一种蛇形机械臂及稳定工作方法技术

本发明专利技术涉及一种蛇形机械臂，包括直线驱动模块、位姿反馈模块、关节限位模块、机械臂本体和末端执行机构；直线驱动模块的输出端与机械臂本体的一端连接且用于驱动机械臂本体，机械臂本体的另一端与末端执行机构连接，机械臂本体包括多个依次连接的关节，相邻的两个关节之间均设有用于实时反馈蛇形机械臂当前位姿的位姿反馈模块、关节限位模块；直线驱动模块包括多个阵列式分布的直线驱动机构。本发明专利技术还涉及一种蛇形机械臂的稳定工作方法，通过建立模型求解蛇形机械臂总势能的解析解，通过对解析式求导确定其势能最小的形态。该发明专利技术的目的是解决如何能进入复杂狭窄空间作业的蛇形臂结构和能够具有稳定工作形态的问题。构和能够具有稳定工作形态的问题。构和能够具有稳定工作形态的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种蛇形机械臂及稳定工作方法


[0001]本专利技术涉及设备驱动
，具体涉及一种蛇形机械臂及其稳定工作方法。

技术介绍

[0002]目前在航空，核工业能领域，存在进气道，油箱等复杂狭窄环境作业问题，人工和普通工业机器人可达性差，工作困难。针对以上问题，本专利技术设计了一种蛇型机械臂，该机械臂能够搭载末端到达一些复杂的工作位置，实现人工难以实现的操作。针对蛇形机械臂重复定位精度差，位姿保持性不好的缺点。
[0003]目前国外OC等厂家有类似的蛇形机械臂设计，但是其外形较大，驱动机构繁琐，重复定位精度差，未能投入到实际生产中应用。
[0004]国内目前蛇形机械臂基本停留在模仿国外设计的阶段，控制方法方面目前无深入研究，一些实验样机均存在形态保持不稳，重复定位精度差等缺陷。
[0005]因此，专利技术人提供了一种蛇形机械臂及稳定工作方法。

技术实现思路

[0006](1)要解决的技术问题
[0007]本专利技术实施例提供了一种蛇形机械臂及稳定工作方法，解决了蛇形机械臂如何如何能进入复杂狭窄空间作业的蛇形臂结构和能够具有稳定工作形态的技术问题。
[0008](2)技术方案
[0009]本专利技术提供了一种蛇形机械臂，包括直线驱动模块、位姿反馈模块、关节限位模块、机械臂本体和末端执行机构；
[0010]所述直线驱动模块的输出端与所述机械臂本体的一端连接且用于驱动所述机械臂本体，所述机械臂本体的另一端与所述末端执行机构连接，所述机械臂本体包括多个依次连接的关节，相邻的两个关节之间均设有用于实时反馈蛇形机械臂当前位姿的所述位姿反馈模块、用于限制蛇形机械臂关节转角范围的所述关节限位模块；
[0011]所述直线驱动模块包括多个阵列式分布的直线驱动机构，所述直线驱动机构包括驱动机构及筒状壳体，所述筒状壳体内设有传动机构，所述筒状壳体的外壁上设有力反馈机构、所述绳索收紧机构，所述驱动机构的输出端通过所述传动机构与所述机械臂本体的一端连接，所述力反馈机构用于实时监控所述传动机构的输出动力，所述绳索收紧机构用于锁紧绳索。
[0012]进一步地，所述直线驱动机构还包括连接机构，所述驱动机构的输出端通过所述连接机构与所述传动机构的输入端同轴连接。
[0013]进一步地，所述蛇形机械臂还包括连接轴，相邻的两个关节之间通过所述连接轴连接，所述连接轴上开设有用于安装所述位姿反馈模块的安装孔、排气孔及用于紧固所述连接轴的紧固孔。
[0014]进一步地，所述位姿反馈模块包括相互连接的外部编码器和内部旋转磁块，所述
内部旋转磁块安装于所述圆形安装孔内，通过所述圆形安装排气孔在安装时排除气体。
[0015]进一步地，所述关节限位模块为弧状且用于独立限制关节虎克铰的两个自由度的转动范围，所述关节限位模块安装于关节的两端。
[0016]进一步地，所述绳索收紧机构通过楔形块摩擦角小于自锁角时产生自锁以锁紧绳索。
[0017]进一步地，所述筒状壳体的外壁设置导向键、导向键槽，通过所述导向键在所述导向键槽中的滑动以实现导向。
[0018]本专利技术还提供了一种蛇形机械臂的稳定工作方法，包括以下步骤：
[0019]计算蛇形机械臂的重力势能；
[0020]计算所述蛇形机械臂的弹性势能；
[0021]依据所述重力势能和弹性势能，确定所述蛇形机械臂的总势能；
[0022]依据所述总势能在满足蛇形臂自身几何约束条件下对各关节的轴转角分别求偏导，当偏导数为0时，总势能取得极值，确定总势能取极小值时每个关节的角度值。
[0023]进一步地，所述计算蛇形机械臂的重力势能，具体包括如下步骤：
[0024]确定第n个关节在基座标系下的坐标、重力矢量；
[0025]依据所述第n个关节在所述基座标系下的坐标、重力矢量，确定所述第n个关节的重力势能；
[0026]依据每个关节的重力势能，确定所述蛇形机械臂的重力势能。
[0027]进一步地，所述计算所述蛇形机械臂的弹性势能，具体包括如下步骤：
[0028]计算第n个关节的各绳索拉力；
[0029]依据所述第n个关节的各绳索的拉力，计算各绳索的形变量；
[0030]依据所述第n个关节的各绳索的形变量，计算所述第n个关节的弹性势能；
[0031]依据每个关节的弹性势能，确定所述蛇形机械臂的弹性势能。
[0032](3)有益效果
[0033]综上，本专利技术的机械臂本体构成了机械臂的本体执行部分，承担搭载末端到达工作位置的任务。位姿检测反馈模块用于实时反馈蛇形机械臂当前位姿，协助控制系统完成蛇形机械臂的最终调姿。能够搭载末端到达一些复杂的工作位置，实现人工难以实现的操作。针对蛇形机械臂重复定位精度差，位姿保持性不好的缺点，能够提高蛇型机械臂的稳定性和重复定位精度。
附图说明
[0034]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对本专利技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0035]图1是本专利技术实施例提供的一种蛇形机械臂的结构示意图；
[0036]图2是本专利技术实施例提供的一种直线驱动机构的结构示意图；
[0037]图3是本专利技术实施例提供的一种直线驱动机构的剖视图；
[0038]图4是本专利技术实施例提供的一种蛇形机械臂的关节的结构示意图；
[0039]图5是本专利技术实施例提供的一种蛇形机械臂的关节的剖视图；
[0040]图6是本专利技术实施例提供的一种蛇形机械臂的连接轴的结构示意图；
[0041]图7是本专利技术实施例提供的一种蛇形机械臂的关节间的安装示意图；
[0042]图8是本专利技术实施例提供的一种蛇形机械臂的关节限位模块的结构示意图；
[0043]图9是本专利技术实施例提供的一种绳索的孔位排布示意图；
[0044]图10是本专利技术实施例提供的一种蛇形机械臂的受力分析示意图；
[0045]图11是本专利技术实施例提供的一种蛇形机械臂的关节受力分析示意图。
[0046]图中：
[0047]1‑
直线驱动机构；101
‑
驱动机构；102
‑
连接机构；103
‑
传动机构；104
‑
力反馈机构；105
‑
绳索收紧机构；2
‑
位姿反馈模块；201
‑
外部编码器；202
‑
内部旋转磁块；3
‑
关节限位模块；4
‑
机械臂本体；a
n
‑
第一关节端面；b
n
‑
第二关节端面；5
‑
末端执行机构；6
‑
连接轴；601
‑
安装孔；6本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种蛇形机械臂，其特征在于，包括直线驱动模块、位姿反馈模块(2)、关节限位模块(3)、机械臂本体(4)和末端执行机构(5)；所述直线驱动模块的输出端与所述机械臂本体(4)的一端连接且用于驱动所述机械臂本体(4)，所述机械臂本体(4)的另一端与所述末端执行机构(5)连接，所述机械臂本体(4)包括多个依次连接的关节，相邻的两个关节之间均设有用于实时反馈蛇形机械臂当前位姿的所述位姿反馈模块(2)、限制蛇形机械臂关节转角范围的所述关节限位模块(3)；所述直线驱动模块包括多个阵列式分布的直线驱动机构，每个所述直线驱动机构(1)包括驱动机构(101)及筒状壳体，所述筒状壳体内设有传动机构(103)，所述筒状壳体的外壁上设有力反馈机构(104)、所述绳索收紧机构(105)，所述驱动机构(101)的输出端通过所述传动机构(103)与所述机械臂本体(4)的一端连接，所述力反馈机构(104)用于实时监控所述传动机构(103)的输出动力，所述绳索收紧机构(105)用于锁紧绳索。2.根据权利要求1所述的蛇形机械臂，其特征在于，还包括连接机构(102)，所述驱动机构(101)的输出端通过所述连接机构(102)与所述传动机构(103)的输入端同轴连接。3.根据权利要求1所述的蛇形机械臂，其特征在于，还包括连接轴(6)，相邻的两个关节之间通过所述连接轴(6)连接，所述连接轴(6)上开设有用于安装所述位姿反馈模块(2)的安装孔(601)、排气孔(602)及用于紧固所述连接轴(6)的紧固孔(603)。4.根据权利要求3所述的蛇形机械臂，其特征在于，所述位姿反馈模块(2)包括相互连接的外部编码器(201)和内部旋转磁块(202)，所述内部旋转磁块(202)安装于所述安装孔(...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵东捷，姚艳彬，杜兆才，薛俊，刘李明，
申请(专利权)人：中国航空制造技术研究院，
类型：发明
国别省市：