一种具有柔性连杆的蛇形机械臂的制作方法

[0001]
本实用新型涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种具有柔性连杆的蛇形机械臂。


背景技术：

[0002]
在自动化生产、加工过程中经常需要使用机械臂来完成一些工作,常见的机械臂包括以下几种方式：
[0003]
第一种是采用三轴运行机构,即该机械臂安装在一个三轴叠加运行的平台上,通过该平台在方向上的运行,带动机械臂实现在三维空间中的运行。第二种是在上述第一种基础上增加旋转机构,以增加一个旋转方向上的运行。第三种是采用连杆机构,即该机械臂采用多连杆枢接,通过控制连杆的伸缩从而控制机械臂在各个方向上的运行。
[0004]
另外,还可将上述几种模式相互结合,组合形成多用途机械臂。但是上述机械臂存在一个最大的问题就是,机械臂自身难以实现任意角度的弯曲。虽然通过连杆机构可以实现一定的弯曲功能,但是这种机构仅仅适用于较大的机械臂,对于一些体积较小的精密产品而言,连杆机构的结构复杂,难以适应。
[0005]
生物蛇的运动模式具有较高的稳定性和环境适应性,其中侧向蜿蜒运动是生物蛇最典型和最高效的运动模式之一。蛇形机械臂是一种以生物蛇为原型的多自由度驱动仿生机械臂,利用关节与连杆模拟生物蛇的脊柱结构。


技术实现要素：

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为了克服现有机械臂存在灵活性不足、控制困难、结构复杂的不足，本实用新型提供了一种体积小、可实现任意方向转动、结构简单的具有柔性连杆的蛇形机械臂。
[0007]
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
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一种具有柔性连杆的蛇形机械臂，包括臂体和驱动部，所述驱动部包括驱动单元和用于承载驱动单元的支撑架，所述臂体通过连接板与支撑架的前端连接，所述臂体由多个骨节依次柔性连接而成，每个骨节均包括一柔性套管以及固定在柔性套管末端的法兰，柔性钢索穿过柔性套管和法兰中心孔将多个骨节串联，该根柔性钢索的后端与连接板连接，该根柔性钢索的前端与臂体末端的法兰连接，第一个骨节与连接板铰接；
[0009]
每个法兰周向设有四个均匀布置的穿孔，所述驱动单元包括两个转盘和两根牵引绳，两个转盘可转动的安装在支撑架上，每个转盘外一周设有凹槽，两根牵引绳的中部分别缠绕在两个转盘的凹槽内并固定在转盘上，其中一根牵引绳的两端分别依次穿过所有骨节法兰上的上下两个穿孔，并通过钢丝夹头夹紧在最后一个法兰上，另外一根牵引绳的两端分别依次穿过所有骨节法兰上的左右两个穿孔，并通过钢丝夹头夹紧在最后一个法兰上；每个转盘分别与一个旋转电机连接，两个旋转电机分别驱动两个转盘，两个转盘分别控制两根牵引绳的张紧和防松。
[0010]
进一步，所述柔性套管为三节圆筒状柔性套管。
[0011]
再进一步，所述连接板周向均设有四个通孔，两根牵引绳中的一根牵引绳的两端
分别穿过连接板上的上下两个通孔，再穿过骨节法兰上的上下两个穿孔；另外一根牵引绳的两端分别穿过连接板上的左右两个通孔，再穿过骨节法兰上的左右两个穿孔。
[0012]
本实用新型的设计构思为：是模拟蛇设计而成,整个机械臂由若干个骨节相互枢接构成,骨节与骨节之间采用柔性钢索连接,即两骨节之间可实现上下、左右摆动；所有可转动的骨节都通过一组牵引绳牵引,牵引绳通过驱动单元驱动,从而可实现骨节之间的相互摆动；该设计理念是两相邻骨节结合部具有两个自由度,通过双电机驱动分别驱动其中一个自由度；这种所有骨节的摆动叠加起来就形成了整个机械臂任意方向摆动、机械臂自身也可形成任意角度的弯曲。本实用新型采用这种蛇形设计,可使整个机械臂的结合尽可能紧凑,同时确保机械臂具有足够和较大的弯曲范围。
[0013]
本实用新型的有益效果主要表现在：以柔性套管为中心支柱,采用柔性钢索驱动且将电源及旋转电机安装在支撑架上,具有结构紧凑、灵活性强且刚度大的优点；在其末端安装不同的执行器或者传感器,可以完成不同的操作任务,例如用于机舱、车厢等非结构狭小空间的检测以及飞机内腔的涂胶、检测、排屑、多余物取出等；使整个机械臂的结合尽可能紧凑,同时确保机械臂具有足够和较大的弯曲范围，臂体的组成结构简单，减轻重量的同时，也可通过改变法兰的尺寸改变臂体的大小，以提高机械臂的实用性。
附图说明
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图1是本实用新型的结构示意图，其中不包含牵引绳。
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图2是本实用新型的爆炸图。
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图3是臂体与牵引绳之间的装配图。
具体实施方式
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下面结合附图对本实用新型作进一步描述。
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参照图1～图3，一种具有柔性连杆的蛇形机械臂，包括臂体和驱动部，所述驱动部包括驱动单元和用于承载驱动单元的支撑架4，所述臂体通过连接板1与支撑架4的前端连接，所述臂体由多个骨节依次柔性连接而成，每个骨节均包括一柔性套管3以及固定在柔性套管末端的法兰2，柔性钢索穿过柔性套管3和法兰中心孔将多个骨节串联，该根柔性钢索的后端与连接板1连接，该根柔性钢索的前端与臂体末端的法兰连接，第一个骨节与连接板1铰接；
[0019]
每个法兰2周向设有四个均匀布置的穿孔，所述驱动单元包括两个转盘7和两根牵引绳，两个转盘可转动的安装在支撑架4上，每个转盘外一周设有凹槽，两根牵引绳的中部分别缠绕在两个转盘7的凹槽内并固定在转盘7上，其中一根牵引绳的两端分别依次穿过所有骨节法兰上的上下两个穿孔，并通过钢丝夹头夹紧在最后一个法兰上，另外一根牵引绳的两端分别依次穿过所有骨节法兰上的左右两个穿孔，并通过钢丝夹头夹紧在最后一个法兰上；每个转盘7分别与一个旋转电机连接，两个旋转电机分别驱动两个转盘7，两个转盘7分别控制两根牵引绳的张紧和防松。
[0020]
所述连接板1周向均设有四个通孔，两根牵引绳中的一根牵引绳的两端分别穿过连接板1上的上下两个通孔，再穿过骨节法兰上的上下两个穿孔；另外一根牵引绳的两端分别穿过连接板上的左右两个通孔，再穿过骨节法兰上的左右两个穿孔。
[0021]
如图2和图3所示，所述臂体中第一个骨节与连接板铰接。所述柔性套管3为三节由柔性材料制成的圆筒状套管，控制每个骨节的相对位置，实现关节转动；柔性套管3起到柔性连杆的作用。柔性钢索将数个骨节串联起来实现了每个骨节之间的柔性连接，支撑并实现臂体的连贯转动。两相邻骨节之间通过柔性连接实现上下、左右方向的自由摆动。除第一个骨节外,其余骨节同时与驱动单元联动,两根牵引绳分别连接在骨节的两个相对方向，呈十字交叉分布,通过两根牵引绳的牵动驱动与之对应的骨节实现上下、左右方向摆动。
[0022]
所述法兰2的中部设有中心孔，其中穿过柔性钢索，将法兰与柔性套管连接，形成骨节。所述柔性钢索的前端在离驱动单元的最远骨节处由夹紧固定件夹紧，后端与支撑板由夹紧固定件夹紧。
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进一步，转轴5固定在支撑架4上，两个转盘可转动的安装在转轴5上，并通过联轴器与各自的旋转电机的电机轴连接，从而实现各个旋转电机驱动相应转盘的目的。所述牵引绳与转盘通过螺钉固定连接。
[0024]
本实用新型的控制方式如下：
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步骤一、当需要柔性机械臂实现固定方向摆动时，旋转电机带动转盘7转动，转盘7上固定的牵引绳张紧。
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步骤二、两个转盘7上的牵引绳为交叉方式通过法兰2中的穿孔，则两个转盘7分别控制法兰2向上下左右四个方向，当旋转电机带动转盘7，牵引绳张紧，拉动臂体上的法兰2，由于不同牵引绳的方向不同，则可控制机械臂指向任意方向。
[0027]
蛇形臂具有长径比大，自由度多，动作灵活,环境适应能力强等优点,易于回避障碍和克服奇异点。因而能够用于各种非结构化狭小封闭空间作业以及高柔性操作等领域。将蛇形臂安装于移动平台移动机器人上,可以用于管道检测以及公共场合的安检、排爆；将蛇形臂安装于工业机器人末端可以用于飞机复杂箱体内的加工装配、发动机检测以及飞机壁板的涂胶等。