一种集上下、左右、伸缩方向摆动于一体的机械臂柔性关节

技术领域

本发明涉及机器人摆动结构技术领域，具体地说是一种集上下、左右、伸缩方向摆动于一体的机械臂柔性关节。

背景技术

众所周知，狭小空间机械臂多为绳驱或气驱动，其尺寸小巧、质量轻，运动灵活具有良好的避障性能，对于多障碍物、非结构化的狭小空间环境具有突出的应用优势。绳驱机械臂其臂体为细长结构，多应用于航空宇航、抢险救灾、核工业、医疗器械等领域，例如空间站舰板内仪器设备检查、卫星太阳帆板缝隙处故障维修、飞机油箱和发动机检修、核冷却管检修等。绳驱机械臂通常由多个关节串联形成，末端可搭载工具或摄像头，完成检查、维护、维修等工作。绳驱机械臂的关节决定着机械臂的性能和适用性，目前此类绳驱机械臂关节多为十字铰链或球铰链构成的转动副，此类刚性铰链关节具有较高的运动精度但是被动适应性较差，而且其承载能力交叉，刚型不足。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种臂尺寸小巧、运动灵活、被动顺应性好、灵活性高、惯量小、承载力大、在空间狭窄、障碍复杂、结构密闭的空间环境中具有巨大的优势和潜力的集上下、左右、伸缩方向摆动于一体的机械臂柔性关节。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种集上下、左右、伸缩方向摆动于一体的机械臂柔性关节，其特征在于该机械臂包括驱动机构、上下翻转臂段和左右翻转伸缩臂段，所述的驱动机构依次与上下翻转臂段、左右翻转伸缩臂段连接，所述的驱动机构内的驱动器分别作为上下翻转臂段、左右翻转伸缩臂段的驱动器，通过不同的驱动器带动上下翻转臂段实现上下翻转功能、带动左右翻转伸缩臂段实现左右翻转和伸缩的功能。

本发明所述的驱动机构包括绳索驱动器、蜗杆驱动器、后固定板和前固定板，所述的后固定板和前固定板之间经支撑杆连接，所述的后固定板和前固定板之间设有绳索驱动器和蜗杆驱动器，绳索驱动器或蜗杆驱动器固定在后固定板或前固定板上，绳索驱动器的驱动端分别与绳索连接，绳索经前固定板上的圆孔穿出，蜗杆驱动器的驱动端与旋转杆连接，旋转杆经前固定板上的通孔穿出。

本发明所述的上下翻转臂段包括至少两组蜗轮蜗杆臂段单元，所述的蜗轮蜗杆臂段单元包括第一支杆、前蜗盘、后蜗盘、连接杆、万向节联轴器、蜗杆轴、前支座、后支座、涡轮、涡轮转轴和涡轮销轴，所述的第一支杆与后蜗盘垂直连接，后蜗盘的中部侧面设有供旋转杆或蜗杆轴穿过的通孔，后蜗盘的圆周外缘上设有绳索穿过的圆孔，所述的前支座和后支座呈U型，前支座和后支座的一端分别固定在前蜗盘和后蜗盘的内侧，前支座和后支座之间经涡轮转轴转动连接，所述的前支座或后支座上设有涡轮销轴，涡轮销轴的两端分别与前支座或后支座和涡轮连接，所述的涡轮侧面设有蜗杆轴，蜗杆轴上设有与涡轮啮合的螺纹段，所述的蜗杆轴的一端经万向节联轴器与经后蜗盘通孔伸进的旋转杆或连接杆连接，蜗杆轴的另一端穿过前蜗盘经万向节联轴器与连接杆连接。

本发明所述的左右翻转伸缩臂段包括至少两组柔性臂段单元，所述的柔性臂段单元包括第二支杆、前柔盘、后柔盘、弯曲弹簧、伸缩弹簧、关节滑块、前固定座和后固定座，所述的第二支杆与后柔盘垂直连接，前柔盘和后柔盘的圆周边缘上设有供绳索穿过的圆孔，所述的前固定座和后固定座分别与前柔盘和后柔盘之间的内端面连接，前固定座呈U型，后固定座上设有滑孔，滑孔内设有伸缩弹簧，前固定座的U型臂之间设有关节转轴，关节转轴的两端分别穿过伸缩弹簧上侧的后固定座上的滑孔后与前固定座的U型臂端部连接，绳索穿过每组的柔性臂段单元中的前柔盘和后柔盘后与最前端的柔性臂段单元中的前柔盘内端面固定连接，通过绳索的拉伸实现弯曲弹簧的弯曲和伸缩弹簧的伸缩，供左右翻转伸缩臂段的绳索设有两条，两条绳索所在的平面与左右翻转伸缩臂段左右翻转面垂直。

本发明绳索驱动器包括绳索驱动电机、丝杠支座、绳索滑块、丝母、丝杠和导轨，所述的绳索驱动电机的输出轴与丝杠连接，丝杠经轴承固定在丝杠支座上，丝杠上套有丝母，丝母与绳索滑块固定连接，绳索滑块与导轨限位滑动连接，绳索滑块上设有L型支座，L型支座的水平边与绳索滑块连接，L型支座的垂直边与绳索连接。

本发明所述的蜗杆驱动器包括蜗杆驱动电机，蜗杆驱动电机的输出轴经联轴器与旋转杆固定连接。

本发明所述的柔性臂段单元中前柔盘、后柔盘之间的内端面上分别设有供弯曲弹簧卡接的弹簧固定座，弹簧固定座呈弧形并与前柔盘或后柔盘固定连接，弹簧固定座上设有弹簧固定孔。

本发明所述的关节滑块包括卡接部、滑动部、定位连接部，所述的卡接部的两侧分别设有滑动部，滑动部和卡接部上设有供关节转轴穿过的穿过孔，滑动部上固定连接有与伸缩弹簧卡接的定位连接部，卡接部卡在后固定座上的滑孔的外侧，保证关节滑块移动的稳定性。

本发明由于采用上述结构，具有臂尺寸小巧、运动灵活、被动顺应性好、灵活性高、惯量小、承载力大、在空间狭窄、障碍复杂、结构密闭的空间环境中具有巨大的优势和潜力等优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中绳索驱动器的结构示意图。

图3是图1中上下翻转臂段的局部结构示意图。

图4是图3中A部放大图。

图5是图1中左右翻转伸缩臂段的结构示意图。

图6是图5中前柔盘和后柔盘之间结构局部放大图。

图7是图6中后柔盘和后固定座的结构示意图。

图8是图7中B部关节滑块的局部放大图。

图9是图1中蜗杆驱动器裸露的部分结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

如附图所示，一种集上下、左右、伸缩方向摆动于一体的机械臂柔性关节，其特征在于该机械臂包括驱动机构1、上下翻转臂段2和左右翻转伸缩臂段3，所述的驱动机构1依次与上下翻转臂段2、左右翻转伸缩臂段3连接，所述的驱动机构1内的驱动器分别作为上下翻转臂段2、左右翻转伸缩臂段3的驱动器，通过不同的驱动器带动上下翻转臂段2实现上下翻转功能、带动左右翻转伸缩臂段3实现左右翻转和伸缩的功能。

进一步，所述的驱动机构1包括绳索驱动器4、蜗杆驱动器5、后固定板6和前固定板7，所述的后固定板6和前固定板7之间经支撑杆43连接，所述的后固定板6和前固定板7之间设有绳索驱动器4和蜗杆驱动器5，绳索驱动器4或蜗杆驱动器5固定在后固定板6或前固定板7上，绳索驱动器4的驱动端分别与绳索40连接，绳索40经前固定板7上的圆孔穿出，蜗杆驱动器5的驱动端与旋转杆8连接，旋转杆8经前固定板7上的通孔穿出。

进一步，所述的上下翻转臂段2包括至少两组蜗轮蜗杆臂段单元，所述的蜗轮蜗杆臂段单元包括第一支杆9、前蜗盘10、后蜗盘11、连接杆12、万向节联轴器13、蜗杆轴14、前支座15、后支座16、涡轮17、涡轮转轴18和涡轮销轴19，所述的第一支杆9与后蜗盘11垂直连接，后蜗盘11的中部侧面设有供旋转杆8或蜗杆轴14穿过的通孔，后蜗盘11的圆周外缘上设有绳索穿过的圆孔，所述的前支座15和后支座16呈U型，前支座15和后支座16的一端分别固定在前蜗盘10和后蜗盘11的内侧，前支座15和后支座16之间经涡轮转轴18转动连接，所述的前支座15或后支座16上设有涡轮销轴19，涡轮销轴19的两端分别与前支座15或后支座16和涡轮17连接，所述的涡轮17侧面设有蜗杆轴14，蜗杆轴14上设有与涡轮17啮合的螺纹段，所述的蜗杆轴14的一端经万向节联轴器13与经后蜗盘11通孔伸进的旋转杆8或连接杆12连接，蜗杆轴14的另一端穿过前蜗盘10经万向节联轴器13与连接杆12连接。

进一步，所述的左右翻转伸缩臂段3包括至少两组柔性臂段单元，所述的柔性臂段单元包括第二支杆20、前柔盘21、后柔盘22、弯曲弹簧23、伸缩弹簧24、关节滑块25、前固定座26和后固定座27，所述的第二支杆20与后柔盘22垂直连接，前柔盘21和后柔盘22的圆周边缘上设有供绳索穿过的圆孔，所述的前固定座26和后固定座27分别与前柔盘21和后柔盘22之间的内端面连接，前固定座26呈U型，后固定座27上设有滑孔，滑孔内设有伸缩弹簧24，前固定座26的U型臂之间设有关节转轴28，关节转轴28的两端分别穿过伸缩弹簧24上侧的后固定座27上的滑孔后与前固定座26的U型臂端部连接，绳索穿过每组的柔性臂段单元中的前柔盘21和后柔盘22后与最前端的柔性臂段单元中的前柔盘21内端面固定连接，通过绳索的拉伸实现弯曲弹簧23的弯曲和伸缩弹簧24的伸缩，供左右翻转伸缩臂段3的绳索设有两条，两条绳索所在的平面与左右翻转伸缩臂段3左右翻转面垂直。

进一步，所述的绳索驱动器4包括绳索驱动电机29、丝杠支座30、绳索滑块31、丝母32、丝杠33和导轨34，所述的绳索驱动电机29的输出轴与丝杠33连接，丝杠33经轴承固定在丝杠33支座30上，丝杠33上套有丝母32，丝母32与绳索滑块31固定连接，绳索滑块31与导轨34限位滑动连接，绳索滑块31上设有L型支座35，L型支座35的水平边与绳索滑块31连接，L型支座35的垂直边与绳索连接。

进一步，所述的蜗杆驱动器5包括蜗杆驱动电机，蜗杆驱动电机的输出轴经联轴器与旋转杆8固定连接。

进一步，所述的柔性臂段单元中前柔盘21、后柔盘22之间的内端面上分别设有供弯曲弹簧23卡接的弹簧固定座36，弹簧固定座36呈弧形并与前柔盘21或后柔盘22固定连接，弹簧固定座36上设有弹簧固定孔。

进一步，所述的关节滑块25包括卡接部37、滑动部38、定位连接部39，所述的卡接部37的两侧分别设有滑动部38，滑动部38和卡接部37上设有供关节转轴28穿过的穿过孔，滑动部38上固定连接有与伸缩弹簧24卡接的定位连接部39，卡接部37卡在后固定座27上的滑孔的外侧，保证关节滑块25移动的稳定性。

本发明由于采用上述结构，具有臂尺寸小巧、运动灵活、被动顺应性好、灵活性高、惯量小、承载力大、在空间狭窄、障碍复杂、结构密闭的空间环境中具有巨大的优势和潜力等优点。

上述所述的上下翻转臂段2、左右翻转伸缩臂段3的直径小于74mm，能实现狭小空间内的操作，驱动机构1后端和底端设有具有通用转接器，使其可以安装于刚性机械臂或水平滑台等上，以增加其工作空间、自由度和灵巧性，使绳驱空间灵巧机械臂可完成多种工作任务。

本发明的有益效果和优点在于：

1、本发明设计了一种集上下、左右、伸缩方向摆动于一体的机械臂柔性关节臂，提升了绳驱超冗余机械臂的工作空间和顺应性、减少驱动单元数量，通过关节约束实现各臂段独立驱动和段内关节联动。

2、臂体部分为纯机械结构，电机、电线等器件密封于驱动机构1中，使其可以在超低温、强辐射的太空环境中稳定的工作。臂体由多种不同驱动方式的臂段组成，采用驱动绳索和蜗轮蜗杆混合驱动的方式，解决了单一的绳索驱造成的控制难度大、系统非线性强的问题，而且采用涡轮17蜗杆的形式增大了整体的承载能力。

3、臂体部分为可伸缩同心细长结构。相比于其它绳驱机械臂，本发明的机械臂具有更丰富的运动副种类，不仅可实现弯曲运动，还可实现伸缩运动。每个臂段均有由若干关节组成，关节的数目可以根据作业环境的适当的增加或减少。增加蜗轮蜗杆臂段或柔性臂段的关节，会增加机械臂的工作空间和自由度，且驱动电机数量不需增多。

4、驱动机构1具有造价低、尺寸小、质量轻、方便拆装等特点，其主体支架部分主要由板件和杆件组成，更便于加工组装。驱动绳索通过丝杠33滑台带动进行直线伸缩运动，其运动平稳、精度高。此外，驱动箱内部的每个绳索伸缩器具有相同配置，便于故障绳索伸缩器的替换。

5、驱动机构1后端和底端设有具有通用转接器，使其可以安装于刚性机械臂或水平滑台等上，以增加其工作空间、自由度和灵巧性，使绳驱空间灵巧机械臂可完成多种工作任务。

实施例

一种集上下、左右、伸缩方向摆动于一体的机械臂柔性关节，其特征在于该机械臂包括驱动机构1、上下翻转臂段2和左右翻转伸缩臂段3，所述的驱动机构1依次与上下翻转臂段2、左右翻转伸缩臂段3连接，所述的驱动机构1内的驱动器分别作为上下翻转臂段2、左右翻转伸缩臂段3的驱动器，通过不同的驱动器带动上下翻转臂段2实现上下翻转功能、带动左右翻转伸缩臂段3实现左右翻转和伸缩的功能。

所述的驱动机构1包括绳索驱动器4、蜗杆驱动器5、后固定板6和前固定板7，所述的后固定板6和前固定板7之间经支撑杆43连接，所述的后固定板6和前固定板7之间设有绳索驱动器4和蜗杆驱动器5，绳索驱动器4或蜗杆驱动器5固定在后固定板6或前固定板7上，绳索驱动器4的驱动端分别与绳索连接，绳索经前固定板7上的圆孔穿出，蜗杆驱动器5的驱动端与旋转杆8连接，旋转杆8经前固定板7上的通孔穿出，上述所述的绳索驱动器4设有2个，2个绳索驱动器4对称布置在前固定板7和后固定板6内部的两侧，所述的蜗杆驱动器5设在绳索驱动器4内侧偏离前固定板7和后固定板6的轴线位置布置。

所述的绳索驱动器4包括绳索驱动电机29、丝杠33支座30、绳索滑块31、丝母32、丝杠33和导轨34，所述的绳索驱动电机29的输出轴与丝杠33连接，丝杠33经轴承固定在丝杠33支座30上，丝杠33上套有丝母32，丝母32与绳索滑块31固定连接，绳索滑块31与导轨34限位滑动连接，绳索滑块31上设有L型支座35，L型支座35的水平边与绳索滑块31连接，L型支座35的垂直边与绳索连接。

所述的蜗杆驱动器5包括蜗杆驱动电机，蜗杆驱动电机的输出轴经联轴器与旋转杆8固定连接。

所述的上下翻转臂段2包括三组蜗轮蜗杆臂段单元，所述的蜗轮蜗杆臂段单元包括第一支杆9、前蜗盘10、后蜗盘11、连接杆12、万向节联轴器13、蜗杆轴14、前支座15、后支座16、涡轮17、涡轮转轴18和涡轮销轴19，所述的第一支杆9与后蜗盘11垂直连接，后蜗盘11的中部侧面设有供旋转杆8或蜗杆轴14穿过的通孔，后蜗盘11的圆周外缘上设有绳索穿过的圆孔，所述的前支座15和后支座16呈U型，前支座15和后支座16的一端分别固定在前蜗盘10和后蜗盘11的内侧，前支座15和后支座16之间经涡轮转轴18转动连接，所述的前支座15或后支座16上设有涡轮销轴19，涡轮销轴19的两端分别与前支座15或后支座16和涡轮17连接，所述的涡轮17侧面设有蜗杆轴14，蜗杆轴14上设有与涡轮17啮合的螺纹段，所述的蜗杆轴14的一端经万向节联轴器13与经后蜗盘11通孔伸进的旋转杆8或连接杆12连接，蜗杆轴14的另一端穿过前蜗盘10经万向节联轴器13与连接杆12连接。

上述第一支杆9的前端与后蜗盘11连接，第一支杆9的后端与前固定板7固定连接，前侧的蜗轮蜗杆臂段单元中的第一支杆9301与后侧蜗轮蜗杆臂段单元中的前蜗盘10连接，实现相邻的蜗轮蜗杆臂段单元的相互连接，旋转轴穿过蜗轮蜗杆臂段单元中的后蜗盘11上的通孔经万向节联轴器13与蜗杆轴14连接，蜗杆轴14再经过万向节联轴器13与连接杆12连接，最前端的蜗轮蜗杆臂段单元的蜗杆轴14不与连接杆12连接，所述的后蜗盘与连接杆或旋转杆之间经过止推轴承42连接，图9所示最下方的上下翻转臂段的连接杆直接与蜗杆轴连接。

所述的左右翻转伸缩臂段3包括至少两组柔性臂段单元，所述的柔性臂段单元包括第二支杆20、前柔盘21、后柔盘22、弯曲弹簧23、伸缩弹簧24、关节滑块25、前固定座26和后固定座27，所述的第二支杆20与后柔盘22垂直连接，前柔盘21和后柔盘22的圆周边缘上设有供绳索穿过的圆孔，所述的前固定座26和后固定座27分别与前柔盘21和后柔盘22之间的内端面连接，前固定座26呈U型，后固定座27上设有滑孔，滑孔内设有伸缩弹簧24，前固定座26的U型臂之间设有关节转轴28，关节转轴28的两端分别穿过伸缩弹簧24上侧的后固定座27上的滑孔后与前固定座26的U型臂端部连接，绳索穿过每组的柔性臂段单元中的前柔盘21和后柔盘22后与最前端的柔性臂段单元中的前柔盘21内端面固定连接，通过绳索的拉伸实现弯曲弹簧23的弯曲和伸缩弹簧24的伸缩，供左右翻转伸缩臂段3的绳索设有两条，两条绳索所在的平面与左右翻转伸缩臂段3左右翻转面垂直。

所述的柔性臂段单元中前柔盘21、后柔盘22之间的内端面上分别设有供弯曲弹簧23卡接的弹簧固定座36，弹簧固定座36呈弧形并与前柔盘21或后柔盘22固定连接，弹簧固定座36上设有弹簧固定孔。

所述的关节滑块25包括卡接部37、滑动部38、定位连接部39，所述的卡接部37的两侧分别设有滑动部38，滑动部38和卡接部37上设有供关节转轴28穿过的穿过孔，滑动部38上固定连接有与伸缩弹簧24卡接的定位连接部39，卡接部37卡在后固定座27上的滑孔的外侧，保证关节滑块25移动的稳定性。

上述最后侧的一组柔性臂段单元的第二支杆20与最前端的蜗轮蜗杆臂段单元中的前蜗盘10固定连接，最前端的一组柔性臂段单元中的前蜗盘10的后侧面上固定两个绳索锁扣41，两个伸缩锁扣41分别与对称布置在前固定板7和后固定板6内部两侧的绳索驱动器4引出的绳索端部固定连接。

本发明在使用时，通过蜗杆驱动器5102中的蜗杆驱动电机旋转带动上下翻转臂段23的上下方向的翻转，通过2个绳索驱动器4101中的绳索驱动电机29110带动左右翻转伸缩臂段34的左右翻转和伸缩动作，

本发明是臂段依次串联而成，臂段内相邻的单元之间通过支杆进行连接并采用联动机构进行耦合运动，使得其单元的关节间能实现同向的运动，并且使得该臂段处于完全约束状态下。两个臂段从驱动机构1至末端依次为上下翻转臂段2、左右翻转伸缩臂段3：上下翻转臂段2具有更高的承载能力和运动精度，处于始端位置连接于驱动机构1；左右翻转伸缩臂段3具有良好的被动适应性，每个单元关节具有一个转动自由度和一个移动自由度，其尺寸小巧、重量较轻、运动精度更高、可控性更好，各单元关节可实现独立控制，本发明提高了机械臂的被动适应性、灵巧性，使其可同时完成弯曲和伸缩运动；同时，克服了电机数目多、箱体尺寸大、驱动系统复杂、制造成本高、控制难度大等缺点。