基于齿轮联动的四元数关节蛇形机械臂

1.本发明属于机器人技术领域，更具体地说是涉及绳驱蛇形机械臂领域。


背景技术：

2.机器人是一个广泛的概念，一般印象中的机器人都是有着固定形状的刚性机器人，实际上，机器人还包括柔性的蛇形机器人。它是通过模仿生物界中的动物蛇的运动或大象象鼻的运动而设计，这种机器臂可以大角度实时弯曲，改变自身结构形状，它可以更好的适应各种环境，完成复杂的任务，比传统的刚性机器人更加灵活。由于蛇形机械臂具有良好的弯曲特性，一般可用于狭小空间作业。
3.目前已有的蛇形机械臂一般结构为在关节处放置电机直接控制或者关节处设置万向节结构通过绳驱控制，它们在不同程度上存在问题：已有的关节处放置电机直接控制方式，其体积结构较大，电气线路繁琐，多自由度运动会使得结构更加复杂。已有的关节处设置万向节结构通过绳驱控制方式，其活动自由度不足，所需电机数量较多，增加了制造成本和控制难度。


技术实现要素：

4.本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种基于齿轮联动的四元数关节蛇形机械臂，其臂端的齿轮联动关节在中间部位实现可控的联动弯曲，增加臂端弯曲角度；臂端采用四元数关节，使得单电机控制单自由度，从而缩减电机数量。
5.本发明为实现发明目的采用如下技术方案：
6.本发明基于齿轮联动的四元数关节蛇形机械臂的特点是：所述蛇形机械臂由机械臂臂端、驱动箱及驱动绳索组成。
7.所述机械臂臂端由多个齿轮联动关节模块化组成，各个齿轮联动关节又由四元数关节组成；所述四元数关节主要由三根连杆相互约束，通过模拟两半球面滚动，以实现关节的弯曲；两四元数关节间通过齿轮啮合，使得两四元数关节中六根连杆相互约束，以实现两四元数关节等角度弯曲；多个齿轮联动关节模块化组成机械臂臂端。
8.所述驱动箱是由电机连接丝杠，由电机带动丝杠旋转，由直线光轴确定丝杠螺母运动方向，实现螺母滑块座直线往返运动；在螺母滑块座上连接两方向相反的驱动绳索，其中指向电机方向驱动绳索通过定滑轮转变方向，使得两根驱动绳索指向相同，以实现其中一根驱动绳索伸长量(缩短量)与另一驱动绳索缩短量(伸长量)相等；通过驱动绳索拉动关节弯曲；由多组电机、丝杠、直线光轴、滑轮组合组成驱动箱，再拉动多根驱动绳索以实现整个机械臂弯曲运动。
9.本发明基于齿轮联动的四元数关节蛇形机械臂的特点也在于：所述机械臂臂端结构设置包括：
10.所述四元数关节是由关节间板通过销轴与连接块连接，连接块可通过销轴旋转，连接块再通过销轴与连杆连接，在所述关节间板上间隔120
°
圆周分布连接三根连杆，在连
杆的另一端与齿轮连接块连接，并将齿轮连接块在与所述连接块对称位置上连接带齿轮孔板，三根连杆连接完全后相互约束，形成四元数关节。
11.所述齿轮联动关节是由两个四元数关节对称放置，四元数关节通过螺钉与关节连接件固定，两四元数关节中齿轮连接块互相对应啮合，使得六根连杆相互约束，两四元数关节等角度弯曲；
12.所述机械臂臂端是由五个齿轮联动关节模块化组成，每两齿轮联动关节间通过螺钉与一个关节连接件连接固定。
13.本发明基于齿轮联动的四元数关节蛇形机械臂的特点也在于：所述驱动箱结构设置包括：
14.所述电机通过联轴器与丝杠连接，所述丝杠左端通过丝杠固定座固定于丝杠固定板上，丝杠右侧通过丝杠支撑座放置于丝杠支撑板上。在所述丝杠固定板上丝杠固定座的上侧位置处放置定滑轮，丝杠固定座的下侧位置处放置用于固定直线光轴的光轴支撑座；所述螺母滑块座下侧连接光轴滑块，螺母滑块座上侧设置有螺纹孔，此螺纹孔固定带有自锁功能的锁线器，锁线器可与驱动绳索连接；在所述丝杠固定板与丝杠支撑板间放置上下两行、每行五列，共十组电机、丝杠、直线光轴、滑轮组合。所述丝杠固定板与丝杠支撑板通过四个箱体定位板固定连接，以此组成箱体外壳框架，丝杠固定板和丝杠支撑板与箱体定位板间通过l型连接件固定。所述丝杠支撑板上对应滑轮和螺母滑块座位置处设有可连接线管接头的螺纹孔。
15.本发明基于齿轮联动的四元数关节蛇形机械臂的特点也在于：所述四元数关节有对称绳孔处两绳长度总和不变的特性，即当四元数关节弯曲时，对称位置处一绳伸长量等于另一绳缩短量；所述齿轮联动关节也具有此特性。
16.本发明基于齿轮联动的四元数关节蛇形机械臂的特点也在于：所述关节连接件内部设有三个带螺纹孔的突起结构，通过螺钉与关节间板连接固定，并增加关节连接件两侧板间距离，以此与四元数关节连接；关节连接件外部圆周分布20个绳索孔，绳索孔端面处设有圆角，以减小绳索与绳索孔处摩擦；关节连接件外部设置为凹字状，以减小绳索摩擦力的同时又减小细小绳索孔加工难度。
17.本发明基于齿轮联动的四元数关节蛇形机械臂的特点也在于：在所述机械臂臂端根部设有根部关节连接件，所述根部关节连接件设有与线管接头连接的绳索孔，根部关节连接件上线管接头对应丝杠支撑板上线管接头连接导线管。
18.本发明基于齿轮联动的四元数关节蛇形机械臂的特点也在于：所述机械臂臂端与所述驱动箱间通过箱臂连接件连接，所述箱臂连接件左端嵌入丝杠支撑板中，并通过螺钉固定；所述箱臂连接件右端连接根部关节连接件。
19.与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
20.1、本发明机械臂采用绳索驱动，关节与驱动箱分离设计，关节与驱动箱模块化组成，多个零件能够互换使用，便于零件生产组装。
21.2、本发明机械臂臂端关节采用四元数关节作为主体，无传统蛇形机械臂中臂杆设计，臂端整体皆可弯曲；又加以齿轮联动，弯曲角度增加的同时并不使驱动绳索数量增多，使得机械臂的弯曲更加贴合蛇的蜿蜒运动。
22.3、本发明利用四元数关节有对称绳孔处两绳长度总和不变的特性，结合驱动箱中
丝杠上方加滑轮的设计，能够做到单电机控制单自由度，减少了驱动电机的数量，降低生产成本的同时也降低了设备控制难度。
附图说明
23.图1为本发明整体构造示意图；
24.图2为本发明中驱动箱内部构造示意图；
25.图3为本发明中齿轮联动关节原理构造示意图；
26.图4(a)为本发明中齿轮联动关节未弯曲驱动绳长示意图；
27.图4(b)为本发明中齿轮联动关节弯曲驱动绳长变化示意图；
28.图5为本发明中四元数关节构造示意图；
29.图6为本发明中关节间板安装示意图；
30.图7为本发明中根部关节连接件连接导线管示意图；
31.图8为本发明中驱动箱体连接关节臂端示意图；
32.图中标号：1机械臂臂端，2驱动箱，3驱动绳索，11齿轮联动关节，12四元数关节，101关节间板，102销轴，103连接块，104连杆，105齿轮连接块，106带齿轮孔板，107螺钉，108关节连接件，109根部关节连接件，110箱臂连接件，201电机，202联轴器，203丝杠，204丝杠固定座，205丝杠固定板，206丝杠支撑座，207丝杠支撑板，208滑轮，209直线光轴，210光轴支撑座，211螺母滑块座，212光轴滑块，213锁线器，214箱体定位板，215l型连接件，216线管接头，217丝杠螺母，218导线管，301下左侧绳长，302上左侧绳长，303上球心距，304上右侧绳长，305下右侧绳长，306下球心距。
具体实施方式
33.参见图1、图2和图3，本实施例中基于齿轮联动的四元数关节蛇形机械臂是由机械臂臂端1、驱动箱2及驱动绳索3组成。
34.机械臂臂端1由多个齿轮联动关节11模块化组成，各个齿轮联动关节11又由四元数关节12组成；四元数关节12主要由三根连杆104相互约束，通过模拟两半球面滚动，以实现关节的弯曲；两四元数关节12间通过齿轮啮合，使得两四元数关节12中六根连杆104相互约束，以实现两四元数关节12等角度弯曲；多个齿轮联动关节11模块化组成机械臂臂端1。
35.驱动箱2中是由电机201连接丝杠203，由电机201带动丝杠203旋转，由直线光轴209确定丝杠螺母217运动方向，实现螺母滑块座211直线往返运动；在螺母滑块座211上连接两方向相反的驱动绳索3，其中指向电机201方向驱动绳索3通过定滑轮208转变方向，使得两根驱动绳索3指向相同，以实现其中一根驱动绳索伸长量(缩短量)与另一驱动绳索缩短量(伸长量)相等；通过驱动绳索3拉动关节弯曲；由多组电机201、丝杠203、直线光轴209、滑轮208组合组成驱动箱2，再拉动多根驱动绳索3以实现整个机械臂弯曲运动。
36.具体实施中，相应的结构设置包括：
37.如图3和图5所示，四元数关节12是由关节间板101通过销轴102与连接块103连接，连接块103可通过销轴102旋转，连接块103再通过销轴102与连杆104连接，在关节间板101上间隔120
°
圆周分布连接三根连杆104，在连杆104的另一端与齿轮连接块105连接，并将齿轮连接块105在与连接块103对称位置上连接带齿轮孔板106，三根连杆104连接完全后相互
约束，形成四元数关节12。齿轮联动关节11是由两个四元数关节12对称放置，四元数关节12通过螺钉107与关节连接件108固定，两四元数关节12中齿轮连接块105互相对应啮合，使得六根连杆104相互约束，两四元数关节12等角度弯曲；机械臂臂端1是由五个齿轮联动关节11模块化组成，每两齿轮联动关节11间通过螺钉107与一个关节连接件108连接固定。
38.如图2所示，电机201通过联轴器202与丝杠203连接，丝杠202左端通过丝杠固定座204固定于丝杠固定板205上，丝杠右侧通过丝杠支撑座206放置于丝杠支撑板207上。在丝杠固定板205上丝杠固定座204的上侧位置处放置定滑轮208，丝杠固定座204的下侧位置处放置用于固定直线光轴209的光轴支撑座210；螺母滑块座211下侧连接光轴滑块212，螺母滑块座211上侧设置有螺纹孔，此螺纹孔固定带有自锁功能的锁线器213，锁线器213可与驱动绳索3连接；锁线器213中心孔处需与滑轮208底端等高。在丝杠固定板205与丝杠支撑板207间放置上下两行、每行五列，共十组电机201、丝杠203、直线光轴209、滑轮208组合。丝杠固定板205与丝杠支撑板207通过四个箱体定位板214固定连接，以此组成箱体外壳框架，丝杠固定板205和丝杠支撑板207与箱体定位板214间通过l型连接件215固定。丝杠支撑板207上对应滑轮208和螺母滑块座211位置处设有可连接线管接头216的螺纹孔，此处螺纹孔也需与锁线器213中心孔和滑轮208高度对应。图2示出，当电机201转动时，将带动丝杠203旋转，其上螺母滑块座211将沿丝杠203轴向运动，带动两侧绳索拉伸，两侧绳索变化量相同，可与图3中齿轮联动关节结合，拉动关节弯曲，从而带动机械臂臂端弯曲。
39.如图3和图5所示，四元数关节12有对称绳孔处两绳长度总和不变的特性，即当四元数关节12弯曲时，对称位置处一绳伸长量等于另一绳缩短量；齿轮联动关节11也具有此特性。
40.如图4所示，图4(a)为齿轮联动关节11未弯曲驱动绳长状态示意，图4(b)为齿轮联动关节11弯曲状态驱动绳长变化示意，四元数关节12以图中半圆形轨迹转动，当四元数关节12弯曲时，球心距不变，而下左侧绳长301与下球心距306之差等于下球心距306与下右侧绳长305之差，即两侧绳长变化量相等；由于齿轮联动的特点，下左侧绳长301和上左侧绳长302的长度始终相等，上右侧绳长304和下右侧绳长305长度始终相等，下球心距306与上球心距303长度也始终相等，可得到齿轮联动关节11的两侧绳长变化量也相等。
41.如图6所示，关节连接件108内部设有三个带螺纹孔的突起结构，通过螺钉107与关节间板101连接固定，并增加关节连接件108两侧板间距离，以此与四元数关节12连接；关节连接件108外部圆周分布20个绳索孔，绳索孔端面处设有圆角，以减小绳索与绳索孔处摩擦；关节连接件108外部设置为凹字状，以减小绳索摩擦力的同时又减小细小绳索孔加工难度。
42.如图7所示，机械臂臂端1根部设有根部关节连接件109，根部关节连接件109设有与线管接头216连接的绳索孔，根部关节连接件109上线管接头216对应丝杠支撑板207上线管接头216连接导线管218。
43.如图8所示，机械臂臂端1与驱动箱2间通过箱臂连接件110连接，箱臂连接件110左端嵌入丝杠支撑板207中，并通过螺钉固定；箱臂连接件110右端连接根部关节连接件109。
44.以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

技术特征：
1.一种基于齿轮联动的四元数关节蛇形机械臂，其特征在于：所述蛇形机械臂由机械臂臂端(1)、驱动箱(2)及驱动绳索(3)组成；所述机械臂臂端(1)由多个齿轮联动关节(11)模块化组成，各个齿轮联动关节(11)由四元数关节(12)组成；所述四元数关节(12)由三根连杆(104)相互约束，通过模拟两半球面滚动实现关节的弯曲；两四元数关节(12)间通过齿轮啮合，使得两四元数关节(12)中六根连杆(104)相互约束，实现两四元数关节(12)等角度弯曲；所述驱动箱(2)中是由电机(201)连接丝杠(203)，由电机(201)带动丝杠(203)旋转，由直线光轴(209)确定丝杠螺母(217)运动方向，实现螺母滑块座(211)直线往返运动；在螺母滑块座(211)上连接两方向相反的驱动绳索(3)，其中指向电机(201)方向驱动绳索(3)通过定滑轮(208)转变方向，使得两根驱动绳索(3)指向相同，以实现其中一根驱动绳索伸长量或缩短量与另一驱动绳索缩短量或伸长量相等；通过驱动绳索(3)拉动关节弯曲；由多组电机(201)、丝杠(203)、直线光轴(209)、滑轮(208)组合组成驱动箱(2)，再拉动多根驱动绳索(3)以实现整个机械臂弯曲运动。2.根据权利要求1所述的基于齿轮联动的四元数关节蛇形机械臂，其特征在于：所述机械臂臂端(1)结构设置包括：所述四元数关节(12)是由关节间板(101)通过销轴(102)与连接块(103)连接，连接块(103)可通过销轴(102)旋转，所述连接块(103)通过销轴(102)与连杆(104)连接，在所述关节间板(101)上间隔120
°
圆周分布连接有三根连杆(104)，连杆(104)的另一端与齿轮连接块(105)连接，将所述齿轮连接块(105)在与所述连接块(103)对称位置上连接带齿轮孔板(106)，三根连杆(104)连接完全后相互约束，形成四元数关节(12)。所述齿轮联动关节(11)是由两个四元数关节(12)对称放置，四元数关节(12)通过螺钉(107)与关节连接件(108)固定，两四元数关节(12)中齿轮连接块(105)互相对应啮合，使得六根连杆(104)相互约束，两四元数关节(12)等角度弯曲；所述机械臂臂端(1)是由五个齿轮联动关节(11)模块化组成，每两齿轮联动关节(11)间通过螺钉(107)与一个关节连接件连接(108)固定。3.根据权利要求1所述的基于齿轮联动的四元数关节蛇形机械臂，其特征在于：所述驱动箱(2)结构设置包括：所述电机(201)通过联轴器(202)与丝杠(203)连接，所述丝杠左端通过丝杠固定座(204)固定于丝杠固定板(205)上，丝杠右侧通过丝杠支撑座(206)放置于丝杠支撑板(207)上；在所述丝杠固定板上丝杠固定座(204)的上侧位置处放置定滑轮(208)，丝杠固定座(204)的下侧位置处放置用于固定直线光轴(209)的光轴支撑座(210)；所述螺母滑块座(211)下侧连接光轴滑块(212)，螺母滑块座(211)上侧设置有螺纹孔，所述螺纹孔固定带有自锁功能的锁线器(213)，锁线器(213)与驱动绳索(3)连接；在所述丝杠固定板(205)与丝杠支撑板(207)间放置上下两行、每行五列，共十组电机(201)、丝杠(203)、直线光轴(209)和滑轮(208)的组合；所述丝杠固定板(205)与丝杠支撑板(207)通过四个箱体定位板(214)固定连接，以此组成箱体外壳框架，丝杠固定板(205)和丝杠支撑板(207)与箱体定位板(214)间通过l型连接件(215)固定；所述丝杠支撑板(207)上对应滑轮(208)和螺母滑块座(211)位置处设有用于连接线管接头(216)的螺纹孔。4.根据权利要求1所述的基于齿轮联动的四元数关节蛇形机械臂，其特征在于：
所述四元数关节(12)有对称绳孔处两绳长度总和不变的特性，即当四元数关节(12)弯曲时，对称位置处一绳伸长量等于另一绳缩短量；所述齿轮联动关节(11)也具有此特性。5.根据权利要求2所述的基于齿轮联动的四元数关节蛇形机械臂，其特征在于：所述关节连接件(108)内部设有三个带螺纹孔的突起结构，通过螺钉(107)与关节间板(101)连接固定，并增加关节连接件(108)两侧板间距离，以此与四元数关节(12)连接；关节连接件(108)外部圆周分布20个绳索孔，绳索孔端面处设有圆角，以减小绳索与绳索孔处摩擦；关节连接件(108)外部设置为凹字状，以减小绳索摩擦力的同时又减小细小绳索孔加工难度。6.根据权利要求2所述的基于齿轮联动的四元数关节蛇形机械臂，其特征在于：在所述机械臂臂端(1)根部设有根部关节连接件(109)，所述根部关节连接件(109)设有与线管接头(216)连接的绳索孔，根部关节连接件(109)上线管接头(216)对应丝杠支撑板(207)上线管接头(216)连接导线管(218)。7.根据权利要求1所述的基于齿轮联动的四元数关节蛇形机械臂，其特征在于：所述机械臂臂端(1)与所述驱动箱(2)间通过箱臂连接件(110)连接，所述箱臂连接件(110)左端嵌入丝杠支撑板(207)中，并通过螺钉固定；所述箱臂连接件(110)右端连接根部关节连接件(109)。

技术总结
本发明公开了一种基于齿轮联动的四元数关节蛇形机械臂，包括驱动部分和机械臂臂端部分；机械臂臂端是在四元数关节基础上，在两关节间加上齿轮联动，构成可等角度弯曲的齿轮联动关节；驱动部分是由电机带动丝杠旋转，使得丝杠螺母沿丝杠轴向运动，在丝杠螺母左右两侧分别放置驱动绳索，其中一侧绳索经定滑轮变向后与另一侧绳索同向，使得虽两绳索指向相同，但随着电机转动，两绳索运动方向相反，且变化量相同，以驱动部分与四元数关节两侧绳长变化量相同的特性相结合，使单电机可控制单自由度，将驱动部分与齿轮联动关节模块化组合，整体构成蛇形机械臂。体构成蛇形机械臂。体构成蛇形机械臂。


技术研发人员：黄云志 郭钰 韩亮 何磊 李振涛
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/9/9