CN110370313B - 一种柔性臂以及线珠耦合双向驱动的柔性机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性臂以及线珠耦合双向驱动的柔性机械臂，其解决了现有柔性连续体机械臂体积大，只能单向驱动的技术问题，其包括柔性本体和线珠，线珠包括线和若干个珠子，线穿过若干个珠子，若干个珠子能够自由移动；柔性本体内沿长度方向设有圆形孔道，线珠设于圆形孔道中，线珠的线的前端与圆形孔道的前端固定连接，线的后端伸出圆形孔道的后端。本发明广泛用于机械臂技术领域。

Description

一种柔性臂以及线珠耦合双向驱动的柔性机械臂

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，具体而言，涉及一种柔性臂以及线珠耦合双向驱动的柔性机械臂。

背景技术

在机械臂技术领域，柔性连续体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，因此柔性连续体机械臂在复杂工况作业方面有非常广阔的应用前景。现有柔性连续体机械臂中的驱动方式主要有线驱动，气动人工肌肉驱动以及低熔点合金驱动等。这些驱动方式中大多都对外部环境条件有较高要求，并且基本上均为单向驱动，无法实现双向驱动。

公布号为CN108189000A的中国发明专利申请公开了一种绳驱动抓取机器人，授权公告号为CN206393633U的中国实用新型专利公开了一种基于绳索驱动的空气关节式柔性机械臂；此类机械臂柔性好，质量轻，承载能力大,可以折叠，但是他们都是基于传统的线驱动方式设计，只能实现单向驱动，而且机械臂的关节组和驱动装置均体积较大。

发明内容

本发明就是为了解决现有柔性连续体机械臂体积大，只能单向驱动的技术问题，提供了一种采用线珠驱动方式驱动，结构简单小型化且可通过收线和出珠的控制实现双向驱动的柔性臂以及线珠耦合双向驱动的柔性机械臂。

本发明的技术方案是，提供一种柔性臂，包括柔性本体和线珠，线珠包括线和若干个珠子，线穿过若干个珠子，若干个珠子能够自由移动；柔性本体内沿长度方向设有圆形孔道，线珠设于圆形孔道中，线珠的线的前端与圆形孔道的前端固定连接，线的后端伸出圆形孔道的后端。

优选地，线珠的数量是两根以上，圆形孔道的数量与线珠的数量匹配。

优选地，线珠的数量是三根或四根。

优选地，柔性本体的形状是细长圆柱。

优选地，柔性本体的材质是硅胶或橡胶。

本发明还提供一种线珠耦合双向驱动的柔性机械臂，包括柔性臂、线珠驱动装置和动力装置，柔性臂包括柔性本体和线珠，线珠包括线和若干个珠子，线穿过若干个珠子，若干个珠子能够自由移动；柔性本体内沿长度方向设有圆形孔道，线珠设于圆形孔道中，线珠的线的前端与圆形孔道的前端固定连接，线的后端伸出圆形孔道的后端；

线珠驱动装置用于：拉拽线珠中的线的同时向从柔性本体中挤出的珠子提供位移空间，将珠子向柔性本体的圆形孔道位置推动的同时使圆形孔道中线的长度变长；

动力装置用于使线珠驱动装置工作。

优选地，线珠的数量是两根以上，圆形孔道的数量与线珠的数量匹配。

优选地，线珠的数量是三根或四根。

优选地，线珠驱动装置的数量是两组以上；

线珠驱动装置包括壳体、线驱动轮、珠驱动轮、线驱动轮轴和珠驱动轮轴，线驱动轮与线驱动轮轴连接，线驱动轮轴通过轴承与壳体转动地连接，珠驱动轮与珠驱动轮轴连接，珠驱动轮轴通过轴承与壳体转动地连接；珠驱动轮的圆周上设有珠子容纳槽1和线容纳槽，珠子容纳槽的末端设有端面，端面位于珠子容纳槽和线容纳槽的结合处；线驱动轮的圆周上设有绕线槽；壳体的底部设有通道；

线珠穿过壳体底部的通道并嵌入珠驱动轮的珠子容纳槽中，线珠的线经过线容纳槽绕在线驱动轮的绕线槽中，线的后端固定连接在线驱动轮上。

优选地，动力装置的数量是两组以上；

动力装置包括底座、电机支架、上驱动电机、下驱动电机、线驱动同步带轮和珠驱动同步带轮，电机支架与底座固定连接，上驱动电机和下驱动电机分别与电机支架连接；上驱动电机的输出轴通过主动同步带轮和同步带与线驱动同步带轮连接；下驱动电机的输出轴通过主动同步带轮和同步带与珠驱动同步带轮；

珠驱动同步带轮与珠驱动轮轴固定连接，线驱动同步带轮与线驱动轮轴固定连接。

本发明的有益效果是：

柔性臂的体积小，能实现全方向弯曲且柔顺性好；线珠耦合双向驱动的柔性机械臂的整体体积也较小。

柔性臂的结构新颖、简易，质量轻，柔性臂易生产加工；线珠耦合双向驱动的柔性机械臂整体的结构新颖，质量轻。

通过设置三根或四根线珠通过柔性本体内部圆形孔道，设置线驱动轮通过转动实现线的回收控制，珠驱动轮的转动实现向外推珠控制，实现机械臂的全方向弯曲，柔顺性好，可以实现柔性机械臂的各个方位自由弯曲。因为，单根线珠的双向驱动可实现机械臂的两个不同方向弯曲，所以线珠耦合驱动可使机械臂中线珠数量减小，进而减小机械臂体积。

本发明进一步的特征和方面，将在以下参考附图的具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。

附图说明

图1是本发明线珠耦合双向驱动的柔性机械臂的结构示意图；

图2是图1柔性臂结构透视图；

图3是图2所示柔性臂中线珠和柔性本体的连接示意图；

图4是图3中P处的局部放大图；

图5是柔性臂的柔性本体中布置四根线珠的示意图；

图6是柔性臂的柔性本体中布置三根线珠的示意图；

图7是动力装置的主视图；

图8是线珠驱动装置的结构示意图；

图9是线珠与线珠驱动装置的连接关系示意图；

图10是珠驱动轮的立体图；

图11是珠驱动轮另一视角的立体图；

图12是珠驱动轮中珠子容纳槽的端面将珠子向外推出的示意图；

图13是柔性臂上安装末端执行器的示意图。

图中符号说明：

1.底座；2.定位锥销；3.螺母；4.螺钉；5.电机支架；6.螺钉；7.驱动电机；8.主动同步带轮；9.同步带；10.珠驱动同步带轮；11.线驱动同步带轮；12.珠驱动轮轴；13.线驱动轮轴；14.孔用弹簧挡圈；15.深沟球轴承；16.线驱动轮；17.珠驱动轮，17-1.珠子容纳槽，17-1-1.端面，17-2.线容纳槽；18.壳体；20.导向安装板；21.螺钉；22.导向螺钉；23.线珠，23-1.线，23-2.珠子；24.柔性本体，24-1.圆形孔道；25.末端执行器。

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7所示，本发明公开的线珠耦合双向驱动的柔性机械臂包括动力装置、线珠驱动装置和柔性臂。

如图2-5所示，柔性臂包括柔性本体24和四根线珠23，线珠23包括线23-1和若干个珠子23-2，线23-1穿过若干个珠子23-2，每个珠子23-2能够自由移动；柔性本体24内沿长度方向设有四个圆形孔道24-1，每个圆形孔道24-1中放入一根线珠23，线珠23的线23-1的前端与圆形孔道24-1的前端固定连接，线23-1的后端伸出圆形孔道24-1的后端(即从柔性本体24的后端延伸出去)。线23-1具体可以采用绳索、钢丝等等。柔性本体24的材质可以是硅胶、橡胶等，可以通过铸造工艺生产柔性本体，生产时可以将线放入模具中。柔性臂的动作方式可以是，通过改变圆形孔道24-1内线23-1的长度来控制柔性本体24的弯曲。图中显示柔性本体24的形状是细长圆柱，但不限于此形状；从图5可以看出，当柔性本体24为细长圆柱时，四根线珠23的分布优选为在径向圆周方向均布，更有利于使柔性本体24向各个方向弯曲。

可见，柔性臂的体积很小，线珠的尺寸越小，柔性臂整体的尺寸就越小。柔性臂的质量也可以做到很轻。

如图1和7所示，动力装置包括底座1、四个电机支架5、八个驱动电机7，用螺钉4和螺母3将四个电机支架5并排固定安装在底座1上，电机支架5通过定位锥销2与底座1实现定位，每个电机支架5上通过螺钉6固定安装两个驱动电机7(也就是说第一电机支架5上连接有第一上驱动电机和第一下驱动电机，第二电机支架5上连接有第二上驱动电机和第二下驱动电机，第三电机支架5上连接有第三上驱动电机和第三下驱动电机，第四电机支架5上连接有第四上驱动电机和第四下驱动电机)。八个驱动电机7的输出轴分别连接主动同步带轮8，八个主动同步带轮8中的四个主动同步带轮通过同步带9和线驱动同步带轮11连接传动(有四个线驱动同步带轮11，分别是第一线驱动同步带轮、第二线驱动同步带轮、第三线驱动同步带轮、第四线驱动同步带轮)，另外四个主动同步带轮通过同步带和珠驱动同步带轮连接传动(有四个珠驱动同步带轮10，分别是第一珠驱动同步带轮、第二珠驱动同步带轮、第三珠驱动同步带轮、第四珠驱动同步带轮)，由驱动电机7驱动主动同步带轮8转动从而通过同步带9传递带动线驱动同步带轮11、珠驱动同步带轮10转动(也就是第一上驱动电机通过主动同步带轮、同步带和第一线驱动同步带轮连接传动，第一下驱动电机通过主动同步带轮、同步带和第一珠驱动同步带轮连接传动，第二上驱动电机通过主动同步带轮、同步带和第二线驱动同步带轮连接传动，第二下驱动电机通过主动同步带轮、同步带和第二珠驱动同步带轮连接传动，第三上驱动电机通过主动同步带轮、同步带和第三线驱动同步带轮连接传动，第三下驱动电机通过主动同步带轮、同步带和第三珠驱动同步带轮连接传动，第四上驱动电机通过主动同步带轮、同步带和第四线驱动同步带轮连接传动，第四下驱动电机通过主动同步带轮、同步带和第四珠驱动同步带轮连接传动)。

如图1、7、8、9、10、11、12所示，线珠驱动装置包括壳体18、线驱动轮16、珠驱动轮17、线驱动轮轴13、珠驱动轮轴12，线驱动轮轴13中段装有线驱动轮16，并通过锥端紧定螺钉固定，两个深沟球轴承15套在线驱动轮轴13上，线驱动轮16位于两个深沟球轴承15之间，两个深沟球轴承15的外圈与壳体18连接，弹簧挡圈14安装在线驱动轮轴13上，线驱动轮16通过线驱动轮轴13和两个深沟球轴承15与壳体18转动地连接。珠驱动轮轴12中段装有珠驱动轮17，并通过锥端紧定螺钉固定，珠驱动轮轴12上位于珠驱动轮17的两侧装有两个轴承，这两个轴承安装在壳体18上，珠驱动轮17通过珠驱动轮轴12和两个轴承与壳体18转动地连接。珠驱动轮17的圆周上设有珠子容纳槽17-1和线容纳槽17-2，珠子容纳槽17-1的末端是端面17-1-1，端面17-1-1位于珠子容纳槽17-1和线容纳槽17-2的结合处，珠子容纳槽17-1主要用来存储和驱动线珠23中的珠子运动，线容纳槽17-2主要作为出珠后线珠23的线23-1经过的通道。线驱动轮16的圆周上设有绕线槽。壳体18通过螺钉固定在底座1上。导向板20通过螺钉21固定在底座1上，四个导向螺钉22安装在导向板20上。导向螺钉22设有用于穿过线珠23的中心导向通孔。

珠驱动同步带轮10安装在珠驱动轮轴12的伸出轴端，通过两个正交的平端紧定螺钉固定；线驱动同步带轮11装在线驱动轮轴13的伸出轴端，通过两个正交的平端紧定螺钉固定。参考图1、7、9，线珠23依次穿过导向螺钉22的中心导向通孔和壳体18底部的通道(壳体18底部的通道与珠驱动轮17的圆周相切)，然后嵌入珠驱动轮17圆周上的珠子容纳槽17-1中(即珠子23-2嵌入珠子容纳槽17-1)，线23-1经过线容纳槽17-2绕在线驱动轮16的绕线槽中，线23-1的后端固定连接在线驱动轮16上。当驱动电机7驱动主动同步带轮8转动，通过同步带9带动线驱动同步带轮11和珠驱动同步带轮10转动，线驱动同步带轮11通过线驱动轮轴13带动线驱动轮16转动，珠驱动同步带轮10通过珠驱动轮轴12带动珠驱动轮17转动。线驱动轮16按照图9中箭头所指顺时针方向转动使线珠23的线23-1缠绕在线驱动轮16圆周上的绕线槽中进行收线，同时珠驱动轮17按逆时针方向转动，线23-1拉拽柔性本体24(线23-1位于圆形孔道24-1中的部分的长度会变短)，柔性本体24变形将圆形孔道24-1中的珠子向外挤出，多个珠子23-2向珠驱动轮17方向运动并进入到珠子容纳槽17-1中实现入珠，从而实现柔性本体24向一个方向弯曲。此时，让线驱动轮16逆时针转动进行放线，同时珠驱动轮17顺时针转动使珠子容纳槽17-1的端面17-1-1作用在珠子23-2上从而向外推动珠子23-2(如图12所示将珠子向左推出)，使多个珠子23-2向柔性本体24方向移动实现出珠，圆形孔道24-1中挤入更多数量的珠子23-2，柔性本体24就向另一个方向弯曲。可见，一根线珠23的收线、入珠操作和放线、出珠操作就能实现柔性本体24向两个不同方向弯曲。需要说明的是，一根线珠23的收线、入珠操作时，珠驱动轮17也可以不动，只要珠子容纳槽17-1中有足够空间来存储珠子。

一组线驱动轮16和珠驱动轮17控制一根线珠，一共有四组线驱动轮和珠驱动轮从而控制四根线珠。

下面介绍本发明的工作过程：

使柔性臂工作时，第一上驱动电机和第一下驱动电机提供动力使线珠驱动装置动作，线珠驱动装置中的线驱动轮16顺时针转动进行绕线操作，同时珠驱动轮17逆时针转动，实现第一根线珠的收线、入珠操作，从而使柔性本体24向一个方向弯曲；让第一根线珠进行放线、出珠操作，实现第一根线珠的复位。第一根线珠复位后，通过第二上驱动电机和第二下驱动电机提供动力是第二根线珠收线、入珠，就可以变化柔性本体24的运动轨迹了。

为了实现柔性本体24的全方向弯曲，需要设置至少3根线珠配合动作(如图6所示)，通过3根线珠的收线、入珠，放线、出珠配合操作实现各个方向的弯曲。需要说明的是，在柔性本体24中设置4根线珠能够更好的实现全方向弯曲。当然，设置5根、6根或更多根线珠也是可行的。

本领域技术人员可以理解，线珠驱动装置主要用于：拉拽线珠23中的线23-1的同时向从柔性本体24中挤出的珠子提供位移空间，将珠子23-2向柔性本体24的圆形孔道24-1位置推动的同时使圆形孔道24-1中线的长度变长。动力装置主要用于使线珠驱动装置工作。

如图13所示，可以在柔性本体24的前端安装末端执行器25，该末端执行器25采用公知结构，比如手爪、吸盘等。

以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。

Claims (10)

1.一种柔性臂，其特征在于，包括柔性本体和线珠，所述线珠包括线和若干个珠子，所述线穿过若干个珠子，所述若干个珠子能够自由移动；所述柔性本体内沿长度方向设有圆形孔道，所述线珠设于圆形孔道中，所述线珠的线的前端与圆形孔道的前端固定连接，线的后端伸出圆形孔道的后端。

2.根据权利要求1所述的柔性臂，其特征在于，所述线珠的数量是两根以上，圆形孔道的数量与线珠的数量匹配。

3.根据权利要求2所述的柔性臂，其特征在于，所述线珠的数量是三根或四根。

4.根据权利要求1所述的柔性臂，其特征在于，所述柔性本体的形状是细长圆柱。

5.根据权利要求1所述的柔性臂，其特征在于，所述柔性本体的材质是硅胶或橡胶。

6.一种线珠耦合双向驱动的柔性机械臂，其特征在于，包括柔性臂、线珠驱动装置和动力装置，所述柔性臂包括柔性本体和线珠，所述线珠包括线和若干个珠子，所述线穿过若干个珠子，所述若干个珠子能够自由移动；所述柔性本体内沿长度方向设有圆形孔道，所述线珠设于圆形孔道中，所述线珠的线的前端与圆形孔道的前端固定连接，线的后端伸出圆形孔道的后端；

所述线珠驱动装置用于：拉拽线珠中的线的同时向从柔性本体中挤出的珠子提供位移空间，将珠子向柔性本体的圆形孔道位置推动的同时使圆形孔道中线的长度变长；

所述动力装置用于使线珠驱动装置工作。

7.根据权利要求6所述的线珠耦合双向驱动的柔性机械臂，其特征在于，所述线珠的数量是两根以上，圆形孔道的数量与线珠的数量匹配。

8.根据权利要求7所述的线珠耦合双向驱动的柔性机械臂，其特征在于，所述线珠的数量是三根或四根。

9.根据权利要求7所述的线珠耦合双向驱动的柔性机械臂，其特征在于，所述线珠驱动装置的数量是两组以上；

所述线珠驱动装置包括壳体、线驱动轮、珠驱动轮、线驱动轮轴和珠驱动轮轴，所述线驱动轮与线驱动轮轴连接，所述线驱动轮轴通过轴承与壳体转动地连接，所述珠驱动轮与珠驱动轮轴连接，所述珠驱动轮轴通过轴承与壳体转动地连接；所述珠驱动轮的圆周上设有珠子容纳槽1和线容纳槽，所述珠子容纳槽的末端设有端面，所述端面位于珠子容纳槽和线容纳槽的结合处；所述线驱动轮的圆周上设有绕线槽；所述壳体的底部设有通道；

所述线珠穿过壳体底部的通道并嵌入珠驱动轮的珠子容纳槽中，线珠的线经过线容纳槽绕在线驱动轮的绕线槽中，线的后端固定连接在线驱动轮上。

10.根据权利要求9所述的线珠耦合双向驱动的柔性机械臂，其特征在于，所述动力装置的数量是两组以上；

所述动力装置包括底座、电机支架、上驱动电机、下驱动电机、线驱动同步带轮和珠驱动同步带轮，所述电机支架与底座固定连接，所述上驱动电机和下驱动电机分别与电机支架连接；所述上驱动电机的输出轴通过主动同步带轮和同步带与线驱动同步带轮连接；所述下驱动电机的输出轴通过主动同步带轮和同步带与珠驱动同步带轮；

所述珠驱动同步带轮与珠驱动轮轴固定连接，所述线驱动同步带轮与线驱动轮轴固定连接。

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