CN113199461B - 一种基于柔性连续体的建筑作业机械臂及辅助作业装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种基于柔性连续体的建筑作业机械臂及辅助作业装置，涉及建筑辅助机器人领域，包括依次连接的角度调节机构、第一连续体、旋转机构、第二连续体和机械爪，第一连续体和第二连续体均包括依次铰接的多节单体；收卷机构输出的第一路牵引索穿过角度调节机构后连接第一连续体，用于控制第一连续体的弯曲弧度；收卷机构输出的第二路牵引索依次穿过角度调节机构、第一连续体、旋转机构后连接第二连续体，用于控制第二连续体的弯曲弧度；机械臂的前端由角度调节机构形成的刚性机械臂组成，后端由两段柔性连续体组成，分别控制两端柔性连续体的动作，实现对末端动作的精准调节。

Description

一种基于柔性连续体的建筑作业机械臂及辅助作业装置

技术领域

本公开涉及建筑辅助机器人领域，特别涉及一种基于柔性连续体的建筑作业机械臂及辅助作业装置。

背景技术

随着机器人技术的快速发展，建筑机器人的研究取得了一定进展，外肢体辅助建筑作业机械臂的研究也取得了一定进展。在操作者身体上增加可穿戴式机械臂，扩展人的肢体，可以使操作者在外肢体机械臂的辅助下能完成复杂的建筑施工任务；也可以独立于使用者肢体完成作业，与人协同完成复杂的任务；外肢体机械臂将很好地理解操作者的意图，协助操作者完成单人难以完成的建筑施工作业。

目前存在通过单体依次串联形成的柔性机械臂，柔性机械臂的末端设置机械爪作为执行机构，通过设置牵引索配合收卷动作驱动柔性部分进行弯曲；但现有的柔性机械臂的各个单元多为球铰结构，牵引索在作为形变驱动元件的同时也作为负载的承载元件，牵引索的负载能力有限，且容易因弹性形变导致机械臂发生抖动；另外，现有柔性机械臂的柔性部分多为一体式结构，在调节机械臂的动作时，难以对其末端动作实现精准的调节。

发明内容

本公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于柔性连续体的建筑作业机械臂及辅助作业装置，机械臂的前端由角度调节机构形成的刚性机械臂组成，后端由两段柔性连续体组成，分别控制两段柔性连续体的动作，实现对末端动作的精准调节。

本公开的第一目的是提供一种基于柔性连续体的建筑作业机械臂，采用以下技术方案：

包括依次连接的角度调节机构、第一连续体、旋转机构、第二连续体和机械爪，第一连续体和第二连续体均包括依次铰接的多节单体；

收卷机构输出的第一路牵引索穿过角度调节机构后连接第一连续体，用于控制第一连续体的弯曲弧度；收卷机构输出的第二路牵引索依次穿过角度调节机构、第一连续体、旋转机构后连接第二连续体，用于控制第二连续体的弯曲弧度。

进一步地，对于第一连续体和第二连续体，同一连续体相邻连接的单体之间通过铰链依次铰接，其中铰链为单自由度铰链；

同一连续体的单体之间的铰接轴线相平行，相邻单体能够在牵引索作用下绕其铰接轴线相对转动。

进一步地，所述角度调节机构、旋转机构、第一连续体、第二连续体内部均设有用于供牵引索穿过的牵引索通道，角度调节机构用于带动第一连续体运动以改变与收卷机构的相对位置，旋转机构用于带动第二连续体相对于第一连续体转动。

进一步地，所述第一路牵引索包括两根第一牵引索，相对于每节单体的铰接轴线对称分布，依次穿过第一连续体对应单体上预设的导引孔后，固定于连接旋转机构的末端单体。

进一步地，所述第二路牵引索包括两根第二牵引索，相对于每节单体的铰接轴线对称分布，依次穿过第二连续体对应单体上预设的导引孔后，固定于连接机械爪的末端单体。

进一步地，所述机械爪包括基体、夹爪和联动杆组，多个夹爪分别铰接在基体上，联动杆组连接所有夹爪，基体通过接头对接有基座，基座安装在第二连续体远离旋转机构一端单体上。

进一步地，所述收卷机构输出的第三路牵引索依次穿过角度调节机构、第一连续体、旋转机构、第二连续体后连接联动杆组，用于结合夹爪回位元件共同驱动夹爪的开合。

进一步地，所述角度调节机构和第一连续体之间设有导轮盘，导轮盘上设有与牵引索一一对应的导轮孔；第一连续体和旋转机构之间、旋转机构和第二连续体之间均设有解耦盘，解耦盘上设有与第二路牵引索一一对应的解耦孔。

进一步地，所述导轮孔间隔布置在导轮盘上，第一路牵引索对应的导轮孔轴线与导轮盘轴线共面，第二路牵引索对应的导轮孔轴线与导轮盘轴线共面；同一解耦盘上对应的解耦孔轴线共面。

本公开的第二目的是提供一种辅助作业装置，利用如上所述的基于柔性连续体的建筑作业机械臂。

与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：

(1)将传统的单一柔性段修改为对接的双柔性段，并将其两段柔性段进行转动连接，能够对每个柔性段分别调节；通过单体依次铰接的结构，柔性段的自由度降低，叠加后的柔性段仍保持需求的自由度，提高每段柔性段的可控性，从而提高整体的控制精度。

(2)对柔性段进行铰接结构的改进，将现有的球铰结构修改为单自由度的转动铰接结构，能够通过调节柔性段与负载的夹角，使得铰接位置轴线与负载力共面，从而使承载力由牵引索部分或全部转移至铰接点，利用更高强度的铰接结构提高机械臂的承载力。

(3)相邻的两段柔性段之间设置有旋转机构，能够使得两段柔性段之间产生相对转动，提高整个机械臂的自由度，使其能够适应更为复杂的应用场景；结合角度调节机构，能够使得机械臂末端机械爪以所需姿态延伸至所需位置。

(4)末端机械爪的驱动同样采用牵引索配合收卷机构，利用联动杆组将牵引索的牵拉动作转化为夹爪的开合动作，与柔性段的驱动方式相同，统一驱动方式，降低末端机械爪的重量。

(5)为收卷机构输出柔性索后配置导轮盘进行导向，导轮轴承根据柔性连续体的穿孔方位在导轮盘中进行排列，减小柔性索与机械臂摩檫；同时，通过解耦盘对第二段柔性体的柔性索进行导向，减小柔性索与机械臂的摩擦。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例1、2中作业机械臂的整体结构示意图；

图2为本公开实施例1、2中角度调节机构的结构示意图；

图3是本公开实施例1、2中导轮盘的结构示意图；

图4是本公开实施例1、2中收卷机构的结构示意图；

图5是本公开实施例1、2中柔性连续体的结构示意图；

图6是本公开实施例1、2中旋转机构的示意图；

图7是本公开实施例1、2中柔性体的组成单体的结构示意图；

图8是本公开实施例1、2中解耦盘的结构示意图。

图9是本公开实施例1、2中卡扣连接的终端连接机构的剖视示意图；

图10是本公开实施例1、2中卡扣连接的终端连接机构的外部结构示意图；

图11是本公开实施例1、2中螺纹连接的终端连接机构的接头配合示意图；

图12是本公开实施例1、2中螺纹连接的终端连接结构的接头结构示意图；

图13是本公开实施例1、2中卡扣连接的夹爪机构外部结构示意图；

图14是本公开实施例1、2中螺纹连接的夹爪机构的剖视示意图；

图15是本公开实施例1、2中卡扣连接的夹爪机构的夹爪与联动杆件的配合示意图；

图16是本公开实施例1、2中螺纹连接的夹爪机构联动杆件的结构示意图。

图中，1、箱体，2、角度调节机构，2-1、角度调节机构A，2-2、角度调节机构B，2-3、第一转动机构，2-4、导轮盘，2-4-1、导轮盘主体，2-4-2、导轮孔，2-5、电机舱，2-6、连接器A，3、柔性连续体，3-1、单体，4、中部旋转机构，4-1、连接器B，4-2、解耦盘，4-2-1、解耦盘主体，4-2-2、解耦孔，4-3、连接外壳，4-4、电机，4-5、连接器C，5、终端连接机构，5-1、手腕外壳一A，5-2、连接器D，5-3、螺纹，5-4、弹簧A，5-5、连接机构后端，5-6扣件，5-7解除环，5-8、手腕外壳一B，5-9、滑动模块，5-10、弹簧B，5-11、滚珠，5-12、卡扣槽，6、机械爪，6-1、夹爪A，6-2、夹爪连接机构A，6-3、手腕外壳二A，6-4、机械爪连接器B，6-5联动关节A，6-6、关节连接器，6-7联动关节B，6-8中心轴，6-9、夹爪B，6-10、卡扣，6-11手腕外壳二B、7-1、电机框架，7-2、下端控制电机，7-3、夹爪控制电机，7-4、上端控制电机。

具体实施方式

实施例1

本公开的一个典型实施例中，如图1-图16所示，给出一种基于柔性连续体的建筑作业机械臂。

如图1、图2所示，主要包括依次布置的角度调节机构A2-1、角度调节机构B2-2、第一柔性连续体3、中部旋转机构4、第二柔性连续体3、终端连接机构5和可拆卸模块化机械爪6。其中终端连接机构5和可拆卸模块化机械爪6具有多种连接方式，在本实施例中提供两种，第一种形式为螺纹连接式，第二种形式为卡口连接式。作为柔性连续体3、机械爪6主要驱动部分的收卷机构，布置在角度调节机构B2-2内部的电机舱2-5内，用于输出多路牵引索驱动柔性连续体3、机械爪6动作。

整个建筑作业机械臂结构采用刚性机械臂和两端柔性连续体3相结合的方式，角度调节机构作为刚性机械臂，能够进行相对转动，两段柔性连续体3可独立控制，综合了刚性机械臂与柔性连续体3的特点。

角度调节机构由角度调节机构A2-1、角度调节机构B2-2两部分组成，二者之间开有通过电线的电线槽。其内部包含第一转动机构2-3和设有通道的第二转动机构，第一转动机构2-3驱动角度调节机构A2-1和角度调节机构B2-2两个部分产生相对转动，第二转动机构连接角度调节机构A2-1部分与外部承载机构，如图1中的箱体1。

如图1、图5所示，柔性连续体3分为第一柔性连续体3和第二柔性连续体3，以靠近角度调节机构的第一柔性连续体3为上段、以远离角度调节机构的第二柔性连续体3为下段，第一柔性连续体3首端通过连接器A2-6连接角度调节机构B2-2，第一柔性连续体3末端通过中部旋转机构4与第二柔性连续体3首端连接，第二柔性连续体3末端通过终端连接机构5连接机械爪6。

对于柔性连续体3的结构，第一柔性连续体3和第二柔性连续体3均包括依次铰接的多节单体3-1；相邻的单体3-1之间通过相对转动使得对应的柔性连续体3产生弯曲。

对于第一连续体和第二连续体，同一连续体相邻连接的单体3-1之间通过铰链依次铰接，其中铰链为单自由度铰链；

同一连续体的单体3-1之间的铰接轴线相平行，相邻单体3-1能够在牵引索作用下绕其铰接轴线相对转动。

对柔性段进行铰接结构的改进，将现有的球铰结构修改为单自由度的转动铰接结构，能够通过调节柔性段与负载的夹角，使得铰接位置轴线与负载力共面；比如在提升重物时，重力竖直向下，此时使柔性连续体3上段的圆柱铰链的圆柱处于竖直状态，从而使承载力由牵引索部分或全部转移至铰接点；利用更高强度的铰接结构提高机械臂的承载力，增加了连续体的坚固性和载荷能力。

对于柔性连续体3的驱动，收卷机构通过第一路牵引索穿过角度调节机构后连接第一连续体，用于控制第一连续体的弯曲弧度；收卷机构输出的第二路牵引索依次穿过角度调节机构、第一连续体、旋转机构后连接第二连续体，用于控制第二连续体的弯曲弧度。

具体的，第一路牵引索包括两根第一牵引索，相对于每节单体3-1的铰接轴线对称分布，依次穿过第一连续体对应单体3-1上预设的导引孔后，固定于连接旋转机构的末端单体3-1。

当一根第一牵引索收紧时，第一连续体单体3-1向收紧牵引索一侧弯曲偏移，通过控制两根第一牵引索的位于第一连续体内的长度差，来控制其偏转角度。

所述第二路牵引索包括两根第二牵引索，相对于每节单体3-1的铰接轴线对称分布，依次穿过第二连续体对应单体3-1上预设的导引孔后，固定于连接机械爪6的末端单体3-1。

当一根第二牵引索收紧时，第二连续体单体3-1向收紧牵引索一侧弯曲偏移，通过控制两根第二牵引索的位于第一连续体内的长度差，来控制其偏转角度。

收卷机构输出的第三路牵引索依次穿过角度调节机构、第一连续体、旋转机构、第二连续体后连接机械爪6，用于结合机械爪6回位元件共同驱动机械爪6的开合。

对应的，为了驱动第一柔性连续体3、第二柔性连续体3和机械爪6的动作，收卷机构能够输出多路牵引索。收卷机构由电机框架7-1和电机组成，其中电机分为两组，A组有四个电机，用于通过收卷或释放柔性索调整柔性连续体3相邻节段的夹角，以改变柔性连续体3的弯曲状态；B组有一个电机，用于通过收卷或释放柔性索拉伸或收缩终端连接机构5来驱动机械爪6的夹持和释放动作。

角度调节机构和第一连续体之间设有导轮盘2-4，导轮盘主体2-4-1上设有与牵引索一一对应的导轮孔2-4-2；第一连续体和旋转机构之间、旋转机构和第二连续体之间均设有解耦盘4-2，解耦盘主体4-2-1上设有与第二路牵引索一一对应的解耦孔4-2-2；导轮孔、解耦孔里均设有导轮，导轮轴承根据柔性连续体3的穿孔方位在导轮盘2-4中进行排列，减小柔性索与机械臂摩檫。

导轮孔间隔布置在导轮盘2-4上，第一路牵引索对应的导轮孔轴线与导轮盘2-4轴线共面，第二路牵引索对应的导轮孔轴线与导轮盘2-4轴线共面；

收卷机构的电机上设有与柔性索一一对应的多个收卷辊，第一路、第二路、第三路柔性索与导轮盘2-4上预设的导轮孔内的导轮一一对应配合后穿过导轮盘2-4；第二路、第三路柔性索与解耦盘4-2上预设的解耦孔内的导轮一一对应配合有穿过解耦盘4-2。

如图3，A组收卷机构对应上端控制电机7-4和下端控制电机7-2，每个电机分别连接一条柔性索一端，该组柔性索另一端依次穿过导轮盘2-4、柔性连续体3后，左右两条柔性索固定在第一柔性连续体3末端，上下两条柔性索固定在第二柔性连续体3末端。

B组收卷机构对应夹爪控制电机7-3，电机连接一条柔性索一端，该组柔性索另一端依次穿过导轮盘2-4、柔性连续体3后固定在终端连接机构5。

中部旋转机构4包括一个设有通道的电机4-4和两个解耦盘4-2。

其中，电机4-4用来控制柔性连续体3上下两端的轴向旋转。

解耦盘4-2起到防止柔性索干扰的作用，两个解耦盘4-2分别固定于柔性连续体3上段末端的连接器B4-1和柔性连续体3下段首端的连接器C4-5，每个解耦盘4-2上均有三个可通过柔性索的通道分布于一条竖直轴线上，中间的通道使控制终端连接机构5的柔性索通过，两侧的通道左右侧均装有导轮轴承，来减少柔性连续体3上下两段发生相对转动后控制柔性连续体3下段的两根柔性索于解耦盘4-2之间的摩擦。

角度调节机构、旋转机构、第一连续体、第二连续体内部均设有用于供牵引索穿过的牵引索通道，角度调节机构用于带动第一连续体运动以改变与收卷机构的相对位置，旋转机构用于带动第二连续体相对于第一连续体转动。

相邻的两段柔性段之间设置有旋转机构，能够使得两段柔性段之间产生相对转动，提高整个机械臂的自由度，使其能够适应更为复杂的应用场景；结合角度调节机构，能够使得机械臂末端机械爪6以所需姿态延伸至所需位置。

对于末端的机械爪6结构，机械爪6包括基体、夹爪和联动杆组，多个夹爪分别铰接在基体上，联动杆组连接所有夹爪，基体通过接头对接有基座，基座安装在第二连续体远离旋转机构一端单体3-1上；

在本实施例中，所述夹爪包括夹爪A6-1、夹爪B6-9、夹爪C共三个，相对于机械爪轴线环绕均匀分布，均对应连接有联动关节A6-5、联动关节B6-7、联动关节C，联动关节通过关节连接器6-6与机械爪中间设置的中心轴6-8铰接，中心轴连接第三路柔性索，中心轴、关节连接器、联动关节共同构成联动杆组；从而在柔性索驱动下带动夹爪开合。

收卷机构输出的第三路牵引索依次穿过角度调节机构、第一连续体、旋转机构、第二连续体后连接联动杆组，用于结合夹爪回位元件共同驱动夹爪的开合。

末端机械爪6的驱动同样采用牵引索配合收卷机构，利用联动杆组将牵引索的牵拉动作转化为夹爪A6-1的开合动作，与柔性段的驱动方式相同，统一驱动方式，降低末端机械爪6的重量。

在本实施例中，结合图10-图16，提供两种终端连接机构5、终端连接机构5和可拆卸模块化机械爪A、B。

终端连接机构A5、终端连接机构B5均可以与连接器D5-2通过螺纹5-3相连。终端连接机构5的机械爪6连接器A2-6与可拆卸模块化机械爪6A的机械爪连接器A2-6可通过螺纹连接，手腕外壳一A5-1与手腕外壳二A6-3通过手腕外壳一A5-1上的扣件5-6进行连接,手腕外壳内部设置有弹簧A5-4，用于提供对接时的阻尼作用，在对接后维持对接压力，并在拆除时主动将配合结构推出；滑动模块5-9内部配合有弹簧B5-10，用于顶推滑动模块处于配合位置；滑动模块上设有用于配合外部结构的滚珠5-11和卡扣槽5-12，通过滑动解除环5-7能够对其配合状态进行解除。

终端连接机构5和可拆卸模块化机械爪6通过扣件5-6和螺纹来实现机械爪6的快换；终端连接机构5的机械爪连接器B4-11与可拆卸模块化机械爪6的机械爪连接器B4-12可通过卡扣6-10连接，手腕外壳一B5-8与手腕外壳二B5-8通过手腕外壳一B5-8上的扣件5-6进行连接。终端连接机构5和可拆卸模块化机械爪6B通过扣件5-6和卡扣来实现机械爪6的快换。

将传统的单一柔性段修改为对接的双柔性段，并将其两段柔性段进行转动连接，能够对每个柔性段分别调节；通过单体3-1依次铰接的结构，柔性段的自由度降低，叠加后的柔性段仍保持需求的自由度，提高每段柔性段的可控性，从而提高整体的控制精度。

实施例2

本公开的另一典型实施例中，如图1-图16所示，给出一种辅助作业装置。

包括箱体和如实施例1中所述的基于柔性连续体的建筑作业机械臂；其中，建筑作业机械臂成对设置，分别通过对应的角度调节机构连接背包的箱体，收卷机构位于角度调节机构B内，角度调节机构、柔性连续体、终端连接机构和机械爪位于箱体外。

一对建筑作业机械臂分别布置在箱体的两侧，角度调节机构带动柔性连续体进行多自由度调整；

如图1所示，还可以布置为多对建筑作业机械臂安装在箱体上的结构，实现更多的操作方式，满足复杂环境下的作业需求。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于柔性连续体的建筑作业机械臂，其特征在于，包括依次连接的角度调节机构、第一连续体、旋转机构、第二连续体和机械爪，第一连续体和第二连续体均包括依次铰接的多节单体；

收卷机构输出的第一路牵引索穿过角度调节机构后连接第一连续体，用于控制第一连续体的弯曲弧度；收卷机构输出的第二路牵引索依次穿过角度调节机构、第一连续体、旋转机构后连接第二连续体，用于控制第二连续体的弯曲弧度；

对于第一连续体和第二连续体，同一连续体相邻连接的单体之间通过铰链依次铰接，其中铰链为单自由度铰链；

同一连续体的单体之间的铰接轴线相平行，相邻单体能够在牵引索作用下绕其铰接轴线相对转动；

所述角度调节机构、旋转机构、第一连续体、第二连续体内部均设有用于供牵引索穿过的牵引索通道，角度调节机构用于带动第一连续体运动以改变与收卷机构的相对位置，旋转机构用于带动第二连续体相对于第一连续体转动。

2.如权利要求1所述的基于柔性连续体的建筑作业机械臂，其特征在于，所述第一路牵引索包括两根第一牵引索，相对于每节单体的铰接轴线对称分布，依次穿过第一连续体对应单体上预设的导引孔后，固定于连接旋转机构的末端单体。

3.如权利要求1所述的基于柔性连续体的建筑作业机械臂，其特征在于，所述第二路牵引索包括两根第二牵引索，相对于每节单体的铰接轴线对称分布，依次穿过第二连续体对应单体上预设的导引孔后，固定于连接机械爪的末端单体。

4.如权利要求1所述的基于柔性连续体的建筑作业机械臂，其特征在于，所述机械爪包括基体、夹爪和联动杆组，多个夹爪分别铰接在基体上，联动杆组连接所有夹爪，基体通过接头对接有基座，基座安装在第二连续体远离旋转机构一端单体上。

5.如权利要求4所述的基于柔性连续体的建筑作业机械臂，其特征在于，所述收卷机构输出的第三路牵引索依次穿过角度调节机构、第一连续体、旋转机构、第二连续体后连接联动杆组，用于结合夹爪回位元件共同驱动夹爪的开合。

6.如权利要求1所述的基于柔性连续体的建筑作业机械臂，其特征在于，所述角度调节机构和第一连续体之间设有导轮盘，导轮盘上设有与牵引索一一对应的导轮孔；第一连续体和旋转机构之间、旋转机构和第二连续体之间均设有解耦盘，解耦盘上设有与第二路牵引索一一对应的解耦孔。

7.如权利要求6所述的基于柔性连续体的建筑作业机械臂，其特征在于，所述导轮孔间隔布置在导轮盘上，第一路牵引索对应的导轮孔轴线与导轮盘轴线共面，第二路牵引索对应的导轮孔轴线与导轮盘轴线共面；同一解耦盘上对应的解耦孔轴线共面。

8.一种辅助作业装置，其特征在于，包括至少一个如权利要求1-7任一项所述的基于柔性连续体的建筑作业机械臂。

Images