CN206200961U - 刚柔混联的横向缩放式柔性机械臂 - Google Patents

Abstract

一种刚柔混联的横向缩放式柔性机械臂，它包括机座、末端执行器以及连接它们的多个结构相同的依次串联的驱动单元，所述的驱动单元由具有柔性特征的气动肌腱和具有刚性特征的轻质连杆支架混联而成；连杆支架通过迷你气缸驱动，够实现缩放变换和连接支撑作用，带动与连杆支架相连的三根气动肌腱一起运动，从而实现驱动单元的粗细变换；气动肌腱两端均连接在连杆支架上，能够实现弯曲和伸缩运动。本实用新型能够同时实现伸缩运动、粗细变换和各向弯曲运动，机动性好，在与人交互的过程中安全性高，既保证了较高的弯曲柔软程度和良好的柔顺性，又提高了柔性机械臂的环境适应能力。

Description

刚柔混联的横向缩放式柔性机械臂

技术领域

本实用新型属于机器人领域，特别涉及一种机械臂。

背景技术

1962年，由美国Unimation公司设计生产的第一台工业机器人Unimate在通用汽车公司投入使用，标志着第一代机器人的诞生。随后的几十年里，随着计算机技术、制造技术、传感器、控制技术的发展，机器人的性能在大幅度提高，深入到人类的多个领域，在今后机器人将继续沿着横向和纵向发展。横向上，应用的范围越来越广。从空间上看机器人正从地面向太空、深海、地下扩展，从各个领域上讲，机器人将深入到工业、军事、航空、娱乐、服务；纵向上，机器人的种类将越来越多。微型机器人将会成为机器人的新秀，它能进入人体直接对细胞、病毒进行操作。总之，机器人将会变得更加智能，对人类的贡献越来越大。

机械臂是机器人的一种，传统的机械臂均为刚性连杆组成，通常有串联、并联或串并混联三种结构。这类机械臂的特点是具有离散关节和刚性连接，还有一类基于章鱼臂、象鼻等生物器官仿生的连续体机械臂。由于连续体机械臂可在任意部位产生柔性变形，所以具有很强的避障能力，能够更好的适应非结构环境，更好的抓取不规则物体。这类机械臂既可以像传统机械臂那样在末端装上夹持装置抓取物体，也可以利用机械臂本身卷起物体。从这类机械臂的结构上看，其功能强大，具有良好的柔顺性和适应性；从这类机器人的应用角度看，这些机械臂的操作对象往往是一些柔软、脆弱且有生命的目标，而传统的机械臂则不容易做到。

1995年，Immega等设计制作的KSI触手型机械手，该机械手主要有气囊、伺服电机、6根绳索组成，采用柔绳和气体混合驱动；2001年，Hannan和Walker等人研发了超冗余度象鼻型机器人，该机器人由16个2自由度U型关节组成,总长82.32cm,可被分为长度不等的4个部分,其中每个部分包括4个关节。每个关节由绳索与弹簧混合实现混合控制；2003年,Peirs等人研制了一种用于内窥镜机器人外科手术的柔性弯曲关节段。该连续机器人由微机电超弹性NiTi合金管构成,采用4根肌腱驱动,具有2个自由度,可在任意反方向弯曲90度；2007年,Harada等人研制了一种可弯曲的激光操作手,该操作手最大直径2.4mm,可向任意方向弯曲,最大弯曲角度为90度；2011年,德国费斯托公司研制根据大象鼻子的特点设计出来的新型仿生机器处理系统“仿生操作助手”,它可以平稳地搬运重负载,原理在于它的每一节椎骨可以通过气囊的压缩和充气进行扩展和收缩；2014年，中国专利CN203804991U,公开了一种弹簧线控柔性象鼻机械臂，该实用新型包括安装在机座上的多段串联的关节，其中串联的关节中第一关节的一端固定在机座上，第一关节的另一端和第二关节的一端固定连接在一起，其后依次类推，机座上固定有弹性支柱和驱动单元，驱动单元上有驱动弹簧，所述串联关节固定在弹性支柱上，并且驱动弹簧穿过串联关节。

以上所提到的这些类柔性机械臂按照驱动方式划分，可以分为三类：内驱动型、外驱动型和混合型。内驱动型一般采用波纹管内充流体驱动的方式，外驱动型采用轻质连续体加远程驱动的方式,混合型驱动是综合采纳了内、外两种驱动的混合方案。外驱动或混合驱动型方案中的轻质连续体的可能用弹性杆作为脊椎或用圆柱弹簧实现无脊椎。目前，这些类柔性机械臂都能实现弯曲，有一些可以实现伸缩，但能同时实现弯曲、伸缩和粗细变化柔性机械臂很少，在一些应用场合粗细变换能够提高机械臂的环境适应能力，比如在通过狭小的空间时我们需要较细的机械臂，在利用机械臂本身卷起某些物体时，适当的变粗机械臂能增大机械臂和物体的接触面积，从而使机械臂更牢固的卷住物体。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种能够同时实现伸缩运动、粗细变换和各向弯曲运动、机动性好的刚柔混联的横向缩放式柔性机械臂。

本实用新型包括机座、末端执行器以及连接它们的多个依次串联的驱动单元，其中所述驱动单元的一端通过连杆支架上的连接盘固定在机座上，其另一端与另一个驱动单元的一端通过连杆支架连接；同样，另一个驱动单元的另一端与第三个驱动单元的一端通过连杆支架连接,依次与其它驱动单元连接，直至需要的长度，最后一个驱动单元的另一端通过连杆支架上的连接盘与末端执行器连接，用来抓取目标物体。

所述驱动单元包括柔性部分和连杆支架，所述连杆支架主要包括三个上连杆、三个下连杆、迷你气缸、上销轴、下销轴、螺母、上连接架、下连接架、三个中部销轴、二个滑杆、二个滑筒；所述上连接架和下连接架结构相同，它们均为中间带有圆形通孔并且沿连接架圆周均设三对耳座的结构形式，上连接架固定在迷你气缸的活塞杆上，下连接架固定在迷你气缸缸体上；三个上连杆的一端分别通过上销轴与上连接架上的三对耳座相连，构成三个转动副，其另一端分别通过中部销轴与三个下连杆的一端以及两个滑筒的末端和一个滑杆的末端连接，构成三个转动副；三个下连杆的另一端分别通过下销轴与下连接架上的三对耳座连接，构成三个转动副；所述两个滑筒分别与两个滑杆套接，组成圆柱副，上述两个滑筒的末端均设有与圆柱形滑道中轴线垂直的带有内螺纹的套筒，上述一个滑杆的末端设有与圆柱形杆体的中轴线垂直的带有内螺纹的套筒。

所述柔性部分包括三根结构相同的气动肌腱，三根气动肌腱横向成三角形布置，其中两个气动肌腱的两端通过端部螺纹分别固定在相邻的两个连杆支架的滑筒的套筒内，另外一个气动肌腱三的两端通过端部螺纹分别固定在相邻的两个连杆支架的滑杆的套筒内。

通过迷你气缸的气缸杆的伸长带动连杆支架收拢，使两个滑筒和一个滑杆的套筒的中轴线之间的距离减小，从而带动三个气动肌腱向内收拢，实现单个驱动单元的由粗到细的变换；同样，迷你气缸的气缸杆缩短时是单个驱动单元由细到粗的变换。

与机座连接的连杆支架的一端，迷你气缸的缸体固定在下连接盘中心，三对耳座沿圆周方向均布在法兰盘上，下连杆一、下连杆二和下连杆三的另一端分别通过下销轴与三对耳座连接构成三个转动副。

与末端执行器连接的连杆支架的一端，上连接盘通过螺母固定在迷你气缸的活塞杆上，三对耳座沿圆周方向均布在法兰盘上，上连杆一、上连杆二和上连杆三的一端分别通过上销轴与三对耳座连接构成三个转动副。

所述上连杆、螺母、上连接架、下连接架、下连杆、下连接盘、上连接盘，均为铝合金材质，所有销轴部件均为钢质材料。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

能够同时实现伸缩运动、粗细变换和各向弯曲运动，机动性好，在与人交互的过程中安全性高，既保证了较高的弯曲柔软程度和良好的柔顺性，又提高了柔性机械臂的环境适应能力。

附图说明

图1为本实用新型的整体效果图。

图2为本实用新型最粗和最细状态对比图。

图3为本实用新型的驱动单元示意图(最粗状态)。

图4为本实用新型的驱动单元示意图(最细状态)。

图5为本实用新型驱动单元的连杆支架示意图(最粗状态)。

图6为本实用新型驱动单元的连杆支架示意图(最细状态)。

图7为本实用新型连接机座的连杆支架的示意图。

图8为本实用新型连接末端执行器的连杆支架示意图。

图中：1-第一级驱动单元、2-第二级驱动单元、3-第三级驱动单元、4-末端执行器、5-机座、6-气动肌腱一、7-气动肌腱二、8-气动肌腱三、9-上连杆一、10-迷你气缸、11-上销轴、12-螺母、13-上连接架、14-上连杆二、15-中部销轴二、16-下连杆二、17-滑杆二、18-滑筒二、19-上连杆三、20-中部销轴三、21-下连杆三、22-滑杆一、23-下销轴、24-下连接架、25-滑筒一、26-下连杆一、27-中部销轴一、28-下连接盘、29-上连接盘。

具体实施方式

在图1和图2所示的刚柔混联的横向缩放式柔性机械臂示意图中，第一级驱动单元1的一端通过连杆支架固定在机座5上，其另一端与第二级驱动单元2的一端通过连杆支架连接，第二级驱动单元的另一端与第三级驱动单元3的一端通过连杆支架连接，第三级驱动单元的另一端通过连杆支架的与末端执行器4连接，用来抓取目标物体。

如图3和图5所示，所述驱动单元包括柔性部分和连杆支架，所述连杆支架中的上连接架13和下连接架24结构相同，它们均为中间带有圆形通孔并且沿连接架圆周均设三对耳座的结构形式，上连接架通过螺母12固定在迷你气缸10的活塞杆上，下连接架固定在迷你气缸的缸体上；上连杆一9、上连杆二14、上连杆三19的一端分别通过上销轴11与上连接架上的三对耳座相连，构成三个转动副，上连杆一的另一端与滑筒一25的末端和下连杆一26的一端通过中部销轴一27连接，构成一个转动副，上连杆三的另一端与滑筒二18的末端和下连杆三21的一端通过中部销轴三20连接，构成一个转动副，上连杆二的另一端与滑杆二17的末端和下连杆二16的一端通过中部销轴二15连接，构成一个转动副；下连杆一、下连杆二和下连杆三的另一端分别通过下销轴23与下连接架上的三对耳座连接，构成三个转动副；滑筒一和滑筒二分别与滑杆一22和滑杆二套接，组成圆柱副，上述的滑筒一和滑筒二末端均设有与圆柱形滑道中轴线垂直的带有内螺纹的套筒，上述滑杆二的末端设有与圆柱形杆体的中轴线垂直的带有内螺纹的套筒。

所述柔性部分的三根气动肌腱横向成三角形布置，其中气动肌腱一6和气动肌腱二7的两端分别固定在相邻的两个连杆支架的滑筒一和滑筒二的套筒内，气动肌腱三8的两端分别固定在相邻的两个连杆支架的滑杆二的套筒内。

气动肌腱一、气动肌腱二和气动肌腱三为一端带径向气接口的气动肌腱，气动肌腱的充放气过程的气体都经过此径向气接口。三个气动肌腱可以作为三个分支，气动肌腱自身具有柔性，无需添加其它的运动副便能实现自身弯曲，并且三根气动肌腱组成的三个分支可以通过自身的充放气实现伸缩运动，三个分支相互耦合能够实现驱动单元整体的伸缩和各向弯曲运动。

如图4和图6所示，通过迷你气缸的气缸杆的伸长带动连杆支架收拢，使滑筒一、滑筒二和滑杆二的中轴线之间的距离减小，从而带动三个气动肌腱向内收拢，实现单个驱动单元的由粗到细的变换；同样，迷你气缸的气缸杆缩短时是单个驱动单元由细到粗的变换。通过每个驱动单元的粗细变换，从而实现整个机械臂的粗细变换。

如图7所示，与机座连接的连杆支架的一端，迷你气缸的缸体固定在下连接盘28中心，三对耳座沿圆周方向均布在法兰盘上，下连杆一、下连杆二和下连杆三的另一端分别通过下销轴与耳座连接构成三个转动副，其它部件和连接方式与图5所示的连杆支架相同。

如图8所示，与末端执行器连接的连杆支架的一端，上连接盘29通过螺母固定在迷你气缸的活塞杆上，三对耳座沿圆周方向均布在法兰盘上，上连杆一、上连杆二和上连杆三的一端分别通过上销轴与耳座连接构成三个转动副，其它部件和连接方式与图5所示的连杆支架相同。

所述三个上连杆、螺母、上连接架、下连接架、三个下连杆、下连接盘、上连接盘、两个滑筒和两个滑杆均为铝合金材质，所有销轴均为钢质材料。

Claims (2)

1.一种刚柔混联的横向缩放式柔性机械臂，它包括机座、末端执行器以及连接它们的多个依次串联的驱动单元，其中所述驱动单元的一端通过连杆支架上的连接盘固定在机座上，其另一端与另一个驱动单元的一端通过连杆支架连接；同样，另一个驱动单元的另一端与第三个驱动单元的一端通过连杆支架连接；依次与其它驱动单元连接，直至需要的长度，最后一个驱动单元的另一端通过连杆支架上的连接盘与末端执行器连接，用来抓取目标物体，其特征在于：所述驱动单元包括柔性部分和连杆支架，所述连杆支架主要包括三个上连杆、三个下连杆、迷你气缸、上销轴、下销轴、螺母、上连接架、下连接架、三个中部销轴、二个滑杆、二个滑筒、二个滑杆；所述上连接架和下连接架结构相同，它们均为中间带有圆形通孔并且沿连接架圆周均设三对耳座的结构形式，上连接架固定在迷你气缸的活塞杆上，下连接架固定在迷你气缸缸体上；三个上连杆的一端分别通过上销轴与上连接架上的三对耳座相连，构成三个转动副，其另一端分别通过中部销轴与三个下连杆的一端以及两个滑筒的末端和一个滑杆的末端连接，构成三个转动副；三个下连杆的另一端分别通过下销轴与下连接架上的三对耳座连接，构成三个转动副；所述两个滑筒分别与两个滑杆套接，组成圆柱副，上述两个滑筒的末端均设有与圆柱形滑道中轴线垂直的带有内螺纹的套筒，上述一个滑杆的末端设有与圆柱形杆体的中轴线垂直的带有内螺纹的套筒；

所述柔性部分包括三根结构相同的气动肌腱，三根气动肌腱横向成三角形布置，其中两个气动肌腱的两端通过端部螺纹分别固定在相邻的两个连杆支架的滑筒的套筒内，另外一个气动肌腱三的两端通过端部螺纹分别固定在相邻的两个连杆支架的滑杆的套筒内；

与机座连接的连杆支架的一端，迷你气缸的缸体固定在下连接盘中心，三对耳座沿圆周方向均布在法兰盘上，三个下连杆的另一端分别通过下销轴与耳座连接构成三个转动副；

与末端执行器连接的连杆支架的一端，上连接盘通过螺母固定在迷你气缸的活塞杆上，三对耳座沿圆周方向均布在法兰盘上，三个上连杆的一端分别通过上销轴与耳座连接构成三个转动副。

2.根据权利要求1所述的刚柔混联的横向缩放式柔性机械臂，其特征在于：所述上连杆、螺母、上连接架、下连接架、下连杆、下连接盘、上连接盘、滑筒、滑杆，均为铝合金材质，所有销轴均为钢质材料。