CN108501039B - 一种基于球铰接的柔性机械臂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于球铰接的柔性机械臂，包括驱动机构和臂段机构，臂段机构包括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、多根绳索和多个弹性连接模块，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通过多个弹性连接模块连接，且在每相邻的两个关节模块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以通过驱动机构驱动绳索，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。本发明能够解决横向压缩问题，且柔性弯曲效果非常好。

Description

一种基于球铰接的柔性机械臂
技术领域
本发明涉及智能机械臂领域，尤其射击一种基于球铰接的柔性机械臂。
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球铰接的柔性机械臂，能够解决横向压缩问题，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球铰接的柔性机械臂，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、多根绳索和多个弹性连接模块，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通过多个所述弹性连接模块连接，且在每相邻的两个所述关节模块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。
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之间的两个相邻的所述关节模块之间也通过多个所述弹性连接模块连接，且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，每个所述弹性连接模块包括弹簧和两个弹簧座，两个所述弹簧座分别固定连接在两个相邻的所述关节模块的所述凸缘部处，所述弹簧的两端分别固定连接在两个所述弹簧座上。
优选地，每段所述关节段包括3个所述关节模块。
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上设有多个导绳模块，多个所述导绳模块分别连接在每个所述关节模块的所述凸缘部上，多根所述绳索的第二端依次经过多个所述关节模块上的所述导绳模块的引导之后固定连接在末端的所述关节模块上。
优选地，所述导绳模块包括滚轮和滚轮轴，所述滚轮可相对转动地连接在所述滚轮轴上，所述滚轮轴固定连接在所述关节模块的所述凸缘部处，其中所述绳索贴合在所述滚轮上。
优选地，多个所述导绳模块、多个所述弹性连接模块分别沿着所述关节模块的所述凸缘部的圆周方向均匀设置。
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上相应连接3个所述导绳模块，在每相邻的两个所述关节模块之间通过3n个所述弹性连接模块连接，n为正整数。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明公开的基于球铰接的柔性机械臂通过球关节实现各个关节模块之间的铰接，以及采用弹性连接模块连接每相邻的两个关节模块，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弹性连接模块拉伸或压缩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，同时该柔性机械臂通过多个模块相互连接组成从而便于组装不同尺寸的机械臂；另外还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球铰接的柔性机械臂的结构示意图；
图2是图1中的臂段机构中的一段关节段的结构示意图；
图3是图2中的导绳模块的结构示意图；
图4是图2中的弹性连接模块的结构示意图；
图5是图4中的剖面示意图。
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球铰接的柔性机械臂，包括臂段机构10和驱动机构20，臂段机构10包括依次相互连接的多段关节段，其中关节段的结构如图2所示，每段关节段包括多个关节模块11、多个球关节12、多根绳索13、多个导绳模块14和多个弹性连接模块15。
关节模块11包括两个相互连接的关节单元111，每个关节单元111包括锥形凸出部1111和凸缘1112，凸缘1112连接在锥形凸出部1111的底部的圆形延伸处，两个关节单元111的凸缘1112相互固定连接以使得两个凸缘1112组成凸缘部，且其中两个关节单元111的的锥形凸出部1111相背设置，也即分别设置在凸缘部的两侧，其中锥形凸出部1111采用辐板式结构；多个导绳模块14分别连接在每个关节模块11的凸缘部处。
在每相邻的两个关节模块11之间通过多个弹性连接模块15连接，且在每相邻的两个关节模块11的两个相邻的锥形凸出部1112的顶部通过球关节12铰接，多根绳索13的第一端分别连接在驱动机构20以通过驱动机构20驱动绳索13，第二端依次经过多个关节模块11上的导绳模块14的引导之后固定连接在末端的关节模块11上。
另外，在每相邻的两段关节段之间的两个相邻的关节模块11之间也通过多个弹性连接模块15连接，且在每相邻的两段关节段的两个相邻的关节模块11的两个相邻的锥形凸出部1112的顶端也通过球关节12铰接。
结合图3，导绳模块14包括滚轮141和滚轮轴142，滚轮141可相对转动地连接在滚轮轴142上，滚轮轴142固定连接在关节模块11的凸缘部处，滚轮141可以相对于滚轮轴142转动，其中绳索13贴合在滚轮141上。
结合图4和图5，每个弹性连接模块15包括弹簧151和两个弹簧座152，两个弹簧座152分别固定连接在两个相邻的关节模块11的凸缘部处，弹簧152的两端分别固定连接在两个弹簧座152上以将两个相邻的关节模块11相互连接起来并保持张力。
在优选的实施例中，多个导绳模块14、多个弹性连接模块15分别沿着关节模块11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3个关节模块11和3根绳索13，在每个关节模块11上相应连接3个导绳模块14；在每相邻的两个关节模块11之间通过3个弹性连接模块15，或者是3的倍数个，使得柔性机械臂由受力状态至自由状态的恢复性能好。
在一些实施例中，关节模块11和球关节12采用镁铝合金制成，但也不限于美铝合金；球关节12的直径为2～5mm，使得各个关节模块11之间的摩擦力非常小，在具体的实施例中，球关节12的直径为3mm。
本发明优选实施例的基于球铰接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13的第一端，收放每根绳索13使得每根绳索13依次沿着导绳模块14滑动，滚轮141转动，由于每根绳索13的第二端分别固定连接在各关节段的末端的关节模块11上，从而能够压缩每相邻两个关节模块11之间的多个弹性连接模块15的弹簧151，每相邻两个关节模块11之间的球关节12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13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。
本发明优选实施例的基于球铰接的柔性机械臂通过球关节实现各个关节模块之间的铰接，以及采用弹性连接模块连接每相邻的两个关节模块，关节模块之间由弹簧使其保持张力，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弹簧拉伸或压缩以及球关节任意方向的偏转实现关节间的偏转自由度，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，同时该柔性机械臂通过多个模块相互连接组成从而便于组装不同尺寸的机械臂；另外还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)

1.一种基于球铰接的柔性机械臂，其特征在于，包括驱动机构和臂段机构，所述臂段机构包括依次相互连接的多段关节段，每段所述关节段包括多个关节模块、多个球关节、多根绳索和多个弹性连接模块，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通过多个所述弹性连接模块连接，每个所述弹性连接模块包括弹簧和两个弹簧座，两个所述弹簧座分别固定连接在两个相邻的所述关节模块的所述凸缘部处，所述弹簧的两端分别固定连接在两个所述弹簧座上；且在每相邻的两个所述关节模块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；
在每相邻的两段所述关节段之间的两个相邻的所述关节模块之间也通过多个所述弹性连接模块连接，且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。
2.根据权利要求1所述的柔性机械臂，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述的柔性机械臂，其特征在于，每段所述关节段包括3个所述关节模块。
4.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。
5.根据权利要求1至4任一项所述的柔性机械臂，其特征在于，在每个所述关节模块上设有多个导绳模块，多个所述导绳模块分别连接在每个所述关节模块的所述凸缘部上，多根所述绳索的第二端依次经过多个所述关节模块上的所述导绳模块的引导之后固定连接在末端的所述关节模块上。
6.根据权利要求5所述的柔性机械臂，其特征在于，所述导绳模块包括滚轮和滚轮轴，所述滚轮可相对转动地连接在所述滚轮轴上，所述滚轮轴固定连接在所述关节模块的所述凸缘部处，其中所述绳索贴合在所述滚轮上。
7.根据权利要求5所述的柔性机械臂，其特征在于，多个所述导绳模块、多个所述弹性连接模块分别沿着所述关节模块的所述凸缘部的圆周方向均匀设置。
8.根据权利要求5所述的柔性机械臂，其特征在于，每段所述关节段包括3根所述绳索，在每个所述关节模块上相应连接3个所述导绳模块，在每相邻的两个所述关节模块之间通过3n个所述弹性连接模块连接，n为正整数。
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