CN109895079B

CN109895079B - 一种全自由度连续体机械臂

Info

Publication number: CN109895079B
Application number: CN201910323771.7A
Authority: CN
Inventors: 邢志广; 赵建文; 林俊; 王封旭
Original assignee: Harbin Institute of Technology Weihai
Current assignee: Harbin Institute of Technology Weihai
Priority date: 2019-04-22
Filing date: 2019-04-22
Publication date: 2022-03-04
Anticipated expiration: 2039-04-22
Also published as: CN109895079A

Abstract

本发明提供一种全自由度连续体机械臂，其解决了现有自由度机械臂结构复杂和自由度较差的技术问题，其包括驱动组件、齿轮组件和伸缩组件，驱动组件包括四个驱动电机，四个驱动电机的输出端分别连接蜗杆轴，四个蜗杆轴的另一端分别通过滑动轴承连接到丝杆支座；齿轮组件包括分别与四个蜗杆轴相配合的齿轮，驱动电机驱动蜗杆轴带动齿轮转动，齿轮中心设有齿轮轴，齿轮轴两端分别通过球轴承固定在电机安装座上，齿轮轴的一端穿过电机安装座设有绕线辊，绕线辊中心设置丝杠，丝杠与绕线辊螺旋配合，丝杠的顶端固定在丝杆支座上，绕线辊相对于丝杠直线运动；伸缩组件包括牵引绳和弹性骨架，本发明可广泛应用于连续体机器人领域。

Description

一种全自由度连续体机械臂

技术领域

本发明涉及连续体机器人领域，尤其是涉及一种全自由度连续体机械臂。

背景技术

超冗余自由度机械臂是一种具有很多自由度的机器人系统，一般为欠驱动无穷自由度，具有良好的柔顺性和灵活度，在工业和医疗内窥方面有非常广阔的应用前景；传统的超冗余机械臂驱动精度低、无法保证驱动线张紧、本体无法实现弯曲伸缩全自由度、柔顺性差、体积较大。

中国专利公开号CN101653353A公开了一种连续体型半自主式内窥镜机器人，中国专利公布号CN103948435A公开了一种单孔腹腔镜微创手术机器人系统，其体积小，柔顺性强，但是他们都是由很多个驱动关节在柔性骨架上串联而成，都不是严格意义上的连续体机械臂系统，在弯曲能力上存在一定的不足；且这两种技术方案都无法实现伸缩自由度，本体只能实现弯曲变形，而长度无法改变。

发明内容

本发明就是针对现有自由度机械臂结构复杂和自由度较差的技术问题，提供一种结构简单和自由度较高的全自由度连续体机械臂。

为此，本发明包括驱动组件、齿轮组件和伸缩组件，驱动组件包括四个驱动电机，四个驱动电机的输出端分别连接蜗杆轴，四个蜗杆轴的另一端分别通过滑动轴承连接到丝杆支座；齿轮组件包括分别与四个蜗杆轴相配合的齿轮，驱动电机驱动蜗杆轴带动齿轮转动，齿轮中心设有齿轮轴，齿轮轴两端分别通过球轴承固定在电机安装座上，齿轮轴的一端穿过电机安装座设有绕线辊，绕线辊中心设置丝杠，丝杠与绕线辊螺旋配合，丝杠的顶端固定在丝杆支座上，绕线辊相对于丝杠直线运动；伸缩组件包括牵引绳和弹性骨架，弹性骨架轴向外围设有四列导线环，四根牵引绳分别穿过四列导线环连接到四个绕线辊。

优选的，丝杆支座的外侧设有挤压组件，挤压组件包括固定在丝杆支座外侧的压轮支撑板，压轮支撑板上分别通过铜轴套并列设置有四个凸滚轮轴承；凸滚轮轴承的一侧分别设置不锈钢滚轮轴承，压轮支撑板下方设置滚轮轴承支撑板，不锈钢滚轮轴承通过螺母固定在滚轮轴承支撑板上，滚轮轴承支撑板的一端设有调节螺母底座，调节螺母底座通过三个螺钉与压轮支撑板连接，通过调节三个螺钉的松紧使滚轮轴承支撑板与压轮支撑板相对运动。

优选的，凸滚轮轴承上设有橡胶圈。

优选的，铜轴套的底端设有扭簧，压轮支撑板下方设有扭簧罩，扭簧罩内部设有与扭簧相配合的凹槽，扭簧设于凹槽内部。

优选的，齿轮轴底端的球轴承处设置弹性挡圈，球轴承通过弹性挡圈安装于电机安装座的底端。

优选的，电机安装座和丝杠支座间设有导杆，导杆平行于绕线辊设置，导杆表面设置导线螺纹。

优选的，蜗杆轴通过紧定螺钉固定在驱动电机上。

优选的，驱动电机通过固定螺钉固定在电机安装座上。

优选的，蜗杆轴外围设有螺纹，螺纹与齿轮相配合。

优选的，齿轮轴的一端穿过电机安装座连接两个销轴，两个销轴分别通过锁定螺钉固定在齿轮轴上，绕线辊中设置与销轴相配合的轴孔，绕线辊设于两个销轴的外围。

本发明通过设置四根牵引绳分别穿过弹性骨架的导线环，设置绕线辊与丝杠进行螺旋配合来驱动牵引绳，使绕线辊在绕线过程中上下运动，保证绕线精度的要求，由四台驱动电机驱动四根牵引绳实现全自由度的运动，柔顺性好，可以实现弹性骨架各个方位自由弯曲；弹性骨架外径小、内经大，有助于在狭小的空间里运动，根据不同工作环境在内部连接不同的设备。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明另一方位的结构示意图；

图3为驱动组件和齿轮组件结合的示意图；

图4为齿轮轴与键的结构示意图；

图5为挤压组件的结构示意图；

图6为伸缩组件的结构示意图；

图7为弹性骨架的状态变化示意图；

图8为导杆的结构示意图。

图中符号说明：

1.驱动电机；2.蜗杆轴；3.滑动轴承；4.丝杆支座；5.固定螺钉；6.电机安装座；7.紧定螺钉；8.竖臂；9.齿轮；10.螺纹；11.齿轮轴；12.球轴承；13.弹性挡圈；14.绕线辊；15.丝杠；16.销轴；17.锁定螺钉；18.横臂；19.压轮支撑板；20.铜轴套；21.凸滚轮轴承；22.橡胶圈；23.不锈钢滚轮轴承；24.滚轮轴承支撑板；25.螺母；26.调节螺母底座；27.螺钉；28.牵引绳；29.弹性骨架；30.导线环；31.穿线孔；32.扭簧；33.扭簧罩；34.导杆；35.导线螺纹；36.引线孔；37.丝杠固定螺钉；38.键。

具体实施方式

下面参照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1和图2所示，本发明包括驱动组件、齿轮组件和伸缩组件，如图3所示，驱动组件包括四个驱动电机1，每个驱动电机1通过两个固定螺钉5固定在电机安装座6上，四个驱动电机1的输出端分别连接蜗杆轴2，蜗杆轴2通过紧定螺钉7固定在驱动电机1的输出端，四个蜗杆轴2的另一端分别通过滑动轴承3连接到丝杆支座4，丝杆支座4设为L型支座，丝杆支座4的竖臂8与电机安装座6连接，四个滑动轴承3并列设于丝杆支座4的竖臂8上，滑动轴承3与丝杆支座4中竖臂8过盈配合，由驱动电机1驱动涡轮轴2转动。

齿轮组件包括分别与四个蜗杆轴2相配合的齿轮9，蜗杆轴2外围设有螺纹10，螺纹10与齿轮9相配合，驱动电机1通过蜗杆轴2带动齿轮9转动，齿轮9中心设有齿轮轴11，齿轮轴11两端分别通过球轴承12固定在电机安装座6上，通过齿轮9带动齿轮轴11转动，球轴承12处设置弹性挡圈13，球轴承12通过弹性挡圈13安装于电机安装座6上，如图4所示，齿轮9通过齿轮轴11上的轴肩和弹性挡圈13轴向固定，并通过键38进行周向固定；齿轮轴11的顶端穿过电机安装座6连接两个销轴16，两个销轴16分别通过锁定螺钉17固定在齿轮轴11上，两个销轴16的外围设有绕线辊14，绕线辊14中设置与销轴16相配合的轴孔，两个销轴16分别设于两个轴孔中，绕线辊14中心设置丝杠15，丝杠15与绕线辊14螺旋配合，丝杠15的顶端通过丝杠固定螺钉37固定在丝杆支座4中横臂18上，通过齿轮轴11带动绕线辊14转动，绕线辊14相对于丝杠15做直线运动。

丝杆支座4中竖臂8的外侧设有挤压组件，如图5所示，挤压组件包括固定在竖臂8外侧的压轮支撑板19，压轮支撑板19上分别通过铜轴套20并列设置有四个凸滚轮轴承21；凸滚轮轴承21的一侧分别设置不锈钢滚轮轴承23，压轮支撑板19下方设置滚轮轴承支撑板24，不锈钢滚轮轴承23通过螺母25固定在滚轮轴承支撑板24上，滚轮轴承支撑板24的一端设有调节螺母底座26，调节螺母底座26通过三个螺钉27与压轮支撑板19连接，通过调节三个螺钉27的松紧使滚轮轴承支撑板24与压轮支撑板19相对运动，从而调节不锈钢滚轮轴承23与凸滚轮轴承21之间的间隙。

如图6所示，伸缩组件包括牵引绳28和弹性骨架29，弹性骨架29为超弹性镍钛合金螺旋弹簧，弹性骨架29轴向外围设有四列导线环30，弹性骨架29与导线环30经过激光焊接而成，压轮支撑板19中与不锈钢滚轮轴承23与凸滚轮轴承21之间的间隙对应位置设置引线孔36，丝杆支座4中竖臂8上并列设置四个穿线孔31，穿线孔31设于不锈钢滚轮轴承23和凸滚轮轴承21之间的间隙对应位置，四根牵引绳28分别穿过导线环30、经过引线孔36、经过不锈钢滚轮轴承23与凸滚轮轴承21之间的间隙、经过穿线孔31连接到四个绕线辊14，通过绕线辊14对牵引绳28进行绕线操作，从而带动弹性骨架29运动，如图7所示为弹性骨架29的变化状态示意图。

优选的，凸滚轮轴承21上设有橡胶圈22，用来将不锈钢滚轮轴承23与凸滚轮轴承21间隙的牵引绳28压紧。

铜轴套20的底端设有扭簧32，滚轮轴承支撑板24下方设有扭簧罩33，扭簧罩33内部设有与扭簧32相配合的凹槽，扭簧32设于凹槽内部，使得在放松牵引绳28的时候起到预张紧的作用，保证弹性骨架29可以停留在特定位置，避免松开某一牵引绳28时，弹性骨架29运动到错误的位置。

优选的，电机安装座6和丝杆支座4中横臂18之间设有导杆34，导杆34通过过盈配合固定在丝杆支座4和电机安装座6，导杆34平行于绕线辊14设置，如图8所示，导杆34表面设置导线螺纹35，通过导杆34中的导线螺纹35来引导牵引绳28在预定的辊道里绕线。

工作时，在绕线辊14内部连接待工作的设备，驱动电机1驱动蜗杆轴2带动齿轮轴11，从而带动绕线辊14转动，绕线辊14驱动牵引绳28进行绕线操作，牵引绳28牵引弹性骨架29实现各个方位的自由弯曲，实现全自由度运动。

惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。

Claims

1.一种全自由度连续体机械臂，其包括驱动组件、齿轮组件和伸缩组件，所述驱动组件包括四个驱动电机，四个所述驱动电机的输出端分别连接蜗杆轴，四个所述蜗杆轴的另一端分别通过滑动轴承连接到丝杆支座；其特征在于，所述齿轮组件包括分别与四个蜗杆轴相配合的齿轮，所述驱动电机驱动蜗杆轴带动齿轮转动，所述齿轮中心设有齿轮轴，所述齿轮轴两端分别通过球轴承固定在电机安装座上，所述齿轮轴的一端穿过电机安装座设有绕线辊，所述绕线辊中心设置丝杠，所述丝杠与所述绕线辊螺旋配合，所述丝杠的顶端固定在所述丝杆支座上，所述绕线辊相对于所述丝杠直线运动；所述伸缩组件包括牵引绳和弹性骨架，所述弹性骨架轴向外围设有四列导线环，四根所述牵引绳分别穿过四列导线环连接到四个绕线辊；所述丝杆支座的外侧设有挤压组件，所述挤压组件包括固定在所述丝杆支座外侧的压轮支撑板，所述压轮支撑板上分别通过铜轴套并列设置有四个凸滚轮轴承；所述凸滚轮轴承的一侧分别设置不锈钢滚轮轴承，所述压轮支撑板下方设置滚轮轴承支撑板，所述不锈钢滚轮轴承通过螺母固定在所述滚轮轴承支撑板上，所述滚轮轴承支撑板的一端设有调节螺母底座，所述调节螺母底座通过三个螺钉与所述压轮支撑板连接，通过调节所述三个螺钉的松紧使所述滚轮轴承支撑板与压轮支撑板相对运动。

2.根据权利要求1所述的全自由度连续体机械臂，其特征在于所述凸滚轮轴承上设有橡胶圈。

3.根据权利要求1所述的全自由度连续体机械臂，其特征在于所述铜轴套的底端设有扭簧，所述压轮支撑板下方设有扭簧罩，所述扭簧罩内部设有与所述扭簧相配合的凹槽，所述扭簧设于所述凹槽内部。

4.根据权利要求1所述的全自由度连续体机械臂，其特征在于所述齿轮轴底端的球轴承处设置弹性挡圈，所述球轴承通过弹性挡圈安装于所述电机安装座的底端。

5.根据权利要求1所述的全自由度连续体机械臂，其特征在于所述电机安装座和所述丝杠支座间设有导杆，所述导杆平行于所述绕线辊设置，所述导杆表面设置导线螺纹。

6.根据权利要求1所述的全自由度连续体机械臂，其特征在于所述蜗杆轴通过紧定螺钉固定在所述驱动电机上。

7.根据权利要求1所述的全自由度连续体机械臂，其特征在于所述驱动电机通过固定螺钉固定在所述电机安装座上。

8.根据权利要求1所述的全自由度连续体机械臂，其特征在于所述蜗杆轴外围设有螺纹，所述螺纹与所述齿轮相配合。

9.根据权利要求1所述的全自由度连续体机械臂，其特征在于所述齿轮轴的一端穿过电机安装座连接两个销轴，两个所述销轴分别通过锁定螺钉固定在所述齿轮轴上，所述绕线辊中设置与所述销轴相配合的轴孔，所述绕线辊设于两个销轴的外围。