可单人操作的二级直线伸缩机械臂制造技术

本发明专利技术公开了可单人操作的二级直线伸缩机械臂，外层、中间层、内层三个主要部件彼此通过导轨滑块的方式联接，并依靠各层独特的支撑部件平衡机械臂和附加末端执行器（机械手）带来的力与力矩的载荷，限定各部件只能准确地沿直线前进方向运动，通过锥齿轮箱、齿轮齿条啮合传递电机的运动，实现伸缩机械臂的直线运动。本发明专利技术具有结构紧凑、成本较低、适用范围广、重量轻、可承载大载荷、可伸缩长度大的特点。伸缩机械臂独特的支撑部件结构设计，使其自重足够轻，可以安装在人的手臂上，驱动附加末端执行器（机械手）运动到远距离的位置完成较重的抓取和传递载荷的任务，大大弥补了人手生理长度的不足，同时拓展了自动机械应用的空间。

【技术实现步骤摘要】
可单人操作的二级直线伸缩机械臂所属领域本专利技术属于机器人应用领域，特别涉及具有三层结构、可做二级直线运动承载 大负荷的伸缩机械臂。
技术介绍
机器人技术发展的一个重要方向是制造出可在人类无法接近的复杂的、危险的 环境下作业的搜救机器人及其装备，如地震、火灾、洪水等自然灾害，恐怖活动、武力 冲突等人为祸害，以及生化病毒、有毒、辐射性等危险物质。搜救类机器人及其装设备 的研制，不但能够帮助工作人员执行救援工作，而且能够代替工作人员执行搜救任务， 可以有效地提高救援的效率和减少施救人员的伤亡，在灾难救援中起着重要的作用。在现有公开的技术中，伸缩机械臂主要涉及的内容基本上是改进手动伸缩杆的 某个部件，以完成某种功能，但这些伸缩杆大多不是电机驱动自动运行的，而且也没有 以轻自重、高负载、长距离为目标，对其本身结构进行完善的应用研究等。在现有公开的技术中，经关键词“伸缩杆”检索，比较典型相关的有专利公 开号CN1459576 “伸缩杆装置”(公开日2003.12.03，申请号03108669.1)、专利公开 号CN1267585 “可伸缩机械臂”(公开日2000.09.27，申请号99101690.4)，专利公开 号CN1459576主要解决针对拉杆部件的轨道末端区域间设置制动器的问题，专利公开 号CN1267585主要特征是在最外层固定一个能调节杆体松紧度的控制元件，以增加夹紧 各种杆状体直径的范围。它们都不是针对伸缩机械臂本体结构来解决低自重伸缩机械臂 如何承受远距离、大载荷的问题，且其需要人工的手动操作，不是独立自主的自动化工 具。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对人手难以进入很深狭小废墟环境搜救的问题，专利技术设计 自重轻至可安装在人手臂上、具有三层结构、可驱动附加末端执行器(机械手)远距离运 动、本体可承载大负荷的伸缩机械臂。本专利技术的技术方案是可单人操作的二级直线伸缩机械臂，包括直接与外界接 触的外层部件、负责驱动末端执行器做第一级直线运动的中间层部件、负责驱动末端执 行器做第二级直线运动的内层部件；所述外层部件包括支撑杆、外层滑块导轨组合和外 层齿条，三者的两端头固定在外层底座和外层支撑部件上，所述外层滑块导轨组合和外 层支撑部件联接、承载下一级中间层部件；所述中间层部件包括中间层滑块导轨组合、 L形支撑杆和中间层齿条，三者两端固定在中间层底座和中间层支撑部件上，所述中层 底座外侧设置中间层锥齿轮箱和中间层部件电机，所述中间层部件电机和中间层锥齿轮 箱与上一级的外层齿条啮合，实现伸缩机械臂的第一级直线运动；所述内层部件包括内 层主梁和内层部件电机，所述内层主梁两端分别与内层锥齿轮箱和末端联接件相固接， 内层电机和内层锥齿轮箱与上一级的中间层齿条啮合，实现伸缩机械臂的第二级直线运动。所述外层底座和外层支撑部件之间设外层支架；所述中间层底座和中间层支撑 部件之间设中间层支架和中间层末端。所述外层底座和外层支架为外圆内方结构，所述支撑杆为圆柱形，所述中间层 支撑部件、中间层支架和中间层末端为方框形结构。所述外层和中间层滑块导轨组合为相同结构，均包括滑块和导轨两部分，滑块 的截面呈凹字型，导轨的截面呈口字型，滑块通过钢珠与导轨接触并被限制在导轨上滑 动。所述中间层锥齿轮箱和内层锥齿轮箱结构相同，均包括齿轮轴支架、左旋锥齿 轮、电机支架、齿轮箱盖、右旋锥齿轮、齿轮轴、圆柱直齿轮，所述左旋锥齿轮和右旋 锥齿轮构成的锥齿轮组将电机的旋转运动作90度变向，所述右旋锥齿轮与圆柱直齿轮同 轴，所述圆柱直齿轮与上一级部件齿条啮合传动。所述外层支撑部件由外圆内方柱型支架和轴承组成，所述轴承对称地分布安装 在支架上，其中，支架的上部、下部、左侧、右侧各安装有四对轴承，支架内孔与下一 级部件相配合。所述中间层支撑部件由两个方型支架和轴承组成，轴承分别固定在方型支架 上，方型支架内孔与内层部件配合。本专利技术具有三层结构，依靠各层独特的支撑部件，平衡伸缩机械臂和附加末端 执行器(机械手)带来的力与力矩的载荷；通过齿轮齿条结合滑块导轨的方式，将电机 的旋转运动转化为各层的直线运动，来驱动末端执行器(机械手)在废墟环境中的直线运动。所述外层支撑部件用来支撑中间层、内层、末端执行器(机械手)、任务载荷的 重量，主要包括外圆内方柱型支架和若干轴承，外圆内方柱型支架与外层的外圆内方型 零件通过螺栓相连接，内孔足以容纳中间层通过，轴承起到支撑中间层的作用，同时又 不影响中间层沿导轨方向完成直线运动。所述的中间层支撑部件用来支撑内层、末端执 行器(机械手)、任务载荷的重量，主要包括方型支架和若干轴承，方型支架与中间层的 方型零件通过L型支撑杆相连接，内孔足以容纳内层通过，轴承起到支撑内层的作用， 同时又不影响内层沿导轨方向完成直线运动。本专利技术的运动过程是伸缩机械臂的中间层电机通过锥齿轮箱变向，带动圆柱 直齿轮做平行导轨方向的旋转运动，与上一级外层部件的齿条啮合，实现机械臂的第一 级直线运动；伸缩机械臂的内层电机同样通过锥齿轮箱变向，带动圆柱直齿轮做平行导 轨方向的旋转运动，与上一级中间层部件的齿条啮合，实现机械臂的第二级直线运动， 驱动末端执行器(机械手)到达需要的位置。本专利技术的支撑部件平衡外部负载的方法是支撑部件由外圆内方柱形支架或方 形支架和若干轴承组成，轴承对称地分布安装在支架上。其中，支架的上部、下部、左 侧、右侧各安装有四对轴承。每个分部各包括前部和后部，下部的轴承平衡伸缩机械臂 受到重力的作用；左侧和右侧的轴承限制伸缩机械臂的左右移动和左右转动，并限制了 伸缩机械臂绕直线前进方向旋转的运动；当伸缩机械臂实现长距离直线运动时，重力不 可避免地引起了重力矩，此时下部和上部的轴承联合作用，限制伸缩机械臂受重力矩而向下旋转的运动。轴承的内端用螺栓固定在支架上，外端承受因限制伸缩机械臂的运动 部件中间层、内层的运动，而产生的限制力。根据上述平衡方法，所述的支撑部件可以 限制伸缩机械臂运动部件的向下移动、向下转动、向左右移动、向左右转动、绕直线前 进方向转动五个方向的运动，而仅仅留下直线前进的方向，并能很好地平衡重力和重力矩。可单人操作的远距离大传载三层伸缩机械臂，通过电机、锥齿轮箱、圆柱直齿 轮、齿条的配合实现各层部件直线运动，包括中间层的一级直线运动和内层的二级直线 运动两个运动过程。外层和中间层支撑部件的主要功能是结合滑块导轨克服末端执行器 (机械手)传递任务载荷时各层之间承受的力和力矩，将中间层和内层限制在只能沿导轨 方向完成直线运动。本专利技术克服了人手无法深入到具有一定深度的狭小废墟缝隙中，完成输送和收 回的传递载荷的任务，在单人操作的情况下，本专利技术能驱动末端执行器(机械手)长距离 地运动到需要的位置上，实现目标载荷的输送和收回，由于起支撑作用的外层和中间层 的末端安装有支撑部件，可承受大载荷的性能，使得末端执行器(机械手)可以抓获和传 递较重的目标载荷。本专利技术的有益效果是相对于现有技术而言，可单人操作的远距离大传载三层 伸缩机械臂是一种由电机驱动的、可单人操作的机械臂装置，具有重量轻、结构紧凑、 成本较低、适用范围广、可承载大载荷、可伸缩长度大的特点。该装置在很大程度上延 伸了人类手臂生理长度有限的不足，增加了机械手的实际工作空间及独立性，本文档来自技高网...

【技术保护点】
可单人操作的二级直线伸缩机械臂，其特征在于：包括直接与外界接触的外层部件（１）、负责驱动末端执行器做第一级直线运动的中间层部件（２）、负责驱动末端执行器做第二级直线运动的内层部件（３）；所述外层部件（１）包括支撑杆（４）、外层滑块导轨组合（９）和外层齿条（１０），三者的两端头固定在外层底座（１１）和外层支撑部件（７）上，所述外层滑块导轨组合（９）和外层支撑部件（７）联接、承载下一级中间层部件；所述中间层部件（２）包括中间层滑块导轨组合（１４）、Ｌ形支撑杆（１５）和中间层齿条（１３），三者两端固定在中间层底座（１９）和中间层支撑部件（１６）上，所述中层底座（１９）外侧设置中间层锥齿轮箱（１２）和中间层部件电机（２０），所述中间层部件电机（２０）和中间层锥齿轮箱（１２）与上一级的外层齿条（１０）啮合，实现伸缩机械臂的第一级直线运动；所述内层部件（３）包括内层主梁（２２）和内层部件电机（２４），所述内层主梁（２２）两端分别与内层锥齿轮箱（２１）和末端联接件（２３）相固接，内层电机（２４）和内层锥齿轮箱（２１）与上一级的中间层齿条（１３）啮合，实现伸缩机械臂的第二级直线运动。

【技术特征摘要】
1.可单人操作的二级直线伸缩机械臂，其特征在于包括直接与外界接触的外层部 件(1)、负责驱动末端执行器做第一级直线运动的中间层部件(2)、负责驱动末端执行器 做第二级直线运动的内层部件(3)；所述外层部件(1)包括支撑杆(4)、外层滑块导轨组 合(9)和外层齿条(10)，三者的两端头固定在外层底座(11)和外层支撑部件(7)上，所 述外层滑块导轨组合(9)和外层支撑部件(7)联接、承载下一级中间层部件；所述中间 层部件⑵包括中间层滑块导轨组合(14)、L形支撑杆(15)和中间层齿条(13)，三者两 端固定在中间层底座(19)和中间层支撑部件(16)上，所述中层底座(19)外侧设置中间 层锥齿轮箱(12)和中间层部件电机(20)，所述中间层部件电机(20)和中间层锥齿轮箱 (12)与上一级的外层齿条(10)啮合，实现伸缩机械臂的第一级直线运动；所述内层部件 (3)包括内层主梁(22)和内层部件电机(24)，所述内层主梁(22)两端分别与内层锥齿轮 箱(21)和末端联接件(23)相固接，内层电机(24)和内层锥齿轮箱(21)与上一级的中间 层齿条(13)啮合，实现伸缩机械臂的第二级直线运动。2.根据权利要求1所述的可单人操作的二级直线伸缩机械臂，其特征在于所述外 层底座(11)和外层支撑部件(7)之间设外层支架(5)；所述中间层底座(19)和中间层支 撑部件(16)之间设中间层支架(18)和中间层末端(17)。3.根据权利要求1或2所述的可单人操作的二级直线伸缩机械臂，其特征在于所述 外层底座(11)和外层支架...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙恒辉，骆敏舟，董翔，王大朋，路魏，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]