔、第四通孔用于通过缆线。

优选地，所述轴叉的叉孔外侧装有第一传感器，用于检测十字轴关节的旋转角度。

优选地，在所述轴叉上还装有第二传感器，用于检测相邻连杆之间的相对位置以及相邻连杆相对的上、下端面之间的相对位置关系。

优选地，每个驱动单元包括电机、丝杠和滑块，所述底座顶板的下方设有底座底板，所述底座顶板和底座底板上开有轴承孔，所述轴承孔内安装有轴承座，所述丝扛安装于底座顶板和底座底板上的轴承座内，所述电机安装于底座底板的外侧，并通过联轴器与丝杠连接；通过电机驱动丝杠旋转，使安装在丝杠上的滑块沿着丝杠运行，并牵拉固定于滑块上的拉索。

优选地，所述拉索连接于十字轴关节的枢轴轴端，所述第一通孔的通孔数量等于连杆的数量，每节连杆上的每组第一通孔中所通过的拉索数量从臂体的顶端一节连杆开始逐节增加1根拉索，每节连杆上的每组第一通孔中所占用的通孔数量也相应地逐节增加1个。

优选地，所述连杆的上、下端面之间通过环绕连杆中心轴的一圈立柱进行连接。

本发明的优点在于：本发明的蛇形臂能够具有高柔性操作能力，能够实现电动汽车充电服务人性化、便捷化、智能化；相比于现有技术中的蛇形臂结构，本发明通过在连杆端面上采用位置与十字轴关节两组枢轴相对应的四组第一通孔方式，令每个十字轴关节枢轴所对应的拉索集中保持在一个较小的分布范围内，通过这种拉索排布方式，不仅解决了以往拉索无法平行排布的问题，也强化了拉索强度；同时，通过在轴叉上安装的传感器，可检测十字轴关节的旋转角度、相邻连杆之间的相对位置以及相邻连杆相对的上、下端面之间的相对位置关系，从而可以准确获知蛇形臂的运动情况。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的一种蛇形臂结构示意图；

图2是本发明一较佳实施例的一种蛇形臂臂体结构示意图；

图3是本发明一较佳实施例的连杆与十字轴关节的组合状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1-图3，其中图1是本发明一较佳实施例的一种蛇形臂结构示意图，图2是本发明一较佳实施例的一种蛇形臂臂体结构示意图，图3是本发明一较佳实施例的连杆与十字轴关节的组合状态示意图；图示为蛇形臂的横置形态。如图1所示，本发明的一种蛇形臂，可包括相连的蛇形臂臂体1和支撑底座2两个主要组成部分。臂体1由多节(个)连杆11串接而成；连杆的数量例如可以为3节到10节之间。每两节相邻连杆之间通过一个十字轴关节12进行活动连接(请参考图3)；每个十字轴关节通过四根拉索进行旋转控制。臂体1通过其最下端的一节连杆与支撑底座2连接在一起。在支撑底座上设有驱动单元23，用于驱动臂体进行多维运动。

请参阅图2和图3。每两节相邻连杆11之间通过一个十字轴关节12进行活动连接；每个十字轴关节12具有两组正交的枢轴。除位于臂体顶部的一节连杆外，每一连杆11的上端面111设有一对与十字轴关节12的其中一组枢轴枢接的第一轴叉112，且除位于臂体底部的一节连杆外，每一连杆11的下端面111’设有一对与十字轴关节的另一组枢轴枢接的第二轴叉112’；即相邻的上下两节连杆中，相邻的下端面111’和上端面111分别设有一对与十字轴关节12的两组枢轴枢接的轴叉112’、112。

位于连杆11上端面111、下端面111’的每对轴叉112、112’竖直设置，在每对轴叉上可相对水平设置叉孔，将十字轴关节12的其中一组枢轴的两端水平放入两个叉孔形成配合后，即可使该组枢轴在十字轴关节的另一组枢轴受到其连接的拉索13的牵拉力作用下绕叉孔旋转，从而带动蛇形臂臂体向受力侧弯曲运动。

在所述轴叉的叉孔外侧可装有第一传感器114，用于检测十字轴关节12的旋转角度。

同一个连杆11上、位于其上端面111的一对第一轴叉112和位于其下端面111’的一对第二轴叉112’之间呈90度交错设置。也就是说，相邻两节连杆上、分别位于其上端面(或下端面)的一对轴叉之间相对于连杆的中心轴(或两个轴叉之间对应的中心轴)沿同一平行线设置。这样也使得连杆之间的各十字轴关节之间相互呈90度依次交错设置。

所述连杆上、下端面上与十字轴关节两组枢轴相对应处设有四组第一通孔113，第一通孔作为拉索通孔；每组第一通孔113中的各通孔之间呈中心对称分布，例如，每组的第一通孔113可呈圆形分布有多个通孔。每个第一通孔穿设一根拉索13，每根拉索连接对应的一个十字轴关节12，用于拉动使十字轴关节旋转。

所述连杆11的上、下端面之间可通过环绕连杆中心轴的一圈立柱116进行连接，并且立柱116的外轮廓小于连杆上、下端面111、111’的圆周；此时，第一通孔113就分别形成于连杆的上、下端面111、111’，并一一对应排列。当然，所述连杆也可以采用柱形或其他形状。

所述第一通孔113的通孔数量等于连杆的数量。每节连杆上的每组第一通孔中所通过的拉索数量从臂体的顶端一节连杆开始逐节增加1根拉索，每节连杆上的每组第一通孔中所占用的通孔数量也相应地逐节增加1个。例如，假设一共有10节连杆，那么每一连杆的上端面和/或下端面均设有四组通孔，每一组第一通孔的通孔数量为10。第一节连杆的下端面(即第二节连杆的上端面)每组第一通孔穿过1根拉索，第二节连杆的下端面(即第三节连杆的上端面)每组第一通孔穿过2根拉索，以此类推，最后一节连杆的下端面每组第一通孔穿过10根拉索，由此最后一节连杆的下端面共通过40个拉索连接至对应的驱动单元。

由图2可以看到，通过采用拉索通孔组(即4组第一通孔)的方法，令每个十字轴关节枢轴所对应的拉索集中保持在一个较小的范围内，通过这种拉索排布方式，不仅解决了拉索无法平行排布的问题，也强化了拉索强度，为臂体控制带来了明显帮助。

请参阅图1。支撑底座2设有底座顶板21和位于底座顶板下方的底座底板22，并相连接构成箱体结构。支撑底座2通过其底座顶板21正面与臂体1最下端的一个(节)连杆11下端面连接。在所述底座顶板21上设有与各第一通孔113对应的四组第二通孔(未显示)，用于对应通过拉索13。

在所述底座顶板21背面设有多个驱动单元23；各驱动单元23绕连杆中心轴(支撑底座中心轴)设置，形成筒状结构。每个驱动单元23包括电机233、丝杠231和滑块232。所述底座顶板21和底座底板22上各开有一圈轴承孔，所述轴承孔内安装有轴承座；每个驱动单元23的所述丝扛231对应安装于底座顶板21和底座底板22上的一对轴承座内。每个驱动单元23的所述电机232安装在底座底板22的外侧，并通过联轴器与该驱动单元的丝杠231连接。

通过电机233驱动丝杠231旋转，使安装在丝杠上的滑块232沿着丝杠在一定范围内运行，并牵拉固定于滑块上的一根拉索13，则可控制该拉索连接的十字轴关节12旋转，从而达到控制蛇形臂运动的目的。

请参阅图2。每个十字轴关节正交的两组枢轴通过四根拉索13依次穿过其下方各连杆上对应的一个第一通孔及底座顶板上对应的一个第二通孔连接至对应的一个驱动单元的滑块上。通过某个驱动单元对其连接的拉索的牵拉，就可控制对应十字轴关节的旋转，对不同驱动单元进行组合控制，就可以实现自动控制蛇形臂进行多维运动的目的。

对于十字轴关节而言，如果输入、输出轴之间存在夹角，则两轴的角速度就会不相等，这会导致连杆之间发生扭转与振动，因而将影响到蛇形臂的运动精度。为了保证输入、输出轴之间不存在夹角，用于牵拉十字轴关节两枢轴的四根拉索，应该分别连接于十字轴关节的两枢轴上，并最好位于两枢轴的轴端。

同时，对于蛇形臂而言，由于存在多节连杆，也就是有多套十字轴关节，以往在将各十字轴关节都按相同的角度进行安装时，会造成用于驱动十字轴关节的多条拉索之间无法保持平行的情况。在此情形下，当拉索数量较多时，容易发生彼此的缠绕。为了解决这个问题，也有采用令相邻十字轴关节之间存在一个偏角的方法，来解决拉索之间无法保持平行的问题。但是由于十字轴关节之间存在偏角，会为控制带来困难。

本发明的优点就在于采用了在连杆端面上位置与十字轴关节两组枢轴相对应处设置四组第一通孔的方式，令每个十字轴关节枢轴所对应的拉索集中保持在一个较小的分布范围内，通过这种拉索排布方式，不仅解决了以往拉索无法平行排布的问题，也强化了拉索强度。

请参阅图3。在各所述连杆及十字轴关节的中心还开有第三通孔115，同时，在所述底座顶板的中心也开有与第三通孔对应的第四通孔(未显示)，第三、第四通孔可用于通过缆线。

此外，在所述轴叉上还可装有第二传感器，用于检测相邻连杆之间的相对位置以及相邻连杆相对的上、下端面之间的相对位置关系。

相比于现有技术中的蛇形臂结构，本发明通过在连杆端面上采用位置与十字轴关节两组枢轴相对应的四组第一通孔方式，令每个十字轴关节枢轴所对应的拉索集中保持在一个较小的分布范围内，通过这种拉索排布方式，不仅解决了以往拉索无法平行排布的问题，有效防止了缠绕的发生，也强化了拉索强度；同时，通过在轴叉上安装的传感器，可检测十字轴关节的旋转角度、相邻连杆之间的相对位置以及相邻连杆相对的上、下端面之间的相对位置关系，从而可以准确获知蛇形臂的运动情况。

本发明的蛇形臂能够具有高柔性操作能力，并能够实现电动汽车充电服务的人性化、便捷化、智能化。实现电动汽车的自动充电和无人化全自动操作，能大幅度降低充电站的管理成本，极大地提高分时租赁的用车体验和操作安全性，为电动车充电给租客和车主提供极大便利条件。并且，电动汽车自动充电可与其他自动化设施相结合，例如自动泊车、自动清洁等，形成完善的电动汽车自动化服务体系，充分实现智能化。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种蛇形臂，其特征在于，包括：

臂体，由多节连杆串接而成，相邻连杆之间通过十字轴关节活动连接，除顶部连杆外每一连杆的上端面设有一对与十字轴关节其中一组枢轴枢接的第一轴叉、除底部连杆外每一连杆的下端面设有一对与十字轴关节的另一组枢轴枢接的第二轴叉，每一所述连杆上端面的一对第一轴叉和下端面的一对第二轴叉之间呈90度交错设置；所述连杆上、下端面上与十字轴关节两组枢轴相对应处设有四组第一通孔，每组第一通孔的各通孔之间呈中心对称分布；其中，每个十字轴关节的两组枢轴通过四根拉索依次穿过其下方各连杆上对应的一个第一通孔连接至对应的一个驱动单元，通过驱动单元对拉索的牵拉，控制十字轴关节的旋转，以控制蛇形臂的多维运动。

2.根据权利要求1所述的蛇形臂，其特征在于，还包括支撑底座，其通过底座顶板正面与臂体最下端的一节连杆下端面连接，所述底座顶板设有与第一通孔对应的四组第二通孔，所述底座顶板背面绕连杆中心轴设有多个驱动单元，每个十字轴关节的两组枢轴通过四根拉索依次穿过其下方各连杆上对应的一个第一通孔及底座顶板上对应的一个第二通孔连接至对应的一个驱动单元。

3.根据权利要求1所述的蛇形臂，其特征在于，各拉索之间相互平行设置。

4.根据权利要求1所述的蛇形臂，其特征在于，每组所述第一通孔的数量与连杆的数量相等。

5.根据权利要求2所述的蛇形臂，其特征在于，所述连杆及十字轴关节的中心开有第三通孔，所述底座顶板的中心开有与第三通孔对应的第四通孔，所述第三通孔、第四通孔用于通过缆线。

6.根据权利要求1所述的蛇形臂，其特征在于，所述轴叉的叉孔外侧装有第一传感器，用于检测十字轴关节的旋转角度。

7.根据权利要求1所述的蛇形臂，其特征在于，在所述轴叉上还装有第二传感器，用于检测相邻连杆之间的相对位置以及相邻连杆相对的上、下端面之间的相对位置关系。

8.根据权利要求2所述的蛇形臂，其特征在于，每个驱动单元包括电机、丝杠和滑块，所述底座顶板的下方设有底座底板，所述底座顶板和底座底板上开有轴承孔，所述轴承孔内安装有轴承座，所述丝扛安装于底座顶板和底座底板上的轴承座内，所述电机安装于底座底板的外侧，并通过联轴器与丝杠连接；通过电机驱动丝杠旋转，使安装在丝杠上的滑块沿着丝杠运行，并牵拉固定于滑块上的拉索。

9.根据权利要求1所述的蛇形臂，其特征在于，所述拉索连接于十字轴关节的枢轴轴端，所述第一通孔的通孔数量等于连杆的数量，每节连杆上的每组第一通孔中所通过的拉索数量从臂体的顶端一节连杆开始逐节增加1根拉索，每节连杆上的每组第一通孔中所占用的通孔数量也相应地逐节增加1个。

10.根据权利要求1所述的蛇形臂，其特征在于，所述连杆的上、下端面之间通过环绕连杆中心轴的一圈立柱进行连接。