CN202241311U - 3级伸缩式操作臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及了一种3级伸缩式操作臂，包括伸缩臂、曲臂和末端执行器；末端执行器安装在曲臂的末端，曲臂安装在伸缩臂的末端。伸缩臂具有三级直线自由度；所述伸缩臂包括3级伸缩单元；每一级伸缩单元包括电机、连轴器、安装立板、滚珠导轨、丝杠、以及螺母；滚珠导轨采用壁挂式安装结构。曲臂具有7个旋转自由度，为冗余结构；所述的7个旋转自由度包括1个末端执行器旋转自由度，2个俯仰自由度和4个偏航自由度。本机械臂的工作范围大，负载能力强，操作灵活性高，躲避障碍、回避奇异性能好，可以在较狭窄或拥挤的工作场所中自如的操作。

Description

3级伸缩式操作臂

技术领域

本实用新型涉及一种机器人技术领域，具体涉及一种3级伸缩式操作臂，适合于在异型狭长管道内部作业使用。

背景技术

在特种工业领域(如航空航天领域)，存在着许多异型狭长管道的内表面需要喷涂或焊接，由于这些狭长管道的内表面较为复杂，内部空间极为狭小，技术人员很难进入，必须采用自动化作业设备完成。目前国内外针对在异型狭长管道内壁作业的机械臂研究还非常少，申请号为CN200810209728.X的中国发明专利公开了一种超冗余全方位移动操作臂，该操作臂虽具有冗余自由度，但该操作臂不能在狭长管道内部作业。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是提供一种操作臂，能够结合三级伸缩臂和多关节冗余机械手的优点，使得复合机械臂能够深入狭长管道内部，并适应狭长管道内部异型结构，躲避障碍，解决异型狭长管道内壁的自动喷涂作业等问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本实用新型公开了一种3级伸缩式操作臂，包括伸缩臂、曲臂和末端执行器；末端执行器安装在曲臂的末端，曲臂安装在伸缩臂的末端。安装在基座上的伸缩臂具有三级直线自由度；伸缩臂包括3级伸缩单元；每一级伸缩单元包括电机、连轴器、安装立板、滚珠导轨、丝杠、以及螺母；电机固结在安装立板上，其输出轴通过连轴器连接丝杠，丝杠和螺母构成一个丝杆螺母副，螺母同时连接本伸缩单元的滑块与下一级伸缩单元的安装立板；电机的转动输出转化为螺母沿滚珠导轨的直线运动。曲臂具有7个旋转自由度，为冗余结构，7个旋转自由度包括1个执行器旋转自由度，2个俯仰自由度和4个偏航自由度。

(三)有益效果

本实用新型解决了在异型狭长管道内壁进行自动化作业的难题，具有以下优点：该机械臂同时具有3级伸缩臂和7自由度旋转关节曲臂的功能，3级伸缩臂采用壁挂式安装方式，该曲臂为冗余结构；故该机械臂具有自由度工作范围大，负载能力强，操作灵活性高，躲避障碍、回避奇异性能好，可以在较狭窄或拥挤的工作场所中自如的操作。

附图说明

图1为本实用新型的3级伸缩式操作臂的立体示意图。

图2是本实用新型中3级伸缩臂结构的立体示意图。

图3是本实用新型中曲臂结构和末端执行器的立体示意图。

图4是本实用新型的3级伸缩式操作臂的主视图。

图5是本实用新型的3级伸缩式操作臂的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不能用来限制本实用新型的范围。

图1为本实用新型的三级伸缩式操作臂的立体示意图，该操作臂由末端执行器1、曲臂2和伸缩臂3组成，伸缩臂3具有3级直线自由度，曲臂2采用旋转关节，具有7级旋转自由度。所述末端执行器1为作业工具，安装在旋转关节式曲臂2的末端。所述旋转关节式曲臂2安装在伸缩臂3的末端处，所述伸缩臂3可以作为一个模块安装在基座上。采用3级伸缩臂和旋转关节式曲臂复合形式的理由如下：3级伸缩臂可将曲臂和末端执行器运送到管道的内部，而旋转关节式曲臂可以进一步适应异型管道内部的环境。

本结构的伸缩臂3具有3个平动伸缩单元(如图2中4、5和6所示)，并且所述3个平动伸缩单元具有相同方向的自由度，其目的是将曲臂2和末端执行器1运送较远距离，能够深入到狭长管道的内部。由于伸缩臂3在完全伸展后有近10米之长，伸缩臂3所受弯矩较大，因而，需要提高多级伸缩臂3的抗弯能力。本实用新型中采用两种措施来提高多级伸缩臂3的抗弯能力，其一是增大靠近基座部分伸缩杆的截面面积；其二是直线滚珠导轨采用壁挂式安装结构。所谓壁挂式安装结构即每一级滚珠导轨安装在上一级滚珠导轨上面，相对于常见的水平布局方式来说能明显提高导轨的刚度，提高3级伸缩臂的刚度，故该机构能够实现大行程、高刚度的直线伸缩运动。所述壁挂式结构的每一级伸缩单元主要包括电机7、连轴器8、安装立板9、滚珠导轨9a、丝杠10、以及螺母11等组成，电机7通过连轴器8连接丝杠10，通过丝杠10和螺母11组成的机构，将电机7的转动输出转化为螺母11沿滚珠导轨9a的直线运动。伸缩单元采用丝杠和螺母将电机的转动输出转变为直线运动，从而实现伸缩运动。螺母同时连接本伸缩单元的滑块与下一级伸缩单元的安装立板12，进而可实现3级伸缩机构的级联。

对于机械操作臂，自由度可分为两类：平移自由度和旋转自由度；当机械操作臂的独立自由度数目超过6个，则称该机械操作臂为冗余自由度操作臂。

所述曲臂具有7个旋转自由度，如图3所示，为冗余结构，目的是使得操作臂具有较高的灵活性，能够在狭长异型管道内躲避障碍，避免干涉和碰撞，特别适合在异型长管内部作业(如喷涂、焊接等)。所述7个旋转自由度的配置如下：自由度13为喷枪旋转自由度，使末端执行器绕机器人手腕轴线转动；自由度14、15、16和17可以实现末端执行器沿异型长管竖直运动的功能；自由度18和19可以实现末端执行器沿管道横向移动的功能。竖直面旋转自由度14、15、16和17与水平面回转自由度18和19以及伸缩臂的伸缩动作的结合可以使机器人实现任意曲面的作业。

以上所述仅为本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种3级伸缩式操作臂，包括伸缩臂(3)、曲臂(2)和末端执行器(1)，所述末端执行器(1)安装在所述曲臂(2)的末端，所述曲臂(2)安装在所述伸缩臂(3)的末端；其特征在于：安装在基座上的所述伸缩臂(3)具有三级直线自由度，其包括3级伸缩单元；每一级伸缩单元包括电机(7)、连轴器(8)、安装立板(9)、滚珠导轨(9a)、丝杠(10)、以及螺母(11)；所述电机(7)固结在所述安装立板(9)上，其输出轴通过所述连轴器(8)连接所述丝杠(10)，所述丝杠(10)和所述螺母(11)构成一个丝杆螺母副，所述螺母(11)同时连接本伸缩单元的滑块与下一级伸缩单元的安装立板(12)；所述电机(7)的转动输出转化为所述螺母(11)沿所述滚珠导轨(9a)的直线运动。

2.根据权利要求1所述的操作臂，其特征在于：所述曲臂具有7个旋转自由度。

3.根据权利要求2所述的操作臂，其特征在于：所述的7个选择自由度包括1个末端执行器旋转自由度(13)，2个俯仰自由度(18、19)和4个偏航自由度(14、15、16、17)。

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