一种恶劣环境用紧凑型蛇形机械臂的制作方法

1.本发明涉及一种机械臂，具体涉及一种恶劣环境用紧凑型蛇形机械臂。


背景技术：

2.蛇形机械臂的臂体具有蛇形结构，是一类超冗余自由度机械臂，目前国内外已有多家机构进行相关领域的研究，如oc robotics公司研制的ii-x125型蛇形臂机器臂，特斯拉公司研制的电动汽车自动充电蛇形臂，新松公司研制的双闭环控制超冗余绳驱动机器人以及浙江大学研制的可检测关节姿态的绳驱动高冗余柔性机械臂。这类机械臂运动灵活，非常适合代替人类进入狭小非结构化作业环境进行检测任务，但当前该机械臂结构尚存在如下不足之处：
3.1)结构不够紧凑，不论是基座还是机械臂的臂体部分都有进一步紧凑化的空间。
4.2)防护要求考虑不足，欠缺对臂体部分少量电子元器件的防护措施。蛇形机械臂普遍采用驱动元件后置方式，所以机械臂的臂体只有少量电子元器件，这是适应恶劣环境的天然优势，但少量的电子元器件仍然需要做好防护。
5.事实上，众多使用场合都在进一步挑战蛇形机械臂紧凑化的极限，而且狭小空间往往伴随着恶劣的作业环境，如盾构刀盘密封舱，飞机油箱、空间站舱段、核电站等等。


技术实现要素：

6.为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种恶劣环境用紧凑型蛇形机械臂，该机械臂不仅结构轻型紧凑，能适应恶劣作业环境，同时可搭载丰富的自身状态检测装置与作业工具，适用于狭小非结构化的恶劣作业环境。
7.本发明采用的技术方案是：
8.本发明包括水平滑台、基座、中间机械臂、末端连杆组件，基座滑动嵌装在水平滑台上，中间机械臂的根端连接在基座上，中间机械臂的末端同轴安装有末端连杆组件；
9.所述的基座包括多个驱动组件、电机安装板、后面板和前面板，电机安装板、后面板和前面板沿根端到末端方向依次布置，电机安装板、后面板和前面板之间贯穿安装多个驱动组件，多个驱动组件沿圆周周向布置；
10.所述的驱动组件包括电机、联轴器、钢丝绳驱动块、丝杆和导轨，电机安装在电机安装板远离后面板的一侧面，联轴器安装在电机安装板和后面板之间，电机输出轴穿过电机安装板后经联轴器和丝杠的一端同轴连接，丝杠装在后面板和前面板之间，丝杠通过螺纹套装有钢丝绳驱动块，在钢丝绳驱动块靠近径向内侧的后面板和前面板之间通过导轨安装座固定装有平行于丝杠的导轨，钢丝绳驱动块滑动嵌装在导轨上并沿导轨移动，钢丝绳驱动块径向内端为一个钢丝绳扣，钢丝绳扣用于连接一根中间机械臂上的钢丝绳的一端；
11.所述的中间机械臂包括多根钢丝绳、多个钢丝绳座盘、多个支撑筒和多个万向节中空环，中间机械臂的外侧壁均圆周周向分布有多根钢丝绳，每根钢丝绳沿中间机械臂轴
向延伸布置；所有支撑筒沿机械臂臂长方向依次串联，除了中间机械臂根端的一个支撑筒直接与基座连接，其它支撑筒的端部均固定安装有钢丝绳座盘，相邻两个支撑筒端部的钢丝绳座盘之间通过一个万向节中空环形成铰接，末端连杆组件根端安装有钢丝绳座盘，末端连杆组件的钢丝绳座盘和中间机械臂末端的一个支撑筒的钢丝绳座盘之间通过一个万向节中空环形成铰接；每个钢丝绳座盘的外侧面沿圆周周向间隔均匀设有多个锡青铜套，每个锡青铜套中穿插或固定有一根钢丝绳；
12.所述的每个钢丝绳座盘的对称两侧分别设有一个轴瓦座，该两个对称的轴瓦座的轴向保持同轴布置，每个万向节中空环四个外侧面的中心均设有一个轴，每个轴上套有一个锡青铜轴瓦，一个支撑筒端部的钢丝绳座盘的两个轴瓦座活动套装在万向节中空环其中两个对称布置的锡青铜轴瓦上，另一个支撑筒端部钢丝绳座盘的两个轴瓦座活动套装在万向节中空环另外两个对称布置的锡青铜轴瓦上，使得相邻两个支撑筒的钢丝绳座盘两个轴瓦座的同轴方向相垂直；
13.所述的电机驱动丝杠绕自身旋转轴转动，带动钢丝绳驱动块在丝杠和导轨上移动，带动并调节钢丝绳的位置，进而控制中间机械臂和末端连杆组件转动至指定位置。
14.所述的末端连杆组件包括外筒、末端连杆面板、镜头玻璃、自动变焦相机和激光器，外筒的根端连接中间机械臂的末端，外筒的末端安装有末端连杆面板，外筒的内部安装有激光器和自动变焦相机，自动变焦相机通过末端连杆面板上的镜头玻璃观察外部待检测物体。
15.所述的基座还包括电机护罩、联轴器护罩、主护罩和基座底板，电机安装板、后面板和前面板安装在基座底板上，电机护罩安装在电机安装板上并罩住电机，联轴器护罩安装在电机安装板和后面板之间并罩住所有联轴器，主护罩安装在后面板和前面板之间并罩住后面板和前面板内部。
16.驱动组件的数量和钢丝绳的数量一致，且均为支撑筒数量的三倍，所述的每个支撑筒均经过三根钢丝绳和基座上各自对应的三个驱动组件连接，末端连杆组件也经三根钢丝绳和基座上对应的三个驱动组件连接，三根钢丝绳的另一端均同时连接至该支撑筒根端的钢丝绳座盘上，其中三根钢丝绳同时连接至末端连杆组件根端的钢丝绳座盘上。
17.所述的中间机械臂还包括多个角度传感器，每个角度传感器安装在各自对应的一个钢丝绳座盘上，中间机械臂的相邻两个支撑筒之间以及中间机械臂根端和末端连杆组件之间均为所述装置的关节，相邻的两个角度传感器分别检测关节位置处的两个自由度的角度姿态。
18.所述的中间机械臂和末端连杆组件外侧壁上套装有防护波纹管。
19.所述的末端连杆组件还包括气刀、两个补光灯和高压喷嘴接头，两个补光灯位于镜头玻璃的左右两侧，气刀和高压喷嘴接头分别位于镜头玻璃的上下两侧并安装在末端连杆面板外侧面。
20.所述的气刀的喷射口朝向镜头玻璃，气刀连接高压气管，气刀朝有污渍的镜头玻璃喷射高压气体；所述的高压喷嘴接头垂直于末端连杆面板朝外，高压喷嘴接头内端连接高压水管，外端连接高压喷嘴，高压喷嘴朝有污渍的外部待检测物体表面喷射高压水体。
21.所述的末端关节组件还包括密封航空插头、密封筒支座、密封筒、相机保持架和激光器座，密封筒位于外筒内，密封筒的一端连接末端连杆面板的内侧面，密封筒内安装有相
机保持架和激光器座，相机保持架内安装有自动变焦相机，激光器座内安装有激光器；密封筒的另一端连接密封筒支座的一侧面，密封筒支座的另一侧面上设有密封航空插头，自动变焦相机和激光器通过密封航空插头电连接外部电源。
22.所述的外筒边缘开设外筒法兰缺口ⅰ和外筒法兰缺口ⅲ，两个补光灯分别露出外筒法兰缺口ⅰ和外筒法兰缺口ⅲ，外筒边缘开设外筒法兰缺口ⅱ，密封筒露出外筒法兰缺口ⅱ；两个补光灯靠近密封筒的边缘均开设补光灯法兰缺口，密封筒靠近高压喷嘴接头的边缘开设密封筒法兰缺口。
23.本发明的有益效果是：
24.1)环境适应性高，在高温高压高湿狭小空间非结构化作业环境下仍能正常工作。
25.2)结构轻型紧凑，减轻了机械臂中各部件的重量，使得机械臂整体重量超过40kg(不包括水平滑台)，而且机械臂采用中空结构，中空部分仍有充足空间，可以通过足量数目的线缆、水管以及气管，从而使机械臂可以搭载足够多的检测作业工具。
26.3)检测装置齐全，防护严密。
附图说明
27.图1是本发明总装轴测图；
28.图2是本发明基座轴测图；
29.图3是本发明基座侧视图；
30.图4是图3所示a-a处的剖面投影视图；
31.图5是图1所示i处的关节局部放大图；
32.图6是本发明关节爆炸图；
33.图7是本发明关节横截面图；
34.图8是本发明末端关节轴测图；
35.图9是本发明末端关节爆炸图；
36.图10是本发明末端关节内部爆炸图；
37.图11是本发明末端连杆主要元器件排列正视图；
38.图12是本发明套上防护波纹管的总装轴测图；
39.图中：1、水平滑台，2、基座，201、电机护罩，202、电机，203、联轴器护罩，204、主护罩，205、钢丝绳驱动块，206、丝杆，207、基座底板，208、电机安装板，209后面板，210、前面板，211、导轨，212、导轨安装座，3、中间机械臂，301、钢丝绳，302、支撑筒，303、钢丝绳座盘，304、角度传感器，305、万向节中空环，306、锡青铜套，307、锡青铜轴瓦，4、末端连杆组件，401、外筒，402、气刀，403、补光灯，404、高压喷嘴接头，405、密封航空插头，406、密封筒支座，407、密封筒，408、相机保持架，409、激光器座，410、末端连杆面板，411、镜头玻璃，4001、外筒法兰缺口1，4002、外筒法兰缺口2，4003、外筒法兰缺口3，4004、补光灯法兰缺口，4005、密封筒法兰缺口，5、防护波纹管。
具体实施方式
40.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
41.如图1所示，本发明包括水平滑台1、基座2、中间机械臂3、末端连杆组件4，基座2滑
动嵌装在水平滑台1上，中间机械臂3的根端连接在基座2上，中间机械臂3的末端同轴安装有末端连杆组件4。
42.如图2、图3和图4所示，基座2包括多个驱动组件、电机安装板208、后面板209和前面板210，电机安装板208、后面板209和前面板210沿根端到末端方向依次布置，电机安装板208、后面板209和前面板210之间贯穿安装多个驱动组件，多个驱动组件沿圆周周向布置。
43.驱动组件包括电机202、联轴器、钢丝绳驱动块205、丝杆206和导轨211，电机202安装在电机安装板208远离后面板209的一侧面，联轴器安装在电机安装板208和后面板209之间，电机202输出轴穿过电机安装板208后经联轴器和丝杠206的一端同轴连接，丝杠206装在后面板209和前面板210之间，丝杠206通过螺纹套装有钢丝绳驱动块205，在钢丝绳驱动块205靠近径向内侧的后面板209和前面板210之间通过导轨安装座212固定装有平行于丝杠206的导轨211，钢丝绳驱动块205滑动嵌装在导轨211上并沿导轨211移动，每个导轨安装座212两侧对称布置导轨211、丝杆206、钢丝绳驱动块205和电机202，与常见的非对称机械臂安装结构相比，可以减弱单侧偏载力，优化受力情况，并且紧凑基座2的结构；钢丝绳驱动块205径向内端为一个钢丝绳扣，钢丝绳扣用于连接一根中间机械臂3上的钢丝绳301的一端；
44.基座2还包括电机护罩201、联轴器护罩203、主护罩204和基座底板207，电机安装板208、后面板209和前面板210安装在基座底板207上，电机护罩201安装在电机安装板208上并罩住电机202，联轴器护罩203安装在电机安装板208和后面板209之间并罩住所有联轴器，主护罩204安装在后面板209和前面板210之间并罩住后面板209和前面板210内部，联轴器护罩203和主护罩204除了防护作用，还能加强基座结构，并辅助定位电机安装板208、后面板209和前面板210的相对位置。
45.如图5、图6和图7所示，中间机械臂3包括多根钢丝绳301、多个钢丝绳座盘303、多个支撑筒302和多个万向节中空环305，中间机械臂3的外侧壁均圆周周向分布有多根钢丝绳301，每根钢丝绳301沿中间机械臂3轴向延伸布置；所有支撑筒302沿机械臂臂长方向依次串联，除了中间机械臂3根端的一个支撑筒302直接与基座2连接，其它支撑筒302的端部均固定安装有钢丝绳座盘303，相邻两个支撑筒302端部的钢丝绳座盘303之间通过一个万向节中空环305形成铰接，末端连杆组件4根端安装有钢丝绳座盘303，末端连杆组件4的钢丝绳座盘303和中间机械臂3末端的一个支撑筒302的钢丝绳座盘303之间通过一个万向节中空环305形成铰接；每个钢丝绳座盘303的外侧面沿圆周周向间隔均匀设有多个锡青铜套306，每个锡青铜套306中穿插或固定有一根钢丝绳301；
46.每个钢丝绳座盘303的对称两侧分别设有一个轴瓦座，该两个对称的轴瓦座的轴向保持同轴布置，每个万向节中空环305四个外侧面的中心均设有一个轴，每个轴上套有一个锡青铜轴瓦307，一个支撑筒302端部的钢丝绳座盘303的两个轴瓦座活动套装在万向节中空环305其中两个对称布置的锡青铜轴瓦307上，另一个支撑筒302端部钢丝绳座盘303的两个轴瓦座活动套装在万向节中空环305另外两个对称布置的锡青铜轴瓦307上，使得相邻两个支撑筒302的钢丝绳座盘303两个轴瓦座的同轴方向相垂直，进而使得相邻两个支撑筒302通过万向节中空环305形成万向铰接关系；每个支撑筒302均经过三根钢丝绳301和基座2上各自对应的三个驱动组件连接，末端连杆组件4也经三根钢丝绳301和基座2上对应的三个驱动组件连接，三根钢丝绳301的另一端均同时连接至该支撑筒302根端的钢丝绳座盘
303位置的锡青铜套306上，其中三根钢丝绳301同时连接至末端连杆组件4根端的钢丝绳座盘303位置的锡青铜套306上；电机202的数量、钢丝绳驱动块205的数量、丝杆206的数量、导轨211的数量、钢丝绳301的数量和每个钢丝绳座盘303上的锡青铜套306的数量均相同；
47.中间机械臂3还包括多个角度传感器304，每个角度传感器304安装在各自对应的一个钢丝绳座盘303上，中间机械臂3的相邻两个支撑筒302之间以及中间机械臂3根端和末端连杆组件4之间均为所述装置的关节，相邻的两个角度传感器304分别检测关节位置处的两个自由度的角度姿态。
48.如图8、图9、图10和图11所示，末端连杆组件4包括外筒401、末端连杆面板410、镜头玻璃411、自动变焦相机和激光器，外筒401的根端连接中间机械臂3的末端，外筒401的末端安装有末端连杆面板410，外筒401的内部安装有激光器和自动变焦相机，自动变焦相机通过末端连杆面板410上的镜头玻璃411观察外部待检测物体；
49.末端连杆组件4还包括气刀402、两个补光灯403和高压喷嘴接头404，两个补光灯403位于镜头玻璃411的左右两侧，在弱照明条件的情况下，补光灯403照射外部待检测物体进行补光，气刀402和高压喷嘴接头404分别位于镜头玻璃411的上下两侧并安装在末端连杆面板410外侧面；气刀402的喷射口朝向镜头玻璃411，气刀402连接高压气管，气刀402朝有污渍的镜头玻璃411喷射高压气体，除净镜头玻璃411上的污渍；所述的高压喷嘴接头404垂直于末端连杆面板410朝外，高压喷嘴接头404内端连接高压水管，外端连接高压喷嘴，高压喷嘴朝有污渍的外部待检测物体表面喷射高压水体，清洗外部待检测物体表面污渍，达到检测真实待检测物体表面的效果；
50.末端关节组件4还包括密封航空插头405、密封筒支座406、密封筒407、相机保持架408和激光器座409，密封筒407位于外筒401内，密封筒407的一端连接末端连杆面板410的内侧面，密封筒407内安装有相机保持架408和激光器座409，相机保持架408内安装有自动变焦相机，激光器座409内安装有激光器，密封筒407在10个大气压环境下仍有较好的密封效果，从而保证密封筒407内部的自动变焦相机和激光器在高温高压高湿环境下仍能正常工作；密封筒407的另一端连接密封筒支座406的一侧面，密封筒支座406的另一侧面上设有密封航空插头405，自动变焦相机和激光器通过密封航空插头405电连接外部电源；末端关节组件4外接的线缆、气管和水管均从中间机械臂3的中空内部穿过；中间机械臂3所采用的结构零件种类少，结构简单，装配方便，从而具有运动精度高、稳定可靠的优点；蛇形机械臂中心中空部分的横截面积与臂体的横截面积之间的比值较普通机械臂中心中空部分的横截面积与臂体的横截面积之间的比值大，所以与普通机械臂的横截面直径相同的蛇形机械臂中心可以通过更多的电缆、气管、水管等线路与管路，集合度高；
51.外筒401边缘开设外筒法兰缺口ⅰ4001和外筒法兰缺口ⅲ4003，两个补光灯403分别露出外筒法兰缺口ⅰ4001和外筒法兰缺口ⅲ4003，外筒401边缘开设外筒法兰缺口ⅱ4002，密封筒407露出外筒法兰缺口ⅱ4002；两个补光灯403靠近密封筒407的边缘均开设补光灯法兰缺口4004，使得两个补光灯403更加贴近密封筒407，密封筒407靠近高压喷嘴接头404的边缘开设密封筒法兰缺口4005，使得密封筒407更加贴近高压喷嘴接头404；开设的缺口使得末端连杆面板410上的元器件布局更加紧凑。
52.如图12所示，中间机械臂3和末端连杆组件4外侧壁上套装有防护波纹管5。
53.本装置的电机202驱动丝杠206绕自身旋转轴转动，带动钢丝绳驱动块205在丝杠
206和导轨211上移动，带动并调节钢丝绳301的位置，进而控制中间机械臂3和末端连杆组件4转动至指定位置。