本發(fā)明屬于機(jī)器人領(lǐng)域，特別涉及一種機(jī)械臂。

背景技術(shù)：

1962年，由美國(guó)Unimation公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人Unimate在通用汽車(chē)公司投入使用，標(biāo)志著第一代機(jī)器人的誕生。隨后的幾十年里，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、制造技術(shù)、傳感器、控制技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的性能在大幅度提高，深入到人類(lèi)的多個(gè)領(lǐng)域，在今后機(jī)器人將繼續(xù)沿著橫向和縱向發(fā)展。橫向上，應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣。從空間上看機(jī)器人正從地面向太空、深海、地下擴(kuò)展，從各個(gè)領(lǐng)域上講，機(jī)器人將深入到工業(yè)、軍事、航空、娛樂(lè)、服務(wù)；縱向上，機(jī)器人的種類(lèi)將越來(lái)越多。微型機(jī)器人將會(huì)成為機(jī)器人的新秀，它能進(jìn)入人體直接對(duì)細(xì)胞、病毒進(jìn)行操作。總之，機(jī)器人將會(huì)變得更加智能，對(duì)人類(lèi)的貢獻(xiàn)越來(lái)越大。

機(jī)械臂是機(jī)器人的一種，傳統(tǒng)的機(jī)械臂均為剛性連桿組成，通常有串聯(lián)、并聯(lián)或串并混聯(lián)三種結(jié)構(gòu)。這類(lèi)機(jī)械臂的特點(diǎn)是具有離散關(guān)節(jié)和剛性連接，還有一類(lèi)基于章魚(yú)臂、象鼻等生物器官仿生的連續(xù)體機(jī)械臂。由于連續(xù)體機(jī)械臂可在任意部位產(chǎn)生柔性變形，所以具有很強(qiáng)的避障能力，能夠更好的適應(yīng)非結(jié)構(gòu)環(huán)境，更好的抓取不規(guī)則物體。這類(lèi)機(jī)械臂既可以像傳統(tǒng)機(jī)械臂那樣在末端裝上夾持裝置抓取物體，也可以利用機(jī)械臂本身卷起物體。從這類(lèi)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)上看，其功能強(qiáng)大，具有良好的柔順性和適應(yīng)性；從這類(lèi)機(jī)器人的應(yīng)用角度看，這些機(jī)械臂的操作對(duì)象往往是一些柔軟、脆弱且有生命的目標(biāo)，而傳統(tǒng)的機(jī)械臂則不容易做到。

1995年，Immega等設(shè)計(jì)制作的KSI觸手型機(jī)械手，該機(jī)械手主要有氣囊、伺服電機(jī)、6根繩索組成，采用柔繩和氣體混合驅(qū)動(dòng)；2001年，Hannan和Walker等人研發(fā)了超冗余度象鼻型機(jī)器人，該機(jī)器人由16個(gè)2自由度U型關(guān)節(jié)組成,總長(zhǎng)82.32cm,可被分為長(zhǎng)度不等的4個(gè)部分,其中每個(gè)部分包括4個(gè)關(guān)節(jié)。每個(gè)關(guān)節(jié)由繩索與彈簧混合實(shí)現(xiàn)混合控制；2003年,Peirs等人研制了一種用于內(nèi)窺鏡機(jī)器人外科手術(shù)的柔性彎曲關(guān)節(jié)段。該連續(xù)機(jī)器人由微機(jī)電超彈性NiTi合金管構(gòu)成,采用4根肌腱驅(qū)動(dòng),具有2個(gè)自由度,可在任意反方向彎曲90度；2007年,Harada等人研制了一種可彎曲的激光操作手,該操作手最大直徑2.4mm,可向任意方向彎曲,最大彎曲角度為90度；2011年,德國(guó)費(fèi)斯托公司研制根據(jù)大象鼻子的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出來(lái)的新型仿生機(jī)器處理系統(tǒng)“仿生操作助手”,它可以平穩(wěn)地搬運(yùn)重負(fù)載,原理在于它的每一節(jié)椎骨可以通過(guò)氣囊的壓縮和充氣進(jìn)行擴(kuò)展和收縮；2014年，中國(guó)專(zhuān)利CN203804991U,公開(kāi)了一種彈簧線控柔性象鼻機(jī)械臂，該實(shí)用新型包括安裝在機(jī)座上的多段串聯(lián)的關(guān)節(jié)，其中串聯(lián)的關(guān)節(jié)中第一關(guān)節(jié)的一端固定在機(jī)座上，第一關(guān)節(jié)的另一端和第二關(guān)節(jié)的一端固定連接在一起，其后依次類(lèi)推，機(jī)座上固定有彈性支柱和驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)單元上有驅(qū)動(dòng)彈簧，所述串聯(lián)關(guān)節(jié)固定在彈性支柱上，并且驅(qū)動(dòng)彈簧穿過(guò)串聯(lián)關(guān)節(jié)。

以上所提到的這些類(lèi)柔性機(jī)械臂按照驅(qū)動(dòng)方式劃分，可以分為三類(lèi)：內(nèi)驅(qū)動(dòng)型、外驅(qū)動(dòng)型和混合型。內(nèi)驅(qū)動(dòng)型一般采用波紋管內(nèi)充流體驅(qū)動(dòng)的方式，外驅(qū)動(dòng)型采用輕質(zhì)連續(xù)體加遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)的方式,混合型驅(qū)動(dòng)是綜合采納了內(nèi)、外兩種驅(qū)動(dòng)的混合方案。外驅(qū)動(dòng)或混合驅(qū)動(dòng)型方案中的輕質(zhì)連續(xù)體的可能用彈性桿作為脊椎或用圓柱彈簧實(shí)現(xiàn)無(wú)脊椎。目前，這些類(lèi)柔性機(jī)械臂都能實(shí)現(xiàn)彎曲，有一些可以實(shí)現(xiàn)伸縮，但能同時(shí)實(shí)現(xiàn)彎曲、伸縮和粗細(xì)變化柔性機(jī)械臂很少，在一些應(yīng)用場(chǎng)合粗細(xì)變換能夠提高機(jī)械臂的環(huán)境適應(yīng)能力，比如在通過(guò)狹小的空間時(shí)我們需要較細(xì)的機(jī)械臂，在利用機(jī)械臂本身卷起某些物體時(shí)，適當(dāng)?shù)淖兇謾C(jī)械臂能增大機(jī)械臂和物體的接觸面積，從而使機(jī)械臂更牢固的卷住物體。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)、粗細(xì)變換和各向彎曲運(yùn)動(dòng)、機(jī)動(dòng)性好的剛?cè)峄炻?lián)的橫向縮放式柔性機(jī)械臂。

本發(fā)明包括機(jī)座、末端執(zhí)行器以及連接它們的多個(gè)依次串聯(lián)的驅(qū)動(dòng)單元，其中所述驅(qū)動(dòng)單元的一端通過(guò)連桿支架上的連接盤(pán)固定在機(jī)座上，其另一端與另一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的一端通過(guò)連桿支架連接；同樣，另一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的另一端與第三個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的一端通過(guò)連桿支架連接,依次與其它驅(qū)動(dòng)單元連接，直至需要的長(zhǎng)度，最后一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的另一端通過(guò)連桿支架上的連接盤(pán)與末端執(zhí)行器連接，用來(lái)抓取目標(biāo)物體。

所述驅(qū)動(dòng)單元包括柔性部分和連桿支架，所述連桿支架主要包括三個(gè)上連桿、三個(gè)下連桿、迷你氣缸、上銷(xiāo)軸、下銷(xiāo)軸、螺母、上連接架、下連接架、三個(gè)中部銷(xiāo)軸、二個(gè)滑桿、二個(gè)滑筒；所述上連接架和下連接架結(jié)構(gòu)相同，它們均為中間帶有圓形通孔并且沿連接架圓周均設(shè)三對(duì)耳座的結(jié)構(gòu)形式，上連接架固定在迷你氣缸的活塞桿上，下連接架固定在迷你氣缸缸體上；三個(gè)上連桿的一端分別通過(guò)上銷(xiāo)軸與上連接架上的三對(duì)耳座相連，構(gòu)成三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，其另一端分別通過(guò)中部銷(xiāo)軸與三個(gè)下連桿的一端以及兩個(gè)滑筒的末端和一個(gè)滑桿的末端連接，構(gòu)成三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副；三個(gè)下連桿的另一端分別通過(guò)下銷(xiāo)軸與下連接架上的三對(duì)耳座連接，構(gòu)成三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副；所述兩個(gè)滑筒分別與兩個(gè)滑桿套接，組成圓柱副，上述兩個(gè)滑筒的末端均設(shè)有與圓柱形滑道中軸線垂直的帶有內(nèi)螺紋的套筒，上述一個(gè)滑桿的末端設(shè)有與圓柱形桿體的中軸線垂直的帶有內(nèi)螺紋的套筒。

所述柔性部分包括三根結(jié)構(gòu)相同的氣動(dòng)肌腱，三根氣動(dòng)肌腱橫向成三角形布置，其中兩個(gè)氣動(dòng)肌腱的兩端通過(guò)端部螺紋分別固定在相鄰的兩個(gè)連桿支架的滑筒的套筒內(nèi)，另外一個(gè)氣動(dòng)肌腱三的兩端通過(guò)端部螺紋分別固定在相鄰的兩個(gè)連桿支架的滑桿的套筒內(nèi)。

通過(guò)迷你氣缸的氣缸桿的伸長(zhǎng)帶動(dòng)連桿支架收攏，使兩個(gè)滑筒和一個(gè)滑桿的套筒的中軸線之間的距離減小，從而帶動(dòng)三個(gè)氣動(dòng)肌腱向內(nèi)收攏，實(shí)現(xiàn)單個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的由粗到細(xì)的變換；同樣，迷你氣缸的氣缸桿縮短時(shí)是單個(gè)驅(qū)動(dòng)單元由細(xì)到粗的變換。

與機(jī)座連接的連桿支架的一端，迷你氣缸的缸體固定在下連接盤(pán)中心，三對(duì)耳座沿圓周方向均布在法蘭盤(pán)上，下連桿一、下連桿二和下連桿三的另一端分別通過(guò)下銷(xiāo)軸與三對(duì)耳座連接構(gòu)成三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。

與末端執(zhí)行器連接的連桿支架的一端，上連接盤(pán)通過(guò)螺母固定在迷你氣缸的活塞桿上，三對(duì)耳座沿圓周方向均布在法蘭盤(pán)上，上連桿一、上連桿二和上連桿三的一端分別通過(guò)上銷(xiāo)軸與三對(duì)耳座連接構(gòu)成三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。

所述上連桿、螺母、上連接架、下連接架、下連桿、下連接盤(pán)、上連接盤(pán)，均為鋁合金材質(zhì)，所有銷(xiāo)軸部件均為鋼質(zhì)材料。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)、粗細(xì)變換和各向彎曲運(yùn)動(dòng)，機(jī)動(dòng)性好，在與人交互的過(guò)程中安全性高，既保證了較高的彎曲柔軟程度和良好的柔順性，又提高了柔性機(jī)械臂的環(huán)境適應(yīng)能力。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的整體效果圖。

圖2為本發(fā)明最粗和最細(xì)狀態(tài)對(duì)比圖。

圖3為本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元示意圖(最粗狀態(tài))。

圖4為本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元示意圖(最細(xì)狀態(tài))。

圖5為本發(fā)明驅(qū)動(dòng)單元的連桿支架示意圖(最粗狀態(tài))。

圖6為本發(fā)明驅(qū)動(dòng)單元的連桿支架示意圖(最細(xì)狀態(tài))。

圖7為本發(fā)明連接機(jī)座的連桿支架的示意圖。

圖8為本發(fā)明連接末端執(zhí)行器的連桿支架示意圖。

圖中：1-第一級(jí)驅(qū)動(dòng)單元、2-第二級(jí)驅(qū)動(dòng)單元、3-第三級(jí)驅(qū)動(dòng)單元、4-末端執(zhí)行器、5-機(jī)座、6-氣動(dòng)肌腱一、7-氣動(dòng)肌腱二、8-氣動(dòng)肌腱三、9-上連桿一、10-迷你氣缸、11-上銷(xiāo)軸、12-螺母、13-上連接架、14-上連桿二、15-中部銷(xiāo)軸二、16-下連桿二、17-滑桿二、18-滑筒二、19-上連桿三、20-中部銷(xiāo)軸三、21-下連桿三、22-滑桿一、23-下銷(xiāo)軸、24-下連接架、25-滑筒一、26-下連桿一、27-中部銷(xiāo)軸一、28-下連接盤(pán)、29-上連接盤(pán)。

具體實(shí)施方式

在圖1和圖2所示的剛?cè)峄炻?lián)的橫向縮放式柔性機(jī)械臂示意圖中，第一級(jí)驅(qū)動(dòng)單元1的一端通過(guò)連桿支架固定在機(jī)座5上，其另一端與第二級(jí)驅(qū)動(dòng)單元2的一端通過(guò)連桿支架連接，第二級(jí)驅(qū)動(dòng)單元的另一端與第三級(jí)驅(qū)動(dòng)單元3的一端通過(guò)連桿支架連接，第三級(jí)驅(qū)動(dòng)單元的另一端通過(guò)連桿支架的與末端執(zhí)行器4連接，用來(lái)抓取目標(biāo)物體。

如圖3和圖5所示，所述驅(qū)動(dòng)單元包括柔性部分和連桿支架，所述連桿支架中的上連接架13和下連接架24結(jié)構(gòu)相同，它們均為中間帶有圓形通孔并且沿連接架圓周均設(shè)三對(duì)耳座的結(jié)構(gòu)形式，上連接架通過(guò)螺母12固定在迷你氣缸10的活塞桿上，下連接架固定在迷你氣缸的缸體上；上連桿一9、上連桿二14、上連桿三19的一端分別通過(guò)上銷(xiāo)軸11與上連接架上的三對(duì)耳座相連，構(gòu)成三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，上連桿一的另一端與滑筒一25的末端和下連桿一26的一端通過(guò)中部銷(xiāo)軸一27連接，構(gòu)成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，上連桿三的另一端與滑筒二18的末端和下連桿三21的一端通過(guò)中部銷(xiāo)軸三20連接，構(gòu)成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，上連桿二的另一端與滑桿二17的末端和下連桿二16的一端通過(guò)中部銷(xiāo)軸二15連接，構(gòu)成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副；下連桿一、下連桿二和下連桿三的另一端分別通過(guò)下銷(xiāo)軸23與下連接架上的三對(duì)耳座連接，構(gòu)成三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副；滑筒一和滑筒二分別與滑桿一22和滑桿二套接，組成圓柱副，上述的滑筒一和滑筒二末端均設(shè)有與圓柱形滑道中軸線垂直的帶有內(nèi)螺紋的套筒，上述滑桿二的末端設(shè)有與圓柱形桿體的中軸線垂直的帶有內(nèi)螺紋的套筒。

所述柔性部分的三根氣動(dòng)肌腱橫向成三角形布置，其中氣動(dòng)肌腱一6和氣動(dòng)肌腱二7的兩端分別固定在相鄰的兩個(gè)連桿支架的滑筒一和滑筒二的套筒內(nèi)，氣動(dòng)肌腱三8的兩端分別固定在相鄰的兩個(gè)連桿支架的滑桿二的套筒內(nèi)。

氣動(dòng)肌腱一、氣動(dòng)肌腱二和氣動(dòng)肌腱三為一端帶徑向氣接口的氣動(dòng)肌腱，氣動(dòng)肌腱的充放氣過(guò)程的氣體都經(jīng)過(guò)此徑向氣接口。三個(gè)氣動(dòng)肌腱可以作為三個(gè)分支，氣動(dòng)肌腱自身具有柔性，無(wú)需添加其它的運(yùn)動(dòng)副便能實(shí)現(xiàn)自身彎曲，并且三根氣動(dòng)肌腱組成的三個(gè)分支可以通過(guò)自身的充放氣實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)，三個(gè)分支相互耦合能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)單元整體的伸縮和各向彎曲運(yùn)動(dòng)。

如圖4和圖6所示，通過(guò)迷你氣缸的氣缸桿的伸長(zhǎng)帶動(dòng)連桿支架收攏，使滑筒一、滑筒二和滑桿二的中軸線之間的距離減小，從而帶動(dòng)三個(gè)氣動(dòng)肌腱向內(nèi)收攏，實(shí)現(xiàn)單個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的由粗到細(xì)的變換；同樣，迷你氣缸的氣缸桿縮短時(shí)是單個(gè)驅(qū)動(dòng)單元由細(xì)到粗的變換。通過(guò)每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的粗細(xì)變換，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械臂的粗細(xì)變換。

如圖7所示，與機(jī)座連接的連桿支架的一端，迷你氣缸的缸體固定在下連接盤(pán)28中心，三對(duì)耳座沿圓周方向均布在法蘭盤(pán)上，下連桿一、下連桿二和下連桿三的另一端分別通過(guò)下銷(xiāo)軸與耳座連接構(gòu)成三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，其它部件和連接方式與圖5所示的連桿支架相同。

如圖8所示，與末端執(zhí)行器連接的連桿支架的一端，上連接盤(pán)29通過(guò)螺母固定在迷你氣缸的活塞桿上，三對(duì)耳座沿圓周方向均布在法蘭盤(pán)上，上連桿一、上連桿二和上連桿三的一端分別通過(guò)上銷(xiāo)軸與耳座連接構(gòu)成三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，其它部件和連接方式與圖5所示的連桿支架相同。

所述三個(gè)上連桿、螺母、上連接架、下連接架、三個(gè)下連桿、下連接盤(pán)、上連接盤(pán)、兩個(gè)滑筒和兩個(gè)滑桿均為鋁合金材質(zhì)，所有銷(xiāo)軸均為鋼質(zhì)材料。