CN108453722B - 一种基于弹性管的柔性机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于弹性管的柔性机械臂，包括驱动机构和臂段机构，臂段机构包括弹性管和依次相互连接的至少一段关节段，每段关节段包括多个关节模块、多个球关节和多根绳索，关节模块包括凸缘部和两个锥形凸出部，两个锥形凸出部分别设置在凸缘部的两侧，凸缘部连接在两侧的锥形凸出部的底部的圆形延伸处；在每相邻的两个关节模块之间的两个相邻的锥形凸出部的顶端通过球关节铰接，多根绳索的第一端分别连接驱动机构，第二端依次经过多个关节模块之后固定连接在末端的关节模块上；弹性管套合在所有关节段的外部，弹性管分别固定连接在每段关节段的每个关节模块的凸缘部处。本发明能够解决轴向压缩问题，且柔性弯曲效果非常好。

Description

一种基于弹性管的柔性机械臂

技术领域

本发明涉及智能机械臂领域，尤其涉及一种基于弹性管的柔性机械臂。

背景技术

传统的刚性关节型机械臂结构大而重，操作空间较大，灵活性差，在狭窄作业空间环境下的应用受到极大的制约。柔性机械臂由于具有长径比大、自由度多、动作灵活、环境适应能力强等优点，易于在狭窄空间内灵活地调整位姿、扩展工作空间、回避障碍物和克服奇异点。相关技术中的柔性机械臂的关节采用十字万向结构，利用刚性关节的折弯自由度来获得整臂的弯曲角度，刚性关节质量比较笨重，故导致整臂自身过重，需要驱动功率大，同时，利用刚性关节绕轴旋转自由度获得的弯曲曲率小，整臂柔性弯曲效果差；还有一些柔性机械臂采用纯柔性材料来制作，整臂的柔性弯曲效果得到了提高，但是存在轴向压缩问题。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于弹性管的柔性机械臂，能够解决轴向压缩问题，且柔性弯曲效果非常好。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种基于弹性管的柔性机械臂，包括驱动机构和臂段机构，所述臂段机构包括弹性管和依次相互连接的至少一段关节段，每段所述关节段包括多个关节模块、多个球关节和多根绳索，其中：所述关节模块包括凸缘部和两个锥形凸出部，两个所述锥形凸出部分别设置在所述凸缘部的两侧，所述凸缘部连接在两侧的所述锥形凸出部的底部的圆形延伸处；在每相邻的两个所述关节模块之间的两个相邻的所述锥形凸出部的顶端通过所述球关节铰接，多根所述绳索的第一端分别连接所述驱动机构以通过所述驱动机构驱动所述绳索，第二端依次经过多个所述关节模块之后固定连接在末端的所述关节模块上；所述弹性管套合在依次相互连接的所有所述关节段的外部，所述弹性管分别固定连接在每段所述关节段的每个所述关节模块的所述凸缘部处。

优选地，所述臂段机构包括依次相互连接的多段关节段，在每相邻的两段所述关节段的两个相邻的所述关节模块的两个相邻的所述锥形凸出部的顶端也通过所述球关节铰接。

优选地，每个所述关节模块包括两个相互连接的关节单元，每个所述关节单元分别包括凸缘和一个所述锥形凸出部，所述凸缘连接在所述锥形凸出部的底部的圆形延伸处，两个所述关节单元的所述凸缘相互固定连接以使得两个所述凸缘组成所述凸缘部。

优选地，所述球关节固定连接在所述关节模块的其中一个所述锥形凸出部的顶端处，在所述关节模块的另外一个所述锥形凸出部的顶端处固定连接球碗以使得相邻的所述关节模块上的所述球关节能够在所述球碗中相对转动。

优选地，其中所述球关节和所述球碗均采用陶瓷材料制成。

优选地，所述球关节的直径为2～5mm。

优选地，在每个所述关节模块的所述凸缘部处设置多个过绳孔，多根所述绳索的第二端分别依次经过多个所述关节模块上的所述过绳孔之后固定连接在末端的所述关节模块上。

优选地，所述过绳孔的内壁的截面为圆弧状。

优选地，每段所述关节段包括3根所述绳索，在每个所述关节模块的所述凸缘部处相应设置3个所述过绳孔。

优选地，在每个所述关节模块的所述凸缘部的外侧壁处设有多个销钉孔，且在所述弹性管的相应位置处也设有多个孔洞，多个销钉从所述弹性管的所述孔洞穿入到所述凸缘部的所述销钉孔内以将所述弹性管与所述关节模块固定连接。

优选地，在每个所述关节模块的所述凸缘部的外侧壁处沿圆周均布3个所述销钉孔，且在所述弹性管的相应位置处设置所述孔洞，以使得每个所述关节模块通过3个所述销钉与所述弹性管固定连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明公开的基于弹性管的柔性机械臂通过球关节实现各个关节模块之间的铰接，以及采用弹性管连接整个臂段机构，其中弹性管与每个关节模块固定连接，并结合采用绳索来驱动控制每段关节段使得通过驱动绳索能够带动每相邻两个关节模块之间的弹性管朝任意方向弯曲变形以及球关节任意方向的偏转，使得该柔性机械臂的柔性弯曲效果非常好，具有很高的柔顺性，且结构紧凑、自由度高、操作灵活性强、具有狭窄空间作业的能力；另外本发明的基于弹性管的柔性机械臂保证了臂段机构部分轴向不可压缩或伸长，解决了以纯柔性材料制作的机械臂存在的轴向压缩问题。

附图说明

图1是本发明优选实施例的基于弹性管的柔性机械臂的结构示意图；

图2是图1中的关节段的部分结构示意图；

图3是图2的部分剖面示意图；

图4是球关节铰接连接的结构示意图；

图5是过绳孔的结构示意图；

图6a和图6b是通过销钉连接弹性管和关节模块的结构示意图；

图7是弹性管的结构示意图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明优选实施例公开了一种基于弹性管的柔性机械臂，包括臂段机构10和驱动机构20，结合图2，臂段机构10包括弹性管11和依次相互连接的5段关节段，弹性管11整体套合在依次相互连接的5段关节段的外部，每段关节段包括多个关节模块12、多个球关节13和多根绳索14。

结合图3，关节模块12包括两个相互连接的关节单元121、122，关节单元121分别包括锥形凸出部1211和凸缘1212，关节单元122包括锥形凸出部1221和凸缘1222，凸缘1212、1222分别连接在锥形凸出部1211、1221的底部的圆形延伸处，凸缘1212、1222相互固定连接以组成凸缘部，且其中锥形凸出部1211、1221相背设置，也即分别设置在凸缘部的两侧，其中锥形凸出部1211、1221分别采用辐条式结构。

在每相邻的两个关节模块12的两个相邻的锥形凸出部1211、1221的顶部通过球关节13铰接，在本实施例中，结合图4，球关节13固定连接在锥形凸出部1211的顶部，锥形凸出部1221的顶部固定连接球碗12211，在两个相邻的锥形凸出部1211、1221的顶部通过球关节13铰接时，球关节13能够在球碗12211内相对转动以使得每相邻两个关节模块12之间能够往任意方向偏转。其中，球关节和球碗均采用陶瓷材料制成，具体地，球关节采用氮化硅陶瓷材料制成，球碗采用氧化锆陶瓷材料制成，以使得每相邻两个关节模块12之间的球关节铰接更加耐磨，更加顺滑。另外，在每相邻的两段关节段之间的两个相邻的关节模块12的两个相邻的锥形凸出部1211、1221的顶端也通过球关节13铰接。

结合图5，多根绳索14的第一端分别连接驱动机构20以通过驱动机构20驱动绳索14，第二端依次经过多个关节模块12上的过绳孔15之后固定连接在末端的关节模块12上，其中过绳孔15设置在凸缘1212、1222上，且过绳孔15的内壁的截面为圆弧状，圆弧的顶部与绳索14相切，以让绳索14在过绳孔15内滑动时更加顺畅。

结合图6a和图6b，在每个关节模块12的凸缘1222、1212组成凸缘部的外侧壁处设有多个销钉孔123，且结合图7，在弹性管11的相应位置处也设有多个孔洞111，多个销钉16从弹性管11的孔洞111穿入到凸缘部的销钉孔123内以将弹性管11与关节模块12固定连接。

在优选的实施例中，多个过绳孔15、多个销钉16分别沿着关节模块12的凸缘部的圆周方向均匀设置。

在本具体的实施例中，每段关节段包括6个关节模块12和3根(或者3根以上)绳索14，在每个关节模块12的凸缘部处相应设置3个(或者3个以上)过绳孔15；每个关节模块12与弹性管11通过3个(或者3个以上)销钉16连接。

在一些实施例中，关节模块12的两个关节单元121、122分别采用镁铝合金制成，但也不限于镁铝合金；弹性管11采用冷轧铝管制成；球关节13的直径为2～5mm，使得各个关节模块12之间的摩擦力非常小，在具体的实施例中，球关节13的直径为3mm。

本发明优选实施例的基于弹性管的柔性机械臂的工作原理为：通过驱动机构20分别连接并控制每根绳索14的第一端，收放每根绳索14使得每根绳索14依次沿着过绳孔15滑动，由于每根绳索14的第二端分别固定连接在各关节段的末端的关节模块12上，从而能够使得每相邻两个关节模块12之间的弹性管11朝任意方向弯曲变形，每相邻两个关节模块12之间的球关节13具有任意方向的偏转自由度，能够往任意方向偏转，通过控制每根绳索14的收放长度来驱动实现对每段关节段末端位置的控制，进一步通过控制各关节段末端位置实现柔性机械臂末端位置的控制。也即通过驱动绳索使得各个关节模块12之间相互转动，弹性管11弯曲变形，控制关节段末端关节模块12的位置，通过各关节段末端实现柔性机械臂末端位置的控制。

本发明优选实施例的基于弹性管的柔性机械臂通过球关节实现各个关节模块之间的铰接，以及采用弹性管连接整个臂段机构，其中弹性管与每个关节模块固定连接使得每相邻两个关节模块之间保持张力，并结合采用绳索来驱动控制每段关节段使得通过驱动绳索能够带动每相邻两个关节模块之间的弹性管朝任意方向弯曲变形以及球关节任意方向的偏转，使得该柔性机械臂的柔性弯曲效果非常好，具有很高的柔顺性，且结构紧凑、自由度高、操作灵活性强、具有狭窄空间作业的能力；另外本发明优选实施例的基于弹性管的柔性机械臂保证了臂段机构部分轴向不可压缩或伸长，解决了以纯柔性材料制作的机械臂存在的轴向压缩问题。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于弹性管的柔性机械臂，其特征在于，包括驱动机构和臂段机构，所述臂段机构包括弹性管和依次相互连接的至少一段关节段，每段所述关节段包括多个关节模块、多个球关节和多根绳索，其中：

所述关节模块包括凸缘部和两个锥形凸出部，两个所述锥形凸出部分别设置在所述凸缘部的两侧，所述凸缘部连接在两侧的所述锥形凸出部的底部的圆形延伸处；其中每个所述关节模块包括两个相互连接的关节单元，每个所述关节单元分别包括凸缘和一个所述锥形凸出部，所述凸缘连接在所述锥形凸出部的底部的圆形延伸处，两个所述关节单元的所述凸缘相互固定连接以使得两个所述凸缘组成所述凸缘部，两个所述关节单元的锥形凸出部相背设置以分别设置在所述凸缘部的两侧，且两个所述关节单元的锥形凸出部分别采用辐条式结构；

在每相邻的两个所述关节模块之间的两个相邻的所述锥形凸出部的顶端通过所述球关节铰接，多根所述绳索的第一端分别连接所述驱动机构以通过所述驱动机构驱动所述绳索，第二端依次经过多个所述关节模块之后固定连接在末端的所述关节模块上；

所述弹性管套合在依次相互连接的所有所述关节段的外部，所述弹性管分别固定连接在每段所述关节段的每个所述关节模块的所述凸缘部处，具体地，在每个所述关节模块的所述凸缘部的外侧壁处设有多个销钉孔，且在所述弹性管的相应位置处也设有多个孔洞，多个销钉从所述弹性管的所述孔洞穿入到所述凸缘部的所述销钉孔内以将所述弹性管与所述关节模块固定连接。

2.根据权利要求1所述的柔性机械臂，其特征在于，所述臂段机构包括依次相互连接的多段关节段，在每相邻的两段所述关节段的两个相邻的所述关节模块的两个相邻的所述锥形凸出部的顶端也通过所述球关节铰接。

3.根据权利要求1所述的柔性机械臂，其特征在于，所述球关节固定连接在所述关节模块的其中一个所述锥形凸出部的顶端处，在所述关节模块的另外一个所述锥形凸出部的顶端处固定连接球碗以使得相邻的所述关节模块上的所述球关节能够在所述球碗中相对转动。

4.根据权利要求3所述的柔性机械臂，其特征在于，其中所述球关节和所述球碗均采用陶瓷材料制成。

5.根据权利要求1所述的柔性机械臂，其特征在于，所述球关节的直径为2～5mm。

6.根据权利要求1所述的柔性机械臂，其特征在于，在每个所述关节模块的所述凸缘部处设置多个过绳孔，多根所述绳索的第二端分别依次经过多个所述关节模块上的所述过绳孔之后固定连接在末端的所述关节模块上。

7.根据权利要求6所述的柔性机械臂，其特征在于，所述过绳孔的内壁的截面为圆弧状；优选地，每段所述关节段包括3根所述绳索，在每个所述关节模块的所述凸缘部处相应设置3个所述过绳孔。

8.根据权利要求1所述的柔性机械臂，其特征在于，在每个所述关节模块的所述凸缘部的外侧壁处沿圆周均布3个所述销钉孔，且在所述弹性管的相应位置处设置所述孔洞，以使得每个所述关节模块通过3个所述销钉与所述弹性管固定连接。

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