专利名称：套索传动机械手的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于套索传动的机械手，具体的说，是一种用于救灾等需要在 狭小空间内作业的机械手，属于机器人技术领域。
背景技术：
在过去的几十年中，人类遭受了很多自然的或人为的灾难，比如，地震、火灾、矿 难以及恐怖袭击等等。在这些灾难发生后，在废墟或井下搜寻幸存者，给予必要的医疗 救助，并尽快把被困者救出来是救援人员的首要任务。经验表明，灾后48小时之内是 搜救被困在废墟中的幸存者的最佳时期，超过这段时间，被困人员的存活率就变得很低。 由于灾难现场情况复杂，搜救人员直接进入灾难现场开展救援工作非常危险。此外，废 墟中形成的狭小空间，救援人员甚至搜救犬都无法进入。这时就非常需要有一种灾难搜 救机器人。灾难搜救机器人可以很好的解决上述问题。机器人可以在灾难发生后第一时 间进入灾难现场搜救幸存者，对被困人员提供食物及基本的医疗救助服务，并将灾难现 场的相关信息反馈给救援指挥中心。
救灾机器人是机器人的一个新兴发展领域，属于危险作业机器人的一个分支。国内 外很多研究机构都在开展这方面的研究。美国iRobot公司研制了 PackBot系列机器人， 该机器人能适应不平的地形环境和爬楼梯。加拿大Inuktun公司开发了 MicroVGTV多 态搜救机器人，它可根据周围的作业环境灵活地调整形状和尺寸。为满足更狭小空间搜 救的需要，研究人员根据生态学原理研制出了各式各样的仿生机器人。美国加州大学伯 克利分校研制出世界第一个苍蝇机器人，通过装在它脑袋上的微型传感器及微型摄像 机，可以到倒塌的建筑废墟底下或其他灾难场所寻找幸存者。日本大阪大学研制了一种 用于搜救的蛇形机器人。国内在救灾机器人方面的研究才刚刚起步，中科院沈阳自动化 研究所及国防科技大学均自主研制了各自的蛇形救灾机器人。
上述救灾机器人身上一般只携带摄像头、生命探测仪等搜索幸存者的设备，缺乏在 废墟中的狭小空间中拆除危险物或对被困人员提供食物及基本医疗救助等服务的能力。 因此，需要有一种能够实现灵巧动作的小型机械手来完成这项任务。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种结构简 单、重量轻、传动机构的传动路线灵活、适合在狭小空间内作业的套索传动机械手。 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是
一种套索传动机械手，包括驱动模块、操作杆和末端机械手，末端机械手设在操作 杆的末端，在驱动模块与末端机械手之间设有套索传动模块，套索传动模块的一端与驱 动模块相连，套索传动模块的另一端与末端机械手相连，套索传动模块包含八件套索， 套索由套管和绳索组成，绳索可滑动的设在套管内。
本实用新型可以进一步采取以下技术措施 (1)驱动模块包括舵机固定板，在舵机固定板上固定有第一舵机模块、第二舵机 模块、第三舵机模块、第四舵机模块、第五舵机模块，第一舵机模块、第二舵机模块、 第三舵机模块、第四舵机模块或第五舵机模块由舵机和舵机端槽轮组成，舵机端槽轮设 在舵机的输出轴上；
末端机械手包括移动关节、第一转动关节及相耦合的第二、第三转动关节，移动关 节包括基座，在基座上滑动连接有滑动件，在基座设有导向槽，在滑动件上设有与导向 槽相配合的销键，在基座与滑动件之间设有压縮弹簧，八件套索中的第一套索的第一套 管的一端与基座相抵，第一套管的另一端与舵机固定板相抵，八件套索中的第一套索的 第一绳索的一端与滑动件连接，第一绳索的另一端与第一舵机模块的舵机端槽轮连接， 并且，第一绳索嵌入在第一舵机模块的舵机端槽轮的绳槽中；
所述的第一转动关节包括摆动件，在摆动件上固定有半槽轮，摆动件与滑动件转动 连接，八件套索中的第二套索的第二套管的一端与滑动件相抵，八件套索中的第二套索 的第二套管的另一端与舵机固定板相抵，八件套索中的第二套索的第二绳索的一端与半 槽轮连接，第二套索的第二绳索的另一端与第二舵机模块的舵机端槽轮连接，八件套索 中的第三套索的第三套管的一端与滑动件相抵，八件套索中的第三套索的第三套管的另 一端与舵机固定板相抵，八件套索中的第三套索的第三绳索的一端与半槽轮连接，第三 套索的第三绳索的另一端与第二舵机模块的舵机端槽轮连接，所述第二绳索嵌入半槽轮 的绳槽及第二舵机模块的舵机端槽轮的绳槽中，所述第三绳索嵌入半槽轮的绳槽及第二 舵机模块的舵机端槽轮的绳槽中；
相耦合的第二、第三转动关节包括第一支座和第二支座，第一支座和第二支座设在 摆动件上，在第一支座和第二支座上分别转动连接有第一输入轴和第二输入轴且第一输 入轴的轴心线和第二输入轴的轴心线在同一条直线上，在第一输入轴和第二输入轴上设有支架，在支架上转动连接有输出轴且输出轴与第一输入轴和第二输入轴垂直，在第一 输入轴、第二输入轴及输出轴上分别设有第一锥齿轮、第二锥齿轮及锥齿轮，并且锥齿 轮分别与第一锥齿轮、第二锥齿轮啮合，在第一输入轴、第二输入轴上分别设有第一槽 轮、第二槽轮，八件套索中的第四套索的第四套管的一端及第五套索的第五套管的一端 与第一支座相抵，第四套索的第四套管的另一端及第五套索的第五套管的另一端与舵机 固定板相抵，第四套索的第四绳索的一端及第五套索的第五绳索的一端与第一槽轮连 接，第四套索的第四绳索的另一端及第五套索的第五绳索的另一端与第三舵机模块的舵 机端槽轮连接，所述第四绳索嵌入第一槽轮的绳槽及第三舵机模块的舵机端槽轮的绳槽 中，所述第五绳索嵌入第一槽轮的绳槽及第三舵机模块的舵机端槽轮的绳槽中，八件套 索中的第六套索的第六套管的一端及第七套索的第七套管的一端与第二支座相抵，第六 套索的第六套管的另一端及第七套索的第七套管的另一端与舵机固定板相抵，第六套索 的第六绳索的一端及第七套索的第七绳索的一端与第二槽轮连接，第六套索的第六绳索 的另一端及第七套索的第七绳索的另一端与第四舵机模块的舵机端槽轮连接，所述第六 绳索嵌入第二槽轮的绳槽及第四舵机模块的舵机端槽轮的绳槽中，所述第七绳索嵌入第 二槽轮的绳槽及第四舵机模块的舵机端槽轮的绳槽中。
(2)在输出轴上设有夹子，在夹子的一个夹片上设有套管固定件，八件套索中的 第八套索的第八套管的一端与套管固定件相抵，第八套索的第八套管的另一端与与舵机 固定板相抵，第八套索的第八绳索的一端与夹子的另一个夹片连接，第八套索的第八绳 索的另一端与第五舵机模块的舵机端槽轮连接，并且，第八绳索嵌入第五舵机模块的舵 机端槽轮的绳槽中。
与现有技术相比，本实用新型套索传动机械手具有如下优点
1. 传统的实现远距离机械传动的机构有带传动、链传动及索传动(也叫腱传动)等， 这些传动机构的传动路线一般只能是直线或折线，且当传动路线不是直线时，普 遍需要过渡轮来改变传动方向；本实用新型采用了套索传动机构，这种传动机构 的传动路线由套管决定，由于套管是柔性的，可弯曲成任意曲线，因此套索传动 机构的传动路径非常灵活，而且不需要过渡轮来导向，结构简单。本实用新型机 械手采用了套索传动机构，结构简单、重量轻，可深入到狭小空间内作业。
2. 目前已有的救灾机器人一般只具有搜寻幸存者的功能，本实用新型机械手具有四 个关节，分别是移动关节、第一转动关节及相耦合的第二、第三转动关节，能实 现一定的灵巧动作，可对操作对象完成一定的操作，诸如，在废墟中的狭小空间中拆除危险物或对被困人员提供食物及简单的医疗救助服务等操作。 3.目前的救灾机器人大多以移动小车或小型飞行器等为载体直接完全进入废墟的 狭小空间中，当机器人在作业时出现致命故障，无法收回；而本实用新型救灾机 械手只是通过细长操作杆将末端机械手部分深入狭小空间内，操作杆的另一端还 在外面，不存在出现故障无法收回的情况。 .4.本实用新型可通过手持或其它的设备夹持操作杆深入狭小空间内作业，操作人员 只需通过电脑程序控制舵机驱动机械手动作即可，操作简单、方便。
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细的说明。
图1套索传动机械手整体结构示意图。 图2套索传动机械手驱动模块结构示意图。 图3套索传动机械手的末端机械手的俯视图。 图4套索传动机械手的末端机械手的前视图。 图5套索传动机械手的末端机械手前两关节剖视图。 图6套索传动机械手的末端机械手后两关节剖视图。
具体实施方式
如
图1所示套索传动机械手包括驱动模块1、套索传动模块2、操作杆3及末端机 械手4，末端机械手4设在操作杆3的末端，套索传动模块2的一端与驱动模块1相连， 另一端从操作杆3的中心孔穿过与末端机械手4相连。套索传动模块2包含八件套索， 套索由套管和绳索组成，绳索可在套管内滑动。末端机械手4具有四个关节，分别是移 动关节、第一转动关节及相耦合的第二、第三转动关节，相耦合的第二、第三转动关节 是由一个差动轮系构成的。
如图2所示为套索传动机械手驱动模块结构示意图，驱动模块1包括舵机固定板14， 舵机固定板14上固定有第一舵机模块A、第二舵机模块B、第三舵机模块C、第四舵 机模块D、第五舵机模块E，第一舵机模块A、第二舵机模块B、第三舵机模块C、第 四舵机模块D或第五舵机模块E包括舵机15，舵机15的输出轴上设有一个摇臂13， 舵机端槽轮12设在摇臂13上，舵机端槽轮12上的第一绳索夹具11将要驱动的绳索的 一端固定在舵机端槽轮12上，舵机固定板14上还设有第一舵机端套管接口 16、第二舵机端套管接口 17，第一舵机端套管接口 16、第二舵机端套管接口 17与相应套索的套管相抵。
图3、图4给出了套索与末端机械手4各关节及夹子427的连接关系。 如图5所示为套索传动机械手的末端机械手4前两个关节的剖视图，移动关节包括 基座402，在基座402上滑动连接有滑动件404，在基座402设有导向槽413，在滑动件 404上设有与导向槽413相配合的销键412，在基座402与滑动件404之间设有压縮弹 簧414，八件套索中的第一套索的第一套管215的一端与基座402相抵，第一套管215 的另一端与舵机固定板14相抵，八件套索中的第一套索的第一绳索205的一端与滑动 件404连接，第一绳索205与滑动件404连接的一端设有一个球型接头，第一绳索205 从基座402及滑动件404的中心孔穿过，且第一绳索205的球型接头嵌入在绳索卡孔411 里，第一绳索205的另一端与第一舵机模块A的舵机端槽轮连接，并且，第一绳索205 嵌入在第一舵机模块A的舵机端槽轮的绳槽中。工作时，第一舵机模块A通过拽动第 一绳索205驱使滑动件404向靠近基座402的方向移动；压縮弹簧414可实现滑动件404 向远离基座402的方向移动。第一转动关节包括摆动件408，在摆动件408上固定有半 槽轮409，摆动件408与滑动件404转动连接，转轴410固定在滑动件404上，八件套 索中的第二套索的第二套管217的一端与滑动件404相抵，八件套索中的第二套索的第 二套管217的另一端与舵机固定板14相抵，八件套索中的第二套索的第二绳索207的 一端与半槽轮409通过第二绳索夹具407连接，第二套索的第二绳索207的另一端与第 二舵机模块B的舵机端槽轮连接，八件套索中的第三套索的第三套管213的一端与滑动 件404相抵，八件套索中的第三套索的第三套管213的另一端与舵机固定板14相抵， 八件套索中的第三套索的第三绳索203的一端与半槽轮409通过第二绳索夹具407连接， 第三套索的第三绳索203的另一端与第二舵机模块B的舵机端槽轮连接，所述第二绳索 207嵌入半槽轮409的绳槽及第二舵机模块B的舵机端槽轮的绳槽中，所述第三绳索203 嵌入半槽轮409的绳槽及第二舵机模块B的舵机端槽轮的绳槽中。工作时，第二舵机模 块B分别拽动第二绳索207、第三绳索203可实现摆动件408相对滑动件404绕转轴410 向两个方向转动。
如图6所示为套索传动机械手的末端机械手后两关节剖视图。相耦合的第二、第三 转动关节通过一个差动轮系实现，相耦合的第二、第三转动关节包括第一支座420和第 二支座430，第一支座420和第二支座430设在摆动件408上，在第一支座420和第二 支座430上分别转动连接有第一输入轴422和第二输入轴432且第一输入轴422的轴心线和第二输入辅432的轴心线在同一条直线上，在第一输入轴422和第二输入轴432上 设有支架425，在支架425上转动连接有输出轴429且输出轴429与第一输入轴422和 第二输入轴432垂直，在第一输入轴422、第二输入轴432及输出轴429上分别设有第 一锥齿轮424、第二锥齿轮434及锥齿轮426，并且锥齿轮426分别与第一锥齿轮424、 第二锥齿轮434啮合，在第一输入轴422、第二输入轴432上分别设有第一槽轮421、 第二槽轮431，八件套索中的第四套索的第四套管216的一端及第五套索的第五套管218 的一端与第一支座420相抵，第四套索的第四套管216的另一端及第五套索的第五套管 218的另一端与舵机固定板14相抵，第四套索的第四绳索206的一端及第五套索的第五 绳索208的一端与第一槽轮421通过螺钉423连接，第四套索的第四绳索206的另一端 及第五套索的第五绳索208的另一端与第三舵机模块C的舵机端槽轮连接，所述第四绳 索206嵌入第一槽轮421的绳槽及第三舵机模块C的舵机端槽轮的绳槽中，所述第五绳 索208嵌入第一槽轮421的绳槽及第三舵机模块C的舵机端槽轮的绳槽中，八件套索中 的第六套索的第六套管214的一端及第七套索的第七套管211的一端与第二支座430相 抵，第六套索的第六套管214的另一端及第七套索的第七套管211的另一端与舵机固定 板14相抵，第六套索的第六绳索204的一端及第七套索的第七绳索201的一端与第二 槽轮431通过螺钉433连接，第六套索的第六绳索204的另一端及第七套索的第七绳索 201的另一端与第四舵机模块D的舵机端槽轮连接，所述第六绳索204嵌入第二槽轮431 的绳槽及第四舵机模块D的舵机端槽轮的绳槽中，所述第七绳索201嵌入第二槽轮431 的绳槽及第四舵机模块D的舵机端槽轮的绳槽中。工作时，通过第三舵机模块C和第 四舵机模块D经套索以不同的速度驱动第一锥齿轮424、第二锥齿轮434，就可实现驱 动输出轴429绕输出轴429轴心线及第一输入轴422轴心线的转动。
在输出轴429上设有夹子427，在夹子427的一个夹片上设有套管固定件428，八 件套索中的第八套索的第八套管212的一端与套管固定件428相抵，第八套索的第八套 管212的另一端与舵机固定板14相抵，第八套索的第八绳索202带球型接头的一端与 夹子427的另一个夹片连接，第八套索的第八绳索202的另一端与第五舵机模块E的舵 机端槽轮连接，并且，第八绳索202嵌入第五舵机模块E的舵机端槽轮的绳槽中。工作 时，第五舵机模块E通过拽动第八绳索202驱使夹子427合上，当第八绳索202松弛时， 夹子427靠夹片的弹性自动张开。
使用时，操作人员手持或其它设备夹持操作杆3将末端机械手4深入到灾后废墟中 的狭小空间内，通过其它设备控制舵机的转动就可驱动末端机械手4各关节及夹子427动作，实现在狭小空间内拆除危险物或对被困人员提供食物及简单的医疗救助服务等功 能。当然，此套索传动机械手也可用在大型变压器检测维修、管道清理等需要在狭小空 间内作业的场合。
权利要求1. 一种套索传动机械手，包括驱动模块(1)、操作杆(3)和末端机械手(4)，末端机械手(4)设在操作杆(3)的末端，其特征在于在驱动模块(1)与末端机械手(4)之间设有套索传动模块(2)，套索传动模块(2)的一端与驱动模块(1)相连，套索传动模块(2)的另一端与末端机械手(4)相连，套索传动模块(2)包含八件套索，套索由套管和绳索组成，绳索可滑动的设在套管内。
2. 根据权利要求1所述的套索传动机械手，其特征在于驱动模块(1)包括舵机固定板(14)，在舵机固定板(14)上固定有第一舵机模块 (A)、第二舵机模块(B)、第三舵机模块(C)、第四舵机模块(D)、第五舵机模块(E)， 第一舵机模块(A)、第二舵机模块(B)、第三舵机模块(C)、第四舵机模块(D)或第 五舵机模块(E)由舵机(15)和舵机端槽轮(12)组成，舵机端槽轮(12)设在舵机 (15)的输出轴上；末端机械手(4)包括移动关节、第一转动关节及相耦合的第二、第三转动关节， 移动关节包括基座(402)，在基座(402)上滑动连接有滑动件(404)，在基座(402) 设有导向槽(413)，在滑动件(404)上设有与导向槽(413)相配合的销键(412)，在 基座(402)与滑动件(404)之间设有压縮弹簧(414)，八件套索中的第一套索的第一 套管(215)的一端与基座(402)相抵，第一套管(215)的另一端与舵机固定板(14) 相抵，八件套索中的第一套索的第一绳索(205)的一端与滑动件(404)连接，第一绳 索(205)的另一端与第一舵机模块(A)的舵机端槽轮连接，并且，第一绳索(205) 嵌入第一舵机模块(A)的舵机端槽轮的绳槽中；所述的第一转动关节包括摆动件(408)，在摆动件(408)上固定有半槽轮(409)， 摆动件(408)与滑动件(404)转动连接，八件套索中的第二套索的第二套管(217) 的一端与滑动件(404)相抵，八件套索中的第二套索的第二套管(217)的另一端与舵 机固定板(14)相抵，八件套索中的第二套索的第二绳索(207)的一端与半槽轮(409) 连接，第二套索的第二绳索(207)的另一端与第二舵机模块(B)的舵机端槽轮连接， 八件套索中的第三套索的第三套管(213)的一端与滑动件(404)相抵，八件套索中的 第三套索的第三套管(213)的另一端与舵机固定板(14)相抵，八件套索中的第三套 索的第三绳索(203)的一端与半槽轮(409)连接，第三套索的第三绳索(203)的另一端与第二舵机模块(B)的舵机端槽轮连接，所述第二绳索(207)嵌入半槽轮(409) 的绳槽及第二舵机模块(B)的舵机端槽轮的绳槽中，所述第三绳索(203)嵌入半槽轮(409)的绳槽及第二舵机模块(B)的舵机端槽轮的绳槽中；相耦合的第二、第三转动关节包括第一支座(420)和第二支座(430)，第一支座(420)和第二支座(430)设在摆动件(408)上，在第一支座(420)和第二支座(430) 上分别转动连接有第一输入轴(422)和第二输入轴(432)且第一输入轴(422)的轴 心线和第二输入轴(432)的轴心线在同一条直线上，在第一输入轴(422)和第二输入 轴(432)上设有支架(425)，在支架(425)上转动连接有输出轴(429)且输出轴(429) 与第一输入轴(422)和第二输入轴(432)垂直，在第一输入轴(422)、第二输入轴(432) 及输出轴(429)上分别设有第一锥齿轮(424)、第二锥齿轮(434)及锥齿轮(426)， 并且锥齿轮(426)分别与第一锥齿轮(424)、第二锥齿轮(434)啮合，在第一输入轴(422)、第二输入轴(432)上分别设有第一槽轮(421)、第二槽轮(431)，八件套索 中的第四套索的第四套管(216)的一端及第五套索的第五套管(218)的一端与第一支 座(420)相抵，第四套索的第四套管(216)的另一端及第五套索的第五套管(218) 的另一端与舵机固定板(14)相抵，第四套索的第四绳索(206)的一端及第五套索的 第五绳索(208)的一端与第一槽轮(421)连接，第四套索的第四绳索(206)的另一 端及第五套索的第五绳索(208)的另一端与第三舵机模块(C)的舵机端槽轮连接，所 述第四绳索(206)嵌入第一槽轮(421)的绳槽及第三舵机模块(C)的舵机端槽轮的 绳槽中，所述第五绳索(208)嵌入第一槽轮(421)的绳槽及第三舵机模块(C)的舵 机端槽轮的绳槽中，八件套索中的第六套索的第六套管(214)的一端及第七套索的第 七套管(211)的一端与第二支座(430)相抵，第六套索的第六套管(214)的另一端 及第七套索的第七套管(211)的另一端与舵机固定板(14)相抵，第六套索的第六绳 索(204)的一端及第七套索的第七绳索(201)的一端与第二槽轮(431)连接，第六 套索的第六绳索(204)的另一端及第七套索的第七绳索(201)的另一端与第四舵机模 块(D)的舵机端槽轮连接，所述第六绳索(204)嵌入第二槽轮(431)的绳槽及第四 舵机模块(D)的舵机端槽轮的绳槽中，所述第七绳索(201)嵌入第二槽轮(431)的 绳槽及第四舵机模块(D)的舵机端槽轮的绳槽中。
3.根据权利要求2所述的套索传动机械手，其特征在于在输出轴(429)上设有 夹子(427)，在夹子(427)的一个夹片上设有套管固定件(428)，八件套索中的第八 套索的第八套管(212)的一端与套管固定件(428)相抵，第八套索的第八套管(212)的另一端与与舵机固定板(14)相抵，第八套索的第八绳索(202)的一端与夹子(427) 的另一个夹片连接，第八套索的第八绳索(202)的另一端与第五舵机模块(E)的舵机 端槽轮连接，并且，第八绳索(202)嵌入第五舵机模块(E)的舵机端槽轮的绳槽中。
专利摘要一种套索传动机械手，包括驱动模块、操作杆和末端机械手，末端机械手设在操作杆的末端，在驱动模块与末端机械手之间设有套索传动模块，套索传动模块的一端与驱动模块相连，套索传动模块的另一端与末端机械手相连，套索传动模块包含八件套索，套索由套管和绳索组成，绳索可滑动的设在套管内。本实用新型采用了可实现远距离传动且机械机构简单、传动路线灵活的套索传动机构，结构简单合理，动作灵活，可在狭小空间内作业，作业时套索传动机械手只有部分进入狭小空间内，不存在出现故障无法收回的情况，适用于灾后废墟中的救灾工作，也可用于大型变压器检测维修、管道清理等需要在狭小空间内作业的场合。
文档编号B25J13/00GK201224103SQ20082004115
公开日2009年4月22日 申请日期2008年7月24日 优先权日2008年7月24日
发明者也 丁, 王兴松, 田富湘 申请人:东南大学