彈簧線控柔性象鼻機械臂的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及仿生機器人領(lǐng)域，具體涉及彈簧線控柔性象鼻機械臂，包括安裝在機座上的多段串聯(lián)的關(guān)節(jié)，其中串聯(lián)的關(guān)節(jié)中第一關(guān)節(jié)的一端固定在機座上，第一關(guān)節(jié)的另一端和第二關(guān)節(jié)的一端固定連接在一起，其后依次類推，機座上固定有彈性支柱和驅(qū)動單元，驅(qū)動單元上固定有驅(qū)動彈簧，所述串聯(lián)關(guān)節(jié)固定在彈性支柱上，并且驅(qū)動彈簧穿過串聯(lián)的關(guān)節(jié)；本實用新型的有益效果：關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡單化，同時機械臂具有較高彎曲柔軟程度，具備一定的抗沖擊能力，同時具有較高的通過性和增快了的機械臂的控制速度。
【專利說明】彈簧線控柔性象鼻機械臂
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及仿生機器人領(lǐng)域，具體涉及彈簧線控柔性象鼻機械臂。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，機器人受到越來越廣泛的應用。目前應用較為廣泛的當屬離散型機器人，它由離散的單自由度關(guān)節(jié)和剛性連桿構(gòu)成，機器人的運動僅在各單自由度關(guān)節(jié)處產(chǎn)生，通過對各單自由度關(guān)節(jié)的驅(qū)動控制來實現(xiàn)機器人末端執(zhí)行器位置的變化。這類離散型機器人主要用于自由空間內(nèi)的多自由度運動，但自由度有限，因此對非結(jié)構(gòu)環(huán)境和工作空間受限的環(huán)境適應能力不強。
[0003]近年來，出現(xiàn)了一類新型的仿生機器人，仿生象鼻機器人就屬于其中的一種。它是一種柔韌性強、靈活性高的新型連續(xù)體機器人，具有傳統(tǒng)離散型機器人所無法媲美的優(yōu)良彎曲性能，可以柔順而靈活的改變自身的形狀，因此對工作空間狹小的環(huán)境和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境具有獨特的適應能力，而且還可以通過自身的彎曲變形來更牢靠的抓取各種不規(guī)則形狀的物體。目前，對于仿生象鼻機器人的實現(xiàn)方式，主要是用氣缸，液壓缸的形式來模擬肌肉。2010年德國Festo公司利用新型可伸縮材料和先進的空氣壓縮驅(qū)動技術(shù)再加上高精確度傳感器研制的仿生象鼻機器人。文獻I (專利申請?zhí)?201210514688.6)公布的采用多個氣缸或液缸的驅(qū)動方式，來控制每一節(jié)關(guān)節(jié)的角度和長度，從而控制整個機械臂的姿態(tài)。文獻2 (線驅(qū)動連續(xù)型機器人的運動學分析與仿真.機械工程學報，2010.第46卷第19期)公布的采用金屬絲和柔性支柱的控制方式，用金屬細絲來牽引象鼻動作。
[0004]以上的象鼻機械臂的實現(xiàn)方法，還是存在如下的問題，包括整體結(jié)構(gòu)過于復雜，自身沉重不便于控制，以及因柔性材料造成的控制精度不高。
實用新型內(nèi)容
[0005]為解決上述問題，本實用新型提供一種彈簧線控柔性象鼻機械臂。
[0006]一種彈簧線控柔性象鼻機械臂，包括安裝在機座上的多段串聯(lián)的關(guān)節(jié)，其中串聯(lián)的關(guān)節(jié)中第一關(guān)節(jié)的一端固定在機座上，第一關(guān)節(jié)的另一端和第二關(guān)節(jié)的一端固定連接在一起，其后依次類推，機座上固定有彈性支柱和驅(qū)動單元，驅(qū)動單元上固定有驅(qū)動彈簧，所述串聯(lián)關(guān)節(jié)固定在彈性支柱上，并且驅(qū)動彈簧穿過串聯(lián)的關(guān)節(jié)；
[0007]進一步地，所述多段串聯(lián)關(guān)節(jié)中的每個關(guān)節(jié)均由多個支撐盤片組成，并且單個關(guān)節(jié)內(nèi)支撐盤片大小相同，支撐盤片為圓盤形狀，支撐盤片的幾何中心處設有彈性支柱通孔，支撐盤片的邊緣處設有驅(qū)動彈簧通孔，所述支撐盤片通過彈性支柱通孔環(huán)套固定在彈性支柱上，所述驅(qū)動彈簧穿過驅(qū)動彈簧通孔；
[0008]進一步地，多段串聯(lián)關(guān)節(jié)中的第一關(guān)節(jié)的支撐盤相對于第二關(guān)節(jié)的支撐盤在直徑上大35%至45%，其后依此類推；所述每個關(guān)節(jié)內(nèi)的支撐盤片為6-9個；
[0009]進一步地，所述第一關(guān)節(jié)的支撐盤片設有一個彈性支柱通孔和六個驅(qū)動彈簧通孔，彈性支柱通孔設置在支撐盤片的幾何中心處，驅(qū)動彈簧通孔均勻分布在支撐盤片的邊緣處，呈60度分布，其他關(guān)節(jié)的支撐盤片設有一個彈性支柱通孔和三個驅(qū)動彈簧通孔，彈性支柱通孔設置在支撐盤片的幾何中心處，驅(qū)動彈簧通孔均勻分布在支撐盤片的邊緣處，呈120度分布；
[0010]進一步地，所述多段串聯(lián)關(guān)節(jié)中的每一個關(guān)節(jié)的末端安裝有陀螺儀和加速度傳感器；
[0011]進一步地，所述驅(qū)動單元為步進電機、直流電機或直線電機。
[0012]本實用新型的有益效果:關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡單化，同時機械臂具有較高彎曲柔軟程度，具備一定的抗沖擊能力，同時具有較高的通過性和增快了的機械臂的控制速度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為線驅(qū)動圓盤加柔性支柱結(jié)構(gòu)原理圖；
[0014]圖2為第一關(guān)節(jié)支撐盤片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3為第二關(guān)節(jié)支撐盤片的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0016]為了使本 實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細描述。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0017]相反，本實用新型涵蓋任何由權(quán)利要求定義的在本實用新型的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進一步，為了使公眾對本實用新型有更好的了解，在下文對本實用新型的細節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細節(jié)部分。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細節(jié)部分的描述也可以完全理解本實用新型。
[0018]【實施例1】如圖所示，本實用新型提供一種彈簧線控柔性象鼻機械臂，由第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)和機座I構(gòu)成，其中第一關(guān)節(jié)的一端固定在機座上，另一端和第二關(guān)節(jié)的一端固定連接在一起；第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)由多個支撐盤片組成，支撐盤片為圓盤形狀，第一關(guān)節(jié)內(nèi)的第一關(guān)節(jié)支撐盤片大小相同，第二關(guān)節(jié)內(nèi)的第二關(guān)節(jié)支撐盤片大小相同，其中第一關(guān)節(jié)支撐盤片相對于第二關(guān)節(jié)支撐盤片在直徑上大35%至45%。
[0019]第一關(guān)節(jié)支撐盤片2設有一個彈性支柱通孔4和六個驅(qū)動彈簧通孔5，彈性支柱通孔4設置在第一關(guān)節(jié)支撐盤片2的幾何中心處，驅(qū)動彈簧通孔5均勻分布在支撐盤片的邊緣處，呈60度分布，第二關(guān)節(jié)支撐盤片3設有一個彈性支柱通孔4和三個驅(qū)動彈簧通孔5，彈性支柱通孔4設置在第二關(guān)節(jié)支撐盤片3的幾何中心處，驅(qū)動彈簧通孔5均勻分布在支撐盤片的邊緣處，呈120度分布。
[0020]每個關(guān)節(jié)內(nèi)的支撐盤片為6-9個。
[0021]所述機座I上固定有六個步進電機和一個彈性支柱6，所述六個步進電機上分別固定有驅(qū)動彈簧7，所述第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)的支撐盤片均通過彈性支柱通孔4環(huán)套固定在彈性支柱上6，兩兩支撐盤片之間的驅(qū)動彈簧通孔5位置相互對應，同一個關(guān)節(jié)內(nèi)的相鄰兩個支撐盤片間距相同，其中第一關(guān)節(jié)相鄰兩個支撐盤片的間距大于第二關(guān)節(jié)相鄰兩個支撐盤片的間距；所述六根驅(qū)動彈簧7分別通過第一關(guān)節(jié)中相對應的驅(qū)動彈簧通孔5，其中任意呈120度分布的三個驅(qū)動彈簧7的一端固定在第一關(guān)節(jié)的末端，另外三個驅(qū)動彈簧7分別穿過第二關(guān)節(jié)的相互對應的驅(qū)動彈簧通孔5，直至固定在機械臂的末端。
[0022]【實施例2】本實用新型提供一種彈簧線控柔性象鼻機械臂，由多段串聯(lián)的關(guān)節(jié)和機座I構(gòu)成，其中串聯(lián)的關(guān)節(jié)中第一關(guān)節(jié)的一端固定在機座上，第一關(guān)節(jié)的另一端和第二關(guān)節(jié)的一端固定連接在一起，其后依次類推；每個關(guān)節(jié)均由多個支撐盤片組成，并且單個關(guān)節(jié)內(nèi)的支撐盤片大小相同，支撐盤片為圓盤形狀，其中第一關(guān)節(jié)支撐盤片2相對于第二關(guān)節(jié)支撐盤片3在直徑上大35%至45%，其后依此類推。
[0023]其中第一關(guān)節(jié)支撐盤片2設有一個彈性支柱通孔4和六個驅(qū)動彈簧通孔5，彈性支柱通孔4設置在第一關(guān)節(jié)支撐盤片2的幾何中心處，驅(qū)動彈簧通孔5均勻分布在第一關(guān)節(jié)支撐盤片2的邊緣處，呈60度分布，其他關(guān)節(jié)的支撐盤片設有一個彈性支柱通孔4和三個驅(qū)動彈簧通孔5，彈性支柱通孔4設置在支撐盤片的幾何中心處，驅(qū)動彈簧通孔5均勻分布在支撐盤片的邊緣處，呈120度分布。
[0024]每個關(guān)節(jié)內(nèi)的支撐盤為6-9個。
[0025]所述機座上固定有六個步進電機和一個彈性支柱6，所述六個步進電機上分別固定有驅(qū)動彈簧7，所述串聯(lián)的所有關(guān)節(jié)的支撐盤片均通過彈性支柱通孔4環(huán)套固定在彈性支柱6上，兩兩之間的驅(qū)動彈簧通孔5位置相互對應，同一個關(guān)節(jié)內(nèi)的相鄰兩個支撐盤片間距相同，其中第一關(guān)節(jié)相鄰兩個支撐盤片的間距大于第二關(guān)節(jié)相鄰兩個支撐盤片的間距，其后依次類推；所述六根驅(qū)動彈簧7分別通過第一關(guān)節(jié)中相對應的驅(qū)動彈簧通孔5，其中任意呈120度分布的三個驅(qū)動彈簧7的一端固定在第一關(guān)節(jié)的末端，另外三個驅(qū)動彈簧7分別穿過其他關(guān)節(jié)的相互對應的驅(qū)動彈簧通孔5，直至固定在機械臂的末端。
[0026]以上兩個實 施例中的每一個關(guān)節(jié)末端，安裝有陀螺儀和加速度傳感器，實時檢測當前各段的彎曲程度和當前的角度；所述驅(qū)動彈簧也可成為驅(qū)動線。
[0027]其中的步進電機也可選用直流電機或是直線電機，并將其統(tǒng)稱為驅(qū)動單元。
[0028]所述第一關(guān)節(jié)支撐盤片的直徑為100_，厚度為5_，所述驅(qū)動彈簧采用外徑2_的細硬彈簧，彈性支柱采用外徑16mm的硬質(zhì)粗長彈簧，所述第一關(guān)節(jié)長度為350mm，第二關(guān)節(jié)長度為250mm。
[0029]工作原理:在控制時，某一個電機將驅(qū)動彈簧收縮，同關(guān)節(jié)的另外兩個電機適當放松驅(qū)動彈簧，或是某兩個彈簧控制收縮，而另外一個控制放松，亦可以三個電機同時收緊驅(qū)動彈簧，可實現(xiàn)象鼻機械臂在空間內(nèi)三維方向甩動。電機斷電后，機械臂可以自主恢復初始位置；同時控制同一段關(guān)節(jié)的三根驅(qū)動彈簧的松緊長度，可以控制關(guān)節(jié)的軟硬程度，可以使關(guān)節(jié)保持當前姿態(tài)或是自由下垂。
【權(quán)利要求】
1.一種彈簧線控柔性象鼻機械臂，包括安裝在機座上的多段串聯(lián)的關(guān)節(jié)，其中多段串聯(lián)的關(guān)節(jié)中第一關(guān)節(jié)的一端固定在機座上，第一關(guān)節(jié)的另一端和第二關(guān)節(jié)的一端固定連接在一起，其后依次類推，其特征在于:機座上固定有彈性支柱和驅(qū)動單元，驅(qū)動單元上固定有驅(qū)動彈簧，所述串聯(lián)關(guān)節(jié)固定在彈性支柱上，并且驅(qū)動彈簧穿過串聯(lián)的關(guān)節(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械臂，其特征在于:所述多段串聯(lián)關(guān)節(jié)中的每個關(guān)節(jié)均由多個支撐盤片組成，并且單個關(guān)節(jié)內(nèi)支撐盤片大小相同，支撐盤片為圓盤形狀，支撐盤片的幾何中心處設有彈性支柱通孔，支撐盤片的邊緣處設有驅(qū)動彈簧通孔，所述支撐盤片通過彈性支柱通孔環(huán)套固定在彈性支柱上，所述驅(qū)動彈簧穿過驅(qū)動彈簧通孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機械臂，其特征在于:多段串聯(lián)關(guān)節(jié)中的第一關(guān)節(jié)的支撐盤相對于第二關(guān)節(jié)的支撐盤在直徑上大35%至45%，其后依此類推；所述每個關(guān)節(jié)內(nèi)的支撐盤片為6-9個。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機械臂，其特征在于，所述第一關(guān)節(jié)的支撐盤片設有一個彈性支柱通孔和六個驅(qū)動彈簧通孔，彈性支柱通孔設置在支撐盤片的幾何中心處，驅(qū)動彈簧通孔均勻分布在支撐盤片的邊緣處，呈60度分布，其他關(guān)節(jié)的支撐盤片設有一個彈性支柱通孔和三個驅(qū)動彈簧通孔，彈性支柱通孔設置在支撐盤片的幾何中心處，驅(qū)動彈簧通孔均勻分布在支撐盤片的邊緣處，呈120度分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機械臂，其特征在于:所述多段串聯(lián)關(guān)節(jié)中的每一個關(guān)節(jié)的末端安裝有陀螺儀和加速度傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械臂，其特征在于:所述驅(qū)動單元為步進電機、直流電機或直線電機。
【文檔編號】B25J17/00GK203804991SQ201320850597
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】張雨童, 李擎, 季瑋, 陳映雪, 李治富, 劉冀偉, 崔家瑞, 徐楠芝 申請人:北京科技大學