CN113733154B - 一种基于十字轴铰接的柔性机械臂 - Google Patents

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Abstract

一种基于十字轴铰接的柔性机械臂。其包括驱动机构和臂段机构；所述臂段机构包括结构完全相同且依次排布的第一关节单元、第二关节单元、第三关节单元和第四关节单元；其中第一关节单元的首端连接在驱动机构上；本发明优点：1、采用十字关节轴实现各个关节连杆之间的连接，使得该柔性机械臂外径尺寸较小，同时增加了柔性机械臂的抗扭转刚度，提高了柔性机械臂的可控性，可以很好地适应各种狭窄空间的检测和操作任务。2、关节连杆采用刚性材料，提高了柔性机械臂的刚度和轴向不可压缩性，同时端面设置倾斜面，保证了柔性机械臂的工作空间和运动灵活性。

Description

一种基于十字轴铰接的柔性机械臂
技术领域
本发明属于机器人技术领域，特别是涉及一种基于十字轴铰接的柔性机械臂。
背景技术
传统刚性关节的机械臂操作空间大，但结构笨重，运动灵活性差，因而在狭窄空间环境下的应用受限，例如管道检测、复杂箱体内的检测、加工等。因此，作为一种特种机器人，柔性机械臂具有自由度多、动作灵活等优点成为了必然选择。
柔性机械臂为了实现高的运动柔性，关节通常采用十字万向铰链或球铰结构。传统的万向铰链结构复杂，导致柔性机械臂外径尺寸较大，从而限制其应用；采用球铰结构的柔性机械臂普遍存在抗扭转刚度低的问题。此外，还有一些柔性臂采用纯柔性材料支撑作为关节，运动柔性得到提升，但是存在刚度低、轴向压缩等问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于十字轴铰接的柔性机械臂。
为了达到上述目的，本发明提供的基于十字轴铰接的柔性机械臂包括驱动机构和臂段机构；所述臂段机构包括结构完全相同且依次排布的第一关节单元、第二关节单元、第三关节单元和第四关节单元；其中第一关节单元的首端连接在驱动机构上；
每个关节单元包括多个关节连杆、多个十字关节轴、一根弹性支撑杆与三条驱动绳索；其中：所述关节连杆的整体为圆柱体形结构，中部圆周面上向内凹陷形成有两个对称的U型槽，轴心处贯通形成有一个第一中心孔，两端面中部沿径向对称凹陷形成有一个连接槽，位于连接槽两侧的部位沿轴向贯通形成有多个导向孔；相邻两个关节连杆之间设有一个十字关节轴，十字关节轴由两根关节轴构成，中部贯通形成有一个第二中心孔，两根关节轴的外侧部位分别嵌入在相邻两个关节连杆上相邻端面的连接槽内，由此形成第一转动副；并且第二中心孔与第一中心孔对齐；弹性支撑杆贯穿设置在各关节连杆上的第一中心孔和十字关节轴上的第二中心孔内；三条驱动绳索间隔设置，一端连接在位于本关节单元末端的关节连杆上，中部穿过位于本关节单元及前侧的所有关节单元上关节连杆同一位置的导向孔后连接在驱动机构上；
所述驱动机构包括四个分别与一个关节单元相连接的驱动单元、第一连接盘、第二连接盘、第三连接盘、多根第一连杆和第四连接盘；其中，第一连接盘、第二连接盘和第三连接盘以平行的方式间隔设置且相互连接；第四连接盘利用多根第一连杆与第三连接盘固定连接；每个驱动单元包括三台电机、三个联轴器、三根丝杠、三个滑块、三根导向杆和三个绳索连接部；其中，三台电机间隔距离安装在第一连接盘的底面上，输出端贯穿第一连接盘；联轴器位于第一连接盘和第二连接盘之间；丝杠的一端以转动的方式安装在第三连接盘上，另一端贯穿第二连接盘后通过一个联轴器与一台电机的输出端相连接；每根丝杠的附近安装一根导向杆，导向杆的两端分别固定在第二连接盘和第三连接盘上；每个滑块同时套装在一根丝杠和一根导向杆上，因此能够沿导向杆往复移动，并且滑块上安装有一个绳索连接部；臂段机构上每根驱动绳索的另一端贯穿第四连接盘、第三连接盘后连接在一个绳索连接部上；第四连接盘的顶面与第一关节单元上位于首端的关节连杆前端面相连接。
所述关节连杆的端面上位于连接槽两侧的部位为倾斜面，这样可使相邻关节连杆具有一定的转动空间。
所述关节轴的外侧部位为弧形面，同时关节连杆上的连接槽为弧形槽。
所述第一关节单元上位于首端的关节连杆前端面和第四关节单元上位于末端的关节连杆后端面设置成平面结构。
本发明提供的基于十字轴铰接的柔性机械臂具有以下优点：
1、采用十字关节轴实现各个关节连杆之间的连接，使得该柔性机械臂外径尺寸较小，同时增加了柔性机械臂的抗扭转刚度，提高了柔性机械臂的可控性，可以很好地适应各种狭窄空间的检测和操作任务。
2、关节连杆采用刚性材料，提高了柔性机械臂的刚度和轴向不可压缩性，同时端面设置倾斜面，保证了柔性机械臂的工作空间和运动灵活性。
附图说明
图1为本发明提供的基于十字轴铰接的柔性机械臂结构立体图。
图2为本发明提供的基于十字轴铰接的柔性机械臂中臂段机构的一个关节单元结构立体图。
图3为本发明提供的基于十字轴铰接的柔性机械臂中关节连杆结构立体图。
图4为本发明提供的基于十字轴铰接的柔性机械臂中十字关节轴结构立体图。
图5为本发明提供的基于十字轴铰接的柔性机械臂中驱动机构结构立体图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的基于十字轴铰接的柔性机械臂进行详细说明。
如图1—图5所示，本发明提供的基于十字轴铰接的柔性机械臂包括驱动机构1和臂段机构2；所述臂段机构2包括结构完全相同且依次排布的第一关节单元Ⅰ、第二关节单元Ⅱ、第三关节单元Ⅲ和第四关节单元Ⅳ；其中第一关节单元Ⅰ的首端连接在驱动机构1上；
每个关节单元包括多个关节连杆21、多个十字关节轴22、一根弹性支撑杆23与三条驱动绳索24；其中：所述关节连杆21的整体为圆柱体形结构，中部圆周面上向内凹陷形成有两个对称的U型槽215，轴心处贯通形成有一个第一中心孔213，两端面中部沿径向对称凹陷形成有一个连接槽212，位于连接槽212两侧的部位沿轴向贯通形成有多个导向孔214；相邻两个关节连杆21之间设有一个十字关节轴22，十字关节轴22由两根关节轴221构成，中部贯通形成有一个第二中心孔222，两根关节轴221的外侧部位分别嵌入在相邻两个关节连杆21上相邻端面的连接槽212内，由此形成第一转动副26；并且第二中心孔222与第一中心孔213对齐；弹性支撑杆23贯穿设置在各关节连杆21上的第一中心孔213和十字关节轴22上的第二中心孔222内；三条驱动绳索24间隔设置，一端连接在位于本关节单元末端的关节连杆21上，中部穿过位于本关节单元及前侧的所有关节单元上关节连杆21同一位置的导向孔214后连接在驱动机构1上；
所述驱动机构1包括四个分别与一个关节单元相连接的驱动单元、第一连接盘102、第二连接盘104、第三连接盘109、多根第一连杆110和第四连接盘111；其中，第一连接盘102、第二连接盘104和第三连接盘109以平行的方式间隔设置且相互连接；第四连接盘111利用多根第一连杆110与第三连接盘109固定连接；每个驱动单元包括三台电机101、三个联轴器103、三根丝杠105、三个滑块108、三根导向杆106和三个绳索连接部107；其中，三台电机101间隔距离安装在第一连接盘102的底面上，输出端贯穿第一连接盘102；联轴器103位于第一连接盘102和第二连接盘104之间；丝杠105的一端以转动的方式安装在第三连接盘109上，另一端贯穿第二连接盘104后通过一个联轴器103与一台电机101的输出端相连接；每根丝杠105的附近安装一根导向杆106，导向杆106的两端分别固定在第二连接盘104和第三连接盘109上；每个滑块108同时套装在一根丝杠105和一根导向杆106上，因此能够沿导向杆106往复移动，并且滑块108上安装有一个绳索连接部107；臂段机构2上每根驱动绳索24的另一端贯穿第四连接盘111、第三连接盘109后连接在一个绳索连接部107上；第四连接盘111的顶面与第一关节单元Ⅰ上位于首端的关节连杆21前端面相连接。
所述关节连杆21的端面上位于连接槽212两侧的部位为倾斜面211，这样可使相邻关节连杆21具有一定的转动空间。
所述关节轴221的外侧部位为弧形面，同时关节连杆21上的连接槽212为弧形槽。
所述第一关节单元Ⅰ上位于首端的关节连杆21前端面和第四关节单元Ⅳ上位于末端的关节连杆21后端面设置成平面结构。
本发明提供的基于十字轴铰接的柔性机械臂的工作原理为：可利用驱动机构1上的每台电机101分别通过相应的联轴器103、丝杠105、滑块108、绳索连接部107使驱动绳索24移动，由此带动每个关节单元实现两个自由度的弯曲运动，最终实现对该柔性机械臂末端位置的控制；该柔性机械臂具有运动灵活、柔顺性高、抗扭转刚度大、结构紧凑、外径尺寸小等优点，可以很好地适应各种狭窄空间的检测和操作任务。

Claims (4)

1.一种基于十字轴铰接的柔性机械臂，其特征在于：所述基于十字轴铰接的柔性机械臂包括驱动机构(1)和臂段机构(2)；所述臂段机构(2)包括结构完全相同且依次排布的第一关节单元(Ⅰ)、第二关节单元(Ⅱ)、第三关节单元(Ⅲ)和第四关节单元(Ⅳ)；其中第一关节单元(Ⅰ)的首端连接在驱动机构(1)上；
每个关节单元包括多个关节连杆(21)、多个十字关节轴(22)、一根弹性支撑杆(23)与三条驱动绳索(24)；其中：所述关节连杆(21)的整体为圆柱体形结构，中部圆周面上向内凹陷形成有两个对称的U型槽(215)，轴心处贯通形成有一个第一中心孔(213)，两端面中部沿径向对称凹陷形成有一个连接槽(212)，位于连接槽(212)两侧的部位沿轴向贯通形成有多个导向孔(214)；相邻两个关节连杆(21)之间设有一个十字关节轴(22)，十字关节轴(22)由两根关节轴(221)构成，中部贯通形成有一个第二中心孔(222)，两根关节轴(221)的外侧部位分别嵌入在相邻两个关节连杆(21)上相邻端面的连接槽(212)内，由此形成第一转动副(26)；并且第二中心孔(222)与第一中心孔(213)对齐；弹性支撑杆(23)贯穿设置在各关节连杆(21)上的第一中心孔(213)和十字关节轴(22)上的第二中心孔(222)内；三条驱动绳索(24)间隔设置，一端连接在位于本关节单元末端的关节连杆(21)上，中部穿过位于本关节单元及前侧的所有关节单元上关节连杆(21)同一位置的导向孔(214)后连接在驱动机构(1)上；
所述驱动机构(1)包括四个分别与一个关节单元相连接的驱动单元、第一连接盘(102)、第二连接盘(104)、第三连接盘(109)、多根第一连杆(110)和第四连接盘(111)；其中，第一连接盘(102)、第二连接盘(104)和第三连接盘(109)以平行的方式间隔设置且相互连接；第四连接盘(111)利用多根第一连杆(110)与第三连接盘(109)固定连接；每个驱动单元包括三台电机(101)、三个联轴器(103)、三根丝杠(105)、三个滑块(108)、三根导向杆(106)和三个绳索连接部(107)；其中，三台电机(101)间隔距离安装在第一连接盘(102)的底面上，输出端贯穿第一连接盘(102)；联轴器(103)位于第一连接盘(102)和第二连接盘(104)之间；丝杠(105)的一端以转动的方式安装在第三连接盘(109)上，另一端贯穿第二连接盘(104)后通过一个联轴器(103)与一台电机(101)的输出端相连接；每根丝杠(105)的附近安装一根导向杆(106)，导向杆(106)的两端分别固定在第二连接盘(104)和第三连接盘(109)上；每个滑块(108)同时套装在一根丝杠(105)和一根导向杆(106)上，因此能够沿导向杆(106)往复移动，并且滑块(108)上安装有一个绳索连接部(107)；臂段机构(2)上每根驱动绳索(24)的另一端贯穿第四连接盘(111)、第三连接盘(109)后连接在一个绳索连接部(107)上；第四连接盘(111)的顶面与第一关节单元(Ⅰ)上位于首端的关节连杆(21)前端面相连接。
2.根据权利要求1所述的基于十字轴铰接的柔性机械臂，其特征在于：所述关节连杆(21)的端面上位于连接槽(212)两侧的部位为倾斜面(211)。
3.根据权利要求1所述的基于十字轴铰接的柔性机械臂，其特征在于：所述关节轴(221)的外侧部位为弧形面，同时关节连杆(21)上的连接槽(212)为弧形槽。
4.根据权利要求1所述的基于十字轴铰接的柔性机械臂，其特征在于：所述第一关节单元(Ⅰ)上位于首端的关节连杆(21)前端面和第四关节单元(Ⅳ)上位于末端的关节连杆(21)后端面设置成平面结构。
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Application publication date: 20211203

Assignee: Beiyang Zhi control (Tianjin) science and Technology Co.,Ltd.

Assignor: CIVIL AVIATION University OF CHINA

Contract record no.: X2024980006032

Denomination of invention: A Flexible Robot Arm Based on Cross Axis Articulation

Granted publication date: 20230926

License type: Common License

Record date: 20240521