CN109940597A - 一种仿蛇脊椎骨的连续型机械臂 - Google Patents
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Abstract
一种仿蛇脊椎骨的连续型机械臂。其包括一个基座关节段、一个首端关节段和多根驱动线；本发明优点：较强的负载能力，球铰关节的存在增强了其强度与负载能力。易于建模和降低控制难度，柔性支撑杆的弹力既抵消了驱动线与导线孔之间的摩擦力，又为机械臂提供了自恢复力。灵活性，本机械臂能够实现360°的旋转角度。易装配性易拓展性，空间圆盘与球铰关节合二为一，直接在柔性支撑杆上依次串联摆放，只需固定首端圆盘和末端圆盘即可满足上述要求，装配过程简单有效，增加或减少串联的球铰关节数量即可改变单关节机械臂长度，易拓展性强。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，特别是涉及一种基于球铰关节和中心支撑杆支撑的仿蛇脊椎骨的连续型机械臂。
背景技术
连续型机器人是一种仿生机器人，能够动态适应具有结构约束和空间复杂的环境，而且可携带检测装置，从而在复杂环境内完成相关作业。
连续型机器人通常采用气压驱动、线驱动等驱动方式，结构上采用人工肌肉、柔性支撑杆或关节铰链等方式构成连续型机器人的柔性机构，其通常呈现为细长的结构。以上结构中，柔性支撑杆通常用于诸如医疗行业等对尺寸负载能力要求不高的行业，但推广到工业应用中存在负载能力不足，易折断不牢靠，柔性臂装配方式复杂且尺寸不精确的缺点；基于关节铰链式的连续型机构让机械臂自身变的笨重，使机械臂长度的增加受限，弯曲模式更接近不规则多边形，从而增加了控制难度。因此需要设计一种易于装配、牢固可靠、便于控制以及具有一定负载能力的连续型结构。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种仿蛇脊椎骨的连续型机械臂。
为了达到上述目的，本发明提供的仿蛇脊椎骨的连续型机械臂包括一个基座关节段、一个首端关节段和多根驱动线；其中基座关节段和首端关节段首尾相连；每个关节段均由多个中心处利用柔性杆串联在一起的球铰关节组成；位于中间部位的球铰关节称为空间支撑关节，空间支撑关节的中间部位为空间圆盘；空间圆盘的中心处形成有中心孔，外侧边缘处等间距形成有多个导线孔；空间圆盘的顶面中部设有中空的类球铰头，底面中部设有中空的且与相邻球铰关节上类球铰头相配合的类球铰窝；位于空间支撑关节两端的球铰关节称为端部关节，其中位于首端关节段末端的端部关节称为首端关节，由空间圆盘和类球铰窝构成，利用螺栓贯穿空间圆盘上固定安装孔的方式固定在设备上；位于基座关节段首端的端部关节称为基座关节，由空间圆盘和类球铰头构成，利用螺栓贯穿空间圆盘上固定安装孔的方式固定在基座上；位于首端关节段首端和基座关节段末端的端部关节称为中部末端关节，中部末端关节与上述空间支撑关节的结构相同，但各部位进行了加厚处理；每个关节段的所有球铰关节上三个间隔120°且位于同一位置的导线孔内分别贯穿一根驱动线，驱动线的一端固定在该关节段首端的端部关节上，另一端与一台直线电机相连接。
所述的仿蛇脊椎骨的连续型机械臂还包括至少一个连接在基座关节段上，中间由柔性杆串接，并且能够经柔性杆串联拓展的多个关节段；关节段上位于中间部位的球铰关节为空间支撑关节，两端的球铰关节为中部末端关节。
所述的球铰关节为由3D打印树脂、聚甲醛或合金材质在内的轻型坚韧材料制成的钢性球铰关节。
所述的柔性杆采用镍钛合金杆、玻璃纤维杆或碳纤维杆。
所述的驱动线采用镍钛合金丝或钢丝在内的韧性材料制成。
本发明提供的仿蛇脊椎骨的连续型机械臂具有如下优点：
一、较强的负载能力
相对于传统的柔性杆连续型机器人，本发明中球铰关节的存在增强了其强度与负载能力。
二、易于建模和降低控制难度
当蛇臂弯曲的时候，受到径向载荷和轴向载荷的作用，因为节点是刚性的，所以可以忽略轴向应变。镍钛合金杆的弹力既抵消了驱动线与导线孔之间的摩擦力，又为机械臂提供了自恢复力，在没有其他外部干扰的情况下，机械臂的运动几乎是纯弯曲的，中心骨干的变形可以认为是一个等曲率的理想圆弧，所有球铰关节均匀地分布在这个圆弧上。这样在进行运动学建模时可以将机械臂弯曲近似等效为圆弧，后续分析和实验证明了这种近似的合理性。相对于传统关节铰链式的连续型机构弯曲时的不规则多边形构型，本发明中的机械臂的这种特性决定了更易于对其进行理论分析与运动控制。
三、灵活性
连续型机器臂采用镍钛合金杆串联球铰关节作为关节段支架，当机械臂进行弯曲运动和旋转运动时，运动交点在球铰关节中心，这意味着工作过程中两轴传力点永远在交点的平面上，其主动轴和基座做旋转运动时不会出现输出波动，这证明弯曲运动和旋转运动不存在耦合关系而且球铰关节具有球笼式万向节的等速运动特性，等速运动的特性保证了连续型机器臂的灵活性。显而易见，本机械臂能够实现360°的旋转角度。
四、易装配性易拓展性
传统的线驱动连续型机器人在进行装配时，需要考虑带有穿线孔的大量空间圆盘的固定，数十个空间圆盘装配过程繁琐且难以保持圆盘之间互相平行，距离相等的要求。本发明中空间圆盘与球铰关节合二为一，直接在镍钛合金杆上依次串联摆放，只需固定首端圆盘和末端圆盘即可满足上述要求，装配过程简单有效，增加或减少串联的球铰关节数量即可改变单关节机械臂长度，易拓展性强。
附图说明
图1是本发明提供的仿蛇脊椎骨的连续型机械臂整体装配图。
图2是本发明提供的仿蛇脊椎骨的连续型机械臂中球铰关节主视图。
图3是本发明提供的仿蛇脊椎骨的连续型机械臂中球铰关节侧视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的仿蛇脊椎骨的连续型机械臂进行详细说明。
从解剖的角度来看，蛇的身体是由三部分组成：脊柱、肌肉和皮肤。脊柱是由一系列从头部延伸到尾部的具有类球铰头和类球铰窝的椎骨组成，连续两个椎骨互相嵌套形成关节。这些关节可以在各个方向上偏转一个小角度，它们连接在一起后，蛇就很容易弯曲超过360度。周围的肌肉富有弹力和拉伸力，为以脊柱为中心的运动提供驱动力，保证主体姿态的形成。
如图1—图3所示，本发明提供的仿蛇脊椎骨的连续型机械臂包括一个基座关节段A、一个首端关节段B和多根驱动线6；其中基座关节段A和首端关节段B首尾相连；每个关节段均由多个中心处利用柔性杆5串联在一起的球铰关节组成；位于中间部位的球铰关节称为空间支撑关节1，空间支撑关节1的中间部位为空间圆盘12；空间圆盘12的中心处形成有中心孔8，外侧边缘处等间距形成有多个导线孔7；空间圆盘12的顶面中部设有中空的类球铰头10，底面中部设有中空的且与相邻球铰关节上类球铰头10相配合的类球铰窝11；位于空间支撑关节1两端的球铰关节称为端部关节，其中位于首端关节段B末端的端部关节称为首端关节3，由空间圆盘12和类球铰窝11构成，利用螺栓贯穿空间圆盘12上固定安装孔9的方式固定在设备上；位于基座关节段A首端的端部关节称为基座关节4，由空间圆盘12和类球铰头10构成，利用螺栓贯穿空间圆盘12上固定安装孔9的方式固定在基座上；位于首端关节段B首端和基座关节段A末端的端部关节称为中部末端关节2，中部末端关节2与上述空间支撑关节1的结构相同，但各部位进行了加厚处理；每个关节段的所有球铰关节上三个间隔120°且位于同一位置的导线孔7内分别贯穿一根驱动线6，驱动线6的一端固定在该关节段首端的端部关节上，另一端与一台直线电机相连接。
所述的仿蛇脊椎骨的连续型机械臂还包括至少一个连接在基座关节段A上，中间由柔性杆5串接，并且能够经柔性杆5串联拓展的多个关节段C；关节段C上位于中间部位的球铰关节为空间支撑关节1，两端的球铰关节为中部末端关节2。
所述的球铰关节为由3D打印树脂、聚甲醛或合金材质在内的轻型坚韧材料制成的钢性球铰关节。
所述的柔性杆5采用镍钛合金杆、玻璃纤维杆或碳纤维杆等柔性杆。
所述的驱动线6采用镍钛合金丝或钢丝等韧性材料，具有不易打结，长度保持性好的特点。
现将本发明提供的仿蛇脊椎骨的连续型机械臂的工作原理阐述如下：利用直线电机通过改变三根驱动线6的长度来实现单个关节段的弯曲和旋转，每个关节段有两个自由度。其他关节段采用相同的控制方式，当具有两个或两个以上关节段时，本仿蛇脊椎骨的连续型机械臂可以实现“S”形弯曲或其他姿态。
Claims (5)
1.一种仿蛇脊椎骨的连续型机械臂，其特征在于：所述的仿蛇脊椎骨的连续型机械臂包括一个基座关节段(A)、一个首端关节段(B)和多根驱动线(6)；其中基座关节段(A)和首端关节段(B)首尾相连；每个关节段均由多个中心处利用柔性杆(5)串联在一起的球铰关节组成；位于中间部位的球铰关节称为空间支撑关节(1)，空间支撑关节(1)的中间部位为空间圆盘(12)；空间圆盘(12)的中心处形成有中心孔(8)，外侧边缘处等间距形成有多个导线孔(7)；空间圆盘(12)的顶面中部设有中空的类球铰头(10)，底面中部设有中空的且与相邻球铰关节上类球铰头(10)相配合的类球铰窝(11)；位于空间支撑关节(1)两端的球铰关节称为端部关节，其中位于首端关节段(B)末端的端部关节称为首端关节(3)，由空间圆盘(12)和类球铰窝(11)构成，利用螺栓贯穿空间圆盘(12)上固定安装孔(9)的方式固定在设备上；位于基座关节段(A)首端的端部关节称为基座关节(4)，由空间圆盘(12)和类球铰头(10)构成，利用螺栓贯穿空间圆盘(12)上固定安装孔(9)的方式固定在基座上；位于首端关节段(B)首端和基座关节段(A)末端的端部关节称为中部末端关节(2)，中部末端关节(2)与上述空间支撑关节(1)的结构相同，但各部位进行了加厚处理；每个关节段的所有球铰关节上三个间隔120°且位于同一位置的导线孔(7)内分别贯穿一根驱动线(6)，驱动线(6)的一端固定在该关节段首端的端部关节上，另一端与一台直线电机相连接。
2.根据权利要求1所述的仿蛇脊椎骨的连续型机械臂，其特征在于：所述的仿蛇脊椎骨的连续型机械臂还包括至少一个连接在基座关节段(A)上，中间由柔性杆(5)串接，并且能够经柔性杆(5)串联拓展的多个关节段(C)；关节段(C)上位于中间部位的球铰关节为空间支撑关节(1)，两端的球铰关节为中部末端关节(2)。
3.根据权利要求1所述的仿蛇脊椎骨的连续型机械臂，其特征在于：所述的球铰关节为由3D打印树脂、聚甲醛或合金材质在内的轻型坚韧材料制成的钢性球铰关节。
4.根据权利要求1所述的仿蛇脊椎骨的连续型机械臂，其特征在于：所述的柔性杆(5)采用镍钛合金杆、玻璃纤维杆或碳纤维杆。
5.根据权利要求1所述的仿蛇脊椎骨的连续型机械臂，其特征在于：所述的驱动线(6)采用镍钛合金丝或钢丝在内的韧性材料制成。
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