CN114102665B - 基于折纸结构的模块化多铰链可伸缩刚柔耦合空间机械臂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于折纸结构的模块化多铰链可伸缩刚柔耦合空间机械臂，包括多个折展单元以及机械臂底座。此机械臂采用模块化设计思想，采用多个相同的折展单元组合而成，通过各个折展单元上的驱动电机带动每个折展单元伸缩和翻折，从而可以使机械臂灵活伸缩以及向任意方向弯曲，实现多种复杂环境下的工作任务。本发明的机械臂在折展单元的连杆上添加柔性材料，能够有效地补偿变形，简化机构，缓解冲击。本发明的机械臂在折展单元中添加扭簧，起到支撑作用，使机械臂可以正方或者倒放，可以匹配多种底座，适应性更好。本发明的机械臂在折展单元底盘的转动副上固连，监测其转动速度，避免出现较大冲击或损坏。

Description

基于折纸结构的模块化多铰链可伸缩刚柔耦合空间机械臂
技术领域
本发明属于机器人领域，是一种基于折纸结构的模块化多铰链可伸缩刚柔耦合空间机械臂，具体来说，机械臂采用模块化设计思想，可以比较灵活地根据工作环境调整长度、转动方向和角度，适应多种工作环境，特别是一些狭小、高度过高或者距离过长等复杂工作环境。
背景技术
机器人可以代替人完成各种各样的冗杂、困难的工作，并且在实际应用中越来越广泛。而机械臂作为机器人最常用的组件之一，随着机器人任务类型的多元化和复杂性的提高，我们对机械臂的在复杂的环境中的工作能力提出了更高的要求，因此需要设计一种灵活度高、适应性强、可靠性好的机械臂。
对于现有的机械臂的设计，申请号为CN201610184415.8的发明专利《一种仿生机械臂》，此机械臂虽相对于传统机械臂更为灵活，成本较低，但它的运动范围比较有限，工作范围相对受限。此外，申请号为CN202110857184.3的发明专利《一种仿生机械臂》，采用模块化思想，能够适应多种工作环境，但将驱动电机全都放在底部，占地面积大，在狭小崎岖的工作环境中工作比较受限制。
针对上述设计中存在的问题，我们设计了一种基于折纸结构的模块化多铰链可伸缩刚柔耦合空间机械臂，该机械臂采用模块化思想，每个折展单元模块都可以灵活伸缩和向侧面弯曲，并且将驱动电机布置在折展单元的底盘上，因此面对不同的工作环境时，可以灵活地控制机械臂的长度以及弯曲角度和方向，实现各种复杂的工作任务。
发明内容
本发明设计了一种基于折纸结构的模块化多铰链可伸缩刚柔耦合空间机械臂，其特征在于：由多个可伸缩的折展单元(1)和底座(2)组成的；多个可伸缩的折展单元(1)组成的机械臂布置在底座(2)上，其特征在于：
机械臂的各折展单元通过螺栓(3-3)和螺母(3-2)相连，该机械臂可以匹配多种底座，包括机械臂正放式底座(2-1)、机械臂倒放式底座(2-2)等，底座与机械臂通过螺钉(3-1)连接。
折展单元(1)包括底盘(1-7)以及中间的六组连杆，六组连杆分别为连杆组Ⅰ(1-1)、连杆组Ⅱ(1-2)、连杆组Ⅲ(1-3)、连杆组Ⅳ(1-4)、连杆组Ⅴ(1-5)、连杆组Ⅵ(1-6)。六组连杆的连接情况为：连杆组Ⅰ(1-1)与连杆组Ⅱ(1-2)通过虎克铰1(1-8)连接，连杆组Ⅲ(1-3)与连杆组Ⅱ(1-2)通过虎克铰1(1-8)连接，连杆组Ⅳ(1-4)与连杆组Ⅲ(1-3)通过虎克铰1(1-8)连接，连杆组Ⅴ(1-5)与连杆组Ⅳ(1-4)通过虎克铰1(1-8)连接，连杆组Ⅵ(1-6)与连杆组Ⅴ(1-5)通过虎克铰1(1-8)连接，连杆组Ⅰ(1-1)与连杆组Ⅵ(1-6)通过虎克铰1(1-8)连接。其中连杆组Ⅰ(1-1)、连杆组Ⅲ(1-3)、连杆组Ⅴ(1-5)的结构相同，连杆组Ⅱ(1-2)、连杆组Ⅳ(1-4)、连杆组Ⅵ(1-6)的结构相同。因此暂且只介绍连杆组Ⅰ(1-1)和连杆组Ⅱ(1-2)的结构和连接情况，其他四组连杆组与连杆组(1-1)和连杆组2(1-2)的结构和连接情况相同，暂用虚线表示。
连杆组Ⅰ(1-1)包括：下连杆1(1-1-2)、角度传感器(1-1-1)、上连杆(1-1-5)、中间连杆1(1-1-7)、中间连杆2(1-1-4)、扭簧(1-1-8)；连杆组Ⅰ(1-1)的连接关系为：下连杆1(1-1-2)与底盘(1-7)构成转动副连接，角度传感器(1-1-1)与下连杆1(1-1-2)的转轴固连，来监测下连杆1(1-1-2)的转动速度；上连杆(1-1-5)与底盘(1-7)构成转动副连接，角度传感器(1-1-1)与上连杆(1-1-5)的转轴固连，监测上连杆(1-1-5)的转动速度；下连杆1(1-1-2)与上连杆(1-1-5)构成转动副连接，扭簧(1-1-8)固定在上连杆(1-1-5)的转轴上，对折展单元起到支撑作用；中间连杆1(1-1-7)通过虎克铰3(1-1-6)与上连杆(1-1-5)连接；下连杆1(1-1-2)通过虎克铰2(1-1-3)与中间连杆2(1-1-4)相连；
连杆组Ⅱ(1-2)包括下连杆2(1-2-2)、中间连杆2(1-1-4)、上连杆(1-1-5)、中间连杆1(1-1-7)、主动齿轮(1-2-6)、从动齿轮(1-2-5)、电动机(1-2-1)、角度传感器(1-1-1)。连杆组Ⅱ(1-2)的连接关系为：下连杆2(1-2-2)与底盘(1-7)构成转动副连接；电动机(1-2-1)固定在底盘(1-7)上，电动机的转动轴与主动齿轮(1-2-6)固连，从动齿轮(1-2-5)与下连杆2(1-2-2)的转轴固连，通过两齿轮的啮合传递运动和动力；上连杆(1-1-5)与底盘(1-7)形成转动副连接，角度传感器(1-1-1)与上连杆(1-1-5)的上端的转动轴固连，监测上连杆(1-1-5)转动速度；下连杆2(1-2-2)与上连杆(1-1-5)构成转动副连接；中间连杆1(1-1-7)通过虎克铰5(1-2-4)与上连杆(1-1-5)连接；中间连杆2(1-1-4)通过虎克铰4(1-2-3)与下连杆2(1-2-2)连接；
连杆(1-2-1)包括刚性部分(1-2-1-2)和靠近转轴端有柔性材料部分(1-2-1-1)，柔性材料以补偿变形和简化机构；连杆(1-1-5)包括刚性部分(1-1-5-2)和靠近转轴端有柔性材料部分(1-1-5-1)，柔性材料同样起到补偿变形和简化机构的作用。
本发明的优点在于：
1.本发明提出了基于折纸结构的模块化多铰链可伸缩刚柔耦合空间机械臂，该机械臂可以向多个方向翻折，可以适应不同的环境，可以在狭小不规则空间中工作。
2.本发明提出了一种基于折纸结构的模块化多铰链可伸缩刚柔耦合空间机械臂，该机械臂采用模块化思想，其折展单元可以按需求叠加或者减少，因此可以比较简单地调整机械臂的长度，适应性强。
3.本发明提出了一种基于折纸结构的模块化多铰链可伸缩刚柔耦合空间机械臂，其特征在于，机械臂的折展单元的连杆上添加柔性材料，可有效简化机构，减缓冲击，提高机械臂的稳定性。
4.本发明提出了一种基于折纸结构的模块化多铰链可伸缩刚柔耦合空间机械臂，该机械臂为多自由度机械臂，由每个折展单元的下底盘的三个电动机控制其运动，操作灵活。
5.本发明提出了一种基于折纸结构的模块化多铰链可伸缩刚柔耦合空间机械臂，机械臂的折展单元在连杆上设置扭簧，起支撑作用，因此该机械臂既可以正放，也可以倒放，可以匹配多种底座，适应多种工作环境。
本发明的具有适应性的多自由度模块化仿生刚柔耦合机械臂，结构简单，适应性好，可靠性高，控制方便。
附图说明
图1本发明中折展单元总体示意图
图2本发明中两组连杆机构连接示意图
图3本发明中一组连杆结构示意图
图4本发明中一组连杆结构示意图
图5、图6本发明中折展单元带柔性材料的连杆示意图
图7、图8、图9本发明中折展单元的连杆示意图
图10本发明中折展单元的底盘示意图
图11本发明中折展单元压缩示意图
图12本发明中折展单元翻折示意图
图13本发明机械臂示意图
图14、图15本发明机械臂的两个应用场景示意图
图中
1-折展单元；2-机械臂底座；
1-1连杆组Ⅰ；1-2连杆组Ⅱ；1-3连杆组Ⅲ；1-4连杆组Ⅳ；1-5连杆组Ⅴ；
1-6连杆组Ⅵ；1-7底盘；1-8虎克铰1；
2-1机械臂正放式底座；2-2机械臂倒放式底座；
3-1螺钉；3-2螺栓；3-3侧开口狭小空间环境；3-4上开口狭小空间环境
1-1-1传感器；1-1-2下连杆1；1-1-3虎克铰2；1-1-4中间连杆2；1-1-5上连杆；1-1-6虎克铰3；1-1-7中间连杆1；1-1-8扭簧；
1-2-1电动机；1-2-2下连杆2；1-2-3虎克铰4；1-2-4虎克铰5；1-2-5从动齿轮；1-2-6主动齿轮；
1-2-1-1下连杆2的柔性材料部分；1-2-1-2下连杆2的刚性部分；
1-1-5-1上连杆的柔性材料部分；1-1-5-2上连杆的刚性部分；
具体实施方式
下面结合附图和实施例说明本发明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
参照图1、图13，本发明是一种基于折纸结构的模块化多铰链可伸缩刚柔耦合多自由度机械臂。包括多个折展单元(1)组成的可伸缩机械臂和底座(2-1)。
参照图2、图11、图12，机械臂的折展单元(1)通过调整驱动电机(1-2-1)的转速或者转动角度，可以灵活地实现折展单元(1)的伸缩和翻转。
参照图13、图14、图15，将多个折展单元通过底盘上的螺孔通过螺栓(3-3)和螺母(3-2)连接在一起，机械臂末端螺钉(3-1)与机械臂底座(2-1)相连。机械臂在狭小的环境中工作，在机械臂上连接上合适数量的折展单元(1)，机械臂在多个驱动电机(1-2-1)的带动下，可以向任意方向弯折，因此可以比较容易地伸进任意方向的小的缝隙洞口，伸展到其指定位置工作。

Claims (6)

1.基于折纸结构的模块化多铰链可伸缩刚柔耦合空间机械臂，其特征在于：由多个可伸缩的折展单元(1)和底座(2)组成的；多个可伸缩的折展单元(1)组成的机械臂布置在底座(2)上，其特征在于：
折展单元(1)包括底盘(1-7)以及中间的六组连杆，六组连杆分别为连杆组Ⅰ(1-1)、连杆组Ⅱ(1-2)、连杆组Ⅲ(1-3)、连杆组Ⅳ(1-4)、连杆组Ⅴ(1-5)、连杆组Ⅵ(1-6)；连杆组Ⅰ(1-1)与连杆组Ⅱ(1-2)通过虎克铰1(1-8)连接，连杆组Ⅲ(1-3)与连杆组Ⅱ(1-2)通过虎克铰1(1-8)连接，连杆组Ⅳ(1-4)与连杆组Ⅲ(1-3)通过虎克铰1(1-8)连接，连杆组Ⅴ(1-5)与连杆组Ⅳ(1-4)通过虎克铰1(1-8)连接，连杆组Ⅵ(1-6)与连杆组Ⅴ(1-5)通过虎克铰1(1-8)连接，连杆组Ⅰ(1-1)与连杆组Ⅵ(1-6)通过虎克铰1(1-8)连接；连杆组Ⅰ(1-1)、连杆组Ⅲ(1-3)、连杆组Ⅴ(1-5)的结构相同，连杆组Ⅱ(1-2)、连杆组Ⅳ(1-4)、连杆组Ⅵ(1-6)的结构相同；连杆组Ⅰ(1-1)和连杆组Ⅱ(1-2)的结构和连接情况如下；
连杆组Ⅰ(1-1)包括：下连杆1(1-1-2)、角度传感器(1-1-1)、上连杆(1-1-5)、中间连杆1(1-1-7)、中间连杆2(1-1-4)、扭簧(1-1-8)；连杆组Ⅰ(1-1)的连接关系为：下连杆1(1-1-2)与底盘(1-7)构成转动副连接，角度传感器(1-1-1)与下连杆1(1-1-2)的转轴固连，来监测下连杆1(1-1-2)的转动速度；上连杆(1-1-5)与底盘(1-7)构成转动副连接，角度传感器(1-1-1)与上连杆(1-1-5)的转轴固连，监测上连杆(1-1-5)的转动速度；下连杆1(1-1-2)与上连杆(1-1-5)构成转动副连接，扭簧(1-1-8)固定在上连杆(1-1-5)的转轴上，对折展单元起到支撑作用；中间连杆1(1-1-7)通过虎克铰2(1-1-6)与上连杆(1-1-5)连接；下连杆1(1-1-2)通过虎克铰3(1-1-3)与中间连杆2(1-1-4)相连；
连杆组Ⅱ(1-2)包括下连杆2(1-2-2)、中间连杆2(1-1-4)、上连杆(1-1-5)、中间连杆1(1-1-7)、主动齿轮(1-2-6)、从动齿轮(1-2-5)、电动机(1-2-1)、角度传感器(1-1-1)；连杆组Ⅱ(1-2)的连接关系为：下连杆2(1-2-2)与底盘(1-7)构成转动副连接；电动机(1-2-1)固定在底盘(1-7)上，电动机的转动轴与主动齿轮(1-2-6)固连，从动齿轮(1-2-5)与下连杆2(1-2-2)的转轴固连，通过两齿轮的啮合传递运动和动力；上连杆(1-1-5)与底盘(1-7)形成转动副连接，角度传感器(1-1-1)与上连杆(1-1-5)的上端的转动轴固连，监测上连杆(1-1-5)转动速度；下连杆2(1-2-2)与上连杆(1-1-5)构成转动副连接；中间连杆1(1-1-7)通过虎克铰4(1-2-4)与上连杆(1-1-5)连接；中间连杆2(1-1-4)通过虎克铰5(1-2-3)与下连杆2(1-2-2)连接；
连杆(1-2-1)包括刚性部分(1-2-1-2)和靠近转轴端有柔性材料部分(1-2-1-1)，柔性材料以补偿变形和简化机构；连杆(1-1-5)包括刚性部分(1-1-5-2)和靠近转轴端有柔性材料部分(1-1-5-1)，柔性材料同样起到补偿变形和简化机构的作用。
2.根据权利要求1所述的基于折纸结构的模块化多铰链可伸缩刚柔耦合空间机械臂，其特征在于，该机械臂能够向多个方向翻折，适应不同环境，在狭小不规则空间中工作。
3.根据权利要求1所述的基于折纸结构的模块化多铰链可伸缩刚柔耦合空间机械臂，其特征在于，该机械臂采用的折展单元能够按需求叠加或者减少，调整机械臂的长度。
4.根据权利要求1所述的基于折纸结构的模块化多铰链可伸缩刚柔耦合空间机械臂，其特征在于，机械臂的折展单元的连杆上添加柔性材料。
5.根据权利要求1所述的基于折纸结构的模块化多铰链可伸缩刚柔耦合空间机械臂，其特征在于，该机械臂为多自由度机械臂，由每个折展单元的下底盘的三个电动机控制运动。
6.根据权利要求1所述的基于折纸结构的模块化多铰链可伸缩刚柔耦合空间机械臂，其特征在于，在连杆上设置扭簧起支撑作用，该机械臂正放或者倒放，匹配多种底座；机械臂的各折展单元(1)通过螺栓(3-3)和螺母(3-2)相连，该机械臂能够匹配多种底座，包括机械臂正放式底座(2-1)、机械臂倒放式底座(2-2)，底座与机械臂通过螺钉(3-1)连接。
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水下软体机械臂的设计及控制分析;刘璇等;《船舶工程》;20200625;第42卷(第06期);第21-25、76页 *

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