CN112692822A - 可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂，其解决了现有连续柔性体缠绕机械臂负载能力不足，缠绕力小，运动精度低，无法实现螺旋升角的控制的技术问题，其包括第二电机座、第一电机、第二电机、转盘连接板、卷筒、转盘、弹簧固定板、弹簧和钢丝绳，转盘与转盘连接板转动连接，第一电机与转盘连接板连接，第一电机的输出轴通过传动机构与转盘连接，卷筒与第二电机的输出轴固定连接，弹簧固定板与转盘连接板固定连接，弹簧固定板设有弹簧连接孔，弹簧的端部固定于弹簧连接孔中；转盘的周边设有圆孔，钢丝绳穿过弹簧的孔道，钢丝绳的端部与弹簧的末端固定连接，钢丝绳穿过转盘的圆孔并缠绕在卷筒上。本发明应用在缠绕式物体抓取、仿生攀爬等领域。

Description

可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂

技术领域

本发明涉及软体机器人技术领域，具体而言，涉及一种可以实现缠绕运动，机械臂本体缠绕形成的圆柱螺旋线曲率和螺旋升角可控的可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂。

背景技术

众所周知，刚性机器人相对庞大的机械本体，限制其进入微小空间和细长管道的非结构环境中。而软体机器人依靠其连续性、高柔顺性、高自由度的特性，具有较强的环境适应能力，在非规则环境、细长管道和微小空间有着良好应用前景。

在狭小空间内实现非规则物体的抓取和攀附是机器人技术的挑战，目前软体机器人学发展已经实现具有柔性特点的连续柔性体缠绕机械臂，主要有以下三类：(1)充气缠绕机械臂，参考论文L.H.Blumenschein,N.S.Usevitch,B.H.Do,E.W.Hawkes,andA.M.Okamura,“Helical actuation on a soft inflated robot body,”in 2018IEEEInternational Conference on Soft Robotics(RoboSoft),Livorno,Apr.2018-Apr.2018,pp.245–252，(2)类脊柱型缠绕机械臂，参考论文B.Mazzolai et al.,“Octopus-Inspired Soft Arm with Suction Cups for Enhanced Grasping Tasks in ConfinedEnvironments,”Advanced Intelligent Systems,vol.1,no.6,p.1900041,2019,doi:10.1002/aisy.201900041；(3)气压驱动型缠绕机械臂，参考论文B.Liao et al.,“SoftRod-Climbing Robot Inspired by Winding Locomotion of Snake,”Soft robotics,vol.7,no.4,pp.500–511,2020,doi:10.1089/soro.2019.0070。

然而，上述三类缠绕机械臂存在以下缺陷：1)负载能力不足，缠绕力小；2)运动精确低；3)更重要地，无法实现螺旋升角的控制。

发明内容

本发明就是为了解决现有连续柔性体缠绕机械臂负载能力不足，缠绕力小，运动精度低，无法实现螺旋升角的控制的技术问题，提供了一种负载能力高、缠绕力大，能够实现螺旋升角的控制的可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂。

本发明提供的可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂包括第一电机座、第二电机座、连接板、第一电机、第二电机、转盘连接板、第一同步带轮、第一同步带、第二同步带轮、传动轴、第三同步带轮、第二同步带、第四同步带轮、卷筒、转盘、弹簧固定板、弹簧和钢丝绳，连接板与第一电机座固定连接，第二电机座与连接板固定连接，转盘连接板与第二电机座固定连接，第一电机与第一电机座连接，第二电机与第二电机座连接，转盘与转盘连接板转动连接，第一同步带轮与第一电机的输出轴固定连接，第二同步带轮与传动轴的一端固定连接，第一同步带连接于第一同步带轮和第二同步带轮之间，传动轴的两端分别通过轴承与第一电机座、转盘连接板转动连接，第三同步带轮与传动轴的另一端固定连接，第四同步带轮与转盘固定连接，第二同步带连接于第三同步带轮和第四同步带轮之间，卷筒与第二电机的输出轴固定连接，弹簧固定板与转盘连接板固定连接，弹簧固定板设有弹簧连接孔，弹簧的端部固定于弹簧连接孔中；转盘的周边设有圆孔，钢丝绳穿过弹簧的孔道，钢丝绳的端部与弹簧的末端固定连接，钢丝绳穿过转盘的圆孔并缠绕在卷筒上。

优选地，转盘通过轴承与转盘连接板转动连接。

本发明还提供一种可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂，包括第二电机座、第一电机、第二电机、转盘连接板、卷筒、转盘、弹簧固定板、弹簧和钢丝绳，转盘连接板与第二电机座固定连接，第二电机与第二电机座连接，转盘与转盘连接板转动连接，第一电机与转盘连接板连接，第一电机的输出轴通过传动机构与转盘连接，卷筒与第二电机的输出轴固定连接，弹簧固定板与转盘连接板固定连接，弹簧固定板设有弹簧连接孔，弹簧的端部固定于弹簧连接孔中；转盘的周边设有圆孔，钢丝绳穿过弹簧的孔道，钢丝绳的端部与弹簧的末端固定连接，钢丝绳穿过转盘的圆孔并缠绕在卷筒上。

优选地，传动机构包括第三同步带轮、第二同步带和第四同步带轮，第三同步带轮与第一电机的输出轴固定连接，第四同步带轮与转盘固定连接，第二同步带连接于第三同步带轮和第四同步带轮之间。

本发明的有益效果是，本发明创造性的利用弹簧和驱动丝的配合，实现了金属弹性构件可控的大变形，不但能够实现缠绕运动，而且改善了负载能力、运动精度、缠绕力以及螺旋升角等方面的缺陷；机械臂的弹簧部分缠绕形成的圆柱螺旋线曲率和螺旋升角可控。本发明结构巧妙，成本低，体积小，重量轻。软体机器人的弹簧能够实现甚至大于360度的大角度弯曲，可实现空间全向柔顺弯曲，灵活性强，位置控制精度高，适用于大曲率细长弯曲和微小空间。本发明可应用在缠绕式物体抓取、仿生攀爬等领域。

本发明进一步的特征，将在以下具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。

附图说明

图1是可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂的结构示意图；

图2是图1所示可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂的右视图；

图3是可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂的第一电机、第二电机、转盘、卷筒以及传动机构的布局图；

图4是图3所示结构的主视图；

图5是图3所示结构的俯视图；

图6是图3所示结构的仰视图；

图7是图3所示结构另一视角的立体图；

图8是图3所示结构中安装弹簧固定板后的结构示意图；

图9是可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂的钢丝绳穿过转盘上的圆孔的局部示意图；

图10是可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂的弹簧处于弯曲状态的结构示意图；

图11是图10所示结构的右视图；

图12是图10所示结构的左视图；

图13是图10所示结构的俯视图；

图14是可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂的弹簧缠绕在物体上的示意图；

图15是图14所示结构的主视图；

图16是第一电机安装在转盘连接板上的结构示意图。

图中符号说明：

1.第一电机座，2.第二电机座，3.连接板，4.第一电机，5.第二电机，6.转盘连接板，7.第一同步带轮，8.第一同步带，9.第二同步带轮，10.传动轴，11.第三同步带轮，12.第二同步带，13.第四同步带轮，14.卷筒，15.转盘，15-1.圆孔，16.弹簧固定板，16-1.弹簧连接孔，17.弹簧，18.钢丝绳，19.物体。

具体实施方式

以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1-9所示，可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂包括第一电机座1、第二电机座2、连接板3、第一电机4、第二电机5、转盘连接板6、第一同步带轮7、第一同步带8、第二同步带轮9、传动轴10、第三同步带轮11、第二同步带12、第四同步带轮13、卷筒14、转盘15、弹簧固定板16、弹簧17、钢丝绳18，连接板3通过螺钉与第一电机座1固定连接，第二电机座2通过螺钉与连接板3固定连接，转盘连接板6通过螺钉与第二电机座2固定连接，第一电机4固定安装在第一电机座1上，第二电机5固定安装在第二电机座2上。转盘15通过轴承与转盘连接板6连接。第一同步带轮7与第一电机4的输出轴固定连接，第二同步带轮9与传动轴10的一端固定连接，第一同步带8连接于第一同步带轮7和第二同步带轮9之间，传动轴10的两端分别通过轴承与第一电机座1、转盘连接板6转动连接，第三同步带轮11与传动轴10的另一端固定连接，第四同步带轮13与转盘15固定连接，第二同步带12连接于第三同步带轮11和第四同步带轮13之间，第一电机4动作能够通过第一同步带轮7、第一同步带8、第二同步带轮9、传动轴10、第三同步带轮11、第二同步带12、第四同步带轮13带动转盘15旋转。卷筒14与第二电机5的输出轴固定连接。弹簧固定板16通过螺钉与转盘连接板6固定连接，弹簧固定板16设有弹簧连接孔16-1，弹簧17的端部通过胶水粘接或焊接方式固定安装在弹簧连接孔16-1中。转盘15的周边设有圆孔15-1。钢丝绳18穿过弹簧17的孔道，钢丝绳18的端部与弹簧17的末端固定连接，钢丝绳18穿过整个弹簧17，同时，钢丝绳18穿过转盘15的圆孔15-1并缠绕在卷筒14上。

可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂的控制有两方面，一是钢丝绳18的旋转，第一电机4动作带动转盘15旋转，转盘15上的圆孔15-1带动钢丝绳绕转盘的轴心旋转；二是钢丝绳18的拉动，第二电机5动作通过卷筒14拉动钢丝绳18。可见，驱动控制操作很方便，而且只需要一根钢丝绳。

弹簧17作为可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂的柔性臂(具有体积小、重量轻的特点)，如图1所示的初始状态，弹簧17处于竖直状态，当第二电机5动作带动卷筒14旋转的同时第一电机4动作带动转盘15旋转，钢丝绳18被卷筒14拉拽的同时被转盘15扭转，致使弹簧17弯曲变形，比如呈现出如图10所示的弯曲状态。

如图14和15所示，可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂的弹簧17弯曲时能够缠绕在物体19上，可以实现抓住物体19的功能。弹簧17能够实现甚至大于360度的大角度弯曲，可实现空间全向柔顺弯曲，灵活性强，位置控制精度高，适用于大曲率细长弯曲和微小空间。第二电机5和第一电机4的转动角度不同会导致处于弯曲状态弹簧的螺旋升角不同，那么控制第二电机5和第一电机4这两个电机的转动角度就能控制弹簧的螺旋升角大小，螺旋升角越小，弹簧的螺距就越小，弹簧的缠绕间距就越小，缠绕力就越大，相应地使可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂的负载就越大。对于物体19的具体形状、长度，有时需要调整弹簧的螺旋升角进而适应性抓住物体。

上述可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂的结构中，连接板3、第一电机座1、第一电机4、第一同步带轮7、第一同步带8、第二同步带轮9、传动轴10的布局设计，可以使可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂的体积较小，占用空间小。除此之外，也可以不设置连接板3、第一电机座1、第一同步带轮7、第一同步带8、第二同步带轮9和传动轴10，直接将第一电机4安装在转盘连接板6上，第一电机4的输出轴直接与第三同步带轮11固定连接，如图16所示，即第一电机4通过第三同步带轮11、第二同步带12、第四同步带轮13驱动转盘15。需要说明的是，通过同步带轮传动结构驱动转盘15只是一种具体实现方式，也可以通过其他传动机构驱动转盘15。

需要说明的是，第一电机4具体可以采用伺服电机、步进电机等，第二电机5具体可以采用伺服电机、步进电机等。

关于可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂的具体应用，当弹簧弯曲附着在管道、电缆、树枝上，实现线驱动软体机械臂的定位，进而可以进行探测工作。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的零件构型、驱动装置以及连接方式不经创造性的设计与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂，其特征在于，包括第一电机座、第二电机座、连接板、第一电机、第二电机、转盘连接板、第一同步带轮、第一同步带、第二同步带轮、传动轴、第三同步带轮、第二同步带、第四同步带轮、卷筒、转盘、弹簧固定板、弹簧和钢丝绳，所述连接板与第一电机座固定连接，所述第二电机座与连接板固定连接，所述转盘连接板与第二电机座固定连接，所述第一电机与第一电机座连接，所述第二电机与第二电机座连接，所述转盘与转盘连接板转动连接，所述第一同步带轮与第一电机的输出轴固定连接，所述第二同步带轮与传动轴的一端固定连接，所述第一同步带连接于第一同步带轮和第二同步带轮之间，所述传动轴的两端分别通过轴承与第一电机座、转盘连接板转动连接，所述第三同步带轮与传动轴的另一端固定连接，所述第四同步带轮与转盘固定连接，所述第二同步带连接于第三同步带轮和第四同步带轮之间，所述卷筒与第二电机的输出轴固定连接，所述弹簧固定板与转盘连接板固定连接，所述弹簧固定板设有弹簧连接孔，所述弹簧的端部固定于弹簧连接孔中；所述转盘的周边设有圆孔，所述钢丝绳穿过弹簧的孔道，钢丝绳的端部与弹簧的末端固定连接，钢丝绳穿过转盘的圆孔并缠绕在卷筒上。

2.根据权利要求1所述的可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂，其特征在于，所述转盘通过轴承与转盘连接板转动连接。

3.一种可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂，其特征在于，包括第二电机座、第一电机、第二电机、转盘连接板、卷筒、转盘、弹簧固定板、弹簧和钢丝绳，所述转盘连接板与第二电机座固定连接，所述第二电机与第二电机座连接，所述转盘与转盘连接板转动连接，所述第一电机与转盘连接板连接，第一电机的输出轴通过传动机构与转盘连接，所述卷筒与第二电机的输出轴固定连接，所述弹簧固定板与转盘连接板固定连接，所述弹簧固定板设有弹簧连接孔，所述弹簧的端部固定于弹簧连接孔中；所述转盘的周边设有圆孔，所述钢丝绳穿过弹簧的孔道，钢丝绳的端部与弹簧的末端固定连接，钢丝绳穿过转盘的圆孔并缠绕在卷筒上。

4.根据权利要求3所述的可实现缠绕运动的线驱动软体机械臂，其特征在于，所述传动机构包括第三同步带轮、第二同步带和第四同步带轮，所述第三同步带轮与第一电机的输出轴固定连接，所述第四同步带轮与转盘固定连接，所述第二同步带连接于第三同步带轮和第四同步带轮之间。

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