CN103158148B - 一种机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机械臂,包括底座,所述底座上通过底座旋转关节连接大臂俯仰关节,所述大臂俯仰关节底端一侧设有照明灯,所大臂俯仰关节顶端连接小臂俯仰关节,所述小臂俯仰关节连接手腕俯仰关节,所述手腕俯仰关节一侧设有手抓主体,所述手抓主体前端设有两个夹持手抓,所述手抓主体后端通过连接轴连接云台。本发明的有益效果为:机械臂轻量化设计,在同等抓举力矩状态下,只有不到传统设备1/3的重量;机械臂与观察云台融合,能够实现功能复合的操作;云台观察高度高达1.8米,具有更广泛的视角;机械臂实现六自由度运动,实现全方位无死角运动耗电少,制造成本低,绿色环保;抗震,保护性能优越。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械臂。
背景技术
目前还没有机器人平台专用机械臂,现有机器人使用的机械臂本体和机器人融为一体,作为一台专用设备进行使用,现有机器人用机械臂多功能单一,例如流水线上的机械臂仅能重复同一动作,不能多种环境使用,不能实现对不同设备的兼容;在转动过程中也有死角,不能全方位无死角运转;没有采用密封式设计,不能水下工作;另外传统机械臂中重量过重,抗震不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种机械臂,结构重量轻,易于调整,传动精准,结构模块清晰,兼容性好,可在多种环境中使用。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现:
一种机械臂,包括底座,所述底座上通过底座旋转关节连接大臂俯仰关节,所述大臂俯仰关节底端一侧设有照明灯,所大臂俯仰关节顶端连接小臂俯仰关节,所述小臂俯仰关节连接手腕俯仰关节,所述手腕俯仰关节一侧设有手抓主体,所述手抓主体前端设有两个夹持手抓,所述手抓主体后端通过连接轴连接云台,所述云台包括云台俯仰关节、云台旋转关节、云台翻盖和摄像头。
进一步的,所述手抓主体包括电机,电机一端连接行星减速机,行星减速机右侧设有电路板,行星减速机左侧通过手抓旋转机构连接手腕俯仰关节,行星减速机前端通过锁紧螺柱和涡轮挡环连接手抓传动轴,手抓传动轴前端套有二级蜗杆,二级蜗杆啮合两个蜗杆轴,二级蜗杆和蜗杆轴位于蜗杆安装盒内,蜗杆轴两端设有手抓主支撑杆,蜗杆安装盒两侧设有手抓副支撑杆,手抓主支撑杆和手抓副支撑杆前端通过旋转杆连接指爪。
进一步的,所述大臂俯仰关节、小臂俯仰关节和手腕俯仰关节均设有电机,所述电机连接行星减速机,行星减速机连接二级齿杆,二级齿杆啮合齿盘,齿盘连接机械臂杆。
进一步的,所述底座旋转关节和云台俯仰关节均设有电机,电机连接行星减速机,行星减速机连接二级蜗杆,二级蜗杆杆啮合蜗轮盘,蜗轮盘连接机械臂杆。
进一步的,所述云台旋转关节设有电机,电机连接行星减速机,行星减速机连接二级齿轮,二级齿轮包括主动齿轮和从动齿轮,从动齿轮连接机械臂杆。
进一步的,所述电机均设有解码器和编码器。
进一步的,所述底座、大臂俯仰关节、小臂俯仰关节、手腕俯仰关节、手抓主体和云台的传动件与外壳结合面部位均设有密封圈。
进一步的,所述底座、手抓主体和云台上均设有与解码器和编码器相连的通用接口。
本发明的有益效果为:
1)、采用了全新的关节结构,安装简便,结构重量轻,易于调整;
2)、采用了多模一体的结构,在保证了机械爪运行的同时,还能够有效地对周围进行全方位观察,解决目前机械臂功能单一且功能能力不足等问题;
3)、大范围的通用模块和通用接口,兼容性好,使得各种设备的模块都可以方便的加载在该型机械臂上;
4)、采用防护设计,在所有的动密封面全部采用密封设计,在外壳零件的所有结合面也全都采用密封圈进行密封,使得该设备具有很好的防水设计,即使在水下一米也可以正常工作;
5)、云台观察高度是机械爪的1.5倍,具有更广泛的视角;
6)、机械臂实现六自由度运动,实现全方位无死角运动;
7)、耗电少,制造成本低,绿色环保。
附图说明
下面根据附图对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明实施例所述机械臂的结构示意图;
图2是本发明实施例所述手抓主体的结构示意图;
图3是本发明实施例所述手抓主体的分解示意图;
图4是本发明实施例所述大臂关节的结构示意图;
图5是本发明实施例所述大臂关节的分解示意图;
图6是本发明实施例所述底座的分解示意图。
图中:
1、底座;2、大臂俯仰关节;3、照明灯;4、小臂俯仰关节;5、手腕俯仰关节;6、手抓主体;7、夹持手抓;8、连接轴;9、云台;10、电机;11、行星减速机;12、电路板;13、手抓旋转机构;14、锁紧螺柱;15、涡轮挡环;16、手抓传动轴;17、二级蜗杆;18、蜗杆轴;19、蜗杆安装盒;20、手抓主支撑杆;21、手抓副支撑杆;22、旋转杆;23、指爪;24、二级齿杆;25、齿盘;26、机械臂杆;27、涡轮盘;28、二级齿轮;29、解码器;30、编码器;31、密封圈;32、预留法兰接口;33、云台翻盖;34、摄像头;35、螺钉;36、轴承;37、垫圈;38、外壳;39、键。
具体实施方式
如图1-6所示,本发明实施例所述的一种机械臂,包括底座1,所述底座1上通过底座旋转关节连接大臂俯仰关节2,所述大臂俯仰关节2底端一侧设有照明灯3,所大臂俯仰关节2顶端连接小臂俯仰关节4,所述小臂俯仰关节4连接手腕俯仰关节5,所述手腕俯仰关节5一侧设有手抓主体6,所述手抓主体6前端设有两个夹持手抓7,所述手抓主体6后端通过连接轴8连接云台9,所述云台9包括云台俯仰关节、云台旋转关节、云台翻盖33和摄像头34。所述手抓主体6包括电机10,电机10一端连接行星减速机11,行星减速机11右侧设有电路板12,行星减速机11左侧通过手抓旋转机构13连接手腕俯仰关节5,行星减速机11前端通过锁紧螺柱14和涡轮挡环15连接手抓传动轴16,手抓传动轴16前端套有二级蜗杆17,二级蜗杆17啮合两个蜗杆轴18,二级蜗杆17和蜗杆轴18位于蜗杆安装盒19内,蜗杆轴18两端设有手抓主支撑杆20,蜗杆安装盒18两侧设有手抓副支撑杆21,手抓主支撑杆20和手抓副支撑杆21前端通过旋转杆22连接指爪23。所述大臂俯仰关节2、小臂俯仰关节4和手腕俯仰关节4均设有电机10,所述电机10连接行星减速机11,行星减速机11连接二级齿杆24,二级齿杆24啮合齿盘25,齿盘25连接机械臂杆26。所述底座旋转关节和云台俯仰关节均设有电机10,电机10连接行星减速机11,行星减速机11连接二级蜗杆17,二级蜗杆17啮合蜗轮盘27,蜗轮盘27连接机械臂杆26。所述云台旋转关节设有电机10,电机10连接行星减速机11,行星减速机11连接二级齿轮28,二级齿轮28包括主动齿轮和从动齿轮,从动齿轮连接机械臂杆26。所述电机10连接有解码器29和编码器30。所述底座1、大臂俯仰关节2、小臂俯仰关节4、手腕俯仰关节5、手抓主体6和云台9的传动件与外壳结合面部位均设有密封圈31。所述底座1、手抓主体6和云台9上均设有预留法兰接口32。
本发明提供的机械臂包括底座旋转关节、大臂俯仰关节2、小臂俯仰关节4、手腕俯仰关节5、手抓旋转关节、手抓加持关节、云台9俯仰关节、云台9旋转关节、摄像头34俯仰关节、云台翻盖33关节,所有关节的驱动分别由电机10驱动,且在电机10前方均使用行星减速机11进行减速,通过减速后,将扭矩输出至下一关节,其中,大臂俯仰关节2,小臂俯仰关节4,手腕俯仰关节5三者内部结构和控制方式相同,仅尺寸不同,三者中电机10经过行星减速机11减速后,输出给二级齿杆24,二级齿杆24带动齿盘25进行转动,并通过齿盘25将扭矩传递给机械臂杆,机械臂杆发生位移,机械臂关节开始运动。底座旋转关节、手抓旋转关节、云台9俯仰关节、摄像头34俯仰关节中,电机10经过行星减速机11减速后,输出给二级蜗杆17,二级蜗杆17带蜗杆轴18进行转动,并通过蜗杆轴18将扭矩传递给机械臂杆,机械臂杆发生位移,机械臂关节开始运动。
云台9旋转关节,电机10经过行星减速机11减速后,输出给二级齿轮28,主动齿轮带动从动齿轮进行转动,并通过从动齿轮轴将扭矩传递给机械臂杆,云台9旋转关节发生位移,云台旋转关节开始运动。
手抓夹持关节,电机10经过行星减速机11减速后,输出给二级蜗杆17,二级蜗杆17带动双蜗杆轴18进行转动,并通过从蜗杆轴18将扭矩分别传递给手抓主支撑杆20和手抓副支撑杆21,手抓主支撑杆20和手抓副支撑杆21形成一个平行四边形机构将运动传递给指爪23,左右两指爪23的指尖在做绝对运动的同时也进行相对运动,速度为绝对运动速度的二倍,而机械臂手抓指尖的相对运动实现了机械臂手抓的夹持与松开。
在云台翻盖33机构中,电机10经过行星减速机11减速后,输出给二级蜗杆17,二级蜗杆17带动蜗杆轴18进行转动,并通过蜗杆轴18将扭矩传递给三级齿轮,三级齿轮通过三级从动齿轮轴带动云台翻盖33转动,从而使云台遮盖33实现打开或者关闭。
附图2、附图5和附图6显示了以上所述传动机构传动部件的连接方式,据此连接方式即可完成上述所述的旋转、俯仰和夹持动作。一些机械行业通用的轴承36、垫圈37、螺母、螺钉35、键39和各个传动部件的支撑部件只需尺寸合适、能够保持主要传动部件的稳定工作即可,因此没有一一标出。
机械臂在运动的过程中,可以通过遥控器单独控制每一个关节进行运动,也可以通过计算机对机械臂的各个关节进行连动控制,也可以采用计算机内部的控制路径实现一键展开等功能,实现对机器人专用机械臂的实施,高效,稳定的控制。
机械臂上所有的电机均采用闭环伺服控制,并使用绝对编码器30实时监控机械臂的绝对位置,有效的防止了机械臂在运动过程中的自干涉,也可以通过控制设备对机械臂实施有效的最优控制。
在机械臂运动过程中,当遇到较大阻力导致机械臂无法继续运动时,电机10中有电流通过,但无法运转,电机10将容易烧毁,此时电路板12则开始控制降低电流,防止电机10烧毁。
机械臂各个关节进行运动时,当承受转矩超过设计指标时,通过转轴施加给涡轮挡环15(具有弹簧特性)压缩力,当涡轮挡环15承载大于弹形变量时,涡轮挡环15变形,传动机构脱开,此时,电机10的输出扭矩无法传递给外部的臂杆机构,机械臂杆也无法将阻力传回给电机10,机构进入自动保护状态,直到扭矩恢复到正常值为止。
机器人专用机械臂的设计大量的采用标准化,模块化设计,在机械臂的的下方,手抓的后方,以及云台9,底座1的上部等,都设置了预留法兰接口32和安装法兰孔位,可以安装所有符合要求的插头和标准件以及负载设备,给外挂功能附件的安装留下了极大的空间,使用简单,方便,使得配置更加均衡,适用于各种平台的搭载。
由于考虑到机器人使用机械臂需要伴随机器人共同前进,协同作业,在设计时需要充分的考虑机器人的负载能力和使用环境。因此,机器人机械臂在驱动部分优选采用高效率和高能效比的空心杯电机10,其效率超过传统电机30%,中间传递环节使用高性能行星减速机11减速,效率达到65%,远超过蜗轮蜗杆的45%,同时,所有的传动结构全部使用齿轮或者变异齿轮等高效率传动结构,运转过程中,所有地方采用轴承36,其中绝大部分采用滚动轴承,极大的减小了在运动中的损耗.除了运动传递链的高效能以外,平台设计大范围的采用轻量化材料,重量只有传统材料的40%,在设计中又大量采用镂空结构,并对所有结构进行有限元分析,进一步减重50%,最终得到一个超轻量化机械臂,且在设计中,考虑到机器人的作业环境更加恶劣,设计中也大量的使用了微量回弹和柔性杠杆技术,减少硬性冲击对机械臂产生影响,同时每个关节都增加了力矩保护环节,防止因为关节过载而造成设备的硬性损坏。
考虑到机械臂的使用和云台9观测高度等多方面问题,机器人机械臂采用了创新的机械臂,云台9一体结构,直接将云台9安装在机械臂的最顶端,一方面由于在机械臂的末端增加了更多的观测设备,使得机械臂的观察和使用更加灵活,另一方面,由于云台9安装在了机械臂的末端,使得云台的高度达到了1.8米,超过了机器人长度的三倍,且两种设备集成安装,通用接口,使得机器人对机械臂的操控更加的灵活,便捷。
本发明不局限于上述最佳实施方式,任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品,但不论在其形状或结构上作任何变化,凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案,均落在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种机械臂,包括底座(1),其特征在于:所述底座(1)上通过底座旋转关节连接有大臂俯仰关节(2),所述大臂俯仰关节(2)底端一侧设有照明灯(3),所大臂俯仰关节(2)顶端连接有小臂俯仰关节(4),所述小臂俯仰关节(4)连接有手腕俯仰关节(5),所述手腕俯仰关节(5)一侧设有手抓主体(6),所述手抓主体(6)前端设有两个夹持手抓(7),所述手抓主体(6)后端通过连接轴(8)连接云台(9),所述云台(9)包括云台俯仰关节、云台旋转关节、云台翻盖(33)和摄像头(34);所述手抓主体(6)包括电机(10),电机(10)一端连接行星减速机(11),行星减速机(11)右侧设有电路板(12),行星减速机(11)左侧通过手抓旋转机构(13)连接手腕俯仰关节(5),行星减速机(11)前端通过锁紧螺柱(14)和涡轮挡环(15)连接手抓传动轴(16),手抓传动轴(16)前端套有二级蜗杆(17),二级蜗杆(17)啮合两个蜗杆轴(18),二级蜗杆(17)和蜗杆轴(18)位于蜗杆安装盒(19)内,蜗杆轴(18)两端设有手抓主支撑杆(20),蜗杆安装盒(18)两侧设有手抓副支撑杆(21),手抓主支撑杆(20)和手抓副支撑杆(21)前端通过旋转杆(22)连接指爪(23)。
2.根据权利要求1所述的机械臂,其特征在于:所述大臂俯仰关节(2)、小臂俯仰关节(4)和手腕俯仰关节(4)均设有电机(10),所述电机(10)连接行星减速机(11),行星减速机(11)连接二级齿杆(24),二级齿杆(24)啮合齿盘(25),齿盘(25)连接机械臂杆(26)。
3.根据权利要求2所述的机械臂,其特征在于:所述底座旋转关节和云台俯仰关节均设有电机(10),电机(10)连接行星减速机(11),行星减速机(11)连接二级蜗杆(17),二级蜗杆(17)啮合蜗轮盘(27),蜗轮盘(27)连接机械臂杆(26)。
4.根据权利要求3所述的机械臂,其特征在于:所述云台旋转关节设有电机(10),电机(10)连接行星减速机(11),行星减速机(11)连接二级齿轮(28),二级齿轮(28)包括主动齿轮和从动齿轮,从动齿轮连接机械臂杆(26)。
5.根据权利要求4所述的机械臂,其特征在于:所述电机(10)连接有解码器(29)和编码器(30)。
6.根据权利要求5所述的机械臂,其特征在于:所述底座(1)、大臂俯仰关节(2)、小臂俯仰关节(4)、手腕俯仰关节(5)、手抓主体(6)和云台(9)的传动件与外壳结合面部位均设有密封圈(31)。
7.根据权利要求1-6任一项所述的机械臂,其特征在于:所述底座(1)、手抓主体(6)和云台(9)上均设有预留法兰接口(32)。
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Granted publication date: 20150909 Termination date: 20210323 |
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