CN210525140U - 一种经狭窄腔对感兴趣目标进行接触式扫描成像的机械臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种经狭窄腔对感兴趣目标进行接触式扫描成像的机械臂，它包括：若干机械臂关节；若干中空万向节；若干关节弹簧；一对相互啮合且轴线垂直的齿轮传动机构；若干中空传动轴及若干中空万向节构成的柔性传动轴，可将驱动端动力传输至齿轮传动机构，实现末端执行器(集成有压力传感器的成像探头)的偏航运动，即在感兴趣目标表面的接触式扫描动作。该机械臂能够自由灵活地经狭窄腔对感兴趣目标进行接触式扫描成像，并可克服扫描检查对柔性成像目标造成的形变。

Description

一种经狭窄腔对感兴趣目标进行接触式扫描成像的机械臂

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体涉及一种经狭窄腔对感兴趣目标进行接触式扫描成像的机械臂。

背景技术

在工业领域，机械臂是机器人技术领域中最广泛应用的机械装置，技术相对比较成熟，传统机械臂通常以连杆为主，自由度较低，大多数情况通过串联更多数量的连杆以增加机械臂的自由度，因此造成传统机械臂灵活性较差。

目前由于传统机械臂自由度较低，且灵活性较差，针对狭窄腔内感兴趣目标，传统机械臂无法穿过狭窄腔对感兴趣目标进行扫描成像操作作业。

现有技术中，如专利申请CN108214474A公开的一种面向狭小限制空间作业的仿生柔性机械臂，其中采用三杆轴并联平台作为柔性机械臂的子关节，通过关节中螺杆与螺母的螺纹配合实现螺纹杆长度的变化，从而实现单个子关节的弯曲；此装置仅可实现机械臂关节的弯曲，但其末端机构不能对经狭窄腔感兴趣目标进行接触式扫描成像。再如专利申请CN107928790A公开的蛇形手术器械，其中采用具有摆动自由度的蛇形关节。此装置末端执行器仅可实现自转，不能满足经狭窄腔对感兴趣目标进行接触式扫描成像的需求，且易导致柔性感兴趣目标发生形变。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种经狭窄腔对感兴趣目标进行接触式扫描成像的机械臂，使得机械臂能够自由灵活地通过狭窄腔对感兴趣目标进行接触式扫描成像，并可克服扫描检查对柔性目标形成的形变。

为达到上述目的，本实用新型可采用如下技术方案：

一种经狭窄腔对感兴趣目标进行接触式扫描成像的机械臂，包括机械臂关节及位于机械臂关节末端的末端执行器；所述机械臂关节包括若干依次连接通过关节弹簧首尾连接的机械臂关节单元，每个机械臂关节单元包括中空的刚性套、位于刚性套内的中空传动轴单元、轴承；所述中空传动轴单元与刚性套内壁之间通过轴承配合使中空传动轴单元相对刚性套转动；所述机械臂关节单元还包括若干万向节单元，每个万向节单元包括两个中空式的万向节叉和中空式的十字轴，两个万向节叉分别位于十字轴的两侧并通过销钉与十字轴铰接配合；每个万向节叉的外侧面与外侧对应的中空传动轴单元连接，若干万向节单元与若干中空传动轴单元首位依次交替配合连接形成柔性传动轴，该柔性传动轴的末端设有齿轮传动机构，柔性传动轴的转动带动齿轮传动机构使末端执行器转动；所述至少一个机械臂关节单元的刚性套上固定有数条传动丝，且机械臂关节单元的刚性套上均设有供传动丝穿过的通孔，该数个传动丝自某个机械臂关节单元的刚性套固定后通过通孔穿过其他机械臂关节单元。

进一步的，所述每个万向节单元中的每个万向节叉均具有两条相互平行且与十字轴铰接的铰接臂，设其中一个万向节叉与十字轴两个铰接处之间连有第一连线，另一个万向节叉与十字轴两个铰接处之间连有第二连线，第一连线与第二连线垂直。

进一步的，还设有刚性外壳及柔性外壳，所述刚性外壳环绕于末端执行器外围，齿轮传动机构输出轴与刚性外壳通过轴承配合，柔性外壳环绕包裹机械臂关节。

进一步的，所述的齿轮传动机构包括一对相互啮合的齿轮，两齿轮轴线相互垂直，齿轮为锥齿轮或冠齿轮，其中一个齿轮固定于柔性传动轴末端并随柔性传动轴的转动而转动，另一个齿轮的输出轴与末端执行器连接固定并带动末端执行器转动。

进一步的，所述机械臂关节中位于末端的机械臂关节单元的刚性套上固定有数条传动丝。

进一步的，所述机械臂关节中位于末端的机械臂关节单元的刚性套上及自末端起第二个机械臂关节单元的刚性套上均固定有数条传动丝。

进一步的，所述关节弹簧镶嵌于刚性套端面上的环形凹槽中，并套设在中空万向节外，关节弹簧与机械臂关节单元交替连接用于支撑机械臂关节之间的弯曲，在传动丝上无张力时，关节弹簧同时充当储能元件而使机械臂关节的自归位。

进一步的，每个机械臂关节单元包含两个刚性套、一个中空传动轴、一对轴承，中空传动轴的一端外围通过一个轴承与一个刚性套内侧配合，中空传动轴的另一端外围通过另一个轴承与另一个刚性套内侧配合。

进一步的，所述刚性套上固定有4条传动丝，该4条传动丝均匀的围绕刚性套固定设置。

进一步的，末端执行器上集成有压力传感器的成像探头，末端执行器连接的线缆收纳于柔性传动轴的中空部分。

有益效果：本实用新型提供的机械臂的技术方案中引入由刚性套与中空传动轴组成的机械臂关节、由中空万向节与中空传动轴组成的柔性传动轴，可对需经狭窄腔方能抵达的感兴趣目标进行灵活的接触式扫描检查；由于机械臂关节单元间关节弹簧以及集成在探头上的压力传感器的存在，因此末端探头在执行接触式扫描工作时，可对柔性感兴趣目标表面产生的压力实时监控，克服扫描检查对柔性成像目标造成的形变。

附图说明

图1为本实用新型一种经狭窄腔对感兴趣目标进行接触式扫描成像的机械臂立体结构示意图。

图2为图1中机械臂隐藏了两个关节弹簧和两个刚性套后的立体结构示意图。

图3为本实用新型中机械臂关节单元的立体图。

图4为图3中机械臂关节单元的爆炸图。

图5为本实用新型中空万向节的立体图。

图6为图5中的中空万向节爆炸图。

图7为本实用新型中柔性传动轴的立体图。

图8为图7中柔性传动轴的弯曲后的立体图。

图9为本实用新型机械臂的整体传动轴(包括柔性传动轴和刚性传动轴)示意图。

图10为本实用新型机械臂的丝驱动示意图。

图11为本实用新型机械臂的单侧弯曲示意图。

图12为本实用新型机械臂的末端弯曲及转动示意图(“转动”指的是内部传动轴的旋转)。

图13为本实用新型实施例二中机械臂传动丝布置方案示意图(为显示传动丝布置情况，隐藏了关节弹簧)。

图14为本实用新型实施例二中机械臂通过多段弯曲避开障碍物的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述内容、特点更加通俗易懂，以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细的说明。

实施例一：

本实用新型提出的一种经狭窄腔对感兴趣目标进行接触式扫描成像的机械臂。如图1至图9所示，它包括连接结构1、刚柔外壳2、机械臂关节3、中空万向节4、柔性传动轴5、齿轮传动机构6，末端执行器7。

连接结构1包括刚性传动轴1-1和刚性壳体1-2，刚性壳体1-2与刚柔外壳2的柔性壳体2-2相连；刚性传动轴1-1一端通过中空万向节4与机械臂关节3相连，另一端通过联轴器11与电机12相连；刚性传动轴1-1外径与万向节叉4-1外径相等。

刚柔外壳2包括刚性部分2-1和柔性壳体2-2；柔性壳体2-2与连接结构1的刚性壳体1-2相连，包裹在若干数量的机械臂关节3外部，；刚性部分2-1通过轴承与齿轮传动机构6的输出轴配合，实现齿轮传动机构6输出轴的定位，并保护齿轮传动机构6。

如图3至图8所示，机械臂关节3包括数量若干的机械臂关节单元3-1，机械臂关节单元3-1包括两个刚性套3-1-1、中空传动轴3-1-2、一对轴承3-1-3；刚性套3-1-1轴向圆周均布有通孔，刚性套3-1-1两端面上有环形凹槽，凹槽的中心圆直径大于均布通孔的分布圆直径；均布的通孔用于每组刚性套3-1-1的连接固定、传动丝9的穿过，两个刚性套3-1-1轴向圆周均布的这些通孔对应同轴心配合：用于将两个刚性套3-1-1螺钉连接固定的等分通孔同轴心配合，用于传动丝9的穿过的等分通孔同轴心配合；中空传动轴3-1-2与刚性套3-1-1通过轴承3-1-3配合，中空传动轴3-1-2两端端面上有圆周等分销孔，用于与中空万向节4配合连接；在传动丝9驱动装置使某一条传动丝9产生张力时，机械臂关节3就会向这一条传动丝9的方向弯曲，如图11所示。

如图5及图6所示，中空万向节4与机械臂关节3相同数量，中空万向节4包括中空式的万向节叉4-1和中空式的十字轴4-2，万向节叉4-1与十字轴4-2通过销钉4-3配合，万向节叉4-1端面上有与中空传动轴端面上数量相等的销孔，如图8所示，中空万向节4与中空传动轴3-1-2交替配合连接，构成柔性传动轴5，当传动丝9收张力时，机械臂关节3偏转，柔性传动轴5相应弯曲，可实现动力变角度的传输，并且探头线缆可收纳于柔性传动轴5中空部分。

关节弹簧8，两端镶嵌于机械臂关节3的刚性套3-1-1端面上的环形凹槽中，关节弹簧8与每组刚性套3-1-1交替连接，并套设在中空万向节4外，形成机械臂关节3。如图11所示，在向传动丝9施加力时，关节弹簧8一侧受张力，另一侧受压力，机械臂关节3实现偏转，并且使末端探头在感兴趣目标表面执行接触式扫描工作时，关节弹簧8可有效控制探头在柔性感兴趣目标表面产生的压力；在传动丝9上施加的力消失后，关节弹簧8充当储能件，机械臂关节3实现自归位动作。

如图11及图12所示，齿轮传动机构6包括一对相互啮合的齿轮，两齿轮轴线相互垂直，齿轮可采用锥齿轮或冠齿轮，两齿轮分别与中空传动轴和输出轴通过键配合，通过由若干中空传动轴3-1-2和若干中空万向节4构成的柔性传动轴5将动力传输至齿轮传动机构6，实现末端执行器7(探头)的偏航运动，即在感兴趣目标表面的接触式扫描动作。

末端执行器7包含探头夹和探头，探头夹上侧与齿轮机构输出轴配合，实现与输出轴的同步运动；探头夹下侧包裹着探头。如图12所示，当不同的传动丝9受力时，可实现机械臂关节3不同的偏转，可通过柔性传动轴5将动力传输至齿轮传动机构6，实现末端执行器7的运动。

如图7及图8所示，中空传动轴3-1-2与刚性套3-1-1通过轴承3-1-3配合，电机12通过刚性传动轴1-1将扭矩传输至柔性传动轴5时，柔性传动轴5实现自转，并通过齿轮传动机构6实现末端执行器7的扫描动作。

该机械臂随着机械臂关节单元3-1、中空万向节4、关节弹簧8的数量的增多，可实现更灵活自由的扫描操作，但同时机械臂姿态的控制会变得复杂。

实施例二：

如图13及图14所示，通过传动丝9与传动丝10交叉等分穿过并铰接在不同机械臂关节单元上(本实施例中，所述机械臂关节中位于末端的机械臂关节单元的刚性套上及自末端起第二个机械臂关节单元的刚性套上均固定有数条传动丝)，传动丝9与传动丝10相反侧受到张力时，即可实现机械臂关节类S型弯曲，提高机械臂避障能力；当各传动丝都受到等张力或无张力时，机械臂将处于平直状态(无张力时，由于关节弹簧的存在，机械臂将处于平直状态)。

交叉等分的传动丝数量、传动丝交叉等分的角度、不同传动丝所串联的机械臂关节单元数量可根据实际工况确定。

当机械臂经狭窄腔至感兴趣目标时的姿态调整完毕后，再使电机12执行驱动，实现传动轴的旋转，即实现对感兴趣目标进行接触式扫描成像动作。

通过改变传动丝的布置方案，机械臂可实现不同的姿态(类S型、L型等)；在面对不同的狭窄腔内作业环境，具有更强的通过性。通过更换机械臂的末端执行器，可满足航空发动机、微型管道等的检修与维护；也可应用于经狭窄空间被困目标的搜救。

以上实施例仅表达了本实用新型的个别实施方式，其描述较为具体，但不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。同时，对于本领域的一般技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种经狭窄腔对感兴趣目标进行接触式扫描成像的机械臂，其特征在于，包括机械臂关节及位于机械臂关节末端的末端执行器；

所述机械臂关节包括若干依次连接通过关节弹簧首尾连接的机械臂关节单元，每个机械臂关节单元包括中空的刚性套、位于刚性套内的中空传动轴单元、轴承；所述中空传动轴单元与刚性套内壁之间通过轴承配合使中空传动轴单元相对刚性套转动；所述机械臂关节单元还包括若干万向节单元，每个万向节单元包括两个中空式的万向节叉和中空式的十字轴，两个万向节叉分别位于十字轴的两侧并通过销钉与十字轴铰接配合；每个万向节叉的外侧面与外侧对应的中空传动轴单元连接，若干万向节单元与若干中空传动轴单元首位依次交替配合连接形成柔性传动轴，该柔性传动轴的末端设有齿轮传动机构，柔性传动轴的转动带动齿轮传动机构使末端执行器转动；

所述至少一个机械臂关节单元的刚性套上固定有数条传动丝，且机械臂关节单元的刚性套上均设有供传动丝穿过的通孔，该数个传动丝自某个机械臂关节单元的刚性套固定后通过通孔穿过其他机械臂关节单元。

2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于：所述每个万向节单元中的每个万向节叉均具有两条相互平行且与十字轴铰接的铰接臂，设其中一个万向节叉与十字轴两个铰接处之间连有第一连线，另一个万向节叉与十字轴两个铰接处之间连有第二连线，第一连线与第二连线垂直。

3.根据权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于：还设有刚性外壳及柔性外壳，所述刚性外壳环绕于末端执行器外围，齿轮传动机构输出轴与刚性外壳通过轴承配合，柔性外壳环绕包裹机械臂关节。

4.根据权利要求1或2所述的机械臂，其特征在于：所述的齿轮传动机构包括一对相互啮合的齿轮，两齿轮轴线相互垂直，齿轮为锥齿轮或冠齿轮，其中一个齿轮固定于柔性传动轴末端并随柔性传动轴的转动而转动，另一个齿轮的输出轴与末端执行器连接固定并带动末端执行器转动。

5.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于：所述机械臂关节中位于末端的机械臂关节单元的刚性套上固定有数条传动丝。

6.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于：所述机械臂关节中位于末端的机械臂关节单元的刚性套上及自末端起第二个机械臂关节单元的刚性套上均固定有数条传动丝。

7.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于：所述关节弹簧镶嵌于刚性套端面上的环形凹槽中，并套设在中空万向节外，关节弹簧与机械臂关节单元交替连接用于支撑机械臂关节之间的弯曲，在传动丝上无张力时，关节弹簧同时充当储能元件而使机械臂关节的自归位。

8.根据权利要求7所述的机械臂，其特征在于：每个机械臂关节单元包含两个刚性套、一个中空传动轴、一对轴承，中空传动轴的一端外围通过一个轴承与一个刚性套内侧配合，中空传动轴的另一端外围通过另一个轴承与另一个刚性套内侧配合。

9.根据权利要求5或6所述的机械臂，其特征在于：所述刚性套上固定有4条传动丝，该4条传动丝均匀的围绕刚性套固定设置。

10.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于：末端执行器上集成有压力传感器的成像探头，末端执行器连接的线缆收纳于柔性传动轴的中空部分。

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