一種可蜷縮的蛇形機械臂的制作方法

本發明屬于機器人領域，具體涉及一種可蜷縮的蛇形機械臂。

背景技術：

蛇形機械臂以生物蛇為原型，具有高靈活性、高冗余度、橫截面積小等優點，可以在狹小、復雜以及高危的環境中進行工作，在近幾年中得到了快速的發展。

在現有的技術中，蛇形機械臂的運動臂安裝在通用或專門設計的移動平臺上，通過移動平臺與機械臂復合運動，實現狹窄空間中的推進與避障。這種方式在設計上相對易于實現，在控制上通過運動學模型的優化分解能夠得到平臺和蛇形機械臂各自的運動控制量，在一定程度上能夠實現蛇形機械臂的作業功能，但這種方式由于推送平臺的運動范圍大，往往需要具有較大的作業場地來安放移動平臺，阻礙了蛇形機械臂的實際應用。同時由于推送平臺與蛇形機械臂是分離設計的，在非作業狀態下蛇形機械臂也通常處于伸展狀態，不僅占用較大的空間，對于蛇形機械臂本身的機構保護也存在不利因素。

因此將蛇形機械臂與推送平臺進行一體化設計，進而提高整個作業系統的空間利用率，是提高蛇形機械臂系統實用性的重要問題。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發明旨在解決現有蛇形機械臂所用推送平臺占地較大，非工作狀態時仍處于伸展狀態的不便性，提供一種可蜷縮、體積小、便于推廣使用的蛇形機械臂。

(二)技術方案

本發明提供了一種可蜷縮的蛇形機械臂，包括：運動臂、鋼絲驅動機構和旋轉給進機構；所述旋轉給進機構提供一容置空間；所述鋼絲驅動機構安裝于所述旋轉給進機構，并連接所述運動臂，所述鋼絲驅動機構可在所述旋轉給進機構的驅動下旋轉，帶動所述運動臂蜷縮放置在所述容置空間內。

在本發明的一些實施例中，所述旋轉給進機構包括：旋轉機構、環形輔助支架以及固定架，所述旋轉機構和環形輔助支架通過所述固定架相連；所述鋼絲驅動機構置于所述旋轉機構和環形輔助支架之間的空間，所述旋轉機構可驅動所述鋼絲驅動機構旋轉，所述容置空間位于所述環形輔助支架。

在本發明的一些實施例中，所述固定架包括：相互垂直的固定板和連接板；所述旋轉機構包括：第一聯軸器和置于所述固定板的精密減速機、旋轉電機，所述第一聯軸器的一端固定精密減速機的輸出軸；所述環繞輔助支架包括：環繞外罩1、底盤和第一軸承，所述第一軸承安裝在所述底盤，所述環繞外罩圍成所述容置空間，其側面有開口并固定于所述連接板；所述鋼絲驅動機構的一端固定所述第一聯軸器的另一端，其另一端安裝于所述第一軸承并連接所述運動臂，所述運動臂沿所述鋼絲驅動機構的切線方向經所述開口伸出，所述旋轉電機經所述精密減速機和第一聯軸器驅動所述鋼絲驅動機構旋轉，所述運動臂可從所述容置空間伸出或蜷縮至所述容置空間。

在本發明的一些實施例中，所述鋼絲驅動機構包括：固定裝置，包括同軸設置的底部固定圓盤和電機固定圓盤；支撐軸，包括主軸體及其兩端的第一凸軸和第二凸軸，所述主軸體穿過并固定于所述底部固定圓盤和電機固定圓盤，所述第一凸軸固定所述第一聯軸器，所述第二凸軸安裝于所述第一軸承；多個鋼絲驅動器，安裝于所述底部固定圓盤和電機固定圓盤；鋼絲繩引導架，固定于所述底部固定圓盤的底面并連接所述運動臂；所述鋼絲驅動器引出的鋼絲繩經所述鋼絲繩引導架引入所述運動臂。

在本發明的一些實施例中，所述鋼絲驅動器包括：減速電機，其輸出軸穿過所述電機固定圓盤；第二聯軸器，一端固定所述減速電機的輸出軸；軸承座，固定于所述底部固定圓盤；第二軸承，安裝在所述軸承座；梯形絲杠，包括梯形螺桿和絲杠螺母，所述梯形螺桿的一端固定在所述聯軸器上，另一端安裝于所述第二軸承，所述絲杠螺母套接在所述梯形螺桿上；繩索座，套接在所述梯形螺桿上，與所述絲杠螺母連接在一起；滑軌固定座，一端固定在軸承座上，另一端固定在電機固定圓盤上；滑軌，固定于所述滑軌固定座；旁壓式拉力傳感器，固定于所述滑軌固定座的靠近軸承座的位置；滑塊，固定于所述繩索座底部，套入所述滑軌中；鋼絲繩由所述繩索座引出，經所述旁壓式拉力傳感器，穿過所述軸承固定座和底部固定圓盤，引入所述鋼絲繩引導架。

在本發明的一些實施例中，所述鋼絲繩引導架包括：鋼絲約束筒，其中部和一端分別有一圓環，所述圓環上開有供鋼絲繩穿過的通孔，另一端與所述鋼絲轉向架連接；鋼絲轉向架，包括：兩個相互垂直的第一直板和第二直板和連接兩個直板的加強筋，所述第一直板連接所述鋼絲約束筒，所述第二直板連接所述運動臂；鋼絲繩從所述鋼絲驅動器引出后，經由所述鋼絲約束筒一端和中部圓環的通孔，連續穿過所述第一直板和第二直板引入運動臂。

在本發明的一些實施例中，所述鋼絲驅動機構還包括：外罩，所述鋼絲驅動器置于其中，一端固定在所述底部固定圓盤的側面，中間部位與所述電機固定圓盤的側面固定，另一端開有圓孔，所述支撐軸的第一凸軸從所述圓孔穿過。

在本發明的一些實施例中，所述運動臂包括多個串聯的單元模塊。

在本發明的一些實施例中，所述單元模塊包括運動主體模塊和分別連接在運動主體模塊兩端的第一萬向接頭、第二萬向接頭，相鄰單元模塊的萬向接頭之間通過菱形十字軸構成萬向節。

在本發明的一些實施例中，還包括：控制柜。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出，本發明可蜷縮的蛇形機械臂具有以下有益效果：

(1)通過將蛇形機械臂的運動臂安裝在鋼絲驅動機構側面，可實現運動臂繞鋼絲驅動機構的蜷縮，提高空間利用率。

(2)通過將蛇形機械臂與給進平臺集成為一體，減小了整體尺寸，便于在狹窄應用環境中使用。

(3)通過自身可伸縮的單元模塊串聯構成運動臂，可在需要時，減小運動臂的長度和蜷縮半徑，使蛇形機械臂更加緊湊。

附圖說明

圖1是本發明實施例的蛇形機械臂整體機構示意圖。

圖2是本發明實施例的蛇形機械臂旋轉給進機構示意圖。

圖3是本發明實施例的蛇形機械臂鋼絲驅動機構示意圖。

圖4是本發明實施例的蛇形機械臂鋼絲驅動器示意圖。

圖5是本發明實時的蛇形機械臂鋼絲引導架示意圖。

圖6是本發明實施例的蛇形機械臂運動臂示意圖。

【符號說明】

1-運動臂，2-鋼絲驅動機構，3-旋轉給進機構，4-控制柜，11-單元模塊，12-菱形十字軸，111-運動主體模塊，112a-第一萬向接頭，112b-第二萬向接頭，21-固定裝置，22-鋼絲驅動器，23-鋼絲繩引導架，24-支撐軸，241-第一凸軸，242-第二凸軸，25-外罩，211-底部固定圓盤，212-電機固定圓盤，221-梯形絲杠，222-減速電機，223-聯軸器，224-繩索座，225-軸承，226-軸承座，227-滑塊，228-滑軌，229-滑軌固定座，230-緊湊型旁壓式拉力傳感器，221a-梯形螺桿，221b-絲杠螺母，231-鋼絲約束筒，232-鋼絲轉向架，232a-第一直板，232b-第二直板，31-旋轉機構，32-環形輔助支架，33-固定架，311-精密減速機，312-旋轉電機，313-聯軸器，321-環繞外罩，322-底盤，323-軸承，331-固定板，332-連接板。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。

本發明為一種可蜷縮的蛇形機械臂，該蛇形機械臂的運動臂與給進平臺集成一體，可蜷縮收回至給進平臺中。

如圖1所示，可蜷縮的蛇形機械臂包括：運動臂1和給進平臺，給進平臺包括：鋼絲驅動機構2、旋轉給進機構3以及控制柜4。

參見圖1和圖2所示，旋轉給進機構3由旋轉機構31、環形輔助支架32以及固定架33構成，旋轉機構31和環形輔助支架32通過固定架33相連。

固定架33由相互垂直的固定板331和連接板332構成，呈倒l型。旋轉機構31固定在固定板331上，可驅動鋼絲驅動機構2旋轉，環繞輔助支架是一個側面有開口的桶，其側面固定在連接板332上，桶內空間可放置并保護蜷縮起來的運動臂1。

旋轉機構31由精密減速機311、旋轉電機312以及聯軸器313構成，聯軸器313的一端固定精密減速機311的輸出軸，另一端固定鋼絲驅動機構2。環繞輔助支架32由環繞外罩321、底盤322以及軸承323構成。軸承323安裝在底盤322的圓心位置，連接鋼絲驅動機構2。

鋼絲驅動機構2置于旋轉機構31和環形輔助支架32之間的空間。鋼絲驅動機構2為桶狀結構，頂端和底端的中心分別具有凸軸，頂端的凸軸固定聯軸器313，底端的凸軸安裝于軸承323，底端連接運動臂1，運動臂1沿鋼絲驅動機構2的切線方向伸出，旋轉電機312經精密減速機311和聯軸器313驅動鋼絲驅動機構2旋轉。

本發明的可蜷縮的蛇形機械臂工作時，運動臂1蜷縮于環繞輔助支架的桶內空間，旋轉機構31帶動處于蜷縮狀態的運動臂1旋轉，使其從環繞輔助支架32的開口出伸出，實現運動臂1的給進；停機時，旋轉機構31反向旋轉，收回運動臂1，使其蜷縮放置在環繞輔助支架32的桶內空間中。

由此可見，本發明的可蜷縮的蛇形機械臂，通過將運動臂安裝在鋼絲驅動機構側面，可實現運動臂繞鋼絲驅動機構的蜷縮，提高了空間利用率；通過將運動臂與給進平臺集成一體，減小了蛇形機械臂的整體尺寸，便于在狹窄應用環境中使用。

進一步地，參見圖3所示，鋼絲驅動機構2包括：固定裝置21、多個鋼絲驅動器22、鋼絲繩引導架23、支撐軸24以及外罩25構成。

固定裝置21包括底部固定圓盤211和電機固定圓盤212，二者同軸設置，底部固定圓盤211與電機固定圓盤212具有相同的外徑，其中心位置加工有相同直徑的圓孔，底部固定圓盤211開有供鋼絲繩穿過的通孔。

支撐軸24包括主軸體，主軸體頂端具有第一凸軸241，底端具有第二凸軸242，主軸體依次通過上述兩個圓孔，并與底部固定圓盤211與電機固定圓盤212固定，第一凸軸241固定聯軸器313，第二凸軸242安裝于軸承323。

參見圖4所示，鋼絲驅動器22包括：梯形絲杠221、減速電機222、聯軸器223、繩索座224、軸承225、軸承座226、滑塊227、滑軌228、滑軌固定座229以及緊湊型旁壓式拉力傳感器230。

減速電機222是一種具有大減速比和扭矩的直流減速電機，其靠近輸出軸的一端固定在電機固定圓盤212上，輸出軸穿過電機固定圓盤212。

聯軸器223的一端固定減速電機222的輸出軸。

軸承座226固定于底部固定圓盤211的面向電機固定圓盤212的底面，開有供鋼絲繩穿過的通孔，該通孔與底部固定圓盤211的通孔對應連通。

軸承225安裝在軸承座226上，且與聯軸器223位置相對。

梯形絲杠221包括梯形螺桿221a和絲杠螺母221b。梯形螺桿221a的一端固定在聯軸器233上，通過聯軸器223與減速電機222相連，另一端安裝于軸承225，以連接軸承固定座226，絲杠螺母221b套接在梯形螺桿221a上。

繩索座224套接在梯形螺桿221a上，與絲杠螺母221b連接在一起。，其底部連接有滑塊227，繩索座224連接運動臂1中的鋼絲繩，通過繩索座的直線運動可以控制鋼絲繩的伸縮，進而控制運動臂1的伸縮和旋轉。

滑軌固定座229是一個長方體，一端固定在軸承座226上，另一端固定在電機固定圓盤212上，其朝向梯形絲杠221的表面固定有滑軌228，靠近軸承座的位置固定有緊湊型旁壓式拉力傳感器230。緊湊型旁壓式拉力傳感器230可獲知鋼絲繩的拉力，配合鋼絲繩的伸縮量控制，可實現對應運動臂1的伸縮。

滑塊227套入滑軌228中，通過減速電機222帶動梯形螺桿221a旋轉，在滑軌228的配合下，絲杠螺母221b將梯形螺桿221a的旋轉運動轉換為繩索座224的直線運動。

鋼絲驅動器22所要驅動的鋼絲繩，一端連接在繩索座224上，另一端經過緊湊型旁壓式拉力傳感器230，穿過軸承固定座226和底部固定圓盤211上的通孔，引入鋼絲繩引導架23，最終固定在對應的運動臂1的單元模塊11上。

參見圖5所示，鋼絲繩引導架23固定于底部固定圓盤211的另一底面，可引導鋼絲繩的走線方向，使運動臂1沿鋼絲驅動機構2的切線方向伸出，包括：鋼絲約束筒231和鋼絲轉向架232。

鋼絲約束筒231是中空的圓柱形剛體，其中部和一端分別有一個圓環，圓環上留有供鋼絲繩穿過的通孔，另一端與鋼絲轉向架232連接。

鋼絲轉向架232由兩個相互垂直的第一直板232a和第二直板232b、以及連接兩個直板的加強筋構成，兩個直板上均留有供鋼絲繩穿過的通孔，其中第一直板232a連接鋼絲約束筒231，第二直板232b連接運動臂1。

鋼絲繩從固定裝置的底部固定圓盤211的通孔穿出后，經由鋼絲約束筒231一端和中部的圓環對應的通孔后，進入鋼絲轉向架232，連續穿過鋼絲轉向架的兩個直板的通孔后，進入運動臂1。

外罩25是一個圓柱形的桶，鋼絲驅動器22置于桶內，桶口固定在底部固定圓盤211的側面，桶壁的中間部位與電機固定圓盤212的側面固定，桶底留有圓孔，支撐軸的第一凸軸241從圓孔穿過。

參見圖6所示，運動臂1由多個串聯的單元模塊11構成，單元模塊11由運動主體模塊111和分別連接在運動主體模塊111兩端的第一萬向接頭112a、第二萬向接頭112b構成，相鄰單元模塊的萬向接頭之間通過菱形十字軸12構成萬向節。主體模塊111和萬向接頭112a、112b的圓周上開若干穿線孔，鋼絲驅動器22的引出的鋼絲繩穿入穿線孔，鋼絲繩和穿線孔的數量由單元模塊的個數決定，例如，如果單元模塊的個數為n，則共需3n根鋼絲繩，其中的三根鋼絲繩均勻分布并固定在第一單元模塊，控制第一單元模塊的伸縮，其余3n-3根鋼絲繩穿過第一單元模塊到達第二單元模塊，其中三根鋼絲繩再均勻分布并固定在第二單元模塊，控制第二單元模塊的伸縮，依此類推直至最后一個單元模塊。

本發明的可蜷縮的蛇形機械臂，通過自身可伸縮的單元模塊串聯構成運動臂，可在需要時，減小運動臂的長度和蜷縮半徑，使蛇形機械臂更加緊湊，節省空間，具有空間利用率高、靈活性強的優點。

本發明的可蜷縮的蛇形機械臂還包括控制柜4，固定在旋轉給進機構固定架的連接板332上，靠近旋轉給進機構3和鋼絲驅動機構2，控制柜4內部安裝有控制整個蛇形機械臂運動的控制器。

至此，已經結合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據以上描述，本領域技術人員應當對本發明的可蜷縮的蛇形機械臂有了清楚的認識。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現方式，均為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換，例如：

(1)實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本發明的保護范圍；

(2)上述實施例可基于設計及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實施例混合搭配使用，即不同實施例中的技術特征可以自由組合形成更多的實施例。

以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。