CN110497384A - 一种面向装配操作的柔性机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向装配操作的柔性机械臂，包括执行器组件、柔性机械臂组件、机械臂运动控制组件；所述机械臂运动控制组件由伺服电机、电机固定板、滑轮、滚轮以及各连接件组成；所述执行器组件安装在机械臂末端，控制电缸运动使其工作时起到抓握作用以增强工作稳定性，其内部由电动螺丝刀和微型电缸组成，可拆装装配工具；所述柔性机械臂组件由多个关节骨干组成，柔索一端连接驱动器，另一端固定在固定板上；所述机械臂通过设置柔索工作在不同部分，能达到有效避障，保证工作安全性的效果。本发明提出的机械臂结构灵活，适合用于狭窄且复杂工作空间环境，具有结构简单、可靠性高、鲁棒性强的特点。

Description

一种面向装配操作的柔性机械臂

技术领域

本发明公开了一种面向装配操作的柔性机械臂，属于机器人领域。

背景技术

柔性机械臂已经成为了工程领域的一个全新的方向，为许多以往难以实现的工程应用打开了一扇崭新的大门，同时也是对传统工业的一次挑战。传统机械臂具有整体惯量较大、系统动态响应较差及在执行任务过程中能耗较高的缺点，存在着在执行任务时工作空间小，且安全可靠性低的问题，避障能力较差，其使用场景较单一。末端执行器需要复杂系统控制，执行对象较为单一，适应性较差，无法应用于救援维护、危险探测、空间在轨服务等需要设备较高灵活度的场合。

查找相关资料发现，国内外学者根据象鼻、章鱼触手等提出了不同构型的柔性机械臂，按照驱动方式大致可以分为：基于气体的变压力驱动、基于线杆变长度的欠驱动和基于智能材料变形的驱动，德国自动化技术商Festo基于气动原理开发了三款仿生机器人，可根据各自外形，轻柔地包裹抓取物体。线杆驱动的主要特点是电机带动线缆或弹性杆收放，从而导致包含柔性连接的机器人发生可控形变。在实际应用上，线杆驱动具有设备简单、运动易控等优点，该柔性机器人可实现远程操作，全范围工作，高空辅助，岩壁钻探等的作用，具有较好的市场应用前景，能够快速投入使用。

发明内容

本发明的目的是克服现存技术的缺陷，提出了一种面向装配操作的柔性机械臂，其能够扩大机器人的工作空间，刚性较好，可应用于多维度复杂装配工作环境中，具有结构简单、操作便捷、实用性强，工作安全可靠等优点。通过控制末端执行器，机械臂能抓握多种外形尺度的物体，具备较好的随形抓握能力，防止末端振动，降低柔性机械臂低刚度对操作的影响，同时末端执行器中装配工具需要满足多种装配要求。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种面向装配操作的柔性机械臂，包括执行器组件、柔性机械臂组件、机械臂运动控制组件；所述机械臂运动控制组件作为底座，其六个驱动单元独立工作，柔性机械臂组件通过连接件由M5螺栓固定于机械臂运动控制组件上，执行器组件位于柔性机械臂组件顶端，通过连接件与柔性机械臂组件固连，且处于中心位置。

所述执行器组件包括装配工具、仿鱼鳍结构、卡口、电动螺丝刀、第一微型电缸、固定平台、第二微型电缸、伸缩块、连杆、滑动板、连接件；所述连接件与固定平台采用M5螺栓连接，滑动板与伸缩块固定连接，连杆和滑动板之间采用铰链连接，保证运动的柔顺性，仿鱼鳍结构沿圆周均匀分布，一端连接固定平台，另一端连接连杆形成封闭的四杆机构，第二微型电缸安装在固定平台下方，推动伸缩块上下运动，从而能够控制滑动板沿着固定平台上下移动，第一微型电缸安装在固定平台上方中间，第一微型电缸上方装有电动螺丝刀，能推动其上下运动，达到伸缩的效果，在电动螺丝刀末端装有卡口，用于装卸装配工具。所述电动螺丝刀与装配工具之间采用卡扣式连接，通过压缩压簧，向内推动电动螺丝刀口处的卡口，实现装配工具快速更换，压簧置于卡簧和螺丝刀之间，电动螺丝刀刀口处成锥形设计。

所述柔性机械臂组件包括固定板、定位销轴、柔索、弹性骨架；所述固定板与弹性骨架过渡配合，用定位销轴等间距固定在相应位置，限制固定板间距离，使得柔索沿着近似机械臂中心线平行位置运动，将每五个固定板间的小段柔性机械臂作为一个模块，固定板上有与模块数量相对应的驱动孔以保证柔索运动不会干涉，驱动孔共三组以弹性骨架中心线为对称中心成120°分布，将柔索连接每个模块的驱动孔，固定于在每个模块上方的固定板，并且越靠近机械臂运动控制组件的模块中的柔索所连接的驱动孔越靠近弹性骨架，提高柔索的驱动效果，在固定板外侧覆盖一层柔性表皮，使得柔性机械臂组件具有更好回复和传递运动性能。柔索与驱动孔之间能相互滑动，通过驱动孔连接到控制箱内的机械臂运动控制组件上。所述柔性表皮与固定板外侧胶接，以保护内部结构。柔性机械臂的主要运动机理为驱动器收放柔索，由于骨架和柔性表皮的弹性，机械臂发生连续变形，使得末端的空间位置发生改变。通过收放不同柔索的长度配置即可使得柔性机械发生对应变形。

所述机械臂运动控制组件包括电机固定板、导向板、滑轮轴、滑轮、滚轮、伺服电机、滑轮固定件；所述电机固定板共三个，用M5螺栓安装在控制箱内壁上，成圆周对称布置，六个伺服电机两两一组以控制箱中心线为对称中心成120°分布，固定安装在电机固定板上，滚轮安装在伺服电机的输出轴上，通过键连接；滑轮固定件底端与电机固定板螺纹连接，滑轮固定件与滑轮轴之间采用过盈配合，保证相邻滑轮同轴度，减小运动传动阻力，滑轮与滑轮轴间隙配合；导向板和固定板通过M5螺栓分别安装在控制箱的内外侧，所述柔索分为连接到柔性机械臂组件中间端的外部柔索和连接到柔性机械臂组件末端的内部柔索，内外柔索为一组，共三组柔索成圆周对称分布，柔索一端固定在伺服电机上并缠绕数圈，确保初始位置时柔索处于张紧状态，绕过滚轮和滑轮，并穿过导向板连接到柔性机械臂组件的固定板上。

本发明与现有技术相比较，具有以下突出实质性特点和显著优点：

1.本发明能够同时驱动多线运动，内外线驱动机构独立工作，机构整体质量小、成本低。

2.本发明能实现末端执行器抓握目标物体，可形成力封闭，机械臂能够提供一定刚度，工作时具有可靠性高，工作稳定，鲁棒性好的特点。

3.本发明所提供的一种机械臂通过设置模块分解运动，使得驱动器单独工作于每个模块，分解整体对驱动力矩要求，能够使运动易控且精度较高，机械臂工作空间更广，且能提高整体运动速度，工作更高效。

4.本发明中机械臂末端执行器采用微型电缸推进可拆换电动螺丝刀设计，能够有效壁面装配工具与目标表面接触，操作更加安全便捷，对复杂工况的适应性更好。

附图说明

图1为一种面向装配操作的柔性机械臂总体结构示意图。

图2为本发明的执行器组件的总体结构示意图。

图3为本发明的柔性机械臂组件内部结构示意图。

图4为本发明的机械臂运动控制组件内部结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种面向装配操作的柔性机械臂，包括执行器组件I、柔性机械臂组件II、机械臂运动控制组件III；所述机械臂运动控制组件III作为底座，柔性机械臂组件II通过连接件11由M5螺栓19固定于机械臂运动控制组件III上，执行器组件I位于柔性机械臂组件II顶端，通过连接件11与柔性机械臂组件II固连，且处于中心位置。

如图2所示，所述执行器组件I包括装配工具1、仿鱼鳍结构2、卡口3、电动螺丝刀4、第一微型电缸5、固定平台6、第二微型电缸7、伸缩块8、连杆9、滑动板10、连接件11；所述连接件11与固定平台6采用M5螺栓19连接，滑动板10与伸缩块8固定连接，连杆9和滑动板10之间采用铰链连接，保证运动的柔顺性，仿鱼鳍结构2沿圆周均匀分布，一端连接固定平台6，另一端连接连杆9形成封闭的四杆机构，第二微型电缸7安装在固定平台6下方，推动伸缩块8上下运动，从而能够控制滑动板10沿着固定平台6上下移动，第一微型电缸5安装在固定平台6上方中间，第一微型电缸5上方装有电动螺丝刀4，能推动其上下运动，达到伸缩的效果，在电动螺丝刀4末端装有卡口3，用于装卸装配工具1。

如图3所示，所述柔性机械臂组件II包括固定板12、定位销轴13、柔索14、弹性骨架15；所述固定板12与弹性骨架15过渡配合，用定位销轴13等间距固定在相应位置，限制固定板12间距离，使得柔索14沿着近似机械臂中心线平行位置运动，将每五个固定板12间的小段柔性机械臂作为一个模块，固定板12上有与模块数量相对应的驱动孔，驱动孔共三组以弹性骨架15中心线为对称中心成120°分布，将柔索14连接每个模块的驱动孔，固定于在每个模块上方的固定板12，并且越靠近机械臂运动控制组件III的模块中的柔索14所连接的驱动孔越靠近弹性骨架15，提高柔索14的驱动效果，在固定板12外侧覆盖一层柔性表皮，使得柔性机械臂组件II具有更好回复和传递运动性能。

如图4所示，所述机械臂运动控制组件III包括电机固定板16、导向板18、滑轮轴20、滑轮21、滚轮22、伺服电机23、滑轮固定件24；所述电机固定板16共三个，用M5螺栓19安装在控制箱内壁上，成圆周对称布置，六个伺服电机23两两一组以控制箱中心线为对称中心成120°分布，固定安装在电机固定板16上，滚轮22安装在伺服电机23的输出轴上，通过键连接；滑轮固定件24底端与电机固定板16螺纹连接，滑轮固定件24与滑轮轴20之间采用过盈配合，保证相邻滑轮21同轴度，减小运动传动阻力，滑轮21与滑轮轴20间隙配合；导向板18和固定板11通过M5螺栓19分别安装在控制箱的内外侧，所述柔索14分为连接到柔性机械臂组件II中间端的外部柔索和连接到柔性机械臂组件II末端的内部柔索，内外柔索为一组，共三组柔索14成圆周对称分布，柔索14一端固定在伺服电机23上并缠绕数圈，确保初始位置时柔索14处于张紧状态，绕过滚轮22和滑轮21，并穿过导向板18连接到柔性机械臂组件II的固定板11上。

本发明装置的工作过程如下：

假设柔性机械臂直立状态为初始状态，则此时仿鱼鳍结构2处于开口状态，柔索14处于放松状态。伺服电机23通电，产生不同角度旋转，不同模块的柔索14被拉直，固定板12受到不同力的作用，弹性骨架15发生形变，柔性机械臂末端到达目标位置，第二微型电缸7通电，伸缩块8与滑动板10在拉杆的作用下向上运动，仿鱼鳍结构2慢慢闭合，抓握目标装配体，形成刚度较高的工作状态，控制第一微型电缸5，推杆推动电动螺丝刀4朝外运动，电动螺丝刀4旋转，控制装配工具1工作；拆换装配工具1时，电动螺丝刀4停止旋转，向内推动卡口就可取出更换。

本发明实施例结构简单、操作灵活、工作范围大，柔性机械臂通过控制驱动器发生多种形变，将整体运动分解成不同模块受力，提高机械臂的刚度和运动精度，适用于复杂空间情况下的物体装配。相比传统机械臂结构，本发明具有更好环境适应性，具有较高的使用价值。本发明实现末端执行器抓握目标物体，可形成力封闭，机械臂能够提供一定刚度，通过设置模块分解运动，使得驱动器单独工作于每个模块，分解整体对驱动力矩要求，能够使运动易控且精度较高，机械臂工作空间更广，且能提高整体运动速度，工作时具有可靠性高，工作稳定，鲁棒性好的特点。

Claims (4)

1.一种面向装配操作的柔性机械臂，其特征在于，包括执行器组件（I）、柔性机械臂组件（II）、机械臂运动控制组件（III）；所述机械臂运动控制组件（III）作为底座，柔性机械臂组件（II）通过连接件（11）由M5螺栓（19）固定于机械臂运动控制组件（III）上，执行器组件（I）位于柔性机械臂组件（II）顶端，通过连接件（11）与柔性机械臂组件（II）固连，且处于中心位置。

2.根据权利要求1所述的面向装配操作的柔性机械臂，其特征在于，所述执行器组件（I）包括装配工具（1）、仿鱼鳍结构（2）、卡口（3）、电动螺丝刀（4）、第一微型电缸（5）、固定平台（6）、第二微型电缸（7）、伸缩块（8）、连杆（9）、滑动板（10）、连接件（11）；所述连接件（11）与固定平台（6）采用M5螺栓（19）连接，滑动板（10）与伸缩块（8）固定连接，连杆（9）和滑动板（10）之间采用铰链连接，保证运动的柔顺性，仿鱼鳍结构（2）沿圆周均匀分布，一端连接固定平台（6），另一端连接连杆（9）形成封闭的四杆机构，第二微型电缸（7）安装在固定平台（6）下方，推动伸缩块（8）上下运动，从而能够控制滑动板（10）沿着固定平台（6）上下移动，第一微型电缸（5）安装在固定平台（6）上方中间，第一微型电缸（5）上方装有电动螺丝刀（4），能推动其上下运动，达到伸缩的效果，在电动螺丝刀（4）末端装有卡口（3），用于装卸装配工具（1）。

3.根据权利要求1所述的面向装配操作的柔性机械臂，其特征在于，所述柔性机械臂组件（II）包括固定板（12）、定位销轴（13）、柔索（14）、弹性骨架（15）；所述固定板（12）与弹性骨架（15）过渡配合，用定位销轴（13）等间距固定在相应位置，限制固定板（12）间距离，使得柔索（14）沿着近似机械臂中心线平行位置运动，将每五个固定板（12）间的小段柔性机械臂作为一个模块，固定板（12）上有与模块数量相对应的驱动孔，驱动孔共三组以弹性骨架（15）中心线为对称中心成120°分布，将柔索（14）连接每个模块的驱动孔，固定于在每个模块上方的固定板（12），并且越靠近机械臂运动控制组件（III）的模块中的柔索（14）所连接的驱动孔越靠近弹性骨架（15），提高柔索（14）的驱动效果，在固定板（12）外侧覆盖一层柔性表皮，使得柔性机械臂组件（II）具有更好回复和传递运动性能。

4.根据权利要求1所述的面向装配操作的柔性机械臂，其特征在于，所述机械臂运动控制组件（III）包括电机固定板（16）、导向板（18）、滑轮轴（20）、滑轮（21）、滚轮（22）、伺服电机（23）、滑轮固定件（24）；所述电机固定板（16）共三个，用M5螺栓（19）安装在控制箱内壁上，成圆周对称布置，六个伺服电机（23）两两一组以控制箱中心线为对称中心成120°分布，固定安装在电机固定板（16）上，滚轮（22）安装在伺服电机（23）的输出轴上，通过键连接；滑轮固定件（24）底端与电机固定板（16）螺纹连接，滑轮固定件（24）与滑轮轴（20）之间采用过盈配合，保证相邻滑轮（21）同轴度，减小运动传动阻力，滑轮（21）与滑轮轴（20）间隙配合；导向板（18）和固定板（11）通过M5螺栓（19）分别安装在控制箱的内外侧，所述柔索（14）分为连接到柔性机械臂组件（II）中间端的外部柔索和连接到柔性机械臂组件（II）末端的内部柔索，内外柔索为一组，共三组柔索（14）成圆周对称分布，柔索（14）一端固定在伺服电机（23）上并缠绕数圈，确保初始位置时柔索（14）处于张紧状态，绕过滚轮（22）和滑轮（21），并穿过导向板（18）连接到柔性机械臂组件（II）的固定板（11）上。