本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
基于齿轮联动的四元数关节蛇形机械臂
[0001]本专利技术属于机器人
，更具体地说是涉及绳驱蛇形机械臂领域。
技术介绍
[0002]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。
[0003]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。
技术实现思路
[0004]本专利技术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。
[0005]本专利技术为实现专利技术目的采用如下技术方案：
[0006]本专利技术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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]本专利技术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：
[0010]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。
[0011]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；
[0012]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。
[0013]本专利技术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：
[0014]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。
[0015]本专利技术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。
[0016]本专利技术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。
[0017]本专利技术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。
[0018]本专利技术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。
[0019]与已有技术相比，本专利技术有益效果体现在：
[0020]1、本专利技术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。
[0021]2、本专利技术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。
[0022]3、本专利技术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
[0023]图1为本专利技术整体构造示意图；
[0024]图2为本专利技术中驱动箱内部构造示意图；
[0025]图3为本专利技术中齿轮联动关节原理构造示意图；
[0026]图4(a)为本专利技术中齿轮联动关节未弯曲驱动绳长示意图；
[0027]图4(b)为本专利技术中齿轮联动关节弯曲驱动绳长变化示意图；
[0028]图5为本专利技术中四元数关节构造示意图；
[0029]图6为本专利技术中关节间板安装示意图；
[0030]图7为本专利技术中根部关节连接件连接导线管示意图；
[0031]图8为本专利技术中驱动箱体连接关节臂端示意图；
[0032]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，10本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
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...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄云志，郭钰，韩亮，何磊，李振涛，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：
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