CN110065058B - 一种仿象鼻柔性机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿象鼻柔性机械臂，该机械臂包括若干个仿象鼻机械臂单元和一个末端执行组件；其中，仿象鼻机械臂单元包括驱动机构和仿象鼻机构；通过驱动机构中的电机驱动仿象鼻机构中的钢丝绳的伸长与收缩，可以方便地通过控制电机转速来控制机械臂的运动速度。本发明采用钢丝绳驱动、压簧与柔性杆组合承载，实现运动过程的灵敏控制，在较大负载下不出现稳定性问题并具有精准的定位，同时简化机械臂结构，兼具了运动灵活、负载能力强、结构简单等优点。同时采用了模块化设计，引入手眼控制，特别适用于生活服务的服务型机器人，也可适用于其他智能化的应用场合。

Description

一种仿象鼻柔性机械臂

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是作为应用于生活服务的服务型机器人，具体涉及一种仿象鼻柔性机械臂的结构设计。

背景技术

随着智能生活的理念被越来越多的提及，机械臂作为人与科技交互的重要通道逐渐进入到了办公、娱乐、家居等日常生活领域。而传统的机械臂多由刚性连杆串联或并联而成，体积大、结构复杂、成本高，其刚性运动特性在人机交互中易引发危险，如刚性撞击车身而损坏插座或车体。

相比之下，柔性的仿象鼻机械臂在这些方面有着独特的优势。但目前的仿象鼻机械臂中，仍存在一些局限性：1、或通过温度控制SMA丝变形，控制过程中响应速度慢；2、或通过弹性杆和螺纹传动，但是在重载条件下易出现稳定性问题；3、或单利用压簧支撑，但重载条件下会发生较大变形，影响定位精度；4、或通过液压驱动，但是结构复杂、体积大、成本高，适用场合受到限制。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种仿象鼻柔性机械臂，通过钢丝绳驱动、压簧与柔性杆组合支撑，以确保运动灵敏、承载能力强、结构紧凑，实现运动过程的灵敏控制，在较大负载下不出现稳定性问题并具有精准的定位，同时简化机械臂结构，并采用了模块化设计，引入手眼控制，适用于智能化的应用场合，特别适用于生活服务的服务型机器人。

本发明所采用的技术方案是：一种仿象鼻柔性机械臂，包括若干个仿象鼻机械臂单元和一个末端执行组件；其中，仿象鼻机械臂单元包括驱动机构和仿象鼻机构；

所述驱动机构包括驱动单元支撑件、电机、蜗杆、驱动轴系；

所述驱动单元支撑件上安装有电机；所述电机输出轴与蜗杆联接；

所述驱动轴系包括驱动主轴、滑动轴承、蜗轮、钢丝绳锁紧轴套、绕线轴套；所述驱动主轴通过滑动轴承安装在所述驱动单元支撑件自带的轴承座上；驱动主轴上依次装配蜗轮、钢丝绳锁紧轴套、绕线轴套，所述蜗轮与所述蜗杆相啮合；

所述仿象鼻机构包括两个连接盘、中性杆、压簧、三根钢丝绳、多个导向盘；

所述连接盘呈圆柱状，分别设置在仿象鼻机构两端，其内侧端面中心有圆孔用于中性杆的安装，且有环形槽用于压簧的安装，在边缘处有三个圆孔用于穿过钢丝绳；

所述仿象鼻机构的下端连接盘与驱动单元支撑件连接；所述钢丝绳一端缠绕在绕线轴套上，另一端固定在仿象鼻机构上端的连接盘上；

所述导向盘在所述中性杆上均匀分布；

所述中性杆穿过导向盘的中心套筒，所述压簧内径与导向盘的压簧固定环配合；所述压簧固定环的轴向长度应为压簧自由状态下节距的0.75～1倍；所述中性杆与压簧共同承受载荷；

所述末端执行组件包括末端平台、末端执行器、摄像机、姿态传感器；所述末端平台与仿象鼻机构上端的连接盘联接，所述末端执行器、摄像机与姿态传感器均固定于所述末端平台上；

进一步地，所述驱动单元支撑件主体呈柱状，其三个凸出处平面分别安装有电机；

进一步地，所述驱动机构中采用了蜗轮蜗杆减速机构并具有自锁特性，借此保证停机之后仍保持当前姿态；

进一步地，所述中性杆采用尼龙材料，并位于仿象鼻机构中轴线上，中性杆的轴线在变形过程中作为仿象鼻机构的中性轴；

进一步地，所述中性杆与连接盘中心的圆孔采用过盈配合；

进一步地，所述连接盘边缘处的三个圆孔呈夹角120°分布；

进一步地，该机械臂由m节模块化的仿象鼻机械臂单元串联而成，记为m级仿象鼻柔性机械臂，m≥1且为整数；靠近末端执行器的仿象鼻机械臂单元称为第1节，向下依次为第2 节、第3节……第m节；对于多级仿象鼻柔性机械臂，第n-1节单元的驱动单元支撑件与第 n节单元顶部的连接盘相连接，第1节仿象鼻机械臂单元顶部的连接盘与末端平台连接，其中，2≤n≤m且为整数；各节仿象鼻机械臂单元之间相互独立；

进一步地，该仿象鼻柔性机械臂还包括固定底座，所述固定底座与第m节仿象鼻机械臂单元的驱动单元支撑件固定连接；

本发明的有益效果是，本发明在运动过程中，通过电机驱动钢丝绳的伸长与收缩，可以方便地通过控制电机转速来控制机械臂的运动速度。仿象鼻机构中，压簧的高径比控制在一定范围内保证稳定性，尼龙材质的中性杆具有较好的柔性和比压簧大得多的轴向刚度，两者通过导向盘组合在一起共同承受载荷，在不影响柔性的基础上提高了结构的稳定性和运动精度。驱动机构包括电机、蜗轮蜗杆和绕线轴套，安装在驱动单元支撑件上，并位于仿象鼻机械臂单元的末端，占用空间小，结构简单紧凑。此外，通过蜗轮蜗杆的自锁特性，可以保证机械臂在断电之后长时间保持当前姿态，避免了须长时间保持某一姿态时电机对持续供电的需求和意外断电可能带来的危险。采用各仿象鼻机械臂单元之间相互独立、仿象鼻机械臂单元与执行末端之间相互独立的模块化设计，便于在不同应用场合下使用。在末端平台上设置姿态传感器和摄像机，引入手眼控制，适用于各种智能化的应用场合。

附图说明

图1为2级仿象鼻柔性机械臂侧视图；

图2为仿象鼻机械臂单元及末端执行组件爆炸图；

图3为驱动单元局部剖视图；

图4为导向盘等轴侧视图；

图5为仿象鼻柔性机械臂运动原理图；

图中：1.驱动单元支撑件，2.电机，3.蜗杆，4.驱动轴系，5.驱动主轴，6.滑动轴承，7.蜗轮，8.钢丝绳锁紧轴套，9.绕线轴套，10.连接盘，11.中性杆，12.压簧，13.钢丝绳，14.导向盘，15.末端平台，16.末端执行器，17.摄像机，18.姿态传感器，19.中心套筒，20.压簧固定环。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1-5所示，本发明提供了一种仿象鼻柔性机械臂，包括若干个仿象鼻机械臂单元和一个末端执行组件。其中，仿象鼻机械臂单元包括驱动机构和仿象鼻机构；

所述驱动机构包括驱动单元支撑件1、电机2、蜗杆3、驱动轴系4；

所述驱动单元支撑件1上安装有电机2；所述电机2输出轴与蜗杆3联接；

所述驱动轴系4包括驱动主轴5、滑动轴承6、蜗轮7、钢丝绳锁紧轴套8、绕线轴套9；所述驱动主轴5通过滑动轴承6安装在所述驱动单元支撑件1自带的轴承座上；驱动主轴5上依次装配蜗轮7、钢丝绳锁紧轴套8、绕线轴套9，所述蜗轮7与所述蜗杆3相啮合；

所述仿象鼻机构包括两个连接盘10、中性杆11、压簧12、三根钢丝绳13、若干导向盘 14；

所述连接盘10呈圆柱状，分别设置在仿象鼻机构两端，其内侧端面中心有圆孔用于中性杆11的安装，且有环形槽用于压簧12的安装，在边缘处有三个圆孔用于穿过钢丝绳13；

所述仿象鼻机构的下端连接盘10通过其自身的肩或螺纹等与驱动单元支撑件1连接；所述钢丝绳13一端缠绕在绕线轴套9上，另一端固定在仿象鼻机构上端的连接盘10上；

所述导向盘14在所述中性杆11上均匀分布；

所述中性杆11穿过导向盘14的中心套筒19，并通过过盈配合定位安装，所述压簧12 内径与导向盘14的压簧固定环20配合；所述压簧固定环20的轴向长度应为压簧12自由状态下节距的0.75～1倍；所述中性杆11与压簧12共同承受载荷。

所述末端执行组件包括末端平台15、末端执行器16、摄像机17、姿态传感器18；所述末端平台15通过肩或者螺纹等与仿象鼻机构上端的连接盘10联接，所述末端执行器16、摄像机17与姿态传感器18利用螺钉或胶固定于所述末端平台15上。

进一步地，所述驱动单元支撑件1主体呈柱状，其三个凸出处平面分别安装有电机2，电机通过螺钉固定在驱动单元支撑件1上。

进一步地，所述驱动机构中采用了蜗轮7和蜗杆3减速机构并具有自锁特性，借此保证停机之后仍保持当前姿态。

进一步地，所述中性杆11采用尼龙材料，并位于仿象鼻机构中轴线上，中性杆11的轴线在变形过程中作为仿象鼻机构的中性轴。

进一步地，所述中性杆11与连接盘10中心的圆孔采用过盈配合。

进一步地，所述连接盘10边缘处的三个圆孔呈夹角120°分布。

进一步地，所述该机械臂由m节模块化的仿象鼻机械臂单元串联而成，记为m级仿象鼻柔性机械臂，m≥1且为整数；靠近末端执行器16的仿象鼻机械臂单元称为第1节，向下依次为第2节、第3节……第m节。对于多级仿象鼻柔性机械臂，第n-1节单元的驱动单元支撑件1与第n节单元顶部的连接盘10相连接，第1节仿象鼻机械臂单元顶部的连接盘10与末端平台15连接，其中，2≤n≤m且为整数，各仿象鼻机械臂单元之间相互独立。

进一步地，该仿象鼻柔性机械臂还包括固定底座，所述固定底座与第m节仿象鼻机械臂单元的驱动单元支撑件1固定连接。

【实施例1】

本实施例中，使用两个仿象鼻机械臂单元串联，第2节驱动单元支撑件1固定在移动小车平台上，将充电插头作为末端执行器16，用于新能源汽车的自动充电。

第1节仿象鼻机械臂单元压簧12有效长度为280mm，使用四个导向盘14在中性杆11上均匀分布；第2节仿象鼻机械臂单元压簧12有效长度为180mm，使用三个导向盘14在中性杆11上均匀分布。压簧在自由状态下节距均为16mm，取压簧固定环轴向长度为12mm。在机械臂弯曲程度比较大，超过90°时，压簧固定环轴向长度应适当增大为与压簧自由状态下节距相等。用于驱动的电机2用步进电机，以准确控制插头的空间位置。蜗轮蜗杆机构的减速比为20。在此条件下工作，第一节弯曲角度可达100°，第二节弯曲角度可达80°；

工作使用前将机械臂调整至竖直状态作为初始位置，对姿态传感器18进行调零；之后机械臂弯曲，通过摄像机17寻找目标位置，采用手眼控制的方法完成自动充电；

在工作过程中，控制器控制步进电机转动，有两台电机2旋转(对应钢丝绳13伸长)、一台电机2旋转(对应钢丝绳13缩短)和一台电机2旋转、二台电机2旋转的两种驱动情况。电机2输出轴的转动通过蜗轮7蜗杆3和驱动主轴5、钢丝绳锁紧轴套8传递到绕线轴套9，绕线轴套9的旋转实现钢丝绳13的收缩或释放，使对应钢丝绳13缩短或伸长。在三根钢丝绳13和中性杆11的变形协调下，机械臂沿特定方向弯曲，使末端连接盘10变换到目标的位置；

在运动过程中，减速比为20的蜗轮蜗杆增大了机械臂驱动力，同时提高了机械臂的运动精度；在实际使用中可以根据动力要求和精度要求选择不同得减速比，但是要确保蜗轮蜗杆可以实现自锁。为了降低对电机驱动能力的要求，同时不保持结构紧凑，推荐减速比在10-50 之间，最低不小于5；

在运动过程中，中性杆11以其较高的轴向刚度及弯曲特性保证了弯曲过程中的中轴线长度恒定，确保了机械臂姿态控制的正确性。中性杆11与导向盘14相连确保了弯曲过程中压簧12和中性杆11同轴、钢丝绳13与中性杆11等距。由于钢丝绳13上拉力处处相等，因此导向盘14所受合力沿径向，使得其始终与中性杆11垂直；

在充电插头插入插座后，步进电机脱机，系统因为蜗轮蜗杆自锁而保持当前姿态，避免了为保持姿态而使控制系统持续工作，降低了步进电机长时间运转发热而降低寿命、带来安全问题的风险；

【实施例2】

该仿象鼻柔性机械臂也可应用于其他场合，服务与人们的日常生活。使用两个仿象鼻机械臂单元串联，将气动、电磁控制或电机控制的机械手作为末端执行器16，将机械臂固定在墙壁或桌面上。使用者将目标物体的图像特征进行提取之后，即可在一定范围内利用该机械臂进行特定物体的识别与抓取。其他方面与实施例1并无差异。

【实施例3】

该机械臂也可以将摄像机17作为末端执行器16而不再安装其他装置，使用一个仿象鼻机械臂单元，即可实现对周围环境的监控，监控范围可达半球面，最大可达3/4球面。在此轻载条件下，若对工作空间要求不高，可以选择刚性更小、长度更短的压簧12，可以适当减少导向盘14的个数，但是推荐不低于三个，在对最大弯曲角度要求低、压簧12有效长度不足时，允许仅设置两个。在对运动精度无特别要求时，可以采用直流电机作为驱动电机2。

该机械臂可以安装于某一固定平台，对特定区域进行监控；可以安装于移动小车平台，对一较大区域进行流动监控；也可以由人手持，伸入管道、容器中，对其内部情况进行检测。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种仿象鼻柔性机械臂，其特征在于，包括若干个仿象鼻机械臂单元和一个末端执行组件；其中，仿象鼻机械臂单元包括驱动机构和仿象鼻机构；

所述驱动机构包括驱动单元支撑件(1)、电机(2)、蜗杆(3)、驱动轴系(4)；

所述驱动单元支撑件(1)上安装有电机(2)；所述电机(2)的输出轴与蜗杆(3)联接；

所述驱动轴系(4)包括驱动主轴(5)、滑动轴承(6)、蜗轮(7)、钢丝绳锁紧轴套(8)、绕线轴套(9)；所述驱动主轴(5)通过滑动轴承(6)安装在所述驱动单元支撑件(1)自带的轴承座上；驱动主轴(5)上依次装配蜗轮(7)、钢丝绳锁紧轴套(8)、绕线轴套(9)，所述蜗轮(7)与所述蜗杆(3)相啮合；

所述仿象鼻机构包括两个连接盘(10)、中性杆(11)、压簧(12)、三根钢丝绳(13)和多个导向盘(14)；

所述连接盘(10)呈圆柱状，分别设置在仿象鼻机构两端，其内侧端面中心有圆孔用于中性杆(11)的安装，且有环形槽用于压簧(12)的安装，在边缘处有三个圆孔用于穿过钢丝绳(13)；

所述仿象鼻机构的下端连接盘(10)与驱动单元支撑件(1)连接；所述钢丝绳(13)一端缠绕在绕线轴套(9)上，另一端固定在仿象鼻机构上端的连接盘(10)上；

所述导向盘(14)在所述中性杆(11)上均匀分布；

所述中性杆(11)穿过导向盘(14)的中心套筒(19)，所述压簧(12)内径与导向盘(14)的压簧固定环(20)配合；所述压簧固定环(20)的轴向长度应为压簧(12)自由状态下节距的0.75～1倍；所述中性杆(11)与压簧(12)共同承受载荷；

所述末端执行组件包括末端平台(15)、末端执行器(16)、摄像机(17)和姿态传感器(18)；所述末端平台(15)与仿象鼻机构上端的连接盘(10)联接，所述末端执行器(16)、摄像机(17)与姿态传感器(18)均固定于所述末端平台(15)上。

2.根据权利要求1所述的一种仿象鼻柔性机械臂，其特征在于，所述驱动单元支撑件(1)主体呈柱状，其三个凸出处平面分别安装有电机(2)。

3.根据权利要求1所述的一种仿象鼻柔性机械臂，其特征在于，所述驱动机构中采用了蜗轮(7)蜗杆(3)减速机构并具有自锁特性，借此保证停机之后仍保持当前姿态。

4.根据权利要求1所述的一种仿象鼻柔性机械臂，其特征在于，所述中性杆(11)采用尼龙材料，并位于仿象鼻机构中轴线上，中性杆(11)的轴线在变形过程中作为仿象鼻机构的中性轴。

5.根据权利要求1所述的一种仿象鼻柔性机械臂，其特征在于，所述中性杆(11)与连接盘(10)中心的圆孔采用过盈配合。

6.根据权利要求1所述的一种仿象鼻柔性机械臂，其特征在于，所述连接盘(10)边缘处的三个圆孔呈夹角120°分布。

7.根据权利要求1所述的一种仿象鼻柔性机械臂，其特征在于，所述仿象鼻柔性机械臂由m节模块化的仿象鼻机械臂单元串联而成，记为m级仿象鼻柔性机械臂，m≥1且为整数；靠近末端执行器(16)的仿象鼻机械臂单元称为第1节，向下依次为第2节、第3节……第m节；对于多级仿象鼻柔性机械臂，第n-1节仿象鼻机械臂单元的驱动单元支撑件(1)与第n节仿象鼻机械臂单元顶部的连接盘(10)相连接，第1节仿象鼻机械臂单元顶部的连接盘(10)与末端平台(15)连接，其中，2≤n≤m且为整数；各节仿象鼻机械臂单元之间相互独立。

8.根据权利要求7所述的一种仿象鼻柔性机械臂，其特征在于，该仿象鼻柔性机械臂还包括固定底座，所述固定底座与第m节仿象鼻机械臂单元的驱动单元支撑件(1)固定连接。

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