申请/专利权人：北京航空航天大学

申请日：2018-04-04

公开（公告）日：2020-10-16

公开（公告）号：CN108527348B

主分类号：B25J9/06(20060101)

分类号：B25J9/06(20060101);B25J9/10(20060101);B25J17/00(20060101)

优先权：

专利状态码：失效-未缴年费专利权终止

法律状态：2022.03.15#未缴年费专利权终止;2018.10.16#实质审查的生效;2018.09.14#公开

摘要：本发明涉及一种多关节机械臂，属于机械臂，解决了现有机械臂体积大，关节数量少，只能进行特定工作的问题。一种多关节机械臂，多关节机械臂的任意相邻的两个关节单元之间通过关节连接，每个关节处均设有牵引线，用来使多关节机械臂弯曲；牵引线穿入牵引线管，牵引线管穿过多关节机械臂的内部，并与动作器相连。本发明使用牵引线和线管结合的方式来带动关节弯曲，避免了近端关节对远端关节引起的附带转动，简化了机械臂的控制算法；采用多个轴向尺寸较小的关节作为臂体，用连接副依次连接各个关节，整个装置体积小，自由度大，灵活性大，可以伸入到传统机械臂无法触及的狭小空间进行作业。

主权项：1.一种多关节机械臂，其特征在于，所述多关节机械臂的任意相邻的两个关节单元1之间通过关节连接，每个关节处均设有牵引线4；所述牵引线4穿入牵引线管5，所述牵引线管5穿过所述多关节机械臂的内部，并与动作器相连；所述机械臂通过牵引线4与牵引线管5的相对运动实现弯曲；牵引线4在牵引线管5内保持松弛状态或紧绷状态；牵引线管5与牵引线管5中的牵引线4同时转动，牵引线4能够在多关节机械臂内旋转；所述牵引线4穿过所述关节单元1的端面和动作器的端面8，且每个关节均设有至少3根牵引线4，并沿周向等距设置；所述牵引线4穿过牵引线管5，所述牵引线管5包括关节单元牵引线管7和动作器牵引线管；所述关节单元1的近端面的内侧设有牵引线固定装置6，所述关节单元1的远端面的内侧设有关节单元牵引线管7，所述关节单元1牵引管向所述关节单元1的内部弯曲，并穿过所述关节单元1的内部，经所述关节单元1的转动叉3中央的通孔进入所述动作器；所述动作器的端面8内侧设有动作器牵引线管；所述动作器包括：端面8，第一固定板9、第二固定板10、第一电机固定板11；所述端面8，第一固定板9、第二固定板10、第一电机固定板11由靠近机械臂至远离机械臂方向依次平行设置，并通过固定管连接固定；所述牵引线管5穿过第一固定板9，并与第二固定板10连接；所述牵引线管5在所述第一固定板9、第二固定板10之间向远离动作器轴线弯曲成弧形，且所述牵引线管5之间通过所述第一固定板9、第二固定板10之间放射形固定的隔板16分隔；所述动作器还包括底板17；所述动作器还包括第二电机固定板12；所述第二电机固定板12平行设置在所述第二固定板10、第一电机固定板11之间，并与所述底板17固定；电机13安装在所述第二电机固定板12远离机械臂的一侧。

全文数据：一种多关节机械臂技术领域[0001]本发明涉及机械臂技术领域，尤其涉及一种多关节机械臂。背景技术[0002]在实际工业工程中，对狭小空间进行作业的任务有很多。尤其在航空航天制造领域，各部件的安装十分紧凑，使得在装配体内部进行探测、装配、焊接、维修等各种作业是十分困难的。比如，飞机机翼箱体中的螺钉发生松动或脱落，产生安全隐患。除此之外，在探险救灾及反恐中也有许多涉及狭小空间的问题。总之，无论是在工业还是生活中，军用还是民用，都需要一种可以适应狭小和危险空间的灵活机械臂。[0003]虽然传统工业机械臂承载较大，但体积大，关节数量少，自由度较低，难以适应复杂多变的狭小空间；而柔性机械臂，虽然可以进入狭小空间，但是只能进行探测等小载荷作业，还无法承受较大载荷。此类传统机械臂的另一个缺点是需要进行特定化生产或编程，只能特定的工作条件，从而在一些需要进入狭小空间内部作业的情况下，这些特定的机械臂便失去了用武之地。发明内容[0004]鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种多关节机械臂，用以解决现有机械臂体积大，关节数量少，只能进行特定工作的问题。[0005]本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：[0006]—种多关节机械臂，多关节机械臂的任意相邻的两个关节单元之间通过关节连接，每个关节处均设有牵引线;牵引线穿入牵引线管，牵引线管穿过多关节机械臂的内部，并与动作器相连;机械臂通过牵引线与牵引线管的相对运动实现弯曲。[0007]关节采用虎克铰或球铰形式;多关节机械臂的根部与动作器通过虎克铰连接，动作器内设置有电动机，电动机牵引牵引线。[0008]虎克铰的十字轴中心为圆环，转动叉分别正交设置被连接的结构上；[0009]关节单元为圆柱形结构，两端面设有正交的转动叉，且转动叉中央均设有通孔。[0010]牵引线穿过关节单元的端面和动作器的端面，且每个关节均设有至少3根牵引线，并沿周向等距设置;牵引线穿过牵引线管，牵引线管包括关节单元牵引线管和动作器牵引线管。[0011]关节单元的近端面的内侧设有牵引线固定装置，关节单元的远端面的内侧设有关节^元牵引线管，关节单元牵引管向关节单元的内部弯曲，并穿过关节单元的内部，经关节单元的转动叉中央的通孔进入动作器;动作器的端面内侧设有动作器牵引线管。[0012]动作器包括:端面，第一固定板、第二固定板、第一电机固定板；[0013]端面，第一固定板、第二固定板、第一电机固定板由靠近机械臂至远离机械臂方向依次平行设置，并通过固定管连接固定。[00M]牵引线管穿过第一固定板，并与第二固定板连接;牵引线管在第一固定板、第二固定板之间向远离动作器轴线弯曲成弧形，且牵引线管之间通过第一固定板、第二固定板之间放射形固定的隔板分隔。[0015]电机的个数与牵引线的根数相同，与牵引线一一对应，每个电机控制一根牵引线，且相互独立;每个电机对应一组传动机构，电机通过传动机构控制牵引线;传动机构包括：传动杆、光杆；[0016]电机输出轴为丝杠，且轴线平行于控制机构的轴线;传动杆设置在电机的输出轴上，并形成丝杠副;光杆平行于电机的输出轴，并对传动杆进行导向，使传动杆沿电机的输出轴平动。[0017]牵引线从牵引线管中穿过，且一端穿过关节单元的近端面，并通过牵引线固定装置与关节单元的近端面固定，另一端穿过第二固定板及传动杆，并在传动杆远离机械臂的一侧与传动杆固定。[0018]动作器还包括底板，端面，第一固定板、第二固定板、第一电机固定板均固定在底板的一侧;底板的另一侧设有滑块和驱动电机;滑块安装在滑轨上;平行滑轨的方向上设有齿条，齿条与滑轨固定;驱动电机与底板固定，且输出轴上设有齿轮，齿轮与齿条啮合。[0019]动作器还包括第二电机固定板;第二电机固定板平行设置在第二固定板、第一电机固定板之间，并与底板固定;电机也可安装在第二电机固定板远离机械臂的一侧。[0020]本发明的有益效果为：[0021]机械臂采用多个轴向尺寸较小的关节作为臂体，用连接副依次连接各个关节。机械臂还使用牵引线和线管结合的方式来带动关节弯曲，避免了近端关节对远端关节引起的附带转动，简化了机械臂的控制算法。其体积小，自由度大，灵活性大，可以伸入到传统机械臂无法触及的狭小空间进行作业。这种设计也解决了柔性机械臂载荷较小的问题。此狭小空间作业机械臂的研制，会给工业生产和生活带来极大的便利。[0022]本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。附图说明[0023]附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。[0024]图1为一种多关节机械臂的整体结构示意图；[0025]图2为一种多关节机械臂的关节局部放大示意图；[0026]图3为一种多关节机械臂的动作器结构示意图；[0027]图4为一种多关节机械臂的传动机构局部放大图；[0028]图5为一种多关节机械臂的底板局部放大图；[0029]附图标记：卜关节单元;2-十字轴;3-转动叉;4-牵引线;5-牵引线管;6-牵引线固定装置;7-关节单元牵引线管;8-端面;9-第一固定板；10-第二固定板；11-第一电机固定板；12-第二电机固定板；13-电机；14_传动杆；15—光杆；16—隔板；17_底板；18—驱动电机；19-齿轮;20-齿条;21-滑轨。具体实施方式[0030]下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。[0031]虽然传统的工业机械臂，如?八仰：、1〇]以、八88、川崎公司所研发生产的的机械臂对于当今的工厂智能化发展起到了巨大的推动作用，减省了劳工成本，生产效率也得到提高，但是此类传统机械臂的缺点是需要进行特定化生产或编程，只能特定的工作条件，从而在一些需要进入狭小空间内部作业的情况下，这些特定的机械臂便失去了用武之地。比如在航空制造这种高度精密化、轻量化的工业领域中，机械装配体安排紧凑。但是，在机翼中有无数的油箱，如果某个油箱发生了漏油等问题，而往往这种问题只是一个螺钉的掉落或者松动引起的，那么作业人员就需要先拆除阻挡通路的其他装配体再去进行检测和维修装配，但这样就会消耗大量时间和精力。[0032]诸如此类的问题严重限制了作业人员的工作效率。并且如果在战争这种争分夺秒的情形下，要对战机内部进行快速的检测与维修，那么这种低效率的维修方式很可能就会导致战局的不利。而由于传统的机械臂臂体较大，自由度数少，难以适应复杂多变的狭小空间，故难以在狭小空间内进行作业。如果可以设计出可以直接进入狭小空间的机械臂而不用拆除飞机上的其余部件，那么航空工业中对于飞机各部位内部进行探测、装配焊接、维修、清洗等各种困难作业任务的效率会得到大幅度提高。[0033]以此为背景，本发明设计一种新式的机械臂，使其在狭小空间内做到顺从环境障碍行动。首先想到的是模拟象鼻的行动方式的软体机器人;然而当进行了更为广泛的调研和交流后，发现柔性的软体机械臂的机构十分复杂，甚至还存在许多技术难题，比如材料属性的选择，运动学和动力学模型的准确建立，运动控制的精确实现等等，而且在工业应用上软体机械臂并不能负载很大的载荷，比如负载重达十几斤的焊枪等作业工具，所以，本发明选择了采用刚体设计。[0034]需要说明的是，下文中近端指的是靠近动作器的一端，远端指的是远离动作器的一端。[0035]本发明通过类似自行车闸线控制各个关节的原理，现有的类似技术都是在各个关节处设置电机和牵引线，但是，随着关节数量增多，远端的电机控制会更加复杂，而且电机本身增加了机械臂的重量，使得机械臂更加难以控制，还减小了机械臂的有效载荷。其他使用线绳穿过关节，电机设置在动作器内的机械手，存在一个明显的问题，就是近端的关节转动时，会增加远端的关节的线绳的长度变化量，关节的转角为〇时，损失为〇，如果绳长大于转角为〇时的绳长，损失为正，反之为负，近端关节的转角会影响远端关节转角所对应的绳长变化量，且为累计的代数加和关系，这就使得这类机器人的数学模型十分复杂，因为不但有复杂的关节相对转角模型，又有为了调和数量众多的各个关节建立的运动耦合模型，以实现较精准的控制，且算法复杂度会随着关节数量的增多而增多。而为了实现更复杂的空间运动和更好的连续程度，这类机器人的关节数会越来越多，也就导致相应的算法和控制难度越来越大。[0036]本发明中，牵引线穿入牵引线管，牵引线管从关节之中穿梭。一方面，线管与之中的钢丝绳同时转动，各关节的钢丝绳不会受比它靠近作动器的关节变化而造成的影响，因为不使用线管时牵引线需要时刻保持拉直状态，而使用线管后，牵引线如果变化可以在线管内保持松弛状态或紧绷状态，故控制各关节的钢丝绳相对长度不会因为其他关节变化；另一方面，牵引线可以在关节臂体内部旋转，使得每组控制关节的三根钢丝绳可以都固定在同一控制角度，使得结构和控制上都实现模块化。这样就大大简化了控制算法，每个关节的控制算法都变得相同简单，并且也能达到与传统蛇形机器人相同的控制效果。[0037]此时控制此关节姿势，即相应虎克铰转角的线绳为穿出线管部分的牵引线，gp转角对应的绳长变化为牵引线相对线管的相对运动。如果线管两头固定，则此相对运动的长度也就对应作动器丝杆滑台的动作距离。这样，远端虎克铰的控制牵引线经过近端虎克较时，其损失的长度也就不会收到影响，或者说经过时并没有之前提到的损失。因此，更加适宜进行模块化设计，只需要根据需求来调整机械臂关节的个数并增加影响的线管和电机即可，控制算法本身的变化不大。[0038]如图1所示，一种多关节机械臂，多关节机械臂的关节处采用虎克铰或球铰连接，且每个关节处均设有牵引线4，通过动作器内的电动机，牵引线4将关节靠近多关节机械臂弯曲内侧的部分拉紧，使多关节机械臂弯曲；牵引线4穿入牵引线管5,牵引线管5穿过多关节机械臂的内部，并与动作器相连。机械臂采用多个轴向尺寸较小的关节作为臂体，用连接副依次连接各个关节。其体积小，自由度大，灵活性大，可以伸入到传统机械臂无法触及的狭小空间进行作业。这种设计也解决了柔性机械臂载荷较小的问题。[0039]多关节机械臂设有至少2个关节单元1，本发明实施例中为6个关节单元1，为了具有更多的冗余度，其关节单元1个数通常较多，每一个关节相对前一关节为一刚体的定点运动。刚体定点运动有限位移的不可交换性使得控制机械臂时，相邻关节间相对转角所对应的绳长变化的数学模型较为复杂。任意相邻的两个关节单元1之间通过关节连接，关节采用虎克铰形式；多关节机械臂的根部与动作器通过虎克铰连接，即整个结构包括6个关节。机械臂前端也可通过虎克铰连接机械手，也可直接固定机械手。[0040]如图2所示，虎克铰的十字轴2中心为圆环，关节单元1轴向的中心为通孔，用以布线，穿过虎克铰时，直接从十字轴2中心的圆环穿过，转动叉3分别正交设置被连接的结构上;关节单元1为圆柱形结构，两端面设有正交的转动叉3，且转动叉3中央均设有通孔，通孔用于走线和布线。[0041]牵引线4穿过关节单元1的端面和动作器的端面8通过拉紧牵引线4,使得关节连接的两个关节单元1超牵引线4一侧弯曲，实现机械臂的弯曲。每个关节均设有至少3根牵引线4,并沿周向等距设置，优选为3根，等距设置的牵引线4能够实现关键朝任一方向的弯曲，过多的牵引线4除了增加了整个设备的复杂程度之外，并不会明显的增加整个装置的可操作性;牵引线4穿过牵引线管5,牵引线管5包括关节单元牵引线管7和动作器牵引线管5,牵引线管5用来对牵引线4进行导向，改变牵引线4的走向，同时对牵引线4进行保护，防止牵引线4缠绕或刮断。[0042]关节单元1的近端面的内侧设有牵引线固定装置6,关节单元1的远端面的内侧设有关节单元牵引线管7,关节单元1牵引管向关节单元1的内部弯曲，并穿过关节单元1的内部，经关节单元1的转动叉3中央的通孔进入动作器，实现在关节单元1内部的走线，一来可以通过关节单元1对牵引线4进行保护，二来可以防止外设牵引线4钩挂在其他外物上影响整个装置运转;动作器的端面8内侧设有动作器牵引线管5。[0043]如图3所示，动作器包括:端面8,第一固定板9、第二固定板10、第一电机固定板11;[0044]端面8,第一固定板9、第二固定板10、第一电机固定板11由靠近机械臂至远离机械臂方向依次平行设置，并通过固定管连接固定。端面8用来连接机械臂，第一固定板9和第二固定板10用来固定分隔牵引线管5的隔板16,第二固定板10和第一电机固定板11之间安装传动机构，第一电机固定板11还用来固定电机13。[0045]如图4所示，牵引线管5穿过第一固定板9,并与第二固定板10连接;牵引线管5在第一固定板9、第二固定板1〇之间向远离动作器轴线弯曲成弧形，且牵引线管5之间通过第一固定板9、第二固定板1〇之间放射形固定的隔板16分隔。弯曲的牵引线管5是为了留下伸缩余量，以满足拉伸的需求。电机13的个数与牵引线4的根数相同，与牵引线一一对应，每个电机控制一根牵引线，且相互独立;每个电机13对应一组传动机构，电机通过传动机构控制牵引线;传动机构包括:传动杆14、光杆15;电机13输出轴为丝杠，且轴线平行于控制机构的轴线;传动杆14设置在电机13的输出轴上，并形成丝杠副;光杆15平行于电机13的输出轴，并对传动杆14进行导向，使传动杆14沿电机13的输出轴平动。[0046]牵引线4从牵引线管5中穿过，且一端穿过关节单元1的近端面，并通过牵引线固定装置6与关节单元1的近端面固定，另一端穿过第二固定板10及传动杆14,并在传动杆14远离机械臂的一侧与传动杆14固定。[0047]实际使用时，电机13转动输出轴，由于丝杠副，传动杆14沿电机13输出轴平动，由于牵引线4的一端与传动杆14固定连接，传动杆14拉动牵引线4,牵引线4待动相应的关节弯曲。[0048]如图5所示，动作器还包括底板17,端面8、第一固定板9、第二固定板10、第一电机固定板11均固定在底板17的一侧;底板17的另一侧设有滑块和驱动电机18;滑块安装在滑轨21上;平行滑轨21的方向上设有齿条20,齿条20与滑轨21固定;驱动电机18与底板17固定，且输出轴上设有齿轮19,齿轮19与齿条20啮合。驱动电机18转动，带动齿轮19转动，齿轮19与齿条20啮合，使得驱动电机18沿齿条20方向平移，即动作器的底板17沿滑轨21方向平移。[0049]考虑到当电机13个数较多时，不一定有空间在第一电机固定板11上安装所有的电机13,因此需要设置多层电机13固定板来安装电机13。动作器还包括至少1个第二电机固定板12;第二电机固定板12平行设置在第二固定板10、第一电机固定板11之间，并与底板17固定；电机13也可安装在第二电机固定板I2远离机械臂的一侧。第一电机固定板11与第二电机固定板I2之间、第二电机固定板12与第二固定板10之间，电机13、传动机构的安装方式与不设置第二电机固定板12时，第一电机固定板11和第二固定板10之间的电机13、传动机构的安装方式相同。[0050]综上所述，本发明的实施例提供了一种多关节机械臂，本发明的机械臂采用多个轴向尺寸较小的关节作为臂体，用连接副依次连接各个关节。本发明还使用牵引线和线管结合的方式来带动关节弯曲，避免了近端关节对远端关节引起的附带转动，简化了机械臂的控制算法。其体积小，自由度大，灵活性大，可以伸入到传统机械臂无法触及的狭小空间进行作业。这种设计也解决了柔性机械臂载荷较小的问题。此狭小空间作业机械臂的研制，会给工业生产和生活带来极大的便利。[0051]以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种多关节机械臂，其特征在于，所述多关节机械臂的任意相邻的两个关节单元1之间通过关节连接，每个关节处均设有牵引线4;所述牵引线⑷穿入牵引线管5，所述牵引线管⑸穿过所述多关节机械臂的内部，并与动作器相连;所述机械臂通过牵引线4与牵引线管5的相对运动实现弯曲。2.根据权利要求1所述的多关节机械臂，其特征在于，所述关节采用虎克铰或球铰形式;所述多关节机械臂的根部与动作器通过虎克铰连接，所述动作器内设置有电动机，所述电动机牵引所述牵引线。3.根据权利要求2所述的多关节机械臂，其特征在于，所述虎克铰的十字轴2中心为圆环，转动叉3分别正交设置被连接的结构上；所述关节单元（1为圆柱形结构，两端面设有正交的转动叉3，且转动叉3中央均设有通孔。4.根据权利要求3所述的多关节机械臂，其特征在于，所述牵引线4穿过所述关节单元1的端面和动作器的端面8，且每个关节均设有至少3根牵引线4，并沿周向等距设置;所述牵引线⑷穿过牵引线管5，所述牵引线管⑸包括关节单元牵引线管⑺和动作器牵引线管5;所述关节单元（1的近端面的内侧设有牵引线固定装置6，所述关节单元（1的远端面的内侧设有关节单元牵引线管7，所述关节单元（1牵引管向所述关节单元（1的内部弯曲，并穿过所述关节单元⑴的内部，经所述关节单元1的转动叉3中央的通孔进入所述动作器;所述动作器的端面8内侧设有动作器牵引线管5。5.根据权利要求4所述的多关节机械臂，其特征在于，所述动作器包括:端面8，第一固定板9、第二固定板10、第一电机固定板11;所述端面8，第一固定板9、第二固定板（1〇、第一电机固定板11由靠近机械臂至远离机械臂方向依次平行设置，并通过固定管连接固定。6.根据权利要求5所述的多关节机械臂，其特征在于，所述牵引线管5穿过第一固定板9，并与第二固定板（10连接;所述牵引线管（5在所述第一固定板9、第二固定板10之间向远离动作器轴线弯曲成弧形，且所述牵引线管（5之间通过所述第一固定板9、第二固定板10之间放射形固定的隔板16分隔。7.根据权利要求6所述的多关节机械臂，其特征在于，所述电机（13的个数与牵引线⑷的根数相同，与牵引线⑷一一对应，每个电机控制一根牵引线⑷，且相互独立;每个所述电机（13对应一组传动机构，电机（13通过传动机构控制牵引线4;所述传动机构包括:传动杆14和光杆15;所述电机（13输出轴为丝杠，且轴线平行于控制机构的轴线;所述传动杆（14设置在所述电机13的输出轴上，并形成丝杠副;所述光杆15平行于所述电机13的输出轴，并对所述传动杆14进行导向，使传动杆14沿所述电机13的输出轴平动。8.根据权利要求7所述的多关节机械臂，其特征在于，所述牵引线4从所述牵引线管5中穿过，且一端穿过所述关节单元⑴的近端面，并通过牵引线固定装置6与关节单元1的近端面固定，另一端穿过第二固定板10及传动杆14，并在所述传动杆14远离机械臂的一侧与传动杆14固定。9.根据权利要求8所述的多关节机械臂，其特征在于，所述动作器还包括底板（17，所述端面⑻，第一固定板⑼、第二固定板10、第一电机固定板11均固定在底极17的〜侧;所述底板17的另一侧设有滑块和驱动电机18;所述滑块安装在滑轨21上;平行所述滑轨21的方向上设有齿条20，所述齿条20与滑轨21固定；所述驱动电机（18与所述底板17固定，且输出轴上设有齿轮19，所述齿轮19与齿条2〇唯i合。10.根据权利要求9所述的多关节机械臂，其特征在于，所述动作器还包括第二电机固定板（12;所述第二电机固定板（12平行设置在所述第二固定板（1〇、第一电机固定板11之间，并与所述底板（I7固定;所述电机（13也可安装在所述第二电机固定板（I2远离机械臂的一侧。

百度查询： 北京航空航天大学 一种多关节机械臂

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