CN107717976A - 绳传动象鼻仿生机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开绳传动象鼻仿生机械臂，包含底座、基台、波纹管、扩展台、小齿轮、转臂电机、转轴电机、两个联轴器、五个转台、驱动轴、传动绳、三个锥齿轮、两个转台轴承，底座与基台之间安装有一个转台轴承，相邻的两个转台构成转动副，扩展台与中央锥齿轮之间安装有一个转台轴承，左锥齿轮和右锥齿轮均与中央锥齿轮构成轮齿啮合关系，驱动轴为能传递扭矩的柔性材质，其下端与转轴电机的输出轴连接，其上端与中央锥齿轮连接，扩展台上端面设有六个螺纹孔，可安装不同的执行机构，传动绳一端固定于左锥绳轮，另一端固定于右锥绳轮，并依次缠绕于各转台下端的绳轮上，转臂电机控制所述机械臂的转动，转轴电机控制所述机械臂的弯曲。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械臂，具体涉及的是绳传动象鼻仿生机械臂。
背景技术
大自然一直是人类发明家和工程师们取之不尽、用之不竭的灵感之源。计算机控制的机械臂也越来越复杂和灵巧，逐步开始向伸缩性和柔韧度的方向发展，受生物学启发的机器人研究正如火如荼的开展。
受到章鱼的臂爪、乌贼的触手和大象鼻子的启发，本发明主要是一种相似的柔性连续体机械臂。章鱼在捕食和抓取食物时充分利用了其臂爪所具有的灵活性。但在给它喂食的时候，它能够弯曲触须形成和人手臂类似的关节。而象鼻是大象采食时主要依靠的肢体结构，类似于人的手臂，能够实现多个方向的弯曲，还具有较好的柔性。
德国费斯托(Festo)公司模仿大象鼻子和鱼鳍概念研制了一种利用气体驱动的仿象鼻柔性机械臂。该装置由多个沿着曲线以堆叠的方式布置的操纵组件构成，每个操纵组件又分别包含多个联接板和多个流体腔。
综上所述，目前仿象鼻机械手已经有一些成果，主要采用气动方式实现，由于空气压缩机体积庞大，所以整个系统占地面积大；另外该装置的结构复杂、成本昂贵；还存在气密性等问题，能耗也高。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出绳传动象鼻仿生机械臂，其具有多个自由度，能够向不同方向弯曲，使连接在机械臂末端的工具可以抵达某个空间位置，同时具有自重轻、体积小、结构紧凑和成本低等特点。
本发明所采用的技术方案为：绳传动象鼻仿生机械臂，包含底座、基台、基台齿轮、波纹管、扩展台、小齿轮、转臂电机、第一联轴器、第二联轴器、第一转台、驱动轴、传动绳、第二转台、第三转台、第四转台、第五转台、左锥齿轮、右锥齿轮、第一转台轴承、第二转台轴承、中央锥齿轮、转轴电机，其特征在于：基台上部为圆盘结构，下部为基台齿轮，两者之间通过四个立柱连接为一个整体，底座为上开口的圆柱空腔结构，其顶端与第一转台轴承的内圈通过螺钉紧固连接，第一转台轴承的外圈通过螺钉与基台齿轮底部紧固连接，转轴电机通过螺钉安装于基台齿轮底侧中心位置，底座外侧设有一个电机座，转臂电机与电机座通过螺钉紧固连接，转臂电机输出轴上安装有小齿轮，小齿轮与基台齿轮啮合传动，基台上部的圆盘结构上侧中心位置设有一个空心圆柱结构，所述空心圆柱外侧顶端横向设有两个同轴心的转轴，基台上部的圆盘结构中设有两个圆孔，两个圆孔的位置关于基台的中心对称，基台圆盘结构的下侧面设有一个硬质弯管，弯管将上述两个圆孔连通，波纹管安装于基台和扩展台之间。
进一步的，所述的第一转台中设有两个圆孔，两个圆孔的位置关于第一转台的中心对称，其下部设有两个支腿，两个支腿内侧均设有一个绕绳轮，即第一左绳轮和第一右绳轮，第一转台上部设有一个空心圆柱，空心圆柱外侧顶端设有两个同轴的转轴，第一转台下端的两个绕绳轮与基台上端安装，两者构成转动副，第二转台中设有两个圆孔，两个圆孔的位置关于第二转台的中心对称，其下部设有两个支腿，两个支腿内侧均设有一个绕绳轮，即第二左绳轮和第二右绳轮，第二转台上部设有一个空心圆柱，空心圆柱外侧顶端设有两个同轴的转轴，第二转台下端的两个绕绳轮与第一转台上端安装，两者构成转动副，第三转台中设有两个圆孔，两个圆孔的位置关于第三转台的中心对称，其下部设有两个支腿，两个支腿内侧均设有一个绕绳轮，即第三左绳轮和第三右绳轮，第三转台上部设有一个空心圆柱，空心圆柱外侧顶端设有两个同轴的转轴，第三转台下端的两个绕绳轮与第二转台上端安装，两者构成转动副，第四转台中设有两个圆孔，两个圆孔的位置关于第四转台的中心对称，其下部设有两个支腿，两个支腿内侧均设有一个绕绳轮，即第四左绳轮和第四右绳轮，第四转台上部设有一个空心圆柱，空心圆柱外侧顶端设有两个同轴的转轴，第四转台下端的两个绕绳轮与第三转台上端安装，两者构成转动副。
进一步的，所述的第五转台上设有两个弯曲方向相反的硬质导绳管，即左导绳管和右导绳管，其下部设有两个支腿，两个支腿内侧均设有一个绕绳轮，即第五左绳轮和第五右绳轮，第五转台下端的两个绕绳轮与第四转台上端安装，两者构成转动副。
进一步的，所述的扩展台为下开口的圆柱空腔结构，第二转台轴承的外圈通过螺钉与该空腔结构上底部紧固连接，第二转台轴承的内圈通过螺钉与中央锥齿轮的上侧面紧固连接，扩展台内壁同轴安装有两个锥齿轮，即左锥齿轮和右锥齿轮，两者均与扩展台构成转动副，且均与中央锥齿轮啮合传动，在左锥齿轮和右锥齿轮的小端处均设有一个绕绳卷筒，即左锥绳轮和右锥绳轮，扩展台下端与第五转台通过螺钉紧固连接，扩展台外侧上端面设有六个螺纹孔，可安装不同的执行机构。
进一步的，所述的驱动轴为能传递扭矩的柔性材质，其下端通过第一联轴器与转轴电机的输出轴连接，其上端通过第二联轴器与中央锥齿轮连接。
进一步的，所述的传动绳为不可伸缩的材质，其一端紧固并缠绕于左锥绳轮，另一端穿过左导绳管后缠绕于第五右绳轮，再穿过第四转台缠绕于第四右绳轮，再穿过第三转台缠绕于第三右绳轮，再穿过第二转台缠绕于第二右绳轮，再穿过第一转台缠绕于第一右绳轮，再穿过第一转台通过弯管后缠绕于第一左绳轮，再穿过第一转台缠绕于第二左绳轮，再穿过第二转台缠绕于第三左绳轮，再穿过第三转台缠绕于第四左绳轮，再穿过第四转台缠绕于第五左绳轮，再穿过右导绳管缠绕并紧固于右锥绳轮。
附图说明
图1为本发明外观整体示意图。
图2为本发明的内部结构示意图。
图3为本发明扩展台部分的局部剖面示意图。
图4为本发明底座部分的局部剖面示意图。
图5为本发明发生弯曲动作时的一个状态示意图。
附图标号：1底座、1.1电机座、2基台、2.1立柱、2.2弯管、2.3基台齿轮、3波纹管、4扩展台、5小齿轮、6转臂电机、7第一联轴器、8第一转台、8.1第一右绳轮、8.2第一左绳轮、9驱动轴、10传动绳、11第二转台、11.1第二右绳轮、11.2第二左绳轮、12第三转台、12.1第三右绳轮、12.2第三左绳轮、13第四转台、13.1第四右绳轮、13.2第四左绳轮、14第五转台、14.1第五右绳轮、14.2第五左绳轮、14.3右导绳管、14.4左导绳管、15右锥齿轮、15.1右锥绳轮、16第二转台轴承、17中央锥齿轮、18第二联轴器、19左锥齿轮、19.1左锥绳轮、20第一转台轴承、21转轴电机。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
绳传动象鼻仿生机械臂，包含底座1、基台2、基台齿轮2.3、波纹管3、扩展台4、小齿轮5、转臂电机6、第一联轴器7、第二联轴器18、第一转台8、驱动轴9、传动绳10、第二转台11、第三转台12、第四转台13、第五转台14、左锥齿轮19、右锥齿轮15、第一转台轴承20、第二转台轴承16、中央锥齿轮17、转轴电机21，其特征在于：基台2上部为圆盘结构，下部为基台齿轮2.3，两者之间通过四个立柱2.1连接为一个整体，底座1为上开口的圆柱空腔结构，其顶端与第一转台轴承20的内圈通过螺钉紧固连接，第一转台轴承20的外圈通过螺钉与基台齿轮2.3底部紧固连接，转轴电机21通过螺钉安装于基台齿轮2.3底侧中心位置，底座1外侧设有一个电机座1.1，转臂电机6与电机座1.1通过螺钉紧固连接，转臂电机6输出轴上安装有小齿轮5，小齿轮5与基台齿轮2.3啮合传动，基台2上部的圆盘结构上侧中心位置设有一个空心圆柱结构，所述空心圆柱外侧顶端横向设有两个同轴心的转轴，基台2上部的圆盘结构中设有两个圆孔，两个圆孔的位置关于基台2的中心对称，基台圆盘结构的下侧面设有一个硬质弯管2.2，弯管将上述两个圆孔连通，波纹管3安装于基台2和扩展台4之间。
所述的第一转台8中设有两个圆孔，两个圆孔的位置关于第一转台的中心对称，其下部设有两个支腿，两个支腿内侧均设有一个绕绳轮，即第一左绳轮8.2和第一右绳轮8.1，第一转台8上部设有一个空心圆柱，空心圆柱外侧顶端设有两个同轴的转轴，第一转台8下端的两个绕绳轮与基台2上端安装，两者构成转动副，第二转台11中设有两个圆孔，两个圆孔的位置关于第二转台11的中心对称，其下部设有两个支腿，两个支腿内侧均设有一个绕绳轮，即第二左绳轮11.2和第二右绳轮11.1，第二转台11上部设有一个空心圆柱，空心圆柱外侧顶端设有两个同轴的转轴，第二转台11下端的两个绕绳轮与第一转台8上端安装，两者构成转动副，第三转台12中设有两个圆孔，两个圆孔的位置关于第三转台12的中心对称，其下部设有两个支腿，两个支腿内侧均设有一个绕绳轮，即第三左绳轮12.2和第三右绳轮12.1，第三转台12上部设有一个空心圆柱，空心圆柱外侧顶端设有两个同轴的转轴，第三转台12下端的两个绕绳轮与第二转台11上端安装，两者构成转动副，第四转台13中设有两个圆孔，两个圆孔的位置关于第四转台13的中心对称，其下部设有两个支腿，两个支腿内侧均设有一个绕绳轮，即第四左绳轮13.2和第四右绳轮13.1，第四转台13上部设有一个空心圆柱，空心圆柱外侧顶端设有两个同轴的转轴，第四转台13下端的两个绕绳轮与第三转台12上端安装，两者构成转动副。
所述的第五转台14上设有两个弯曲方向相反的硬质导绳管，即左导绳管14.4和右导绳管14.3，其下部设有两个支腿，两个支腿内侧均设有一个绕绳轮，即第五左绳轮14.2和第五右绳轮14.1，第五转台14下端的两个绕绳轮与第四转台13上端安装，两者构成转动副。
所述的扩展台4为下开口的圆柱空腔结构，第二转台轴承16的外圈通过螺钉与该空腔结构上底部紧固连接，第二转台轴承16的内圈通过螺钉与中央锥齿轮17的上侧面紧固连接，扩展台4内壁同轴安装有两个锥齿轮，即左锥齿轮19和右锥齿轮15，两者均与扩展台4构成转动副，且均与中央锥齿轮17啮合传动，在左锥齿轮19和右锥齿轮15的小端处均设有一个绕绳卷筒，即左锥绳轮19.1和右锥绳轮15.1，扩展台4下端与第五转台14通过螺钉紧固连接，扩展台4外侧上端面设有六个螺纹孔，可安装不同的执行机构。
所述的驱动轴9为能传递扭矩的柔性材质，其下端通过第一联轴器7与转轴电机21的输出轴连接，其上端通过第二联轴器18与中央锥齿轮17连接。
所述的传动绳10为不可伸缩的材质，其一端紧固并缠绕于左锥绳轮19.1，另一端穿过左导绳管14.4后缠绕于第五右绳轮14.1，再穿过第四转台13缠绕于第四右绳轮13.1，再穿过第三转台12缠绕于第三右绳轮12.1，再穿过第二转台11缠绕于第二右绳轮11.1，再穿过第一转台8缠绕于第一右绳轮8.1，再穿过第一转台8通过弯管2.2后缠绕于第一左绳轮8.2，再穿过第一转台8缠绕于第二左绳轮11.2，再穿过第二转台11缠绕于第三左绳轮12.2，再穿过第三转台12缠绕于第四左绳轮13.2，再穿过第四转台13缠绕于第五左绳轮14.2，再穿过右导绳管14.3缠绕并紧固于右锥绳轮15.1。
本发明的实施例：
绳传动象鼻仿生机械臂的初始姿态为图1所示，当需要所述绳传动象鼻仿生机械臂向某一方向弯曲时，首先转臂电机6通电，通过小齿轮5与基台齿轮2.3的啮合作用，使所述机械臂转动到合适的位置，然后转轴电机21通电，在转轴电机21的驱动下，驱动轴9发生转动，随之中央锥齿轮17转动，在锥齿轮啮合作用下，左锥齿轮19和右锥齿轮15转动，则左锥绳轮19.1和右锥绳轮15.1中，一个缠绕传动绳10，另一个释放传动绳10，所述绳传动象鼻仿生机械臂发生弯曲动作，如图5所示；转轴电机21反向转动时，所述绳传动象鼻仿生机械臂向相反方向发生弯曲动作。
Claims (6)
1.绳传动象鼻仿生机械臂，包含底座(1)、基台(2)、基台齿轮(2.3)、波纹管(3)、扩展台(4)、小齿轮(5)、转臂电机(6)、第一联轴器(7)、第二联轴器(18)、第一转台(8)、驱动轴(9)、传动绳(10)、第二转台(11)、第三转台(12)、第四转台(13)、第五转台(14)、左锥齿轮(19)、右锥齿轮(15)、第一转台轴承(20)、第二转台轴承(16)、中央锥齿轮(17)、转轴电机(21)，其特征在于：基台(2)上部为圆盘结构，下部为基台齿轮(2.3)，两者之间通过四个立柱(2.1)连接为一个整体，底座(1)为上开口的圆柱空腔结构，其顶端与第一转台轴承(20)的内圈通过螺钉紧固连接，第一转台轴承(20)的外圈通过螺钉与基台齿轮(2.3)底部紧固连接，转轴电机(21)通过螺钉安装于基台齿轮(2.3)底侧中心位置，底座(1)外侧设有一个电机座(1.1)，转臂电机(6)与电机座(1.1)通过螺钉紧固连接，转臂电机(6)输出轴上安装有小齿轮(5)，小齿轮(5)与基台齿轮(2.3)啮合传动，基台(2)上部的圆盘结构上侧中心位置设有一个空心圆柱结构，所述空心圆柱外侧顶端横向设有两个同轴心的转轴，基台(2)上部的圆盘结构中设有两个圆孔，两个圆孔的位置关于基台(2)的中心对称，基台圆盘结构的下侧面设有一个硬质弯管(2.2)，弯管将上述两个圆孔连通，波纹管(3)安装于基台(2)和扩展台(4)之间。
2.如权利要求1所述的绳传动象鼻仿生机械臂，其特征在于：所述的第一转台(8)中设有两个圆孔，两个圆孔的位置关于第一转台的中心对称，其下部设有两个支腿，两个支腿内侧均设有一个绕绳轮，即第一左绳轮(8.2)和第一右绳轮(8.1)，第一转台(8)上部设有一个空心圆柱，空心圆柱外侧顶端设有两个同轴的转轴，第一转台(8)下端的两个绕绳轮与基台(2)上端安装，两者构成转动副，第二转台(11)中设有两个圆孔，两个圆孔的位置关于第二转台(11)的中心对称，其下部设有两个支腿，两个支腿内侧均设有一个绕绳轮，即第二左绳轮(11.2)和第二右绳轮(11.1)，第二转台(11)上部设有一个空心圆柱，空心圆柱外侧顶端设有两个同轴的转轴，第二转台(11)下端的两个绕绳轮与第一转台(8)上端安装，两者构成转动副，第三转台(12)中设有两个圆孔，两个圆孔的位置关于第三转台(12)的中心对称，其下部设有两个支腿，两个支腿内侧均设有一个绕绳轮，即第三左绳轮(12.2)和第三右绳轮(12.1)，第三转台(12)上部设有一个空心圆柱，空心圆柱外侧顶端设有两个同轴的转轴，第三转台(12)下端的两个绕绳轮与第二转台(11)上端安装，两者构成转动副，第四转台(13)中设有两个圆孔，两个圆孔的位置关于第四转台(13)的中心对称，其下部设有两个支腿，两个支腿内侧均设有一个绕绳轮，即第四左绳轮(13.2)和第四右绳轮(13.1)，第四转台(13)上部设有一个空心圆柱，空心圆柱外侧顶端设有两个同轴的转轴，第四转台(13)下端的两个绕绳轮与第三转台(12)上端安装，两者构成转动副。
3.如权利要求1所述的绳传动象鼻仿生机械臂，其特征在于：第五转台(14)上设有两个弯曲方向相反的硬质导绳管，即左导绳管(14.4)和右导绳管(14.3)，其下部设有两个支腿，两个支腿内侧均设有一个绕绳轮，即第五左绳轮(14.2)和第五右绳轮(14.1)，第五转台(14)下端的两个绕绳轮与第四转台(13)上端安装，两者构成转动副。
4.如权利要求1所述的绳传动象鼻仿生机械臂，其特征在于：所述的扩展台(4)为下开口的圆柱空腔结构，第二转台轴承(16)的外圈通过螺钉与该空腔结构上底部紧固连接，第二转台轴承(16)的内圈通过螺钉与中央锥齿轮(17)的上侧面紧固连接，扩展台(4)内壁同轴安装有两个锥齿轮，即左锥齿轮(19)和右锥齿轮(15)，两者均与扩展台(4)构成转动副，且均与中央锥齿轮(17)啮合传动，在左锥齿轮(19)和右锥齿轮(15)的小端处均设有一个绕绳卷筒，即左锥绳轮(19.1)和右锥绳轮(15.1)，扩展台(4)下端与第五转台(14)通过螺钉紧固连接，扩展台(4)外侧上端面设有六个螺纹孔，可安装不同的执行机构。
5.如权利要求1所述的绳传动象鼻仿生机械臂，其特征在于：所述的驱动轴(9)为能传递扭矩的柔性材质，其下端通过第一联轴器(7)与转轴电机(21)的输出轴连接，其上端通过第二联轴器(18)与中央锥齿轮(17)连接。
6.如权利要求1所述的绳传动象鼻仿生机械臂，其特征在于：所述的传动绳(10)为不可伸缩的材质，其一端紧固并缠绕于左锥绳轮(19.1)，另一端穿过左导绳管14.4)后缠绕于第五右绳轮(14.1)，再穿过第四转台(13)缠绕于第四右绳轮(13.1)，再穿过第三转台(12)缠绕于第三右绳轮(12.1)，再穿过第二转台(11)缠绕于第二右绳轮(11.1)，再穿过第一转台(8)缠绕于第一右绳轮(8.1)，再穿过第一转台(8)通过弯管(2.2)后缠绕于第一左绳轮(8.2)，再穿过第一转台(8)缠绕于第二左绳轮(11.2)，再穿过第二转台(11)缠绕于第三左绳轮(12.2)，再穿过第三转台(12)缠绕于第四左绳轮(13.2)，再穿过第四转台(13)缠绕于第五左绳轮(14.2)，再穿过右导绳管(14.3)缠绕并紧固于右锥绳轮(15.1)。
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