模塊化線繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)械臂的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)械臂，具體地，涉及一種模塊化線繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)械臂。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)機(jī)械臂關(guān)節(jié)采用電機(jī)等機(jī)構(gòu)直接在關(guān)節(jié)處進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，雖然機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單但增加了機(jī)械臂負(fù)載并且結(jié)構(gòu)不緊湊，效率低。一般很難滿足狹小深腔或惡劣環(huán)境的作業(yè)要求。連續(xù)體機(jī)器人是指存在多個(gè)連續(xù)分布的彎曲、伸縮或扭轉(zhuǎn)自由度的柔性機(jī)器人。由于其固有的超冗余度特性，連續(xù)體機(jī)器人在受限空間中的運(yùn)動(dòng)和操作能力遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的多關(guān)節(jié)剛性連桿機(jī)器人，在核工廠大型裝備檢測(cè)與維護(hù)、搶險(xiǎn)救災(zāi)及航空航天制造等領(lǐng)域的深腔和危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)中有重要的應(yīng)用價(jià)值。
[0003]通過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利公開號(hào)CNl01653353A和公布號(hào)CN103948435A分別介紹了用于一種內(nèi)窺鏡機(jī)器人和一種單孔腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)。這兩種手術(shù)機(jī)器人中的機(jī)械臂都屬于線繩驅(qū)動(dòng)的連續(xù)體機(jī)械臂。由于用于人體手術(shù)的機(jī)械臂外徑比較小，因此比較柔軟靈活，但能承受負(fù)載較小不適合用于負(fù)載較大的工業(yè)場(chǎng)合。公開號(hào)CN105014689A專利中詳細(xì)介紹的連續(xù)體機(jī)械臂采用剛性的虎克鉸結(jié)構(gòu)，通過增加關(guān)節(jié)數(shù)目實(shí)現(xiàn)靈活的運(yùn)動(dòng)及變形能力，負(fù)載及末端精度有顯著提高，但由于采用剛性結(jié)構(gòu)，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)變形因此不夠靈活。事實(shí)上靈活性與高剛度高負(fù)載能力是一對(duì)矛盾的性能指標(biāo)，為了保證靈活性可能會(huì)犧牲部分負(fù)載能力，反之亦然。為了解決柔性和剛性負(fù)載之間的矛盾，本發(fā)明提出了四種模塊化線繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)械臂，

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，為了解決柔性和剛性負(fù)載之間的矛盾，本發(fā)明的目的是提供一種模塊化線繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)械臂，能夠在靈活性和負(fù)載之間尋求一個(gè)平衡點(diǎn)，從而可以根據(jù)不同的工況要求選擇不同的設(shè)計(jì)。
[0005]根據(jù)本發(fā)明提供的模塊化線繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)械臂，包括多個(gè)模塊化單體；
[0006]其中，任一相鄰兩個(gè)模塊化單體的相對(duì)面分別設(shè)置第一鉸接件、第二鉸接件;一模塊化單體的所述第一鉸接與另一模塊化單體的所述第二鉸接件形成鉸接結(jié)構(gòu)；
[0007]多個(gè)模塊化單體依次通過所述鉸接結(jié)構(gòu)鉸接形成機(jī)械臂節(jié)；
[0008]所述模塊化單體上設(shè)置有功能孔和周向依次排列的過線孔。
[0009]優(yōu)選地，所述過線孔的數(shù)量為至少3個(gè)；
[0010]所述過線孔內(nèi)均設(shè)置有驅(qū)動(dòng)線繩。
[0011]優(yōu)選地，所述模塊化單體的上端面、下端面均設(shè)置有兩個(gè)相對(duì)設(shè)置的對(duì)稱斜面;兩個(gè)相對(duì)設(shè)置的對(duì)稱斜面之間設(shè)置有沿徑向貫穿的上滑槽；
[0012]所述模塊化單體的上端面的下端面設(shè)置有與所述上滑槽相匹配的下轉(zhuǎn)軸；
[0013]—模塊化單體的上滑槽與另一模塊化單體的下轉(zhuǎn)軸形成鉸接結(jié)構(gòu)。
[0014]優(yōu)選地，所述模塊化單體的上端面設(shè)置有上球鉸面和上圓弧掃略面，下端面設(shè)置有下球鉸面和下圓弧掃略面；
[0015]—模塊化單體的上球鉸面與另一模塊化單體的下球鉸面之間形成鉸接結(jié)構(gòu)。
[0016]優(yōu)選地，所述模塊化單體的上端面設(shè)置有沿周向依次排列的盲孔通道，下端面設(shè)置有與所述盲孔通道相匹配的柔性桿；
[0017]所述柔性桿的端部設(shè)置有固定鉸鏈;所述盲孔通道的底部設(shè)置有與所述固定鉸鏈相匹配的球形凹槽；
[0018]一模塊化單體的柔性桿通過固定鉸鏈與另一模塊化單體的盲孔通道之間形成鉸接結(jié)構(gòu)。
[0019]優(yōu)選地，還包括鉸鏈中圈和螺紋彈簧；
[0020]所述第一鉸接件與所述第二鉸接件之間通過所述鉸鏈中圈形成鉸接結(jié)構(gòu)；
[0021 ]相鄰兩個(gè)模塊化單體之間設(shè)置有多個(gè)螺紋彈簧。
[0022]優(yōu)選地，多個(gè)所述螺紋彈簧沿所述模塊化單體的周向依次排列；
[0023]所述第一鉸接與所述鉸鏈中圈的一相對(duì)兩側(cè)面之間、所述第二鉸接與所述鉸鏈中圈的另一相對(duì)兩側(cè)面之間通過臺(tái)階螺釘連接。
[0024]優(yōu)選地，多個(gè)所述模塊化單體上的功能孔組成的管道內(nèi)設(shè)置有彈性骨架。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0026]1、本發(fā)明中兩相鄰模塊化單體相對(duì)對(duì)稱斜面相互接觸后相當(dāng)于鎖死不能運(yùn)動(dòng)，因此能提供較大負(fù)載；
[0027]2、本發(fā)明相鄰模塊化單體采用球鉸連接，故上下兩個(gè)相鄰模塊化單體可以繞任意方向轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)十分靈活；
[0028]3、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布局合理，易于推廣。
【附圖說明】
[0029]通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0030]圖1為本發(fā)明中線繩傳動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031 ]圖2為在第一實(shí)施例中模塊化線繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖3為在第一實(shí)施例中模塊化單體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖4為在第二實(shí)施例中模塊化線繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖5為在第二實(shí)施例中模塊化單體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖6為在第三實(shí)施例中模塊化線繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖7為在第三實(shí)施例中模塊化單體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖8為在第四實(shí)施例中模塊化線繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖9為在第四實(shí)施例中模塊化單體的結(jié)構(gòu)示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0040]實(shí)施例1
[0041]在本實(shí)施例中，如圖1所示，為本發(fā)明提供的線繩傳動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)示意圖。主要由連續(xù)體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置I以及連續(xù)體機(jī)器人機(jī)械臂2組成。其中I是連續(xù)體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置，該設(shè)計(jì)內(nèi)容已經(jīng)在公開號(hào)CN105058423A中詳細(xì)介紹。圖2有一種運(yùn)動(dòng)解耦的繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人機(jī)械臂已在公開號(hào)CN105014689A專利中詳細(xì)介紹。公開號(hào)CN105058423A專利中介紹的連續(xù)體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)線繩傳動(dòng)的機(jī)械臂有一定的通用性，例如可驅(qū)動(dòng)專利CN105014689A中介紹的機(jī)械臂。這一類線繩傳動(dòng)的機(jī)械臂可以有多種設(shè)計(jì)方案，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)各有不同。
[0042]本發(fā)明提供的模塊化線繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)械臂，包括多個(gè)模塊化單體；
[0043]其中，任一相鄰兩個(gè)模塊化單體的相對(duì)面分別設(shè)置第一鉸接件、第二鉸接件;一模塊化單體的所述第一鉸接與另一模塊化單體的所述第二鉸接件形成鉸接結(jié)構(gòu)；
[0044]多個(gè)模塊化單體依次通過所述鉸接結(jié)構(gòu)鉸接形成機(jī)械臂節(jié)；
[0045]所述模塊化單體上設(shè)置有功能孔和周向依次排列的過線孔。
[0046]所述過線孔的數(shù)量為至少3個(gè);所述過線孔內(nèi)均設(shè)置有驅(qū)動(dòng)線繩。
[0047]在本實(shí)施例中，4個(gè)模塊化單體組成一個(gè)機(jī)械臂節(jié)，每個(gè)機(jī)械臂節(jié)由3根驅(qū)動(dòng)線繩控制，驅(qū)動(dòng)線繩通過所述連續(xù)體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置I引出，驅(qū)動(dòng)線繩通過連續(xù)體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置I中的電機(jī)、絲杠和導(dǎo)軌連接到每一機(jī)械臂節(jié)的末端模塊化單體上，并且沿圓周間隔120度等間距分布，每根驅(qū)動(dòng)線繩在每一機(jī)械臂節(jié)的末端用套線圈鎖死。驅(qū)動(dòng)線繩始終處于拉緊狀態(tài)，可以通過改變驅(qū)動(dòng)線繩的長(zhǎng)度。當(dāng)驅(qū)動(dòng)線繩的繩長(zhǎng)改變時(shí)會(huì)帶動(dòng)每個(gè)機(jī)械臂節(jié)里的每個(gè)模塊化單體相對(duì)另一個(gè)模塊化單體的運(yùn)動(dòng)，以此來改變機(jī)械臂節(jié)的位置和形狀，從而操縱機(jī)械臂末端達(dá)到預(yù)定的位置完成相應(yīng)的操作。
[0048]在模塊化單體4的中心孔所組成的管道，有連續(xù)的彈簧作為每小節(jié)的彈性骨架。所述模塊化單體的上端面、下端面設(shè)置有兩個(gè)相對(duì)設(shè)置的對(duì)稱斜面6;兩個(gè)相對(duì)設(shè)置的對(duì)稱斜面6之間設(shè)置有沿徑向貫穿的上滑槽8;所述模塊化單體的上端面的下端面設(shè)置有與所述上滑槽8相匹配的下轉(zhuǎn)軸10; —模塊化單體的上滑槽8與另一模塊化單體的下轉(zhuǎn)軸10形成鉸接結(jié)構(gòu)。
[0049]多個(gè)所述模塊化單體上的功能孔7組成的管道內(nèi)設(shè)置有彈性骨架。所述彈性骨架采用彈簧，機(jī)械臂節(jié)組合起來模擬脊椎骨架，由驅(qū)動(dòng)線繩和彈簧牽引骨架運(yùn)動(dòng)，并且提供一定的柔性，使得機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)相對(duì)靈活，另外這種結(jié)構(gòu)加工簡(jiǎn)單，并且負(fù)載承載能力大。
[0050]模塊化單體的本體為圓柱體5，在圓柱體5上加工出很多用于裝配，布線及工具運(yùn)送通道的結(jié)構(gòu)特征。兩個(gè)相對(duì)設(shè)置的對(duì)稱斜面6以圓柱體5的一條直徑對(duì)稱，對(duì)稱斜面6與水平面的夾角可根據(jù)運(yùn)動(dòng)范圍選取，本實(shí)例中選10度。
[0051 ] 上端面的兩個(gè)對(duì)稱斜面6的對(duì)稱中心線和下端面的兩個(gè)對(duì)稱斜面6的對(duì)稱中心線可以重合，也可以有一定夾角。
[0052]當(dāng)兩端面的對(duì)稱中心重合時(shí)，組裝成的機(jī)械臂節(jié)只能繞著該中心線左右擺動(dòng)。當(dāng)上下度面的中心線有一定的夾角時(shí)，機(jī)械臂節(jié)中有四個(gè)擺動(dòng)方向，機(jī)械臂節(jié)的合成運(yùn)動(dòng)可以視為在空間中的轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)稱斜面6的作用是為相鄰模塊化單體4提供一定相對(duì)運(yùn)動(dòng)空間，當(dāng)兩相鄰模塊化單體4相互接觸后相當(dāng)于鎖死不能運(yùn)動(dòng)，因此能提供較大負(fù)載。功能孔7是在圓柱體5上打的通孔，所述通孔一方面可以減輕重量，另一方面可以排布彈簧或柔性桿等柔性元件，或者放置一些通信線纜等工具，用來方便在整個(gè)機(jī)械臂末端即最后一個(gè)零件上安裝末端的執(zhí)行器如鉆頭等完成一些特定工作。
[0053]上滑槽8是位于上頂面對(duì)稱中心上的圓柱形滑槽。下轉(zhuǎn)軸10是位于下底面對(duì)稱中心上的轉(zhuǎn)軸，上滑槽8和下轉(zhuǎn)軸10對(duì)應(yīng)的圓心角大于180度且采用間隙配合，這樣當(dāng)把一個(gè)模塊化單體4的下轉(zhuǎn)軸10裝入另一模塊化單體4的上滑槽8中便完成了周向定位。然后使兩模塊化單體4的圓柱中心線重合或相交，再用銷釘把下轉(zhuǎn)軸10鎖定在上滑槽8中便完成了軸向定位。這樣兩相鄰模塊化單體4便裝配好并且可以靈活自由的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。最后將從連續(xù)體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置I中引出的驅(qū)動(dòng)線繩每三根一組，等間隔120度依次經(jīng)過每節(jié)模塊化單體4中的過線孔9，并在每機(jī)械臂節(jié)末端一個(gè)模塊化單體4上將驅(qū)動(dòng)線繩鎖死，這樣反復(fù)依次進(jìn)行，直到所有模塊化單體4安裝完成。過線孔9的數(shù)量可以根據(jù)模塊化單體4的個(gè)數(shù)計(jì)算出所需驅(qū)動(dòng)線繩數(shù)目得出。
[0054]實(shí)施例2
[0055]第二實(shí)施例為第一實(shí)施例的變化例，第二實(shí)施例與第一實(shí)施例的區(qū)別主要在于，在第二實(shí)施例中，所述模塊化單體的上端面設(shè)置有上球鉸面18和上圓弧掃略面，下端面設(shè)置有下