弹簧线控柔性象鼻机械臂的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及仿生机器人领域，具体涉及弹簧线控柔性象鼻机械臂，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，驱动单元上固定有驱动弹簧，所述串联关节固定在弹性支柱上，并且驱动弹簧穿过串联的关节；本实用新型的有益效果：关节结构简单化，同时机械臂具有较高弯曲柔软程度，具备一定的抗冲击能力，同时具有较高的通过性和增快了的机械臂的控制速度。
【专利说明】弹簧线控柔性象鼻机械臂
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及仿生机器人领域，具体涉及弹簧线控柔性象鼻机械臂。
【背景技术】
[0002]在现代化工业生产中，机器人受到越来越广泛的应用。目前应用较为广泛的当属离散型机器人，它由离散的单自由度关节和刚性连杆构成，机器人的运动仅在各单自由度关节处产生，通过对各单自由度关节的驱动控制来实现机器人末端执行器位置的变化。这类离散型机器人主要用于自由空间内的多自由度运动，但自由度有限，因此对非结构环境和工作空间受限的环境适应能力不强。
[0003]近年来，出现了一类新型的仿生机器人，仿生象鼻机器人就属于其中的一种。它是一种柔韧性强、灵活性高的新型连续体机器人，具有传统离散型机器人所无法媲美的优良弯曲性能，可以柔顺而灵活的改变自身的形状，因此对工作空间狭小的环境和非结构化环境具有独特的适应能力，而且还可以通过自身的弯曲变形来更牢靠的抓取各种不规则形状的物体。目前，对于仿生象鼻机器人的实现方式，主要是用气缸，液压缸的形式来模拟肌肉。2010年德国Festo公司利用新型可伸缩材料和先进的空气压缩驱动技术再加上高精确度传感器研制的仿生象鼻机器人。文献I (专利申请号:201210514688.6)公布的采用多个气缸或液缸的驱动方式，来控制每一节关节的角度和长度，从而控制整个机械臂的姿态。文献2 (线驱动连续型机器人的运动学分析与仿真.机械工程学报，2010.第46卷第19期)公布的采用金属丝和柔性支柱的控制方式，用金属细丝来牵引象鼻动作。
[0004]以上的象鼻机械臂的实现方法，还是存在如下的问题，包括整体结构过于复杂，自身沉重不便于控制，以及因柔性材料造成的控制精度不高。
实用新型内容
[0005]为解决上述问题，本实用新型提供一种弹簧线控柔性象鼻机械臂。
[0006]一种弹簧线控柔性象鼻机械臂，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，驱动单元上固定有驱动弹簧，所述串联关节固定在弹性支柱上，并且驱动弹簧穿过串联的关节；
[0007]进一步地，所述多段串联关节中的每个关节均由多个支撑盘片组成，并且单个关节内支撑盘片大小相同，支撑盘片为圆盘形状，支撑盘片的几何中心处设有弹性支柱通孔，支撑盘片的边缘处设有驱动弹簧通孔，所述支撑盘片通过弹性支柱通孔环套固定在弹性支柱上，所述驱动弹簧穿过驱动弹簧通孔；
[0008]进一步地，多段串联关节中的第一关节的支撑盘相对于第二关节的支撑盘在直径上大35%至45%，其后依此类推；所述每个关节内的支撑盘片为6-9个；
[0009]进一步地，所述第一关节的支撑盘片设有一个弹性支柱通孔和六个驱动弹簧通孔，弹性支柱通孔设置在支撑盘片的几何中心处，驱动弹簧通孔均匀分布在支撑盘片的边缘处，呈60度分布，其他关节的支撑盘片设有一个弹性支柱通孔和三个驱动弹簧通孔，弹性支柱通孔设置在支撑盘片的几何中心处，驱动弹簧通孔均匀分布在支撑盘片的边缘处，呈120度分布；
[0010]进一步地，所述多段串联关节中的每一个关节的末端安装有陀螺仪和加速度传感器；
[0011]进一步地，所述驱动单元为步进电机、直流电机或直线电机。
[0012]本实用新型的有益效果:关节结构简单化，同时机械臂具有较高弯曲柔软程度，具备一定的抗冲击能力，同时具有较高的通过性和增快了的机械臂的控制速度。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为线驱动圆盘加柔性支柱结构原理图；
[0014]图2为第一关节支撑盘片的结构示意图；
[0015]图3为第二关节支撑盘片的结构示意图。
【具体实施方式】
[0016]为了使本 实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0017]相反，本实用新型涵盖任何由权利要求定义的在本实用新型的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本实用新型有更好的了解，在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本实用新型。
[0018]【实施例1】如图所示，本实用新型提供一种弹簧线控柔性象鼻机械臂，由第一关节、第二关节和机座I构成，其中第一关节的一端固定在机座上，另一端和第二关节的一端固定连接在一起；第一关节和第二关节由多个支撑盘片组成，支撑盘片为圆盘形状，第一关节内的第一关节支撑盘片大小相同，第二关节内的第二关节支撑盘片大小相同，其中第一关节支撑盘片相对于第二关节支撑盘片在直径上大35%至45%。
[0019]第一关节支撑盘片2设有一个弹性支柱通孔4和六个驱动弹簧通孔5，弹性支柱通孔4设置在第一关节支撑盘片2的几何中心处，驱动弹簧通孔5均匀分布在支撑盘片的边缘处，呈60度分布，第二关节支撑盘片3设有一个弹性支柱通孔4和三个驱动弹簧通孔5，弹性支柱通孔4设置在第二关节支撑盘片3的几何中心处，驱动弹簧通孔5均匀分布在支撑盘片的边缘处，呈120度分布。
[0020]每个关节内的支撑盘片为6-9个。
[0021]所述机座I上固定有六个步进电机和一个弹性支柱6，所述六个步进电机上分别固定有驱动弹簧7，所述第一关节和第二关节的支撑盘片均通过弹性支柱通孔4环套固定在弹性支柱上6，两两支撑盘片之间的驱动弹簧通孔5位置相互对应，同一个关节内的相邻两个支撑盘片间距相同，其中第一关节相邻两个支撑盘片的间距大于第二关节相邻两个支撑盘片的间距；所述六根驱动弹簧7分别通过第一关节中相对应的驱动弹簧通孔5，其中任意呈120度分布的三个驱动弹簧7的一端固定在第一关节的末端，另外三个驱动弹簧7分别穿过第二关节的相互对应的驱动弹簧通孔5，直至固定在机械臂的末端。
[0022]【实施例2】本实用新型提供一种弹簧线控柔性象鼻机械臂，由多段串联的关节和机座I构成，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；每个关节均由多个支撑盘片组成，并且单个关节内的支撑盘片大小相同，支撑盘片为圆盘形状，其中第一关节支撑盘片2相对于第二关节支撑盘片3在直径上大35%至45%，其后依此类推。
[0023]其中第一关节支撑盘片2设有一个弹性支柱通孔4和六个驱动弹簧通孔5，弹性支柱通孔4设置在第一关节支撑盘片2的几何中心处，驱动弹簧通孔5均匀分布在第一关节支撑盘片2的边缘处，呈60度分布，其他关节的支撑盘片设有一个弹性支柱通孔4和三个驱动弹簧通孔5，弹性支柱通孔4设置在支撑盘片的几何中心处，驱动弹簧通孔5均匀分布在支撑盘片的边缘处，呈120度分布。
[0024]每个关节内的支撑盘为6-9个。
[0025]所述机座上固定有六个步进电机和一个弹性支柱6，所述六个步进电机上分别固定有驱动弹簧7，所述串联的所有关节的支撑盘片均通过弹性支柱通孔4环套固定在弹性支柱6上，两两之间的驱动弹簧通孔5位置相互对应，同一个关节内的相邻两个支撑盘片间距相同，其中第一关节相邻两个支撑盘片的间距大于第二关节相邻两个支撑盘片的间距，其后依次类推；所述六根驱动弹簧7分别通过第一关节中相对应的驱动弹簧通孔5，其中任意呈120度分布的三个驱动弹簧7的一端固定在第一关节的末端，另外三个驱动弹簧7分别穿过其他关节的相互对应的驱动弹簧通孔5，直至固定在机械臂的末端。
[0026]以上两个实 施例中的每一个关节末端，安装有陀螺仪和加速度传感器，实时检测当前各段的弯曲程度和当前的角度；所述驱动弹簧也可成为驱动线。
[0027]其中的步进电机也可选用直流电机或是直线电机，并将其统称为驱动单元。
[0028]所述第一关节支撑盘片的直径为100_，厚度为5_，所述驱动弹簧采用外径2_的细硬弹簧，弹性支柱采用外径16mm的硬质粗长弹簧，所述第一关节长度为350mm，第二关节长度为250mm。
[0029]工作原理:在控制时，某一个电机将驱动弹簧收缩，同关节的另外两个电机适当放松驱动弹簧，或是某两个弹簧控制收缩，而另外一个控制放松，亦可以三个电机同时收紧驱动弹簧，可实现象鼻机械臂在空间内三维方向甩动。电机断电后，机械臂可以自主恢复初始位置；同时控制同一段关节的三根驱动弹簧的松紧长度，可以控制关节的软硬程度，可以使关节保持当前姿态或是自由下垂。
【权利要求】
1.一种弹簧线控柔性象鼻机械臂，包括安装在机座上的多段串联的关节，其中多段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，其特征在于:机座上固定有弹性支柱和驱动单元，驱动单元上固定有驱动弹簧，所述串联关节固定在弹性支柱上，并且驱动弹簧穿过串联的关节。
2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于:所述多段串联关节中的每个关节均由多个支撑盘片组成，并且单个关节内支撑盘片大小相同，支撑盘片为圆盘形状，支撑盘片的几何中心处设有弹性支柱通孔，支撑盘片的边缘处设有驱动弹簧通孔，所述支撑盘片通过弹性支柱通孔环套固定在弹性支柱上，所述驱动弹簧穿过驱动弹簧通孔。
3.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于:多段串联关节中的第一关节的支撑盘相对于第二关节的支撑盘在直径上大35%至45%，其后依此类推；所述每个关节内的支撑盘片为6-9个。
4.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述第一关节的支撑盘片设有一个弹性支柱通孔和六个驱动弹簧通孔，弹性支柱通孔设置在支撑盘片的几何中心处，驱动弹簧通孔均匀分布在支撑盘片的边缘处，呈60度分布，其他关节的支撑盘片设有一个弹性支柱通孔和三个驱动弹簧通孔，弹性支柱通孔设置在支撑盘片的几何中心处，驱动弹簧通孔均匀分布在支撑盘片的边缘处，呈120度分布。
5.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于:所述多段串联关节中的每一个关节的末端安装有陀螺仪和加速度传感器。
6.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于:所述驱动单元为步进电机、直流电机或直线电机。
【文档编号】B25J17/00GK203804991SQ201320850597
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】张雨童, 李擎, 季玮, 陈映雪, 李治富, 刘冀伟, 崔家瑞, 徐楠芝 申请人:北京科技大学