申请/专利权人：西南科技大学

申请日：2022-06-30

公开（公告）日：2024-04-09

公开（公告）号：CN114986533B

主分类号：B25J11/00

分类号：B25J11/00;B25J9/10

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.09#授权;2022.09.20#实质审查的生效;2022.09.02#公开

摘要：本发明公开了一种仿象鼻的柔性机械臂及其应用，属于仿生机械领域，目的在于解决传统刚性机械臂将驱动电机安装于臂身上，在增加手臂重量的同时，使得手臂内部留有空腔，还需考虑水压对手臂壳体的挤压影响的问题。发明人首先对柔性臂机械系统进行了整体的结构设计；再确定出适合的手臂关节类型与尺寸；发明人对电机输出轴与通讯接口处进行水密封设计，从而适应于水下工作环境；对驱动系统创新设计，减少驱动电机数量，从而获得更加紧凑的机身机构和更轻的机身重量。

主权项：1.一种仿象鼻的柔性机械臂，包括执行单元、支撑单元、驱动单元、连接组件、刚性组件、抓取单元；所述执行单元包括工作端板、执行关节组件、固定端板、万向节，所述工作端板、执行关节组件、固定端板通过万向节依次相连并构成执行单元；所述执行关节组件为N个，N为自然数且N≥2；每个执行关节组件由M个柔性臂关节构成，M为自然数且M≥1；所述工作端板朝向固定端板的一侧设置有两个第一关节底座，所述第一关节底座相互平行设置，所述第一关节底座上设置有第一螺纹通孔，位于工作端板上的两个第一螺纹通孔采用同轴线设计；将柔性臂关节的一面记为第一连接面，将柔性臂关节上与第一连接面相平行的一面记为第二连接面；所述第一连接面上、第二连接面上分别设置有两个第二关节底座，所述第二关节底座上设置有第二螺纹通孔；单个柔性臂关节上，位于第一连接面上的两个第二关节底座上的第二螺纹通孔采用同轴线设计，位于第二连接面上的两个第二关节底座上的第二螺纹通孔采用同轴线设计，将第一连接面上的第二关节底座上第二螺纹通孔的轴线在第一连接面上的投影记为第一投影线，将第二连接面上的第二关节底座上第二螺纹通孔的轴线在第一连接面上的投影记为第二投影线，所述第一投影线与第二投影线所呈的夹角为90°；所述固定端板朝向工作端板的一侧设置有两个第三关节底座，所述第三关节底座相互平行，所述第三关节底座上设置有第三螺纹通孔，位于固定端板上的两个第三螺纹通孔采用同轴线设计；所述工作端板与相邻的柔性臂关节之间通过一个万向节与第一关节底座、第二关节底座的配合实现二自由度的转动连接，相邻两个柔性臂关节之间通过一个万向节与第二关节底座的配合实现二自由度的转动连接，所述固定端板与相邻的柔性臂关节之间通过一个万向节与第二关节底座、第三关节底座的配合实现二自由度的转动连接；所述支撑单元包括电机箱体、密封板、连接电缆、水密插头、第一支座、第二支座、基线箱座，所述电机箱体呈两端开口的中空腔体，所述密封板分别设置在电机箱体的两端开口上且电机箱体与密封板构成驱动控制箱；所述第一支座、第二支座分别为一组，所述第一支座与驱动控制箱相连且驱动控制箱能为第一支座提供支撑，所述第二支座与驱动控制箱相连且驱动控制箱能为第二支座提供支撑；所述驱动单元包括驱动电机、主动轮、第一从动轮、第二从动轮、与第一从动轮相配合的第一驱动丝杠、与第二从动轮相配合的第二驱动丝杠、直线导轨、丝杠螺母，所述直线导轨、丝杠螺母分别为2个；所述驱动电机设置在电机箱体的中空腔体内，所述驱动电机通过连接电缆与水密插头相连，所述驱动电机的输出轴与主动轮相连且驱动电机能带动主动轮转动；所述电机箱体上设置有与水密插头相配合的连接线孔，所述水密插头设置在连接线孔上；所述第一支座、第二支座上分别设置有第二导向孔，所述第一支座为一组，所述第一支座与驱动控制箱相连且驱动控制箱能为第一支座提供支撑，所述第一驱动丝杠穿过第一支座且第一驱动丝杠能相对第一支座转动；所述第二支座为一组，所述第二支座与驱动控制箱相连且驱动控制箱能为第二支座提供支撑，所述第二驱动丝杠穿过第二支座且第二驱动丝杠能相对第二支座转动；所述第一从动轮、第二从动轮分别与主动轮相啮合，所述第一从动轮、第二从动轮对称设置在主动轮两侧且主动轮能带动第一从动轮、第二从动轮同步、同向、同速转动；所述直线导轨与驱动控制箱相连且直线导轨能相对驱动控制箱保持静止，所述丝杠螺母分别设置在第一驱动丝杠、第二驱动丝杠上且丝杠螺母能分别沿第一驱动丝杠的轴向、第二驱动丝杠的轴向移动，所述丝杠螺母与直线导轨的滑块相连且直线导轨的滑块能对丝杠螺母进行限位；所述第一驱动丝杠上的螺纹旋向与第二驱动丝杠的螺纹旋向相反，所述第一从动轮与第一驱动丝杠固定连接，所述第二从动轮与第二驱动丝杠固定连接且第一驱动丝杠上丝杠螺母的运动方向与第二驱动丝杠上丝杠螺母的运动方向相反；沿工作端板至固定端板的方向，将执行关节组件依次记为第1个执行关节组件、……第i个执行关节组件、……第N个执行关节组件；i为自然数，i＞1且i≤N；所述工作端板上设置有1组穿孔组件，第i个执行关节组件的柔性臂关节上沿其径向由内向外依次设置有i组穿孔组件，所述固定端板沿其径向由内向外依次设置有N组穿孔组件；单组穿孔组件由4个穿线孔构成，单组穿孔组件内的4个穿线孔均布于同一圆周上，其中相对的2个穿线孔位于第一投影线上并构成第一斜线孔组，另外相对的2个穿线孔位于第二投影线上并构成第二斜线孔组；第i个执行关节组件的柔性臂关节上，沿柔性臂关节的径向由内向外的方向，将穿孔组件依次记为第1个穿孔组件、第2个穿孔组件、……、第i个穿孔组件；沿固定端板的径向由内向外的方向，将穿孔组件依次记为第1个穿孔组件、……第i个穿孔组件、……第N个穿孔组件；所述驱动单元、连接组件分别为2N个，一组驱动单元对应一组连接组件；每组连接组件由2根连接绳构成，连接组件内的2个连接绳分别与驱动单元内的2个丝杠螺母对应连接，所述驱动单元通过其内的第一驱动丝杠、第二驱动丝杠能带动与第一驱动丝杠上丝杠螺母相连的连接绳相对与第二驱动丝杠上丝杠螺母相连的连接绳朝相反方向运动；第1个执行关节组件以工作端板作为第1连接端板，一组驱动单元内第一驱动丝杠上的丝杠螺母、第二驱动丝杠上的丝杠螺母与一组连接组件内的两根连接绳对应连接且一组驱动单元能带动与其配合的连接组件内两根连接绳反向运动；所述基线箱座的一端与驱动控制箱相连且驱动控制箱能为基线箱座提供支撑，所述基线箱座的另一端与固定端板相连且基线箱座能为固定端板提供支撑；两组连接组件依次穿过第二导向孔、固定端板上的第1个穿孔组件、执行关节组件内柔性臂关节上的第1个穿孔组件并与工作端板上第1个穿孔组件中的第一斜线孔组、第1个穿孔组件中的第二斜线孔组对应连接；第i个执行关节组件以第i个执行关节组件内最靠近工作端板的柔性臂关节为第i连接端板，两组连接组件依次穿过第二导向孔、固定端板上的第i个穿孔组件、执行关节组件内柔性臂关节上的第i个穿孔组件并与第i连接端板上第i个穿孔组件中的第一斜线孔组、第i个穿孔组件中的第二斜线孔组对应连接；所述刚性组件分别设置于工作端板与相邻的柔性臂关节之间、相邻两个柔性臂关节之间、固定端板与相邻的柔性臂关节之间且刚性组件能赋予执行单元刚性；单组刚性组件由4个支撑弹簧构成；单个刚性组件内的4个支撑弹簧呈正方形布置，所述支撑弹簧套设于连接绳上；所述工作端板、柔性臂关节、固定端板上分别设置有中心通孔，所述工作端板的中心通孔、柔性臂关节的中心通孔、固定端板的中心通孔依次连通并构成第一工作通道；其特征在于，所述抓取单元包括与工作端板相连的抓手基座、第二连接件、第二连接杆、第一导向杆、卡爪连接件、抓取绳、抓取电机、抓取控制系统、复位弹簧、执行组件；所述抓手基座与工作端板相连且工作端板能为抓手基座提供支撑，所述抓手基座包括基座第一固定板、基座第一支撑体，所述基座第一固定板中心设置有与第一导向杆相配合的通孔，所述基座第一支撑体设置有与第一导向杆相配合的第一导向槽，所述基座第一固定板、基座第一支撑体、工作端板依次相连；所述第二连接件包括连接第二环形板、连接第二限位件，所述第二连接杆为至少三个，所述第二连接杆位于连接第二环形板与基座第一固定板之间，所述连接第二环形板通过第二连接杆与基座第一固定板相连为一体且连接第二环形板通过第二连接杆能与基座第一固定板保持相对静止；所述连接第二环形板呈环形，所述连接第二限位件位于连接第二环形板中心且连接第二限位件能对卡爪连接件进行限位，所述连接第二限位件与连接第二环形板相连且连接第二环形板能为连接第二限位件提供支撑，所述连接第二限位件与连接第二环形板之间形成避让第一导向连接件的第一避让槽；所述第一导向杆的一端与卡爪连接件相连，所述第一导向杆的另一端通过抓取绳与抓取电机相连；所述抓取绳穿过第一工作通道且抓取绳能相对第一工作通道运动，所述抓取电机与抓取控制系统相连，所述抓取电机、抓取控制系统分别设置在驱动控制箱内；所述复位弹簧设置在第一导向杆上，所述复位弹簧位于基座第一固定板与卡爪连接件之间且复位弹簧能带动卡爪连接件、与卡爪连接件相连的第一导向杆朝向连接第二限位件运动；所述执行组件为P个，P为自然数且P≥3；所述执行组件包括转动支座、收缩卡爪、第一导向连接件，所述转动支座与连接第二环形板固定连接且转动支座均布于连接第二环形板上；所述收缩卡爪包括与连接第二环形板所在平面垂直的卡爪第一连接板、用于配合抓取物体的卡爪第二抓板，所述卡爪第二抓板呈类弧形，所述卡爪第二抓板与卡爪第一连接板所在平面垂直；所述卡爪第一连接板中部与转动支座铰接且卡爪第一连接板能相对转动支座转动；所述第一导向连接件的一端与卡爪连接件铰接，所述第一导向连接件的另一端与卡爪第一连接板铰接且卡爪连接件通过第一导向连接件能带动卡爪第一连接板相对转动支座转动；所述卡爪第一连接板的另一端与卡爪第二抓板相连且卡爪第二抓板的另一端与其他卡爪第二抓板靠近时能实现对物体的抓取功能；所述基座第一固定板呈圆环形；所述基座第一固定板的通孔的中心轴向与第一导向槽的中心轴线相平行；所述执行组件为四个，所述转动支座均布于第二环形板上；所述卡爪第二抓板呈钝角的V字型；抓取单元未工作时，抓取绳处于松弛状态，复位弹簧提供弹力，带动第一导向杆、卡爪连接件伸出，连接第二限位件对卡爪连接件进行限位，在卡爪连接件的作用下，收缩卡爪朝向抓手基座反向收起；抓取单元工作时，抓取控制系统向抓取电机发出指令，抓取电机带动抓取绳、及与抓取绳相连的第一导向杆、与第一导向杆相连的卡爪连接件同步收缩，带动第一导向杆在第一导向槽内移动；此时，卡爪连接件依次带动第一导向连接件、收缩卡爪同步运动，收缩卡爪绕转动支座转动，收缩卡爪的卡爪第二抓板之间相互靠拢，完成抓取操作；待抓取操作完成后，抓取控制系统向抓取电机发出指令，抓取电机反向转动，在复位弹簧的作用下，抓取单位恢复至初始状态。

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