CN110936362B - 绳索同步联动的串联操作臂装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了绳索同步联动的串联操作臂装置，利用绳驱方式实现两段串联操作臂的同步联动，并通过绳索联动机构进行驱动力矩的传递，使得两段操作臂的各级连杆结构同步转动，两段操作臂的同一级连杆结构由对应的绳索联动机构及绳索独立联动，其形变同步且形态一致。本发明采用完全机械式机构，无需电源、电路等电气设备，解决了现有操作臂由于在危险环境或特殊场合中其电源、电路等容易受环境影响，难以在安全区域实现对其控制的问题，并且本发明装置的操作简便，操作臂的运动更为直观明了，可应用于危险区域的操作或医疗窥探镜应用等；同时由于操作臂无需安装电机进行驱动控制，大大减轻了机器臂的重量及其制作成本，具有较高的实用性。

Description

绳索同步联动的串联操作臂装置

技术领域

本发明涉及绳驱串联操作臂技术领域，尤其涉及绳索同步联动的串联操作臂装置。

背景技术

在现有的串联操作臂中，操作臂的各个单元绕关节旋转，通过控制各个关节的旋转角度，使操作臂达到不同的形状、位置，进而使操作臂完成指定的工作。其中关节的旋转可以是关节处设置驱动电机实现，亦可通过拉伸绳索驱动实现远程操作。

对于操作臂在危险环境或特殊场合中的应用，目前主要利用遥操作技术控制操作臂完成作业，但是在如强磁场、高温等环境等的恶劣环境下，控制操作臂所需要的电源、电路、信息传输系统等电气设备会受到影响，影响对操作臂的控制。

发明内容

本发明为解决现有操作臂由于在危险环境或特殊场合中其电源、电路等电气设备容易受环境影响，难以在安全区域实现对其控制的问题，同时为了使操作简单明了，提供了绳索同步联动的串联操作臂装置。

为实现以上发明目的，而采用的技术手段是：

绳索同步联动的串联操作臂装置，包括：操作臂和联动盒，所述操作臂由N级连杆结构串联而成，所述联动盒内依次设有N个绳索联动机构，其两端分别与联动盒的两对边转动连接；所述操作臂有两段，且分别通过位于操作臂端部的一级连杆结构对称连接在所述联动盒的两端，所述连杆结构以及联动盒的两端盒体上的对应位置均开设穿绳孔；所述绳索联动机构上缠绕有绳索，缠绕后的绳索有两个自由端并分别与两段操作臂的同一级连杆结构连接，连接时绳索依次穿过联动盒盒体上的穿绳孔以及各个连杆结构的穿绳孔直至到达该绳索所驱动的对应连杆结构后与其穿绳孔连接；两段操作臂的同一级连杆结构由对应的绳索联动机构及绳索独立联动。

优选的，所述绳索联动机构包括联动轴以及套设在联动轴上的缠线盘，所述联动轴的两端分别与联动盒的两对边转动连接，所述绕线盘盘身的外侧沿轴向依次开设两个线槽，用于缠绕两条绳索，两条绳索的一端分别缠绕于两个线槽上，两条绳索的另一端分别与两段操作臂的同一级连杆结构连接。在本优选方案中，对于每级连杆结构采用一对两根绳索驱动，该连杆结构转动时，两根绳索的其中一根缩短，另一根伸长，且各级连杆结构可以独立运动，由绳索的长度变化实现该级连杆结构的转动，通过所有绳索的长度协同变化，即可实现整个操作臂的形变。

优选的，每个所述绳索联动机构中的缠线盘有两个，分别位于所述联动轴的两端，位于所述联动轴同一端的各个缠线盘依次错开设置，所述联动盒以及N个绳索联动机构均相对于所述联动盒的中心轴对称。在本优选方案中，不同联动轴上的各个缠线盘在联动盒内交错排布，使得绳索互不干扰。

优选的，位于一联动轴上的其中一个缠线盘，其两个线槽上的两条绳索以相同的第一方向缠绕；位于该联动轴上的另一缠线盘，其两个线槽上的两条绳索以相同的第二方向缠绕，所述第二方向为与第一方向相反的方向。在本优选方案中，这种绳索反向的设置使得当某一联动轴转动时，其中一个缠线盘的绳索伸长，另一缠线盘的绳索缩短。

优选的，位于一联动轴上的每个缠线盘，其两个线槽上的两条绳索以相反的方向缠绕。在本优选方案中，其中一段操作臂的连杆机构转动方向与另一段操作臂的连杆机构转动方向相反，但两段操作臂仍然能实现同步联动。

优选的，位于一联动轴上的两个缠线盘的线槽半径相同。在本优选方案中，由于绳索的伸缩量值与缠绕半径有关，当两段操作臂对应的各级连杆机构的长度一致时，两个缠线盘中的四个线槽半径相同则四根绳索的伸缩量一致。

优选的，所述连杆结构包括连杆，所述连杆的一端分别向两侧形成两对称的延伸部，所述延伸部上开设有若干穿绳孔，两延伸部上的穿绳孔一一对称设置；所述连杆一端的端部内凹形成一母头，所述连杆的另一端外突形成一公头，任一连杆结构的母头与另一连杆结构的公头可匹配转动连接，即所述母头或公头的中心轴为连杆结构间的转动中心轴。

优选的，所述延伸部上的穿绳孔与母头的中心轴位于同一平面内。在本优选方案中，连杆结构的母头的中心轴以及公头的中心轴均所在的平面为对称面，由于延伸部上的穿绳孔与母头的中心轴位于同一平面内，即绳索在穿绳孔处的固定位置位于的平面会与对称面垂直，因此位于同一缠线盘上的两条绳索的伸缩量值近似相等，其中一条绳索的伸长量与另一条绳索的缩短量基本一致，而绳索本身的弹性可以自动补偿其中的相差值。

优选的，所述N个绳索联动机构均平行于所述联动盒的两端面。

优选的，所述联动盒为内部中空的盒体，所述盒体的两端分别设有固定部，所述固定部的结构与所述母头的结构一致，用于与一级连杆结构的公头匹配转动连接；所述盒体的两对边上对称开设多个轴承孔，所述联动轴的两端形成轴颈并通过轴承以及轴承孔与所述盒体转动连接。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提供的绳索同步联动的串联操作臂装置采用两段操作臂联动的设计，通过对位于安全区域的操作臂进行控制即可间接控制位于危险区域内的另一端操作臂。组成操作臂的每级连杆结构采用一对两根绳索驱动，该连杆结构转动时，两根绳索的其中一根缩短，另一根伸长，且各级连杆结构可以独立运动，由绳索的长度变化实现该级连杆结构的转动，通过所有绳索的长度协同变化，即可实现整个操作臂的形变。

本发明采用完全机械式机构，无需电源、电路等电气设备，解决了现有操作臂由于在危险环境或特殊场合中其电源、电路等容易受环境影响，难以在安全区域实现对其控制的问题，并且本发明装置的操作简便，操作臂的运动更为直观明了，可应用于危险区域的操作或医疗窥探镜应用等；同时由于操作臂无需安装电机进行驱动控制，大大减轻了机器臂的重量及其制作成本，具有较高的实用性。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构示意图。

图2为实施例2联动盒盒体及内部的绳索联动机构的示意图。

图3为实施例2联动盒盒体及内部的绳索联动机构的平面示意图。

图4为实施例2联动盒盒体的示意图。

图5为实施例2绳索联动机构的平面示意图。

图6为实施例2绳索联动机构的示意图。

图7为实施例2连杆结构示意图。

图8为图7转过另一角度的示意图。

图9为实施例2联动盒与一级连杆结构的连接示意图。

图10为实施例2联动盒与一级连杆结构的连接局部放大示意图。

图11为实施例2联动盒与一段操作臂的连接示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

本实施例1提供了一种绳索同步联动的串联操作臂装置，如图1所示，包括：操作臂1和联动盒2，所述操作臂1由N级连杆结构3串联而成，所述联动盒2内依次设有N个绳索联动机构4，其两端分别与联动盒2的两对边转动连接；所述操作臂1有两段，且分别通过位于操作臂1端部的一级连杆结构3对称连接在所述联动盒2的两端，所述连杆结构3以及联动盒2的两端盒体上的对应位置均开设穿绳孔；所述绳索联动机构4上缠绕有绳索5，缠绕后的绳索5有两个自由端并分别与两段操作臂1的同一级连杆结构3连接，连接时绳索5依次穿过联动盒2盒体上的穿绳孔23以及各个连杆结构3的穿绳孔33直至到达该绳索5所驱动的对应连杆结构3后与其穿绳孔连接；两段操作臂1的同一级连杆结构3由对应的绳索联动机构4及绳索5独立联动。在本实施例中，N为5，即每段操作臂1由5级连杆结构3串联而成，所述联动盒2内依次设有5个绳索联动机构4，该数目可以根据实际情况进行增减。

该实施例的工作原理如下：

为更清楚和方便对其原理进行说明，在本实施例中定义通过外力驱动形变的一端操作臂1为主动臂，另一端被同步联动的操作臂1为被动臂。

当外力驱动主动臂时，主动臂端部的一级连杆机构3转动，穿过连杆机构3的绳索5随之运动，对应的绳索联动机构4在该绳索5的力矩作用下带动缠绕在上面的另一端绳索5运动，从而带动被动臂对应的绳索联动机构4以及各个连杆机构3转动，实现两段操作臂1的联动控制。

实施例2

绳索同步联动的串联操作臂装置，如图1和11所示，包括：操作臂1和联动盒2，所述操作臂1由N级连杆结构3串联而成，如图2和3所示，所述联动盒2内依次设有N个绳索联动机构4，其两端分别与联动盒2的两对边转动连接；所述操作臂1有两段，且分别通过位于操作臂1端部的一级连杆结构3对称连接在所述联动盒2的两端，如图9所示，所述连杆结构3以及联动盒2的两端盒体上的对应位置均开设穿绳孔；所述绳索联动机构4上缠绕有绳索5，缠绕后的绳索5有两个自由端并分别与两段操作臂1的同一级连杆结构3连接，连接时绳索5依次穿过联动盒2盒体上的穿绳孔23以及各个连杆结构3的穿绳孔33直至到达该绳索5所驱动的对应连杆结构3后与其穿绳孔连接；两段操作臂1的同一级连杆结构3由对应的绳索联动机构4及绳索5独立联动。在本实施例中，N为5，即每段操作臂1由5级连杆结构3串联而成，所述联动盒2内依次设有5个绳索联动机构4，该数目可以根据实际情况进行增减。

其中如图5和6所示，所述绳索联动机构4包括联动轴41以及套设在联动轴41上的缠线盘42，所述联动轴41的两端分别与联动盒2的两对边转动连接，所述绕线盘盘身的外侧沿轴向依次开设两个线槽421，用于缠绕两条绳索5，两条绳索5的一端分别缠绕于两个线槽421上，两条绳索5的另一端分别与两段操作臂1的同一级连杆结构3连接。每个所述绳索联动机构4中的缠线盘42有两个，分别位于所述联动轴41的两端，位于所述联动轴41同一端的各个缠线盘42依次错开设置，如图5所示，使得各绳索5间互不干扰，所述联动盒2以及N个绳索联动机构4均相对于所述联动盒2的中心轴对称。位于一联动轴41上的两个缠线盘42的线槽421半径相同，且位于一联动轴41上的其中一个缠线盘42，其两个线槽421上的两条绳索5以相同的第一方向缠绕；位于该联动轴41上的另一缠线盘42，其两个线槽421上的两条绳索5以相同的第二方向缠绕，所述第二方向为与第一方向相反的方向。例如图10所示，绳索5a、绳索5b、绳索5c、绳索5d的缠绕方向分别为逆时针方向、逆时针方向、顺时针方向、顺时针方向，该设置使得当某一联动轴41发生转动时，位于该联动轴41上的一个缠线盘42的两根绳索5缩短，而另一缠线盘42的两根绳索5伸长。由于位于一联动轴41上的四个线槽421半径一致，因此绳索5的伸缩量均一致。

其中如图7和8所示，所述连杆结构3包括连杆31，所述连杆31的一端分别向两侧形成两对称的延伸部32，所述延伸部32上开设有若干穿绳孔，两延伸部32上的穿绳孔一一对称设置；所述连杆31一端的端部内凹形成一母头34，所述连杆31的另一端外突形成一公头35，任一连杆结构3的母头34与另一连杆结构3的公头35可匹配转动连接，即所述母头34或公头35的中心轴为连杆结构3间的转动中心轴。所述延伸部32上的穿绳孔与母头34的中心轴位于同一平面内，5个绳索联动机构4均平行于联动盒2的两端面。在连杆结构3中，母头34的中心轴和公头35的中心轴均所在的平面为该连杆机构3的对称面。在本实施例中，公头35和母头34上均开设有销钉孔，任一连杆结构3的母头34与另一连杆结构3的公头35通过在销钉孔处插入销钉实现转动连接。

其中如图4所示，所述联动盒2为内部中空的盒体，所述盒体的两端分别设有固定部21，所述固定部21的结构与所述母头34的结构一致，用于与一级连杆结构3的公头35匹配转动连接；所述盒体的两对边上对称开设多个轴承孔22，所述联动轴41的两端形成轴颈411并通过轴承以及轴承孔22与所述盒体转动连接。在本实施例中，固定部21处亦开设有销钉孔，固定部21与一级连杆结构3的公头35通过在销钉孔处插入销钉实现转动连接。

该实施例的工作原理如下：

为更清楚和方便对其原理进行说明，在本实施例中定义通过外力驱动形变的一端操作臂1为主动臂1a，另一端被同步联动的操作臂1为被动臂1b，如图10所示。

当外力驱动主动臂1a时，主动臂1a端部的一级连杆机构3转动，此时一级连杆机构3的绳索5c被拉长，形成紧边；同时绳索5c的力矩带动对应的联动轴41转动，该联动轴41的转动使得绳索5a收缩变短成为松边，同时该联动轴41的转动使得被动臂1b中缩短的绳索5b成为紧边，被动臂1b中的松边绳索5d伸长，在绳索5b和绳索5d的作用下使得被动臂1b中的一级连杆机构3转动；此时一个周期完成，实现了两段操作臂1的同步联动；继续施加外力驱动主动臂1a可以进行下一周期的驱动控制从而实现整个操作臂1所需要的形变程度。

另外，虽然本发明中操作臂1由多级连杆结构3串联而成，但若能保证在驱动形变时，两段操作臂1中同一级连杆结构3的绳索5伸缩量一致时，操作臂1亦可以采用整根的弹性杆代替。

实施例3

本实施例3为实施例2的变化例，其主要结构及工作原理相同，与实施例2的区别在于：位于一联动轴41上的每个缠线盘42，其两个线槽421上的两条绳索5以相反的方向缠绕，此时被动臂连杆机构3的转动方向与主动臂对应连杆机构3的转动方向相反，但主动臂和被动臂仍然能实现同步联动。

实施例4

本实施例4为实施例2的变化例，其主要结构及工作原理相同，与实施例2的区别在于：主动臂和被动臂对应的各级连杆机构3的长度不一致，此时可通过合理改变同一个缠线盘42的两个线槽421半径比例以及延伸部32上的穿绳孔位置，从而实现两个不同大小操作臂的形状同步联动，即此时位于一联动轴41上的两个缠线盘42的线槽421半径并非一致。

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种绳索同步联动的串联操作臂装置，其特征在于，包括：操作臂和联动盒，所述操作臂由N级连杆结构串联而成，所述联动盒内依次设有N个绳索联动机构，其两端分别与联动盒的两对边转动连接；所述操作臂有两段，且分别通过位于操作臂端部的一级连杆结构对称连接在所述联动盒的两端；所述连杆结构以及联动盒的两端盒体上的对应位置均开设穿绳孔；所述绳索联动机构上缠绕有绳索，缠绕后的绳索有两个自由端并分别与两段操作臂的同一级连杆结构连接，连接时绳索依次穿过联动盒盒体上的穿绳孔以及各个连杆结构的穿绳孔直至到达该绳索所驱动的对应连杆结构后与其穿绳孔连接；两段操作臂的同一级连杆结构由对应的绳索联动机构及绳索独立联动；

所述绳索联动机构包括联动轴以及套设在联动轴上的缠线盘，所述联动轴的两端分别与联动盒的两对边转动连接，所述缠线盘盘身的外侧沿轴向依次开设两个线槽，用于缠绕两条绳索，两条绳索的一端分别缠绕于两个线槽上，两条绳索的另一端分别与两段操作臂的同一级连杆结构连接；

每个所述绳索联动机构中的缠线盘有两个，分别位于所述联动轴的两端，位于所述联动轴同一端的各个缠线盘依次错开设置，所述联动盒以及N个绳索联动机构均相对于所述联动盒的中心轴对称。

2.根据权利要求1所述的绳索同步联动的串联操作臂装置，其特征在于，位于一联动轴上的其中一个缠线盘，其两个线槽上的两条绳索以相同的第一方向缠绕；位于该联动轴上的另一缠线盘，其两个线槽上的两条绳索以相同的第二方向缠绕，所述第二方向为与第一方向相反的方向。

3.根据权利要求1所述的绳索同步联动的串联操作臂装置，其特征在于，位于一联动轴上的每个缠线盘，其两个线槽上的两条绳索以相反的方向缠绕。

4.根据权利要求1所述的绳索同步联动的串联操作臂装置，其特征在于，位于一联动轴上的两个缠线盘的线槽半径相同。

5.根据权利要求1所述的绳索同步联动的串联操作臂装置，其特征在于，所述连杆结构包括连杆，所述连杆的一端分别向两侧形成两对称的延伸部，所述延伸部上开设有若干穿绳孔，两延伸部上的穿绳孔一一对称设置；所述连杆一端的端部内凹形成一母头，所述连杆的另一端外突形成一公头，任一连杆结构的母头与另一连杆结构的公头可匹配转动连接，即所述母头或公头的中心轴为连杆结构间的转动中心轴。

6.根据权利要求5所述的绳索同步联动的串联操作臂装置，其特征在于，所述延伸部上的穿绳孔与母头的中心轴位于同一平面内。

7.根据权利要求6所述的绳索同步联动的串联操作臂装置，其特征在于，所述N个绳索联动机构均平行于所述联动盒的两端面。

8.根据权利要求5所述的绳索同步联动的串联操作臂装置，其特征在于，所述联动盒为内部中空的盒体，所述盒体的两端分别设有固定部，所述固定部的结构与所述母头的结构一致，用于与一级连杆结构的公头匹配转动连接；所述盒体的两对边上对称开设多个轴承孔，所述联动轴的两端形成轴颈并通过轴承以及轴承孔与所述盒体转动连接。

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