本發(fā)明涉及智能機(jī)械臂技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種柔性臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

相關(guān)技術(shù)中的柔性臂機(jī)器人根據(jù)整臂構(gòu)型的差異，可分為無(wú)中心支柱型、剛性中心支柱型和柔性中心支柱型三大類。無(wú)中心支柱型的柔性臂多以驅(qū)動(dòng)器為支撐結(jié)構(gòu)，沒(méi)有明顯的用于支撐的中心支柱，多用氣動(dòng)人工肌肉作為驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、彎曲力量大和易于搭建，但控制復(fù)雜；剛性支柱型的柔性臂以剛形體為中心支柱，以具有一到三個(gè)自由度的剛性關(guān)節(jié)為核心，多通過(guò)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)或通過(guò)電機(jī)拉動(dòng)相應(yīng)的柔索驅(qū)動(dòng)，重復(fù)定位高、控制簡(jiǎn)單、剛度大，但整臂顯得過(guò)于笨重，柔性彎曲曲率小；柔性中心支柱型的柔性臂多用氣囊或柔性桿作為中心支柱，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕和彎曲曲率好的優(yōu)點(diǎn)，但剛度略有不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題之一。為此，本發(fā)明提出一種柔性臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)，該柔性臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有剛度大、負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例提出一種柔性臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)，所述柔性臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括：柔性整臂，所述柔性整臂具有驅(qū)動(dòng)端和自由端，所述柔性整臂包括在所述柔性整臂的延伸方向上依次排列的多個(gè)柔性段單元，每個(gè)所述柔性段單元包括：多個(gè)柔性關(guān)節(jié)；多個(gè)剛性薄壁管，多個(gè)所述柔性關(guān)節(jié)和多個(gè)所述剛性薄壁管在所述柔性整臂的延伸方向上交替相連；多個(gè)過(guò)線圓環(huán)，多個(gè)所述過(guò)線圓環(huán)分別設(shè)在相鄰的所述柔性關(guān)節(jié)和所述剛性薄壁管的連接處；多個(gè)繩索，每個(gè)所述柔性段單元的多個(gè)所述繩索沿所述柔性整臂的周向間隔設(shè)置，每個(gè)所述繩索的一端與所在柔性段單元上鄰近所述自由端的過(guò)線圓環(huán)相連；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與所述柔性整臂的驅(qū)動(dòng)端相連，每個(gè)所述繩索的另一端依次穿過(guò)所經(jīng)過(guò)的過(guò)線圓環(huán)與所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)連接。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的柔性臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)，具有剛度大、負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的柔性臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)還可以具有如下附加的技術(shù)特征：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，每個(gè)所述過(guò)線圓環(huán)的端面上設(shè)有沿所述過(guò)線圓環(huán)的周向間隔設(shè)置且適于所述繩索穿過(guò)的過(guò)線孔。這樣便于所述繩索的設(shè)置。

可選地，所述剛性薄壁管和相鄰的所述柔性關(guān)節(jié)中的一個(gè)可插拔地配合在另一個(gè)內(nèi)，所述剛性薄壁管上設(shè)有剛性管銷孔，所述柔性關(guān)節(jié)上設(shè)有柔性關(guān)節(jié)銷孔，所述剛性薄壁管和相鄰的所述柔性關(guān)節(jié)通過(guò)配合在所述剛性管銷孔和所述柔性關(guān)節(jié)銷孔內(nèi)的銷軸連接。這樣便于所述剛性薄壁管和相鄰的所述柔性關(guān)節(jié)的連接。

進(jìn)一步地，每個(gè)所述過(guò)線圓環(huán)的周面上設(shè)有螺紋孔，所述銷軸的一端設(shè)有外螺紋且螺紋配合在所述螺紋孔內(nèi)。這樣便于所述柔性段單元的安裝。

根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例，每個(gè)所述柔性段單元包括四條沿所述柔性整臂的周向間隔設(shè)置的繩索。這樣便于所述繩索在不同方向上對(duì)所述柔性段單元進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

可選地，每個(gè)所述柔性段單元的多個(gè)所述繩索在所述柔性整臂的周向上等間隔設(shè)置。這樣可以使所述柔性段單元的受力更加均勻。

根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例，所述柔性段單元為三個(gè)。這樣便于所述柔性整臂的設(shè)置。

可選地，每個(gè)所述柔性段單元包括五個(gè)剛性薄壁管和五個(gè)柔性關(guān)節(jié)。這樣便于提高所述柔性段單元的強(qiáng)度和剛性。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述驅(qū)動(dòng)裝置包括：支撐板；用于對(duì)所述繩索進(jìn)行導(dǎo)向的繩索引出布置機(jī)構(gòu)，所述繩索引出布置機(jī)構(gòu)設(shè)在所述支撐板上；用于對(duì)所述繩索進(jìn)行預(yù)緊的繩索固定預(yù)緊機(jī)構(gòu)，所述繩索固定預(yù)緊機(jī)構(gòu)設(shè)在所述支撐板上；絲桿推力機(jī)構(gòu)，所述絲桿推力機(jī)構(gòu)設(shè)在所述支撐板上且與所述繩索固定預(yù)緊機(jī)構(gòu)傳動(dòng)連接。這樣便于利用所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)所述柔性整臂進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

進(jìn)一步地，所述支撐板上設(shè)有用于避讓所述繩索的避讓孔。這樣可以保證所述繩索的正常工作。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的柔性臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的柔性臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)的柔性段單元100的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的柔性臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)的柔性段單元100的爆炸圖。

圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的柔性臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)20的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記：柔性臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)1、柔性整臂10、驅(qū)動(dòng)端11、自由端12、柔性段單元100、柔性關(guān)節(jié)110、柔性關(guān)節(jié)銷孔111、剛性薄壁管120、剛性管銷孔121、過(guò)線圓環(huán)130、過(guò)線孔131、螺紋孔132、繩索140、銷軸150、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)20、支撐板200、繩索引出布置機(jī)構(gòu)300、繩索固定預(yù)緊機(jī)構(gòu)400、絲桿推力機(jī)構(gòu)500。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

下面參考附圖描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的柔性臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)1。

如圖1-圖4所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的柔性臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)1包括柔性整臂10和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)20。

柔性整臂10具有驅(qū)動(dòng)端11和自由端12，柔性整臂10包括在柔性整臂10的延伸方向上依次排列的多個(gè)柔性段單元100，每個(gè)柔性段單元100包括多個(gè)柔性關(guān)節(jié)110、多個(gè)剛性薄壁管120、多個(gè)過(guò)線圓環(huán)130和多個(gè)繩索140。多個(gè)柔性關(guān)節(jié)110和多個(gè)剛性薄壁管120在柔性整臂10的延伸方向上交替相連。多個(gè)過(guò)線圓環(huán)130分別設(shè)在相鄰的柔性關(guān)節(jié)110和剛性薄壁管120的連接處。每個(gè)柔性段單元100的多個(gè)繩索140沿柔性整臂10的周向間隔設(shè)置，每個(gè)繩索140的一端與所在柔性段單元100上鄰近自由端12的過(guò)線圓環(huán)130相連。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)20與柔性整臂10的驅(qū)動(dòng)端11相連，每個(gè)繩索140的另一端依次穿過(guò)所經(jīng)過(guò)的過(guò)線圓環(huán)130與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)20傳動(dòng)連接。

具體而言，每個(gè)柔性段單元100均包括多個(gè)繩索140，每個(gè)柔性段單元100均通過(guò)繩索140獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。例如，3個(gè)柔性段單元100具有12個(gè)繩索140。這里需要理解的是，“每個(gè)所述繩索的另一端依次穿過(guò)所經(jīng)過(guò)的過(guò)線圓環(huán)與所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)連接”是指由繩索140的所述一端至驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)20所經(jīng)過(guò)的所有過(guò)線圓環(huán)130。

進(jìn)一步地，通過(guò)利用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)20牽引不同的繩索140，可以使對(duì)應(yīng)的柔性段單元100朝向?qū)?yīng)的位置彎曲，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性整臂10彎曲狀態(tài)的控制。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的柔性臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)1，由于具有長(zhǎng)徑比大、自由度多、動(dòng)作靈活、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，易于在狹窄空間內(nèi)靈活地調(diào)整位姿、擴(kuò)展工作空間、回避障礙物和克服奇異點(diǎn)。在機(jī)械、航天領(lǐng)域，能伸入復(fù)雜的箱體內(nèi)進(jìn)行加工裝配。在錯(cuò)綜交叉的桁架結(jié)構(gòu)中進(jìn)行裝配工作。在飛機(jī)空中對(duì)接加油時(shí)可靈活的將油管迅速的接到需要加油的飛機(jī)上。在核電、化工領(lǐng)域，可在錯(cuò)綜交叉的管道間執(zhí)行檢測(cè)和維護(hù)、可伸入水電站渦輪機(jī)葉片進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。在海底和火山口以及外星球勘探時(shí)，可輕易的從縫隙中鉆入探測(cè)和取樣。若與步行、爬壁機(jī)構(gòu)結(jié)合，則可在大壩、大堤的陡壁上探測(cè)查找蟻穴、風(fēng)化的裂縫等。

并且，由于相關(guān)技術(shù)中柔性臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)，具有無(wú)中心支柱型的柔性臂以驅(qū)動(dòng)器為支撐結(jié)構(gòu)，沒(méi)有明顯的用于支撐的中心支柱，控制復(fù)雜。剛性支柱型的柔性臂以剛形體為中心支柱，以具有一到三個(gè)自由度的剛性關(guān)節(jié)為核心，多通過(guò)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)或通過(guò)電機(jī)拉動(dòng)相應(yīng)的柔索驅(qū)動(dòng)，整臂過(guò)于笨重，柔性彎曲曲率小。柔性中心支柱型的柔性臂用氣囊或柔性桿作為中心支柱，剛度較差。本申請(qǐng)的柔性臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)1具有控制簡(jiǎn)單、整臂質(zhì)量輕，柔性彎曲曲率大、剛度高、整臂直徑大和負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，便于在工業(yè)上進(jìn)行應(yīng)用。

此外，本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于突破傳統(tǒng)柔性中心支柱型柔性臂和剛性中心支柱型柔性臂的界限，依據(jù)已申請(qǐng)的柔性關(guān)節(jié)專利的基礎(chǔ)上，利用柔性關(guān)節(jié)110與剛性薄壁管120交錯(cuò)串聯(lián)形成柔性整臂10，在相關(guān)技術(shù)中柔性支撐型整臂的基礎(chǔ)上創(chuàng)新性的增加剛性支撐，解決了相關(guān)技術(shù)中柔性支撐整臂的直徑小、剛度小、負(fù)載能力小和剛性支撐型整臂自重大的問(wèn)題。柔性臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)1的柔性整臂10通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)20驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)空間三維運(yùn)動(dòng)。在欠驅(qū)動(dòng)控制中，在減少驅(qū)動(dòng)單元的同時(shí)可獲得更加光滑的彎曲輪廓曲線。

因此，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的柔性臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)1具有剛度大、負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

下面參考附圖描述根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施例的柔性臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)1。

在本發(fā)明的一些具體實(shí)施例中，如圖1-圖4所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的柔性臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)1包括柔性整臂10和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)20。

可選地，如圖3所示，每個(gè)過(guò)線圓環(huán)130的端面上設(shè)有沿過(guò)線圓環(huán)130的周向間隔設(shè)置且適于繩索140穿過(guò)的過(guò)線孔131。這樣便于繩索140的設(shè)置，便于繩索140與過(guò)線圓環(huán)130相互配合。

具體地，如圖3所示，剛性薄壁管120和相鄰的柔性關(guān)節(jié)110中的一個(gè)可插拔地配合在另一個(gè)內(nèi)，剛性薄壁管120上設(shè)有剛性管銷孔121，柔性關(guān)節(jié)110上設(shè)有柔性關(guān)節(jié)銷孔111，剛性薄壁管120和相鄰的柔性關(guān)節(jié)110通過(guò)配合在剛性管銷孔121和柔性關(guān)節(jié)銷孔111內(nèi)的銷軸150連接。這樣便于剛性薄壁管120和相鄰的柔性關(guān)節(jié)110的連接，便于剛性薄壁管120和相鄰的柔性關(guān)節(jié)110的定位。

更為具體地，如圖3所示，每個(gè)過(guò)線圓環(huán)130的周面上設(shè)有螺紋孔132，銷軸150的一端設(shè)有外螺紋且螺紋配合在螺紋孔132內(nèi)。具體而言，多個(gè)銷軸150沿過(guò)線圓環(huán)130的周向間隔設(shè)置，且與過(guò)線孔131錯(cuò)開設(shè)置。這樣不僅便于柔性段單元100的安裝，便于提高柔性段單元100的安裝和拆卸效率，便于提高柔性段單元100連接的穩(wěn)定性和可靠性，而且可以避免與過(guò)線孔131發(fā)生干涉。

可選地，每個(gè)柔性段單元100包括四條沿柔性整臂10的周向間隔設(shè)置的繩索140。這樣便于繩索140在不同方向上對(duì)柔性段單元100進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，便于提高柔性段單元100的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

具體地，每個(gè)柔性段單元100的多個(gè)繩索140在柔性整臂10的周向上等間隔設(shè)置。具體而言，多個(gè)繩索140在柔性整臂10的周向上等間隔90度設(shè)置。這樣可以使柔性段單元100的受力更加均勻，進(jìn)一步便于提高柔性段單元100的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

可選地，柔性段單元100為三個(gè)。這樣不僅便于柔性整臂10的設(shè)置，而且便于柔性整臂10的運(yùn)動(dòng)。

具體地，如圖2所示，每個(gè)柔性段單元100包括五個(gè)剛性薄壁管120和五個(gè)柔性關(guān)節(jié)110。這樣不僅便于提高柔性段單元100的彎曲曲率，而且便于提高柔性段單元100的強(qiáng)度和剛性。

可選地，如圖4所示，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)20包括支撐板200、繩索引出布置機(jī)構(gòu)300、繩索固定預(yù)緊機(jī)構(gòu)400和絲桿推力機(jī)構(gòu)500。繩索引出布置機(jī)構(gòu)300用于對(duì)繩索140進(jìn)行導(dǎo)向，繩索引出布置機(jī)構(gòu)300設(shè)在支撐板200上。繩索固定預(yù)緊機(jī)構(gòu)400用于對(duì)繩索140進(jìn)行預(yù)緊，繩索固定預(yù)緊機(jī)構(gòu)400設(shè)在支撐板200上。絲桿推力機(jī)構(gòu)500設(shè)在支撐板200上且與繩索固定預(yù)緊機(jī)構(gòu)400傳動(dòng)連接。這樣便于利用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)20對(duì)柔性整臂10進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

進(jìn)一步地，支撐板200上設(shè)有用于避讓繩索140的所述避讓孔。這樣可以進(jìn)一步便于繩索140的設(shè)置，保證繩索140的正常工作。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的柔性臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)1的其他構(gòu)成以及操作對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言都是已知的，這里不再詳細(xì)描述。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“縱向”、“橫向”、“長(zhǎng)度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”、“順時(shí)針”、“逆時(shí)針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中，除非另有說(shuō)明，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上。

在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。

在本說(shuō)明書的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示意性實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。