1.本发明涉及机械臂，特别是涉及一种基于球形齿轮及齿条传动的模块化等曲率机械臂。


背景技术：

2.区别于传统的关节串联型机械臂，柔性机械臂具有灵活度高、避障能力强等优点，在狭小空间和复杂环境中运动和操作能力强，在航空航天制造、大型装备检测维护等领域具有重要的应用价值。现有技术中，柔性机械臂的每个关节连接处均为独立驱动，虽可以提高整臂的冗余度，但相应的也会增加驱动电机数目，导致柔性臂的控制难度、重量及成本的增加。
3.为解决驱动电机数目较多的问题，现有的方案是在关节之间增加弹性元件，把一段臂作为一个控制单元，进行控制，或直接利用弹性材料作为臂基体进行控制，实现类圆弧变形运动。此种机械臂实际运动过程中的形状与圆弧存在偏差，末端精度不高，且末端承载能力较弱，难以满足使用需求。
4.现有技术方案一：
5.cn106625639a公开了一种柔性臂联动关节段，包括短联动绳、长联动绳以及依次串联的第一端部关节、第一中心关节、第二中心关节、第三中心关节与第四中心关节，且从第一端部关节至第四中心关节，相邻关节之间依次设有第一端部连接件、第一中心连接件、第二中心连接件与第三中心连接件。
6.其缺点有：
7.缺点一：该方案臂段关节杆的数量必须为4的倍数，不便于臂杆内关节段数量的配置。
8.缺点二：该方案中远程联动绳在联动过程中，由于俯仰、偏航角度会对远程联动绳的形状产生影响，进而影响到联动的效果。
9.缺点三：该方案中远程联动绳由于在运动过程中，其形状会产生变形，引起缆索预紧力的变化，从而导致臂段关节杆与中心块之间的正压力变化。而其对侧的“8”字型的不锈钢绳索预紧力可视为定值。由此导致的臂杆运动过程中，两侧正压力不同导致的偏载，也会影响到臂杆等角度联动的精度。从而降低了臂杆整体控制精度。
10.缺点四：受臂杆直径的限制，中心块上绳索绕过的圆盘最大直径受到限制，因而制约了绳索的最大可用直径。因此，在一定的载荷下，绳索会产生不可忽略的伸出量，影响到联动精度。此外，也限制了整臂的最大工作载荷。
11.现有技术方案二：
12.cn109773769a公开了一种基于球销副的柔性机械臂，包括多段臂杆、多组联动绳组和多根驱动绳，多段臂杆分别依次首尾相连，其中每相邻的两段臂杆之间通过球销副连接，各组联动绳组分别与两端分别连接有球销副的各段臂杆相对应，每组联动绳组包括多根联动绳，每组联动绳组中的多根联动绳分别依次绕过相对应的臂杆的第一端的球销副、
该相对应的臂杆以及该相对应的臂杆的第二端的球销副以实现联动，每根联动绳在相对应的臂杆上呈s形；多根驱动绳分别依次穿过依次首尾相连的多段臂杆以实现对多段臂杆的驱动。
13.其缺点有：
14.缺点一：该方案形成球销副的内外球面接触面较大；并且，由于联动绳的安装必须提供一定的预紧力。会对球销副的运动产生不利影响。
15.缺点二：为保证联动效果，需要钢丝绳具有较大的预紧力。也会增加球销副关节运动摩擦力。
16.缺点三：受机械臂最大直径的限制，机械臂所依赖的联动绳直径通常较小。故导致机械臂末端负载能力弱，即工作载荷受限明显，限制了该类型机械臂的实际使用。
17.需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本技术的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

18.本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种基于球形齿轮及齿条传动的模块化等曲率机械臂。
19.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
20.一种基于球形齿轮及齿条传动的模块化等曲率机械臂，包括多个臂杆模块、连接于相邻臂杆模块之间的转轴模块以及分布于臂杆模块外围以带动臂杆模块运动的多根驱动绳，所述臂杆模块包括臂杆、直齿条、传动轴、第一和第二球形齿轮，所述转轴模块包括口形框块、两个直齿轮、第三和第四球形齿轮，所述传动轴固定在所述臂杆上，所述直齿条安装在所述臂杆的滑槽中以实现直线滑动，所述直齿条的两端具有直齿，所述第一和第二球形齿轮分别位于所述传动轴的两端，所述两个直齿轮分别固定在所述口形框块的内侧两条相邻边上，所述第三和第四球形齿轮分别固定在所述口形框块的内侧另外两条相邻边上，所述直齿条两端的直齿分别与前后两个转轴模块上的对应直齿轮啮合，所述第一和第二球形齿轮分别与前后两个转轴模块上的对应球形齿轮啮合，所述口形框块的外侧两条相对边上设置有一对销轴，所述口形框块的外侧另外两条相对边上设置有另一对销轴，所述一对销轴与所述另一对销轴分别与相邻臂杆上对应设置的销轴孔枢转连接。
21.进一步地：
22.所述两个直齿轮、所述第三和第四球形齿轮分别固定在所述一对销轴与所述另一对销轴位于所述口形框块的内侧的一端上。
23.所述传动轴为具有扁平表面的传动扁轴。
24.所述臂杆模块还包括设置在所述传动轴的两端的两个安装支架，所述传动轴的两端分别通过对应的安装支架固定在所述臂杆的两端上。
25.所述安装支架包括中间部和与所述中间相连的两个翼部，所述中间部设置有供所述传动轴穿过的轴孔，所述两个翼部分别固定在所述臂杆的侧壁上。
26.所述臂杆具有凸缘部，所述多根驱动绳穿过所述凸缘部上的绳孔与所述臂杆相连，所述两个翼部固定在所述凸缘部上。
27.所述球形齿轮为部分截取式的球形齿轮。
28.所述第一和第二球形齿轮在所述传动轴的两端反向突出设置。
29.所述直齿条两端的直齿均朝向内侧设置，且两者平行但具有横向上的距离，所述直齿条两端的直齿分别从外侧与位于内侧的对应直齿轮啮合。
30.所述直齿条包括中空框部，所述直齿条两端的直齿分别连接于所述中空框部的两个对角向外延伸。
31.本发明具有如下有益效果：
32.本发明提出了一种基于球形齿轮及齿条传动的模块化等曲率机械臂，相比现有的柔性臂，本发明的机械臂是一种更易实现高精度运动控制，承载能力更强，模块化程度更高，联动效果更稳定可靠的柔性臂。
33.本发明实施例相比现有技术方案的优点有：
34.(1)针对现有技术方案一中的缺点一，联动臂段内关节杆数量只能取4，或4的倍数。在本发明方案中，采用全模块化关节段，联动臂段内关节杆的数量可以自由配置。使得臂杆整体可以根据实际工况、路径规划所要求的关节转角更为灵活的进行设计。
35.(2)针对现有技术方案一、二，本发明方案的球形齿轮与齿轮齿条组合联动方式，依赖于齿轮传动的渐开线啮合原理，传动更稳定。避免了现有技术方案中，钢丝绳在传动过程中传动角度、载荷、应力应变之间复杂耦合关系导致的联动精度低的问题。
36.(3)现有技术方案一、二中采用的钢丝绳在受拉时，会产生不容忽略的弹性形变，降低等曲率联动效果，进而影响整臂运动精度。而本发明采用的齿轮传动方式刚度显著高于钢丝绳，同时可以采用现有机制工艺(如热处理、喷丸等)便利地提高表面硬度、产生预应力等力学特性，大大降低联动过程中的形变，提高联动精度。同时，本发明方案有利于整臂工作载荷能力的提高。
37.(4)在现有技术方案一中，远程联动绳在联动过程中，由于俯仰、偏航角度会对远程联动绳的形状产生影响。由于远程联动绳与远程联动绳的软管存在相对运动，且两者之间存在间隙。因此，远程联动绳在联动过程中，会产生联动绳上的力的波动。降低联动效果。而在本发明方案中，将采取的钢珠及锥齿轮相比于技术方案一的远程联动绳在联动运动过程中，不会由于机构的联动引入任何的载荷波动，因此等角度联动过程实现更为可靠平稳。
附图说明
38.图1为本发明一种实施例的基于球形齿轮及齿条传动的模块化等曲率机械臂的结构示意图。
39.图2为本发明一种实施例的臂杆模块的外部结构示意图。
40.图3为本发明一种实施例的臂杆模块的内部结构示意图。
41.图4为本发明一种实施例的传动轴及其球形齿轮的结构示意图。
42.图5为本发明一种实施例的直齿条的结构示意图。
43.图6为本发明一种实施例的转轴模块的结构示意图。
44.图7为本发明一种实施例的机械臂运动示意图。
45.图8为本发明一种实施例的机械臂联动解耦示意图。
具体实施方式
46.以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
47.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
48.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
49.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
50.参阅图1至图8，本发明实施例提供一种基于球形齿轮及齿条传动的模块化等曲率机械臂，包括多个臂杆模块、连接于相邻臂杆模块之间的转轴模块2以及分布于臂杆模块外围以带动臂杆模块运动的多根驱动绳15，所述臂杆模块包括臂杆1、直齿条3、传动轴4、第一和第二球形齿轮5，所述转轴模块2包括口形框块13、两个直齿轮14、第三和第四球形齿轮6，所述传动轴4固定在所述臂杆1上，所述直齿条3安装在所述臂杆1的滑槽中以实现直线滑动，所述直齿条3的两端具有直齿10，所述第一和第二球形齿轮5分别位于所述传动轴4的两端，所述两个直齿轮14分别固定在所述口形框块13的内侧两条相邻边上，所述第三和第四球形齿轮6分别固定在所述口形框块13的内侧另外两条相邻边上，所述直齿条3两端的直齿10分别与前后两个转轴模块2上的对应直齿轮14啮合，所述第一和第二球形齿轮5分别与前后两个转轴模块2上的对应球形齿轮6啮合，所述口形框块13的外侧两条相对边上设置有一对销轴18，所述口形框块13的外侧另外两条相对边上设置有另一对销轴18，所述一对销轴18与所述另一对销轴18分别与相邻臂杆1上对应设置的销轴孔7枢转连接。
51.参阅图1、图6和图8，在优选的实施例中，每对销轴18至少有一个销轴18上安装有螺母以与臂杆1固定。
52.参阅图1-图3及图6-图8，在优选的实施例中，各臂杆1的两端的凸缘部9可分别设置多对轴向突出的前突耳8，各销轴孔7分别设置在对应的前突耳8上。所述前突耳8可以通过穿过销轴孔7的螺母与所述口形框块13的对应销轴18固定在一起。所述销轴孔7还可以在侧壁上安装紧定螺钉11以固定销轴18。
53.在优选的实施例中，所述两个直齿轮14、所述第三和第四球形齿轮6分别固定在所述一对销轴18与所述另一对销轴18位于所述口形框块13的内侧的一端上。
54.在优选的实施例中，所述传动轴4为具有扁平表面的传动扁轴。
55.参阅图3和图4，所述臂杆模块还包括设置在所述传动轴4的两端的两个安装支架12，所述传动轴4的两端分别通过对应的安装支架12固定在所述臂杆1的两端上。安装支架12可通过螺钉安装在臂杆1两端。
56.如图3和图4所示，在更优选的实施例中，所述安装支架12包括中间部和与所述中间相连的两个翼部，所述中间部设置有供所述传动轴4穿过的轴孔，所述两个翼部分别固定在所述臂杆1的侧壁上。
57.如图3和图4所示，在一些实施例中，所述臂杆1具有凸缘部9，所述多根驱动绳15穿过所述凸缘部9上的绳孔与所述臂杆1相连，所述两个翼部固定在所述凸缘部9上。
58.在优选的实施例中，所述球形齿轮5、6为部分截取式的球形齿轮。本发明中根据使用需求可仅截取完整的球形齿轮的部分作为实施例的球形齿轮，以齿轮渐开线齿廓绕径向回转形成。
59.参阅图3和图4，在一些实施例中，所述第一和第二球形齿轮5在所述传动轴4的两端反向突出设置。
60.如图5所示，所述直齿条3两端的直齿10均朝向内侧设置，且两者平行但横向上错开，具有间隔距离，所述直齿条3两端的直齿10分别从外侧与前后两个转轴模块2上的位于内侧的直齿轮14对应啮合。
61.如图5所示，所述直齿条3包括中空框部，所述直齿条3两端的直齿10分别连接于所述中空框部的两个对角向外延伸。
62.以下进一步描述本发明具体实施例。
63.臂杆模块包括臂杆1、直齿条3、安装支架12、球形齿轮5、传动轴4、紧定螺钉等。其中直齿条3安装在臂杆1的滑槽中，实现直线滑动。安装支架12通过螺钉安装在臂杆1两端。传动轴4套在两个安装支架12间。两个球形齿轮5通过紧定螺钉分别固定在传动轴4两端。
64.转轴模块2包括口形框块13、销轴18、球形齿轮6、直齿轮14、螺母等。销轴的d形杆分别与直齿轮14和球形齿轮6的d形内孔配合固定在一起，实现运动传递。
65.相邻两个臂杆1通过口形框块13耦合，实现相邻两个臂杆1之间两个方向上的转动自由度。整体机械臂由多个臂杆1及口形框块13串联组合而成。
66.整体机械臂在外部三根驱动绳15的牵引下实现两个自由度方向上的转动。下述描述运动过程中的联动及解耦。
67.当图8中左边的口形框块13绕转轴x0相对于图8中的中间臂杆转动一定角度，左边的口形框块13通过销轴扁口带动图8中左边的直齿轮14转动，左边直齿轮14通过与直齿条3的啮合将运动转化为直齿条3的直线运动，随后直齿条3将直线运动再转化为右边的直齿轮14及右边的口形框块13的转动。实现了左边臂杆及右边臂杆相对于中间臂杆绕x轴的等大反向转动的运动传递。
68.可通过球形齿轮及臂杆中心的传动轴实现解耦，使臂杆绕x轴的联动转动不影响到臂杆间相对于y轴的转动联动。采用球形齿轮，两个相啮合的齿轮回转轴线夹角发生变化时，球形齿轮仍然能够保持齿轮的啮合运动实现运动传递。
69.当左边臂杆及右边臂杆相对于中间臂杆绕x轴形成不同夹角时，左边臂杆相对于左边口形框块绕y轴的转动总是可以通过球形齿轮的啮合传递给臂杆中心处安装的传动扁轴，进而使中间臂杆右侧的球形齿轮推动安装在右边的口形框块上的球形齿轮，使其发生绕右边的口形框块y轴的转动，从而带动右边臂杆相对右边口形框块的y轴转动相同角度。其转动方向可以参照锥齿轮传动进行分析，可以容易得出其传动为等大反向。
70.从机械臂整体来看，每个相邻关节的两个自由度上的转动都得以实现等大反向的
传递，且两个自由度上的转动互不影响。
71.综上可知，本发明实施例实现一种连续型等曲率联动机械臂，用齿轮及直齿条替代s形钢丝绳实现联动，用球形齿轮在该类机械臂中实现解耦联动，是一种更易实现高精度运动控制，承载能力更强，模块化程度更高，联动效果更稳定可靠的等曲率弯曲联动柔性臂。
72.本发明实施例相比现有技术方案的优点有：
73.(1)针对现有技术方案一中的缺点一，联动臂段内关节杆数量只能取4，或4的倍数。在本发明方案中，采用全模块化关节段，联动臂段内关节杆的数量可以自由配置。使得臂杆整体可以根据实际工况、路径规划所要求的关节转角更为灵活的进行设计。
74.(2)针对现有技术方案一、二，本发明方案的球形齿轮与齿轮齿条组合联动方式，依赖于齿轮传动的渐开线啮合原理，传动更稳定。避免了现有技术方案中，钢丝绳在传动过程中传动角度、载荷、应力应变之间复杂耦合关系导致的联动精度低的问题。
75.(3)现有技术方案一、二中采用的钢丝绳在受拉时，会产生不容忽略的弹性形变，降低等曲率联动效果，进而影响整臂运动精度。而本发明采用的齿轮传动方式刚度显著高于钢丝绳，同时可以采用现有机制工艺(如热处理、喷丸等)便利地提高表面硬度、产生预应力等力学特性，大大降低联动过程中的形变，提高联动精度。同时，本发明方案有利于整臂工作载荷能力的提高。
76.(4)在现有技术方案一中，远程联动绳在联动过程中，由于俯仰、偏航角度会对远程联动绳的形状产生影响。由于远程联动绳与远程联动绳的软管存在相对运动，且两者之间存在间隙。因此，远程联动绳在联动过程中，会产生联动绳上的力的波动。降低联动效果。而在本发明方案中，将采取的钢珠及锥齿轮相比于技术方案一的远程联动绳在联动运动过程中，不会由于机构的联动引入任何的载荷波动，因此等角度联动过程实现更为可靠平稳。
77.本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
78.以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。