仿生可攀爬和操作的機械臂的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及機器人，具體地說是一種仿生可攀爬和操作的機械臂。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾十年來，空間技術(shù)的快速發(fā)展，使人類在探索太空活動得到了進一步延伸。太空是一個微重力、高真空、強輻射、大溫差的惡劣環(huán)境，宇航員探索宇宙太空潛在危險很大。設(shè)計一種空間機器人可以協(xié)助或代替宇航員完成大量危險的太空任務(wù)已成為機器人領(lǐng)域重要的研究方向，尤其是面向空間站應(yīng)用的機器人更是各個國家研究的熱點。該類機器人主要面向兩大任務(wù):一種是應(yīng)用在空間站艙外，協(xié)助宇航員完成空間站上大型組件的組裝、修理以及勘察工作的艙外空間服務(wù)機器人；另一種是應(yīng)用于空間站艙內(nèi)，用于協(xié)助宇航員完成空間站中的科學(xué)實驗，監(jiān)控艙內(nèi)科學(xué)儀器的艙內(nèi)空間服務(wù)機器人。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，艙內(nèi)空間服務(wù)機器人正朝著小型化、智能化、多功能性、高穩(wěn)定性的方向發(fā)展。
[0003]現(xiàn)有艙內(nèi)爬行機器人末端執(zhí)行器大多采用吸附式，不具備額外的操作能力，無法適應(yīng)于空間站艙內(nèi)儀器的操作工作。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]為了解決現(xiàn)有艙內(nèi)爬行機器人吸附式末端執(zhí)行器存在的上述問題，本實用新型的目的在于提供一種仿生可攀爬和操作的機械臂。該仿生可攀爬和操作的機械臂模擬自然界昆蟲尺蠖，既可以爬行又可以操作，適用于空間站艙內(nèi)科學(xué)儀器操作工作。
[0005]本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0006]本實用新型的機械臂為兩端帶有夾持關(guān)節(jié)模塊、中間具有五自由度的串聯(lián)對稱式構(gòu)型機器人，包括依次串聯(lián)的第一夾持關(guān)節(jié)模塊、第一回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊、第一俯仰關(guān)節(jié)伺服電機、第二俯仰關(guān)節(jié)伺服電機、第三俯仰關(guān)節(jié)伺服電機、第二回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊及第二夾持關(guān)節(jié)模塊，所述第一回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊及第二回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊分別驅(qū)動所述機械臂回轉(zhuǎn)，提供兩個回轉(zhuǎn)自由度，所述第一俯仰關(guān)節(jié)伺服電機、第二俯仰關(guān)節(jié)伺服電機及第三俯仰關(guān)節(jié)伺服電機獨立驅(qū)動或共同驅(qū)動所述機械臂翻轉(zhuǎn)，提供三個翻轉(zhuǎn)自由度;所述第一夾持關(guān)節(jié)模塊及第二夾持關(guān)節(jié)模塊為機械臂的末端執(zhí)行器，所述機械臂通過第一夾持關(guān)節(jié)模塊及第二夾持關(guān)節(jié)豐吳塊夾持定位；
[0007]其中:所述第一夾持關(guān)節(jié)模塊與第二夾持關(guān)節(jié)模塊結(jié)構(gòu)相同，均包括夾持關(guān)節(jié)伺服電機、夾持關(guān)節(jié)殼體、夾持關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)、雙向螺桿、左手指及右手指，該夾持關(guān)節(jié)伺服電機安裝在所述夾持關(guān)節(jié)殼體上，輸出端通過所述夾持關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)與轉(zhuǎn)動安裝在夾持關(guān)節(jié)殼體上的雙向螺桿相連，驅(qū)動所述雙向螺桿旋轉(zhuǎn)，所述左手指及右手指的一端為夾持端，另一端分別與所述雙向螺桿兩端的螺紋段螺紋連接，通過所述雙向螺桿的旋轉(zhuǎn)帶動左、右手指夾持或放松;所述左手指及右手指另一端的兩側(cè)均設(shè)有滑槽，該左手指及右手指另一端兩側(cè)的夾持關(guān)節(jié)殼體上均設(shè)有滑軌，所述左手指及右手指另一端兩側(cè)的滑槽分別與兩側(cè)的所述滑軌滑動連接，實現(xiàn)所述左手指及右手指沿滑軌往復(fù)運動；
[0008]所述夾持關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)為齒輪傳動機構(gòu)，包括夾持關(guān)節(jié)小齒輪及夾持關(guān)節(jié)大齒輪，該夾持關(guān)節(jié)小齒輪通過小齒輪聯(lián)軸器與所述夾持關(guān)節(jié)伺服電機的輸出端相連，所述夾持關(guān)節(jié)大齒輪安裝在雙向螺桿上、隨所述雙向螺桿旋轉(zhuǎn)，并與所述夾持關(guān)節(jié)小齒輪嚙合傳動；
[0009]所述夾持關(guān)節(jié)殼體包括夾持關(guān)節(jié)下殼體、夾持關(guān)節(jié)左殼體、夾持關(guān)節(jié)軸端端蓋、夾持關(guān)節(jié)上殼體及夾持關(guān)節(jié)右殼體，該夾持關(guān)節(jié)上殼體安裝在夾持關(guān)節(jié)下殼體上，兩端分別與所述夾持關(guān)節(jié)左殼體及夾持關(guān)節(jié)右殼體連接，所述夾持關(guān)節(jié)軸端端蓋安裝在夾持關(guān)節(jié)上殼體上;所述夾持關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)位于夾持關(guān)節(jié)軸端端蓋的下方，所述夾持關(guān)節(jié)下殼體上開有通孔，所述左手指及右手指的一端均由該通孔伸出；所述雙向螺桿的兩端分別通過軸承轉(zhuǎn)動安裝在夾持關(guān)節(jié)軸承支座上，兩端的所述夾持關(guān)節(jié)軸承支座分別固定在夾持關(guān)節(jié)上殼體上，所述夾持關(guān)節(jié)伺服電機通過兩側(cè)設(shè)置的伺服電機支座固定在夾持關(guān)節(jié)模塊軸承支座上;所述雙向螺桿兩端螺紋段的螺紋旋向相反；
[0010]所述第一回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊及第二回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊結(jié)構(gòu)相同、均包括回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)殼體、回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)伺服電機、回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)及回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)盤，該回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)殼體通過夾持關(guān)節(jié)連桿與第一夾持關(guān)節(jié)模塊或第二夾持關(guān)節(jié)模塊相連，所述回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)伺服電機安裝在回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)殼體內(nèi)，輸出端通過所述回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)與回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)盤連接、驅(qū)動該回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動；所述回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)包括回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)齒輪及回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)齒輪軸，該回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)齒輪通過回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)聯(lián)軸器與所述回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)伺服電機的輸出端相連，該回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)伺服電機上安裝有回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)伺服電機連接塊，所述回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)齒輪軸的一端轉(zhuǎn)動安裝在回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)伺服電機連接塊，另一端與所述回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)盤相連，所述回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)齒輪軸上的齒輪部分與回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)齒輪嚙合傳動;所述回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)盤的下表面安裝有支撐圈，該支撐圈隨回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)盤繞所述回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)殼體的軸向中心線轉(zhuǎn)動;所述回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)盤的下邊緣設(shè)有限位塊，所述回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)殼體的內(nèi)表面上設(shè)有限位螺釘，所述回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)盤及支撐圈的轉(zhuǎn)動通過限位塊及限位螺釘限位；
[0011]所述第一俯仰關(guān)節(jié)伺服電機一端的輸出端通過回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連桿與第一回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊相連，另一端通過第一俯仰關(guān)節(jié)連桿與所述第二俯仰關(guān)節(jié)伺服電機一端的輸出端連接，該第二俯仰關(guān)節(jié)伺服電機的另一端通過第二俯仰關(guān)節(jié)連桿與所述第三俯仰關(guān)節(jié)伺服電機的輸出端相連，該第三俯仰關(guān)節(jié)伺服電機通過第三俯仰關(guān)節(jié)連桿安裝在所述第二回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊上;所述第一俯仰關(guān)節(jié)伺服電機、第二俯仰關(guān)節(jié)伺服電機及第三俯仰關(guān)節(jié)伺服電機的電機本體上設(shè)有電機外法蘭，所述第一俯仰關(guān)節(jié)伺服電機上的電機外法蘭與所述回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連桿連接，所述第二俯仰關(guān)節(jié)伺服電機上的電機外法蘭與所述第一俯仰關(guān)節(jié)連桿連接，所述第三俯仰關(guān)節(jié)伺服電機上的電機外法蘭與所述第二俯仰關(guān)節(jié)連桿連接。
[0012]本實用新型的優(yōu)點與積極效果為:
[0013]1.本實用新型模仿自然界昆蟲尺蠖的身體結(jié)構(gòu)，采用五自由度對稱構(gòu)型設(shè)計，機械臂可實現(xiàn)三種運動步態(tài)，運動靈活，具有很好的越障能力。
[0014]2.本實用新型為兼?zhèn)湟苿犹匦院筒僮魈匦?，擺脫了固定式機器人操作范圍小的限制;本實用新型可以爬行到目標(biāo)位置，然后固定，之后完成操作任務(wù)。
[0015]3.本實用新型的各關(guān)節(jié)設(shè)計采用模塊化設(shè)計，將主要的執(zhí)行機構(gòu)進行模塊化封裝，共包括三種模塊:夾持關(guān)節(jié)模塊、回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊及俯仰關(guān)節(jié)模塊，模塊化設(shè)計使機械臂的可替換性強，便于固件更新升級。
[0016]4.本實用新型的驅(qū)動電機采用小型伺服電機，其內(nèi)部帶有減速器，可同時實現(xiàn)精確運動定位及輸出力矩要求;且伺服電機整體體積小，質(zhì)量輕，可以大大減小有效載荷的發(fā)射成本。
[0017]5.本實用新型的結(jié)構(gòu)緊湊，關(guān)鍵元器件均保護在殼體的內(nèi)部，受到很好的保護。
[0018]6.本實用新型結(jié)構(gòu)新穎，功能多樣，各關(guān)節(jié)工作靈活，適用于限制性環(huán)境下的移動和操作任務(wù)，如空間站艙內(nèi)儀器科學(xué)操作任務(wù)。
【附圖說明】
[0019]圖1為本實用新型安裝完畢狀態(tài)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為本實用新型第一(二)夾持關(guān)節(jié)模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ]圖3為本實用新型第一(二)夾持關(guān)節(jié)模塊的爆炸圖；
[0022]圖4為本實用新型第一(二)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖5為本實用新型第一(二)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊的爆炸圖；
[0024]圖6為本實用新型第一(二)夾持關(guān)節(jié)連桿的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖7為本實用新型回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連桿的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖8為本實用新型第一(二)俯仰關(guān)節(jié)連桿的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖9為本實用新型第三俯仰關(guān)節(jié)連桿的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖10為本實用新型第一(二、三)俯仰關(guān)節(jié)伺服電機的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖11為本實用新型的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0030]圖12A為本實用新型尺蠖式運動步態(tài)示意圖；
[0031]圖12B為本實用新型翻轉(zhuǎn)運動步態(tài)的示意圖；
[0032]圖12C為本實用新型回轉(zhuǎn)運動步態(tài)的示意圖；
[0033]其中:丨為第一夾持關(guān)節(jié)模塊，2為第一夾持關(guān)節(jié)連桿，3為第一回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊，4為回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連桿，5為第一俯仰關(guān)節(jié)伺服電機，5a為電機外法蘭，5b為電機本體，6為第一俯仰關(guān)節(jié)連桿，7為第二俯仰關(guān)節(jié)伺服電機，8為第二俯仰關(guān)節(jié)連桿，9為第三俯仰關(guān)節(jié)伺服電機，10為第三俯仰關(guān)節(jié)連桿，11為第二回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊，12為第二夾持關(guān)節(jié)連桿，13為第二夾持關(guān)節(jié)模塊，14為右手指，15為滑軌，16為左手指，17為夾持關(guān)節(jié)下殼體，18為夾持關(guān)節(jié)左殼體，19為夾持關(guān)節(jié)軸端端蓋，20為夾持關(guān)節(jié)上殼體，21為夾持關(guān)節(jié)大齒輪，22為夾持關(guān)節(jié)軸承支座，23為夾持關(guān)節(jié)小齒輪，24為小齒輪聯(lián)軸器，25為夾持關(guān)節(jié)伺服電機，26為伺服電機支座，27為