[发明专利]一种蛇形机械臂

说明书

技术领域

本发明是一种蛇形机械臂，属于产品的结构技术领域。

背景技术

目前，具有高精度、高重复性的工业机器人已在汽车、电子以及家电等制造领域得到了广泛应用。

但传统的工业机器人由于其高刚度及大结构尺寸的限制，很难应用于极端危险和极限环境作业中，例如核反应堆检查、管道清洗等领域。

作为一种特种机器人，蛇形臂具有长径比大，自由度多，动作灵活，环境适应能力强等优点，易于回避障碍和克服奇异点。因而能够用于各种非结构化狭小封闭空间作业以及高柔性操作等领域。将蛇形臂安装于移动平台（移动机器人）上，可以用于管道检测以及公共场合的安检、排爆；将蛇形臂安装于工业机器人末端可以用于飞机复杂箱体内的加工装配、发动机检测以及飞机壁板的涂胶等。

蛇形臂的种类很多，根据结构类型的不同，蛇形臂可以分为无中心支柱型、柔性中心支柱型以及刚性中心支柱型三类。无中心支柱型的蛇形臂是指没有明显的用于支撑的中心支柱，它多是以驱动器为支撑结构。该类型的蛇形臂多用气动人工肌肉作为驱动。具有结构简单、弯曲力量大以及易于搭建等优点，但相应的控制也较为复杂，形状的保持具有一定的难度；柔性中心支柱型蛇形臂多用气囊或柔性杆作为中心支柱，具有结构简单、体积小、重量轻、刚度适中等优点；以刚形体为中心支柱的蛇形臂，以具有一到三个自由度的刚性关节为核心，多通过电机直接驱动或通过电机拉动相应的柔索驱动。该类型的蛇形臂能够实现较高的重复定位精度，具有控制简单、刚度大、耐用性强以及工作效率高等优点。

国外对蛇形臂的研究起步较早，Ocrobotics研制了一系列的蛇形臂，且已初步用于飞机涡轮发动机检测以及核电站反应堆的检测维修等领域。美国波士顿大学研制了一种用于临床医疗手术的蛇形臂，该蛇形臂有3个空心柔性管嵌套组成，共6个自由度，通过改变每根管子旋转的角度和伸出的距离，就可以改变整个机器人的长度和弯曲度实现机器人形状的控制，进而完成相关的医疗手术。国内开展蛇形臂的研究起步较晚，因此取得的相关研究成果较少。Haiyan Hu和Pengfei Wang等人研制了一种结肠镜蛇形臂。该蛇形臂总长600mm，共分5段，每段具有2个自由度。北京航空航天大学的何俊虎设计了一种用于医疗手术蛇形臂，该机器人总长150mm，共分三段弯曲关节，每段弯曲关节具有2个自由度。

国内外关于蛇形臂的研究已取得了一定的成果，但目前已研制出的蛇形臂机器人主要是针对医疗手术和抓取物体等任务设计的。经对现有技术的文献检索发现，有的蛇形臂将电源及驱动器安装在蛇形臂主体上，增加了蛇形臂主体的重量，使得蛇形臂的承载能力以及灵活性受到极大限制；有的蛇形臂自由度少，系统运动不灵活；有的蛇形臂没有采用导向机构，柔索控制不灵活。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种蛇形机械臂，该种蛇形机械臂以刚性杆为中心支柱，采用柔索驱动且将电源及驱动器安装在蛇形臂基座上，具有结构紧凑、灵活性强且刚度大的优点。在其末端安装不同的执行器或者传感器，可以完成不同的操作任务，例如用于机舱、车厢等非结构狭小空间的检测以及飞机内腔的涂胶、检测、排屑、多余物取出等。

本发明技术方案的具体内容如下：

一种蛇形机械臂，包括由数个杆件(1)串接而成的中心支柱，中心支柱的底部连接起支撑作用的底座，其特征在于：

杆件(1)的顶部为球关节凸面(8)，杆件(1)的底部为球关节凹面(7)，沿杆件(1)的中轴线加工有用于减重的通孔(22)，在杆件(1)的球关节凸面(8)和球关节凹面(7)周围的上、下底面之间，沿轴向加工有均匀排列的柔索通孔(9)；

中心支柱的最下端的杆件(1)与基座(2)连接，基座(2)的顶部为基座球关节凸面(20)与杆件(1)的球关节凹面(7)连接，基座(2)的基座球关节凸面(20)的周围加工有与杆件(1)上的柔索通孔(9)相对应的基座柔索通孔(21)；

基座(2)底部与底座的上端盖(3)的上表面连接，底座的上端盖(3)的下表面上设置有导向滑轮(10)，导向滑轮(10)与穿过底座的上端盖(3)的柔索(6)的位置相对应，每一根柔索(6)经过两个径向排列的导向滑轮(10)；