一种蛇形臂的制作方法

本发明涉及电动汽车自动充电技术领域，更具体地，涉及一种用于电动汽车自动充电机器人技术装备的蛇形机械臂。

背景技术：

随着电动汽车在国际和国内的普及，同时以电动汽车分时租赁业务的大步发展为背景，电动汽车分时租赁存在的人性化管理问题也凸显出来，尤其是电动汽车的充电方式。

目前，传统的充电方式采用充电站或在城市不同区域设置电动汽车充电桩，充电过程完全依赖人工操作，自动化程度低，尤其对于分时租赁的电动汽车更是如此。

实现电动汽车自动充电和无人化全自动操作，能大幅度降低充电站的管理成本，极大地提高分时租赁的用车体验和操作安全性，为电动车充电给租客和车主提供极大便利条件。并且，电动汽车自动充电可与其他自动化设施相结合，例如自动泊车、自动清洁等，形成完善的电动汽车自动化服务体系，充分实现智能化。

为了实现电动汽车的自动充电，可采用机械臂作为电动汽车自动充电机器人技术装备进行充电电缆与电动汽车之间的接驳。然而，现有技术中，传统的工业机械臂受限于刚度和尺寸限制，其自由度有限，且环境适应能力差，因此难以胜任电动汽车的自动充电过程。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种用于电动汽车自动充电机器人技术装备的蛇形臂，实现电动汽车自动充电和无人化全自动操作。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种蛇形臂，包括：

臂体，其由多个连杆串接而成，相邻连杆之间通过旋转关节活动连接，每个旋转关节包括一对上、下底座及其之间的十字轴万向节，其中上底座设有一对与十字轴万向节其中一组枢轴枢接的第一万向节叉，下底座设有一对与十字轴万向节的另一组枢轴枢接的第二万向节叉，所述上、下底座对应设有环绕第一、第二万向节叉的一圈第一通孔；除顶部连杆外每一连杆的上端面设有多个用于与下底座连接的定位孔、除底部连杆外每一连杆的下端面设有多个用于与上底座连接的定位孔，位于连杆上端面的一个下底座第二万向节叉与位于该连杆下端面的一个上底座第一万向节叉之间呈90+ɑ度设置，其中ɑ为锐角，所述ɑ的角度大小通过定位孔进行调节；其中，每个十字轴万向节的两组枢轴通过四根拉索依次穿过其下方各旋转关节上、下底座上对应的一个第一通孔连接至对应的一个驱动单元，通过驱动单元对拉索的牵拉，控制十字轴万向节的旋转，以控制蛇形臂的多维运动。

优选地，还包括支撑底座，其通过底座顶板正面与臂体最下端的一个连杆下端面连接，所述底座顶板设有与第一通孔对应的一圈第二通孔，所述底座顶板背面绕连杆中心轴设有多个驱动单元，每个十字轴万向节的两组枢轴通过四根拉索依次穿过其下方各旋转关节上、下底座上对应的一个第一通孔及底座顶板上对应的一个第二通孔连接至对应的一个驱动单元。

优选地，各拉索之间相互平行设置。

优选地，所述第一通孔的数量为连杆数量的4倍，所述ɑ的角度数值为360°与第一通孔数量之比。

优选地，所述连杆、十字轴万向节及上、下底座的中心开有第三通孔，所述底座顶板的中心开有与第三通孔对应的第四通孔，用于通过缆线。

优选地，所述第一、第二万向节叉的叉孔外侧装有第一传感器，用于检测十字轴万向节的旋转角度。

优选地，在所述第一、第二万向节叉上还装有第二传感器，用于检测相邻连杆之间的相对位置以及相邻旋转关节相对的上、下底座之间的相对位置关系。

优选地，每个驱动单元包括电机、丝杠和滑块，所述底座顶板的下方设有底座底板，所述底座顶板和底座底板上开有轴承孔，所述轴承孔内安装有轴承座，所述丝扛安装于底座顶板和底座底板上的轴承座内，所述电机安装于底座底板的外侧，并通过联轴器与丝杠连接；通过电机驱动丝杠旋转，使安装在丝杠上的滑块沿着丝杠运行，并牵拉固定于滑块上的拉索，所述拉索连接于十字轴万向节的枢轴轴端。

优选地，所述上、下底座设有与定位孔配合的连接孔。

优选地，所述连杆为筒形或由环绕连杆中心轴的一圈立柱组成。

本发明的优点在于：本发明的蛇形臂能够具有高柔性操作能力，能够实现电动汽车充电服务人性化、便捷化、智能化；相比于现有技术中的蛇形臂结构，本发明通过使相邻两个旋转关节上底座的第一万向节叉和下底座的第二万向节叉之间呈90+ɑ度设置来优化拉索的排布，保证了所有拉索在与其所拉动的十字轴万向节枢轴相对应的同时，可以保持平行排列，有效防止了缠绕的发生；同时，通过在连杆的端面设置多个用于与底座连接的定位孔，使每个旋转关节安装于连杆上的角度可调，方便了对于关节位置的调整和定位，提高了蛇形臂的运动精度，且有利于后期的位置校准；此外，通过在万向节叉上安装的传感器，可检测十字轴万向节的旋转角度、相邻连杆之间的相对位置以及相邻旋转关节相对的上、下底座之间的相对位置关系，从而可以准确获知蛇形臂的运动情况。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的一种蛇形臂结构示意图；

图2是本发明一较佳实施例的一种蛇形臂臂体结构示意图；

图3是本发明一较佳实施例的连杆与旋转关节的组合状态示意图；

图4是本发明一较佳实施例的连杆与旋转关节的组合状态分解示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1-图4，其中图1是本发明一较佳实施例的一种蛇形臂结构示意图，图2是本发明一较佳实施例的一种蛇形臂臂体结构示意图；图3是本发明一较佳实施例的连杆与旋转关节的组合状态示意图，图4是本发明一较佳实施例的连杆与旋转关节的组合状态分解示意图；图示为蛇形臂的横置形态。如图1所示，本发明的一种蛇形臂，可包括相连的蛇形臂臂体1和支撑底座2两个主要组成部分。臂体1由多个(节)连杆11串接而成；连杆的数量例如可以为3个到10个之间。每两个相邻连杆之间通过一个旋转关节12进行活动连接。如图2所示，每个旋转关节12包括一对用于分别与上下两个连杆连11接的上底座121-1、下底座121-2及转动连接在上、下底座之间用于实现旋转的十字轴万向节(未显示)；每个十字轴万向节通过四根拉索13进行旋转控制。如图1所示，臂体1通过其最下端的一个连杆与支撑底座2连接在一起。在支撑底座上设有驱动单元，用于驱动臂体进行多维运动。

请参阅图2和图3，图2显示一段臂体的结构，图3显示连接位于一个连杆11上端面位置的一个旋转关节中的其中一个下底座121-2和与下底座连接的十字轴万向节122，以及连接位于连杆11下端面位置的另一个旋转关节中的其中一个上底座121-1。每两个相邻连杆11之间通过一个旋转关节12进行活动连接。每个十字轴万向节122具有两组正交的枢轴。每个旋转关节中的上底座121-1设有一对与十字轴万向节122其中一组枢轴枢接的第一万向节叉123-1，每个旋转关节中的下底座121-2设有一对与十字轴万向节122的另一组枢轴枢接的第二万向节叉123-2。每对万向节叉123-1、123-2竖直设置，在每对万向节叉上可相对水平设置叉孔，将十字轴万向节122的其中一组枢轴的两端水平放入两个叉孔形成配合后，即可使该组枢轴在十字轴万向节的另一组枢轴受到其连接的拉索13的牵拉力作用下绕叉孔旋转，从而带动蛇形臂臂体向受力侧弯曲运动。

在所述第一、第二万向节叉的叉孔外侧可装有第一传感器125，用于检测十字轴万向节122的旋转角度。

请参阅图4，其显示位于一个连杆11’上端面位置的一个旋转关节中的其中一个下底座121-2和与该下底座连接的十字轴万向节122，以及位于同一连杆11’下端面位置的另一个旋转关节中的其中一个上底座121-1和与该上底座连接的另一个十字轴万向节122。除位于臂体顶部的一个连杆外，每一连杆的上端面设有多个用于与下底座连接的定位孔(未显示)，并且，除位于臂体底部的一个连杆外，每一连杆的下端面111设有多个用于与上底座连接的定位孔112；同时，在下底座、上底座分别设有与连杆对应端面定位孔配合的连接孔126。

请参阅图2-图4。位于同一连杆11(11’)上、下端面的两个万向节叉123-2、123-1之间呈90+ɑ度设置，即位于连杆上端面的一个旋转关节下底座的第二万向节叉123-2与位于该连杆下端面的另一个旋转关节上底座的第一万向节叉123-1之间沿臂体轴向呈90+ɑ度设置，其中ɑ为锐角。所述ɑ的角度大小可通过定位孔112进行调节，即在设置相邻两个旋转关节中其中一个的下底座第二万向节叉和另一个的上底座第一万向节叉之间的交错角度时，利用加工在连杆上的一圈定位孔112，通过将下底座的连接孔126与不同偏转角度的定位孔112对准进行连接，就可调节下底座第二万向节叉123-2和连杆另一侧上底座第一万向节叉123-1之间ɑ角的大小。依次对每个旋转关节进行调节，就可使得位于连杆之间的各旋转关节的十字轴万向节之间依次相互偏转一个角度设置(即偏角为ɑ)。

所述上、下底座对应设有环绕第一、第二万向节叉(也就是环绕连杆的中心轴)的一圈均匀排列的第一通孔124；每个第一通孔用于穿设一根拉索13，每根拉索连接对应的一个十字轴万向节122，用于拉动使十字轴万向节旋转。

所述第一通孔的数量为连杆数量的4倍。所述ɑ的角度(即偏角)数值为360°与第一通孔数量之比。每个旋转关节上的第一通孔所通过的拉索数量从臂体顶端的一个旋转关节开始逐个增加4根拉索。例如，假设一共有10节连杆，那么每一旋转关节的上底座和下底座均设有40个通孔。第一个旋转关节的上底座(即第一个旋转关节的下底座)第一通孔穿过4根拉索，第二个旋转关节的上底座(即第二个旋转关节的下底座)第一通孔穿过8根拉索，以此类推，最后一个旋转关节的下底座第一通孔穿过40根拉索，由此最后一个旋转关节的下底座共通过40个拉索连接至对应的驱动单元。

所述连杆11可由环绕连杆中心轴的一圈立柱组成，并且旋转关节上、下底座的外周大于立柱所围成的外轮廓，使拉索得以穿过，如图2所示。所述连杆11’也可采用筒形等其他结构，如图3所示。

由图1、图2可以看到，通过使相邻旋转关节的万向节叉之间偏转一定角度设置，使得各旋转关节对应底座上的各对万向节叉之间按照一定的偏角依次偏转。这样，由于各旋转关节的不同十字轴叉之间沿中心轴交错一个角度(也就是各旋转关节的不同十字轴万向节之间交错一个角度)，在保证了所有十字轴万向节上的拉索与其所拉动的十字轴万向节枢轴相对应的同时，也使得各拉索之间保持了平行排列。

请参阅图1。支撑底座2设有底座顶板21和位于底座顶板下方的底座底板22，并相连接构成箱体结构。支撑底座2通过其底座顶板21正面与臂体1最下端的一个(节)连杆11下端面连接。在所述底座顶板21上设有与各第一通孔124对应的一圈第二通孔(未显示)，用于对应通过拉索13。

在所述底座顶板21背面设有多个驱动单元23；各驱动单元23绕连杆中心轴(支撑底座中心轴)设置，形成筒状结构。每个驱动单元23包括电机233、丝杠231和滑块232。所述底座顶板21和底座底板22上各开有一圈轴承孔，所述轴承孔内安装有轴承座；每个驱动单元23的所述丝扛231对应安装于底座顶板21和底座底板22上的一对轴承座内。每个驱动单元23的所述电机232安装在底座底板22的外侧，并通过联轴器与该驱动单元的丝杠231连接。

通过电机233驱动丝杠231旋转，使安装在丝杠上的滑块232沿着丝杠在一定范围内运行，并牵拉固定于滑块上的一根拉索13，则可控制该拉索连接的十字轴万向节122旋转，从而达到控制蛇形臂运动的目的。

每个十字轴万向节正交的两组枢轴通过四根拉索13依次穿过其下方各旋转关节上、下底座上对应的一个第一通孔及底座顶板上对应的一个第二通孔连接至对应的一个驱动单元的滑块上。通过某个驱动单元对其连接的拉索的牵拉，就可控制对应十字轴万向节的旋转，对不同驱动单元进行组合控制，就可以实现自动控制蛇形臂进行多维运动的目的。

对于十字轴万向节而言，如果输入、输出轴之间存在夹角，则两轴的角速度就会不相等，这会导致连杆之间发生扭转与振动，因而将影响到蛇形臂的运动精度。为了保证输入、输出轴之间不存在夹角，用于牵拉十字轴万向节两枢轴的四根拉索，应该分别连接于十字轴万向节的两枢轴上，并最好位于两枢轴的轴端。

同时，对于蛇形臂而言，由于存在多个连杆和旋转关节，也就是有多套十字轴万向节，如将各十字轴万向节之间都按相同的角度进行安装，则用于驱动十字轴万向节的多条拉索之间将无法保持平行。在此情形下，当拉索数量较多时，容易发生彼此的缠绕。这在过去的发明中都未曾考虑过这个问题。

本发明的优点就在于由于位于连杆上、下端面的两个十字轴万向节之间沿中心轴交错一个角度，因而在保证了所有十字轴万向节的拉索与其所拉动的十字轴万向节枢轴相对应的同时，可保持平行排列。并且，通过设置多个定位孔，使得每个十字轴旋转关节安装于连杆上的角度可调，也有利于后期的位置校准。

请参阅图3和图4。在各所述连杆、十字轴万向节及上、下底座的中心还开有第三通孔，同时，在所述底座顶板的中心也开有与第三通孔对应的第四通孔(未显示)；第三、第四通孔可用于通过缆线。

此外，在所述第一、第二万向节叉上还可装有第二传感器，用于检测相邻连杆之间的相对位置以及相邻旋转关节相对的上、下底座之间的相对位置关系。

相比于现有技术中的蛇形臂结构，本发明通过在位于同一个连杆上、下端面的两对轴叉之间增加一个偏转角度ɑ来优化拉索的排布，保证了所有拉索在与其所拉动的十字轴万向节枢轴相对应的同时，可以保持平行排列，有效防止了缠绕的发生。

同时，通过在连杆的端面设置多个用于与底座连接的定位孔，使每个旋转关节安装于连杆上的角度可调，方便了对于关节位置的调整和定位，提高了蛇形臂的运动精度，且有利于后期的位置校准。

此外，通过在万向节叉上安装的传感器，可检测十字轴万向节的旋转角度、相邻连杆之间的相对位置以及相邻旋转关节相对的上、下底座之间的相对位置关系，从而可以准确获知蛇形臂的运动情况。

本发明的蛇形臂能够具有高柔性操作能力，并能够实现电动汽车充电服务的人性化、便捷化、智能化。实现电动汽车的自动充电和无人化全自动操作，能大幅度降低充电站的管理成本，极大地提高分时租赁的用车体验和操作安全性，为电动车充电给租客和车主提供极大便利条件。并且，电动汽车自动充电可与其他自动化设施相结合，例如自动泊车、自动清洁等，形成完善的电动汽车自动化服务体系，充分实现智能化。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。