CN108340381B - 一种伸缩式变尺度连续型机器人 - Google Patents

Abstract

一种伸缩式变尺度连续型机器人，其箱体内设有驱动机构、收纳机构、导向机构、柔性机械臂以及末端执行器。其中，驱动机构包括电机A、齿轮A、齿轮B、回转盘、电机B、回转轴、绕线轴以及驱动绳；导向机构包括齿轮架A、齿轮C、齿轮架B及齿轮D；收纳机构包括电机C、同步带轮、同步带、导向板及收纳槽；柔性机械臂主要包括弹性体、末端盘及中间盘；末端盘与非与弹性体相连一侧与末端执行器相连。柔性机械臂在驱动机构的驱动下可以从箱体中自由伸出和缩回，并向各方向弯曲。本发明既能够以紧凑的结构尺寸运行在非结构任务空间中，又能改变连接盘间距来改善驱动结构的受力特性，还能够自由改变机械臂长度以适应多样化任务需求。

Description

一种伸缩式变尺度连续型机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是连续型机器人。

背景技术

传统的工业机器人大都由刚性结构组成，能够快速、精确、牢固、重复地执行任务，已在制造、装配、物流等领域发挥重要作用，但此类机器人通常是在结构化环境中工作，难以适应动态、未知、非结构化的复杂环境。随着机器人技术的发展，下一代的机器人必将具有与环境交互、感知环境以及人机交互的特点。连续型机器人具有高度可变形的结构，利用结构的可变形性来适应未知环境，具有环境适应性强的特点。

连续型机器人属于超冗余自由度结构体，其运动主要通过弹性变形实现，运动形式多表现为空间的伸缩及各向弯曲变换，运行过程中不具备自行改变结构几何尺寸的能力。2016年，中国专利CN105150219A公开了一种基于绳索驱动的超冗余柔性机械臂，该机械臂模块包括多个串联的关节，关节上固接有至少三处的驱动绳，驱动绳可在驱动模块的驱动下独立运动。2016年，公开号为CN205363953U的中国专利公开了一种气动绳控负荷型柔性机械臂，该机械臂主要由多节并联机构串联而成，每个关节的中间由十字万向节连接，能够向多个方向弯曲。目前，这类柔性机械臂都能实现各向弯曲，但很少能实现机械臂纵向尺寸的自由变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现机械臂纵向尺寸自由变化的伸缩式变尺度连续型机器人。

本发明主要包括箱体、驱动机构、收纳机构、导向机构、柔性机械臂以及末端执行器。其中，箱体包括主箱体和收纳箱体，上面设有主箱盖的主箱体一侧壁(前侧壁)设有通孔，在该通孔的外壁上设有与其相连的由收纳箱体和收纳箱盖组成的收纳箱，收纳箱体及收纳箱盖不仅两者上下相连而且还分别与主箱体相连，同时收纳箱体及收纳箱盖非与主箱体设通孔侧壁相邻但平行的壁(前侧壁)上分别设有向上和向下的圆弧形开口槽，两圆弧形开口槽相对呈圆形通孔。所述箱体内设有驱动机构、导向机构、收纳机构、柔性机械臂以及末端执行器。

驱动机构包括电机A、齿轮A、齿轮B、回转盘、电机B、回转轴、绕线轴以及驱动绳，其中，驱动机构的电机A输出轴上的齿轮A与齿轮B啮合，该齿轮B的齿轮轴即回转轴两端设在支架上，回转轴还穿过回转盘中心通孔，该回转盘外周面设有截面呈V型的收纳滚道，并在收纳滚道上设有与弹性体齿型相啮合的齿槽。在收纳滚道上设有缠绕在回转盘的弹性体且弹性体的一端固定在回转盘上，弹性体的另一端与末端盘相连，旋转的回转盘可驱动弹性体的缩放。在弹性体旁的箱体上设有四台电机B，每台电机的输出轴上各设一根绕线轴，每根绕线轴上各绕有一端固定于其上的驱动绳，该驱动绳为钢丝绳，其分别绕过设在主箱体内的导轮又穿过各中间盘对应的通孔，另一端与末端执行器夹爪相连。

导向机构包括齿轮架A、齿轮C、齿轮架B及齿轮D；在回转盘下面设有齿轮架A，其上端中部设与弹性体齿型对应的等腰直角三角形上开口槽，在其两侧各设一个矩形开口槽，两槽内各设与弹性体齿型对应的齿轮C，两齿轮C的齿轮轴分别与上开口槽的两个斜面平行，另在靠近收纳箱的主箱体内设有与齿轮架A相似的齿轮架A，其两侧的矩形开口槽内各设一个齿轮D，在齿轮架A上面设有通过紧固件相连的齿轮架B，该齿轮架B下端设有与齿轮架A上面相对的结构，即下端中部设与弹性体齿型对应的等腰直角三角形下开口槽，在其两侧各设一个矩形开口槽，两槽内各设与弹性体齿型对应的齿轮D，所述齿轮D为带有渐开线齿轮的齿轮轴的结构，且两齿轮D的齿轮轴分别与下开口槽的两个斜面平行，齿轮架A与齿轮架B两等腰直角三角形开口槽相对的矩形空间与弹性体外形相对应，4个齿轮D不仅为缠绕在回转盘上的弹性体导向，而且还助其内外伸缩。

收纳机构包括电机C、同步带轮、同步带、导向板及收纳槽；其中，电机C、同步带轮及同步带组成的同步带组件是在收纳箱体底板后部设有电机C和支架，在该支架上设有与电机C相连的主同步带轮，与其对应的从同步带轮设在收纳箱体底板前部，主、从同步带轮上设有水平的同步带，同步带的内侧设有多个与同步带轮对应的圆弧齿，外侧设有多个间距为2个中间盘厚度的方形齿；在收纳箱盖顶板上设有另一组与所述的同步带组件上下相对的同步带组件。所述的电机C带动同步带轮旋转，进而驱动同步带旋转，将脱离弹性体的中间盘进行收放。在收纳箱体内设有两端分别固定在前后壁上的导向板，其横截面为圆弧条板，并在内侧设有与半盘导向槽配合的条形凸台，4个导向板分别与弹性体外中间盘的四个角对应。所述的收纳槽为两个上开口门字条形槽，其一个边板通过紧固件固定在收纳箱体非设通孔的侧壁上，收纳槽主体开口宽度大于半盘拉杆的导杆直径，可使导杆在收纳槽内移动，但收纳槽朝向收纳箱前侧壁的进出口宽度逐渐扩大成喇叭口，以方便到导杆的收纳与滑出。

柔性机械臂主要包括弹性体、末端盘及中间盘。其中，所述的弹性体是由方管和其外壁上所设的与其长度方向垂直的若干正方形凸环组成的带齿长条形物体且凸环的外形尺寸与收纳箱前侧槽孔对应，其一端固定在回转盘上，另一端与末端盘相连，所述的末端盘为类圆盘型结构，外周面设有4个与收纳箱侧槽孔导向槽对应的开口槽，用于缩进柔性机械臂时导向；所述末端盘朝向弹性体一侧的中心处设有与弹性体方管内尺寸对应的凸台，用于固定弹性体。在弹性体上设有若干个中间盘(根据任务需求以及灵活度的不同而异)。中间盘主要包括半盘、弹簧、拉杆以及夹具，所述的半盘类似为半圆形，两个相对组成类圆盘型结构，其外形尺寸与收纳箱侧通孔对应且外周面设有4个与收纳箱侧通孔导向槽对应的开口槽，用于缩进柔性机械臂时导向；所述两半盘的两直边上设有相对的两矩形侧开口槽，在每个侧开口槽两侧壁上均设有一端位于开口的凹形导槽，每个半盘上下的两凹形导槽平行相对并与夹具上下两端的两凸台分别对应组成滑动副，使夹具活动连接在半盘上，所述两夹具为K字形结构，其一侧中部设有与弹性体方管对应的V形开口槽即齿槽，两半盘上的两齿槽相对组成与弹性体方管对应的方孔，两夹具另一侧上下各一个槽孔，其与半盘开口槽底的槽孔相对组成两对槽孔，每对槽孔内各置有一根弹簧两夹具另一侧中部通过连接件与拉杆一端活动连接，所述拉杆为“Z”形杆状结构，其穿过半盘开口槽底的通孔而位于半盘外的端部与圆柱形导杆上端相连呈门字形，该拉杆与收纳槽相配合成为滑动副，所述拉杆外形与收纳箱体上圆弧形开口槽的相对的两开口槽对应，以便能使中间盘顺利进入收纳箱。当弹性体收缩时，中间盘随之从收纳箱的前通孔进入收纳箱，中间盘两半盘拉杆上的导杆便进入收纳槽内，中间盘在同步带组件的作用下由前向后移动的同时，克服弹簧力的作用，将两半盘分开，使夹具脱离柔性体顺利进入箱体；反之，柔性体从箱体出来，在同步带组件的作用下由后向前移动，经过收纳槽进出口后，拉杆离开收纳槽，在弹簧作用下，两个夹具卡紧在弹性体上。另在半盘上设有均布的通孔，其内有驱动绳穿过，该驱动绳一端与电机B绕线轴相连，另一端与末端执行器夹爪相连。

末端盘与非与弹性体相连一侧与末端执行器相连，其外形尺寸与收纳箱侧通孔对应且外周面设有4个与收纳箱侧通孔导向槽对应的导向开口槽，用于缩进柔性机械臂时导向。在导向开口槽相间的外周面设有另外的凹槽，每个凹槽内各设一根铰链轴，每个铰链轴穿过一个曲拐形夹爪折弯处的轴孔，每个夹爪位于收纳箱的一端为朝向轴线的小段，它们的端部各与一根驱动绳一端相连，每个夹爪的大段为自由端。

本发明的工作过程大致如下：伸出时，驱动装置中的电机A通过相互啮合的齿轮A和齿轮B驱动回转盘旋转，缠绕在回转盘上的带齿弹性体经由导向装置和收纳装置后从箱体中伸出，同时，电机B通过绕线轴放出驱动绳，收纳装置中的电机C根据任务需求通过同步带轮驱动同步带旋转，进而带动中间盘滑出收纳槽，滑出之后在弹簧作用下中间盘固定在弹性体上随之运动。各个中间盘放出后，电机B通过驱动绳控制柔性机械臂的各向弯曲。收回时，原理相似，操作相反。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

此类伸缩式变尺度连续型机器人，既具有普通连续型机器人综合性能，又具有自由调节各个连接盘间距的优良特性，还能根据任务需求自由改变机械臂长度；既能够以紧凑的结构尺寸运行在非结构任务空间中，又能改变连接盘间距来改善驱动结构的受力特性，还能够适应多样化任务需求。

附图说明

图1为本发明柔性机械臂向外伸出的立体示意简图。

图2为本发明柔性机械臂向内收缩的立体示意简图。

图3为本发明中间盘工作状态立体示意简图。

图4为本发明中间盘立体示意简图。

图5为本发明主箱体正向局剖立体示意简图。

图6为本发明主箱体反向局剖立体示意简图。

图7为图6的I局部放大示意图。

图8为图6的II局部放大示意图。

图9为本发明收纳机构机械臂外伸状态立体示意简图。

图10为本发明收纳机构机械臂内缩状态立体示意简图。

图11为本发明收纳机构回收中间盘立体示意简图。

图12为本发明中间盘处于收纳状态示意简图。

图中：1-末端执行器、2-末端盘、3-中间盘、4-驱动绳、5-弹性体、6-收纳箱盖、7-收纳箱体、8-主箱盖、9-主箱体、10-电机A、11-齿轮A、12-齿轮B、13-回转盘、14-电机B、15.1-齿轮架A、15.2-齿轮架A、16-齿轮C、17-齿轮架B、18-齿轮D、19-导轮、20-绕线轴、21-支架、22-半盘、23-弹簧、24-拉杆、25-夹具、26-电机C、27-同步带轮、28-同步带、29-导向板、30-收纳槽、31-回转轴、32-轴承。

具体实施方式

在图1和图2所示的伸缩式变尺度连续型机器人示意图中，箱体包括主箱体和收纳箱体，上面设有主箱盖8的主箱体9一侧壁(前侧壁)设有通孔，在该通孔的外壁上设有与其相连的由收纳箱体7和收纳箱盖6组成的收纳箱，收纳箱体及收纳箱盖不仅两者上下相连而且还分别与主箱体相连，同时收纳箱体及收纳箱盖非与主箱体设通孔侧壁相邻但平行的壁(前侧壁)上分别设有向上和向下的开口槽，两开口槽相对呈圆形通孔。所述箱体内设有驱动机构、导向机构、收纳机构、柔性机械臂以及末端执行器，非工作时只有末端执行器1位于收纳箱外，工作时柔性机械臂从收纳箱侧壁的槽孔伸出。

在图5和图6所示的本发明主箱体正反向局剖立体示意简图中，驱动机构的电机A10输出轴上的齿轮A11与齿轮B12啮合，该齿轮B的齿轮轴即回转轴31两端通过滚动轴承32设在支架21上，回转轴还穿过回转盘13中心通孔，该回转盘外周面设有截面呈V型的收纳滚道，并在收纳滚道上设有与弹性体5齿型相啮合的齿槽.在收纳滚道上设有缠绕在回转盘的弹性体5且弹性体的一端固定在回转盘上，弹性体的另一端与末端盘2相连。在弹性体旁的箱体上设有四台电机B14，每台电机的输出轴上各设一根绕线轴20，每根绕线轴上各绕有一端固定于其上的驱动绳4，该驱动绳为钢丝绳，其分别绕过设在主箱体内的导轮19又穿过各中间盘对应的通孔，另一端与末端执行器1夹爪相连。

在回转盘下面设有齿轮架A15.1，其上端中部设与弹性体齿型对应的等腰直角三角形上开口槽，在其两侧各设一个矩形开口槽，两槽内各设与弹性体齿型对应的齿轮C16，且两齿轮C的齿轮轴分别与上开口槽的两个斜面平行，如图7所示。另在靠近收纳箱的主箱体内设有与齿轮架A15.1相似的齿轮架A15.2，其两侧的矩形开口槽内各设一个齿轮D18，在齿轮架A15.2上面设有通过紧固件相连的齿轮架B17，该齿轮架B下端设有与齿轮架A15上面相对的结构，即下端中部设与弹性体齿型对应的等腰直角三角形下开口槽，在其两侧各设一个矩形开口槽，两槽内各设与弹性体齿型对应的齿轮D18，两齿轮D的齿轮轴分别与下开口槽的两个斜面平行，如图8所示。齿轮架A15.2与齿轮架B17两等腰直角三角形开口槽相对的矩形空间与弹性体外形相对应。

在图9和图10所示的本发明收纳机构机械臂伸缩状态立体示意简图中，电机C26、同步带轮27及同步带28组成的同步带组件是在收纳箱体底板后部设有电机C26和支架，在该支架上设有与电机C相连的主同步带轮27，与其对应的从同步带轮设在收纳箱体底板前部，主从同步带轮上设有水平的同步带28，同步带28的内侧设有多个与同步带轮对应的圆弧齿，外侧设有多个间距为2个中间盘3厚度的方形齿；在收纳箱盖顶板上设有另一组与所述的同步带组件上下相对的同步带组件。在收纳箱体内设有两端分别固定在前后壁上的导向板29，其横截面为圆弧条板，并在内侧设有与半盘22导向槽配合的条形凸台，4个导向板29分别与弹性体5外中间盘的四个角对应。所述的收纳槽30为两个上开口门字条形槽，其一个边板通过紧固件固定在收纳箱体非设通孔的侧壁上，收纳槽主体开口宽度大于半盘拉杆24的导杆直径，但收纳槽朝向收纳箱前侧壁的进出口宽度逐渐扩大成喇叭口，如图11所示。

又在图1中，柔性机械臂主要包括弹性体5、末端盘2及中间盘3。其中，所述的弹性体5是由方管和其外壁上所设的与其长度方向垂直的若干正方形凸环组成的带齿长条形物体，且凸环的外形尺寸与收纳箱前侧槽孔对应，该弹性体用镍钛合金制成，具有较高的弹性，其一端固定在回转盘上，另一端与末端盘2相连，所述的末端盘2为类圆盘型结构，其外周面设有4个与收纳箱侧槽孔导向槽对应的开口槽；所述末端盘朝向弹性体一侧的中心处设有与弹性体方管内尺寸对应的凸台。在弹性体上设有若干个中间盘3。如图3和图4所示，中间盘3主要包括半盘22、弹簧23、拉杆24以及夹具25，所述的半盘22类似为半圆形，两个相对组成类圆盘型结构，其外形尺寸与收纳箱侧通孔对应且外周面设有4个与收纳箱侧通孔导向槽对应的开口槽；所述两半盘的两直边上设有相对的两矩形侧开口槽，在每个侧开口槽两侧壁上均设有一端位于开口的凹形导槽，每个半盘上下的两凹形导槽平行相对并与夹具25上下两端的两凸台分别对应组成滑动副，所述两夹具为K字形结构，其一侧中部设有与弹性体方管对应的V形开口槽即齿槽，两半盘上的两齿槽相对组成与弹性体方管对应的方孔，两夹具另一侧上下各一个槽孔，其与半盘开口槽底的槽孔相对组成两对槽孔，每对槽孔内各置有一根弹簧23两夹具另一侧中部通过连接件与拉杆24一端活动连接，所述拉杆24为“Z”形杆状结构，其穿过半盘开口槽底的通孔而位于半盘外的端部与圆柱形导杆上端相连呈门字形，该拉杆与收纳槽30相配合成为滑动副，所述拉杆外形与收纳箱体上圆弧形开口槽的相对的两开口槽对应，如图12所示。另在半盘上设有均布的通孔，其内有驱动绳4穿过，该驱动绳一端与电机B14绕线轴相连，另一端与末端执行器夹爪相连。

末端盘2与非与弹性体相连一侧与末端执行器1相连，其外形尺寸与收纳箱侧通孔对应且外周面设有4个与收纳箱侧通孔导向槽对应的导向开口槽。在导向开口槽相间的外周面设有另外的凹槽，每个凹槽内各设一根铰链轴，每个铰链轴穿过一个曲拐形夹爪折弯处的轴孔，每个夹爪位于收纳箱的一端为朝向轴线的小段，它们的端部各与一根驱动绳一端相连，每个夹爪的大段为自由端。

Claims (1)

1.一种伸缩式变尺度连续型机器人，其特征在于：箱体包括主箱体和收纳箱体，上面设有主箱盖的主箱体前侧壁设有通孔，在该通孔的外壁上设有与其相连的由收纳箱体和收纳箱盖组成的收纳箱，收纳箱体及收纳箱盖不仅两者上下相连而且还分别与主箱体相连，同时收纳箱体及收纳箱盖非与主箱体设通孔侧壁相邻但平行的前侧壁上分别设有向上和向下的圆弧形开口槽，两圆弧形开口槽相对呈圆形通孔，所述箱体内设有驱动机构、导向机构、收纳机构、柔性机械臂以及末端执行器，其中：

驱动机构的电机A输出轴上的齿轮A与齿轮B啮合，该齿轮B的齿轮轴即回转轴两端设在支架上，回转轴还穿过回转盘中心通孔，该回转盘外周面设有截面呈V型的收纳滚道，并在收纳滚道上设有与弹性体齿型相啮合的齿槽，在收纳滚道上设有缠绕在回转盘的弹性体且弹性体的一端固定在回转盘上，弹性体的另一端与末端盘相连，在弹性体旁的箱体上设有四台电机B，每台电机的输出轴上各设一根绕线轴，每根绕线轴上各绕有一端固定于其上的驱动绳，其分别绕过设在主箱体内的导轮又穿过各中间盘对应的通孔，另一端与末端执行器夹爪相连；

导向机构有设在回转盘下面的齿轮架A，其上端中部设与弹性体齿型对应的等腰直角三角形上开口槽，在其两侧各设一个矩形开口槽，两槽内各设与弹性体齿型对应的齿轮C，两齿轮C的齿轮轴分别与上开口槽的两个斜面平行，另在靠近收纳箱的主箱体内设有与齿轮架A相似的齿轮架A，其两侧的矩形开口槽内各设一个齿轮D，在齿轮架A上面设有通过紧固件相连的齿轮架B，该齿轮架B下端设有与齿轮架A上面相对的结构，即下端中部设与弹性体齿型对应的等腰直角三角形下开口槽，在其两侧各设一个矩形开口槽，两槽内各设与弹性体齿型对应的齿轮D，且两齿轮D的齿轮轴分别与下开口槽的两个斜面平行，齿轮架A与齿轮架B两等腰直角三角形开口槽相对的矩形空间与弹性体外形相对应；

收纳机构的电机C、同步带轮及同步带组成的同步带组件是在收纳箱体底板后部设有电机C和支架，在该支架上设有与电机C相连的主同步带轮，与其对应的从同步带轮设在收纳箱体底板前部，主、从同步带轮上设有水平的同步带，同步带的内侧设有多个与同步带轮对应的圆弧齿，外侧设有多个间距为2个中间盘厚度的方形齿；在收纳箱盖顶板上设有另一组与所述的同步带组件上下相对的同步带组件，在收纳箱体内设有两端分别固定在前后壁上的导向板，其横截面为圆弧条板，并在内侧设有与半盘导向槽配合的条形凸台，4个导向板分别与弹性体外中间盘的四个角对应，收纳槽为两个上开口门字条形槽，其一个边板通过紧固件固定在收纳箱体非设通孔的侧壁上，收纳槽主体开口宽度大于半盘拉杆的导杆直径，但收纳槽朝向收纳箱前侧壁的进出口宽度逐渐扩大成喇叭口；

柔性机械臂的弹性体是由方管和其外壁上所设的与其长度方向垂直的若干正方形凸环组成的带齿长条形物体且凸环的外形尺寸与收纳箱前侧槽孔对应，其一端固定在回转盘上，另一端与末端盘相连，所述的末端盘为类圆盘型结构，外周面设有4个与收纳箱侧槽孔导向槽对应的开口槽，所述末端盘朝向弹性体一侧的中心处设有与弹性体方管内尺寸对应的凸台，在弹性体上设有若干个中间盘，中间盘包括半盘、弹簧、拉杆以及夹具，所述的半盘类似为半圆形，两个相对组成类圆盘型结构，其外形尺寸与收纳箱侧通孔对应且外周面设有4个与收纳箱侧通孔导向槽对应的开口槽，两半盘的两直边上设有相对的两矩形侧开口槽，在每个侧开口槽两侧壁上均设有一端位于开口的凹形导槽，每个半盘上下的两凹形导槽平行相对并与夹具上下两端的两凸台分别对应组成滑动副，两夹具为K字形结构，其一侧中部设有与弹性体方管对应的V形开口槽即齿槽，两半盘上的两齿槽相对组成与弹性体方管对应的方孔，两夹具另一侧上下各一个槽孔，其与半盘开口槽底的槽孔相对组成两对槽孔，每对槽孔内各置有一根弹簧，两夹具另一侧中部通过连接件与拉杆一端活动连接，所述拉杆为“Z”形杆状结构，其穿过半盘开口槽底的通孔而位于半盘外的端部与圆柱形导杆上端相连呈门字形，该拉杆与收纳槽相配合成为滑动副，所述拉杆外形与收纳箱体上圆弧形开口槽的相对的两开口槽对应，另在半盘上设有均布的通孔，其内有驱动绳穿过，该驱动绳一端与电机B绕线轴相连，另一端与末端执行器夹爪相连；

末端盘与非与弹性体相连一侧与末端执行器相连，其外形尺寸与收纳箱侧通孔对应且外周面设有4个与收纳箱侧通孔导向槽对应的导向开口槽，在导向开口槽相间的外周面设有另外的凹槽，每个凹槽内各设一根铰链轴，每个铰链轴穿过一个曲拐形夹爪折弯处的轴孔，每个夹爪位于收纳箱的一端为朝向轴线的小段，它们的端部各与一根驱动绳一端相连，每个夹爪的大段为自由端。

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