一种双向自适应伸缩机械臂的制作方法

本发明涉及机械臂，具体地说是一种双向自适应伸缩机械臂。

背景技术：

随着机器人技术的迅猛发展，对能在复杂环境下执行任务的特种机器人的需求日益增加。传统机械臂控制复杂、结构繁冗、成本高，且大多数为刚性机械臂，不具有适应不同环境与工况的能力。国内外研发了不同构型的机器人，但关于柔性臂的机器人却非常少，这使得机器人的发展受到了局限性，其工作环境也有所限制。

技术实现要素：

为了解决传统机械臂存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种双向自适应伸缩机械臂。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括底座、驱动控制机构、机械臂、上支撑板及末端机械手，其中机械臂包括多个关节单元，每个关节单元均包括中间支撑杆及连接于该中间支撑杆两侧的剪叉杆机构，位于同侧的剪叉杆机构相互铰接，位于最底部关节单元中每侧的剪叉杆机构分别连接有独立的驱动控制机构，所述驱动控制机构安装于底座上，位于最顶部的关节单元连接有上支撑板，该上支撑板上安装有所述末端机械手；各所述关节单元中位于同侧的剪叉杆机构通过独立的驱动控制机构驱动，实现同侧的各剪叉杆机构中两个剪叉向内或向外相对转动，进而实现所述机械臂的伸缩变形或侧向弯曲；

其中：每个所述关节单元中间支撑杆两侧的剪叉杆机构相互平行，并通过支撑杆连接；

所述剪叉杆机构包括剪叉杆a、剪叉杆b、铰链及滑杆，该剪叉杆a与剪叉杆b呈“x”形铰接于所述中间支撑杆的一端，所述剪叉杆a的两端及剪叉杆b的两端均铰接有铰链，位于剪叉杆a与剪叉杆b同一端的两个铰链之间均滑动连接有滑杆；位于最底部关节单元中每侧剪叉杆a和剪叉杆b下端铰接的铰链与独立的驱动控制机构连接，由该独立的驱动控制机构驱动沿所滑动连接的滑杆反向移动；

位于最底部关节单元中两侧剪叉杆机构下端的滑杆安装在所述底座上，上端的滑杆之间通过支撑杆相连；除位于最底部关节单元之外的其余关节单元中两侧剪叉杆机构同一端的滑杆之间通过支撑杆相连；

同侧所述剪叉杆机构中相邻剪叉杆a铰接的铰链固接或相邻剪叉杆a之间共用一个铰链，相邻剪叉杆b铰接的铰链固接或相邻剪叉杆b之间共用一个铰链；

相邻所述关节单元的中间支撑杆之间连接有弹簧；

所述弹簧为两根，两根弹簧的下端均连接于相邻关节单元中位于下方的关节单元的中间支撑杆上，上端分别连接于相邻关节单元中位于上方的关节单元的中间支撑杆的两端；

所述驱动控制机构包括轴承座、螺杆、螺母、驱动机构及传动机构，该螺杆的两端均设有安装在所述底座上的轴承座，所述螺杆的两端分别转动连接于两端的轴承座上，该螺杆上设有两段反向螺纹，每段螺纹均连接有形成螺纹副的螺母，所述螺杆上的两个螺母分别与位于最底部关节单元中一侧剪叉杆机构的两个剪叉杆相连；所述驱动机构安装在底座上，输出轴通过所述传动机构与螺杆连接，驱动该螺杆旋转，通过螺杆与两个螺母的螺纹副，实现两个螺母的反向移动，进而实现所述剪叉杆机构的伸缩变形；

所述驱动机构包括分别安装在底座上的电机及减速器，该电机的输出轴与减速器连接；所述传动机构为齿轮传动机构，包括齿轮a及齿轮b，该齿轮a与减速器的输出轴连接，所述齿轮b连接于螺杆的一端，并与齿轮a啮合传动；

位于最底部的所述关节单元中，两侧的剪叉杆机构所连接的两个驱动控制机构中的螺杆相互平行。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明结构灵巧，驱动方式简单，运动精度高，控制简单，运动灵活，机械臂的任意位置运动使抓取位置更加广泛，机械臂的自适应变形能力可以在障碍物等多种情况下实现抓取或者依靠自身进行抱持。

2.本发明通过两个电机分别控制两个剪叉杆机构，使机械臂可以实现侧向弯曲或伸缩变形，并且可以保证在接触物体时，产生自适应变形，从而可以让末端到达预定位置，使所述机械手达到预期位置以完成抓取；同时，也可以依靠机械臂自身的自适应变形，抱持一定尺寸的物体。

3.本发明通过仿生象鼻设计出一种仿生象鼻柔性机械臂机构。

4.本发明打破传统关节式机械臂的局限性，使机械臂的发展范围更加宽广。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明关节单元的结构示意图；

图3为本发明的弯曲原理图；

图4为本发明驱动控制机构的结构示意图；

图5为本发明驱动控制机构与剪叉杆机构连接的结构示意图；

其中：1为轴承座a，2为螺杆，3为螺母a，4为底板，5为电机，6为螺母b，7为减速器，8为轴承座b，9为齿轮a，10为齿轮b，11为支撑架，12为滑杆a，13为中间支撑板，14为铰链a，15为剪叉杆a，16为中间支撑杆a，17为剪叉杆b，18为铰链b，19为支撑杆，20为中间支撑杆b，21为滑杆b，22为弹簧a，23为弹簧b，24为上支撑板，25为末端机械手。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1所示，本发明包括底座、驱动控制机构、机械臂、上支撑板24及末端机械手25，其中底座包括底板4、中间支撑板13及支撑架11，该中间支撑板13位于底板4的上方，中间支撑板13与底板4之间通过多个(本实施例为两个)支撑架11连接；中间支撑板13上开设有两个方形孔，用于机械臂与驱动控制机构相连。驱动控制机构安装在底座内(即安装在中间支撑板13与底板4之间)，机械臂安装在中间支撑板上、并与驱动控制机构连接，上支撑板24安装在机械臂的末端，末端机械手25设置于上支撑板24上。机械臂可以实现侧向弯曲或伸缩变形，并且可以保证在接触物体时，产生自适应变形，从而可以让末端到达预定位置，使机械手达到预期位置以完成抓取；同时，也可以依靠机械臂自身的自适应变形，抱持设定尺寸的物体。

机械臂包括多个关节单元，每个关节单元均包括中间支撑杆及连接于该中间支撑杆两侧的剪叉杆机构，每个关节单元中间支撑杆两侧的剪叉杆机构相互平行，并通过支撑杆19连接。位于同侧的剪叉杆机构相互铰接，位于最底部关节单元中每侧的剪叉杆机构分别连接有独立的驱动控制机构，两个驱动控制机构对称安装于底座上，位于最顶部的关节单元连接有上支撑板24，该上支撑板24上安装有末端机械手25。

如图1、图2及图5所示，剪叉杆机构包括剪叉杆a15、剪叉杆b17、铰链及滑杆，该剪叉杆a15与剪叉杆b17呈“x”形铰接于中间支撑杆的一端，剪叉杆a15的两端及剪叉杆b17的两端均铰接有铰链，位于剪叉杆a15与剪叉杆b17同一端的两个铰链之间均滑动连接有滑杆；位于最底部关节单元中每侧剪叉杆a15和剪叉杆b17下端铰接的铰链由中间支撑板13上开设的方形孔穿过、并与独立的驱动控制机构连接，由该独立的驱动控制机构驱动沿所滑动连接的滑杆反向移动。位于最底部关节单元中两侧剪叉杆机构下端的滑杆安装在底座的中间支撑板13上，上端的滑杆之间通过支撑杆19相连；除位于最底部关节单元之外的其余关节单元中两侧剪叉杆机构同一端的滑杆之间通过支撑杆19相连。同侧剪叉杆机构中相邻剪叉杆a15铰接的铰链固接或相邻剪叉杆a15之间共用一个铰链，相邻剪叉杆b17铰接的铰链固接或相邻剪叉杆b17之间共用一个铰链；本实施例是共用一个铰链，即铰链的两端分别与相邻两剪叉杆机构中的剪叉杆进行铰接。

以图2中一个关节单元为例，该关节单元每侧的剪叉杆机构均包括滑杆a12、铰链a14、剪叉杆a15、剪叉杆b17、铰链b18及滑杆b21，剪叉杆a15和剪叉杆b17呈“x”形，中间相交的位置通过销轴铰接，剪叉杆a15的两端均铰接有铰链a14，剪叉杆b17的两端均铰接有铰链b18，剪叉杆a15和剪叉杆b17一端相对应的铰链a14和铰链b18均与滑杆a12滑动连接，另一端相对应的铰链a14和铰链b18均与滑杆b21滑动连接。两侧的剪叉杆机构中的两个滑杆a12相对应端及两个滑杆b21相对应端均通过支撑杆19连接。

相邻两个关节单元的中间支撑杆之间连接有弹簧。弹簧为两根，两根弹簧的下端均连接于相邻关节单元中位于下方的关节单元的中间支撑杆上，上端分别连接于相邻关节单元中位于上方的关节单元的中间支撑杆的两端。以图1中位于最底部和第二个关节单元为例，最底部关节单元中的中间支撑杆a16与第二个关节单元中的中间支撑杆b20之间采用两根弹簧进行连接，弹簧a22和弹簧b23的下端均连接于中间支撑杆a16的中部，上端分别连接于中间支撑杆b20的两端。弹簧处于压缩状态时，由于弹簧的弹性变形，故可以支撑两侧的剪叉保持设定的形状；当遇到障碍物时，弹簧将会进一步发生形变，进而发挥其自适应作用，使末端机械手25继续向预定位置进行运动，或者适应需要抱持的物体的形状。

如图1、图4及图5所示，本发明的驱动控制机构为两个，分别驱动控制关节单元中同一侧的剪叉杆机构产生变形。驱动控制机构包括轴承座、螺杆2、螺母、驱动机构及传动机构，该螺杆2的两端均设有安装在底座上的轴承座，螺杆2的两端分别转动连接于两端的轴承座上，该螺杆2上设有两段反向螺纹，每段螺纹均连接有形成螺纹副的螺母，螺杆2上的两个螺母分别与位于最底部关节单元中一侧剪叉杆机构的两个剪叉杆相连；驱动机构安装在底座上，输出轴通过传动机构与螺杆2连接，驱动该螺杆2旋转，通过螺杆2与两个螺母的螺纹副，实现两个螺母的反向移动，进而实现剪叉杆机构的伸缩变形。驱动机构包括分别安装在底座上的电机5及减速器7，该电机5的输出轴与减速器7连接；传动机构为齿轮传动机构，包括齿轮a9及齿轮b10，该齿轮a9与减速器7的输出轴连接，齿轮b10连接于螺杆2的一端，并与齿轮a9啮合传动。位于最底部的关节单元中，两侧的剪叉杆机构所连接的两个驱动控制机构中的螺杆2相互平行。本实施例在螺杆2的两端对称设有固接在底座上的轴承座a1和轴承座b8，螺杆2的两端可转动地安装在轴承座a1和轴承座b8上，螺杆2上设有两段反向螺纹，这两段反向螺纹分别与螺母a3和螺母b6形成螺纹副。电机5与减速器7连接，减速器7的输出轴通过齿轮传动装置与螺杆2传动连接，螺母a3和螺母b6由中间支撑板13上的方孔穿出，位于最底部关节单元中一侧剪叉杆机构中的两个剪叉杆下端铰接的铰链分别与螺母a3、螺母b6相连，通过螺母a3和螺母b6的相对或反向运动，实现剪叉杆机构的伸缩变形。

本发明的工作原理为：

本发明的伸缩机械臂由两侧剪叉杆机构的长度控制来完成机械臂的运动，其原理是通过铰链沿滑杆长度方向的运动，使剪叉杆做剪叉运动，一侧剪叉杆机构发生收缩，另一侧剪叉杆机构发生伸展，则机械臂发生弯曲；两侧剪叉杆机构同时伸展，则机械臂做伸展运动；两侧剪叉杆机构做收缩运动，则机械臂做收缩运动。

机械臂发生弯曲的原理：如图2所示，当驱动一侧剪叉杆机构伸长，即铰链a14和铰链b18向中间靠拢，滑杆a12和滑杆b21距离拉开；同时驱动另一侧剪叉杆机构收缩，即铰链a14和铰链b18向外分开，滑杆a12和滑杆b21距离靠近，就会呈现梯形结构。如图3所示，ab伸长，a′b′缩短，因为双向运动可伸缩机械手整体相连接，则机械臂的整体就会呈现弯曲变形。

如图4所示，驱动控制机构包括两组丝杠螺母机构，两组丝杠螺母机构分别与一个关节单元中两侧的剪叉杆机构连接，并且分别驱动与其连接的剪叉杆机构产生变形。

如图5所示，通过螺母a3和螺母b6的相对或反向运动，实现剪叉杆机构的伸缩变形。

两组驱动控制机构中的螺杆2平行设置，从而与两组相平行的剪叉杆机构相适应。

本发明由对两个电机5的控制来完成，通过对电机5的控制，电机5发生转动，减速器7传递运动到齿轮a9，齿轮a9传递运动到齿轮b10，齿轮b10传递运动到螺杆2。螺杆2上对称设有两段方向螺纹，螺杆2转动使螺杆2上的螺母a3和螺母b6沿螺杆2的长度方向做前后运动，螺母a3和螺母b6运动带动铰链b18、铰链a14沿螺杆2的长度方向做前后运动，实现剪叉杆机构的伸缩变形。

由于螺杆2上的螺纹是对称结构，则螺母a3和螺母b6的运动也呈现对称形式，这样有利于平均承担剪叉杆所传递过来的力矩。螺母a3和螺母b6的运动带动铰链b18和铰链a14运动，铰链b18和铰链a14运动带动剪叉杆b17和剪叉杆a15运动，剪叉杆b17和剪叉杆a15运动带动下一关节单元的铰链运动，这样运动就一节带动一节使机械臂产生应有的变形。

本发明的末端机械手25为市购产品，购置于北京软体机器人科技有限公司的对称可调型夹爪，型号为sfg—fma2。末端机械手25由单独的电机驱动，当机械臂完成运动以后使得机械手达到预期位置，由电机驱动使机械手对目标进行抓取，或者也可以依靠本体的自身变形，对不同形状的物体进行抱持。