专利名称：变刚度、变向、变长非共轭啮合机器人柔性臂的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机器人柔性臂，特别是一种变刚度、变向、变长非共轭啮合机器人柔性臂，属于机械类的机器人领域。
根据核电站蒸汽发生器检查机器人用于在需要拐弯的狭窄空间中进行操作的环境，国内外的这类机器人柔性臂通常采用定刚度、定长臂，结构上有整体型、组合型，柔性臂可由金属、工程塑料、碳纤维等材料制成，经过对该技术领域的文献检索发现美国的Foster Miller公司采用的是一种称为CECIL的机器人技术，用于核电站蒸发器的内部空间检查，由于该机器人技术的技术保密，无法获知其具体原理和实施方案；又发现中国专利号为952262290，名称一种折叠式机器人，该专利文献称一种用于检测封闭容器的机器人，包括支架、与支架相连的机身，机身后连接有机臂，各机臂由电机经传动机构后驱动，其特殊之处是支架及机身与第一臂之间由轴或齿轮轴连接。该项技术仍存在一些不足，如机器人的机臂是刚性的，因其结构的限制，其不可能在狭小空间内，尤其是在弯曲的管道内进行作业。
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种变刚度、变向、变长非共轭啮合机器人柔性臂。
本发明的技术方案如下本发明工作原理是当柔性臂在拐弯时，刚度变小；当柔性臂进入狭窄空间后要进行操作时，刚度自动变大，从而保证悬臂柔性臂在工作空间中既有足够的刚度，同时驱动系统的动力需求又很小。本发明悬臂柔性臂刚度可变，不需要支撑和引导，不仅可以应用于狭小空间，也可应用于任何需要变长悬臂柔性臂操作又无法支撑和导引的大范围空间。通过控制变刚度悬臂柔性臂，使之可根据应用需要改变其伸出方向、长度和刚度，使之在改变方向时只需较小驱动力，而进入工作空间后具有较大刚度以保证悬臂柔性臂能进行所需要的精度较高的操作。
本发明由多个链节串联而成，每个链节的两侧各有一组销孔，相邻的两个链节通过加套弹簧的销轴来连接，连接后各链节销孔部分的外圈形成非共轭面的柔性齿条，可以与驱动轮齿啮合。相邻链节形成的接触面，可使柔性臂只能单方向弯曲。相邻的两个链节和各自的两侧各有一组销孔，链节的右销孔和链节的左销孔及弹簧的孔心装配同轴后插上销轴。根据应用环境距离的要求，可以选择组合的链节数，以改变柔性链的总长度。在链节上有啮合面，通过驱动装置与该啮合面的啮合从而实现柔性臂的悬臂伸缩，但该啮合面与驱动装置啮合齿面之间不是共轭面。弹簧采用非线性弹簧，但非线性弹簧也可改用线性弹簧或取消弹簧，当取消弹簧时，销轴需采用形状记忆合金，以控制柔性臂的刚度。当柔性臂进入拐弯处时，销轴直径通电收缩从而使柔性臂的弯曲刚度变小，一旦进入狭小空间中后，控制系统使销轴恢复常温形状，即销轴直径尺寸变大，从而使柔性臂悬臂伸出部分的弯曲刚度变大。通过对销轴直径的合理设计可以保证获取足够的柔性臂悬臂伸出刚度。由于本发明中的柔性臂可以控制其拐弯时的刚度，因此柔性臂的拐弯角度可以实现在0～270°内任意变动，并且不会增大对系统动力的需求。在链节上还可开设通孔，在整个柔性臂内形成导孔，作为摄像头、冲洗机构以及微抓取机构等装置通路。
本发明具有实质性特点和显著进步，实现了在狭窄空间中和大范围空间中远距离的实现变刚度、变向、变长非共轭啮合悬臂柔性臂的操作，并且这种操作无需在柔性臂的侧面加以支撑和引导。
以下结合附图对本发明进一步描述
图1本发明工作原理示意2本发明结构示意图(一)图3本发明结构示意图(二)图4本发明结构示意图(三)如图1所示，本发明在链节2上有啮合面，通过驱动装置3与该啮合面的啮合从而实现柔性臂1的悬臂伸缩，但该啮合面与驱动装置3啮合齿面之间不是共轭面。
如图1、图2、图3、图4所示，本发明由多个链节2的串联而成，每个链节2的两侧各有一组销孔4，相邻的两个链节2之间通过加套非线性弹簧5的销轴6来连接，连接后各链节2的销孔4部分的外圈8形成非共轭面的柔性齿条，可以与驱动装置3轮齿啮合。相邻链节2形成的接触面7，可使柔性臂1单方向弯曲。相邻的两个链节和各自的两侧各有一组销孔4，其中一个链节的右销孔9和另一个链节的左销孔10及非线性弹簧5的孔心装配同轴后插上销轴6。非线性弹簧5也可改用线性弹簧或取消弹簧，当取消弹簧时，销轴6需采用形状记忆合金，以控制柔性臂1的刚度。当柔性臂1进入拐弯处时，销轴6直径通电收缩从而使柔性臂1的弯曲刚度变小，一旦进入狭小空间中后，控制系统使销轴6恢复常温形状，即销轴6直径尺寸变大，从而使柔性臂1悬臂伸出部分的弯曲刚度变大。通过对销轴6直径的合理设计可以保证获取足够的柔性臂1悬臂伸出刚度。由于本发明中的柔性臂1可以控制其拐弯时的刚度，因此柔性臂1的拐弯角度可以实现在0～270°内任意变动，并且不会增大对系统动力的需求。在链节2上还可开设通孔11，在整个柔性臂1内形成导孔，作为摄头、冲洗机构以及微抓取机构等装置通路。
根据应用环境距离的要求，可以选择组合链节2个数，以改变柔性链1的总长度。同时还可选择弹簧刚度以改变柔性臂的弯曲刚度以满足应用需要。
权利要求
1.一种变刚度、变向、变长非共轭啮合机器人柔性臂，主要包括链节(2)，其特征在于由多个链节(2)的串联而成，每个链节(2)的两侧各有一组销孔(4)，相邻的两个链节(2)之间通过加套非线性弹簧(5)的销轴(6)或形状记忆合金，销轴(6)来连接，连接后各链节(2)的销孔(4)部分的外圈形成非共轭面的柔性齿条，可以与驱动装置(3)轮齿啮合。
2.根据权利要求1所述的这种变刚度、变向、变长非共轭啮合机器人柔性臂，其特征还在于相邻的两个链节和各自的两侧各有一组销孔(4)，链节(2)的右销孔和链节的左销孔及非线性弹簧的孔心装配同轴后插上销轴(6)。
3.根据权利要求1所述的这种变刚度、变向、变长非共轭啮合机器人柔性臂，其特征还在于在链节(2)上还可开设通孔(8)，在整个柔性臂(1)内形成导孔。
4.根据权利要求1所述的这种变刚度、变向、变长非共轭啮合机器人柔性臂，其特征还在于根据应用环境距离的要求，可以选择组合链节(2)个数。
全文摘要
变刚度、变向、变长非共轭啮合机器人柔性臂由多个链节串联而成,每个链节的两侧各有一组销孔,相邻的两个链节之间通过加套非线性弹簧的销轴(或形状记忆合金,销轴)来连接,连接后各链节的销孔部分的外圈形成非共轭面的柔性齿条,可以与驱动装置轮齿啮合。
文档编号B25J18/00GK1288803SQ0012729
公开日2001年3月28日 申请日期2000年11月7日 优先权日2000年11月7日
发明者王石刚, 徐威, 汪国宝 申请人:上海交通大学