CN113524146A - 一种基于卷尺弹簧的三自由度大伸缩比平移并联机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于卷尺弹簧的三自由度大伸缩比平移并联机械臂，包括两个W型卷尺运动单元、可伸缩连接枢纽及底部工作平台；W型卷尺运动单元通过其所包含连杆连接可伸缩连通枢纽，可伸缩连通枢纽与底部工作平台相连，使底部工作平台可沿某个方向水平移动。本发明中，两个W型卷尺运动单元呈空间交错垂直分布，并配合可伸缩连接枢纽使底部平台具备三自由度的立体工作空间，可实现伸缩、左右以及前后平移，采用具有自动收缩特性的柔性卷尺弹簧作为连杆臂，结构简单、质量小，不仅满足机械臂刚度需求，而且其灵活的可伸缩性配合连接枢纽的伸缩特性致使该机械臂伸缩比极大，机械臂完全收缩后，所占用体积极小，便于携带或进行搭载作业。

Description

一种基于卷尺弹簧的三自由度大伸缩比平移并联机械臂

技术领域

本发明涉及可伸缩柔性机械臂技术领域，特别是涉及一种基于卷尺弹簧的三自由度大伸缩比平移并联机械臂。

背景技术

出于社会的需要，日常生活环境有时需要装配机械臂完成作业，例如无人机搭载机械臂完成对目标物的抓取、落井物打捞等。这种机械臂必须具备一定刚度、结构简单、便于携带、适应性强等特点。

当今除了传统机械臂采用RV以及一些齿轮箱，柔性可以忽略外，其余机械臂都可称之为柔性机械臂。柔性机械臂的柔性主要表现在关节的柔性和连杆的柔性，受限于连杆柔性处理较为困难，目前绝大多数柔性机械臂的柔性取决于关节柔性，使机械臂刚度足够且运动柔顺，但重量大、高能耗、生产成本大，而且这种机械臂多用于工厂产品作业，无法满足日常生活场合的应用需求。

当前可满足这种实际需求的技术方案多是可操作性不强的柔性机械臂，主要存在以下不足：

1)机械臂功能无法做到兼顾，双自由度机械臂一般结构简单但只能在某个平面移动，整体工作空间范围偏小；多自由度机械臂装置结构又过于复杂，质量较重，不适合无人机等搭载作业；

2)采用柔性度过强的材料作为连杆臂，稳定性不好且刚度不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于卷尺弹簧的三自由度大伸缩比平移并联机械臂，以解决上述现有技术存在的问题，用卷尺弹簧制成柔性并联机械臂，不仅结构简单、质量低、伸缩比大，而且基于卷尺自身特性，保证了机械臂整体刚度，该并联机械臂具有三个自由度，可实现伸缩、左右以及前后平移，工作范围更加广泛，下方平台可搭载机械手或多功能电磁铁以完成对目标物的抓取作业。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于卷尺弹簧的三自由度大伸缩比平移并联机械臂，包括两个结构相同且呈空间交错垂直分布的W型卷尺运动单元，

所述W型卷尺运动单元包括承重架、卷簧装置、轮毂半轴、卷尺弹簧、连杆及滚轮装置；所述承重架的两端均利用短轴连接有轮毂半轴，中部搭载卷簧装置；

所述卷尺弹簧的左侧端部伸入位于所述承重架左侧的轮毂半轴的磁卡盘的盘体内并通过螺栓固定相连，卷尺弹簧的另一端向下穿过左侧的滚轮装置后连接至卷簧装置，然后从卷簧装置另一侧方向向下伸出后连接右侧的滚轮装置，最后利用螺栓将卷尺弹簧的右侧端部固定于承重架右侧的轮毂半轴的磁卡盘内；

两侧的所述滚轮装置通过连杆相连，所述连杆中间安装有可伸缩连接枢纽，两个W型卷尺运动单元中的可伸缩连接枢纽自上而下对应相连，底部工作平台连接在两个可伸缩连接枢纽的底部

优选地，所述W型卷尺运动单元还包括电机驱动机构，两个电机驱动机构分别用于驱动两侧的滚轮装置。

优选地，所述驱动电机机构包括驱动电机、电机仓和联轴器，所述驱动电机放置于所述电机仓内，所述电机仓与所述滚轮装置利用螺栓连接，驱动电机的电机轴与所述联轴器相连，联轴器与滚轮装置中的滚轮传动连接。

优选地，两个所述驱动电机机构分别布置于连杆两侧且呈对角线设置。

优选地，所述卷尺弹簧的材质为钢。

优选地，所述轮毂半轴与卷簧装置均通过中心轴安装在所述承重架上。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

1、本发明提供的基于卷尺弹簧的三自由度大伸缩比并联平移机械臂，通过双W型卷尺运动单元与可伸缩连接枢纽的复合作用，使得并联机械臂具备三自由度，保证机械臂立体工作空间，工作范围广阔，提高了机械臂运动的灵活性，且整体结构简单、质量轻。此外，W型卷尺运动单元内的连杆设置保证了机械臂在运动过程中的稳定性。

2、本发明提供的基于卷尺弹簧的三自由度大伸缩比并联平移机械臂，采用具有自动收缩特性的柔性卷尺弹簧作为连杆臂，不仅满足机械臂刚度需求，而且其灵活的可伸缩性配合连接枢纽的伸缩特性致使该机械臂伸缩比极大，机械臂完全收缩后，所占用体积极小，便于携带及进行搭载作业。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中基于卷尺弹簧的三自由度大伸缩比平移并联机械臂的立体结构示意图；

图2为本发明中W型卷尺运动单元的结构示意图；

图3为本发明中基于卷尺弹簧的三自由度大伸缩比平移并联机械臂的收缩状态示意图；

图中：1-第一W型卷尺运动单元、2-第二W型卷尺运动单元、3-承重架、4-卷簧装置、5-轮毂半轴、5a-左侧轮毂半轴、5b-右侧轮毂半轴、6-卷尺弹簧、7-可伸缩连接枢纽、8-连杆、9-滚轮装置、9a-左侧滚轮装置、9b-右侧滚轮装置、10-底部工作平台、11-电机驱动机构、11a-左侧电机驱动机构、11b-右侧电机驱动机构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于卷尺弹簧的三自由度大伸缩比平移并联机械臂，以解决上述现有技术存在的问题，用卷尺弹簧制成柔性并联机械臂，不仅结构简单、质量低、伸缩比大，而且基于卷尺自身特性，保证了机械臂整体刚度，该并联机械臂具有三个自由度，可实现伸缩、左右以及前后平移，工作范围更加广泛，下方平台可搭载机械手或多功能电磁铁以完成对目标物的抓取作业。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-3所示，本实施例提供一种基于卷尺弹簧的三自由度大伸缩比平移并联机械臂，包括第一W型卷尺运动单元1、第二W型卷尺运动单元2、可伸缩连接枢纽7及底部工作平台10(用于装载机械手抓等操作装置)；两个结构相同的W型卷尺运动单元通过其所包含连杆8连接可伸缩连接枢纽7，可伸缩连接枢纽7与底部工作平台10相连，使底部工作平台10可沿某个方向水平移动，使得在该方向具备一自由度。两个W型卷尺运动单元呈空间交错垂直分布，并配合可伸缩连接枢纽7使底部工作平台10具备三自由度的立体工作空间，可实现伸缩、左右以及前后平移，基于卷尺弹簧的大伸缩比的特性使机械臂拥有更广阔的工作范围。

具体地，两个W型卷尺驱动单元实现归一化，完全相同，W型卷尺驱动单元的基本组件包括承重架3、电机驱动机构11、滚轮装置9、卷尺弹簧6、连杆8、轮毂半轴5等，在此以其中一个单元为例介绍：承重架3与被搭载装置相连，连接方式视装置而定，承重架3两端各有一个轮毂半轴5，两个轮毂半轴5之间设置有一磁卡盘，卷尺弹簧6的端部伸入磁卡盘的盘体内，并通过螺栓固定。承重架3中部具有卷簧装置4，实现卷尺的自动收缩；电机驱动机构11连接滚轮装置9，进而控制卷尺的被动性伸缩。

其中，电机驱动机构11包括驱动电机、电机仓与联轴器，驱动电机放置于电机仓内，电机仓与滚轮装置9利用螺栓连接。驱动电机的电机轴与联轴器相连，进行动力传递。

于本实施例中，卷尺弹簧6的材质为钢；承重架3两端轮毂半轴5与中部卷簧装置4依靠中心轴支撑，中心轴可以转动，使得机构在运动过程中卷尺部分始终垂直地面，确保机构运动的平稳性及准确性。电机驱动机构11布置于连杆8两侧，整体呈对角线状态，避免一侧偏重，减小了机械臂运动惯量。

本发明中的基于卷尺弹簧的三自由度大伸缩比平移并联机械臂的工作原理如下：

如图1所示，本发明包含两个W型卷尺运动单元，W型卷尺运动单元同时通过可伸缩连接枢纽7与底部工作平台10产生运动关联，此时整个机构可实现运动传递。两个W型卷尺运动单元呈空间交错垂直分布，同时驱动可使底部工作平台10在两W型卷尺运动单元公垂面上发生平移运动。可伸缩连接枢纽7的可伸缩性与卷尺弹簧6的可伸缩性使得整个机械臂具有较大的伸缩比，机械臂工作空间范围广泛，可进行立体空间作业。

如图2所示，承重架3两端利用短轴连接轮毂半轴5，中部搭载卷簧装置4，卷尺弹簧6左侧端部伸入左侧轮毂半轴5a的磁卡盘的盘体内，并通过螺栓固定相连，然后向下穿过左侧滚轮装置9a连接卷簧装置4，从卷簧装置4另一侧方向向下伸出后连接右侧滚轮装置9b，最后利用螺栓将卷尺弹簧6右侧端部固定于右侧轮毂半轴5b的磁卡盘内；连杆8通过机械配合与两侧滚轮装置9相连，其作用是保证整个W型机构的稳定性以及作为整体机构的一个传递枢纽，至此形成一个完整的W型运动单元。W型运动单元的动力来源依赖于电机驱动机构11，然后通过滚轮装置9将动力传递给卷尺弹簧6，最后利用卷簧装置4的自动伸缩特性实现W型运动单元的平移运动。其中通过改变左侧电机驱动机构11a和右侧电机驱动机构11b的转速与转向可调整W型运动单元的平移速度与平移方向。

如图3所示，在卷尺弹簧6与可伸缩连接枢纽7完全收缩情况下，与机械臂松展状态相比，整个机构所占空间非常小，表征出此机械臂大伸缩比、便于携带的特性。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于卷尺弹簧的三自由度大伸缩比平移并联机械臂，其特征在于：包括两个结构相同且呈空间交错垂直分布的W型卷尺运动单元，

所述W型卷尺运动单元包括承重架、卷簧装置、轮毂半轴、卷尺弹簧、连杆及滚轮装置；所述承重架的两端均利用短轴连接有轮毂半轴，中部搭载卷簧装置；

所述卷尺弹簧的左侧端部伸入位于所述承重架左侧的轮毂半轴的磁卡盘的盘体内并通过螺栓固定相连，卷尺弹簧的另一端向下穿过左侧的滚轮装置后连接至卷簧装置，然后从卷簧装置另一侧方向向下伸出后连接右侧的滚轮装置，最后利用螺栓将卷尺弹簧的右侧端部固定于承重架右侧的轮毂半轴的磁卡盘内；

两侧的所述滚轮装置通过连杆相连，所述连杆中间安装有可伸缩连接枢纽，两个W型卷尺运动单元中的可伸缩连接枢纽自上而下对应相连，底部工作平台连接在两个可伸缩连接枢纽的底部。

2.根据权利要求1所述的基于卷尺弹簧的三自由度大伸缩比平移并联机械臂，其特征在于：所述W型卷尺运动单元还包括电机驱动机构，两个电机驱动机构分别用于驱动两侧的滚轮装置。

3.根据权利要求2所述的基于卷尺弹簧的三自由度大伸缩比平移并联机械臂，其特征在于：所述驱动电机机构包括驱动电机、电机仓和联轴器，所述驱动电机放置于所述电机仓内，所述电机仓与所述滚轮装置利用螺栓连接，驱动电机的电机轴与所述联轴器相连，联轴器与滚轮装置中的滚轮传动连接。

4.根据权利要求2所述的基于卷尺弹簧的三自由度大伸缩比平移并联机械臂，其特征在于：两个所述驱动电机机构分别布置于连杆两侧且呈对角线设置。

5.根据权利要求1所述的基于卷尺弹簧的三自由度大伸缩比平移并联机械臂，其特征在于：所述卷尺弹簧的材质为钢。

6.根据权利要求1所述的基于卷尺弹簧的三自由度大伸缩比平移并联机械臂，其特征在于：所述轮毂半轴与卷簧装置均通过中心轴安装在所述承重架上。

Images