CN108724164B - 两段式柔性操作臂 - Google Patents

Abstract

两段式柔性操作臂，它涉及一种柔性操作臂，它包括两组动力源、动力源连体固定架、第一段柔性臂和第二段柔性臂；两组动力源布置在的动力源连体固定架上，每组动力源包括三个电机，三个电机均布设置，每个电机的输出端固装有一个连线盘，第一段柔性臂为螺旋弹簧，第一段柔性臂的一端与动力源连体固定架连接，第一段柔性臂的另一端与第二段柔性臂的一端连接，螺旋弹簧的簧丝上开有三组引线孔，每组引线孔内对应布置两条牵引绳，两条牵引绳的一端固定在第一段柔性臂的另一端，两条牵引绳的另一端经引线孔穿出后固定在其中一组动力源对应的连线盘上，本发明结构灵活，定位准确，能操作精细，具有环境适应性的特点。

Description

两段式柔性操作臂

技术领域

本发明涉及一种柔性操作臂，具体涉及一种基于电机驱动的两段式柔性操作臂。

背景技术

目前已有的机器人操作臂大多是以刚性结构设计为主，笨重、运动范围有限且灵活性差。因此很有必要设计一款柔性操作臂。

发明内容

本发明为克服现有技术不足，提供一种结构灵活，定位准确的环境适应性好的两段式柔性操作臂。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

两段式柔性操作臂，包括两组动力源、动力源连体固定架、第一段柔性臂和第二段柔性臂；

两组动力源布置在的动力源连体固定架上，每组动力源包括三个电机，三个电机均布设置，每个电机的输出端固装有一个连线盘；

第一段柔性臂为螺旋弹簧，第一段柔性臂的一端与动力源连体固定架连接，第一段柔性臂的另一端与第二段柔性臂的一端连接，第二段柔性臂为弹性伸缩式柔性臂；螺旋弹簧的簧丝上开有三组引线孔，每组引线孔同心且位于其中一组动力源的电机的轴线上，每组引线孔内对应布置两条牵引绳，两条牵引绳的一端固定在第一段柔性臂的另一端，两条牵引绳的另一端经引线孔穿出后固定在其中一组动力源对应的连线盘上，电机转动能使该连线盘上的牵引绳扭转而带动第一柔性臂动作；

三根驱动绳的一端固定在第二段柔性臂的另一端，三根驱动绳的另一端经螺旋弹簧空腔穿出后分别对应连接两条细绳，两条细绳的自由端固定在另一组动力源对应的连线盘上，电机转动能使该连线盘上的细绳扭转而带动第二柔性臂动作。

进一步地，第二段柔性臂包括螺旋弹簧管和多个引线盘；螺旋弹簧管的一端与第一段柔性臂的另一端连接，多个引线盘间隔布置并套装在螺旋弹簧管上，多个引线盘上沿周向均布开有三组过绳孔，每组过绳孔同心，驱动绳的一端固定在最下端引线盘的过绳孔内，驱动绳的另一端经同心的过绳孔、螺旋弹簧空腔后与打结的两条细绳的打结端连接，两条细绳的自由端固定在另一组动力源对应的连线盘上。

进一步地，两段式柔性操作臂还包括引线管组件，引线管组件包括三根第一引线管、三根第二引线管和连接法兰；

第一段柔性臂和动力源连体固定架之间布置有第一引线管和第二引线管；三根第一引线管和三根第二引线管沿螺旋弹簧周向布置，三根第一引线管和三根第二引线管通过连接法兰与动力源连体固定架和螺旋弹簧连接；

每组引线孔内的两条牵引绳的另一端经引线孔、第一引线管穿出后固定在其中一组动力源对应的连线盘上；驱动绳的另一端经同心的过绳孔、螺旋弹簧空腔内鲍登线、第二引线管后与打结的两条细绳的打结端连接。

进一步地，连线盘为阶梯式圆柱形连接盘，连线盘的小圆柱段为空心柱段，电机的输出轴插装在空心柱段内，连线盘的大圆柱段上开有对称的两个穿绳孔，两条牵引绳和两条细绳各自固定在对应的连线盘的两个穿绳孔上。

进一步地，所述连线盘为外周面带有绕绳螺旋槽的空心圆柱，电机的输出轴插装在空心圆柱内，空心圆柱上开有两个固定孔，两条牵引绳和两条细绳反向缠绕在各自对应的连线盘上的绕绳螺旋槽上固定在固定孔上。

本发明的有益效果是：1、采用了连续体结构设计柔性操作臂，具有运动灵活，运动范围大的优点。2、采用“定位-精操作”两段式不同刚度的结构设计方法，提高了柔性体的负载能力以及任务完成能力，更具有实用性。3、柔性操作臂固有的被动适应性能使其具有更强的环境适应能力，具有更广泛的应用范围。

附图说明

图1为本发明两段式柔性操作臂的整体结构立体图；

图2为本发明去掉第二段柔性臂后的第一段柔性臂、引线管组件、两组动力源相互连接关系整体图；

图3为图1的第一段柔性臂、引线管组件和两组动力源相互连接关系放大图；

图4为图1的第一段柔性臂、锥筒和第二段柔性臂连接关系放大图；

图5为引线盘的结构图；

图6为阶梯式圆柱形连接盘的结构图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明。

两段式柔性操作臂，它包括两组动力源、动力源连体固定架3、第一段柔性臂6和第二段柔性臂8；

两组动力源布置在的动力源连体固定架3上，每组动力源包括三个电机1，三个电机 1均布设置，每个电机1的输出端固装有一个连线盘5，

第一段柔性臂6为螺旋弹簧，第一段柔性臂6的一端与动力源连体固定架连接，第一段柔性臂6的另一端与第二段柔性臂8的一端连接，第二段柔性臂8为弹性伸缩式柔性臂；螺旋弹簧的簧丝上开有三组引线孔6-1，每组引线孔6-1同心且位于其中一组动力源的电机的轴线上，每组引线孔6-1内对应布置两条牵引绳4，两条牵引绳4的一端固定在第一段柔性臂6的另一端，两条牵引绳4的另一端经引线孔6-1穿出后固定在其中一组动力源对应的连线盘5上，电机1转动能使该连线盘5上的牵引绳扭转而带动第一柔性臂6动作；

三根驱动绳9的一端固定在第二段柔性臂8的另一端，三根驱动绳9的另一端经螺旋弹簧空腔穿出后分别对应连接两条细绳，两条细绳的自由端固定在另一组动力源对应的连线盘5上，电机1转动能使该连线盘5上的细绳扭转而带动第二柔性臂8动作。

上述作为一种优选方案，电机1为直流无刷电机，每个直流无刷电机分别通过连线盘 5连接绳，通过电机的旋转第一柔性臂6和第二柔性臂8的运动(伸长或者缩短)。

作为一种方式，参见图6所示，所述连线盘5为阶梯式圆柱形连接盘，连线盘5的小圆柱段为空心柱段，电机1的输出轴插装在空心柱段内，连线盘5的大圆柱段上开有对称的两个穿绳孔5-1，两条牵引绳4和两条细绳各自固定在对应的连线盘5的两个穿绳孔5-1 上并打结。此种方式是传统的绕线盘缠绳的方式改变绳长，两段柔性臂均能实现伸长、缩短、弯曲和扭转等多种灵活运动。两个对称的穿绳孔5-1中穿入两根牵引绳4，并在绳头部打结，使两根牵引绳4随着电机1的转动实现扭转，从而实现细绳长度的缩短。螺旋弹簧为螺旋形盘状结构，牵引绳4通过螺旋形盘状结构上的引线孔6-1进入第一段柔性臂上部的引线管7，再连接其中一组动力源的电机1对应的连线盘5，电机1转动导致这两根牵引绳 4相互缠绕在一起，使长度缩短，达到驱动的目的。

作为另一种方式，所述连线盘5为外周面带有绕绳螺旋槽的空心圆柱，电机1的输出轴插装在空心圆柱内，空心圆柱上开有两个固定孔，两条牵引绳和两条细绳反向缠绕在各自对应的连线盘5上的绕绳螺旋槽上固定在固定孔上。通常，连线盘5为现有的卷线盘。此种方式是通过两根定长且等长的绳互绞缠绕的方式改变绳长达到驱动的目的，两段柔性臂均能实现伸长、缩短、弯曲和扭转等多种灵活运动。

上述两种方式，为了实现对目标的精细动作操作，设计了用于精细灵活操作作为中心骨架的第二段柔性臂，参见图4和图所示，第二段柔性臂8包括螺旋弹簧管8-1和多个引线盘8-2；螺旋弹簧管8-1的一端与第一段柔性臂6的另一端连接，多个引线盘8-2间隔布置并套装在螺旋弹簧管8-1上，多个引线盘8-2上沿周向均布开有三组过绳孔8-2-1，每组过绳孔8-2-1同心，驱动绳9的一端固定在最下端引线盘8-2的过绳孔8-2-1内，驱动绳9 的另一端经同心的过绳孔8-2-1、螺旋弹簧空腔后与打结的两条细绳的打结端连接，两条细绳的自由端固定在另一组动力源对应的连线盘5上。螺旋弹簧管作为中心骨架具有一定的弹性伸缩性能。为了便于安装，引线盘8-2内孔加工有内螺纹，引线盘8-2旋钮在螺旋弹簧管8-1上。引线盘内圈有螺纹，可以与中心骨架的螺纹配合旋入中心骨架并固定在中心骨架上。

第二段柔性臂8中采用的每根驱动绳9采用镍钛合金丝，镍钛合金丝分别通过接头与两根细绳相连接，每根第二引线管10里的两根细绳再与另一组动力源的电机1对应的连线盘5相连接，通过两根细绳的相互缠绕或者卷线盘绕线缩短达到驱动的目的。

参见图1和图3所示，为了更进一步保证精准定位和精细操作，两段式柔性操作臂还包括引线管组件，引线管组件包括三根第一引线管7、三根第二引线管10和连接法兰11；

第一段柔性臂6和动力源连体固定架之间布置有第一引线管7和第二引线管10；

三根第一引线管7和三根第二引线管10沿螺旋弹簧周向布置，三根第一引线管7和三根第二引线管10通过连接法兰11与动力源连体固定架和螺旋弹簧连接；

每组引线孔6-1内的两条牵引绳的另一端经引线孔6-1、第一引线管7穿出后固定在其中一组动力源对应的连线盘5上；驱动绳9的另一端经同心的过绳孔8-2-1、螺旋弹簧空腔内鲍登线、第二引线管10后与打结的两条细绳的打结端连接。上述两组动力源呈上下布置在动力源连体固定架3上，其中一组动力源可布置在上部，另一种动力源可布置在下部，或者相反布置，三根第一引线管7和三根第二引线管10沿连接法兰周向相间设置。

参见图1和图3所示，两段式柔性操作臂还包括锥筒12，锥筒12的大端与螺旋弹簧的另一端连接，锥筒12的小端与螺旋弹簧管的一端连接，驱动绳9的另一端经同心的过绳孔8-2-1、锥筒12后进入螺旋弹簧空腔内鲍登线。

工作原理：两段式柔性操作臂整体采用动力源连体固定架和引线管组件的连续体结构，第一段柔性臂的刚度相对较大，用于实现精准定位，第二段柔性臂刚度较小，运动灵活，可以实现弯曲、缠绕、卷曲的精细动作对目标进行操作。每段柔性臂均采用三个直流无刷电机进行驱动，中间的传动装置为驱动绳，实现的方式有两种，一种是传统的绕线盘缠绳的方式改变绳长，另一种方式是通过两根定长且等长的绳互绞缠绕的方式改变绳长达到驱动的目的。两段柔性臂均能实现伸长、缩短、弯曲和扭转等多种灵活运动。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (10)

1.两段式柔性操作臂，其特征在于：它包括两组动力源、动力源连体固定架(3)、第一段柔性臂(6)和第二段柔性臂(8)；

两组动力源布置在动力源连体固定架(3)上，每组动力源包括三个电机(1)，三个电机(1)均布设置，每个电机(1)的输出端固装有一个连线盘(5)；

第一段柔性臂(6)为螺旋弹簧，第一段柔性臂(6)的一端与动力源连体固定架连接，第一段柔性臂(6)的另一端与第二段柔性臂(8)的一端连接，第二段柔性臂(8)为弹性伸缩式柔性臂；螺旋弹簧的簧丝上开有三组引线孔(6-1)，每组引线孔(6-1)同心且位于其中一组动力源的电机的轴线上，每组引线孔(6-1)内对应布置两条牵引绳(4)，两条牵引绳(4)的一端固定在第一段柔性臂(6)的另一端，两条牵引绳(4)的另一端经引线孔(6-1)穿出后固定在其中一组动力源对应的连线盘(5)上，电机(1)转动能使该连线盘(5)上的牵引绳扭转而带动第一段柔性臂(6)动作；

三根驱动绳(9)的一端固定在第二段柔性臂(8)的另一端，三根驱动绳(9)的另一端经螺旋弹簧空腔穿出后分别对应连接两条细绳，两条细绳的自由端固定在另一组动力源对应的连线盘(5)上，电机(1)转动能使该连线盘(5)上的细绳扭转而带动第二段柔性臂(8)动作，两段机械臂均能实现伸长、缩短、弯曲和扭转，第一段柔性臂(6)的刚度较大，第二段柔性臂(8)的刚度较小。

2.根据权利要求1所述两段式柔性操作臂，其特征在于：第二段柔性臂(8)包括螺旋弹簧管(8-1)和多个引线盘(8-2)；

螺旋弹簧管(8-1)的一端与第一段柔性臂(6)的另一端连接，多个引线盘(8-2)间隔布置并套装在螺旋弹簧管(8-1)上，多个引线盘(8-2)上沿周向均布开有三组过绳孔(8-2-1)，每组过绳孔(8-2-1)同心，驱动绳(9)的一端固定在最下端引线盘(8-2)的过绳孔(8-2-1)内，驱动绳(9)的另一端经同心的过绳孔(8-2-1)、螺旋弹簧空腔后与打结的两条细绳的打结端连接，两条细绳的自由端固定在另一组动力源对应的连线盘(5)上。

3.根据权利要求2所述两段式柔性操作臂，其特征在于：所述两段式柔性操作臂还包括引线管组件，引线管组件包括三根第一引线管(7)、三根第二引线管(10)和连接法兰(11)；

第一段柔性臂(6)和动力源连体固定架之间布置有第一引线管(7)和第二引线管(10)；

三根第一引线管(7)和三根第二引线管(10)沿螺旋弹簧周向布置，三根第一引线管(7)和三根第二引线管(10)通过连接法兰(11)与动力源连体固定架和螺旋弹簧连接；

每组引线孔(6-1)内的两条牵引绳的另一端经引线孔(6-1)、第一引线管(7)穿出后固定在其中一组动力源对应的连线盘(5)上；

驱动绳(9)的另一端经同心的过绳孔(8-2-1)、螺旋弹簧空腔内鲍登线、第二引线管(10) 后与打结的两条细绳的打结端连接。

4.根据权利要求3所述两段式柔性操作臂，其特征在于：所述两段式柔性操作臂还包括锥筒(12)，锥筒(12)的大端与螺旋弹簧的另一端连接，锥筒(12)的小端与螺旋弹簧管的一端连接，驱动绳(9)的另一端经同心的过绳孔(8-2-1)、锥筒(12)后进入螺旋弹簧空腔内鲍登线。

5.根据权利要求2、3或4所述两段式柔性操作臂，其特征在于：连线盘(5)为阶梯式圆柱形连接盘，连线盘(5)的小圆柱段为空心柱段，电机(1)的输出轴插装在空心柱段内，连线盘(5)的大圆柱段上开有对称的两个穿绳孔(5-1)，两条牵引绳(4)和两条细绳各自固定在对应的连线盘(5)的两个穿绳孔(5-1)上并打结。

6.根据权利要求2、3或4所述两段式柔性操作臂，其特征在于：连线盘(5)为外周面带有绕绳螺旋槽的空心圆柱，电机（ 1） 的输出轴插装在空心圆柱内，空心圆柱上开有两个固定孔，两条牵引绳和两条细绳反向缠绕在各自对应的连线盘(5)上的绕绳螺旋槽上固定在固定孔上。

7.根据权利要求5所述两段式柔性操作臂，其特征在于：驱动绳(9)为镍钛合金丝。

8.根据权利要求6所述两段式柔性操作臂，其特征在于：驱动绳(9)为镍钛合金丝。

9.根据权利要求7或8所述两段式柔性操作臂，其特征在于：电机(1)为直流无刷电机。

10.根据权利要求9所述两段式柔性操作臂，其特征在于：引线盘(8-2)内孔加工有内螺纹，引线盘(8-2)旋钮在螺旋弹簧管(8-1)上。

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