[发明专利]一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统

说明书

本发明涉及一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，该系统包括N节机械臂模块，N为大于1的自然数；各单节机械臂模块有3个自由度，分别是2个弯曲自由度以及1个进给自由度，相邻机械臂模块之间嵌套组合在一起，并可进行相对运动。所述的系统还包括机架，第一节机械臂模块安装在机架上并可相对机架向外伸展，其余各节机械臂模块可逐级往外伸展，并可在伸展的过程中实现弯曲运动，所述的机架与第一节机械臂模块之间，以及相邻机械臂模块之间设有进给机构，实现进给运动。与现有技术相比，本发明具有运动能力强、可在复杂的狭小空间工作，负载较高，精度高等优点。

技术领域

本发明属于工业机器人领域，具体涉及一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统

背景技术

现代的工业领域中经常需要在人无法进入的复杂狭小空间里完成一些异物探查、维修装配、缺陷探伤等操作任务。在该领域内，英国的OC Robotics公司所开发的刚性结构体的冗余机械臂已经在商业飞机的装配中得到应用；德国Festo气动元件公司推出的全柔性气动冗余操作臂也将投入工业应用；而一些工业内窥镜早就在工业中得到广泛应用。但是由于自身的一些限制，上述几种机械臂都有一定的局限性，诸如OC Robotics公司的机械臂为基于刚性结构体的冗余机械臂，由于其结构的特点以及驱动方式上的缺陷，使得机械臂构节间的运动能力有限，很难在复杂的狭小空间里工作；全柔性气动冗余操作臂则因其全柔性的材料特点，负载较低，且气体驱动的控制精度也比较低；而工业内窥镜多为被动产品，即使有主动驱动的部件，也只有1至2个可控关节，缺乏完整探索结构复杂的深腔的能力，更不可能实现力负载的工作。因此，针对在狭小空间进行一定力负载操作的柔性机械臂的研究具有极高的意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种运动能力强、可在复杂的狭小空间工作，负载较高，精度高的模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种模块化高冗余多自由度柔性机械臂系统，其特征在于，该系统包括N节机械臂模块，N为大于1的自然数；各单节机械臂模块有3个自由度，分别是2个弯曲自由度以及1个进给自由度，相邻机械臂模块之间嵌套组合在一起，并可进行相对运动。

所述的机械臂模块包括驱动机构和功能执行机构，所述的驱动机构和功能执行机构通过4个相隔90°布置的方键连接。方键从驱动机构固定板上面的T型槽插入，插至功能执行机构固定板的T型槽。驱动机构固定板上的4个T型槽与功能执行机构固定板上的4个T型槽均为周向相隔90°布置。

所述的驱动机构包括固定板、4个电机驱动单元、4个直线轴承、传动螺母、电机b、丝杠b、驱动杆和圆弧片；所述的直线轴承与机架中的导向光轴配合，使得机械臂模块能够沿导向光轴滑动，所述的电机驱动单元是推拉驱动杆的装置，4个电机驱动单元相隔90°分布在一个圆上，相隔180°的两个电机驱动单元协同驱动，一个推驱动杆，一个拉驱动杆，运动量相等，所述的圆弧片为四分之一圆弧，4片圆弧片连接成一个完整的圆片，每两个圆片距离5-20mm，防止驱动杆运动过程中受压失稳，所述的电机b带动丝杠b转动，丝杠b与下一节机械臂模块上的传动螺母配合，实现下一节机械臂模块的整体直线进给运动。

所述的系统还包括机架，第一节机械臂模块安装在机架上并可相对机架向外伸展，其余各节机械臂模块可逐级往外伸展，并可在伸展的过程中实现弯曲运动，所述的机架与第一节机械臂模块之间，以及相邻机械臂模块之间设有进给机构，实现进给运动。

所述的机架包括框架以及固定支架，框架的前端板和后端板上固定4根导向光轴，为机械臂模块进给运动导向；前端板上固定第一节机械臂模块的进给机构，实现第一节机械臂模块的整体直线进给运动，第一节机械臂模块的功能执行机构由前端板上的孔伸出。

所述的进给机构包括电机a、联轴器a、锥齿轮、联轴器b和丝杠a，所述的电机a通过联轴器a驱动一对锥齿轮，锥齿轮的转动通过联轴器b转换成丝杠a的转动，丝杠a与第一节机械臂模块相配合，实现第一节机械臂模块整体直线进给运动。