CN116276936A - 一种狭窄环境下宽度可变操作运动一体模块机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种狭窄环境下宽度可变运动操作一体模块机械臂，此机械臂以模块化为基础，多个可变宽度模块与关节模块组合而成。在关节模块中驱动电机带动每个可变宽度模块进行两个方向的摆动，从而使机械臂向任意方向弯曲以完成各个场景下的作业。本发明在各个可变宽度模块上具有柔性伸缩机构且多节联动，快速实现机身宽度的变化，同时具有附加运动模块，通过凸轮连杆机构使尖端末端按照既定曲线运动。各个可变宽度模块采用传动轴传动实现可变宽度功能与附加运动功能实现联动，控制简单重量轻，相对传统机械臂，可以在必要场景下使机械臂独立运动到指定位置进行作业无需人为搬运，机身采用特殊机构设计，在轻量化的同时保证结构强度，提高稳定性。

Description

一种狭窄环境下宽度可变操作运动一体模块机械臂

技术领域

本发明属于机器人领域，是一种狭窄环境下机身宽度可变操作运动一体模块机械臂，具体来说，机械臂以模块化设计为基础，可自由改变机身宽度及长度以适应不同的狭窄环境下操作的要求，同时通过在每个模块的机身上附加腿部结构以增加运动功能，使得其可以脱离底座独立运动到指定位置进行作业。

背景技术

随着机械臂应用场景的多元化，其任务难度也在不断提升，对于机械臂功能上的要求也不断增多，同时机械臂代替人在各种更为恶劣或极端环境下完成复杂作业的需求也日益增高。为此，设计出具有更好复杂环境适应性的特种机械臂，是机械臂领域研究的重点和难点。在许多特殊应用场景下，机械臂的底座不便安装，从而导致无法发挥机械臂的优势，因此提升机械臂的独立运动能力和灵活性显得尤为重要。

对于现有的机械臂的设计，申请号为CN202121744443.3的发明专利《一种仿生机械臂》，相对于传统机械臂主体组件质量小、机构简单，但是底座设计复杂，占地面积大，不易安装与移动，运动能力较低。此外，申请号为CN201810275023.1的发明专利《模块化仿生机械臂及其工作方法》，采用模块化设计思想，机构设计简单、合理，但是机械臂主体尺寸固定，作业范围受限，难以在狭窄不规则的环境下作业。

针对上述设计中存在的问题，我们设计了一种狭窄环境下宽度可变操作运动一体模块机械臂，其由多模块组成，相邻模块之间可实现左右相对摆动和上下相对摆动。同时，通过一个驱动装置可实现多模块宽度的同时改变，使其能够在狭窄环境下完成操作任务。在此基础上，利用各模块的附加腿部机构，可实现自由移动，大幅扩大机械臂的操作能力。

发明内容

本发明设计了一种狭窄环境下宽度可变操作运动一体模块机械臂，其特征在于：由多个可自由摆动和收展的模块构成。每个模块由变宽度模块(1)，附加运动机构(2)，摆动关节(3)组成。

在变宽度模块中，支架(1-11)与碳纤维顶板(1-10)固连，法兰轴承1(1-8)与碳纤维顶板(1-10)固连，凸轮副轴(1-1)可在法兰轴承1(1-8)中转动，固定环1(1-7)与固定环2(1-9)使凸轮副轴(1-1)轴向固定在法兰轴承1(1-8)中。主动件为伞齿轮2(1-13)转动带动伞齿轮1(1-12)，伞齿轮1(1-12)与凸轮副轴(1-1)固连并带动凸轮副轴(1-1)旋转。柔性梁架(1-2)与支架(1-11)固连，柔性梁(1-3)一端与柔性梁架(1-2)固连，一端与柔性梁滑块(1-6)固连。轴承盖板(1-4)分别与柔性梁滑块(1-6)与滑块轴承(1-5)固连。收窄时，凸轮副轴(1-1)旋转通过绳子牵引滑块轴承(1-5)带动柔性梁滑块(1-6)向内引动，从而使柔性梁(1-3)变形，当运动到一定距离时，柔性梁(1-3)变形力将两侧附加运动模块(2)迅速拉回完成收窄。伸展时，凸轮副轴(1-1)旋转推动滑块轴承(1-5)带动柔性梁滑块(1-6)移动。从而使从而使柔性梁(1-3)变形，当运动到一定距离时，柔性梁(1-3)变形力将两侧附加运动模块(2)迅速弹出完成伸展，相对传统齿轮齿条等直线运动机构，反应迅速，重量更轻。

在附加运动机构中，法兰轴承2(2-11)与外凸轮支架(2-2)固连，摆动转轴(2-10)穿到两侧法兰轴承(2-11)中并可转动并与摆动滑轨(2-4)固连，摆动滑块(2-5)与运动滑块(2-6)固连并可沿摆动滑轨(2-4)滑动。凸轮随动器(2-14)与滑槽轴承(2-15)与运动滑块(2-6)固连。腿部转动轴(2-13)与转动滑槽(2-3)固连，花键轴承(2-12)与腿部转动轴(2-13)固连并可旋转。主动件为斜齿轮1(2-7)带动斜齿轮2(2-8)转动，斜齿轮2(2-8)与花键轴(2-9)固连并旋转，花键轴(2-9)带动花键轴承(2-12)旋转，最终带动摆动滑槽(2-3)旋转，使滑槽轴承(2-15)带动凸轮随动器(2-14)可沿外凸轮支架(2-1)与内凸轮(2-2)组成的凸轮滑槽中滑动，从而使尖端按预定轨迹运动。

在关节模块中，同步轮1(3-2)与关节摆动轴(3-3)固连，关节摆动轴(3-3)与法兰联轴器(3-6)固连，法兰联轴器(3-6)与法兰联轴器套筒(3-5)固连并可在法兰轴承3(3-4)中旋转。直流电机(3-8)用蜗轮蜗杆减速器(3-8)减速后驱动同步轮2(3-7)旋转，同步轮2(3-7)带动同步轮1(3-2)转动最终带动法兰联轴器(3-6)转动，法兰联轴器(3-6)与关节摆动碳纤维板(5)固连,关节摆动碳纤维板(5)与可变宽度模块(1)固连，即最终带动可变宽度模块(1)左右摆动。可变宽度模块(1)的上下抬起与左右摆动结构类似不再赘述，即一个关节模块可实现两个自由度的运动，每个关节模块(3)通过关节抬起碳纤维板(5)与关节摆动碳纤维板(6)与前后的可变宽度模块(1)固连，当多个模块叠加在一起时，机械臂即可实现多自由度的运动。

在传动结构中，传动轴部件1(4-5)与传动轴部件2(4-6)构成传动副，传动轴部件2(4-6)与传动轴部件3(4-7)构成转动副共同组成传动轴。主轴1(4-1)与主轴2(4-2)分别与传动轴连接轴1(4-3)与传动轴连接轴2(4-4)固连并与传动轴固连最终再与下一个可变宽度模块中的主轴1(4-1)与主轴2(4-2)固连，实现在上下，左右摆动的同时传递动力。即在多模块叠加时，可实现两个个电机分别驱动各个可变宽度模块(1)与各个附加运动模块，大大减少了电机的数量，使控制更加简单的同时减轻重量，同时附加运动模块(1)由于一个电机驱动，可以实现单独相位可调的同时联动运动。

在以机械臂使用时，即安装机架后，可根据实际情况需要，增加或减少模块的数量以改变机身长度来适应作业场景需求。在遇到狭窄环境时，可控制可变宽度模块(1)将机身快速收窄。在遇到无法将机械臂放置指定位置的场景时。可将机架卸下，将各个附加运动模块相位调整至合适位置水平放置在地面上即可利用附加运动模块(1)的联动运动实现自主运动，即独立运动到指定位置进行作业。

同时整体采用骨架式设计与多种制造方式结合，保证强度的同时，使整体质量大大减少。

本发明的优点在于：

1，本发明提出了一种狭窄环境下宽度可变运动操作一体模块机械臂，该机械臂基于模块化的思想，可按需求快速叠加或拆卸相应模块来改变整体尺寸，以适应多种场景需求。

2，本发明提出了一种狭窄环境下宽度可变运动操作一体模块机械臂，在每个变宽度模块中采用柔性机构变形来改变机身宽度，相对传统齿轮齿条等直线运动机构，具有反应迅速，体积小巧，重量轻的优点，3，本发明提出了一种狭窄环境下宽度可变运动操作一体模块机械臂，在每个可变宽度模块上有附加运动模块，附加运动模块中通过凸轮连杆机构使尖端可按照固定曲线运动。

4，本发明提出了一种狭窄环境下宽度可变运动操作一体模块机械臂，各个附加运动模块由一个电机驱动，可根据需求在单独调整每个运动模块相位的同时实现联动，方便控制和操作。

5，本发明提出了一种狭窄环境下宽度可变运动操作一体模块机械臂，在无法人工将机械臂摆放至指定位置时可将机架卸下水平放置地面，调整各个附加运动模块相位后可通过附加运动模块的联动实现独立爬行到指定位置进行作业。

6，本发明的一种狭窄环境下宽度可变运动操作一体模块机械臂，整体结构采用骨架式设计，同时采用多种材料与制造方式结合，在保证机身强度的情况下减轻机身重量。

附图说明

图1本发明中机械臂总体示意图。

图2本发明中机械臂局部放大示意图。

图3本发明中可变宽度模块示意图1。

图4本发明中可变宽度模块示意图2。

图5本发明中附加运动模块示意图1。

图6本发明中附加运动模块示意图2。

图7本发明中附加运动模块局部放大示意图。

图8本发明中关节模块示意图1。

图9本发明中关节模块示意图2。

图10传动系统示意图。

图11折展功能示意对比图1。

图12折展功能示意对比图2。

图13模块化示意图。

图14附加运动模块轨迹示意图。

图15机械臂作业示意图。

图16机械臂狭窄环境操作示意图。

图17机械臂独立运动模式示意图。

图中：1-变宽度模块；2附加运动模块；3-关节模块；5-关节抬起碳纤维板；6-关节摆动碳纤维板；

1-1凸轮副轴；1-2柔性梁架；1-3柔性梁；1-4轴承盖板；1-5滑块轴承；1-6柔性梁滑块；1-7固定环1；1-8法兰轴承1；1-9固定环2；1-10碳纤维顶板；1-11支架：1-12伞齿轮1；1-13伞齿轮2；

2-1外凸轮支架；2-2内凸轮；2-3转动滑槽；2-4摆动导轨：2-5摆动滑块；2-6腿部滑块；2-7斜齿轮1；2-8斜齿轮2；2-9花键轴；2-10摆动转轴；2-11法兰轴承2；2-12花键轴承；2-13腿部转动轴；2-14凸轮随动器；2-15滑槽轴承；3-1直流电机；3-2同步轮1；3-3关节摆动轴；3-4法兰轴承3；3-5法兰联轴器套筒；3-6法兰联轴器；3-7同步轮2；3-8蜗轮蜗杆减速器；

4-1主轴1；4-2主轴2；4-3传动轴连接轴1；4-4传动轴连接轴2；4-5传动轴部件1；4-6传动轴部件2；4-7传动轴部件3；

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。

参照图1，本发明是一种狭窄环境下宽度可变运动操作一体模块机械臂包括多个由可变宽度模块(1)，附加运动模块(2)，关节模块(3)构成的模块化部件以及末尾连接的机架。

参照图2，宽度可变模块与关节抬起碳纤维板(5)和关节摆动碳纤维板(6)固连，关节抬起碳纤维板(5)与关节摆动碳纤维板(6)在关节模块(3)上分别构成转动副。关节模块上减速电机1与减速电机2分别驱动关节抬起碳纤维板(5)与关节摆动碳纤维板(6)转动使前后连接的可变宽度模块(1)摆动，即一个关节模块(3)可形成两个自由度的运动。

参照图3，图5，图8,为可变宽度模块(1)，附加运动模块(2)与关节模块(3)。如图12，图13所示，机械臂以模块化为基础可以以不同数量模块组合而成，即机械臂可自由改变机身长度以适应不同场景需求，同时一个关节模块具有两个自由度，多个模块叠加可实现多个自由度运动，即可以摆动成多种形状以适应多种环境并可在狭小环境中工作。

参照图11，图12为可变宽度功能演示，图11中为收窄状态，凸轮副轴(1-1)处于中心位置，柔性梁(1-3)处于弯曲状态。当要伸展时，凸轮副轴(1-1)旋转顶住滑块轴承推动柔性梁滑块(1-6)与柔性梁(1-3)直线运动到一定距离时，柔性梁(1-3)自身形变力使两侧附加运动机构(2)伸展到既定位置，此时凸轮副轴旋转90度，即为图11所示状态。如再切换收窄状态时。凸轮副轴再次旋转并有绳与滑块轴承(1-5)连接使滑块轴承(1-5)拉拽柔性梁滑块(1-6)与柔性梁(1-3)运动到一定距离时，柔性梁(1-3)自身形变力使两侧附加运动机构(2)伸展到既定收窄位置。

参照图10为机械臂整体传动。在各个可变宽度模块(1)中主轴1(4-1)与主轴2(4-2)分别通过传动轴连接轴1(4-3)，传动轴连接轴2(4-4)与传动轴固连，各个可变宽度模块(1)都通过传动轴来传递动力，即各个可变宽度模块宽度的改变与附加运动模块中尖端的运动各自只有一个动力输入，使可变宽度与附加运动实现联动，控制非常简单的同时大大减少了电机的数量以减轻重量。

参照图14为附加运动模块示意。腿部转动轴(2-13)带动旋转滑槽(2-3)转动，使凸轮随动器(2-14)可以沿滑槽运动的同时在内凸轮(2-2)与外凸轮支架(2-1)之间的滑槽移动。凸轮随动器(2-14)与摆动滑块(2-5)固连固连，凸轮随动器(2-15)带动摆动滑块(2-5)在摆动滑轨(2-4)上滑动，同时摆动滑轨(2-4)与滑轨转轴(2-10)固连并可旋转，最后使尖端沿图示轨迹运动。

参照图15，图16为机械臂操作场景演示，在狭窄环境下如图16中可用可变宽度模块迅速将机身宽度缩小以符合环境需求进行作业。

参照图17为运动模式的切换。在一些无法人为将机械臂放置在作业场景中时，可将末尾机架拆下，将机械臂机身如图所示放置在地上。机械臂可通过附加运动模块联动进行运动，同时通过控制各个关节模块中的电机改变机身姿态越障，运动到指定位置进行作业。

Claims (10)

1.一种狭窄环境下宽度可变操作一体模块机械臂，其特征在于：由多个可自由摆动和收展的大模块构成；每个大模块由变宽度模块(1)、附加运动模块(2)和摆动关节(3)组成；

每个大模块中，附加运动模块(2)固连在变宽度模块(2)两侧，变宽度模块(1)前后分别与关节抬起碳纤维板(5)和关节摆动碳纤维板(6)固连，摆动模块(3)分别与前后的可变宽度模块(1)所固连的关节抬起碳纤维板(5)与关节摆动碳纤维板(6)构成转动副，使前后的可变宽度模块(1)可绕摆动关节(3)上下和左右摆动；

变宽度模块(1)包括支架(1-11)，所述支架(1-11)与碳纤维顶板(1-10)固连，法兰轴承1(1-8)与碳纤维顶板(1-10)固连，凸轮副轴(1-1)在法兰轴承1(1-8)中转动，固定环1(1-7)与固定环2(1-9)使凸轮副轴(1-1)轴向固定在法兰轴承1(1-8)中；伞齿轮2(1-13)转动带动伞齿轮1(1-12)组成主动件，伞齿轮1(1-12)与凸轮副轴(1-1)固连并带动凸轮副轴(1-1)旋转；柔性梁架(1-2)与支架(1-11)固连，柔性梁(1-3)一端与柔性梁架(1-2)固连，一端与柔性梁滑块(1-6)固连；轴承盖板(1-4)分别与柔性梁滑块(1-6)与滑块轴承(1-5)固连；

附加运动模块(2)包括外凸轮支架(2-1)，法兰轴承2(2-11)与外凸轮支架(2-1)固连，摆动转轴(2-10)穿到两侧法兰轴承(2-11)中并可转动并与摆动滑轨(2-4)固连，摆动滑块(2-5)与运动滑块(2-6)固连并可沿摆动滑轨(2-4)滑动；凸轮随动器(2-14)与滑槽轴承(2-15)与运动滑块(2-6)固连；腿部转动轴(2-13)与转动滑槽(2-3)固连，花键轴承(2-12)与腿部转动轴(2-13)固连并可旋转；斜齿轮1(2-7)带动斜齿轮2(2-8)转动组成主动件，斜齿轮2(2-8)与花键轴(2-9)固连并旋转，花键轴(2-9)带动花键轴承(2-12)旋转，并带动摆动滑槽(2-3)旋转，使滑槽轴承(2-15)带动凸轮随动器(2-14)沿外凸轮支架(2-1)与内凸轮(2-2)组成的凸轮滑槽中滑动，使尖端按预定轨迹运动；

摆动关节(3)包括同步轮1(3-2)，所述同步轮1(3-2)与关节摆动轴(3-3)固连，关节摆动轴(3-3)与法兰联轴器(3-6)固连，法兰联轴器(3-6)与法兰联轴器套筒(3-5)固连并在法兰轴承3(3-4)中旋转；直流电机(3-8)用蜗轮蜗杆减速器(3-8)减速后驱动同步轮2(3-7)旋转，同步轮2(3-7)带动同步轮1(3-2)转动带动法兰联轴器(3-6)转动，法兰联轴器(3-6)与关节摆动碳纤维板(6)固连，关节摆动碳纤维板(6)与可变宽度模块(1)固连，即最终带动可变宽度模块(1)左右摆动；在摆动关节底部有另外一个直流电机经蜗轮蜗杆减速器减速后驱动的同步轮组从而带动可变宽度模块(1)上下摆动，即一个关节模块包括两组蜗轮蜗杆减速电机驱动的同步轮组带动关节抬起碳纤维板(5)与关节摆动碳纤维板(6)实现两个自由度的运动；

每个可变宽度模块(1)与关节抬起碳纤维板(5)与关节摆动碳纤维板(6)固连，同时前后的可变宽度模块(1)分别固连的关节抬起碳纤维板(5)与关节摆动碳纤维板(6)在摆动关节(3)上形成转动副相对转动，即实现各个可变宽度模块(1)的左右与上下摆动；

每个摆动关节(3)通过关节抬起碳纤维板(5)与关节摆动碳纤维板(6)与前后的可变宽度模块(1)通过螺栓固连形成一个大模块后，当多个大模块叠加在一起时，机械臂即可实现多自由度的运动。

2.根据权利要求1所述的狭窄环境下宽度可变操作一体模块机械臂，其特征在于，在附加运动模块(2)运动时，传动轴部件1(4-5)与传动轴部件2(4-6)构成传动副，传动轴部件2(4-6)与传动轴部件3(4-7)构成转动副共同组成传动轴；主轴1(4-1)与主轴2(4-2)分别与传动轴连接轴1(4-3)与传动轴连接轴2(4-4)固连并与传动轴固连最终再与下一个可变宽度模块(1)中的主轴1(4-1)与主轴2(4-2)固连，实现在上下、左右摆动的同时传递动力；即在多个大模块叠加时，实现两个电机分别驱动各个可变宽度模块(1)与各个附加运动模块。

3.根据权利要求1所述的狭窄环境下宽度可变操作一体模块机械臂，其特征在于，机械臂工作时，机械臂一端的可变宽度模块(1)与机架固连，机架与地面固连以固定机械臂，连接机架的大模块即为机械臂最后一节；

在遇到狭窄环境时，控制可变宽度模块(1)将机身收窄；机架与机械臂最后一节的大模块中的可变宽度模块(1)固连，同时机架与地面固连，在遇到无法将机械臂放置指定位置的场景时将机架卸下，将各个附加运动模块相位调整至合适位置水平放置在地面上即利用附加运动模块(1)的联动运动实现自主运动，即独立运动到指定位置进行作业。

4.根据权利要求1所述的狭窄环境下宽度可变操作一体模块机械臂，其特征在于，收窄时，凸轮副轴(1-1)旋转通过绳子牵引滑块轴承(1-5)带动柔性梁滑块(1-6)向内引动，从而使柔性梁(1-3)变形，当运动到一定距离时，柔性梁(1-3)变形力将两侧附加运动模块(2)拉回完成收窄；伸展时，凸轮副轴(1-1)旋转推动滑块轴承(1-5)带动柔性梁滑块(1-6)移动，使柔性梁(1-3)变形，当运动到一定距离时，柔性梁(1-3)变形力将两侧附加运动模块(2)弹出完成伸展。

5.根据权利要求1所述的狭窄环境下宽度可变操作一体模块机械臂，其特征在于，每个大模块中一个摆动关节(3)前后的可变宽度模块(1)各自向上下、左右摆动；整个机身的多个大模块中，每个大模块中可变宽度模块(1)绕着摆动模块(3)摆动任意角度，从而使整个机械臂弯曲成任意形状。

6.根据权利要求1所述的狭窄环境下宽度可变操作一体模块机械臂，其特征在于，机身的大模块数量能够根据需要增加或减少。

7.根据权利要求1所述的狭窄环境下宽度可变操作一体模块机械臂，其特征在于，柔性梁(1-3)一端与柔性梁架(1-2)固连，一端与柔性梁滑块(1-6)固连；轴承盖板(1-4)分别与柔性梁滑块(1-6)与滑块轴承(1-5)固连；收窄时，凸轮副轴(1-1)旋转通过绳子牵引滑块轴承(1-5)带动柔性梁滑块(1-6)向内引动，从而使柔性梁(1-3)变形，当运动到一定距离时，柔性梁(1-3)变形力将两侧附加运动模块(2)迅速拉回完成收窄；伸展时，凸轮副轴(1-1)旋转推动滑块轴承(1-5)带动柔性梁滑块(1-6)移动；从而使从而使柔性梁(1-3)变形，当运动到一定距离时，柔性梁(1-3)变形力将两侧附加运动模块(2)迅速弹出完成伸展。

8.根据权利要求1所述的狭窄环境下宽度可变操作一体模块机械臂，其特征在于，在可变宽度模块(1)上有附加运动模块(2)，附加运动模块(2)采用凸轮连杆机构使尖端沿既定曲线运动。

9.根据权利要求1所述的狭窄环境下宽度可变操作一体模块机械臂，其特征在于，每个大模块之间采用传动轴传动，使可变宽度功能与附加运动功能各自只需一个电机驱动，且保证在机械臂摆动时的传动。

10.根据权利要求1所述的狭窄环境下宽度可变操作一体模块机械臂，其特征在于，在无法人为将机械臂放置指定位置时，可拆下连接在机械臂最后一节上的机架；将机械臂最后一节上的机架水平放置地面，通过附加运动模块的联动可实现独立运动到指定位置进行作业。

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