[发明专利]一种模块化便拆卸蛇形机械臂

说明书

本发明涉及一种模块化便拆卸蛇形机械臂，包括基座和手臂部分，基座部分由多块驱动单元插入卡槽底座构成，为牵引绳提供动力，间接驱动手臂部分，驱动单元与卡槽底座的插拔式设计便于安装和拆卸。驱动单元由上、下层板构成，上层版固结驱动零部件，下层板与卡槽底座固定，通过旋转使上、下层板分离，提供充足空间以应对任意驱动零部件的检查、维修和替换。手臂部分由分体式连杆和万向节级联构成，分体式连杆设计不仅简化了原本复杂的布线操作，而且可以对手臂部分进行变长度、变刚度的调整。基座部分和手臂部分的重新设计，解决了传统一体式蛇形机械臂的体积大、重量大、难维修、难运输的问题，还有效的提高了蛇形机械臂在不同环境中的灵活性与适应性。

技术领域

本发明涉及机器人研究与工程领域，具体是指一种新型蛇形机械臂，具有易于系统搭建、关节维修、远距离运输特点的蛇形机械臂。

技术背景

目前，高端装备制造业在提速，这对面向狭小空间作业的特种机器人提出了新的要求，蛇形机械臂由于具有多自由度和细长的结构特点，非常适用在核设备、航空设备、管道等受限环境下进行装配和检测。因其具有较强的避障和深腔探测的能力，引发大量的学者、研究机构的广泛关注。相比于传统工业机械臂，蛇形机械臂将驱动设备集中布置在驱动基座，这样有效减轻机械臂的重量，另一方面通过结构优化，可以使其拥有更多的自由度和弯曲角度，提升其运动灵活性。综上所述，蛇形机械臂在工业领域有巨大的应用需求和发展前景。

蛇形机械臂主要采用牵引绳驱动，目前见到的绳驱式蛇形机械臂结构大部分为基座-手臂式结构(如图4)。基座部分(如图1-1、1-2)包括直流电机Ⅰ、传动丝杆组Ⅱ，是手臂部分动力来源。手臂部分(图2-2)采用刚性连杆(图2-1)通过万向节连接构成，细长的手臂结构是为了穿越狭窄、危险的空间进行工作，是需要控制的对象。

传动丝杆组设计为滚珠丝杆1、直线导轨2、运动滑块3与绳缆固定块4，传动丝杆组Ⅱ将直流电机Ⅰ的旋转运动转化为绳缆固定块4的平移运动，牵引绳的一端5采用锁线机构固定在绳缆固定块4上，由绳缆固定块带动牵引绳做前后平移。

控制方式采用传统的控制方法，牵引绳的另一端穿过过线孔6进入手臂部分，采用锁线机构固定在手臂部分的刚性连杆布线盘7(如图3)上，3根均匀分布的一组牵引绳A_1、A_2、A_3，用锁线器结构固定在布线盘7上，通过3根牵引绳回拉、放松的耦合关系控制第一个关节A的转动，同理，牵引绳B_1、B_2、B_3控制第二个关节B转动。

如图4所示，Ⅲ为蛇形机械臂的基座部分：为24个直流电机与传动丝杆组圆环布置在圆盘底座上，驱动24根牵引绳独立运动。Ⅳ为手臂部分：为8个刚性连杆(图2-1)通过万向节连接构成。相邻的两个连杆构成一个单元，所有牵引绳穿过靠近基座端的第一个单元，后续依次减少三根牵引绳穿过剩余的单元。由于3根牵引绳作用于一个连杆并带动与其相连的关节转动，一个关节具有俯仰、偏航两个自由度，所以该样机可实现8关节、16自由度手臂灵活运动。

以上所描述的传统蛇形机械臂存在以下缺点

如图1-1、1-2所示，直流电机Ⅰ、传动丝杆组Ⅱ安装过程复杂，圆环式空间布置造成零件间距太小(图4-Ⅲ)，几乎没有空间用于维修和检查零件。

直流电机、传动丝杆组固定于圆盘底座的方式均采用螺丝刚性固定(图1-2)，因为安装和拆卸极为不便，所以对蛇形机械臂只能整体进行搬运，容易因碰撞造成结构损伤或者零部件脱落等问题，减小了蛇形机械臂的实际应用性。

传统刚性连杆布线盘(如图3中7所示)穿绳孔小而且密集，穿绳布线操作速度缓慢、效率低下。传统蛇形机械臂手臂部分刚性连杆(图2-1)长度固定，无法根据不同环境调整手臂部分长度，限制了蛇形机械臂的应用场景。

发明内容

针对以上存在的问题，本发明提供一种新型蛇形机械臂，在具备灵活运动能力的同时，实现模块化、轻量化结构设计，解决目前传统蛇形机械臂的装配过程繁琐、维修复杂、难以远距离运输、应用场景单一等问题。