專利名稱：無關(guān)節(jié)機械臂和無關(guān)節(jié)機器蛇的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無關(guān)節(jié)機械臂和無關(guān)節(jié)機器蛇，特別是適用于水下、地下管道、廢墟搜救、排除爆炸物等狹窄空間環(huán)境作業(yè)的無關(guān)節(jié)機械臂和無關(guān)節(jié)機器蛇。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的柔性機械臂主要是由多個相同的模塊(或桿件)通過之間的活動關(guān)節(jié)串接 組成，每一模塊(或桿件)均具有獨立的驅(qū)動機構(gòu)，柔性機械臂的一個前端部模塊安裝在基 座上，通過控制各個活動關(guān)節(jié)的運動，使得活動關(guān)節(jié)連接的兩相鄰模塊(或桿件)之間發(fā)生 相對位置姿態(tài)有序的相對擺動變化，將柔性機械臂另一端上連接的機械手或操作器支撐送 到目標(biāo)位置，完成機械臂的作業(yè)。同樣，現(xiàn)有機器蛇也是由多個相同的模塊(或桿件)通過 之間的活動關(guān)節(jié)串接組成，每一模塊(或桿件)均具有獨立的驅(qū)動機構(gòu)，通過控制各個活動 關(guān)節(jié)的運動，使得各活動關(guān)節(jié)連接的兩相鄰模塊(或桿件)之間發(fā)生相對位置姿態(tài)有序的 相對擺動變化，從而使整個機器蛇的機體發(fā)生類似動物蛇行走時的連續(xù)變形運動，使它與 地面(或其他攀附物)因摩擦力等相互作用而產(chǎn)生行走運動。上述現(xiàn)有的柔性機械臂和機器蛇是由許多模塊組成，并且在模塊與模塊之間由活 動關(guān)節(jié)依次串接而成，每一模塊均要求有獨立的驅(qū)動機構(gòu)，其構(gòu)件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本 高，加上多關(guān)節(jié)的控制也很困難，這些因素影響了機器蛇和柔性機械臂的制作和應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種無關(guān)節(jié)機械臂和無關(guān)節(jié)機器蛇，它是由驅(qū)動控制部和可 變形機體兩部分組成。在驅(qū)動控制部的驅(qū)動下，可變形機體發(fā)生彎曲等變化運動，無關(guān)節(jié)機 械臂可變形機體發(fā)生彎曲變化運動，可變形機體的一端相對固定，就可把另一端連接的機 械手或操作器支撐送達到目標(biāo)位置，完成機械臂的作業(yè)。無關(guān)節(jié)機器蛇可變形機體發(fā)生彎 曲等類似動物蛇行走時連續(xù)的變形運動，使它與地面或其他攀附物因摩擦力等的相互作用 而產(chǎn)生行走運動，從而完成無關(guān)節(jié)機械臂和無關(guān)節(jié)機器蛇的運動要求。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種無關(guān)節(jié)機械臂，由驅(qū)動裝置、可變形機體、機械手組成，其特征是可變形機體 由軟管和穿入軟管的內(nèi)孔中的彈簧桿組成，彈簧桿的前端分別與驅(qū)動裝置的輸出轉(zhuǎn)軸相連 接，而其后端與機械手相連接?！N無關(guān)節(jié)機器蛇，由驅(qū)動裝置和可變形機體組成，其特征是可變形機體由軟管 和穿入軟管的內(nèi)孔中的彈簧桿組成，彈簧桿的前端分別與驅(qū)動裝置的輸出軸相連接。所述彈簧桿是用彈性材料彎曲制做成的曲線桿件，該彈簧桿的形狀與無關(guān)節(jié)機械 臂和無關(guān)節(jié)機器蛇的運動要求相適應(yīng)。所述可變形機體是包括兩根或多根前端與驅(qū)動裝置的輸出軸相連接的彈簧桿。所述彈簧桿是空心管形、螺旋管形。
所述軟管是柔性管或可彎曲的彈性管。
所述軟管是螺旋線管、彈性材料編織或焊接成網(wǎng)狀的彈性空心管。所述軟管是彈性空心管或是彈性空心管和一根彈簧桿的組合。所述軟管是一根完整的長管，或是多根短管續(xù)接而成。所述軟管是剛性短管或剛性套環(huán)。所述驅(qū)動裝置由機殼、驅(qū)動電動機、蝸桿、兩個蝸輪及兩個連軸器構(gòu)成。本發(fā)明的有利效果是與現(xiàn)有柔性機械臂和機器蛇的多個模塊、多個關(guān)節(jié)、多個驅(qū) 動裝置的復(fù)雜結(jié)構(gòu)比較，本發(fā)明所述無關(guān)節(jié)機械臂和無關(guān)節(jié)機械蛇的結(jié)構(gòu)簡單、部件少，尺 寸小，降低了生產(chǎn)成本，能適應(yīng)更為狹小空間環(huán)境處工作。


圖1為本發(fā)明典型實施例無關(guān)節(jié)機械臂的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1的A局部放大圖；圖3為圖2的B-B剖面圖；圖4為無關(guān)節(jié)機械臂運動軌跡示意圖；圖5為本發(fā)明典型實施例無關(guān)節(jié)機械蛇的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為圖5的A局部放大圖；圖7為圖6的B-B剖面圖。
具體實施例方式本發(fā)明的一種實施例主要由驅(qū)動裝置4、可變形機體5及機械手6構(gòu)成。如圖1-圖 4，其中本發(fā)明的可變形機體5由軟管3和穿入軟管3的內(nèi)孔中的彈簧桿1、2組成，在驅(qū) 動裝置的機殼40固定的情況下，無關(guān)節(jié)機械臂完成把機械手6或操作器支撐送達到目標(biāo)位 置的作業(yè)。其中圖1中，彈簧桿1、2由彈簧材料彎制成螺旋線形狀，它們的材料、螺距、直徑、長度
相同，左右旋向相反，這里螺旋線的螺距大于直徑。制作彈簧桿的材料的截面形狀可以是圓形，也可是其他形狀，也可以是空心管形 或彈簧材料繞制的螺旋管形。用空心管形、螺旋管形制作的彈簧桿可以兼作軟管3，例如彈 簧桿1用彈簧鋼絲彎制成左螺旋線形狀的曲桿，彈簧桿2用彈性空心管彎制成右螺旋線形 狀的曲桿，彈簧桿1穿入彈簧桿2的空心管中，此時彈簧桿2兼作軟管，軟管3可以省略不要。圖1中，軟管3是一根長金屬軟管，其內(nèi)孔同時穿入彈簧桿1、2。彈簧桿1、2在軟 管3的約束作用下，其形狀發(fā)生了不同于自由狀態(tài)的變化，彈簧桿1、2和軟管3共同組成可 變形機體5，其形狀由彈簧桿1、2自由狀態(tài)下的形狀、力學(xué)參數(shù)和相對位置共同決定。軟管3也可以是柔性細長筒、細長袋或彈性軟管制成，例如可以是細長布制袋、細 長織紡物袋、彈性的螺旋彈簧。軟管3也可以是多段短管續(xù)接而成或多段短管時斷時續(xù)間 隔分布而成。每一段短管的長度也可小到短管成為環(huán)套的程度。在時斷時續(xù)間隔分布短管 或環(huán)套的情況下，短管或環(huán)套也可以是剛性材料制成的剛性短管或環(huán)套。 圖1中，驅(qū)動裝置4由機殼40、驅(qū)動電動機41、蝸桿42、兩個蝸輪43、44及兩個連軸器45、46構(gòu)成。機殼40固定，驅(qū)動電動機41連接并帶動蝸桿42轉(zhuǎn)動，蝸桿42與兩個蝸 輪43、44嚙合，蝸輪43、44的軸(即驅(qū)動裝置4的輸出軸)分別經(jīng)兩個連軸器45、46連接 彈簧桿1、2的前端。驅(qū)動電動機41轉(zhuǎn)動時就帶動彈簧桿1、2作扭轉(zhuǎn)運動，彈簧桿1、2和軟 管3共同組成的可變形機體就會發(fā)生周期性形狀變化運動。圖4為無關(guān)節(jié)機械臂形狀的變 化、末端機械手或操作器的運動軌跡圖，其中有機殼固定孔100，機械臂起始位置200，機械 手起始位置300。在無關(guān)節(jié)機械臂中，驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)形式也可以是其他的結(jié)構(gòu)形式；驅(qū)動裝置有 幾個輸出轉(zhuǎn)軸，每個輸出轉(zhuǎn)軸帶動其連接的彈簧桿作扭轉(zhuǎn)運動，簡單的驅(qū)動裝置是每個輸 出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向按固定的傳動比輸出，復(fù)雜的驅(qū)動裝置是每個輸出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向可 以單獨控制輸出。
本發(fā)明另一典型實施例，無關(guān)節(jié)機器蛇主要是由驅(qū)動裝置4和可變形機體5組成， 如圖5-圖7，其中圖5中，由彈簧材料彎曲制作成左螺旋線形狀的彈簧桿1、右螺旋線形狀的彈簧桿 2，彈簧桿1、2穿入軟管3的內(nèi)孔組成可變形機體5。驅(qū)動裝置4由機殼40、驅(qū)動電動機41、 蝸桿42、兩個蝸輪43、44及兩個連軸器45、46構(gòu)成。驅(qū)動電動機41連接并帶動蝸桿42轉(zhuǎn) 動，蝸桿42與兩個蝸輪43、44嚙合，蝸輪43、44的軸(即驅(qū)動裝置4的輸出軸)分別經(jīng)兩 個連軸器45、46連接彈簧桿1、2的前端。驅(qū)動電動機41轉(zhuǎn)動時就帶動彈簧桿1、2作扭轉(zhuǎn) 運動，彈簧桿1、2和軟管3共同組成的可變形機體就發(fā)生類似生物蛇的蜿蜒運動。側(cè)輪47 的作用是減小可變形體與地面的縱向摩擦阻力、同時增大可變形機體與地面的橫向摩擦阻 力。在無關(guān)節(jié)機器蛇中，驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)形式也可以是其他的結(jié)構(gòu)形式；驅(qū)動裝置有 幾個輸出轉(zhuǎn)軸，每個輸出轉(zhuǎn)軸帶動其連接的彈簧桿作扭轉(zhuǎn)運動，簡單的驅(qū)動裝置是每個輸 出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向按固定的傳動比輸出，復(fù)雜的驅(qū)動裝置是每個輸出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向可 以單獨控制輸出。在上述兩個實施例中，制作彈簧桿1、2的材料、制做的形狀和尺寸大小不同，都將 直接影響彈簧桿1、2和軟管3共同組成的可變形機體的形狀。同樣在驅(qū)動裝置4的帶動下 其形狀變化也將不一樣。因此，可通過用不同材料、制作不同形狀或不同尺寸的彈簧桿1、2， 或者驅(qū)動裝置4用不同的轉(zhuǎn)速驅(qū)動彈簧桿1、2作扭轉(zhuǎn)運動，就能使可變形機體的形狀在三 維空間產(chǎn)生復(fù)雜的變化運動，實現(xiàn)要求的運動，譬如模仿蛇的側(cè)行運動等等。
權(quán)利要求
一種無關(guān)節(jié)機械臂，由驅(qū)動裝置(4)、可變形機體(5)、機械手(6)組成，其特征是可變形機體(5)由軟管(3)和穿入軟管(3)的內(nèi)孔中的彈簧桿(1)、(2)組成，彈簧桿(1)、(2)的前端分別與驅(qū)動裝置(4)的輸出轉(zhuǎn)軸相連接，而其后端與機械手(6)相連接。
2.一種無關(guān)節(jié)機器蛇，由驅(qū)動裝置(4)和可變形機體(5)組成，其特征是可變形機體 (5)由軟管(3)和穿入軟管(3)的內(nèi)孔中的彈簧桿(1)、(2)組成，彈簧桿(1)、(2)的前端 分別與驅(qū)動裝置(4)的輸出軸相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的一種無關(guān)節(jié)機械臂和無關(guān)節(jié)機器蛇，其特征是所述彈簧 桿(1)、⑵是用彈性材料彎曲制做成的曲線桿件，該彈簧桿(1)、⑵的形狀與無關(guān)節(jié)機械 臂和無關(guān)節(jié)機器蛇的運動要求相適應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的一種無關(guān)節(jié)機械臂和無關(guān)節(jié)機器蛇，其特征是所述可變 形機體(5)是包括兩根或多根前端與驅(qū)動裝置的輸出軸相連接的彈簧桿。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的一種無關(guān)節(jié)機械臂和無關(guān)節(jié)機器蛇，其特征是所述彈簧 桿(1)、(2)是空心管形、螺旋管形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的一種無關(guān)節(jié)機械臂和無關(guān)節(jié)機器蛇，其特征是所述軟管(3)是柔性管或可彎曲的彈性管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的一種無關(guān)節(jié)機械臂和無關(guān)節(jié)機器蛇，其特征是所述軟管 (3)是螺旋線管、彈性材料編織或焊接成網(wǎng)狀的彈性空心管。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的一種無關(guān)節(jié)機械臂和無關(guān)節(jié)機器蛇，其特征是所述軟管 (3)是彈性空心管(3)或是彈性空心管和一根彈簧桿的組合；或所述軟管(3)是一根完整的長管，或是多根短管續(xù)接而成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種無關(guān)節(jié)機械臂和無關(guān)節(jié)機器蛇，其特征是所述軟管(3) 是剛性短管或剛性套環(huán)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的一種無關(guān)節(jié)機械臂和無關(guān)節(jié)機器蛇，其特征是所述驅(qū) 動裝置(4)由機殼(40)、驅(qū)動電動機(41)、蝸桿(42)、兩個蝸輪(43)、(44)及兩個連軸器 (45)、(46)構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無關(guān)節(jié)機械臂和無關(guān)節(jié)機械蛇，由驅(qū)動裝置和可變形機體構(gòu)成?？勺冃螜C體是由多根預(yù)制彎曲成特定形狀的彈簧桿與軟管組成，彈簧桿穿入軟管內(nèi)，其一端與驅(qū)動裝置的輸出軸相連并在驅(qū)動裝置帶動下作扭轉(zhuǎn)運動，可變形機體的形狀也按預(yù)定規(guī)律變化運動，從而完成無關(guān)節(jié)機械臂和無關(guān)節(jié)機械蛇的運動。與現(xiàn)柔性機械臂和蛇形機械人比較，其結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、生產(chǎn)成本低。
文檔編號B25J11/00GK101863026SQ201010175429
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者王喜 申請人:王喜