CN114589681A - 一种模块化便拆卸蛇形机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化便拆卸蛇形机械臂，包括基座和手臂部分，基座部分由多块驱动单元插入卡槽底座构成，为牵引绳提供动力，间接驱动手臂部分，驱动单元与卡槽底座的插拔式设计便于安装和拆卸。驱动单元由上、下层板构成，上层版固结驱动零部件，下层板与卡槽底座固定，通过旋转使上、下层板分离，提供充足空间以应对任意驱动零部件的检查、维修和替换。手臂部分由分体式连杆和万向节级联构成，分体式连杆设计不仅简化了原本复杂的布线操作，而且可以对手臂部分进行变长度、变刚度的调整。基座部分和手臂部分的重新设计，解决了传统一体式蛇形机械臂的体积大、重量大、难维修、难运输的问题，还有效的提高了蛇形机械臂在不同环境中的灵活性与适应性。

Description

一种模块化便拆卸蛇形机械臂

技术领域

本发明涉及机器人研究与工程领域，具体是指一种新型蛇形机械臂，具有易于系统搭建、关节维修、远距离运输特点的蛇形机械臂。

技术背景

目前，高端装备制造业在提速，这对面向狭小空间作业的特种机器人提出了新的要求，蛇形机械臂由于具有多自由度和细长的结构特点，非常适用在核设备、航空设备、管道等受限环境下进行装配和检测。因其具有较强的避障和深腔探测的能力，引发大量的学者、研究机构的广泛关注。相比于传统工业机械臂，蛇形机械臂将驱动设备集中布置在驱动基座，这样有效减轻机械臂的重量，另一方面通过结构优化，可以使其拥有更多的自由度和弯曲角度，提升其运动灵活性。综上所述，蛇形机械臂在工业领域有巨大的应用需求和发展前景。

蛇形机械臂主要采用牵引绳驱动，目前见到的绳驱式蛇形机械臂结构大部分为基座-手臂式结构(如图4)。基座部分(如图1-1、1-2)包括直流电机Ⅰ、传动丝杆组Ⅱ，是手臂部分动力来源。手臂部分(图2-2)采用刚性连杆(图2-1)通过万向节连接构成，细长的手臂结构是为了穿越狭窄、危险的空间进行工作，是需要控制的对象。

传动丝杆组设计为滚珠丝杆1、直线导轨2、运动滑块3与绳缆固定块4，传动丝杆组Ⅱ将直流电机Ⅰ的旋转运动转化为绳缆固定块4的平移运动，牵引绳的一端5采用锁线机构固定在绳缆固定块4上，由绳缆固定块带动牵引绳做前后平移。

控制方式采用传统的控制方法，牵引绳的另一端穿过过线孔6进入手臂部分，采用锁线机构固定在手臂部分的刚性连杆布线盘7(如图3)上，3根均匀分布的一组牵引绳A_1、A_2、A_3，用锁线器结构固定在布线盘7上，通过3根牵引绳回拉、放松的耦合关系控制第一个关节A的转动，同理，牵引绳B_1、B_2、B_3控制第二个关节B转动。

如图4所示，Ⅲ为蛇形机械臂的基座部分：为24个直流电机与传动丝杆组圆环布置在圆盘底座上，驱动24根牵引绳独立运动。Ⅳ为手臂部分：为8个刚性连杆(图2-1)通过万向节连接构成。相邻的两个连杆构成一个单元，所有牵引绳穿过靠近基座端的第一个单元，后续依次减少三根牵引绳穿过剩余的单元。由于3根牵引绳作用于一个连杆并带动与其相连的关节转动，一个关节具有俯仰、偏航两个自由度，所以该样机可实现8关节、16自由度手臂灵活运动。

以上所描述的传统蛇形机械臂存在以下缺点

如图1-1、1-2所示，直流电机Ⅰ、传动丝杆组Ⅱ安装过程复杂，圆环式空间布置造成零件间距太小(图4-Ⅲ)，几乎没有空间用于维修和检查零件。

直流电机、传动丝杆组固定于圆盘底座的方式均采用螺丝刚性固定(图1-2)，因为安装和拆卸极为不便，所以对蛇形机械臂只能整体进行搬运，容易因碰撞造成结构损伤或者零部件脱落等问题，减小了蛇形机械臂的实际应用性。

传统刚性连杆布线盘(如图3中7所示)穿绳孔小而且密集，穿绳布线操作速度缓慢、效率低下。传统蛇形机械臂手臂部分刚性连杆(图2-1)长度固定，无法根据不同环境调整手臂部分长度，限制了蛇形机械臂的应用场景。

发明内容

针对以上存在的问题，本发明提供一种新型蛇形机械臂，在具备灵活运动能力的同时，实现模块化、轻量化结构设计，解决目前传统蛇形机械臂的装配过程繁琐、维修复杂、难以远距离运输、应用场景单一等问题。

具体技术方案如下：

一种改进的蛇形机械臂，其特征在于包括：基座部分和手臂部分，基座部分由多个驱动单元和1个卡槽底座构成，1个驱动单元控制1根牵引绳前后移动，共同为手臂部分提供驱动力，驱动单元和卡槽底座采用插拔式设计；所述驱动单元包括上层板a和下层板b，上层板a包括：电机Ⅰ、竹杠丝杆1、直线导轨2、绳缆固定块4，电机Ⅰ与竹杠丝杆1相连，直线导轨2与竹杠丝杆1平行设置，绳缆固定块4跨接在竹杠丝杆1和直线导轨2，电机Ⅰ的旋转动力通过竹杠丝杆1带动绳缆固定块4沿直线导轨2和竹杠丝杆1做平移；上层版a与下层板b通过螺纹轴承和螺丝固定，实现上、下层板的相对旋转运动或刚性固定；牵引绳的一端通过锁线器固定在绳缆固定块4上，在绳缆固定块(4)的平移下实现牵引绳的前后移动；卡槽底座为圆柱体，外表面上均匀分布有多个卡槽，下层板插入卡槽后固定连接；

手臂部分由多个分体式连杆通过万向节连接构成，其中，1个分体式连杆由2个布线盘、3根螺柱、4个半圆型牵引绳固定环组成，布线盘周向均匀分布多个穿绳孔，并且每个穿绳孔与外界连通，每个布线盘和2个半圆型牵引绳固定环配合，用于限制穿入穿绳孔牵的引绳只能沿布线盘轴向前后运动，不能沿布线盘径向运动，每一个分体式连杆由三根均匀分布在布线盘上的牵引绳控制；两个布线盘之间通过螺柱连接，起支撑和连接的作用；螺柱两端均布置螺纹孔，通过更换不同长度、不同直径的螺柱，改变手臂部分的总长和负载能力，以应对不同的工作环境和工作任务。

有益效果

本发明采用了模块化、轻量化的设计，能够根据不同任务需求改变蛇形机械臂的关节数量，在机器人出现故障时进行高效的检测与维修，同时能保证远距离运输后蛇形机械臂的稳定性，更具有实际应用价值。

附图说明

图1-1是传统蛇形机械臂基座部分正视图、斜视图；

图1-2是传统蛇形机械臂基座部分正视图、斜视图；

图2-1是传统蛇形机械臂手臂部分刚性连杆示意图；

图2-2是传统蛇形机械臂手臂部分刚性连杆连接示意图；

图3是蛇形机械臂绳驱动原理示意图

图4是传统蛇形机械臂示意图；

图5是本发明的驱动单元示意图；

图6是本发明的卡槽底座示意图；

图7-1是驱动单元与卡槽底座装配示意图；

图7-2是驱动单元上、下层板分离示意图；

图8-1是本发明的分体式连杆示意图；

图8-2是本发明分体式连杆爆炸图；

图9-1是本发明的新式布线盘示意图；

图9-2是本发明的牵引绳固定环示意图；

图9-3是本发明的螺柱示意图；

图10是本发明的手臂部分连接示意图

图11是本发明的新型蛇形机械臂示意图；

其中，1、竹杠丝杆，2、直线导轨，3、运动滑块，4、绳缆固定块，5、牵引绳末端，6、过线孔，7、刚性连杆布线盘，8、轴承固定孔，9、上层板固定孔，10、上层板固定孔，11、下层板固定孔，12、下层板固定孔，13、卡槽底座固定孔，14，卡槽底座固定孔，15、万向节，Ⅰ、直流电机，Ⅱ、传动丝杆组，Ⅲ、基座，Ⅳ、手臂。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

基于以上提到的传统蛇形机械臂原理，本发明对相关机构进行了改进创新。本发明的新型蛇形机械臂可分成两大部分——基座部分、手臂部分。本实施例中，基座部分由24个驱动单元(如图5)和1个卡槽底座(如图6)构成,1个驱动单元控制1根牵引绳前后移动，共同为手臂部分提供驱动力，驱动单元和卡槽底座采用插拔式设计。驱动单元的数量可以根据实际情况进行选择，具体数量是3的倍数。

上述驱动单元(如图5)包括上层板a和下层板b，上层板包括：电机Ⅰ、竹杠丝杆1、直线导轨2、绳缆固定块4。电机Ⅰ与竹杠丝杆1相连，直线导轨2与竹杠丝杆1平行设置，绳缆固定块4跨接在竹杠丝杆1和直线导轨2上，电机Ⅰ的旋转动力通过竹杠丝杆1带动绳缆固定块4沿直线导轨2和竹杠丝杆1做平移，牵引绳s1的一端通过锁线器s2固定在绳缆固定块4上，即可实现牵引绳的前后移动。上层版a与下层板b通过固定孔8、9、10连接，固定孔8采用螺纹轴承，固定孔9、10采用螺丝固定，可以实现上、下层板的相对旋转运动和刚性固定。下层板插入卡槽后通过固定孔11、12与卡槽底座孔13、14固定(如图7-1)。

卡槽底座(如图6)为驱动单元的支撑载体，24个卡槽均匀分布对应24块驱动单元，13、14为驱动单元固定孔。

驱动单元所述的上下分层设计方案，目的是解决传统蛇形机械臂因空间不足造成的难维修、难检查的问题，检修时拆卸两个固定螺丝(孔9、10)，上层板a即可绕螺纹轴承(孔8)旋出(如图7-2)，可以轻松实现对任意的零部件进行检查、维护、替换。解决了所述难检修的问题。

驱动单元与卡槽底座插拔式设计方案，目的是解决传统蛇形机械臂安装、拆卸复杂，不便于运输、搬运的问题，此方案将基座进行模块化分解为驱动单元和卡槽底座，安装时将驱动单元插入卡槽，通过下层板的两个固定孔与卡槽固定，即完成安装，拆卸方式同理。这种设计方案缩短了拆卸的时间，将驱动单元与卡槽底座脱离后进行运输，减小了运输空间，降低了运输的成本和运输过程中的不确定性。解决了所述运输难的问题。

新型蛇形机械臂手臂部分沿用传统蛇形机械臂的连杆、万向节级联结构，但对传统刚性连杆(图2-1)进行分体式设计，对传统布线盘(如图3中7号标注所示)进行重新设计，控制方案与传统方式相同，依旧由三根独立运动的牵引绳控制一个分体式连杆。

1个分体式连杆(图8-2)由2个新式布线盘m1、m2、3根螺柱i1、i2、i3、4个牵引绳固定环c1、c2、c3、c4组成，连接方式如图8所示，新式布线盘m1和牵引绳固定环c1、c2配合，目的是限制牵引绳只能前后运动，不能沿布线盘径向运动，螺柱是分体式连杆的连接件，起支撑和连接的作用。

新式布线盘m1(图9-1)采用圆环式分布穿绳孔k，并且每个孔隙与外界连通，布线操作由传统布线盘(图3，7号标注)从后向前的穿绳方式变为由外向内扣入，此设计简化了布线操作。孔f1、f2配合孔g1、g2，采用牵引绳固定环限制牵引绳径向运动。布线盘通过f3、f4、f5与螺柱(图9-3)固定。

螺柱(如图9-3)两端均布置螺纹孔，并与新式布线盘固定，可以通过更换不同长度、不同直径的螺柱，改变手臂部分的总长和负载能力，以应对不同的工作环境和工作任务。

如图10所示，2个分体式连杆之间通过1个转轴块15，配合4个螺纹轴承z1、z2、z3、z4连接，采用三根牵引绳控制一个转动关节，控制思路同图3。

所述的新式布线盘和分体式连杆设计方案，相比于传统刚性连杆(如图2-1)，不仅使得布线操作简单，而且使手臂部分具备了变长度、变刚度的特性，增加其灵活性和环境适应性，解决了应用场景单一的问题。

参考图7-1的安装方式，将24个驱动单元(如图5)插入卡槽底座(如图6)并固定，形成新型蛇形机械臂的基座部分，为24根牵引绳提供动力。参考图10对8个分体式连杆进行级联，形成了新型蛇形机械臂的手臂部分，再将基座部分与手臂部分进行固定，则形成了完整的新型蛇形机械臂，即本发明的完整结构(图11)

具体装配及维护过程如下：

图5是驱动单元，安装方式为：在上层板a中固定电机Ⅰ、竹杠丝杆1、直线滑轨2，绳缆固定块4一端与滑轨固定，一端与竹杠丝杆固定。

图5上层板a与下层板b连接，连接方式为：孔8处采用合适型号的带螺纹杆轴承，孔9、10处采用合适型号的螺丝进行刚性固定。

驱动单元(如图5)中的孔11、12与卡槽底座图6中的孔13、14对齐，采用合适型号的螺丝进行刚性固定，一个卡槽对应一个驱动单元。

图7-1为装配了一个驱动单元的基座示意图，维修操作为：拆卸9、10中固定的螺丝，可将上层版a沿孔8进行旋转，如图7-2。

图8-2为分体式连杆爆炸示意图，具体连接方式为：参见图9，图9-1新式布线盘中孔f3、f4、f5分别与三根螺柱(图9-3)采用螺丝进行刚性固定，螺柱的另一端以同样方式与另一个新式布线盘(图9-1)固定。

采用图10所示方式，用4个带螺纹杆轴承z1、z2、z3、z4将连杆进行连接。

将24个驱动单元(图5)以图7-1的方式插入卡槽底座(图6)得到基座部分。将8个分体式连杆(图8-1)以图10的方式进行连接得到手臂部分，将基座与手臂进行刚性固定。(图11)

最后一步，参见图9-1，将所有的牵引绳由外向内扣入孔隙k，孔f1、f2与图9-2中g1、g2对齐，使用螺丝进行刚性连接，1个新式布线盘与2个牵引绳固定环配合，可以对所有的牵引绳进行约束。

固定所有牵引绳两端的锁线器结构，此时就完成了一个新型蛇形机械臂。

Claims (1)

1.一种模块化便拆卸蛇形机械臂，其特征在于包括：基座部分和手臂部分，基座部分由多个驱动单元和1个卡槽底座构成，1个驱动单元控制1根牵引绳前后移动，共同为手臂部分提供驱动力，驱动单元和卡槽底座采用插拔式设计；所述驱动单元包括上层板a和下层板b，上层板a包括：电机Ⅰ、竹杠丝杆(1)、直线导轨(2)、绳缆固定块(4)，电机Ⅰ与竹杠丝杆(1)相连，直线导轨(2)与竹杠丝杆(1)平行设置，绳缆固定块(4)跨接在竹杠丝杆(1)和直线导轨(2)，电机Ⅰ的旋转动力通过竹杠丝杆(1)带动绳缆固定块(4)沿直线导轨(2)和竹杠丝杆(1)做平移；上层版a与下层板b通过螺纹轴承和螺丝固定，实现上、下层板的相对旋转运动或刚性固定；牵引绳的一端通过锁线器固定在绳缆固定块(4)上，在绳缆固定块(4)的平移下实现牵引绳的前后移动；卡槽底座为圆柱体，外表面上均匀分布有多个卡槽，下层板插入卡槽后固定连接；

手臂部分由多个分体式连杆通过万向节连接构成，其中，1个分体式连杆由2个布线盘、3根螺柱、4个半圆型牵引绳固定环组成，布线盘周向均匀分布多个穿绳孔，并且每个穿绳孔与外界连通，每个布线盘和2个半圆型牵引绳固定环配合，用于限制穿入穿绳孔牵的引绳只能沿布线盘轴向前后运动，不能沿布线盘径向运动，每一个分体式连杆由三根均匀分布在布线盘上的牵引绳控制；两个布线盘之间通过螺柱连接，起支撑和连接的作用；螺柱两端均布置螺纹孔，通过更换不同长度、不同直径的螺柱，改变手臂部分的总长和负载能力，以应对不同的工作环境和工作任务。

Images