一种小型柔性驱动蛇形机械臂制造技术

本发明专利技术公开了一种小型柔性驱动蛇形机械臂，其特征在于：包括具有六个关节的机械臂本体和驱动系统，所述机械臂本体包括各具有一个旋转、两个偏航关节的后臂本体与前臂本体；所述旋转关节位于所述偏航关节后端；所述驱动系统包括驱动源、柔性传动机构及支撑件，驱动源置于关节本体结构后端，两个旋转关节采用直接驱动，两组偏航关节采用间接驱动，中间柔性传动机构沿后端向尖端走向布置，利用传动机构使本体呈现柔性运行趋势，且减小了结构的径向尺寸；所述后臂中的传动机构包括改进带绳传动和齿轮传动，前臂中的传动机构在前述机构中增加了柔性软管。本发明专利技术公开了一种体积较小、结构较简单、运动灵活的闭环柔性驱动蛇形机械臂。

【技术实现步骤摘要】
一种小型柔性驱动蛇形机械臂
本专利技术涉及机器人
，尤其是一种小型柔性驱动蛇形机械臂。
技术介绍
机器人技术早已被广泛的应用在诸多工业自动化生产领域中，但传统的工业机器人大多只适用于结构化环境，如工作台、障碍物、操作物等空间位置、布局均已知，并且给定的工作空间范围较大，而面对非结构化、狭窄、复杂的工作环境，此类型机器人很难完成相应的作业任务甚至不再适用。在机电技术中融合仿蛇技术，研发的蛇形机械臂不仅解决了很多在航空探索、国防、医疗、农业、工业中的非结构化特殊环境作业需求，还可以提高机器人的灵活性、鲁棒性、可达工作空间等。现有的蛇形机械臂技术大多选择增加自由度数目以改善机器人的运动灵活性、柔性、工作空间范围等，增加自由度数目能达到以上目的，而且对于绳驱动机械臂，由伺服驱动器配合直线运动器件实现，一根绳索需要配合一个伺服驱动器，两根绳索控制一个自由度，即两个伺服驱动器控制一个关节运动，所以增加自由度同时会增加机器人的运动负载，使本体机构变得更加笨重，驱动成本也会相应提高。因此，有必要设计一种小型的、灵活的、柔性运动的机械臂，以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术旨在解决现有蛇形机械臂结构尺寸大，并且在自由度数目较少时，运动灵活性较差、运动形态僵硬、工作空间范围小等问题，提供运动形态较柔性、自由度少但灵活性高的一种小型柔性驱动蛇形机械臂。本专利技术所用的技术方案是：一种小型柔性驱动蛇形机械臂，包括具有六个关节的机械臂本体和驱动系统。所述机械臂本体包括各具有一个旋转关节、两个偏航关节的后臂本体与前臂本体，旋转关节位于偏航关节后端，旋转关节转轴与偏航关节转轴共面且垂直，相邻偏航关节转轴共面且平行，每部分本体结构具有三个自由度，均为机械臂整体提供了较大的运动空间范围。进一步，所述后臂本体与前臂本体中的两个旋转关节由驱动源直接驱动，各部分根部旋转关节采用直接驱动的方式可以提高机械臂的负载能力。进一步，所述后臂本体与前臂本体中的两组偏航关节采用间接驱动，驱动系统中控制两组偏航关节的部分包括驱动源、柔性传动机构及承载驱动源与传动机构的支撑件。进一步，所述驱动源存放在偏航关节本体结构后端，通过支撑件与关节本体结构连接，柔性传动机构分别沿两部分本体结构的后端向前端走向布置，偏航关节利用中间柔性传动机构减小本体结构的径向尺寸，并且使本体呈现柔性运行趋势，使蛇形机械臂可以在狭窄空间内完成相应的作业任务。进一步，所述后臂中偏航关节一结构与所述传动机构支撑件、偏航关节一结构与偏航关节二结构通过转轴、轴承连接，连接处有内凹弧形槽限制转轴的运动量，可以通过增加或减小弧形凹槽的曲率改变相应偏航关节最大运动量。进一步，所述后臂中驱动偏航关节的柔性传动机构中包含改进带绳传动和齿轮传动；驱动源一通过齿轮传动驱动偏航关节一，齿轮系的传动比为3:3:4，驱动源二通过改进带绳传动控制偏航关节二，齿轮传动与带绳传动以同一起点沿后端向前端布置，在偏航关节二、偏航关节三结构中设计与转轴同心的周向凹槽布置带绳，槽底的半径与主动轮半径大小相等。进一步，所述柔性传动机构内的带绳传动由同级带绳传动改进，带绳与从动轮固定为一体，即与偏航关节三结构内的凹槽固定，偏航关节三被带绳牵动绕着其与偏航关节二的连接转轴运动，以补偿主动轮转动产生的带绳运动量。进一步，所述影响偏航关节二运动的带绳也沿着偏航关节一结构布置，需要通过补偿带绳传动产生的耦合运动量实现两关节的相对独立控制。进一步，所述偏航关节二、偏航关节三被独立控制转动时分为以下几种情况：偏航关节二、三相对同向转动θ1、θ2，则齿轮传动输出角度为θ1、带绳传动输出角度为θ1+θ2；偏航关节二、三相对反向转动θ1、θ2，此时若θ1>θ2，则齿轮传动输出角度为θ1，带绳传动输出角度为θ1-θ2，转向与齿轮传动末端输出轴转向相同，若θ1<θ2，则带绳传动输出角度仍为θ1-θ2，但转向与齿轮传动末端输出轴转向相反；偏航关节二转动θ1，偏航关节3不动，则齿轮传动输出角度为θ1，且为补偿关节二转动同步带产生一定的位移，带绳传动输出角度为θ1，齿轮传动与带绳传动末端轴转向相同以保证关节三相对于关节二不动；偏航关节二不动，偏航关节三转动θ2，此时只需要带绳传动输出角度为θ2，关节二不影响关节三，也不被关节三影响。进一步，所述后臂中布置改进带绳的偏航关节结构周向凹槽的顶端与底端预留通孔，用于安装圆柱销，在运动时，圆柱销相对带绳滑动，为带绳传动提供张紧作用。进一步，所述前臂中驱动偏航关节的柔性传动机构包含改进带绳传动、齿轮传动与柔性软管；柔性软管使得驱动源三在传动机构中产生得运动量平均分配给偏航关节三、四；支撑件与偏航关节三结构、偏航关节三结构与偏航关节四结构通过转轴连接，在两关节结构周向分布四个孔，选择对称两孔布置带绳，剩余两孔布置柔性软管。进一步，所述柔性传动机构的改进带绳传动内无从动轮，与主动轮啮合段的绳为同步带绳，未啮合部分采用钢丝绳代替，同步带绳与钢丝绳、钢丝绳与偏航关节四顶端均使用可变形铝套固定，改进带绳既能提高结构稳定性，又减少了本体结构的体积大小。进一步，所述柔性软管既能实现偏航关节三、四的欠驱动控制，既能减小机械臂的运动负载，又能使两关节结构伴随软管柔性转动。进一步，所述影响偏航关节运动的改进带绳传动由一个驱动源控制，而传统的绳驱动机械臂，大多数由两个驱动源控制一个关节的运动。进一步，所述驱动系统中的驱动源转轴上安装有角位移传感器，实时反馈各关节的角位置信息。进一步，所述蛇形机械臂可以通过外加视觉传感器，代替人工在狭窄的、高危的环境下作业。从上述技术方案可以看出，本专利技术的有益效果是：本专利技术将机械臂划分为后臂与前臂两部分，每部分都包含一个旋转自由度、两个偏航自由度，均为机械臂整体提供了较大的运动空间范围。两个旋转关节由驱动源直接驱动，确保机械臂具备一定的负载能力，而两组偏航关节采用间接驱动，既减小了关节结构的径向尺寸，又能利用柔性传动机构使机械臂本体呈现柔性运动趋势，改善传统机械臂运动僵硬化的现状。前臂中驱动偏航关节的传动机构中加入柔性软管，实现偏航关节三、四欠驱动控制。改进带绳传动可靠性高，只需要一个驱动源即可控制。各关节的驱动源转轴上安装有角位移传感器，实时反馈各关节的角位置信息，机械臂运动实现闭环控制。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2是后臂本体的结构示意图；图3是前臂本体的结构示意图；图中：1-机械臂本体，2-驱动系统，3-后臂本体，4-前臂本体，31-旋转关节，310-驱动源，32-驱动源一，33-驱动源二，341、342-支撑件，351-偏航关节一，352-偏航关节二，361-齿轮传动，362-改进带绳传动，37-凹槽，41-旋转关节，410-驱动源，42-驱动源三，431-偏航关节三，432-偏航关节四，451-齿轮传动，452-改进带绳传动，461-支撑件，47-通孔。具体实施方式为了使本专利技术的技术方案更加清本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种小型柔性驱动蛇形机械臂：所述蛇形机械臂包括具有六个关节的机械臂本体和驱动系统；机械臂本体包括本体与前臂本体两部分，每部分本体包含一个旋转关节、两个偏航关节；驱动系统由驱动源、柔性传动机构及承载驱动源与传动机构的支撑件组成，两个旋转关节由本体结构后端的驱动源直接驱动，两组偏航关节采用间接驱动方式；所述驱动系统内的驱动源输出轴上加装蜗轮蜗杆换向器改变转轴方向，其特征在于，所述驱动源转轴方向改变后，可置于各关节本体结构后端，以减小本体结构径向尺寸，使机械臂能够胜任狭窄空间内的作业任务。/n

【技术特征摘要】
1.一种小型柔性驱动蛇形机械臂：所述蛇形机械臂包括具有六个关节的机械臂本体和驱动系统；机械臂本体包括本体与前臂本体两部分，每部分本体包含一个旋转关节、两个偏航关节；驱动系统由驱动源、柔性传动机构及承载驱动源与传动机构的支撑件组成，两个旋转关节由本体结构后端的驱动源直接驱动，两组偏航关节采用间接驱动方式；所述驱动系统内的驱动源输出轴上加装蜗轮蜗杆换向器改变转轴方向，其特征在于，所述驱动源转轴方向改变后，可置于各关节本体结构后端，以减小本体结构径向尺寸，使机械臂能够胜任狭窄空间内的作业任务。


2.根据权力要求1所述的一种小型柔性驱动蛇形机械臂，其特征在于：所述后臂本体与前臂本体中的旋转关节位于偏航关节后端，旋转关节转轴与偏航关节转轴共面且垂直，相邻偏航关节转轴共面且平行，两部分本体各有一个旋转、两个偏航共三个自由度，均为机械臂整体提供了较大的运动空间范围。


3.根据权利要求1所述的一种小型柔性驱动蛇形机械臂，其特征在于：所述后臂本体与前臂本体中的每组偏航关节的驱动源存放在本体后端，通过支撑件与关节结构连接，柔性传动机构沿两部分关节结构的后端向前端走向布置，使各关节可以利用中间柔性传动机构使本体呈现柔性运行趋势。


4.根据权利要求3所述的一种小型柔性驱动蛇形机械臂，其特征在于：所述后臂中驱动偏航关节的柔性传动机构中包含改进带绳传动和齿轮传动；驱动源一通过齿轮传动驱动偏航关节一，驱动源二通过改进带绳传动控制偏航关节二，齿轮传动与带绳传动以同一起点沿后端向前端布置，在偏航关节二、偏航关节三结构中设计与转轴同心的周向凹槽布置带绳，槽底半径与带绳传动的主动轮半径大小相等，凹槽宽度略大于带绳宽度。


5.根据权力要求4所述的一种小型柔性驱动蛇形机械臂，其特征在于：所述后臂中传动机构支撑件与后臂中偏航关节一、偏航关节一与偏航关节二结构通过转轴、轴承连接，连接处有内凹弧形槽限制转轴的运动量，可...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈国华，徐雪南，张爱军，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11