CN107433582A - 一种全方位运动可伸缩柔性机械臂 - Google Patents

一种全方位运动可伸缩柔性机械臂 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种机械臂，具体地说是一种全方位运动可伸缩柔性机械臂。包括控制系统、支撑板I、柔性臂、支撑板II及机械手，其中控制系统的上方设有支撑板I，所述柔性臂设置于所述支撑板I上，所述柔性臂的上端设有支撑板II，所述机械手设置于所述支撑板II上，所述柔性臂通过控制系统的驱动进行伸展、收缩或弯曲，从而使所述机械手达到预期位置。本发明结构简单，总体结构轻盈紧凑，运动灵活，控制精巧，柔性臂的任意位置运动使抓取位置更加广泛。

Description

一种全方位运动可伸缩柔性机械臂
技术领域
本发明涉及一种机械臂，具体地说是一种全方位运动可伸缩机械臂。
背景技术
随着机器人技术的迅猛发展，对能在复杂环境下执行任务的特种机器人的需求日益的增加。该仿生机器人，具有很高的灵活性，比起我们常见的关节机器人，该仿生机器人能够适应更加复杂的环境。
国内外研发了不同构型的机器人，但关于柔性臂的机器人却非常少，这使得机器人的发展受到了局限性，其工作环境也有所限制。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种全方位运动可伸缩柔性机械臂。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种全方位运动可伸缩柔性机械臂，包括控制系统、支撑板I、柔性臂、支撑板II及机械手，其中控制系统的上方设有支撑板I，所述柔性臂设置于所述支撑板I上，所述柔性臂的上端设有支撑板II，所述机械手设置于所述支撑板II上，所述柔性臂通过控制系统的驱动进行伸展、收缩或弯曲，从而使所述机械手达到预期位置。
所述柔性臂包括变剪杆机构和共面机构，其中变剪杆机构为由三组变剪杆机构单元连接成的环形结构，三组所述变剪杆机构单元结构相同，均包括由上至下依次铰接的多个变剪叉组件，位于底端的变剪叉组件与所述控制系统连接，所述变剪叉组件包括剪杆I、销及剪杆II，其中剪杆I和剪杆II通过销铰接成X型结构的剪叉组件，所述销容置于所述剪杆I和剪杆II上沿长度方向设有的条形槽中，三组所述变剪杆机构单元结构中，相对应的所述变剪叉组件中的销通过一个所述共面机构连接，所述共面机构使与其连接的三个销保持共面。
所述变剪杆机构单元中，相邻两个变剪叉组件之间及所述变剪杆机构单元的上、下端均设有滑杆，所述变剪叉组件中的剪杆I和剪杆II的两端分别通过铰链与滑杆连接，所述滑杆的一端与铰链定位连接，另一端与铰链可滑动连接，位于所述变剪杆机构单元最底端可滑动的铰链与所述控制系统连接。
相邻两个所述变剪杆机构单元中相对应的滑杆之间通过连接块连接。
所述连接块为V型结构。
所述共面机构包括共面板及连杆I，其中共面板为中空结构，该中空结构上沿周向布设有三个开口，所述连杆I为三个，三个所述连杆1分别插设于三个所述开口内、并且与所述共面板滑动连接，三个所述连杆I位于所述共面板外侧的一端分别与相对应的销铰接。
所述共面板上设有沿径向开设的三个导向槽，三个所述导向槽沿周向均布，三个所述连杆I位于所述共面板内的一端通过导向销分别与三个所述导向槽滑动连接。
所述控制系统包括支撑架和安装在所述支撑架上的三组驱动单元，三组所述驱动单元分别与三组所述变剪杆机构单元连接，三组所述变剪杆机构单元分别通过与其连接的所述驱动单元的驱动实现变形。
三组所述驱动单元结构相同，均包括轴承座I、电机、螺母、螺杆、减速器、轴承座II及传动装置，其中螺杆的两端分别可转动地安装在轴承座I和轴承座II上，所述电机与减速器连接，所述减速器的输出轴通过传动装置与螺杆的一端连接，所述螺母和螺杆螺纹连接，形成传动副，所述螺母与所述变剪杆机构单元连接。
所述机械手包括机械手电机、机械手架、驱动杆及两组夹爪组件，其中机械手电机的输出轴与驱动杆的一端连接，所述驱动杆的另一端对称设有两组夹爪组件，两组夹爪组件通过机械手架支撑，各夹爪组件均包括连杆II、三角块、连杆III、连杆IV及手抓前肢，其中连杆II的一端与驱动杆的另一端铰接，所述连杆II的另一端与机械手架和三角块铰接，所述手抓前肢与三角块铰接，所述连杆III的一端与三角块的内侧铰接，另一端与连杆IV的一端铰接，所述连杆IV的另一端与手抓前肢的内侧铰接。
本发明的优点及有益效果是：
1.本发明提供的机器人结构简单，总体结构轻盈紧凑，运动灵活，控制精巧，柔性臂的任意位置运动使抓取位置更加广泛。
2.本发明通过三个电机分别控制三个变剪杆机构，使机械臂能达到任意位置，以达到任意抓取目的。
3.本发明的变剪杆机构由剪叉杆机构演变，使剪叉杆的作用运用更加灵活，剪杆上的滑销和两边的伸缩杆能精确的控制剪杆的变化，剪叉杆具有伸缩功能，这对该发明的收放和使用起很好的作用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中驱动单元与变剪杆机构单元的连接结构示意图；
图3为本发明中变剪杆机构单元可侧向弯曲的原理图之一；
图4为本发明中变剪杆机构单元可侧向弯曲的原理图之二；
图5为本发明中滑杆与连接块的连接示意图；
图6为本发明中共面机构的结构示意图；
图7为本发明中共面机构与变剪杆机构的连接示意图；
图8为本发明中控制系统的结构示意图。
图中，1为支撑架，2为轴承座I，3为电机，4为螺母，5为螺杆，6为减速器，7为轴承座II，8为齿轮I，9为齿轮II，10为滑杆，11为支撑板I，12为铰链I，13为剪杆I，14为销，15为下面板，16为连杆I，17为上面板，18为剪杆II，19为铰链II，20为连接块，21为支撑板II，22为机械手电机，23为机械手架，24为驱动杆，25为连杆II，26为三角块，27为连杆III，28为连杆IV，29为手抓前肢。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明提供的一种全方位运动可伸缩柔性机械臂，包括控制系统、支撑板I 11、柔性臂、支撑板II 21及机械手，其中控制系统的上方设有支撑板I 11，所述柔性臂设置于所述支撑板I 11上，所述柔性臂的上端设有支撑板II 21，所述机械手设置于所述支撑板II 21上，所述柔性臂通过控制系统的驱动进行伸展、收缩或弯曲，从而使所述机械手达到预期位置。
所述柔性臂包括变剪杆机构和共面机构，所述变剪杆机构是由一般剪杆机构演化而来，一般剪杆机构只能做剪叉伸缩运动，该变剪杆机构是通过对剪杆中间销的位置改变来使剪杆发生侧向弯曲。在变剪杆之间由铰链连接，可使剪杆之间发生前后弯曲，这样就满足了柔性臂做弯曲、伸展、收缩或旋转一系列的运动。
如图1、图2所示，所述变剪杆机构的具体结构为由三组变剪杆机构单元连接成的环形结构，三组所述变剪杆机构单元结构相同，均包括由上至下依次铰接的多个变剪叉组件，位于底端的变剪叉组件与所述控制系统连接。所述变剪叉组件包括剪杆I 13、销14及剪杆II 18，其中剪杆I 13和剪杆II 18通过销14铰接成X型结构的剪叉组件，所述销14容置于所述剪杆I 13和剪杆II 18上沿长度方向设有的条形槽中。三组所述变剪杆机构单元结构中，相对应的所述变剪叉组件中的销14通过一个所述共面机构连接，所述共面机构使与其连接的三个销14一直保持共面。
所述变剪叉组件中剪杆中间的销14是由所述共面机构控制，所述共面机构是使三个销14位置发生变化的过程中一直保持共面的特性，三个销14共面是为了保证所述变剪叉组件中的剪杆I 13和剪杆II 18的剪叉比相等，既：这样才能保证所述变剪杆机构发生可控的侧向弯曲，如图3、图4所示。
所述变剪杆机构单元中，相邻两个变剪叉组件之间及所述变剪杆机构单元的上、下端均设有滑杆10，所述变剪叉组件中的剪杆I 13和剪杆II 18的两端分别通过铰链与滑杆10连接，所述滑杆10的一端与铰链定位连接，另一端与铰链可滑动连接，位于所述变剪杆机构单元最底端可滑动的铰链与所述控制系统连接。
本实施例中，所述剪杆I 13的两端通过铰链I 12与相对应的两个滑杆10连接，所述剪杆II 18的两端通过铰链II 19与相对应的两个滑杆10连接。
如图5所示，相邻两个所述变剪杆机构单元中相对应的滑杆10之间通过连接块20连接。本实施例中，所述连接块20为V型结构。
如图6、图7所示，所述共面机构包括共面板及连杆I 16，其中共面板为中空结构，该中空结构上沿周向布设有三个开口，所述连杆I 16为三个，三个所述连杆I 16分别插设于三个所述开口内、并且与所述共面板滑动连接，三个所述连杆I 16位于所述共面板外侧的一端分别与相对应的销14铰接。
所述共面板上设有沿径向开设的三个导向槽，三个所述导向槽沿周向均布，三个所述连杆I 16位于所述共面板内的一端通过导向销分别与三个所述导向槽滑动连接。导向销可在导向槽内沿径向滑动
本实施例中，所述共面板由上面板17和下面板15组成，上面板17和下面板15贴合组成一个中空结构，周向成120度分布的三个开口，三个连杆I16上有导向销，导向销可在共面板的导向槽内滑动。销14的一段在剪叉杆的槽内滑动。所以三个连杆I 16共面，由三个连杆I 16与三个销14铰接，所以三个销14共面，这就保证了在柔性臂的运动过程中三个销14的位置一直保持共面，这样就保证了柔性臂有可控的运动。
如图8所示，所述控制系统包括支撑架1和安装在所述支撑架1上的三组驱动单元，三组所述驱动单元分别与三组所述变剪杆机构单元连接，三组所述变剪杆机构单元分别通过与其连接的所述驱动单元的驱动实现变形。
三组所述驱动单元结构相同，均包括轴承座I 2、电机3、螺母4、螺杆5、减速器6、轴承座II 7及传动装置，其中螺杆5的两端分别可转动地安装在轴承座I 2和轴承座II 7上，所述电机3与减速器6连接，所述减速器6的输出轴通过传动装置与螺杆5的一端连接，所述螺母4和螺杆5螺纹连接，形成传动副，所述螺母4与所述变剪杆机构单元连接。
所述传动装置包括齿轮I 8和齿轮II 9，其中齿轮I 8设置于减速器6的输出轴上，齿轮II 9设置于螺杆5的端部、且与齿轮I 8啮合。电机3转动带动齿轮I 8转动，齿轮II 9带动螺杆5转动，螺杆5转动使螺杆5上的螺母4沿螺杆5方向前后运动。
如图2所示，由电机3转动，由减速器6传递运动到齿轮I 8，齿轮I 8带动齿轮II 9转动，齿轮II 9转动带动螺杆5转动，螺杆5转动带动螺母4沿螺杆5的方向平动，螺母4一端与铰链II 19相连接，螺母4运动推动铰链II19沿滑杆10滑动，由铰链II 19与剪杆II 18连接，又铰链I 12沿滑杆10方向运动固定，所以当螺母4运动时，带动剪杆做剪叉运动，剪杆I 13会带动另一端的铰链I 12运动，传递运动到下一节变剪叉组件做剪叉运动。
所述机械手包括机械手电机22、机械手架23、驱动杆24及夹爪组件，其中机械手电机22的输出轴与驱动杆24的一端连接，所述驱动杆24的另一端对称设有两组夹爪组件，两组夹爪组件通过机械手架23支撑。各夹爪组件均包括连杆II 25、三角块26、连杆III 27、连杆IV 28及手抓前肢29，其中连杆II 25的一端与驱动杆24的另一端铰接，所述连杆II 25的另一端与机械手架23和三角块26铰接，所述手抓前肢29与三角块26铰接。所述连杆III 27的一端与三角块26的内侧铰接，另一端与连杆IV 28的一端铰接，所述连杆IV 28的另一端与手抓前肢29的内侧铰接。
由机械手电机22驱动使驱动杆24做上下运动，驱动杆24的上下运动带动连杆25运动，连杆25推动三角块26运动，三角块26推动手抓前肢29张开或闭合，使手抓前肢29做抓取动作。
通过控制系统对柔性臂的控制，使机械手达到预期位置，机械手由机械手电机22控制实现抓取。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种全方位运动可伸缩柔性机械臂，其特征在于，包括控制系统、支撑板I(11)、柔性臂、支撑板II(21)及机械手，其中控制系统的上方设有支撑板I(11)，所述柔性臂设置于所述支撑板I(11)上，所述柔性臂的上端设有支撑板II(21)，所述机械手设置于所述支撑板II(21)上，所述柔性臂通过控制系统的驱动进行伸展、收缩或弯曲，从而使所述机械手达到预期位置。
2.根据权利要求书1所述的全方位运动可伸缩柔性机械臂，其特征在于，所述柔性臂包括变剪杆机构和共面机构，其中变剪杆机构为由三组变剪杆机构单元连接成的环形结构，三组所述变剪杆机构单元结构相同，均包括由上至下依次铰接的多个变剪叉组件，位于底端的变剪叉组件与所述控制系统连接，所述变剪叉组件包括剪杆I(13)、销(14)及剪杆II(18)，其中剪杆I(13)和剪杆II(18)通过销(14)铰接成X型结构的剪叉组件，所述销(14)容置于所述剪杆I(13)和剪杆II(18)上沿长度方向设有的条形槽中，三组所述变剪杆机构单元结构中，相对应的所述变剪叉组件中的销(14)通过一个所述共面机构连接，所述共面机构使与其连接的三个销(14)保持共面。
3.根据权利要求书2所述的全方位运动可伸缩柔性机械臂，其特征在于，所述变剪杆机构单元中，相邻两个变剪叉组件之间及所述变剪杆机构单元的上、下端均设有滑杆(10)，所述变剪叉组件中的剪杆I(13)和剪杆II(18)的两端分别通过铰链与滑杆(10)连接，所述滑杆(10)的一端与铰链定位连接，另一端与铰链可滑动连接，位于所述变剪杆机构单元最底端可滑动的铰链与所述控制系统连接。
4.根据权利要求书3所述的全方位运动可伸缩柔性机械臂，其特征在于，相邻两个所述变剪杆机构单元中相对应的滑杆(10)之间通过连接块(20)连接。
5.根据权利要求书4所述的全方位运动可伸缩柔性机械臂，其特征在于，所述连接块(20)为V型结构。
6.根据权利要求书2所述的全方位运动可伸缩柔性机械臂，其特征在于，所述共面机构包括共面板及连杆I(16)，其中共面板为中空结构，该中空结构上沿周向布设有三个开口，所述连杆I(16)为三个，三个所述连杆I(16)分别插设于三个所述开口内、并且与所述共面板滑动连接，三个所述连杆I(16)位于所述共面板外侧的一端分别与相对应的销(14)铰接。
7.根据权利要求书6所述的全方位运动可伸缩柔性机械臂，其特征在于，所述共面板上设有沿径向开设的三个导向槽，三个所述导向槽沿周向均布，三个所述连杆I(16)位于所述共面板内的一端通过导向销分别与三个所述导向槽滑动连接。
8.根据权利要求书2所述的全方位运动可伸缩柔性机械臂，其特征在于，所述控制系统包括支撑架(1)和安装在所述支撑架(1)上的三组驱动单元，三组所述驱动单元分别与三组所述变剪杆机构单元连接，三组所述变剪杆机构单元分别通过与其连接的所述驱动单元的驱动实现变形。
9.根据权利要求书8所述的全方位运动可伸缩柔性机械臂，其特征在于，三组所述驱动单元结构相同，均包括轴承座I(2)、电机(3)、螺母(4)、螺杆(5)、减速器(6)、轴承座II(7)及传动装置，其中螺杆(5)的两端分别可转动地安装在轴承座I(2)和轴承座II(7)上，所述电机(3)与减速器(6)连接，所述减速器(6)的输出轴通过传动装置与螺杆(5)的一端连接，所述螺母(4)和螺杆(5)螺纹连接，形成传动副，所述螺母(4)与所述变剪杆机构单元连接。
10.根据权利要求书1所述的全方位运动可伸缩柔性机械臂，其特征在于，所述机械手包括机械手电机(22)、机械手架(23)、驱动杆(24)及两组夹爪组件，其中机械手电机(22)的输出轴与驱动杆(24)的一端连接，所述驱动杆(24)的另一端对称设有两组夹爪组件，两组夹爪组件通过机械手架(23)支撑，各夹爪组件均包括连杆II(25)、三角块(26)、连杆III(27)、连杆IV(28)及手抓前肢(29)，其中连杆II(25)的一端与驱动杆(24)的另一端铰接，所述连杆II(25)的另一端与机械手架(23)和三角块(26)铰接，所述手抓前肢(29)与三角块(26)铰接，所述连杆III(27)的一端与三角块(26)的内侧铰接，另一端与连杆IV(28)的一端铰接，所述连杆IV(28)的另一端与手抓前肢(29)的内侧铰接。
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