一种仿生机械臂及仿生机械臂系统

摘要

本发明涉及机械臂技术领域，更具体地，涉及一种仿生机械臂及仿生机械臂系统。一种仿生机械臂，包括基座、连接臂组件以及软体结构的爪部部件，爪部部件以及连接臂组件上安装有用于配合连接臂组件运动以控制夹爪部件张开与闭合的控制绳，控制绳穿设在爪部部件、连接臂组件中，连接臂组件具有动力输入连接端、动力输出连接端以及第一连接端，第一连接端与基座相铰接，动力输出连接端与爪部部件相铰接，基座上安装有与动力输入连接端相连的驱动装置，驱动装置驱动连接臂组件运动，并使控制绳呈张紧或松弛状态以使爪部部件运动。该装置相对传统的掘进装置体积更小，能效更高。

说明书

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，更具体地，涉及一种仿生机械臂及仿生机械臂系统。

背景技术

当前，对掘进方面的设计依旧以冲击穿透技术、螺旋钻进技术和高功率激光钻空技术为主进行设计的，而这些掘进方式存在着高能耗的缺陷。由于国内外对于地球陆地、高山、海底等土层的挖掘需求也在不断加大。在一些应用场景中，人员及大型设备难以到达，这使得上述的掘进装置存在应用的局限性。此外，在需要挖掘小型洞穴并对洞穴内的土壤环境进行研究采样时，传统的掘进装置在工作过程中，由于其整体结构难以进一步缩小，爪部部件会碰触洞穴壁，从而导致洞穴坍塌的问题。因此亟需研究并设计一种具有高能效、小体积的新型设备。中国专利申请，公开了一种智能型机器人掘进机，包括机载控制系统、截割系统、装运机构、行走架和液压电气系统，所述机载控制系统通信连接有定位系统，且所述机载控制系统一端通信连接有截割系统。该技术方案能够实现智能定位定向，保证该机器人掘进机工作的位置更准，提高了工作的精度，但是仍存在着体积大，能耗高的问题。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中掘进装置存在着体积大，能耗高的问题，提供一种仿生机械臂。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种仿生机械臂，包括基座、连接臂组件以及软体结构的爪部部件，所述爪部部件以及连接臂组件上安装有用于配合连接臂组件运动以控制夹爪部件张开与闭合的控制绳，所述控制绳穿设在所述爪部部件、连接臂组件中，所述连接臂组件具有动力输入连接端、动力输出连接端以及第一连接端，所述第一连接端与所述基座相铰接，所述动力输出连接端与所述爪部部件相铰接，所述基座上安装有与所述动力输入连接端相连的驱动装置，所述驱动装置驱动所述连接臂组件运动，并使所述控制绳呈张紧或松弛状态以使所述爪部部件运动。

在本技术方案中，驱动装置驱动连接臂组件运动，连接臂组件使得控制绳呈张紧或松弛状态，连接臂组件带动爪部部件运动配合爪部部件的张开与闭合，可实现爪部部件末端路径仿鼹鼠前肢挖掘轨迹，从而实现仿生机械臂高能效的对土壤进行挖掘。本技术方案中，连接臂组件运动过程中爪部部件在回收的轨迹段中，连接臂组件的运动使得穿设在连接臂组件以及爪部部件中的控制绳处于绷紧的状态，从而使得控制绳将爪部部件向掌心折叠。而在末端轨迹为挖掘段时对应的连接臂组件的运动使得穿设在连接臂组件以及爪部部件中的控制绳处于松弛的状态，控制绳对爪部部件没有作用力而爪部部件通过自身的柔韧性会恢复至爪部张开，实现爪部部件的打开。该仿生机械臂可在回收机械臂时，能够使得爪部部件向掌心折叠，从而可以减小机械臂整体体积，避免连接臂组件与爪部部件碰触土壤壁面，从而引起土壤壁面坍塌的问题。该装置相对传统的掘进方式能耗更低，能效更高。

优选地，所述连接臂组件包括连接臂基体、动力输入连接臂、动力传递连接臂组件以及动力输出连接臂组件；所述第一连接端设于所述连接臂基体上，所述动力输入连接端设于所述动力输入连接臂上，所述动力输出连接端设于所述动力输出连接臂组件上；所述动力输入连接臂与所述驱动装置相连，所述动力输入连接臂还与所述连接臂基体相铰接；所述动力传递连接臂组件分别与所述动力输入连接臂、动力输出连接臂组件以及连接臂基体相铰接；所述动力输出连接臂组件与所述爪部部件相铰接。

优选地，所述控制绳依次安装在所述爪部部件、动力输出连接臂组件、动力传递连接臂组件以及连接臂基体上。

优选地，所述动力输入连接臂为第一臂体，所述第一臂体上分别设置有第一铰接部、第二铰接部以及第三铰接部，所述第一铰接部与所述驱动装置相连，所述第三铰接部与所述连接臂基体相铰接，所述第二铰接部与所述动力传递连接臂组件相铰接。

优选地，所述连接臂基体为第三臂体，所述第三臂体上分别设置有第四铰接部、第五铰接部、第六铰接部以及第七铰接部，所述第四铰接部与所述基座相铰接，所述第五铰接部与所述第三铰接部相铰接，所述第六铰接部以及第七铰接部分别与所述动力输出连接臂组件相铰接，所述第六铰接部上分别设置有用于控制绳穿过的第一安装孔、第二安装孔。

优选地，所述动力传递连接臂组件包括第四臂体，所述第四臂体设有第八铰接部以及第九铰接部，所述第八铰接部与所述第二铰接部相铰接，所述第九铰接部与所述动力输出连接臂组件相铰接；所述第四臂体上分别设置有用于控制绳穿过的第三安装孔、第四安装孔。

优选地，所述动力输出连接臂组件包括第五臂体、第六臂体以及第七臂体，所述第五臂体上设置有第十铰接部以及第十一铰接部，所述第六臂体上设置有第十二铰接部、第十三铰接部以及第十四铰接部，所述第七臂体上设置有第十五铰接部、第十六铰接部以及第十七铰接部；所述第十铰接部与所述六铰接部铰接，所述第十一铰接部与所述第十五铰接部铰接；所述第十二铰接部与所述第七铰接部相铰接，所述第十三铰接部与所述第九铰接部相铰接，所述第十四铰接部与所述第十六铰接部相铰接；所述第十六铰接部与所述爪部部件相铰接，所述第七臂体上还设置有用于限定爪部部件转动的限位块。

优选地，所述第六臂体的两侧设置有用于控制绳穿过的第五安装孔以及第六安装孔，所述爪部部件的两侧分别设有用于控制绳穿过的第一通道以及第二通道，所述控制绳的一端依次穿过所述第一通道、第五安装孔、第三安装孔、第一安装孔、第二安装孔、第四安装孔、第六安装孔以及第二通道后与并与控制绳的另一端相连。

优选地，所述动力传递连接臂组件还包括第二臂体，所述第二臂体上设置有第十八铰接部以及第十九铰接部，所述第十八铰接部分别与所述第二铰接部以及第八铰接部相铰接，所述第十九铰接部分别与所述第三铰接部、第五铰接部相铰接；所述驱动装置包括安装在基座上的电机以及一端与电机输出轴相连的偏心轴，所述偏心轴的另一端与所述第一铰接部相铰接。

本发明还提供一种仿生机械臂系统，包括两组如上所述的仿生机械臂，两个所述基座相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在本发明中，驱动装置驱动连接臂组件运动，连接臂组件使得控制绳呈张紧或松弛状态，连接臂组件带动爪部部件运动配合爪部部件的张开与闭合，可实现爪部部件末端路径仿鼹鼠前肢挖掘轨迹，从而实现仿生机械臂高能效的对土壤进行挖掘。本技术方案中，连接臂组件运动过程中爪部部件在回收的轨迹段中，连接臂组件的运动使得穿设在连接臂组件以及爪部部件中的控制绳处于绷紧的状态，从而使得控制绳将爪部部件向掌心折叠。而在末端轨迹为挖掘段时对应的连接臂组件的运动使得穿设在连接臂组件以及爪部部件中的控制绳处于松弛的状态，控制绳对爪部部件没有作用力而爪部部件通过自身的柔韧性会恢复至爪部张开，实现爪部部件的打开。该仿生机械臂可在回收机械臂时，能够使得爪部部件向掌心折叠，从而可以减小机械臂整体体积，同时便于挖掘后的土壤向后排出，也避免连接臂组件与爪部部件碰触土壤壁面，从而引起土壤壁面坍塌的问题。该装置相对传统的掘进方式能耗更低，能效更高。

附图说明

图1是本发明仿生机械臂的立体图；

图2是本发明仿生机械臂中连接臂组件的的结构示意图；

图3是本发明仿生机械臂中基座与驱动装置的连接关系图；

图4是本发明仿生机械臂中爪部部件的结构示意图；

图5是本发明仿生机械臂中第一臂体的结构示意图；

图6是本发明仿生机械臂中第二臂体的结构示意图；

图7是本发明仿生机械臂中第三臂体的结构示意图；

图8是图7中局部A放大图；

图9是本发明仿生机械臂中第四臂体的结构示意图；

图10是本发明仿生机械臂中第五臂体的结构示意图；

图11是本发明仿生机械臂中第六臂体的结构示意图；

图12是本发明仿生机械臂中第七臂体的结构示意图；

图13是本发明仿生机械臂系统的结构示意图；

图14是本发明仿生机械臂中爪部部件运动轨迹图。

附图中：1、基座；2、连接臂组件；3、爪部部件；4、控制绳；5、驱动装置；6、连接件；21、动力输入连接臂；22、第二臂体；23、连接臂基体；24、第四臂体；25、第五臂体；26、第六臂体；27、第七臂体；211、第一铰接部；212、第二铰接部；213、第三铰接部；231、第四铰接部；232、第五铰接部；233、第六铰接部；234、第七铰接部；235、第一安装孔；236、第二安装孔；241、第八铰接部；242、第九铰接部；243、第三安装孔；244、第四安装孔；251、第十铰接部；252、第十一铰接部；261、第十二铰接部；262、第十三铰接部；263、第十四铰接部；271、第十五铰接部；272、第十六铰接部；273、第十七铰接部；274、限位块；264、第五安装孔；265、第六安装孔；31、第一通道；32、第二通道；221、第十八铰接部；222、第十九铰接部；51、电机；52、偏心轴；53、空心轴；521、安装块；522、连接轴。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：

实施例1

如图1至图5、图7至图12所示，一种仿生机械臂，包括基座1、连接臂组件2以及软体结构的爪部部件3，爪部部件3以及连接臂组件2上安装有用于配合连接臂组件2运动以控制夹爪部件张开与闭合的控制绳4，控制绳4穿设在爪部部件3、连接臂组件2中，连接臂组件2具有动力输入连接端、动力输出连接端以及第一连接端，第一连接端与基座1相铰接，动力输出连接端与爪部部件3相铰接，基座1上安装有与动力输入连接端相连的驱动装置5，驱动装置5驱动连接臂组件2运动，并使控制绳4呈张紧或松弛状态以使爪部部件3运动。在本实施例中，驱动装置5驱动连接臂组件2运动，连接臂组件2使得控制绳4呈张紧或松弛状态，连接臂组件2带动爪部部件3运动配合爪部部件3的张开与闭合，可实现爪部部件3末端路径仿鼹鼠前肢挖掘轨迹，从而实现仿生机械臂高能效的对土壤进行挖掘。在本实施例中，连接臂组件2运动过程中爪部部件3在回收的轨迹段中，连接臂组件2的运动使得穿设在连接臂组件2以及爪部部件3中的控制绳4处于绷紧的状态，从而使得控制绳4将爪部部件3向掌心折叠。而在末端轨迹为挖掘段时对应的连接臂组件2的运动使得穿设在连接臂组件2以及爪部部件3中的控制绳4处于松弛的状态，控制绳4对爪部部件3没有作用力而爪部部件3通过自身的柔韧性会恢复至爪部张开，实现爪部部件3的打开。该仿生机械臂可在回收机械臂时，能够使得爪部部件3向掌心折叠，从而可以减小机械臂整体体积，避免连接臂组件2与爪部部件3碰触土壤壁面，从而引起土壤壁面坍塌的问题。需要说明的是，如图14所示，连接臂组件2在驱动装置5的的带动下可实现爪部部件3仿鼹鼠前肢末端输出的近似椭圆的轨迹，该轨迹下，连接臂组件2以及爪部部件3侧向运动，将土壤沿着a-b-c轨迹运动，并将土壤移到一边，爪部部件3在沿着沿着a-b-c轨迹运动的同时并将土壤压入孔壁，这样可以加固孔洞，防止孔洞坍塌。在回程轨迹c-d-a中，从位置c返回到挖掘起始位置a的过程中，连接臂组件2都靠近基座1，尽量避免连接臂组件2与移除的泥土或壁面接触。此外，还需要指出的是，控制绳4穿设在爪部部件3与连接臂组件2中，控制绳4与连接臂组件2、爪部部件3之间是活动连接的。

需要解释的是，在驱动装置5顺时针旋转带动下，使完成挖掘后张开的连接臂组件2逐渐折叠，爪部部件3的末端沿着回程轨迹运行，此时布置在连接臂组件2上的控制绳4随着连接臂组件2的位置而改变，使其处于拉伸状态，从而导致爪部部件3在控制绳4的作用下折叠完成爪的抓握；而当驱动装置5继续顺时针转动，使爪部部件3的末端逐渐进入下一轮挖掘的挖掘起始点时，控制绳4逐渐解除绷紧的状态，控制绳4对爪部部件3的作用力也随之减小，而爪部部件3利用其材料的性质恢复到张开状态。

其中，连接臂组件2包括连接臂基体23、动力输入连接臂21、动力传递连接臂组件2以及动力输出连接臂组件2；第一连接端设于连接臂基体23上，动力输入连接端设于动力输入连接臂21上，动力输出连接端设于动力输出连接臂组件2上；动力输入连接臂21与驱动装置5相连，动力输入连接臂21还与连接臂基体23相铰接；动力传递连接臂组件2分别与动力输入连接臂21、动力输出连接臂组件2以及连接臂基体23相铰接；动力输出连接臂组件2与爪部部件3相铰接。在本实施例中，驱动装置5通过动力输入连接端将动力传递至动力输入连接臂21，动力输入连接臂21通过动力传递连接臂传递至连接臂基体23以及动力输出连接臂组件2上，动力输出连接臂组件2带动爪部部件3移动。需要说明的是，在连接臂基体23、动力输入连接臂21、动力传递连接臂组件2以及动力输出连接臂组件2运动也会同时改变控制绳4的状态，在掘进过程时，控制绳4处于松弛状态，爪部部件3处于张开；在回程时，控制绳4处于绷紧状态，爪部部件3处于闭合的状态。

另外，控制绳4依次安装在爪部部件3、动力输出连接臂组件2、动力传递连接臂组件2以及连接臂基体23上。在本实施例中，连接臂组件2运动过程中爪部部件3在回收的轨迹段中，连接臂组件2的运动使得连接臂基体23与动力传递连接臂组件2之间的距离变大，使得穿设在连接臂组件2以及爪部部件3中的控制绳4处于绷紧的状态，从而使得控制绳4将爪部部件3向掌心折叠。而在末端轨迹为挖掘段时对应的连接臂组件2的运动使得连接臂基体23与动力传递连接臂组件2之间的距离变小，穿设在连接臂组件2以及爪部部件3中的控制绳4处于松弛的状态，控制绳4对爪部部件3没有作用力而爪部部件3通过自身的柔韧性会恢复至爪部张开，实现爪部部件3的打开。

另外，动力输入连接臂21为第一臂体，第一臂体上分别设置有第一铰接部211、第二铰接部212以及第三铰接部213，第一铰接部211与驱动装置5相连，第三铰接部213与连接臂基体23相铰接，第二铰接部212与动力传递连接臂组件2相铰接。在本实施例中，驱动装置5带动第一连接臂运动，第一连接臂带动动力传递连接臂组件2以及连接臂集体运动。

其中，连接臂基体23为第三臂体，第三臂体上分别设置有第四铰接部231、第五铰接部232、第六铰接部233以及第七铰接部234，第四铰接部231与基座1相铰接，第五铰接部232与第三铰接部213相铰接，第六铰接部233以及第七铰接部234分别与动力输出连接臂组件2相铰接，第六铰接部233上分别设置有用于控制绳4穿过的第一安装孔235、第二安装孔236。需要说明的是，第四铰接部231与设于基座1上的空心轴53通过销钉进行铰接。

另外，动力传递连接臂组件2包括第四臂体24，第四臂体24设有第八铰接部241以及第九铰接部242，第八铰接部241与第二铰接部212相铰接，第九铰接部242与动力输出连接臂组件2相铰接；第四臂体24上分别设置有用于控制绳4穿过的第三安装孔243、第四安装孔244。在本实施例中，第四臂体24带动动力输出连接臂组件2运动，动力输出连接臂组件2带动与其相铰接的爪部部件3运动。需要说明的是，第一臂体带动第四臂体24、第三臂体运动，在运动的过程中，爪部部件3在回收的轨迹段中，第四臂体24与第三臂体之间的距离变大，使得穿设在第四臂体24与第三臂体中的控制绳4处于绷紧的状态，从而使得控制绳4将爪部部件3向掌心折叠。而在末端轨迹为挖掘段时，第四臂体24与第三臂体之间距离变小，穿设在第四臂体24与第三臂体中的控制绳4处于松弛的状态，控制绳4对爪部部件3没有作用力而爪部部件3通过自身的柔韧性会恢复至爪部张开，实现爪部部件3的打开。

其中，动力输出连接臂组件2包括第五臂体25、第六臂体26以及第七臂体27，第五臂体25上设置有第十铰接部251以及第十一铰接部252，第六臂体26上设置有第十二铰接部261、第十三铰接部262以及第十四铰接部263，第七臂体27上设置有第十五铰接部271、第十六铰接部272以及第十七铰接部273；第十铰接部251与六铰接部铰接，第十一铰接部252与第十五铰接部271铰接；第十二铰接部261与第七铰接部234相铰接，第十三铰接部262与第九铰接部242相铰接，第十四铰接部263与第十六铰接部272相铰接；第十六铰接部272与爪部部件3相铰接，第七臂体27上还设置有用于限定爪部部件3转动的限位块274。需要说明的是，限位块274的设置能够放置爪部部件3反向翻转。需要说明的是，爪部部件3上设置有第二十铰接部33，通过第二十铰接部33与第十七铰接部273相铰接。还需要指出的是，第五臂体25为弧形结构，第六臂体26呈弯折状结构，第十三铰接部262设于该弯折结构的弯折处。

另外，第六臂体26的两侧设置有用于控制绳4穿过的第五安装孔264以及第六安装孔265，爪部部件3的两侧分别设有用于控制绳4穿过的第一通道31以及第二通道32，控制绳4的一端依次穿过第一通道31、第五安装孔264、第三安装孔243、第一安装孔235、第二安装孔236、第四安装孔244、第六安装孔265以及第二通道32后与并与控制绳4的另一端相连。需要说明的是，控制绳4首尾相连形成封闭的环，这样可以在控制绳4处于绷紧的状态下，可以达到对爪部部件3的控制，使得爪部部件3向着其内侧的掌心折叠，以形成闭合的状态。在控制绳4处于松弛的状态下，控制绳4对爪部部件3的约束力消失，爪部部件3为恢复形变，恢复成张开的状态。

实施例2

与实施例1不同之处在于，如图1至图12所示，动力传递连接臂组件2还包括第二臂体22，第二臂体22上设置有第十八铰接部221以及第十九铰接部222，第十八铰接部221分别与第二铰接部212以及第八铰接部241相铰接，第十九铰接部222分别与第三铰接部213、第五铰接部232相铰接；驱动装置5包括安装在基座1上的电机51以及一端与电机51输出轴相连的偏心轴52，偏心轴52的另一端与第一铰接部211相铰接。需要说明的是，偏心轴52包括安装在电机51输出轴上的安装块521以及与安装块521相连的连接轴522，该连接轴522与电机51的输出轴之间偏心设置。在本实施例中，由于第二臂体22的设置，可以加强第一臂体与第四臂体24之间连接的稳定性，也可以加强第一臂体与第三臂体之间的连接强度。需要说明的是，在实施例1与实施例2中，各铰接部之间的连接均可以通过轴孔与销轴之间的配合，再用卡簧固定销轴来实现，上述的连接方式属于机械上常用的连接手段，在此不再赘述，也可以通过其它的连接方式实现铰接。

实施例3

如图1至如13所示，一种仿生机械臂系统，包括两组如上的仿生机械臂，两个基座1相连。需要说明的是，两个基座1可以通过连接件6进行连接，该连接件6可以安装在机器人或者设备上。通过两组机械臂的配合运动可以实现爪部部件3为桨的游泳运动。当该两个机械臂带动爪部部件3时，可使其完成预定轨迹以及爪部部件3的张合，加上两个机械臂的配合运动和机械臂不同的摆放、摆转角度可达到仿鼹鼠的高能效挖掘和爬行以及游泳三项任务。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。