CN107627324B - 一种基于万向节的柔性机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于万向节的柔性机械臂，包括有万向节、经万向节转动连接的前关节和后关节、控制前关节和后关节之间相对转角的动力件，万向节包括可以相对万向转动的子万向节和母万向节，子万向节和母万向节分别连接前关节和后关节。本基于万向节的柔性机械臂通过在前关节和后关节之间设置易于进行相对万向转动的万向节，结合穿插于前关节和后关节之间的由滑轮、钢线和固定部等组成的动力件，使柔性机械臂能够方便的实现全角度的转动，其原理简单、结构轻巧、成本低廉，能够适用于工业机械自动化装配、管道故障检测修复等多种领域。
Description
技术领域
本发明涉及机械臂领域，尤其涉及一种基于万向节的柔性机械臂。
背景技术
机械臂是指高精度、高速点胶机器手，机械臂是一个多输入多输出、高度非线性、强耦合的复杂系统。因其独特的操作灵活性，已经在工业装配、安全防爆等领域得到广泛应用。机械臂是一个复杂系统，存在着参数摄动、外界干扰及未建模动态等不确定性。因而机械臂的建模模型也存在着不确定性，对于不同的任务，需要规划机械臂关节空间的运动轨迹，从而级联构成末端位姿。
近年来，随着机器人技术的发展，应用高速、高精度、高负载自重比的机器人结构受到工业和航空航天领域的关注。由于运动过程中关节和连杆的柔性效应的增加，使结构发生变形从而使任务执行的精度降低。所以，机器人机械臂结构柔性特征必须予以考虑，实现柔性机械臂高精度有效控制也必须考虑系统动力学特性。柔性机械臂是一个非常复杂的动力学系统，其动力学方程具有非线性、强耦合、实变等特点。柔性机械臂不仅是一个刚柔耦合的非线性系统，而且也是系统动力学特性与控制特性相互耦合即机电耦合的非线性系统。动力学建模的目的是为控制系统描述及控制器设计提供依据。一般控制系统的描述(包括时域的状态空间描述和频域的传递函数描述)与传感器/执行器的定位，从执行器到传感器的信息传递以及机械臂的动力学特性密切相关。
目前的柔性机械臂，由于组成的零部件种类和数量繁多，导致结构复杂，成本较高，并不能很好的推广到诸如工业机械自动化装配、管道故障检测修复等多种领域，因此，设计一种能推广运用的原理简单、结构轻巧、成本低廉的柔性机械臂是亟待解决的问题。
发明内容
本发明旨在解决上述所提及的技术问题，提供一种结构简单，能够全角度转动的基于万向节的柔性机械臂。
本发明是通过以下的技术方案实现的：一种基于万向节的柔性机械臂，包括有万向节、经万向节转动连接的前关节和后关节、控制前关节和后关节之间相对转角的动力件，万向节包括可以相对万向转动的子万向节和母万向节，子万向节和母万向节分别连接前关节和后关节。
优选地，所述前关节和后关节均包括相互垂直并在中部固定连接的一系梁和二系梁。
优选地，包括可伸缩的软性面，所述前关节和后关节的一系梁和二系梁的端部均抵接在所述软性面的内壁上。
优选地，所述子万向节包括连杆和固连于连杆朝向母万向节一端的球状体，球状体外表面上开设有若干条第一滑槽，第一滑槽之间相互平行。
优选地，所述母万向节包括连杆和固连于连杆朝向子万向节一端的固定爪，固定爪由与第一滑槽对应的固定条组成，固定条沿球状体外表面弯曲，且固定条朝向球状体的一侧开设有第二滑槽。
优选地，所述第一滑槽和第二滑槽中可滚动的容置有球体，使子万向节和母万向节可相对万向转动地卡接在一起。
优选地，所述球体、第一滑槽和第二滑槽的表面均覆盖有磁性材料。
优选地，所述固定条均设置于球状体外表面的一个同心球面上，同心球面的半径大于球状体外表面的半径。
优选地，所述动力件包括设置于前关节、后关节和万向节同一侧的滑轮、穿过滑轮的钢线及设置于前关节和后关节上的固定部，固定部包括设置于前关节上的第一固定部和设置于后关节上的第二固定部。
优选地，所述第一固定部设置于前关节的一系梁/二系梁的一端，第二固定部设置于后关节的一系梁/二系梁的另一端，钢线的两端与第一固定部和第二固定部分别连接固定。
有益效果是：本基于万向节的柔性机械臂通过在前关节和后关节之间设置易于进行相对万向转动的万向节，结合穿插于前关节和后关节之间的由滑轮、钢线和固定部等组成的动力件，使机械臂能够方便的实现全角度的转动，其原理简单、结构轻巧、成本低廉，能够适用于工业机械自动化装配、管道故障检测修复等多种领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明十字型固定梁和万向节的示意图；
图3为本发明万向节的示意图；
图4为本发明的使用状态示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明的保护范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
具体实施例，如图1至4所示，一种基于万向节的柔性机械臂，包括有万向节3、经万向节3转动连接的前关节21和后关节22、控制前关节21和后关节22之间相对转角的动力件，万向节3包括可以相对万向转动的子万向节31和母万向节32，子万向节31和母万向节32分别连接前关节21和后关节22。
前关节21和后关节22均包括相互垂直并在中部固定连接的一系梁2a和二系梁2b，本机械臂还包括可伸缩的软性面4，所述前关节21和后关节22的一系梁2a和二系梁2b的端部均抵接在所述软性面4的内壁上。
子万向节31包括连杆和固连于连杆朝向母万向节32一端的球状体31a，球状体31a外表面上开设有若干条第一滑槽31b，第一滑槽31b之间相互平行。母万向节32包括连杆和固连于连杆朝向子万向节31一端的固定爪32a，固定爪32a由与第一滑槽31b对应的固定条组成，固定条沿球状体31a外表面弯曲，且固定条朝向球状体31a的一侧开设有第二滑槽32b，第一滑槽31b和第二滑槽32b中可滚动的容置有球体33，使子万向节31和母万向节32可相对万向转动地卡接在一起。
固定条均设置于球状体31a外表面的一个同心球面上，上述同心球面的半径大于球状体31a外表面的半径，且所述球体33、第一滑槽31b、和第二滑槽32b的表面均覆盖有磁性材料。当球体33在子万向节31上的第一滑槽31b和母万向节32上的第二滑槽32b之间滚动时，球体33不会从第一滑槽31b和第二滑槽32b中滚出去。
动力件包括设置于前关节21、后关节22和万向节3同一侧的滑轮11、穿过滑轮11的钢线12及设置于前关节21和后关节22上的固定部，固定部包括设置于前关节21上的第一固定部13a和设置于后关节22上的第二固定部13b。固定部与前关节21和后关节22通过插接连接的方式固定，使固定部和钢线12能更牢固的固定在前关节21和后关节22上。
第一固定部13a设置于前关节21的一系梁2a/二系梁2b的一端，第二固定部13b设置于后关节22的一系梁2a/二系梁2b的另一端，钢线12的两端与第一固定部13a和第二固定部13b分别连接固定。
当该柔性机械臂处于未弯曲的初始状态时，如图4所示，各组前关节21和后关节22之间均保持相互平行的关系，此时电机不在工作状态，滑轮11没有转动；当柔性机械臂需要进行弯曲时，例如当该柔性机械臂需要向图1和图4中的左侧弯曲时，电机转动带动滑轮11沿逆时针方向转动。连接前关节21上的第一固定部13a的钢线12往靠近滑轮11的方向移动，带动第一固定部13a所在的一系梁2a/二系梁2b向下弯曲，同时连接后关节22上的第二固定部13b的钢线12往远离滑轮11的方向移动，带动第二固定部13b所在的一系梁2a/二系梁2b向上弯曲，同时其它前关节21和后关节22的一系梁2a/二系梁2b的左侧也向下弯曲，其它前关节21和后关节22的一系梁2a/二系梁2b的右侧也向上弯曲，使所有前关节21和后关节22整体向左侧弯曲，而由于前关节21和后关节22中的一系梁2a和二系梁2b的端部均抵接在所述软性面4的内壁上，所有前关节21和后关节22整体向左侧弯曲，带动可伸缩的软性面4向左侧弯曲，从而使整个柔性机械臂向左侧弯曲。
同理，让电机转动带动滑轮11沿顺时针方向转动，可以试柔性机械臂向右侧弯曲，结合柔性机械臂自身一定角度的旋转，即可方便的实现柔性机械臂全角度的弯曲，使柔性机械臂能够根据需要调整弯曲的方向和角度。
以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种基于万向节的柔性机械臂，其特征在于，包括有万向节、经万向节转动连接的前关节和后关节、控制前关节和后关节之间相对转角的动力件，万向节包括可以相对万向转动的子万向节和母万向节，子万向节和母万向节分别连接前关节和后关节，
所述子万向节包括连杆和固连于连杆朝向母万向节一端的球状体，球状体外表面上开设有若干条第一滑槽，第一滑槽之间相互平行，
所述母万向节包括连杆和固连于连杆朝向子万向节一端的固定爪，固定爪由与第一滑槽对应的固定条组成，固定条沿球状体外表面弯曲，且固定条朝向球状体的一侧开设有第二滑槽，
所述第一滑槽和第二滑槽中可滚动的容置有球体，使子万向节和母万向节可相对万向转动地卡接在一起，以及
所述柔性机械臂还包括：可伸缩的软性面，所述前关节和后关节的一系梁和二系梁的端部均抵接在所述软性面的内壁上，所述前关节和后关节均包括相互垂直并在中部固定连接的一系梁和二系梁。
2.根据权利要求1所述的一种基于万向节的柔性机械臂，其特征在于：所述球体、第一滑槽和第二滑槽的表面均覆盖有磁性材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于万向节的柔性机械臂，其特征在于：所述固定条均设置于球状体外表面的一个同心球面上，同心球面的半径大于球状体外表面的半径。
4.根据权利要求1所述的一种基于万向节的柔性机械臂，其特征在于：所述动力件包括设置于前关节、后关节和万向节同一侧的滑轮、穿过滑轮的钢线及设置于前关节和后关节上的固定部，固定部包括设置于前关节上的第一固定部和设置于后关节上的第二固定部。
5.根据权利要求4所述的一种基于万向节的柔性机械臂，其特征在于：所述第一固定部设置于前关节的一系梁/二系梁的一端，第二固定部设置于后关节的一系梁/二系梁的另一端，钢线的两端与第一固定部和第二固定部分别连接固定。
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