专利名称：一种蛇形机械臂的制作方法
技术领域：
本发明是一种蛇形机械臂，属于产品的结构技术领域。
背景技术：
目前，具有高精度、高重复性的工业机器人已在汽车、电子以及家电等制造领域得到了广泛应用。但传统的工业机器人由于其高刚度及大结构尺寸的限制，很难应用于极端危险和极限环境作业中，例如核反应堆检查、管道清洗等领域。作为一种特种机器人，蛇形臂具有长径比大，自由度多，动作灵活，环境适应能力强等优点，易于回避障碍和克服奇异点。因而能够用于各种非结构化狭小封闭空间作业以及高柔性操作等领域。将蛇形臂安装于移动平台(移动机器人)上，可以用于管道检测以及公共场合的安检、排爆；将蛇形臂安装于工业机器人末端可以用于飞机复杂箱体内的加工装配、发动机检测以及飞机壁板的涂胶等。蛇形臂的种类很多，根据结构类型的不同，蛇形臂可以分为无中心支柱型、柔性中心支柱型以及刚性中心支柱型三类。无中心支柱型的蛇形臂是指没有明显的用于支撑的中心支柱，它多是以驱动器为支撑结构。该类型的蛇形臂多用气动人工肌肉作为驱动。具有结构简单、弯曲力量大以及易于搭建等优点，但相应的控制也较为复杂，形状的保持具有一定的难度；柔性中心支柱型蛇形臂多用气囊或柔性杆作为中心支柱，具有结构简单、体积小、重量轻、刚度适中等优点；以刚形体为中心支柱的蛇形臂，以具有一到三个自由度的刚性关节为核心，多通过电机直接驱动或通过电机拉动相应的柔索驱动。该类型的蛇形臂能够实现较高的重复定位精度，具有控制简单、刚度大、耐用性强以及工作效率高等优点。国外对蛇形臂的研究起步较早，Ocrobotics研制了一系列的蛇形臂,且已初步用于飞机涡轮发动机检测以及核电站反应堆的检测维修等领域。美国波士顿大学研制了一种用于临床医疗手术的蛇形臂，该蛇形臂有3个空心柔性管嵌套组成，共6个自由度，通过改变每根管子旋转的角度和伸出的距离，就可以改变整个机器人的长度和弯曲度实现机器人形状的控制，进而完成相关的医疗手术。国内开展蛇形臂的研究起步较晚，因此取得的相关研究成果较少。Haiyan Hu和Pengfei Wang等人研制了一种结肠镜蛇形臂。该蛇形臂总长600mm,共分5段，每段具有2个自由度。北京航空航天大学的何俊虎设计了一种用于医疗手术蛇形臂，该机器人总长150_，共分三段弯曲关节，每段弯曲关节具有2个自由度。国内外关于蛇形臂的研究已取得了一定的成果，但目前已研制出的蛇形臂机器人主要是针对医疗手术和抓取物体等任务设计的。经对现有技术的文献检索发现，有的蛇形臂将电源及驱动器安装在蛇形臂主体上，增加了蛇形臂主体的重量，使得蛇形臂的承载能力以及灵活性受到极大限制；有的蛇形臂自由度少，系统运动不灵活；有的蛇形臂没有采用导向机构，柔索控制不灵活
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了 一种蛇形机械臂，该种蛇形机械臂以刚性杆为中心支柱，采用柔索驱动且将电源及驱动器安装在蛇形臂基座上，具有结构紧凑、灵活性强且刚度大的优点。在其末端安装不同的执行器或者传感器，可以完成不同的操作任务，例如用于机舱、车厢等非结构狭小空间的检测以及飞机内腔的涂胶、检测、排屑、多余物取出等。本发明技术方案的具体内容如下一种蛇形机械臂，包括由数个杆件(I)串接而成的中心支柱，中心支柱的底部连接起支撑作用的底座，其特征在于杆件⑴的顶部为球关节凸面(8)，杆件⑴的底部为球关节凹面(7)，沿杆件⑴的中轴线加工有用于减重的通孔(22)，在杆件(I)的球关节凸面(8)和球关节凹面(7)周围的上、下底面之间，沿轴向加工有均匀排列的柔索通孔(9)；中心支柱的最下端的杆件⑴与基座(2)连接，基座(2)的顶部为基座球关节凸面(20)与杆件(I)的球关节凹面(7)连接，基座(2)的基座球关节凸面(20)的周围加工有与杆件⑴上的柔索通孔(9)相对应的基座柔索通孔(21)；基座(2)底部与底座的上端盖(3)的上表面连接，底座的上端盖(3)的下表面上设置有导向滑轮(10)，导向滑轮(10)与穿过底座的上端盖(3)的柔索(6)的位置相对应，每一根柔索(6)经过两个径向排列的导向滑轮(10)；底座的上端盖(3)和下端盖(5)与安装每根柔索(6)驱动装置的侧板⑷连接，驱动装置包括安装在侧板⑷上的编码器(11)、电机(12)、减速器(13)、联轴器(14)，联轴器(14)的两端分别连接电机(12)的输出轴和丝杆(16)，丝杆(16)通过轴承座(15)支撑，柔索卷筒(17)固定在丝杆螺母(18)上，丝杆螺母(18)沿导轨(19)直线运动，柔索(6) —端与柔索卷筒(17)连接。本发明技术方案的优点是1.本发明的杆件采用串联的方式连接，而驱动则采用并联的柔索驱动，组成了类似串并联的混合结构，因此本系统既具有很高的灵活性和避障能力，同时又具有高精度和高刚度的特点；2.本发明将驱动系统安装在底座内部，既实现了结构的紧凑性，又提高了蛇形臂的灵活性；3.本发明采用模块化的杆件，拆卸方便。每个杆件的运动副均为球关节，具有3个方向的转动自由度，系统自由度为杆件自由度的组合，可以根据实际需求添加或去除杆件，改变系统自由度和长度，实现可重构；4.模块化杆件采用中空结构，保证了系统的轻量化，提高了系统的灵活性。
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图1为本发明蛇形机械臂的整体结构示意图2为杆件的结构俯视图3为图2中A向的剖视图4为基座的结构不意图5为上端盖的结构示意图
图6为驱动装置的结构示意7为下端盖与驱动装置连接的结构示意中1_杆件，2-基座，3-上端盖，4-侧板，5-下端盖，6-柔索，7-杆件球关节凹面，8-杆件球关节凸面，9-柔索通孔，10-导向滑轮，11-编码器，12-电机，13-减速器，14-联轴器，15-轴承座，16-丝杠，17-柔索卷筒，18-丝杠螺母，19-导轨，20-基座球关节凸面，21-基座柔索通孔，22-通孔。
具体实施例方式以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述参见附图1 7所示，该种蛇形机械臂，包括由4个杆件I串接而成的中心支柱，中心支柱的底部连接起支撑作用的底座，其特征在于杆件I的顶部为球关节凸面8，杆件I的底部为球关节凹面7，两两杆件之间构成球关节。为了减轻杆件质量，并利于监控柔索的工作状态，杆件I采用中空的方式，沿杆件I的中轴线加工有用于减重的通孔22，在杆件I的球关节凸面8和球关节凹面7周围的上、下底面之间，沿轴向加工有均匀排列的30个柔索通孔9。每根杆件I的末端通过绕圆周对称分布的三根柔索6与驱动装置连接。通过改变柔索6长度，可以实现杆件I在各个方向的转动。中心支柱的最下端的杆件I与基座2连接，基座2的顶部为基座球关节凸面20与杆件I的球关节凹面7连接，基座2的基座球关节凸面20的周围加工有与杆件I上的柔索通孔9相对应的基座柔索通孔21 ；基座2底部与底座的上端盖3的上表面连接，底座的上端盖3的下表面上设置有导向滑轮10，导向滑轮10与穿过底座的上端盖3的柔索6的位置相对应，每一根柔索6经过两个径向排列的导向滑轮10，实现柔索的运动导向；底座的上端盖3和下端盖5与安装每根柔索6驱动装置的侧板4连接，驱动装置固定在底座侧板4上且呈圆周对称分布。驱动装置包括安装在侧板4上的编码器11、电机12、减速器13、联轴器14，联轴器14的两端分别连接电机12的输出轴和丝杆16，丝杆16通过轴承座15支撑，柔索卷筒17固定在丝杆螺母18上，丝杆螺母18沿导轨19直线运动，柔索6 —端与柔索卷筒17连接。本发明工作时，由电机12驱动丝杠16转动，通过丝杠16、丝杠螺母18和导轨19，将电机12的转动转化为丝杠螺母18沿导轨19的直线运动，进而拉动固结于柔索卷筒17上的柔索6运动，通过协调控制十二个电机16的运动，即可实现蛇形臂的操作。与现有技术相比，本发明技术方案具有具有结构紧凑、灵活性强且刚度大的优点。
权利要求
1.一种蛇形机械臂，包括由数个杆件(I)串接而成的中心支柱，中心支柱的底部连接起支撑作用的底座，其特征在于 杆件(I)的顶部为球关节凸面(8)，杆件(I)的底部为球关节凹面(7)，沿杆件(I)的中轴线加工有用于减重的通孔(22)，在杆件(I)的球关节凸面(8)和球关节凹面(7)周围的上、下底面之间，沿轴向加工有均匀排列的柔索通孔(9)； 中心支柱的最下端的杆件(I)与基座(2)连接，基座(2)的顶部为基座球关节凸面(20)与杆件(I)的球关节凹面(7)连接，基座(2)的基座球关节凸面(20)的周围加工有与杆件(I)上的柔索通孔(9)相对应的基座柔索通孔(21)； 基座(2)底部与底座的上端盖(3)的上表面连接，底座的上端盖(3)的下表面上设置有导向滑轮(10)，导向滑轮(10)与穿过底座的上端盖(3)的柔索(6)的位置相对应，每一根柔索(6)经过两个径向排列的导向滑轮(10)； 底座的上端盖(3)和下端盖(5)与安装每根柔索(6)驱动装置的侧板(4)连接，驱动装置包括安装在侧板⑷上的编码器(11)、电机(12)、减速器(13)、联轴器(14)，联轴器(14)的两端分别连接电机(12)的输出轴和丝杆(16)，丝杆(16)通过轴承座(15)支撑，柔索卷筒(17)固定在丝杆螺母(18)上，丝杆螺母(18)沿导轨(19)直线运动，柔索(6) —端与柔索卷筒(17)连接。
全文摘要
本发明是一种蛇形机械臂，该种蛇形机械臂以刚性杆为中心支柱，采用柔索驱动且将电源及驱动器安装在蛇形臂基座上，具有结构紧凑、灵活性强且刚度大的优点。在其末端安装不同的执行器或者传感器，可以完成不同的操作任务，例如用于机舱、车厢等非结构狭小空间的检测以及飞机内腔的涂胶、检测、排屑、多余物取出等。
文档编号B25J17/02GK102990676SQ20121048323
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月23日 优先权日2012年11月23日
发明者杜兆才, 张书生, 刘斌, 甘露, 姚艳彬 申请人:中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所