CN105690378A - 一种紧凑型易扩展的多关节段蛇臂驱动机构 - Google Patents

Abstract

一种紧凑型易扩展的多关节段蛇臂驱动机构。其包括上轴承固定板、多个上法兰轴承、多个导向滑轮、多个卷轴、多个下法兰轴承、下轴承固定板、多个联轴器、电机固定板、多个驱动电机、底板和固定盘；本发明优点：结构紧凑，节约空间：采用卷绕方式实现对驱动绳的位移控制，与直线运动方式相比具有占据空间小，易于扩展的特点；驱动电机、联轴器、卷轴的环形排布方式使得驱动结构紧凑，减小了机构的尺寸。易扩展：电机环形排布减小了驱动机构的体积，并且增加了其可扩展性，便于关节数的增加及以后的进一步研究与应用。

Description

一种紧凑型易扩展的多关节段蛇臂驱动机构

技术领域

本发明属于机械设计技术领域，特别是涉及一种紧凑型易扩展的多关节段蛇臂驱动机构。

背景技术

目前，传统的离散型机器人均采用刚性关节和连杆结构，用于实现在自由空间内的多自由度运动，但由于其一般只具有5～7个自由度，因此对类似飞机油箱等工作空间受限的环境适应性较差。与离散型机器人不同，连续型机器人为“无脊椎”的柔性结构，其采用形状可以灵活改变的结构，而不具有任何刚性的关节和连杆。这种新型的仿生机器人具有良好的弯曲性能，可以柔顺而灵活地改变自身的形状，因此具有能根据环境障碍物的状况而改变自身形状的能力，因此对工作空间受限的环境具有独特的适应能力，所以其应用前景十分广阔，可以应用于飞机油箱检查、多障碍物工业环境内的作业、弯曲管道和塌陷建筑物内的侦查和搜救、核电站内部管路的维护、人体疾病的诊疗等场合。

中国发明专利第201210218967.8号中公开了一种由本申请人提交的基于连续体结构的飞机油箱检查机器人。该飞机油箱检查机器人为一种连续型机器人，图1为该机器人中蛇臂体结构示意图；如图1所示，所述的蛇臂体16为柔性结构，由至少五个关节20构成，每个关节20具有两个自由度，可向各个方向弯曲，因此蛇臂体16至少具有十个自由度，每个关节20包括首端圆盘21、末端圆盘19、多个支撑圆盘24、柔性支撑杆26和多根驱动绳25；其中首端圆盘21、多个支撑圆盘24和末端圆盘19的中部从下至上相隔距离套装在柔性支撑杆26上，每个首端圆盘21、支撑圆盘24和末端圆盘19的圆周上形成有多个过孔，上一关节20的首端圆盘与下一关节20的末端圆盘通过类似关节连接件22相互连接在一起；多根驱动绳25分别贯穿设置在首端圆盘21、支撑圆盘24和末端圆盘19上的一个过孔内，下端通过一个换向轮卷绕在一个相应的卷线轴上，上端固定在该关节20的末端圆盘19上。

该蛇臂体16的驱动方式采用线驱动方式，驱动电机置于外部，如此可减轻蛇臂体16的重量，增加控制精度，且在易燃易爆的环境中依然具有适用性。但其存在下列缺点：为控制具有单关节段的蛇臂体16进行弯曲和旋转运动，至少需要3根驱动绳25互相配合，为减小各驱动绳25之间的耦合并降低控制难度，每个关节段需要三个驱动电机控制，故具有多关节段的蛇臂体16需要使用三倍于关节段数的驱动电机。传统的驱动电机多采用逐层摆放的方式设置，所以驱动电机需占据较大的空间，且随关节段数的增多，驱动绳25与驱动电机的连接较为复杂，因此不利于机器人的整体移动和关节段的增加，并且装配过程复杂，不利于零件的更换和检查。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种紧凑型易扩展的多关节段蛇臂驱动机构。

为了达到上述目的，本发明提供的紧凑型易扩展的多关节段蛇臂驱动机构包括上轴承固定板、多个上法兰轴承、多个导向滑轮、多个卷轴、多个下法兰轴承、下轴承固定板、多个联轴器、电机固定板、多个驱动电机、底板和固定盘；每个驱动电机的输出轴向上设置；电机固定板利用多个位于边缘且连接在底板和电机固定板之间的底部立柱水平设置在底板和驱动电机上方，外侧设有多个呈环状且用于贯穿驱动电机输出轴的轴设置孔，并且每个驱动电机输出轴外端连接一个联轴器；下轴承固定板利用多个位于边缘且连接在电机固定板和下轴承固定板之间的中部立柱水平设置在电机固定板和联轴器上方，外侧设有多个呈环状的轴承设置孔，每个轴承设置孔内安装一个下法兰轴承；每个卷轴的下端***在一个下法兰轴承的中心孔内；固定盘安装在下轴承固定板表面中部，其上安装多个呈环状设置的导向滑轮，并且导向滑轮的外圆周面上形成有凹槽；上轴承固定板利用多个位于边缘且连接在下轴承固定板和上轴承固定板之间的上部立柱水平设置在下轴承固定板及导向滑轮、卷轴上方，外侧设有多个呈环状的法兰设置孔，中部设有多个呈环状的穿线孔；每个法兰设置孔内安装一个上法兰轴承，每个上法兰轴承的中心孔内固定住一个卷轴上端；蛇臂体的下端固定在上轴承固定板表面上位于穿线孔外侧的部位，每根驱动绳的上端固定在一个关节的末端圆盘上，另一端向下依次贯穿支撑圆盘、首端圆盘上的一个过孔以及上轴承固定板上一个穿线孔，之后经过一个导向滑轮上凹槽后向外改变90°而最终缠绕在一个卷轴上。

所述的上轴承固定板、下轴承固定板、电机固定板和底板的尺寸相同。

所述的上轴承固定板上的多个法兰设置孔、下轴承固定板上的多个轴承设置孔、电机固定板上的多个轴设置孔以及底板上的多个电机设置孔相对应且均匀设置。

所述的电机固定板上的多个轴设置孔间隔40°分布。

本发明提供的紧凑型易扩展的多关节段蛇臂驱动机构具有如下优点：

⑴结构紧凑，节约空间：采用卷绕方式实现对驱动绳的位移控制，与直线运动方式相比具有占据空间小，易于扩展的特点；驱动电机、联轴器、卷轴的环形排布方式使得驱动结构紧凑，减小了机构的尺寸。

(2)易扩展：电机环形排布减小了驱动机构的体积，并且增加了其可扩展性，便于关节数的增加及以后的进一步研究与应用。

附图说明

图1为一种已有技术的基于连续体结构的飞机油箱检查机器人中蛇臂体结构示意图。

图2为本发明提供的紧凑型易扩展的多关节段蛇臂驱动机构结构立体图。

图3为本发明提供的紧凑型易扩展的多关节段蛇臂驱动机构分解立体图。

图4为图3示出的紧凑型易扩展的多关节段蛇臂驱动机构中卷轴部位结构示意图。

图5为图3示出的紧凑型易扩展的多关节段蛇臂驱动机构中电机固定板俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的紧凑型易扩展的多关节段蛇臂驱动机构进行详细说明。与已有技术相同的部件采用相同的附图标号。

如图2—图5所示，本发明提供的紧凑型易扩展的多关节段蛇臂驱动机构包括上轴承固定板2、多个上法兰轴承3、多个导向滑轮4、多个卷轴6、多个下法兰轴承7、下轴承固定板8、多个联轴器10、电机固定板11、多个驱动电机12、底板14和固定盘18；每个驱动电机12的输出轴向上设置；电机固定板11利用多个位于边缘且连接在底板14和电机固定板11之间的底部立柱13水平设置在底板14和驱动电机12上方，外侧设有多个呈环状且用于贯穿驱动电机12输出轴的轴设置孔15，并且每个驱动电机12输出轴外端连接一个联轴器10；下轴承固定板8利用多个位于边缘且连接在电机固定板11和下轴承固定板8之间的中部立柱9水平设置在电机固定板11和联轴器10上方，外侧设有多个呈环状的轴承设置孔17，每个轴承设置孔17内安装一个下法兰轴承7；每个卷轴6的下端***在一个下法兰轴承7的中心孔内；固定盘18安装在下轴承固定板8表面中部，其上安装多个呈环状设置的导向滑轮4，并且导向滑轮4的外圆周面上形成有凹槽；上轴承固定板2利用多个位于边缘且连接在下轴承固定板8和上轴承固定板2之间的上部立柱5水平设置在下轴承固定板8及导向滑轮4、卷轴6上方，外侧设有多个呈环状的法兰设置孔27，中部设有多个呈环状的穿线孔28；每个法兰设置孔27内安装一个上法兰轴承3，每个上法兰轴承3的中心孔内固定住一个卷轴6上端；蛇臂体16的下端固定在上轴承固定板2表面上位于穿线孔28外侧的部位，每根驱动绳25的上端固定在一个关节20的末端圆盘19上，另一端向下依次贯穿支撑圆盘24、首端圆盘21上的一个过孔以及上轴承固定板2上一个穿线孔28，之后经过一个导向滑轮4上凹槽后向外改变90°而最终缠绕在一个卷轴6上。

所述的上轴承固定板2、下轴承固定板8、电机固定板11和底板14的尺寸相同。

所述的上轴承固定板2上的多个法兰设置孔27、下轴承固定板8上的多个轴承设置孔17、电机固定板11上的多个轴设置孔15相对应且均匀设置。

所述的电机固定板11上的多个轴设置孔15间隔40°分布。

现将本发明提供的紧凑型易扩展的多关节段蛇臂驱动机构工作原理阐述如下：当需要改变某些驱动绳25的长短以改变蛇臂体16的姿态时，首先正向或反向启动与这些驱动绳25相对应的驱动电机12，通过联轴器10将力矩传至卷轴6，然后通过卷轴6的转动来改变驱动绳25的长度，由此来控制蛇臂体16的旋转与弯曲运动。

本发明提供的紧凑型易扩展的多关节段蛇臂驱动机构上的所有驱动电机12呈环形设置在同一层，这样可使驱动电机12的布置显得更加紧凑。若需增加蛇臂体16上的关节段数，可通过增大用于安装驱动电机12的底板14尺寸的方法，这样就可安装更多的驱动电机12，其它传动装置也相应增加。

为了节省空间以及方便驱动绳25的传动，本发明采用卷绕方式实现驱动绳25的位移控制。与直线传动方式相比，这样的设计占据较小空间，并且装置简单而且成本较低。

卷轴6的直径应考虑到驱动电机12的转速和驱动绳25的运动速度，不宜过大或过小；当驱动电机12的转速一定时，卷轴6直径与驱动绳25的速度成正比，若直径过大，占用空间会增大，并且蛇臂体16上的柔性支撑杆26会因形变过快而损伤；再者由于驱动电机12转动时驱动绳25与卷轴6的切点到对应导向滑轮4间的距离会随着驱动绳25的运动而不断变化，因此若直径过小，缠绕在卷轴6上的驱动绳25圈数会增多，这样会引起控制的不精确；因此卷轴6的直径应在一定的范围内取值。

本发明提供的紧凑型易扩展的多关节段蛇臂驱动机构为一种紧凑型易扩展的多关节段蛇臂驱动机构，实现蛇臂机器人驱动机构的合理布局以及当增加蛇臂关节段数时整体驱动机构占据的空间变化小的目标，使蛇臂机器人的驱动机构受关节段数的限制较小，便于关节段的增减，增强驱动机构的适用性。

Claims (4)

1.一种紧凑型易扩展的多关节段蛇臂驱动机构，其特征在于：所述的紧凑型易扩展的多关节段蛇臂驱动机构包括：上轴承固定板(2)、多个上法兰轴承(3)、多个导向滑轮(4)、多个卷轴(6)、多个下法兰轴承(7)、下轴承固定板(8)、多个联轴器(10)、电机固定板(11)、多个驱动电机(12)、底板(14)和固定盘(18)；其中底板(14)水平设置；每个驱动电机(12)的输出轴向上设置；电机固定板(11)利用多个位于边缘且连接在底板(14)和电机固定板(11)之间的底部立柱(13)水平设置在底板(14)和驱动电机(12)上方，外侧设有多个呈环状且用于贯穿驱动电机(12)输出轴的轴设置孔(15)，并且每个驱动电机(12)输出轴外端连接一个联轴器(10)；下轴承固定板(8)利用多个位于边缘且连接在电机固定板(11)和下轴承固定板(8)之间的中部立柱(9)水平设置在电机固定板(11)和联轴器(10)上方，外侧设有多个呈环状的轴承设置孔(17)，每个轴承设置孔(17)内安装一个下法兰轴承(7)；每个卷轴(6)的下端***在一个下法兰轴承(7)的中心孔内；固定盘(18)安装在下轴承固定板(8)表面中部，其上安装多个呈环状设置的导向滑轮(4)，并且导向滑轮(4)的外圆周面上形成有凹槽；上轴承固定板(2)利用多个位于边缘且连接在下轴承固定板(8)和上轴承固定板(2)之间的上部立柱(5)水平设置在下轴承固定板(8)及导向滑轮(4)、卷轴(6)上方，外侧设有多个呈环状的法兰设置孔(27)，中部设有多个呈环状的穿线孔(28)；每个法兰设置孔(27)内安装一个上法兰轴承(3)，每个上法兰轴承(3)的中心孔内固定住一个卷轴(6)上端；蛇臂体(16)的下端固定在上轴承固定板(2)表面上位于穿线孔(28)外侧的部位，每根驱动绳(25)的上端固定在一个关节(20)的末端圆盘(19)上，另一端向下依次贯穿支撑圆盘(24)、首端圆盘(21)上的一个过孔以及上轴承固定板(2)上一个穿线孔(28)，之后经过一个导向滑轮(4)上凹槽后向外改变90°而最终缠绕在一个卷轴(6)上。

2.根据权利要求1所述的紧凑型易扩展的多关节段蛇臂驱动机构，其特征在于：所述的上轴承固定板(2)、下轴承固定板(8)、电机固定板(11)和底板(14)的尺寸相同。

3.根据权利要求1所述的紧凑型易扩展的多关节段蛇臂驱动机构，其特征在于：所述的上轴承固定板(2)上的多个法兰设置孔(27)、下轴承固定板(8)上的多个轴承设置孔(17)、电机固定板(11)上的多个轴设置孔(15)相对应且均匀设置。

4.根据权利要求1所述的紧凑型易扩展的多关节段蛇臂驱动机构，其特征在于：所述的电机固定板(11)上的多个轴设置孔(15)间隔40°分布。