CN109262632B - 一种多关节轻型轮椅机械手臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多关节轻型轮椅机械手臂,包括轮椅移动平台、机械手爪、机械臂、驱动电机和驱动控制箱。所述机械手爪安装在机械臂上实现一种辅助抓取的功能，机械臂安装在轮椅移动平台左侧的基座上，而该轮椅机械手臂的关节运动是利用软绳传动的方式实现的；所述驱动控制箱固定在轮椅的背面，驱动机械臂关节转动的电机安装在驱动控制箱内，通过软绳传动的方式将电机的动力传递机械臂各运动关节处，达到一种对多关节轮椅机械手臂分离驱动的目的，这种驱动方式使轮椅机械手臂的结构更加简单，重量更加轻便，操作更加灵活。本发明通过将轮椅与机械手臂的结合，实现对老年人和残疾人日常生活的帮助。

Description

一种多关节轻型轮椅机械手臂

技术领域

本发明涉及一种依靠软绳传动的方式来完成驱动的多关节轻型轮椅机械手臂的结构，属于一种能够完成助老助残任务的服务型轮椅机器人。

背景技术

传统方式的机械臂是将驱动机构直接安装在机械臂的关节处，这使得机械臂的结构过于复杂、体积质量大、增加了机械臂的转动惯量、降低了机械臂负载能力和运动性能，同时很不适合安装于轮椅移动平台上，会使轮椅出现偏重而容易发生侧翻。

为了降低机械臂的重量，提高机械臂的负载自重比和动态性能，有人提出了利用绳驱动的方式来驱动机械臂关节运动。绳驱动技术是将机械臂的驱动机构安装在机械臂本体外部，利用绳索远程传递驱动机构的动力，实现对关节转动的控制。

公开号CN102672715B的中国专利公开了一种助老/助残用绳驱动机械臂，利用两根拉绳驱动一个关节的方式，解决了绳驱动过程中只能拉绳不能压缩的问题，而其驱动系统是采用的带-绳驱动式的机械结构。本发明在机械臂转动关节的驱动上全部依靠软绳传递动力的方式来控制机械臂关节的转动，使关节机械臂的结构更加灵巧，更适合安装在轮椅上组成助老助残服务型机器人。

发明内容

本发明为了克服服务型轮椅机械手臂系统中机械手臂结构存在的不足之处，提供一种多关节轻型轮椅机械手臂，本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种多关节轻型轮椅机械手臂，所述的机械手臂是利用软绳传动的方式实现关节的驱动，其安装在电动轮椅移动平台的左侧，机械臂在轮椅上由机械手爪完成一种辅助抓取夹持的功能，机械臂关节的驱动电机安装在机械臂外部的驱动控制箱内，驱动控制箱固定在轮椅移动平台的后面，实现对多关节机械臂的分离驱动，而轮椅由驱动轮上的电机带动，多关节轻型轮椅机械臂系统由安装在轮椅右侧的操作杆来进行运动控制，轮椅后面的蓄电池提供运动的电力。通过构建这种助老助残轮椅机械手臂系统来帮助残障人士提高生活自理能力，从而更好的融入社会。

一种在关节转动驱动方式上依靠软绳传动的多关节机械手臂，其包括机械手爪、机械臂转动关节、机械臂腰部旋转关节、轮椅移动平台、软绳传动系统、驱动控制箱和驱动电机。机械手爪是绳驱动多关节机械臂的执行部件完成对物品的抓取实现机械臂的执行功能，转动关节分别完成小臂结构的水平转动，中间臂的结构和大臂的结构在垂直面内绕轴转动，机械臂腰部旋转关节是整个机械手臂的支撑，同时完成带动机械手臂整体绕轴旋转增加机械臂的工作范围，驱动电机是机械臂的各个关节转动的动力来源，机械臂腰部旋转关节的驱动电机安装在轮椅移动平台上机械臂基座的下面，与机械臂基座上面的谐波减速机通过平键方式连接完成对腰部旋转关节的直接驱动，而其他机械臂转动关节的驱动电机安装在驱动控制箱内与机械臂转动关节实现分离驱动控制，机械臂关节上对应的驱动电机，通过软绳传动系统来传递驱动电机的转动动力。

所述机械臂的转动关节分别是机械臂的小臂与中臂、中间臂与大臂、大臂与机械臂腰部之间的连接关节，而转动关节中包括两个滚动轴承，传动软绳，上、下轴盖和从动螺旋绳轴，从动螺旋绳轴是机械臂驱动系统的从动轮轴，执行软绳传动方式传递的驱动电机的动力，其两端安装两个滚动轴承，并利用螺钉通过上下轴盖固定，两根动力传递软绳反方向的旋绕在从动螺旋轴两端的旋转绳槽内，然后通过臂体下轴盖预留孔的位置穿过臂体内部到达驱动控制箱上；螺旋绳槽可以有效地避免软绳在缠绕转轴的过程中出现重叠、交叉等影响机械臂关节转动的情况，使得软绳在传动的过程中按绳槽的螺旋方向带动臂体转轴转动。

进一步地，所述机械手臂转动关节的软绳传动方式实现了一种分离驱动的目的，这种传动方式主要是在机械臂关节运用一对软绳来传递动力，软绳一端旋绕于机械臂关节处的从动螺旋绳轴，另一端旋绕在驱动电机带动的主动螺旋绳轮上，软绳的走线是经过机械臂的臂体内，而驱动电机与主动螺旋绳轮之间通过平键来连接，绳套的固定装置安装在控制箱的箱体上，通过调节其安装位置来完成软绳套的预紧，由于软绳是穿过软绳套来完成动力的传递，所以软绳套在机械臂臂体内的走线形式确定了软绳的走线。

进一步地，所述基于软绳传动的轻型轮椅关节机械臂，由于实现了关节驱动电机的分离驱动的目的，极大地简化了机械臂的整体机械结构，大大减轻了机械臂的自重，使得该多关节机械手臂安装在轮椅移动平台上而不出现重心过度偏移，本发明涉及的关机机械臂的臂体可以采用一体化设计其机械结构。

进一步地，所述主动螺旋绳轮和从动螺旋绳轴上两端加工有方向相反的同等螺旋绳槽，传动软绳长度相同方向相反的旋绕在螺旋绳槽内来保证精确的传动，轮、轴的直径之比为其传动速比和软绳在绳槽内走线长度之比，螺旋绳槽的槽深为软绳的半径, 螺距大于软绳的直径，传动软绳在螺旋绳槽内的旋绕圈数为在螺旋绳槽圈数的一半，从而满足在正反两个方向的传动过程中完成绕螺旋绳槽的旋绕和松开；当驱动电机转动时，正反两个方向的传动软绳按照主动螺旋绳轮上的螺旋绳槽旋绕或者松开，从而带动传动软绳在软绳套内移动，而传动软绳的另一端将会按照从动螺旋绳轴上的螺旋绳槽松开或者旋绕来带动机械臂关节转动，完成驱动动力的传递，可以实现机械臂的关节至少180度的转动。

本发明提出的一种多关节轻型轮椅机械手臂采用软绳传动的方式实现关节驱动动力的传递，达到分离驱动的目的，大大减轻了机械手臂自身的重量和机械结构的复杂程度，将机械臂与轮椅移动平台结合可以有效地完成助老助残任务。

附图说明

图1为一种多关节轻型轮椅机械手臂的整体结构示意图。

图2为图1中一种多关节轻型轮椅机械手臂背面结构示意图。

图3为图1中多关节机械手臂结构示意图。

图4为图1中驱动控制箱的结构示意图。

图5为图1中机械臂腰部回转结构在轮椅移动平台上安装示意图。

图6为主动螺旋绳轮与传动软绳结构示意图。

图7为机械臂的转动关节结构示意图。

图8为机械臂的臂体内走线结构示意图。

图中：1机械手爪、2操作杆、3轮椅驱动电机、4驱动电机I、5机械臂基座、6驱动控制箱、7轮椅机械臂平台、8机械臂、9蓄电池、10小臂结构、11中间臂结构、12大臂结构、13腰部结构、14机械臂转动关节（14a第一转动关节、14b第二转动关节、14c第三转动关节）、15软绳套、16软绳套固定装置、17驱动电机II、18传动软绳、19主动螺旋绳轮、20谐波减速机、21软绳固定预紧位置、22螺钉、23上轴盖、24滚针轴承、25从动螺旋绳轴、26螺钉、27臂体下轴盖、28臂体内走线孔位置、29软绳套固定位置。

具体实施方式

下面结合附图及对本发明做具体描述。

如图1所示为多关节轻型轮椅机械手臂的整体结构示意图。

如图2所示为一种多关节轻型轮椅机械手臂背面结构示意图。

本发明是一种基于软绳传动的多关节轻型轮椅机械手臂结构，包括机械手爪（1）、操作杆（2）、轮椅驱动电机（3）、驱动电机I（4）、机械臂基座（5）、驱动控制箱（6）、轮椅移动平台（7）、机械臂（8）和蓄电池（9）组成。机械手爪（1）安装在机械臂（8）上，是机械臂（8）的末端执行部件来实现对目标物体进行抓取，机械臂（8）安装在机械臂基座（5）上面，机械臂基座（5）固定在轮椅移动平台（7）的左侧，操作杆（2）固定在轮椅的右侧，完成对多关节轮椅机械手臂系统的运动操纵，轮椅移动平台由轮椅驱动电机（3）采用前轮驱动的方式来带动，多关节轻型轮椅机械手臂系统由蓄电池（9）提供动力，所述驱动控制箱固定在轮椅移动平台（7）的后面，机械臂转动关节的驱动电机安装在驱动控制箱（6）内，通过软绳传动系统将动力传递到机械臂（8）各关节上，实现对机械臂转动关节的分离驱动。

如图3所示为多关节机械手臂结构示意图。

如图5所示为机械臂腰部回转结构在轮椅移动平台上安装示意图。

所述的多关节机械手臂的整体结构包括机械手爪（1），小臂结构（10）、第一转动关节（14a）、中间臂结构（11）、第二转动关节（14b）、大臂结构（12）、第三转动关节（14c）和腰部结构（13）；小臂结构（10）与中间臂结构（11）通过第一转动关节（14a）连接，中间臂结构（11）与大臂结构（12）通过第二转动关节（14b）连接，中间臂结构与腰部结构（13）通过第三转动关节（14c）连接；腰部结构（13）装有谐波减速机（20）并安装在机械臂基座（5）上面，驱动电机I（4）安装在机械臂基座（5）下面，机械臂基座（5）固定在轮椅移动平台（7）的左侧，该多关节机械手臂的腰部结构（13）的运动由驱动电机I（4）来直接驱动完成。

如图4所示为多关节机械手臂的驱动控制箱结构示意图。

如图6所示为主动螺旋绳轮与传动软绳结构示意图。

所述驱动控制箱（6）安装了机械臂转动关节（14）的驱动电机II（17），机械臂（8）各转动关节的驱动方式的结构是一致的，包括驱动电机II（17）、软绳套（15）、绳套固定装置（16）、传动软绳（18）和主动螺旋绳轮（19）；所述的主动螺旋绳轮（19）上加工有方向相反的同等螺旋绳槽，传动软绳（18）长度相同方向相反的旋绕在螺旋绳槽内来保证传动的精确，传动软绳（18）通过螺钉（22）分别固定在主动螺旋绳轮（19）两端的软绳固定预紧位置（21）上。

所述软绳套（15）一端固定在绳套固定装置（16）上，可以通过对绳套固定装置（16）安装位置的调节实现软绳套（15）的预紧，主动螺旋绳轮（19）通过平键与驱动电机II（17）连接，传动软绳（18）穿过软绳套（15）固定到主动螺旋绳轮（19）上；机械臂（8）的每一个转动关节都是由一对传动软绳（18）传递驱动电机的动力实现转动关节的正反转动，每一对动力传递软绳（18）的一端分别固定并预紧在主动螺旋绳轮（19）上，另一端利用滚针轴承（24）卡紧固定在从动螺旋绳轴（25）上；当机械臂转动关节的驱动电机II（17）转动时，牵动传动软绳（18）按主动螺旋绳轮（19）上的螺旋绳槽旋绕或者松开，从而带动传动软绳（18）在软绳套（15）内移动，而传动软绳（18）的另一端将会按照从动螺旋绳轴（25）上的螺旋绳槽松开或者旋绕来带动机械臂关节的转动，完成驱动动力的传递，可以实现机械臂的关节至少180度的转动。

如图7所示为机械臂的转动关节结构示意图。

如图8所示为机械臂的臂体内走线结构示意图。

所述机械臂的转动关节的结构相同，均是由上轴盖（23）、滚针轴承（24）、从动螺旋绳轴（25）和臂体下轴盖（27）组成；滚针轴承（24）安装在从动螺旋轴（25）两端，并安放在臂体下轴盖（27）相应位置，上轴盖（23）通过螺钉（26）装配固定在臂体下轴盖（27）上，从而构成机械臂转动关节（14）；所述从动螺旋绳轴（25）上同样加工有方向相反的同等螺旋绳槽，传动软绳（18）利用滚针轴承（24）卡紧固定在从动螺旋绳轴（25）上，而软绳套（15）一端安装固定在绳套固定装置（16）上，另一端固定在机械臂的臂体内的软绳套固定位置（29）内，软绳套（15）穿过臂体内走线孔位置（28）在机械臂内部完成走线。

所述主动螺旋绳轮（19）和从动螺旋绳轴（25）上两端均加工有方向相反的同等螺旋绳槽，传动软绳（18）长度相同方向相反的旋绕在螺旋绳槽内来保证精确的传动，轮、轴的直径之比为其传动速比和软绳在绳槽内走线长度之比，螺旋绳槽的槽深为软绳的半径, 螺距大于软绳的直径，传动软绳（18）在螺旋绳槽内的旋绕圈数为在螺旋绳槽圈数的一半，满足在正反两个方向的传动过程中完成绕螺旋绳槽的旋绕和松开。

本发明采用一种轻型多关节机械臂安装在轮椅移动平台上组成助老助残服务型轮椅机械手臂系统，利用软绳传动的方式实现对多关节机械臂转动关节的分离驱动，有效地减小了机械臂外形结构和机械臂的自重。

本发明上述实施方案，只是举例说明，不是仅有的，所有在本发明范围内或等同本发明的范围内的改变均被本发明包围。

Claims (3)

1.一种多关节轻型轮椅机械手臂系统，包括机械手爪（1）、操作杆（2）、机械臂（8）、驱动控制箱（6）和轮椅移动平台（7）；其特征在于机械手爪（1）安装在机械臂（8）上，是机械臂（8）的末端执行部件来实现对目标物体抓取，机械臂（8）安装在机械臂基座（5）上面，机械臂基座（5）固定在轮椅移动平台（7）的左侧，操作杆（2）固定在轮椅的右侧，完成对多关节轮椅机械手臂系统的运动操纵，所述驱动控制箱（6）固定在轮椅移动平台（7）的后面，驱动电机II（17）安装在驱动控制箱（6）内，通过软绳传动的方式将动力传递到机械臂（8）各关节上，实现对机械臂转动关节（14）的分离驱动，机械臂转动关节（14）包括第一转动关节（14a）、第二转动关节（14b）和第三转动关节（14c）；机械臂（8）是由小臂结构（10）、中间臂结构（11）、大臂结构（12）和腰部结构（13）组成；小臂结构（10）与中间臂结构（11）通过第一转动关节（14a）连接，中间臂结构（11）与大臂结构（12）通过第二转动关节（14b）连接，中间臂结构（11）与腰部结构（13）通过第三转动关节（14c）连接；机械臂转动关节（14）是均由上轴盖（23）、滚针轴承（24）、从动螺旋绳轴（25）和臂体下轴盖（27）组成；滚针轴承（24）安装在从动螺旋绳轴（25）两端，并安放在臂体下轴盖（27）相应位置，上轴盖（23）通过螺钉（26）装配固定在臂体下轴盖（27）上，从而构成机械臂转动关节（14）；机械臂（8）是由主动螺旋绳轮（19），从动螺旋绳轴（25）、传动软绳（18）和软绳套（15）组成的软绳传动方式来实现对机械臂转动关节（14）的动力传递；所述的主动螺旋绳轮（19）连接在驱动电机II（17）的动力输出位置上，并固定在驱动控制箱（6）上；所述的传动软绳（18）穿过软绳套（15）实现动力的传递，其一端通过螺钉（22）预紧固定在软绳固定预紧位置（21）上，另一端利用滚针轴承（24）卡紧固定在从动螺旋绳轴（25）上，而软绳套（15）一端安装固定在软绳套固定装置（16）上，另一端固定在软绳套固定位置（29）内，软绳套（15）穿过臂体内走线孔位置（28）实现在机械臂（8）的内部走线。

2.根据权利要求1所述的多关节轻型轮椅机械手臂系统，其特征在于机械臂的腰部结构（13）装有谐波减速机（20）并安装在机械臂基座（5）的上面，驱动电机I（4）安装在机械臂基座（5）的下面，机械臂基座（5）固定在轮椅移动平台（7）的左侧。

3.根据权利要求1所述的多关节轻型轮椅机械手臂系统，其特征在于主动螺旋绳轮（19）通过软绳传动方式驱动从动螺旋绳轴（25）转动，实现机械臂转动关节（14）的运动；所述主动螺旋绳轮（19）和从动螺旋绳轴（25）上两端均加工了方向相反的同等螺旋绳槽，传动软绳（18）长度相同方向相反的旋绕在螺旋绳槽内来保证精确的传动，轮、轴的直径之比为其传动速比和软绳在绳槽内走线长度之比，螺旋绳槽的槽深为软绳的半径,螺距大于软绳的直径，传动软绳（18）在螺旋绳槽内的旋绕圈数为在螺旋绳槽圈数的一半，从而满足在正反两个方向的传动过程中完成绕螺旋绳槽的旋绕和松开。