[發明專利]一種模塊化便拆卸蛇形機械臂

在審

• 申請號: 202210424113.9
• 申請日: 2022-04-21
• 公開（公告）號: CN114589681A
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 張東;曹政才;徐家凱;居仁杰;苗智雯;勞鉅;蓋妍
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: B25J9/06
• 分類號: B25J9/06;B25J9/10
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

本發明涉及一種模塊化便拆卸蛇形機械臂，包括基座和手臂部分，基座部分由多塊驅動單元插入卡槽底座構成，為牽引繩提供動力，間接驅動手臂部分，驅動單元與卡槽底座的插拔式設計便于安裝和拆卸。驅動單元由上、下層板構成，上層版固結驅動零部件，下層板與卡槽底座固定，通過旋轉使上、下層板分離，提供充足空間以應對任意驅動零部件的檢查、維修和替換。手臂部分由分體式連桿和萬向節級聯構成，分體式連桿設計不僅簡化了原本復雜的布線操作，而且可以對手臂部分進行變長度、變剛度的調整。基座部分和手臂部分的重新設計，解決了傳統一體式蛇形機械臂的體積大、重量大、難維修、難運輸的問題，還有效的提高了蛇形機械臂在不同環境中的靈活性與適應性。

技術領域

本發明涉及機器人研究與工程領域，具體是指一種新型蛇形機械臂，具有易于系統搭建、關節維修、遠距離運輸特點的蛇形機械臂。

技術背景

目前，高端裝備制造業在提速，這對面向狹小空間作業的特種機器人提出了新的要求，蛇形機械臂由于具有多自由度和細長的結構特點，非常適用在核設備、航空設備、管道等受限環境下進行裝配和檢測。因其具有較強的避障和深腔探測的能力，引發大量的學者、研究機構的廣泛關注。相比于傳統工業機械臂，蛇形機械臂將驅動設備集中布置在驅動基座，這樣有效減輕機械臂的重量，另一方面通過結構優化，可以使其擁有更多的自由度和彎曲角度，提升其運動靈活性。綜上所述，蛇形機械臂在工業領域有巨大的應用需求和發展前景。

蛇形機械臂主要采用牽引繩驅動，目前見到的繩驅式蛇形機械臂結構大部分為基座-手臂式結構(如圖4)。基座部分(如圖1-1、1-2)包括直流電機Ⅰ、傳動絲桿組Ⅱ，是手臂部分動力來源。手臂部分(圖2-2)采用剛性連桿(圖2-1)通過萬向節連接構成，細長的手臂結構是為了穿越狹窄、危險的空間進行工作，是需要控制的對象。

傳動絲桿組設計為滾珠絲桿1、直線導軌2、運動滑塊3與繩纜固定塊4，傳動絲桿組Ⅱ將直流電機Ⅰ的旋轉運動轉化為繩纜固定塊4的平移運動，牽引繩的一端5采用鎖線機構固定在繩纜固定塊4上，由繩纜固定塊帶動牽引繩做前后平移。

控制方式采用傳統的控制方法，牽引繩的另一端穿過過線孔6進入手臂部分，采用鎖線機構固定在手臂部分的剛性連桿布線盤7(如圖3)上，3根均勻分布的一組牽引繩A_1、A_2、A_3，用鎖線器結構固定在布線盤7上，通過3根牽引繩回拉、放松的耦合關系控制第一個關節A的轉動，同理，牽引繩B_1、B_2、B_3控制第二個關節B轉動。

如圖4所示，Ⅲ為蛇形機械臂的基座部分：為24個直流電機與傳動絲桿組圓環布置在圓盤底座上，驅動24根牽引繩獨立運動。Ⅳ為手臂部分：為8個剛性連桿(圖2-1)通過萬向節連接構成。相鄰的兩個連桿構成一個單元，所有牽引繩穿過靠近基座端的第一個單元，后續依次減少三根牽引繩穿過剩余的單元。由于3根牽引繩作用于一個連桿并帶動與其相連的關節轉動，一個關節具有俯仰、偏航兩個自由度，所以該樣機可實現8關節、16自由度手臂靈活運動。

以上所描述的傳統蛇形機械臂存在以下缺點

如圖1-1、1-2所示，直流電機Ⅰ、傳動絲桿組Ⅱ安裝過程復雜，圓環式空間布置造成零件間距太小(圖4-Ⅲ)，幾乎沒有空間用于維修和檢查零件。

直流電機、傳動絲桿組固定于圓盤底座的方式均采用螺絲剛性固定(圖1-2)，因為安裝和拆卸極為不便，所以對蛇形機械臂只能整體進行搬運，容易因碰撞造成結構損傷或者零部件脫落等問題，減小了蛇形機械臂的實際應用性。

傳統剛性連桿布線盤(如圖3中7所示)穿繩孔小而且密集，穿繩布線操作速度緩慢、效率低下。傳統蛇形機械臂手臂部分剛性連桿(圖2-1)長度固定，無法根據不同環境調整手臂部分長度，限制了蛇形機械臂的應用場景。

發明內容

針對以上存在的問題，本發明提供一種新型蛇形機械臂，在具備靈活運動能力的同時，實現模塊化、輕量化結構設計，解決目前傳統蛇形機械臂的裝配過程繁瑣、維修復雜、難以遠距離運輸、應用場景單一等問題。