CN111037546B - 一种绳驱式剪叉伸缩臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械臂，特别涉及一种绳驱式剪叉伸缩臂。包括基座、绕绳模块、剪叉驱动模块、驱动绳及多级单元关节，其中多级单元关节的下端与基座铰接，剪叉驱动模块为多组，并且分别设置于多级单元关节与基座之间及多级单元关节中相邻两个单元关节之间的连接处，多组剪叉驱动模块依次铰接；绕绳模块设置于基座上，驱动绳一端与绕绳模块连接，另一端依次与各组剪叉驱动模块连接，用于驱动多组剪叉驱动模块耦合联动，实现多级单元关节的弯曲。本发明通过绳索控制其运动，在保持运动的同时使其具备一定的柔性，合乎柔性臂的使用要求。回复过程通过弹簧存储的能量使其动作，减少驱动数目。

Description

一种绳驱式剪叉伸缩臂

技术领域

本发明涉及机械臂，特别涉及一种绳驱式剪叉伸缩臂。

技术背景

随着机器人技术的发展，对能在复杂环境下执行任务的特种机器人的需求日益增加。柔性臂的发展得到很大程度的关注，柔性机器人的构型种类较多，其中做的比较多的是绳驱式臂和气动臂，但绳驱臂存在驱动源数目过多的问题，气动臂又有制备设备繁重的问题，使其使用受限。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种绳驱式剪叉伸缩臂，以解决现有绳驱式臂和气动臂所存在的驱动源数目过多及制备设备繁重的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种绳驱式剪叉伸缩臂，包括基座、绕绳模块、剪叉驱动模块、驱动绳及多级单元关节，其中多级单元关节的下端与基座铰接，所述剪叉驱动模块为多组，并且分别设置于所述多级单元关节与基座之间及多级单元关节中相邻两个单元关节之间的连接处，多组剪叉驱动模块依次铰接；所述绕绳模块设置于所述基座上，所述驱动绳一端与所述绕绳模块连接，另一端依次与各组所述剪叉驱动模块连接，用于驱动多组所述剪叉驱动模块耦合联动，实现多级单元关节的弯曲。

所述剪叉驱动模块包括运动剪叉、左侧轴套、弹簧、右侧轴套、剪叉铰接座及运动轴，其中运动轴设置于所述多级单元关节中各单元关节的底部，所述运动轴的中间位置设有剪叉铰接座，所述左侧轴套和所述右侧轴套可滑动地套设于所述运动轴上，并且分别位于所述剪叉铰接座的两侧，所述左侧轴套和所述右侧轴套与所述剪叉铰接座之间均设有弹簧；所述运动剪叉的下端与所述基座或上一级的剪叉铰接座铰接，上端与所述左侧轴套和所述右侧轴套铰接。

所述运动剪叉包括左剪叉杆和右剪叉杆，所述左剪叉杆的下端与所述右剪叉杆的下端铰接，所述左剪叉杆的上端与所述左侧轴套铰接，所述右剪叉杆的上端与所述右侧轴套铰接。

所述剪叉铰接座上设有三个穿线孔，所述驱动绳依次经过第一穿线孔、左侧轴套、第二穿线孔、右侧轴套及第三穿线孔后与下一级的所述剪叉驱动模块连接，所述驱动绳可驱动所述左侧轴套和所述右侧轴套相互靠近，从而压缩所述弹簧。

所述多级单元关节中的各级单元关节均包括伸缩缸、连杆架和底端连杆架，其中连杆架的一端与底端连杆架的下端铰接，另一端与所述运动轴连接；所述伸缩缸铰接在所述连杆架上，并且输出端与所述底端连杆架铰接。

所述基座上设有用于与所述剪叉驱动模块铰接的剪叉固定座。

所述绕绳模块包括驱动电机和绕绳轮，所述绕绳轮可转动地设置于所述基座上，所述驱动电机设置于所述基座上，并且输出端与所述绕绳轮连接，用于驱动所述绕绳轮转动。

本发明的优点及有益效果是：本发明采用单电机驱动，极大减少了驱动源数目，扩大了该臂的使用环境。传动基于剪叉原理设计，通过绳索控制其运动，在保持运动的同时使其具备一定的柔性，合乎柔性臂的使用要求。回复过程通过弹簧存储的能量使其动作，减少驱动数目。

本发明的驱动形式为绳驱，以绳驱来控制每个单元剪叉的开合进而实现关节的相对运动，剪叉之间放置有弹簧储能元件，通过释放其储存的势能达到被动打开的目的。

附图说明

图1为本发明绳驱式剪叉伸缩臂的结构示意图；

图2为本发明中第一单元关节与基座的连接示意图；

图3为本发明绳驱式剪叉伸缩臂处于弯曲状态的结构示意图；

图4为本发明中单元关节的结构示意图。

图中：1为剪叉固定座，2为基座，201为运动剪叉，202为左侧轴套，203为弹簧，204为伸缩缸，205为右侧轴套，206为连杆架，207为剪叉铰接座，208为底端连杆架，209为运动轴，3为驱动电机，4为第一单元关节，5为第二单元关节，6为驱动绳，7为绕绳轮。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种绳驱式剪叉伸缩臂，包括基座2、绕绳模块、剪叉驱动模块、驱动绳6及多级单元关节，其中多级单元关节的下端与基座2铰接，剪叉驱动模块为多组，并且分别设置于多级单元关节与基座2之间及多级单元关节中相邻两个单元关节之间的连接处，多组剪叉驱动模块依次铰接；绕绳模块设置于基座2上，驱动绳6一端与绕绳模块连接，另一端依次与各组剪叉驱动模块连接，用于驱动多组剪叉驱动模块耦合联动，实现多级单元关节的弯曲。

进一步地，基座2上设有用于与剪叉驱动模块铰接的剪叉固定座1。

绕绳模块包括驱动电机3和绕绳轮7，绕绳轮7可转动地设置于基座2上，驱动电机3设置于基座2上，并且输出端与绕绳轮7连接，用于驱动绕绳轮7转动。

驱动电机3和绕绳轮7之间可根据需要添加相应的减速或者传动装置。具体地，驱动电机3工作，带动绕绳轮7旋转，绕绳轮7与驱动绳6固连，使得驱动绳6在绕绳轮7上缠绕，进而拉动整个机构运动。机械臂由多个单元关节组成，每节单元关节结构形状一样根据需要添加，统一由驱动绳6驱动。

如图2所示，剪叉驱动模块包括运动剪叉201、左侧轴套202、弹簧203、右侧轴套205、剪叉铰接座207及运动轴209，其中运动轴209设置于多级单元关节中各单元关节的底部，运动轴209的中间位置设有剪叉铰接座207，左侧轴套202和右侧轴套205可滑动地套设于运动轴209上，并且分别位于剪叉铰接座207的两侧，左侧轴套202和右侧轴套205与剪叉铰接座207之间均设有弹簧203；运动剪叉201的下端与基座2或上一级的剪叉铰接座207铰接，上端与左侧轴套202和右侧轴套205铰接。

运动剪叉201用于连接两个单元关节之间的运动轴209，运动剪叉201包括左剪叉杆和右剪叉杆，左剪叉杆的下端与右剪叉杆的下端铰接，左剪叉杆的上端与左侧轴套202铰接，右剪叉杆的上端与右侧轴套205铰接，即呈“V”字型布置，通过控制开口的大小，实现两个单元关节的相对运动。轴套在运动轴209上的运动控制运动剪叉201张开角度的大小。

如图3所示，驱动绳6穿过剪叉铰接件207，呈“8”字形缠绕，“8”字形的两端圈套在左、右两侧轴套202、205上的绕绳环上，主驱动绳另一端从剪叉铰接件207中穿出，连接下一单元，为下一单元关节的运动提供动力。具体为：剪叉铰接座207上设有三个穿线孔，驱动绳6依次经过第一穿线孔、左侧轴套202、第二穿线孔、右侧轴套205及第三穿线孔后与下一级的剪叉驱动模块连接，驱动绳6可驱动左侧轴套202和右侧轴套205相互靠近，从而压缩弹簧203。单元关节数目可根据需要添加，但每节的连接方式保持不变，驱动绳6的长度根据单元数目调整，但需满足整体的拉力需要。

如图4所示，多级单元关节中的各级单元关节均包括伸缩缸204、连杆架206和底端连杆架208，其中连杆架206的一端与底端连杆架208的下端铰接，另一端与运动轴209连接；伸缩缸204铰接在连杆架206上，并且输出端与底端连杆架208铰接。

剪叉运动时，伸缩缸204不动，将连杆架206和底端连杆架208锁住，使连杆架206和底端连杆架208相对固定为一体。做抱持臂的时候，用伸缩缸204可拥有一个自适应变形的自由度；做弯曲工作臂的时候，去掉气缸或者气缸换成高阻尼设备，增大其刚度，减小其变形能力。底部有负载或者接触力时，因连杆架206和底端连杆架208铰接，可通过伸缩缸204的变形来使其二者相对角度变化。

本发明的工作原理是：

具体地，第一单元关节4下端通过铰接的形式固定在基座2上，可绕基座2旋转，运动剪叉201一端与剪叉固定座1铰接，另一端分别连接位于第一单元关节4上的左、右侧轴套202、205，左、右侧轴套202、205嵌套在运动轴209上，可在运动轴209上相对移动。连杆架206与底端连杆架208相互铰接在一起，中间连有伸缩缸204，通过伸缩缸204的伸缩可调节连杆架206与底端连杆架208之间的相对角度，进而使第一单元关节整体结构在抱持过程中具备自适应变形的能力。左、右侧轴套202、205分别布置在剪叉铰接件207的两侧，中间连接有弹簧203，弹簧203在工作状态下呈受压趋势。驱动绳6穿过剪叉铰接件207分别套在左、右侧轴套202、205上面，然后从另一端伸出连接下一个单元。当工作的时候驱动绳6拉紧，导致穿过剪叉铰接件207两侧驱动绳6的长度减少，拉动左、右侧轴套202、205向中间移动，从而带动运动剪叉201运动，弹簧203收缩。运动剪叉201一端相对固定，另一端移动使其倾斜度改变，相对距离增加，进而改变了两个单元间的运动轴209间的距离，导致第二单元关节5绕与第一单元关节4的连接处顺时针旋转，实现两个单元关节的相对旋转，多个单元关节一起运动进而实现臂的弯曲抱持。

回收过程：驱动绳6松弛，左、右侧轴套202、205在弹簧206储存的压力作用下向两侧运动，相对距离增加，运动剪叉201呈打开趋势，相对长度减少，第二单元关节5绕第一单元关节4逆时针旋转，机械臂松开物体，退出抱持状态。

本发明的实施例中，除基座2外，第K节单元关节的运动剪叉201一端与位于k单元关节运动轴209上的剪叉铰接件相连，另一端分别于与位于k+1单元关节运动轴209上的左右侧轴套相连，通过剪叉打开程度的大小，实现改变两个单元运动轴之间相对距离，进而实现两个单元关节的相对旋转。抱持物体的时候，驱动电机3工作带动整个臂运动。张开的时候驱动电机3反转，在弹簧作用力下，整个机构松开被抱持物体，完成动作。本发明结构简单，驱动方式简单，运动灵活。

本发明的单元关节本身结构可具备自适应变形能力；整体采用绳驱式耦合联动可根据实际抱持物体的形状，每节单元关节达到不同的变形量，也具备一定的柔性；同时弹簧元件的加入使驱动更加高效，使整体机构具备一定的柔性变形能力。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种绳驱式剪叉伸缩臂，其特征在于，包括基座(2)、绕绳模块、剪叉驱动模块、驱动绳(6)及多级单元关节，其中多级单元关节的下端与基座(2)铰接，所述剪叉驱动模块为多组，并且分别设置于所述多级单元关节与基座(2)之间及多级单元关节中相邻两个单元关节之间的连接处，多组剪叉驱动模块依次铰接；所述绕绳模块设置于所述基座(2)上，所述驱动绳(6)一端与所述绕绳模块连接，另一端依次与各组所述剪叉驱动模块连接，用于驱动多组所述剪叉驱动模块耦合联动，实现多级单元关节的弯曲；

所述剪叉驱动模块包括运动剪叉(201)、左侧轴套(202)、弹簧(203)、右侧轴套(205)、剪叉铰接座(207)及运动轴(209)，其中运动轴(209)设置于所述多级单元关节中各单元关节的底部，所述运动轴(209)的中间位置设有剪叉铰接座(207)，所述左侧轴套(202)和所述右侧轴套(205)可滑动地套设于所述运动轴(209)上，并且分别位于所述剪叉铰接座(207)的两侧，所述左侧轴套(202)和所述右侧轴套(205)与所述剪叉铰接座(207)之间均设有弹簧(203)；所述运动剪叉(201)的下端与所述基座(2)或上一级的剪叉铰接座(207)铰接，上端与所述左侧轴套(202)和所述右侧轴套(205)铰接；

所述剪叉铰接座(207)上设有三个穿线孔，所述驱动绳(6)依次经过第一穿线孔、左侧轴套(202)、第二穿线孔、右侧轴套(205)及第三穿线孔后与下一级的所述剪叉驱动模块连接，所述驱动绳(6)可驱动所述左侧轴套(202)和所述右侧轴套(205)相互靠近，从而压缩所述弹簧(203)。

2.根据权利要求1所述的绳驱式剪叉伸缩臂，其特征在于，所述运动剪叉(201)包括左剪叉杆和右剪叉杆，所述左剪叉杆的下端与所述右剪叉杆的下端铰接，所述左剪叉杆的上端与所述左侧轴套(202)铰接，所述右剪叉杆的上端与所述右侧轴套(205)铰接。

3.根据权利要求1所述的绳驱式剪叉伸缩臂，其特征在于，所述多级单元关节中的各级单元关节均包括伸缩缸(204)、连杆架(206)和底端连杆架(208)，其中连杆架(206)的一端与底端连杆架(208)的下端铰接，另一端与所述运动轴(209)连接；所述伸缩缸(204)铰接在所述连杆架(206)上，并且输出端与所述底端连杆架(208)铰接。

4.根据权利要求1所述的绳驱式剪叉伸缩臂，其特征在于，所述基座(2)上设有用于与所述剪叉驱动模块铰接的剪叉固定座(1)。

5.根据权利要求1所述的绳驱式剪叉伸缩臂，其特征在于，所述绕绳模块包括驱动电机(3)和绕绳轮(7)，所述绕绳轮(7)可转动地设置于所述基座(2)上，所述驱动电机(3)设置于所述基座(2)上，并且输出端与所述绕绳轮(7)连接，用于驱动所述绕绳轮(7)转动。

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