專利名稱：可單人操作的二級(jí)直線伸縮機(jī)械臂的制作方法
可單人操作的二級(jí)直線伸縮機(jī)械臂所屬領(lǐng)域本發(fā)明屬于機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及具有三層結(jié)構(gòu)、可做二級(jí)直線運(yùn)動(dòng)承載 大負(fù)荷的伸縮機(jī)械臂。
背景技術(shù)：
機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向是制造出可在人類無法接近的復(fù)雜的、危險(xiǎn)的 環(huán)境下作業(yè)的搜救機(jī)器人及其裝備，如地震、火災(zāi)、洪水等自然災(zāi)害，恐怖活動(dòng)、武力 沖突等人為禍害，以及生化病毒、有毒、輻射性等危險(xiǎn)物質(zhì)。搜救類機(jī)器人及其裝設(shè)備 的研制，不但能夠幫助工作人員執(zhí)行救援工作，而且能夠代替工作人員執(zhí)行搜救任務(wù)， 可以有效地提高救援的效率和減少施救人員的傷亡，在災(zāi)難救援中起著重要的作用。在現(xiàn)有公開的技術(shù)中，伸縮機(jī)械臂主要涉及的內(nèi)容基本上是改進(jìn)手動(dòng)伸縮桿的 某個(gè)部件，以完成某種功能，但這些伸縮桿大多不是電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行的，而且也沒有 以輕自重、高負(fù)載、長距離為目標(biāo)，對(duì)其本身結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善的應(yīng)用研究等。在現(xiàn)有公開的技術(shù)中，經(jīng)關(guān)鍵詞“伸縮桿”檢索，比較典型相關(guān)的有專利公 開號(hào)CN1459576 “伸縮桿裝置”(
公開日2003.12.03，申請(qǐng)?zhí)?3108669.1)、專利公開 號(hào)CN1267585 “可伸縮機(jī)械臂”(
公開日2000.09.27，申請(qǐng)?zhí)?9101690.4)，專利公開 號(hào)CN1459576主要解決針對(duì)拉桿部件的軌道末端區(qū)域間設(shè)置制動(dòng)器的問題，專利公開 號(hào)CN1267585主要特征是在最外層固定一個(gè)能調(diào)節(jié)桿體松緊度的控制元件，以增加夾緊 各種桿狀體直徑的范圍。它們都不是針對(duì)伸縮機(jī)械臂本體結(jié)構(gòu)來解決低自重伸縮機(jī)械臂 如何承受遠(yuǎn)距離、大載荷的問題，且其需要人工的手動(dòng)操作，不是獨(dú)立自主的自動(dòng)化工 具。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)人手難以進(jìn)入很深狹小廢墟環(huán)境搜救的問題，發(fā)明設(shè)計(jì) 自重輕至可安裝在人手臂上、具有三層結(jié)構(gòu)、可驅(qū)動(dòng)附加末端執(zhí)行器(機(jī)械手)遠(yuǎn)距離運(yùn) 動(dòng)、本體可承載大負(fù)荷的伸縮機(jī)械臂。本發(fā)明的技術(shù)方案是可單人操作的二級(jí)直線伸縮機(jī)械臂，包括直接與外界接 觸的外層部件、負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器做第一級(jí)直線運(yùn)動(dòng)的中間層部件、負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)末端執(zhí) 行器做第二級(jí)直線運(yùn)動(dòng)的內(nèi)層部件；所述外層部件包括支撐桿、外層滑塊導(dǎo)軌組合和外 層齒條，三者的兩端頭固定在外層底座和外層支撐部件上，所述外層滑塊導(dǎo)軌組合和外 層支撐部件聯(lián)接、承載下一級(jí)中間層部件；所述中間層部件包括中間層滑塊導(dǎo)軌組合、 L形支撐桿和中間層齒條，三者兩端固定在中間層底座和中間層支撐部件上，所述中層 底座外側(cè)設(shè)置中間層錐齒輪箱和中間層部件電機(jī)，所述中間層部件電機(jī)和中間層錐齒輪 箱與上一級(jí)的外層齒條嚙合，實(shí)現(xiàn)伸縮機(jī)械臂的第一級(jí)直線運(yùn)動(dòng)；所述內(nèi)層部件包括內(nèi) 層主梁和內(nèi)層部件電機(jī)，所述內(nèi)層主梁兩端分別與內(nèi)層錐齒輪箱和末端聯(lián)接件相固接， 內(nèi)層電機(jī)和內(nèi)層錐齒輪箱與上一級(jí)的中間層齒條嚙合，實(shí)現(xiàn)伸縮機(jī)械臂的第二級(jí)直線運(yùn)動(dòng)。所述外層底座和外層支撐部件之間設(shè)外層支架；所述中間層底座和中間層支撐 部件之間設(shè)中間層支架和中間層末端。所述外層底座和外層支架為外圓內(nèi)方結(jié)構(gòu)，所述支撐桿為圓柱形，所述中間層 支撐部件、中間層支架和中間層末端為方框形結(jié)構(gòu)。所述外層和中間層滑塊導(dǎo)軌組合為相同結(jié)構(gòu)，均包括滑塊和導(dǎo)軌兩部分，滑塊 的截面呈凹字型，導(dǎo)軌的截面呈口字型，滑塊通過鋼珠與導(dǎo)軌接觸并被限制在導(dǎo)軌上滑 動(dòng)。所述中間層錐齒輪箱和內(nèi)層錐齒輪箱結(jié)構(gòu)相同，均包括齒輪軸支架、左旋錐齒 輪、電機(jī)支架、齒輪箱蓋、右旋錐齒輪、齒輪軸、圓柱直齒輪，所述左旋錐齒輪和右旋 錐齒輪構(gòu)成的錐齒輪組將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)作90度變向，所述右旋錐齒輪與圓柱直齒輪同 軸，所述圓柱直齒輪與上一級(jí)部件齒條嚙合傳動(dòng)。所述外層支撐部件由外圓內(nèi)方柱型支架和軸承組成，所述軸承對(duì)稱地分布安裝 在支架上，其中，支架的上部、下部、左側(cè)、右側(cè)各安裝有四對(duì)軸承，支架內(nèi)孔與下一 級(jí)部件相配合。所述中間層支撐部件由兩個(gè)方型支架和軸承組成，軸承分別固定在方型支架 上，方型支架內(nèi)孔與內(nèi)層部件配合。本發(fā)明具有三層結(jié)構(gòu)，依靠各層獨(dú)特的支撐部件，平衡伸縮機(jī)械臂和附加末端 執(zhí)行器(機(jī)械手)帶來的力與力矩的載荷；通過齒輪齒條結(jié)合滑塊導(dǎo)軌的方式，將電機(jī) 的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為各層的直線運(yùn)動(dòng)，來驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器(機(jī)械手)在廢墟環(huán)境中的直線運(yùn)動(dòng)。所述外層支撐部件用來支撐中間層、內(nèi)層、末端執(zhí)行器(機(jī)械手)、任務(wù)載荷的 重量，主要包括外圓內(nèi)方柱型支架和若干軸承，外圓內(nèi)方柱型支架與外層的外圓內(nèi)方型 零件通過螺栓相連接，內(nèi)孔足以容納中間層通過，軸承起到支撐中間層的作用，同時(shí)又 不影響中間層沿導(dǎo)軌方向完成直線運(yùn)動(dòng)。所述的中間層支撐部件用來支撐內(nèi)層、末端執(zhí) 行器(機(jī)械手)、任務(wù)載荷的重量，主要包括方型支架和若干軸承，方型支架與中間層的 方型零件通過L型支撐桿相連接，內(nèi)孔足以容納內(nèi)層通過，軸承起到支撐內(nèi)層的作用， 同時(shí)又不影響內(nèi)層沿導(dǎo)軌方向完成直線運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)過程是伸縮機(jī)械臂的中間層電機(jī)通過錐齒輪箱變向，帶動(dòng)圓柱 直齒輪做平行導(dǎo)軌方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與上一級(jí)外層部件的齒條嚙合，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的第一 級(jí)直線運(yùn)動(dòng)；伸縮機(jī)械臂的內(nèi)層電機(jī)同樣通過錐齒輪箱變向，帶動(dòng)圓柱直齒輪做平行導(dǎo) 軌方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與上一級(jí)中間層部件的齒條嚙合，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的第二級(jí)直線運(yùn)動(dòng)， 驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器(機(jī)械手)到達(dá)需要的位置。本發(fā)明的支撐部件平衡外部負(fù)載的方法是支撐部件由外圓內(nèi)方柱形支架或方 形支架和若干軸承組成，軸承對(duì)稱地分布安裝在支架上。其中，支架的上部、下部、左 側(cè)、右側(cè)各安裝有四對(duì)軸承。每個(gè)分部各包括前部和后部，下部的軸承平衡伸縮機(jī)械臂 受到重力的作用；左側(cè)和右側(cè)的軸承限制伸縮機(jī)械臂的左右移動(dòng)和左右轉(zhuǎn)動(dòng)，并限制了 伸縮機(jī)械臂繞直線前進(jìn)方向旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)；當(dāng)伸縮機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)長距離直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，重力不 可避免地引起了重力矩，此時(shí)下部和上部的軸承聯(lián)合作用，限制伸縮機(jī)械臂受重力矩而向下旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。軸承的內(nèi)端用螺栓固定在支架上，外端承受因限制伸縮機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng) 部件中間層、內(nèi)層的運(yùn)動(dòng)，而產(chǎn)生的限制力。根據(jù)上述平衡方法，所述的支撐部件可以 限制伸縮機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)部件的向下移動(dòng)、向下轉(zhuǎn)動(dòng)、向左右移動(dòng)、向左右轉(zhuǎn)動(dòng)、繞直線前 進(jìn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)五個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，而僅僅留下直線前進(jìn)的方向，并能很好地平衡重力和重力矩?？蓡稳瞬僮鞯倪h(yuǎn)距離大傳載三層伸縮機(jī)械臂，通過電機(jī)、錐齒輪箱、圓柱直齒 輪、齒條的配合實(shí)現(xiàn)各層部件直線運(yùn)動(dòng)，包括中間層的一級(jí)直線運(yùn)動(dòng)和內(nèi)層的二級(jí)直線 運(yùn)動(dòng)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)過程。外層和中間層支撐部件的主要功能是結(jié)合滑塊導(dǎo)軌克服末端執(zhí)行器 (機(jī)械手)傳遞任務(wù)載荷時(shí)各層之間承受的力和力矩，將中間層和內(nèi)層限制在只能沿導(dǎo)軌 方向完成直線運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明克服了人手無法深入到具有一定深度的狹小廢墟縫隙中，完成輸送和收 回的傳遞載荷的任務(wù)，在單人操作的情況下，本發(fā)明能驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器(機(jī)械手)長距離 地運(yùn)動(dòng)到需要的位置上，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)載荷的輸送和收回，由于起支撐作用的外層和中間層 的末端安裝有支撐部件，可承受大載荷的性能，使得末端執(zhí)行器(機(jī)械手)可以抓獲和傳 遞較重的目標(biāo)載荷。本發(fā)明的有益效果是相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)而言，可單人操作的遠(yuǎn)距離大傳載三層 伸縮機(jī)械臂是一種由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的、可單人操作的機(jī)械臂裝置，具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、 成本較低、適用范圍廣、可承載大載荷、可伸縮長度大的特點(diǎn)。該裝置在很大程度上延 伸了人類手臂生理長度有限的不足，增加了機(jī)械手的實(shí)際工作空間及獨(dú)立性，拓展了機(jī) 械手、機(jī)器人的應(yīng)用范圍。其針對(duì)廢墟環(huán)境搜救應(yīng)用的特性，也可應(yīng)用于真空、太空、 核等特殊的環(huán)境中。


圖1為伸_i機(jī)械臂總體模型展示的立體圖。
圖2為伸_i機(jī)械臂外層部件的立體組成圖。
圖3為伸_i機(jī)械臂中間層部件的立體組成圖。
圖4為伸_i機(jī)械臂內(nèi)層部件的立體組成圖。
圖5為伸_i機(jī)械臂中采用的滑塊導(dǎo)軌組成正視示意圖。
圖6為伸_i機(jī)械臂中采用的滑塊導(dǎo)軌組成側(cè)視示意圖。
圖7為伸_i機(jī)械臂中錐齒輪箱部件的示意圖。
圖8為伸_i機(jī)械臂中外層支撐件部件的示意圖。
圖9為伸_i機(jī)械臂中中間層支撐件部件的示意圖。
圖10為伸〗縮機(jī)械臂中中間層部件做第一級(jí)直線運(yùn)動(dòng)的示意圖
圖11為伸〗縮機(jī)械臂中內(nèi)層部件做第二級(jí)直線運(yùn)動(dòng)的示意圖。
圖12為伸〗縮機(jī)械臂工作過程的流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明用于在廢墟搜救環(huán)境下單人操作的伸縮機(jī)械臂，首先必須要具有自重輕 的特點(diǎn)，使伸縮機(jī)械臂可以裝備在單人手臂上便于單人操作，減少不必要的負(fù)重麻煩。搜救中，需要傳遞的任務(wù)載荷不僅大多數(shù)出于廢墟狹縫中人手夠不到的地方，而且重量 還有可能超出人手抓取重量的范圍，因此伸縮機(jī)械臂必須是長距離自動(dòng)伸縮，以驅(qū)動(dòng)末 端執(zhí)行器(機(jī)械手)實(shí)現(xiàn)長距離的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也必須有承擔(dān)大負(fù)載的能力，以承受末端執(zhí) 行器(機(jī)械手)抓獲任務(wù)載荷時(shí)引起的力和力矩?？蓡稳瞬僮鞯倪h(yuǎn)距離大傳載三層伸縮 機(jī)械臂，其自重輕而可遠(yuǎn)距離傳遞大負(fù)載和可以自動(dòng)伸縮的兩個(gè)主要特點(diǎn)，是相對(duì)于傳 統(tǒng)短距離、輕負(fù)載手動(dòng)伸縮桿的主要區(qū)別，也是本發(fā)明的意義所在。本發(fā)明所解決的問 題是自動(dòng)伸縮機(jī)械臂應(yīng)用于廢墟搜救作業(yè)中的一個(gè)重要難點(diǎn)，根據(jù)廢墟搜救作業(yè)要求， 盡可能發(fā)明出具有伸縮長度足夠長、負(fù)載足夠大的單人操作自動(dòng)伸縮機(jī)械臂，以滿足作 業(yè)過程中對(duì)伸縮機(jī)械臂本體結(jié)構(gòu)的要求，而自身重量又足夠輕、操作不復(fù)雜，不增加單 人操作的困難程度。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施作進(jìn)一步解釋圖1為伸縮機(jī)械臂總體模型展示的立體圖。在圖1中1為外層部件，2為中間 層部件，3為內(nèi)層部件。伸縮機(jī)械臂的外層部件、中間層部件、內(nèi)層部件之間均采用滑塊 導(dǎo)軌組合的方式連接，并結(jié)合支撐部件的限位支撐功能，一方面限制了部件之間不需要 的移動(dòng)，另一方面保證了在指定方向上可以靈活的運(yùn)動(dòng)。圖2為伸縮機(jī)械臂外層部件的立體組成圖。在圖2中4為支撐桿，采用圓柱 形，5為外層支架，形狀外圓內(nèi)方，6為外圓內(nèi)方形末端，7為外層支撐部件，9為外層滑 塊導(dǎo)軌，10為外層齒條，11為外層底座，形狀為外圓內(nèi)方。支撐桿4在外層支5和外層 支撐部件7上以每隔120弧度布置?；瑝K導(dǎo)軌組合和外層支撐部件用來聯(lián)接、承載下一級(jí) 中間層部件，外層齒條用來與下一級(jí)中間層部件的齒輪嚙合，驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器(機(jī)械手) 做第一級(jí)直線運(yùn)動(dòng)。圖3為伸縮機(jī)械臂中間層部件的立體組成圖。在圖3中12為中間層錐齒輪 箱，13為中間層齒條，14為中間層滑塊導(dǎo)軌組合，15為L形支撐桿，16為中間層支撐 部件，17為中間層末端，形狀為方框形，18為中間層支架，形狀為方框形，19為中間層 底座，形狀為方框形，20為中間層電機(jī)?；瑝K導(dǎo)軌組合和中間層支撐部件用來聯(lián)接、承 載下一級(jí)部件內(nèi)層，中間層電機(jī)20和中間層錐齒輪箱12用來與上一級(jí)部件外層的齒條嚙 合，實(shí)現(xiàn)伸縮機(jī)械臂的第一級(jí)直線運(yùn)動(dòng)，中間層齒條13用來與下一級(jí)部件內(nèi)層的齒輪嚙 合，實(shí)現(xiàn)伸縮機(jī)械臂的第二級(jí)直線運(yùn)動(dòng)。圖4伸縮機(jī)械臂內(nèi)層部件的立體組成圖。在圖4中21為內(nèi)層錐齒輪箱，22為 內(nèi)層主梁，呈十字形，23為末端聯(lián)接件，呈Y形，24為內(nèi)層電機(jī)。內(nèi)層電機(jī)24和內(nèi)層 錐齒輪箱21用來與上一級(jí)部件中間層齒條13嚙合，驅(qū)實(shí)現(xiàn)伸縮機(jī)械臂的第二級(jí)直線運(yùn)動(dòng)圖5為伸縮機(jī)械臂中用于聯(lián)接各部件的滑塊導(dǎo)軌組合正視示意圖。圖6為滑塊 導(dǎo)軌組合側(cè)視示意圖。在圖5和圖6中25為滑塊導(dǎo)軌組合中的滑塊部件，26為滑塊導(dǎo) 軌組合中的導(dǎo)軌部件，27為小鋼珠，滑塊截面呈凹字型，導(dǎo)軌截面呈口字型，滑塊通過 小鋼珠與導(dǎo)軌接觸，使得滑塊被限制只能在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，小鋼珠的另一個(gè)作用是均勻地 把滑塊承受的載荷傳遞到導(dǎo)軌上，使得通過電機(jī)齒輪齒條驅(qū)動(dòng)中間層部件2、內(nèi)層部件3 運(yùn)動(dòng)更為容易。圖7伸縮機(jī)械臂中錐齒輪箱部件的示意圖。在圖7中28為齒輪軸支架，29為 左旋錐齒輪，30為電機(jī)支架、31為齒輪箱蓋，32為右旋錐齒輪，33為齒輪軸，34為圓柱直齒輪，其中，電機(jī)20(24)采用三個(gè)螺栓固定于電機(jī)支架30上，左旋錐齒輪29和右 旋錐齒輪32構(gòu)成的錐齒輪對(duì)用來將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)作90度變向，使得電機(jī)的運(yùn)動(dòng)可以轉(zhuǎn) 化為圓柱直齒輪34的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，左、右旋錐齒輪29、32分別安裝在電機(jī)軸上和齒輪軸 33上，齒輪軸33與齒輪支架28聯(lián)接，齒輪軸33安裝有圓柱直齒輪34，電機(jī)、錐齒輪對(duì) 29、32、圓柱直齒輪34相互配合，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)樯炜s機(jī)械臂的直線運(yùn)動(dòng)，齒輪 蓋31起到密封左、右旋錐齒輪29、32和防塵的作用。中間層錐齒輪箱和內(nèi)層錐齒輪箱 結(jié)構(gòu)相同。圖8為伸縮機(jī)械臂中外層支撐件部件的示意圖。在圖8中35為軸承，36為螺 栓，螺栓36將16個(gè)軸承35固定在外圓內(nèi)方柱型支架上，外圓內(nèi)方柱型支架內(nèi)孔足以容 納中間層通過，軸承35起到支撐中間層、內(nèi)層和末端執(zhí)行器(機(jī)械手)的作用，同時(shí)又 不影響上述部件沿導(dǎo)軌方向完成直線運(yùn)動(dòng)。圖9為伸縮機(jī)械臂中中間層支撐件部件的示意圖。在圖9中螺栓36將16個(gè) 軸承35分別固定在中間層支撐件部件16的兩個(gè)方型支架上，方型支架內(nèi)孔足以容納內(nèi)層 部件通過，軸承35起到支撐內(nèi)層部件和末端執(zhí)行器(機(jī)械手)的作用，同時(shí)又不影響上 述部件沿導(dǎo)軌方向完成直線運(yùn)動(dòng)。圖10為伸縮機(jī)械臂中中間層部件做第一級(jí)直線運(yùn)動(dòng)的示意圖。三層伸縮機(jī)械臂 的中間層電機(jī)20通過中間層錐齒輪箱12，將中間層電機(jī)20垂直外層滑塊導(dǎo)軌組合9的導(dǎo) 軌方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)做90度旋轉(zhuǎn)，改變?yōu)閳A柱直齒輪34平行外層滑塊導(dǎo)軌組合9的導(dǎo)軌方 向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并與上一級(jí)外層部件的外層齒條10嚙合，驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器(機(jī)械手)到 達(dá)需要的位置，等待末端執(zhí)行器(機(jī)械手)完成任務(wù)后，中間層電機(jī)20驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器 (機(jī)械手)退回，實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器(機(jī)械手)的第一級(jí)直線運(yùn)動(dòng)。圖11為伸縮機(jī)械臂中內(nèi)層部件做第二級(jí)直線運(yùn)動(dòng)的示意圖。內(nèi)層電機(jī)24通過 內(nèi)層錐齒輪箱21，將中間層電機(jī)20垂直中間層滑塊導(dǎo)軌組合14的導(dǎo)軌方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)做 90度旋轉(zhuǎn)，改變?yōu)閳A柱直齒輪34平行中間層滑塊導(dǎo)軌組合14的導(dǎo)軌方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并 與上一級(jí)中間層部件的齒條13嚙合，驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器(機(jī)械手)到達(dá)需要的位置，并在 末端執(zhí)行器(機(jī)械手)完成任務(wù)后驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器(機(jī)械手)退回，實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器(機(jī) 械手)的第二級(jí)直線運(yùn)動(dòng)。圖12為伸縮機(jī)械臂工作過程的流程圖。其流程是指定末端執(zhí)行器(機(jī)械手) 需運(yùn)動(dòng)到的位置，采用中間層部件進(jìn)行一級(jí)直線伸長運(yùn)動(dòng)的辦法將末端執(zhí)行器(機(jī)械手) 驅(qū)動(dòng)到需要的位置；檢測末端執(zhí)行器(機(jī)械手)是否到位？如果否，采用內(nèi)層部件進(jìn)行二 級(jí)直線伸長運(yùn)動(dòng)的辦法進(jìn)一步將末端執(zhí)行器(機(jī)械手)驅(qū)動(dòng)到需要的位置；如果是，則等 待末端執(zhí)行器(機(jī)械手)完成任務(wù)，之后按二級(jí)收縮直線運(yùn)動(dòng)和一級(jí)收縮直線運(yùn)動(dòng)將末端 執(zhí)行器(機(jī)械手)收回。本發(fā)明伸縮機(jī)械臂的工作過程是在得到末端執(zhí)行器(機(jī)械手)需要移動(dòng)到的 位置后，三層伸縮機(jī)械臂的中間層電機(jī)開始工作，通過錐齒輪箱將電機(jī)垂直導(dǎo)軌方向的 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)做90度旋轉(zhuǎn)改變?yōu)閳A柱直齒輪平行導(dǎo)軌方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并與上一級(jí)外層部件 的齒條嚙合，實(shí)現(xiàn)伸縮機(jī)械臂的第一級(jí)直線運(yùn)動(dòng)，若末端執(zhí)行器(機(jī)械手)到達(dá)需要的位 置，則中間層電機(jī)停止工作，等待末端執(zhí)行器(機(jī)械手)完成任務(wù)后退回，若末端執(zhí)行器 (機(jī)械手)沒有到達(dá)需要的位置，且中間層部件已經(jīng)到達(dá)外層部件的末端后無法再進(jìn)行前進(jìn)直線運(yùn)動(dòng)，則內(nèi)層的電機(jī)開始工作，同樣通過錐齒輪箱將電機(jī)垂直導(dǎo)軌方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)做90度旋轉(zhuǎn)改變?yōu)閳A柱直齒輪平行導(dǎo)軌方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并與上一級(jí)中間層部件的齒 條嚙合，實(shí)現(xiàn)伸縮機(jī)械臂的第二級(jí)直線運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器(機(jī)械手)到達(dá)需要的位 置，并在末端執(zhí)行器(機(jī)械手)完成任務(wù)后退回。本發(fā)明在廢墟搜救環(huán)境下，針對(duì)人類難以進(jìn)入狹小廢墟環(huán)境的特點(diǎn)，以單人操 作廢墟搜救機(jī)械手中驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器(機(jī)械手)運(yùn)動(dòng)的二級(jí)直線伸縮機(jī)械臂本體機(jī)械結(jié)構(gòu) 為側(cè)重點(diǎn)，發(fā)明設(shè)計(jì)一種具有三層結(jié)構(gòu)、可單人操作、可驅(qū)動(dòng)附加末端執(zhí)行器(機(jī)械手) 遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)、本體可承載大負(fù)荷的伸縮機(jī)械臂。伸縮機(jī)械臂通過自身的三層結(jié)構(gòu)可驅(qū)動(dòng) 搜救機(jī)械手在廢墟環(huán)境中實(shí)現(xiàn)大跨度、遠(yuǎn)距離的直線運(yùn)動(dòng)，以此完成指定的遠(yuǎn)距離輸送 和收回載荷的任務(wù)，彌補(bǔ)人手生理長度的不足。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明的可單人操作的遠(yuǎn)距離大傳載三層伸 縮機(jī)械臂，進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，如增加其他相應(yīng)的自由 度，或增加相關(guān)的支撐件。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及 其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.可單人操作的二級(jí)直線伸縮機(jī)械臂，其特征在于包括直接與外界接觸的外層部 件(1)、負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器做第一級(jí)直線運(yùn)動(dòng)的中間層部件(2)、負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器 做第二級(jí)直線運(yùn)動(dòng)的內(nèi)層部件(3)；所述外層部件(1)包括支撐桿(4)、外層滑塊導(dǎo)軌組 合(9)和外層齒條(10)，三者的兩端頭固定在外層底座(11)和外層支撐部件(7)上，所 述外層滑塊導(dǎo)軌組合(9)和外層支撐部件(7)聯(lián)接、承載下一級(jí)中間層部件；所述中間 層部件⑵包括中間層滑塊導(dǎo)軌組合(14)、L形支撐桿(15)和中間層齒條(13)，三者兩 端固定在中間層底座(19)和中間層支撐部件(16)上，所述中層底座(19)外側(cè)設(shè)置中間 層錐齒輪箱(12)和中間層部件電機(jī)(20)，所述中間層部件電機(jī)(20)和中間層錐齒輪箱 (12)與上一級(jí)的外層齒條(10)嚙合，實(shí)現(xiàn)伸縮機(jī)械臂的第一級(jí)直線運(yùn)動(dòng)；所述內(nèi)層部件 (3)包括內(nèi)層主梁(22)和內(nèi)層部件電機(jī)(24)，所述內(nèi)層主梁(22)兩端分別與內(nèi)層錐齒輪 箱(21)和末端聯(lián)接件(23)相固接，內(nèi)層電機(jī)(24)和內(nèi)層錐齒輪箱(21)與上一級(jí)的中間 層齒條(13)嚙合，實(shí)現(xiàn)伸縮機(jī)械臂的第二級(jí)直線運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可單人操作的二級(jí)直線伸縮機(jī)械臂，其特征在于所述外 層底座(11)和外層支撐部件(7)之間設(shè)外層支架(5)；所述中間層底座(19)和中間層支 撐部件(16)之間設(shè)中間層支架(18)和中間層末端(17)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可單人操作的二級(jí)直線伸縮機(jī)械臂，其特征在于所述 外層底座(11)和外層支架(5)為外圓內(nèi)方結(jié)構(gòu)，所述支撐桿(4)為圓柱形；所述中間層 支撐部件(16)、中間層支架(18)和中間層末端(17)為方框形結(jié)構(gòu)；所述內(nèi)層主梁(22) 為十字形，末端聯(lián)接件(23)呈Y形，設(shè)在內(nèi)層主梁側(cè)面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可單人操作的二級(jí)直線伸縮機(jī)械臂，其特征在于所述外 層和中間層滑塊導(dǎo)軌組合為相同結(jié)構(gòu)，均包括滑塊(25)和導(dǎo)軌(26)兩部分，滑塊的截 面呈凹字型，導(dǎo)軌的截面呈口字型，滑塊通過鋼珠(27)與導(dǎo)軌接觸并被限制在導(dǎo)軌上滑 動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可單人操作的二級(jí)直線伸縮機(jī)械臂，其特征在于所述中 間層錐齒輪箱和內(nèi)層錐齒輪箱結(jié)構(gòu)相同，均包括齒輪軸支架(28)、左旋錐齒輪(29)、電 機(jī)支架(30)、齒輪箱蓋(31)、右旋錐齒輪(32)、齒輪軸(33)、圓柱直齒輪(34)，所述 左旋錐齒輪(29)和右旋錐齒輪(32)構(gòu)成的錐齒輪組將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)作90度變向，所 述右旋錐齒輪(32)與圓柱直齒輪(34)同軸，圓柱直齒輪(34)與上一級(jí)部件齒條嚙合傳 動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可單人操作的二級(jí)直線伸縮機(jī)械臂，其特征在于所述 外層支撐部件由外圓內(nèi)方柱型支架和軸承(35)組成，所述軸承(35)對(duì)稱地分布安裝在支 架上，其中，支架的上部、下部、左側(cè)、右側(cè)各安裝有四對(duì)軸承，支架內(nèi)孔與下一級(jí)部 件相配合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可單人操作的二級(jí)直線伸縮機(jī)械臂，其特征在于所述 中間層支撐部件(16)由兩個(gè)方型支架和軸承(35)組成，軸承(35)分別固定在方型支架 上，方型支架內(nèi)孔與內(nèi)層部件配合。
全文摘要
本發(fā)明公開了可單人操作的二級(jí)直線伸縮機(jī)械臂，外層、中間層、內(nèi)層三個(gè)主要部件彼此通過導(dǎo)軌滑塊的方式聯(lián)接，并依靠各層獨(dú)特的支撐部件平衡機(jī)械臂和附加末端執(zhí)行器(機(jī)械手)帶來的力與力矩的載荷，限定各部件只能準(zhǔn)確地沿直線前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)，通過錐齒輪箱、齒輪齒條嚙合傳遞電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)伸縮機(jī)械臂的直線運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低、適用范圍廣、重量輕、可承載大載荷、可伸縮長度大的特點(diǎn)。伸縮機(jī)械臂獨(dú)特的支撐部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其自重足夠輕，可以安裝在人的手臂上，驅(qū)動(dòng)附加末端執(zhí)行器(機(jī)械手)運(yùn)動(dòng)到遠(yuǎn)距離的位置完成較重的抓取和傳遞載荷的任務(wù)，大大彌補(bǔ)了人手生理長度的不足，同時(shí)拓展了自動(dòng)機(jī)械應(yīng)用的空間。
文檔編號(hào)B25J18/00GK102019618SQ201010515248
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2010年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月21日
發(fā)明者孫恒輝, 王大朋, 董翔, 路魏, 駱敏舟 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院