一种可弯曲伸长的柔性蛇形臂机械结构

本发明涉及一种可弯曲伸长的柔性蛇形臂机械结构，特别是涉及应用于救灾抢险、航空发动机维修等狭小位置的可变形柔性探测设备。

背景技术：

柔性蛇形臂以其长径比大、变形能力强、可达性好等特点，在结构复杂、布局紧凑的一些大型设备无损检修、内腔装配等特殊应用场景具有巨大的优势，特别是在航空航天、救灾抢险、精密机械制造等领域拥有广阔的空间。针对此类特殊应用场景，冗余自由度柔性蛇形臂作为一门新兴的交叉学科应运而生。柔性机械臂的研究始于20世纪80年代初，且随着军工、航天、车辆、工程建造等领域的发展，以飞机为代表的复杂装备在制造、装配、检修对自动化生产的需求，使得具备良好可达性的蛇形臂具有重要的实用价值，吸引了一大批学者进行深入研究。

国外的研究起步较早，在20世纪80年代初，其主要代表有：ctarm-1平面柔性臂，采用电机牵引绳索驱动方式，这也成为蛇形臂的主流驱动方式。随后，由桁架模型单元组成的变几何柔性蛇形臂问世，其特点是采用丝杠驱动，伸缩灵活，但是重量较大，不利于携带。相较于国外，国内的研究起步较晚，主要代表有哈工大的连杆组合式柔性臂以及脊骨式柔性臂；中南大学的连续体蛇形臂(专利号：201910308264.6)，采用镍钛合金杆与气动人工肌肉产生的拮抗作用，在实现柔性的同时具有一定的刚度。

专利号cn110216663a提出了一种自稳定绳驱蛇形机械臂，解决了蛇形机械臂处于某种状态而受到扰动的时候就会失稳的问题，采用万向节一节一节串联的形式，借助电机牵引绳索的作用，使蛇形机械臂在将要失稳时，自适应转动，调整万向节的方向从而达到平衡的目的。但是该专利没有涉及到机械臂的柔性控制以及空间姿态的变化。

专利号cn209256914u提出了一种柔性机械臂，采用关节串联的方式，控制机械臂的方向转动。这种机械臂仅应用于水果的采摘，使用范围小。而且关节串联的方式只允许该关节有转动自由度，空间姿态受到很大的限制。而且需要在关节处安装舵机，增加了整个机械臂的重量。

针对上述问题，研发了一种串联型的柔性机械臂，采用超弹性杆的之间的协同工作原理，配合根部的驱动电机，最终实现机械臂的空间全方位多姿态运动。并实现多自由度弯曲。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处：无法实现空间姿态360度变化以及驱动方式复杂的问题，提供一种可弯曲伸长的柔性蛇形臂机械结构，使其能在狭小位置克服地形困难进行探测的装置。

本发明提供的这种本发明公开了一种可弯曲伸长的柔性蛇形臂机械结构，该装置的整体外形结构如图1所示，它包括(1)圆盘1-1、(2)一根布置于中间的d4×1200mm弹性杆、(3)三根布置于的四周d4×1200mm弹性杆、(4)m4六角螺母、(5)两个固定架1、(6)圆盘1-2、(7)圆盘2-1、(8)三根置于外圈的d4×900mm弹性杆、(9)两个固定架2、(10)圆盘2-2、(11)圆盘3-1、(12)三根置于最外圈的d4×600mm弹性杆、(13)两个固定架3、(14)圆盘3-2。

本发明的重点是设计出一种刚度较大、控制方便、每节都具有空间三自由度的柔性臂，可以进入到无法到达的狭小空间。

在一个具体实施方式中，一种可弯曲伸长的柔性蛇形臂机械结构，其特征在于：所述柔性蛇形臂由第一节执行机构、第二节执行机构、第三节执行机构和控制电机(未画出)组成。三节执行机构在机械结构大致相似，每一节执行机构包括一个上、下圆盘，两个固定架，以及多个六角螺母和多根相同规格的弹性杆。首先将四个m4的六角螺母置于圆盘1-1的四个沉头螺母孔内，然后将d4×600mm的弹性杆攻有螺纹的一头旋进螺母内，直至不会松动。

进一步的，在所述弹性杆的另一端套上两个固定架1和一个圆盘1-2，，并保证圆盘1-1和1-2的距离为300mm。

作为优选，将圆盘1-2固定，然后在四根弹性杆的末端通过驱动电机给予弹性杆一个沿着杆方向相同大小的推力，根据超弹性杆的特性，杆在受力后将朝着前方伸长。若给予四根杆不同大小的力，弹性杆将带着圆盘1-1弯曲，此处涉及协同控制，不做叙述。

进一步的，将所述柔性蛇形臂完全安装完成后，第三节末端得到10根弹性杆，从最里层到最外层可分为0-3层，0层为贯穿所有圆盘圆心的弹性杆，第1层为控制第一节执行机构的三根d4×1200mm杆，第2层为控制第二节执行机构的三根d4×900mm杆，第3层为控制第三节执行机构的三根d4×600mm杆。

在一个具体实施方式中，为了得到柔性蛇形臂的“s”型弯曲特性，控制第三节的电机给第3层的三根超弹性杆一个方向的力，使得蛇形臂朝右边弯曲；其次控制第二节的电机给第2层的三根超弹性杆性质相反的力，同时给第三层电机增加一大小相同的力，蛇形臂的第三节将保持向右弯曲，而第一节和第二节朝左边弯曲；同样地，控制第一节的电机给第1层的三根超弹性杆一个向右的弯曲力，同时给控制第二节和第三节的电机增加相同大小的力，于是，蛇形臂的第一节将向右弯曲，而第二节和第三节将保持不变。即通过各杆的协同控制，便可以实现各个空间姿态，从而适应地形的变化。

附图说明

图1为本发明一个优选实施例的立体示意图；

图2为本实施中蛇形臂的第一节的放大示意图；

图3为本实施中蛇形臂的第二节的放大示意图；

图4为本实施中蛇形臂的第三节的放大示意图；

图5为本实施中圆盘1-1和1-2的放大示意图；

图6为本实施中圆盘2-1和2-2的放大示意图；

图7为本实施中圆盘3-1和3-2的放大示意图；

图8为本实施中固定环1的放大示意图；

图9为本实施中固定环2的放大示意图；

图10为本实施中固定环3的放大示意图。

图示序号：

图1:(1)圆盘1-1、(2)一根布置于中间的d4×1200mm弹性杆、(3)三根布置于的四周d4×1200mm弹性杆、(4)m4六角螺母、(5)两个固定架1、(6)圆盘1-2、(7)圆盘2-1、(8)三根置于外圈的d4×900mm弹性杆、(9)两个固定架2、(10)圆盘2-2、(11)圆盘3-1、(12)三根置于最外圈的d4×600mm弹性杆、(13)两个固定架3、(14)圆盘3-2。

图2:(11)一根布置于中间的d4×1200mm弹性杆、(12)m4六角螺母、(13)固定架1、(14)圆盘1-2、(15)三根布置于的四周d4×1200mm弹性杆、(16)圆盘1-1。

图3:(21)m4六角螺母、(22)固定架2、(23)圆盘2-2、(24)圆盘2-1、(25)三根d4×900mm杆。

图4:(31)m4六角螺母、(32)固定架3、(33)圆盘3-2、(34)圆盘3-1、(35)三根d4×600mm杆。

图5:a、b为圆盘1-1细节图，c、d为圆盘1-2细节图。

图6:a、b为圆盘2-1细节图，c、d为圆盘2-2细节图。

图7:a、b为圆盘3-1细节图，c、d为圆盘3-2细节图。

图8:固定环1的细节图。

图9:固定环2的细节图。

图10:固定环3的细节图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例提供的这种可弯曲伸长的柔性蛇形臂机械结构，它主要包括三节，每一节均由两个圆盘、两个固定环和多根超弹性杆组成，通过并联的方式一节套上一节，不仅增加了整个机械的刚度，而且末端控制方便。

如图2所示，四根超弹性杆通过六角螺母与圆盘1-1固结在一起，并限制了轴向和径向方向，在接收输入力时不会发生过多能量耗散，固定环采用“三叉星”的形状，既可以限制超弹性杆的位置，而且在具有一定刚度的同时重量也较轻，有效地提高了负载能力。

如图3和图4所示，在大体结构上与图2所示的第一节结构相似，但是在圆盘和固定环上预留了第一节和第二节超弹性杆穿过的孔，而且为了再次减轻重量，在圆盘上开有三个扇形孔。

如图5-图10所示，分别展示了每一节两个圆盘和固定环的结构。