CN110861075A - 一种小型气动多关节串并联蛇形机械臂 - Google Patents

一种小型气动多关节串并联蛇形机械臂 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小型气动多关节串并联蛇形机械臂，其特征在于：包括机械臂底座小车和机械臂关节。所述机械臂底座小车能够带着机械臂关节运动至工作区域，同时内部存放机械臂关节部分的驱动装置(气源、电源等)和控制器，减小机械臂关节的体积和重量；所述机械臂关节由多个小直径的并联机构串联而成；所述并联机构具有三个自由度，可以做伸缩运动、绕两轴转动；所述并联机构中由一个圆形气缸和四个圆周分布的气动肌腱驱动，圆形气缸和气动肌腱上的气管最终引向机械臂底座小车的气源上；所述并联机构中有线位移传感器和角位移传感器实现闭环控制。本发明在减少机械臂体积大小的情况下保证了负载能力，同时可以根据传感器的反馈信息进行闭环控制，使机械臂能够在狭窄空间或复杂的工作环境进行工作。

Description

一种小型气动多关节串并联蛇形机械臂
技术领域
本发明涉及机械设备领域，具体而言，涉及一种机械臂。
背景技术
机械臂在工业、航空航天、军事、医疗、服务等领域中有着广泛的应用。目前，常用的机械臂大多为刚性机械臂。刚性机械臂受其自身结构的影响，存在着体积大、易磨损、平台自身重缺陷。同时在面对作业空间狭窄的情况时，刚性机械臂将很难完成工作。而蛇形机械臂相对于传统的刚性机械臂来说，能够柔性弯曲灵活改变自己的形状，体积较小、对工作空间的狭小和非结构化具有很强的适应性。
鉴于此，有必要设计一种小型的机械臂，以完成狭窄空间中的工作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种直径小、安全性高、并且可以应用在狭窄空间的一种小型气动多关节串并联机械臂。
本发明所采用的技术方案是：一种小型气动多关节串并联机械臂，包括机械臂底座和机械臂关节。所述机械臂底座设置有小车型驱动装置带动机械臂关节进行运动；所述机械臂关节部分与机械臂底座固定，机械臂关节部分直径很小，且可以完成复杂的运动，从而使机械臂可以在狭窄空间中进行各种复杂的工作。
进一步，所述机械臂底座内部开槽，将驱动机械臂关节的大型设备(如气源、电源等)和控制器放入其中。
进一步，所述机械臂关节部分由多个结构相同的并联机构串联而成。采用并联机构可以保证系统的强度稳定性。
进一步，每个并联机构具有三个自由度，包括伸缩运动和绕两轴偏转。
进一步，所述并联机构中上圆盘固定着五个万向节，分别和气缸以及四个气动肌腱上端进行螺纹连接。
进一步，所述万向节采用耳环式的上支撑和U型架的下半部分组合而成，上支撑板通过螺纹与上圆盘连接。
进一步，气缸下端采用法兰和支撑杆固定在下底面圆盘，气动肌腱下端与关节轴承连接，关节轴承配合一个支撑座形成一个类球铰关节，支撑座通过螺纹与下底面圆盘固定。
进一步，所述上圆盘和下底面圆盘均开有圆周分布的槽口，使上方连接的万向节和下方关节轴承支撑座能够沿槽口进行滑动，能够改变四周气动肌腱分布圆的大小，进而使并联机构的最大偏转角度发生变化。
进一步，所述并联机构中间气缸上配有一个位移传感器，可以反馈给上位机气缸的伸缩量。
进一步，所述并联机构中间气缸上方万向节连接两个联轴的角位移传感器，分别测量并联机构绕X、Y双轴的偏转角度。
进一步，所述机械臂顶端可以安装摄像头，通过整个机械臂的引导完成狭窄空间的探测工作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过将机械臂的大体积驱动模块(气源、电源等)和控制器安装于机械臂底座驱动小车内部，同时采用了较传统气缸来说保证作用力的情况下，体积更小的新型材料—气动肌腱，极大幅度的减小了机械臂的直径，同时也保证了机械臂工作所需的作用力。在机械臂的结构上我们选用了多关节串并联结构。在单个关节上采用可以完成伸缩运动和绕X、Y双轴转动的三自由度并联机构，通过多个相同结构的并联机构联合运动让机械臂可以完成复杂的运动。驱动方式上我们采用气动驱动，相对于绳索驱动来说可以进行更精确的控制。同时并联机构中有一个测量伸缩量位移传感器和两个绕轴旋转的角位移传感器，使得我们可以对机械臂的运动做闭环控制。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2为并联机构结构图；
图3为与圆形气缸上端连接的万向节结构图；
附图标记：1-机械臂底座，2-机械臂关节，21-并联机构上圆盘，22-气缸上端万向节，221-万向节耳环，222-万向节平衡板，223-万向节转轴，224-小型角位移传感器，225-万向节U型架，23-气动肌腱上端万向节，24-圆形气缸，25-气动肌腱，26-圆形气缸安装法兰，27-法兰支撑杆，28-与气动肌腱配合的关节轴承，29-关节轴承支撑座，210-并联机构下底盘。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案做进一步具体的说明。
实施例：一种小型气动多关节串并联机械臂，参见图1，包括机械臂底座1，机械臂关节2。具体的是：所述机械臂底座为小车，通过轮子带动整个机械臂运动。机械臂关节2安装在机械臂底座上，机械臂关节的驱动装置(气源、电源等)放置在底座中，减少机械臂关节体积。机械臂关节采用多个并联机构(图2)串联构成。每个并联机构由一个圆形气缸24和四个圆周分布的气动肌腱25联合控制，可以做伸缩运动和绕X、Y双轴的偏转运动。气缸上端万向节22和气动肌腱上端万向节23呈十字分布，保证轴线一致，使并联机构可以自由偏转。气缸上端万向节22和气动肌腱上端万向节23和上圆盘21螺纹连接。圆形气缸24底部通过安装法兰26和支撑杆27与下底盘210固定。气动肌腱25底部通过螺纹和关节轴承28连接，关节轴承28和支撑座29组合成一个球铰结构满足并联机构的自由度，支撑座29与下底盘210通过螺纹连接。并联机构的上圆盘21和下底盘210均开槽口，使四周气动肌腱25可以同时向圆盘里面靠拢或向外面扩张，改变分布圆的直径大小，从而可以使并联机构的最大偏转角增大或减小。图3为气缸上端万向节结构图，万向节由两个耳环221、中间转轴223和下方U型架组合构成，通过平衡板222加强万向节的强度，在两个垂直方向上的轴上连接两个小型角位移传感器224，圆形气缸24上有线位移传感器。
参见图2，并联机构由一个圆形气缸24、四个气动肌腱25驱动。
圆形气缸24上端连接一个较大的万向节22，四个气动肌腱25上端连接四个十字分布的万向节23，使上圆盘可以绕X、Y轴偏转。
圆形气缸内部存在一个线位移传感器，用来测量圆形气缸活塞杆的伸长量，并反馈给控制器做闭环控制。
圆形气缸24下端通过法兰连接一个支撑板26，法兰通过四个支撑杆27和下底盘210通过螺柱固定。
气动肌腱25下端和关节轴承28连接，关节轴承28和支撑座29通过轴固定，支撑座和下底盘螺纹连接。
上圆盘21和下底盘210四周开槽口，使与气动肌腱25上方连接的万向节23和下方关节轴承支撑座29可以向内滑动，在四周气动肌腱25最大拉伸不变情况下增大最大偏转角。
参见图3，气缸上端万向节22主要由两个耳环221、中间转轴223和下方U型架225构成，整个万向节是可拆装的。
两个耳环间通过螺纹固定一个平衡板222用来增大万向节的强度。
一侧耳环和U型架上打上两个用以固定小型角位移传感器224的螺纹孔，小型传感器224与转轴固定并随轴转动测量偏转角度并反馈给控制器做闭环控制。
本发明的工作原理是：本发明的机械臂关节2固定在机械臂底座小车1上，通过底座小车1带动运送至工作区域。到达工作区域后，通过底座小车中的控制器控制阀门的开关，进而控制机械臂关节中并联机构的圆形气缸和气动肌腱控制每个并联机构关节的运动。通过多节并联机构的配合，使机械臂可以完成复杂的运动动作，在狭窄空间得以顺利的完成工作。
机械臂底座小车1在工作时先带动我们的机械臂关节2运动到工作区域(如狭窄空间、管道)，里面存放有机械臂关节的驱动装置(气源、电源)和控制器，使得前端机械臂关节的重量大大减轻，从而可以减小机械臂关节2部分的直径大小。
机械臂关节2由多个并联机构(图2)串联而成，直径很小，在100mm以内，可以伸入狭窄的洞口或管道进行工作。
并联机构(图2)具有三个自由度，可以做伸缩运动，同时可以做两个垂直方向上的绕轴转动。
并联机构上圆盘和21和下底盘210上均开有槽口，使得四周的肌腱部分可以向内收缩，在不改变气动肌腱25收缩量的情况下可以是并联机构最大偏转角增大，以完成更大幅度的动作要求。
由于整个机构的直径很小，因此需要定制特定的气缸万向节22和肌腱万向节23，二者同样要小体积。为了保证强度，在两个耳环间添加了平衡板222。
并联机构中采用了气动肌腱25这种新型材料，它在小直径下具有较大的作用力，同时对环境的适应性更强，不易被污染，满足我们机械臂的需求。
圆形气缸24行程和气动肌腱25行程相近时，由于气动肌腱的特性原因，气动肌腱的长度会大大长于气缸，因此下方通过法兰26配合支撑杆27的形式固定圆形气缸24，既保证了高度统一，也保证了强度。
当控制器控制阀门开关使并联机构运动时，如果只需要进行伸缩运动，则圆形气缸24和四周气动肌腱25会同时做相同方向的伸缩；如果需要做单轴偏转时，则圆形气缸24位置不变，通过两个同一条直线肌腱的做不同长度的拉伸完成一个方向上偏转；如果需要做双轴偏转，则两对气动肌腱25都要做不通长度的拉伸。
只对一个并联机构进行控制，我们可以完成需要的三自由度动作。通过多节的联合运动，则能使机械臂完成复杂的运动。
并联机构(图二)的圆形气缸中有线位移传感器，图三的万向节中安装有两个联轴的角位移传感器224，传感器的数据返回给上位机后我们可以获取机械臂的位姿信息进而可以做闭环控制。

Claims (10)

1.一种小型气动多关节串并联蛇形机械臂；所述机械臂由机械臂底座小车和机械臂关节组成；机械臂底座小车带动机械臂关节运动到工作位置，同时内部可以存放机械臂的驱动装置和控制器，以减少前端机械臂关节的体积大小；机械臂关节由多个并联机构串联而成，每个并联机构可以完成包含伸缩、绕两轴偏转的三自由度运动；每个并联机构由四个圆周分布的柔性材料气动肌腱和中间的气缸一起工作完成驱动；并联机构四周的气动肌腱分布圆直径可变，完成不同最大角度的偏转；所述机械臂在每个并联机构中均设有位移传感和角位移传感装置；其特征在于，所述位移传感器和角位移传感器相配合用来反馈出机械臂的位姿情况，通过上位机的计算和分析进行后续的准确控制。
2.根据权利要求1所述的一种小型气动多关节串并联蛇形机械臂，其特征在于：所述机械臂将体积较大的驱动装置(气源、电源等)和控制器全部分布于机械臂底座小车中，使我们的前端机械臂直径尽可能减小。
3.根据权利要求1所述的一种小型气动多关节串并联蛇形机械臂，其特征在于：整个机械臂的直径很小，能够使我们的机械臂在狭窄的空间下进行工作。
4.根据权利要求1所述的一种小型气动多关节串并联蛇形机械臂，其特征在于：所述机械臂由多个并联机构串联而成，其中每个并联机构能够完成伸缩、绕双轴偏转的三自由度运动。
5.根据权利要求1所述的一种小型气动多关节串并联蛇形机械臂，其特征在于：所述机械臂关节主要由气动元件驱动，采用气动伺服控制。
6.根据权利要求1所述的一种小型气动多关节串并联蛇形机械臂，其特征在于：所述机械臂并联机构中气缸和气动肌腱的上方均连接有万向节，使并联机构可以完成绕双轴运动。
7.根据权利要求1所述的一种小型气动多关节串并联蛇形机械臂，其特征在于：所述机械臂的气动肌腱下端采用关节轴承配合支撑座的方式达到球铰的效果。
8.根据权利要求1所述的一种小型气动多关节串并联蛇形机械臂，其特征在于：所述机械臂中使用了目前的一种新型柔性材料—气动肌腱；气动肌腱相对于传统气缸来说具有初始力大、密封性好、结构坚固等优点；可以在直径很小的情况下具有较大的作用力，非常适用于小型结构。
9.根据权利要求1所述的一种小型气动多关节串并联蛇形机械臂，其特征在于：所述机械臂中并联机构四周分布的气动肌腱分布圆直径可调；通过上下底盘开槽的方式使肌腱上下连接的万向节和关节轴承可以移动从而改变分布圆的直径大小，使我们在气动肌腱的伸缩范围不变的情况下改变并联机构绕轴偏转的最大角度。
10.根据权利要求1所述的一种小型气动多关节串并联蛇形机械臂，其特征在于：所述机械臂的气缸上装有位移传感器、与气缸连接的万向节上装有绕两轴偏转的角位移传感器；上位机可以通过传感器反馈的信息解算出机械臂的位姿信息确定后续的控制。
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