具有三自由度的蛇形机械臂主体模块和蛇形机械臂的制作方法

本发明涉及机械结构领，尤其是一种具有三自由度的蛇形机械臂主体模块和蛇形机械臂。

背景技术：

目前机器人技术已经被广泛的应用到工业自动化当中，但在很多重要工业领域，如船舶制造、电解冶金、核能电力、石油化工等，由于作业空间的复杂和狭窄，现有的机器人很难甚至无法完成相关作业任务。在这些情况下，即便采用了机器人技术，也往往需要工人进行大量的辅助工作，具有危险系数高、效率低、工作量大等弊端。

因此，在以上提及的狭小空间内复杂工作背景之下，蛇形机械臂机器人应运而生，以生物蛇为原型进行设计，具有横截面积小、可任意伸缩、自由度多、动作灵活、冗余度高、灵活易动，运动时可以自行躲避障碍等优点。但现有的蛇形机械臂技术在自由度方面仍有欠缺，主要以单自由度、双自由度为主，欠缺灵活性，市场推广意义不大。而具有三自由度的蛇形臂则是以复杂繁琐的机械结构以及多驱动机构为前提，具有体型大、结构复杂、不便于操作等弊端。例如：专利号为200810229974.1、cn201210206516.2、cn201521131156.x等专利公开的蛇形机械臂由多个主体模块构成，每个主体模块由3条柔索进行控制，具有两个自由度。专利号为cn201610533605.6的蛇形机械臂的主体模块在由3条柔索进行控制的基础上，采取在每一个主体模块上添加两个驱动电机的方式，增加了蛇形机械臂的灵活度，但该方式使蛇形臂的整体进一步增重，增加电机驱动成本，使得蛇形机械臂的基座需要进一步增大，不便于狭窄空间内的使用。专利号为cn201410102191.2的蛇形机械臂的主体模块具有三个自由度，但其内部需要4条柔索进行控制。总体而言，目前没有由3条柔索控制以达到三个自由度的蛇形机械臂主体模块。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明旨在解决现有蛇形机械臂主体模块自由度欠缺、结构复杂、重量较大等问题，提供一种结构简单、自由度高的蛇形机械臂主体模块和蛇形机械臂。

(二)技术方案

本发明提供了一种具有三自由度的蛇形机械臂主体模块，包括：模块外体和模块内体；所述模块内体嵌套于所述模块外体中，所述模块内体与所述模块外体可在轴向相对运动，实现轴向自由度的伸缩形变。

在本发明的一些实施例中，所述模块外体和所述模块内体之间连接有弹性部件，柔索穿过所述模块外体和模块内体，通过所述柔索拉力和弹性部件推力的相互配合，实现轴向自由度的伸缩形变。

在本发明的一些实施例中，所述模块外体包括圆筒形的外壳；所述模块内体包括圆环固定结构，所述弹性部件设置于外壳的一端与圆环固定结构内侧面之间。

在本发明的一些实施例中，所述外壳的壳壁沿轴向开有第一通孔，所述圆环固定结构开有第二通孔，其外侧面固定第一万向节轭，所述第一万向节轭的外圈开有第四通孔；所述柔索一端固定于所述外壳的另一端，穿过第一通孔、第二通孔和第四通孔，另一端连接至驱动装置。

在本发明的一些实施例中，所述外壳的另一端固定第二万向节轭，所述第二万向节轭的外圈开有第三通孔，所述第三通孔以及第一通孔、第二通孔和第四通孔供串联的其他主体模块的柔索穿过。

在本发明的一些实施例中，所述模块外体还包括：两个滑轨和沿轴向设置于外壳内部的三个支撑板，所述支撑板沿相同的直径方向延伸并固定于外壳内壁，所述两个滑轨沿轴向延伸，其中一个设置在三个支撑板的上表面，另一个设置在三个支撑板的下表面，所述滑轨两侧面开有槽道。

在本发明的一些实施例中，所述模块内体还包括：固定在所述圆环固定结构内侧面、沿轴向延伸且结构对称的两个支撑结构；每个支撑结构包括连为一体的圆弧刚体结构和直板刚体结构，两个支撑结构的直板刚体结构之间形成一容置空间，直板刚体结构面向容置空间的表面沿轴向固定有两个滑块，滑块底面有沟槽，沟槽的两侧面含有多个钢珠；所述滑轨插入所述滑块的沟槽，所述沟槽的钢珠可在滑轨的槽道里自由滚动，所述圆弧刚体结构与外壳内壁之间留有缝隙，实现模块内体与模块外体的轴向相对运动。

在本发明的一些实施例中，所述第一万向节轭和第二万向节轭用于实现上下方向和左右方向自由度的运动。

在本发明的一些实施例中，所述柔索为三条，相互平行且成等边棱柱形布置。

本发明还提供了一种蛇形机械臂，包括多个首尾串联的上述蛇形机械臂主体模块，相邻蛇形机械臂主体模块的第一万向节轭和第二万向节轭通过十字轴连接，形成万向节连接，蛇形机械臂具有轴向伸缩、上下转动、左右转动三个自由度。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的具有三自由度的蛇形机械臂主体模块和蛇形机械臂具有以下有益效果：

(1)在蛇形机械臂主体模块重量不显著增加的情况下，利用钢丝绳和弹簧的相互作用，在原有主体模块的基础上增加一个自由度，实现了主体模块三个自由度；

(2)在维持每主体模块三根钢丝绳的前提下，使各主体模块由常规的两个自由度改变为三个自由度，提高了关节运动的灵活性，更能满足实际的生产需求。

附图说明

图1是本发明实施例的蛇形机械臂主体模块整体结构示意图。

图2是本发明实施例的蛇形机械臂主体模块横截面结构示意图。

图3是本发明实施例的蛇形机械臂两个主体模块连接示意图。

【符号说明】

1-模块外体；2-模块内体；3-弹簧；4-钢丝绳；5-万向节轭；11-支撑板；12-滑轨；21-圆环固定结构；22-支撑结构；221-圆弧刚体结构；222-直板刚体结构；23-滑块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

请参考图1，本发明第一实施例提供了一种具有三自由度的蛇形机械臂主体模块，包括：模块外体1、模块内体2、弹簧3、钢丝绳4以及万向节轭5。

参见图2，模块外体1包括：外壳、支撑板11和滑轨12。外壳为两端开口的圆筒状结构，外壳壁沿轴向开有供钢丝绳4穿过的第一通孔；支撑板11和滑轨12设置于外壳内部，其中，沿轴向设置有三个支撑板11，三个支撑板11沿相同的直径方向延伸并固定于外壳内壁，两个滑轨12沿轴向延伸，其中一个设置在三个支撑板11的上表面，另一个设置在三个支撑板11的下表面，滑轨12两侧面开有槽道，滑轨12与支撑板11通过螺栓和螺母固定。

模块内体2由圆环固定结构21以及两个支撑结构22构成，圆环固定结构21开有供钢丝绳4穿过的第二通孔，其位置与外壳壁的第一通孔对应。两个支撑结构22使用螺栓固定在圆环固定结构21内侧面，沿轴向延伸且为对称结构。每个支撑结构22包括连为一体的圆弧刚体结构221和直板刚体结构222，两个支撑结构22的直板刚体结构222之间形成一容置空间，直板刚体结构222面向容置空间的表面沿轴向固定有两个滑块23，滑块23底面有沟槽，沟槽的两侧面含有多个钢珠。

模块内体2嵌套于模块外体1中，滑轨12插入滑块23的沟槽，沟槽的钢珠可以在滑轨12的槽道里自由滚动，圆弧刚体结构221与模块外体1外壳内壁之间有微小缝隙，以利于模块内体2与模块外体1的相对运动。模块外体1外壳的第一端固定一万向节轭5，该万向节轭5包括一外圈以及外圈延展出的两个相对的顶点，外圈开有供钢丝绳4穿过的第三通孔。外壳的第二端与模块内体2的圆环固定结构21之间连接一弹簧3，圆环固定结构21外侧面通过螺栓固定另一万向节轭5，该万向节轭5包括一外圈以及外圈延展出的两个相对的顶点，外圈开有供钢丝绳4穿过的第四通孔。每个主体模块包括三条钢丝绳，钢丝绳一端固定于模块外体1外壳的第一端，穿过第一通孔、第二通孔、以及第四通孔，另一端经其他主体模块的第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔连接至驱动装置，或者直接至驱动装置，三条钢丝绳相互平行且成等边棱柱形布置。

其中，第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔均包括沿周向均匀分布的一组通孔，各组通孔数量相同，均为3×n个，n为大于等于2的自然数，且位置对应。每个主体模块的第一通孔、第二通孔和第四通孔中各有三个通孔供其自身钢丝绳穿过，第一通孔、第二通孔和第四通孔的其余通孔和第三通孔供与该主体模块串联的其他主体模块的钢丝绳穿过。

例如，如图3所示，假设只包括两个串联的主体模块，图中左侧主体模块的三条钢丝绳，其一端固定于该模块外体外壳的第一端，穿过其第一通孔、第二通孔和第四通孔，另一端连接至驱动装置；图中右侧主体模块的三条钢丝绳，其一端固定于该模块外体外壳的第一端，穿过其第一通孔、第二通孔和第四通孔后，继续穿过左侧主体模块的第三通孔、以及第一通孔、第二通孔和第四通孔，另一端连接至驱动装置。即左侧主体模块的第一通孔、第二通孔和第四通孔各有六个通孔穿有钢丝绳，其中一组三个通孔的钢丝绳为其自身的钢丝绳，另一组三个通孔的钢丝绳为左侧主体模块的钢丝绳，通过这种形式即可实现驱动装置对各个主体模块钢丝绳的控制。

本实施例的蛇形机械臂主体模块，通过驱动装置拉动钢丝绳4，在弹簧3的作用下，滑轨12可在滑块23的沟槽内滑动，使得模块内体2与模块外体1发生相对运动，实现主体模块在轴向自由度的伸缩形变，同时，主体模块之间通过万向节进行绞合，从而还具有上下、左右两个方向的自由度。

其中，钢丝绳可以采用不锈钢材质制成的钢丝捻制而成，具有承重力大、耐腐蚀以及抗氧化的特性；除钢丝绳和弹簧外，本发明还可以采用其他类型的柔索和弹性装置。

在装配本实施例的蛇形机械臂主体模块时，首先对准滑轨12和滑块23的沟槽，使模块内体2插入至模块外体1当中；然后在模块内体2和模块外体1之间安装弹簧3；最后穿入并固定钢丝绳4。通过驱动钢丝绳4，使其拉力变大，压缩弹簧3，实现主体模块轴向长度的缩短，以适应现场操作需求。通过驱动钢丝绳4的拉力变小，小于弹簧3的推力时，弹簧3将推动模块外体1和模块内体2分开，实现主体模块轴向长度的伸长，以适应现场操作需求。

至此，通过驱动钢丝绳4的拉力和弹簧3推力的相互配合，实现主体模块轴向长度的变化，在不增加钢丝绳4数量的前提下，增加了一个自由度，达到三个自由度，极大增加了蛇形机械臂的灵活性，更能满足实际的生产需求。

参见图3，本发明第二实施例提供了一种具有三自由度的蛇形机械臂，包括多个首尾串接的第一实施例所述的主体模块，相邻两个主体模块的万向节轭5通过十字轴连接，形成万向节连接，蛇形机械臂具有轴向伸缩、上下转动、左右转动三个自由度。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的具有三自由度的蛇形机械臂主体模块有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。