CN117644501A - 一种面向狭小空间灵巧操作的可折叠绳牵引并联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，且公开了一种面向狭小空间灵巧操作的可折叠绳牵引并联机器人，包括中段车身、前段车身、后段车身以及绳驱机械臂，所述中段车身的一端与前段车身活动连接，所述中段车身的一端与后段车身活动连接，所述前段车身的另一端与绳驱机械臂固定安装。该一种面向狭小空间灵巧操作的可折叠绳牵引并联机器人，具有高灵活性和柔韧性，相较于传统的刚性机械臂，具有质量轻、转动惯量低、运动灵活的特点，可以通过改变自身的形状，实现在狭窄的空间内灵活地变形与移动，由于其具有柔性骨架的结构特性，在狭窄空间内操作的过程中，能够保证与环境交互的安全性，适合应用于狭小空间内工业机器人等领域。

Description

一种面向狭小空间灵巧操作的可折叠绳牵引并联机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体为一种面向狭小空间灵巧操作的可折叠绳牵引并联机器人。

背景技术

工业机器人已被越来越多地替代人类重复性劳动，并取得了很好的效果。但随着机器人在各个领域的应用越来越广泛，在制造业和社会服务领域的部分应用场合，对机器人作业提出了更高的要求，传统的刚性机器人由于驱动装置(包括电机、减速器等)安装于机器人关节处，导致整体机构笨重，且连杆为刚性结构，对人类安全形成了潜在威胁，此外，机器人本体刚度大且难于实现柔顺控制，导致其不能很好地适应环境。而现有的柔性机器人研究大多是采用流体、凝胶、形状记忆等材料，使机器人能够在气压、电流、磁场等外部输入的控制下实现大幅度的拉伸收缩，但是由于机器人的柔顺性和高精度本身是一对矛盾体，大应变的同时必然会导致机器人的控制精度变差。由于以上原因，柔性机器人及其驱动是工业机器人与智能制造领域的研究热点。

为此，我们提出一种面向狭小空间灵巧操作的可折叠绳牵引并联机器人。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供如下技术方案：一种面向狭小空间灵巧操作的可折叠绳牵引并联机器人，包括中段车身、前段车身、后段车身以及绳驱机械臂，所述中段车身的一端与前段车身活动连接，所述中段车身的一端与后段车身活动连接，所述前段车身的另一端与绳驱机械臂固定安装。

优选的，所述中段车身包括转动固定端，所述转动固定端的两端固定安装有第一云台电机，所述第一云台电机的另一端固定安装有位于转动固定端两端的周向转动端面，所述周向转动端面的另一侧固定安装有第二云台电机。

优选的，所述第一云台电机与转动固定端同轴线设置，所述第二云台电机与第一云台电机的轴线相互垂直，两个所述第二云台电机的另一端分别与前段车身以及后段车身固定安装。

优选的，所述前段车身以及后段车身包括与第二云台电机固定安装的车身架，所述车身架的两侧转动连接有轮支架，所述轮支架的中部贯穿滑动连接有滑杆，所述轮支架末端的内部固定安装有双出轴减速电机，所述双出轴减速电机的输出端固定安装有位于轮支架末端的轮胎组件，所述车身架的内部设置有驱动轮支架的绳索变径机构。

优选的，所述前段车身的车身架固定安装有若干机械臂驱动电机，所述机械臂驱动电机的输出端固定安装有机械臂驱动绞盘，所述机械臂驱动绞盘收卷有与绳驱机械臂连接设置的绳索，所述前段车身的车身架的外部通过深沟球滚珠轴承固定安装有定滑轮。

优选的，所述绳索变径机构包括与车身架外部固定安装的自锁器驱动电机，以及与车身架内部固定安装的绞盘电机，所述自锁器驱动电机的输出端固定安装有第二绞盘，所述第二绞盘的外周面收卷有第三绳索，所述绞盘电机的输出端固定安装有转轴，所述转轴的外周面固定安装有并排设置的两个第一绞盘，两个所述第一绞盘的外周面分别绕卷有第一绳索以及第二绳索。

优选的，所述车身架的内部转动连接有凸轮自锁器，两个所述凸轮自锁器对称设置在转轴的两侧，两个所述凸轮自锁器与车身架转动连接处设置有扭力弹簧，所述第三绳索的另一端贯穿车身架开设的方孔与凸轮自锁器的一侧固定安装，所述车身架的内部一体连接有位于凸轮自锁器一侧的挡板。

优选的，所述第一绳索的另一端与轮支架外侧开设的绳扣固定安装，所述第一绳索的中部贯穿凸轮自锁器与挡板的中部，所述第二绳索的另一端与滑杆的中部捆绑固定。

优选的，与两个所述轮支架固定安装的两根第一绳索在同一个第一绞盘上的所绕组的方向相反，所述第一绳索与第二绳索在两个第一绞盘上的绕组相反。

优选的，所述绳驱机械臂包括三组万向节转动组件以及弹簧，所述万向节转动组件包括前转动端面、十字万向节转动副以及后转动端面，所述前转动端面的一侧通过十字万向节转动副与后转动端面转动连接，一个所述万向节转动组件的后转动端面与前段车身的车身架固定安装，三个所述万向节转动组件的前转动端面以及后转动端面依次被与机械臂驱动绞盘收卷的绳子穿孔串联。

有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种面向狭小空间灵巧操作的可折叠绳牵引并联机器人，具备以下有益效果：

1、该一种面向狭小空间灵巧操作的可折叠绳牵引并联机器人，通过设置绳驱机械臂，而绳驱机械臂具有尺寸小、结构简单、成本低等优点，同时具有六个自由度，相比与传统的机械臂，有更强的灵活性，通过把驱动电机以及传动机构后置在小车驱动箱，极大地减小了机械臂的质量和直径，能够在复杂，曲折的狭小空间下工作。

2、该一种面向狭小空间灵巧操作的可折叠绳牵引并联机器人，通过设置轮支架，并通过绳索变径机构控制轮支架的开合角度，支撑轮胎组件与管壁滚动接触，使得机器人可在竖直、水平等多种安装方式的管道内前进，且能在管道内做出转向、直行等运动方式，可以适用于有多条路径的管道，因其灵活的转向与对不同管道的适应，能够更好的适应不同尺寸管道的前进，且行进过程遇到垂直管道，可以通过中间转动副和可伸缩驱动轮机构，做到竖直前进，在需要寻路的场合也可发挥效果，能在复杂的场合工作，有很强的泛用性。

3、该一种面向狭小空间灵巧操作的可折叠绳牵引并联机器人，通过设置中段车身、前段车身、后段车身以及绳驱机械臂，可以使机器人本身的多种电机远离机器人安装的执行机构，通过合理的排布，可以减少机体的惯量，提升动态性能和提高机体稳定性能，而且通过多种绳索进行驱动，线驱动排布灵活，机体内部空间占用少，可以使机器人更紧凑，同时，多种驱动电机外置，便于电机的维护与安装，凸轮自锁器的引入，可以使驱动轮张开到工作位置时实现自锁。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的中段车身的结构示意图；

图3为本发明的前段车身的结构示意图一；

图4为本发明的图3中A处的放大图；

图5为本发明的前段车身的结构示意图二；

图6为本发明的绳索变径机构的结构示意图；

图7为本发明的绳驱机械臂的结构示意图。

图中：1、中段车身；11、转动固定端；12、第一云台电机；13、周向转动端面；14、第二云台电机；2、前段车身；21、车身架；22、轮支架；23、轮胎组件；24、机械臂驱动电机；25、机械臂驱动绞盘；26、绳索变径机构；261、自锁器驱动电机；262、第二绞盘；263、第三绳索；264、绞盘电机；265、转轴；266、第一绞盘；267、第二绳索；268、凸轮自锁器；269、第一绳索；27、滑杆；28、双出轴减速电机；29、定滑轮；3、后段车身；4、绳驱机械臂；41、前转动端面；42、十字万向节转动副；43、后转动端面；44、弹簧。

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。

请参阅图1至图7，一种面向狭小空间灵巧操作的可折叠绳牵引并联机器人，包括中段车身1、前段车身2、后段车身3以及绳驱机械臂4，中段车身1的一端与前段车身2活动连接，中段车身1的一端与后段车身3活动连接，前段车身2的另一端与绳驱机械臂4固定安装，通过设置中段车身1、前段车身2、后段车身3以及绳驱机械臂4，可以使机器人本身的多种电机远离机器人安装的执行机构，通过合理的排布，可以减少机体的惯量，提升动态性能和提高机体稳定性能，而且通过多种绳索进行驱动，线驱动排布灵活，机体内部空间占用少，可以使机器人更紧凑，同时，多种驱动电机外置，便于电机的维护与安装，凸轮自锁器268的引入，可以使驱动轮张开到工作位置时实现自锁。

作为本发明的一种实施方式，中段车身1包括转动固定端11，转动固定端11的两端固定安装有第一云台电机12，第一云台电机12的另一端固定安装有位于转动固定端11两端的周向转动端面13，周向转动端面13的另一侧固定安装有第二云台电机14。

作为本发明的一种实施方式，第一云台电机12与转动固定端11同轴线设置，第二云台电机14与第一云台电机12的轴线相互垂直，两个第二云台电机14的另一端分别与前段车身2以及后段车身3固定安装。

作为本发明的一种实施方式，前段车身2以及后段车身3包括与第二云台电机14固定安装的车身架21，车身架21的两侧转动连接有轮支架22，轮支架22的中部贯穿滑动连接有滑杆27，轮支架22末端的内部固定安装有双出轴减速电机28，双出轴减速电机28的输出端固定安装有位于轮支架22末端的轮胎组件23，车身架21的内部设置有驱动轮支架22的绳索变径机构26。

作为本发明的一种实施方式，前段车身2的车身架21固定安装有若干机械臂驱动电机24，机械臂驱动电机24的输出端固定安装有机械臂驱动绞盘25，机械臂驱动绞盘25收卷有与绳驱机械臂4连接设置的绳索，前段车身2的车身架21的外部通过深沟球滚珠轴承固定安装有定滑轮29。

作为本发明的一种实施方式，绳索变径机构26包括与车身架21外部固定安装的自锁器驱动电机261，以及与车身架21内部固定安装的绞盘电机264，自锁器驱动电机261的输出端固定安装有第二绞盘262，第二绞盘262的外周面收卷有第三绳索263，绞盘电机264的输出端固定安装有转轴265，转轴265的外周面固定安装有并排设置的两个第一绞盘266，两个第一绞盘266的外周面分别绕卷有第一绳索269以及第二绳索267。

作为本发明的一种实施方式，车身架21的内部转动连接有凸轮自锁器268，两个凸轮自锁器268对称设置在转轴265的两侧，两个凸轮自锁器268与车身架21转动连接处设置有扭力弹簧44，第三绳索263的另一端贯穿车身架21开设的方孔与凸轮自锁器268的一侧固定安装，车身架21的内部一体连接有位于凸轮自锁器268一侧的挡板。

作为本发明的一种实施方式，第一绳索269的另一端与轮支架22外侧开设的绳扣固定安装，第一绳索269的中部贯穿凸轮自锁器268与挡板的中部，第二绳索267的另一端与滑杆27的中部捆绑固定。

作为本发明的一种实施方式，与两个轮支架22固定安装的两根第一绳索269在同一个第一绞盘266上的所绕组的方向相反，第一绳索269与第二绳索267在两个第一绞盘266上的绕组相反，通过设置轮支架22，并通过绳索变径机构26控制轮支架22的开合角度，支撑轮胎组件23与管壁滚动接触，使得机器人可在竖直、水平等多种安装方式的管道内前进，且能在管道内做出转向、直行等运动方式，可以适用于有多条路径的管道，因其灵活的转向与对不同管道的适应，能够更好的适应不同尺寸管道的前进，且行进过程遇到垂直管道，可以通过中间转动副和可伸缩驱动轮机构，做到竖直前进，在需要寻路的场合也可发挥效果，能在复杂的场合工作，有很强的泛用性。

作为本发明的一种实施方式，绳驱机械臂4包括三组万向节转动组件以及弹簧44，万向节转动组件包括前转动端面41、十字万向节转动副42以及后转动端面43，前转动端面41的一侧通过十字万向节转动副42与后转动端面43转动连接，一个万向节转动组件的后转动端面43与前段车身2的车身架21固定安装，三个万向节转动组件的前转动端面41以及后转动端面43依次被与机械臂驱动绞盘25收卷的绳子穿孔串联，通过设置绳驱机械臂4，而绳驱机械臂4具有尺寸小、结构简单、成本低等优点，同时具有六个自由度，相比与传统的机械臂，有更强的灵活性，通过把驱动电机以及传动机构后置在小车驱动箱，极大地减小了机械臂的质量和直径，能够在复杂，曲折的狭小空间下工作。

需要说明的是，使用时，

当要变大直径时，绞盘电机264正转，第一绳索269拉着轮支架22外扩，顺着凸轮自锁器268的非自锁方向回收绕卷到一个第一绞盘266上，另一个第一绞盘266绕卷的第二绳索267放松，轮胎组件23到达所要的直径时，绞盘电机264停转，轮胎组件23由于重力的作用有收缩趋势，会把第一绳索269顺着凸轮自锁器268的自锁方向收缩，从而使得凸轮自锁器268卡住第一绳索269，当第一绳索269的拉力越来越大时，凸轮自锁器268在扭力弹簧44和第一绳索269的驱动下也会越来越紧，增大第一绳索269的摩擦力，并阻止第一绳索269的收缩，从而实现自锁；当要减小直径时，绞盘电机264反转，同时自锁器驱动电机261所连接的第三绳索263拉动凸轮自锁器268，使凸轮自锁器268失去自锁功能，第二绳索267拉着轮支架22内收，第一绳索269放松，到达所要的直径时，绞盘电机264停转，同时自锁器驱动电机261停止工作，凸轮自锁器268在扭力弹簧44的作用下回到自锁的工作位置，卡住第一绳索269，实现自锁；

当机器人在行进过程中遇到管道要转弯时，绳索变径机构26动作使前段车身2的轮胎组件23收回，然后中段车身1的第二云台电机14会带动前段车身2进行对应角度的转弯，当前段车身2完全通过弯道时，绳索变径机构26动作驱动前轮胎组件23张开到工作位置，然后，后段车身3的轮胎组件23收回，前段车身2在轮胎组件23的驱动下再往前行进，后段车身3就会顺着管道完成转弯动作，最后再把后段车身3的轮胎组件23打开至工作位置；

当机器人遇到竖直管道时，前段车身2的绳索变径机构26会把轮胎组件23收回，然后中段车身1的第一云台电机12和第二云台电机14会带动前段车身2进行对应角度的转弯，前段车身2到达竖直方向时，前段车身2的轮胎组件23张开，其张开角度要稍大于水平运动所张开的角度，以增大轮子和管道的摩檫力；

当机器人到达工作位置时，前后两组轮胎组件23会锁死，保持工作位置的稳定性或者为了防止机器人在操作时发生意外移动，安装在前端车身的绳驱机械臂4由机械臂驱动电机24驱动机械臂驱动绞盘25收缩绳子，使得前转动端面41以及后转动端面43围绕十字万向节转动副42进行转动，进而对管道进行清洁，当机械臂驱动绞盘25收缩绳子时，绳驱机械臂4可以向管道内部移动，执行清洁任务，相反，当机械臂驱动绞盘25松开绳子时，绳驱机械臂4可以回到初始位置或者移动到下一个清洁点。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种面向狭小空间灵巧操作的可折叠绳牵引并联机器人，包括中段车身(1)、前段车身(2)、后段车身(3)以及绳驱机械臂(4)，其特征在于：所述中段车身(1)的一端与前段车身(2)活动连接，所述中段车身(1)的一端与后段车身(3)活动连接，所述前段车身(2)的另一端与绳驱机械臂(4)固定安装。

2.根据权利要求1所述的一种面向狭小空间灵巧操作的可折叠绳牵引并联机器人，其特征在于：所述中段车身(1)包括转动固定端(11)，所述转动固定端(11)的两端固定安装有第一云台电机(12)，所述第一云台电机(12)的另一端固定安装有位于转动固定端(11)两端的周向转动端面(13)，所述周向转动端面(13)的另一侧固定安装有第二云台电机(14)。

3.根据权利要求2所述的一种面向狭小空间灵巧操作的可折叠绳牵引并联机器人，其特征在于：所述第一云台电机(12)与转动固定端(11)同轴线设置，所述第二云台电机(14)与第一云台电机(12)的轴线相互垂直，两个所述第二云台电机(14)的另一端分别与前段车身(2)以及后段车身(3)固定安装。

4.根据权利要求3所述的一种面向狭小空间灵巧操作的可折叠绳牵引并联机器人，其特征在于：所述前段车身(2)以及后段车身(3)包括与第二云台电机(14)固定安装的车身架(21)，所述车身架(21)的两侧转动连接有轮支架(22)，所述轮支架(22)的中部贯穿滑动连接有滑杆(27)，所述轮支架(22)末端的内部固定安装有双出轴减速电机(28)，所述双出轴减速电机(28)的输出端固定安装有位于轮支架(22)末端的轮胎组件(23)，所述车身架(21)的内部设置有驱动轮支架(22)的绳索变径机构(26)。

5.根据权利要求4所述的一种面向狭小空间灵巧操作的可折叠绳牵引并联机器人，其特征在于：所述前段车身(2)的车身架(21)固定安装有若干机械臂驱动电机(24)，所述机械臂驱动电机(24)的输出端固定安装有机械臂驱动绞盘(25)，所述机械臂驱动绞盘(25)收卷有与绳驱机械臂(4)连接设置的绳索，所述前段车身(2)的车身架(21)的外部通过深沟球滚珠轴承固定安装有定滑轮(29)。

6.根据权利要求4所述的一种面向狭小空间灵巧操作的可折叠绳牵引并联机器人，其特征在于：所述绳索变径机构(26)包括与车身架(21)外部固定安装的自锁器驱动电机(261)，以及与车身架(21)内部固定安装的绞盘电机(264)，所述自锁器驱动电机(261)的输出端固定安装有第二绞盘(262)，所述第二绞盘(262)的外周面收卷有第三绳索(263)，所述绞盘电机(264)的输出端固定安装有转轴(265)，所述转轴(265)的外周面固定安装有并排设置的两个第一绞盘(266)，两个所述第一绞盘(266)的外周面分别绕卷有第一绳索(269)以及第二绳索(267)。

7.根据权利要求6所述的一种面向狭小空间灵巧操作的可折叠绳牵引并联机器人，其特征在于：所述车身架(21)的内部转动连接有凸轮自锁器(268)，两个所述凸轮自锁器(268)对称设置在转轴(265)的两侧，两个所述凸轮自锁器(268)与车身架(21)转动连接处设置有扭力弹簧(44)，所述第三绳索(263)的另一端贯穿车身架(21)开设的方孔与凸轮自锁器(268)的一侧固定安装，所述车身架(21)的内部一体连接有位于凸轮自锁器(268)一侧的挡板。

8.根据权利要求7所述的一种面向狭小空间灵巧操作的可折叠绳牵引并联机器人，其特征在于：所述第一绳索(269)的另一端与轮支架(22)外侧开设的绳扣固定安装，所述第一绳索(269)的中部贯穿凸轮自锁器(268)与挡板的中部，所述第二绳索(267)的另一端与滑杆(27)的中部捆绑固定。

9.根据权利要求8所述的一种面向狭小空间灵巧操作的可折叠绳牵引并联机器人，其特征在于：与两个所述轮支架(22)固定安装的两根第一绳索(269)在同一个第一绞盘(266)上的所绕组的方向相反，所述第一绳索(269)与第二绳索(267)在两个第一绞盘(266)上的绕组相反。

10.根据权利要求5所述的一种面向狭小空间灵巧操作的可折叠绳牵引并联机器人，其特征在于：所述绳驱机械臂(4)包括三组万向节转动组件以及弹簧(44)，所述万向节转动组件包括前转动端面(41)、十字万向节转动副(42)以及后转动端面(43)，所述前转动端面(41)的一侧通过十字万向节转动副(42)与后转动端面(43)转动连接，一个所述万向节转动组件的后转动端面(43)与前段车身(2)的车身架(21)固定安装，三个所述万向节转动组件的前转动端面(41)以及后转动端面(43)依次被与机械臂驱动绞盘(25)收卷的绳子穿孔串联。