CN206840080U - 一种串并联混合结构的工程柔性机器人*** - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种串并联混合结构的工程柔性机器人***，包括柔性臂、驱动总成、控制装置；所述的柔性臂由多个关节单元串联构成，柔性臂还包括万向节、钢丝绳索；相邻的关节单元由万向节连接，能够实现俯仰、摆动运动。多个关节单元串联组成柔性臂，可以完成空间三维运动。所述的驱动总成包括：多个驱动模块及相应的驱动器。所述的控制装置能够实时控制关节单元运动，并实现在后的关节单元跟随在前的关节单元的轨迹运动，在返回运动时每一个关节单元按照其前进时的轨迹返回。本实用新型具有结构简单，运动灵活，控制效率高的特点。

Description

一种串并联混合结构的工程柔性机器人***

技术领域

本实用新型涉及一种串并联混合结构的工程柔性机器人***。所述的串并联混合结构的工程柔性机器人能够实现大角度弯曲、复杂的空间三维运动，可以探测到较为隐秘的角落，可用于狭小、受限空间和危险环境。

背景技术

在众多行业中狭窄而危险的区域无处不在，这些区域和空间内存在的设备需要经常检测狭窄的空间，但人和传统工业机器人由无法触及，导致这些区域的维修工作很难解决。如对于结构复杂、布局紧凑的飞机零部件，其装配、检测以及清理的工作空间非常有限，人工操作难度大、效率低。常规的工业机器人由于关节尺寸的限制无法在狭小空间内完成这类作业。然而，柔性机器人具有长径比大、运动灵活以及环境适应能力强等特点，能够在狭窄、受限空间和危险等环境领域顺利作业。因此柔性机器人有着广泛的应用前景。

随着科技的不断发展，柔性机器人作为新型机器人，以其有多自由度运动能力，且能够适应复杂多变的环境的特点，成为机器人领域的一个新热点。柔性机器人能用于地震和火灾现场搜救、井下有毒气检测、管道检测、核电站辐射检查、桥墩侵蚀检查等，在人员不便进入或难于进入的高危险领域，均可利用低成本的柔性机器人代替操作人员，提高安全性。

目前柔性机器人空间三维能力弱，缺乏高的机动性、大角度转弯功能等而不适用于多弯道、多障碍的狭小空间的作业。

发明内容

本实用新型针对现有技术的不足，提供一种零部件数量少、结构简单紧凑并能实现多自由度、多姿态、大角度的空间三维运动工程柔性机器人。

本实用新型主要通过以下技术方案来实现的：

本实用新型涉及一种串并联混合结构的工程柔性机器人***，其特征在于：包括柔性臂、驱动总成、控制装置；其中“串”是指关节单元以串联形式连接，“并”是指单个关节单元通过多根钢丝绳索以并联形式连接到关节单元上，同时驱动关节单元运动；优选的每个关节单元上连接的钢丝绳索为3根，由此串并联结构即为串并联混合结构。

所述的柔性臂由多个关节单元串联构成，通过多根钢丝绳索以并联形式连接到关节单元上，驱动关节单元运动；柔性臂还包括万向节、钢丝绳索；不同长度的关节单元组合能够保证柔性臂达到较大的弯曲曲率。相邻的关节单元由十字轴万向节连接；相邻的关节单元中在前的关节单元能够相对于在后的关节单元实现俯仰、摆动运动。如图5所示相邻关节单元中的在前的关节单元（图5中右侧）绕着万向节的Y轴旋转，实现摆动动作，绕着万向节的Z轴旋转，实现俯仰动作。多个关节单元复合运动实现柔性运动。

优选的，所述的驱动总成包括：多个驱动模块及相应的驱动器。所述驱动模块圆周均布在模块安装盘及整合连接板上，使得整个驱动总成呈“圆筒”形。

优选的，所述的控制装置能够实时控制关节单元运动，并实现在后的关节单元跟随在前的关节单元的轨迹运动，在返回运动时每一个关节单元按照其前进时的轨迹返回，实现串并联混合结构的工程柔性机器人能够在狭小空间内灵活运动，顺利地进出。

优选的，所述的控制装置能够对作业环境进行三维模拟，并对机器人进行实时控制和离线示教。通过控制装置模拟出的作业环境方便操作人员准确定位并进行全局观察。

优选的，所述的驱动模块包括：伺服电机、减速器、联轴器、丝杠螺母安装块、位移测量传感器；每个驱动模块连接一根钢丝绳索，通过伺服电机的正反转实现钢丝绳索的收放。驱动模块采用一体化设计，一旦某个驱动模块发生故障，一体化的设计使的不用整体拆卸，只需更换发生故障的驱动模块。这样的设计方便驱动总成的整体装配以及后期的维护和维修。

优选的，所述的驱动总成位于柔性臂后端。采用驱动总成的后置处理，能够实现柔性臂的轻量化，同时保证柔性臂能够进入一些恶劣环境中作业。

优选的，所述关节单元之间通过所述万向节连接，所述万向节是十字轴万向节，并且设计为中空形式。采用中空形式十字轴万向节，可以方便管、线穿过关节单元。

优选的，每一个所述的关节单元的长度可以调整。

优选的，所述的关单元包括圆形薄筒、万向节安装支架和钢丝限位圈。所述钢丝限位圈的圆周上均布有可供钢丝绳索穿过的圆孔。

如同人类手臂中肌肉和关节通过肌腱来连接的方式那样，工程柔性机器人各个关节之间的连接也是通过这种肌腱连接方式——钢丝绳索来实现。

优选的，所述钢丝绳索平行穿过所述关节单元上钢丝限位圈的圆孔，并呈120°均布；钢丝绳索的总数量是关节单元总数的3倍。

优选的，所述钢丝绳索均一端固定在驱动总成的驱动模块上，以3根钢丝绳索为一组，依次穿过后续的关节单元，连接至所要控制的关节单元的钢丝限位圈上。

工程柔性机器人的“头部”还能配置各种不同的工具，便于实际作业的需要。（如照相机、特种抓臂、切割金属的激光器、高压水射流喷头等）

本实用新型针对现有技术的不足，采用绳索驱动关节臂单元，使得柔性手臂能够完成空间复杂三维运动。采用驱动模块一体化设计，方便了驱动总成的维护和维修，同时减轻了柔性手臂的自身重量，提高工程柔性机器人的负载能力。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

图2是本实用新型的柔性臂的整体示意图。

图3是本实用新型的柔性臂的部分关节单元连接示意图。

图4是本实用新型的长关节单元和短关节单元的连接方式的组装示意图。

图5是本实用新型的相邻关节的运动示意图。

图6是本实用新型的驱动总成的整体示意图。

图7是本实用新型的驱动模块的结构示意图。

图8是本实用新型的丝杠螺母安装块立体示意图。

具体实施方式

现对照附图说明本实用新型，增加对本实用新型的技术特征、目的和效果的理解。

本实用新型涉及一种串并联混合结构的工程柔性机器人***，其特征在于：包括柔性臂1、驱动总成2、控制装置；其中“串”是指关节单元3以串联形式连接，“并”是指单个关节单元3通过多根钢丝绳索8以并联形式连接到关节单元3上，同时驱动关节单元3运动，优选的每个关节单元3上连接的钢丝绳索8为3根，由此串并联结构即为混合结构。所述的柔性臂1由多个关节单元3串联构成，通过多根钢丝绳8索以并联形式连接到关节单元3上，驱动关节单元3运动，柔性臂1还包括万向节4、钢丝绳索8；不同长度的关节单元3的组合能够保证柔性臂1实现较大的弯曲曲率。相邻的关节单元3由万向节4和钢丝绳索8连接；相邻的关节单元3中在前的关节单元3能够相对于在后的关节单元3实现俯仰、摆动运动。如图5所示相邻关节单元中3的在前关节单元3绕着万向节4的Y轴旋转，实现摆动动作，绕着万向节4的Z轴旋转，实现俯仰动作。多个关节单元3复合运动实现柔性运动。

优选的，所述的驱动总成2包括：多个驱动模块19及相应的驱动器21。所述驱动模块16圆周均布在模块安装盘35及整合连接板16上，使得整个驱动总成2呈“圆筒”形。

优选的，所述的控制装置能够实时控制关节单元3运动，并实现在后的关节单元3跟随在前的关节单元3的轨迹运动，在返回运动时每一个关节单元3按照其前进时的轨迹返回。实现串并联混合结构的工程柔性机器人在狭小空间内灵活运动，顺利地进出。

优选的，所述的控制装置能够对作业环境进行三维模拟，并对机器人进行实时控制和离线示教。通过控制装置模拟出的作业环境方便操作人员准确定位并进行全局观察。

优选的，所述的驱动模块19包括：伺服电机23、减速器24、联轴器26、丝杠螺母安装块28、位移测量传感器31；每个驱动模块19连接一根钢丝绳索8，通过伺服电机23的正反转实现钢丝绳索8的收放。驱动模块19采用一体化的设计，方便驱动总成2的整体装配以及后期的维护和维修。

优选的，所述的驱动总成2位于柔性臂1后端。对驱动总成2的后置处理，能够实现柔性臂1的轻量化，同时保证柔性臂1能够进入一些恶劣环境中作业。

优选的，所述关节单元3之间通过所述万向节4连接，所述万向节是十字轴万向节4，并且设计为中空形式。采用中空形式十字轴万向节4，可以方便管、线的穿过十字轴万向节4。

优选的，每一个所述的关节单元3的长度可以调整。

优选的，所述的关单元3包括圆形薄筒15、万向节安装支架12和钢丝限位圈33。所述钢丝限位圈33的圆周上均布有可供钢丝绳索8穿过的圆孔。

如同人类手臂中肌肉和关节通过肌腱来连接的方式那样，工程柔性机器人各个关节单元3之间的连接也是通过这种肌腱连接方式——钢丝绳索8来实现。

优选的，所述钢丝绳索8平行穿过所述关节单元3上钢丝限位圈33的圆孔，并呈120°均布；钢丝绳索8的总数量是关节单元3总数的3倍。

优选的，所述钢丝绳索8均一端固定在驱动总成2的驱动模块19上，以3根钢丝绳索8为一组，依次穿过后续的关节单元3，连接至所要控制的关节单元3的钢丝限位圈33上。

工程柔性机器人的“头部”还能配置各种不同的工具，便于实际作业的需要。（如照相机、特种抓臂、切割金属的激光器、高压水射流喷头等）

本实用新型的具体结构、连接方式如下：

如图1所示，本实用新型的工程柔性机器人由柔性臂1、驱动总成2组成。柔性臂1通过法兰安装盘6安装在驱动总成装置2上，法兰安装盘6通过螺钉固定在驱动总成2顶部整合连接板16。

如图2所示，柔性臂1是由多个关节单元3，其中不同长度关节单元3可以自由组合。如图3所示钢丝绳索限位圈33通过螺钉安装关节单元3的两端，钢丝绳索限位圈33均布穿绳的圆孔。单个关节单元3是由3根钢丝绳索8来控制角度变化，3根钢丝绳索8平行穿过钢丝绳索限位圈33的圆孔，且呈120°圆周均分。

如图4所示，相邻关节单元3之间是由万向节4连接。关节单元3以由节单元筒体9为主体，万向节安装支架12通过螺钉安装在筒体上，轴承端盖11通过沉头螺钉安装在万向节安装支架12上。将轴承13安装在万向节安装支架12上，通过锁紧螺钉10与万向节4连接。相邻关节单元3可以实现俯仰、摆动运动。

如图6所示是驱动总成2的整体及驱动模块19示意图，驱动模块19采用一体化设计:伺服电机23通过螺纹连接方式与减速器24连接，减速器24通过螺钉安装在电机安装板25上，通过联轴器26将丝杠27与减速器24连接。通过丝杠螺母安装块28将丝杠螺母和光滑杆29组合起来，实现丝杠螺母安装块28能够在丝杠27轴向上的运动。驱动模块19通过螺纹连接方式安装在模块安装盘35、整合连接板16上。驱动单元19采用圆周布置，使得整个驱动总成2呈“圆筒”形。

如图6、7所示，通过螺钉将位移测量电路板31安装在丝杠螺母安装块28上，能够准确记录丝杠螺母安装块28的行走位移。丝杠螺母安装块28还能固定钢丝绳索8的一端，通过读取位移测量电路板31的位移量可以知道钢丝绳8的变化量，从而计算出关节单元3的角度变化。

本实用新型针对现有技术的不足，采用绳索驱动关节单元，使得柔性臂能够完成空间复杂三维运动。采用驱动模块一体化设计，方便了驱动总成的维护和维修，同时减轻了柔性臂的自身重量，提高工程柔性机器人的负载能力，使得本实用新型能够在狭小复杂空间更加灵活的运动。

Claims (6)

1.一种串并联混合结构的工程柔性机器人***，其特征在于：包括柔性臂、驱动总成、控制装置；所述的柔性臂由多个关节单元串联构成，通过多根钢丝绳索以并联形式连接到关节单元上，驱动关节单元运动，柔性臂还包括万向节、钢丝绳索；相邻的关节单元由万向节连接；相邻的关节单元中在前的关节单元能够相对于在后的关节单元实现俯仰、摆动运动。

2.根据权利要求1所述的串并联混合结构的工程柔性机器人***，其特征在于：所述的驱动总成包括多个驱动模块及相应的驱动器。

3.根据权利要求2所述的串并联混合结构的工程柔性机器人***，其特征在于：所述的驱动模块包括伺服电机、减速器、联轴器、丝杠螺母安装块、位移测量传感器；每个驱动模块连接一根钢丝绳索，通过伺服电机的正反转实现钢丝绳索的收放。

4.根据权利要求2所述的串并联混合结构的工程柔性机器人***，其特征在于：所述的驱动总成位于柔性臂后端。

5.根据权利要求1所述的串并联混合结构的工程柔性机器人***，其特征在于：所述关节单元之间通过所述万向节连接，所述万向节是十字轴万向节，并且设计为中空形式。

6.根据权利要求1所述的串并联混合结构的工程柔性机器人***，其特征在于：每一个所述的关节单元的长度可以调整。