CN104385276B - 单电机三自由度机械手臂机构 - Google Patents

Abstract

单电机三自由度机械手臂机构，套筒9固定连接一固定电磁铁23，前端部分固定连接一限位块20；在电机轴7的一端通过膜片型联轴器27与钥匙块26连接；电磁滑块转换接头22、25内置于套筒9中且分别在固定电磁铁23的两侧；蜗杆连接筒24插在电磁滑块转换接头22、25以及固定电磁铁23对应的轴孔里，蜗杆连接筒挡片21固连在蜗杆连接筒24的前端部；蜗杆轴16安装在限位块20的对应轴孔里以及蜗杆连接筒24、蜗杆连接筒挡片21的正三角形通孔中；在电磁滑块转换接头22、25以及固定电磁铁23的顶部安装有电极块33；在电机轴7的另一端安装有45度的锥齿轮5，动力行星轮4的轴29上装有可复位锥齿轮28，制动圆盘32套在动力行星轮4、行星轮2、行星轮2′的轴上。

Description

单电机三自由度机械手臂机构

技术领域

本发明涉及一种机器人结构，尤其涉及一种机械手臂。

背景技术

在实际的生产工作当中，有些工作的工作环境是在高危，高污染的条件下进行的，可能会对人体造成伤害，而有些工作又要求较高的精度和效率，故在此类工作中常使用机器人来代替人员操作。机械手臂是机器人实现各种操作动作必不可少的部件。现有的机械手臂，不论是国内的还是国外的，通常都是一个自由度对应安装一个电机，即一台电机只负责一个方向上的一个动作。因此常规的机械手臂为实现较多的动作要求往往需要多个电机，如题所示的的三自由度机械手臂就至少需要三台电机，这不仅导致机械手臂的结构臃肿，体积庞大，而且制造成本高，易损坏及维修困难。此外，现有的机械手臂由于要同时控制多台电机协同工作，其控制要求较高，技术难度较大，从而导致研发成本提高，更新率下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种单电机三自由度机械手臂机构。

本发明是单电机三自由度机械手臂机构，包括有壳体34，套筒9安装在壳体34的两个滚动轴承8上，套筒9的外表面固定安装有电磁制动器11和电磁铁供电装置10，套筒9的内表面中间部分固定连接一固定电磁铁23，前端部分固定连接一限位块20；在电机轴7的一端通过膜片型联轴器27与钥匙块26连接；第一电磁滑块转换接头22和第二电磁滑块转换接头25内置于套筒9中且分别在固定电磁铁23的两侧；蜗杆连接筒24插在第一电磁滑块转换接头22、第二电磁滑块转换接头25以及固定电磁铁23对应的轴孔里，蜗杆连接筒挡片21固连在蜗杆连接筒24的前端部；蜗杆轴16安装在限位块20的对应轴孔里以及蜗杆连接筒24、蜗杆连接筒挡片21的正三角形通孔中；在第一电磁滑块转换接头22、第二电磁滑块转换接头25以及固定电磁铁23的顶部安装有电极块33；在电机轴7的另一端安装有45度的锥齿轮5，动力行星轮4的轴29上装有可复位锥齿轮28，制动圆盘32套在动力行星轮4、第一行星轮2、第二行星轮2′的轴上。

本发明实现了只用一台电机完成三个不同自由度的动作，而常规的、现有的电机需要三台电机才能完成这三个动作。因此减少了电机数量，降低了成本，使机械臂的结构更为紧凑，维护更为方便，控制更为简单，降低了机械手臂的技术难度。

附图说明

图1是机械手臂的主视图，图2是图1中A-A向剖视图，图3是机械手臂的俯视图，图4是图2中B-B向剖视图，图5是机械手臂的轴测图，附图标记及对应名称为：外圈轨道轮1，第一行星轮2，第二行星轮2′，太阳轮3，动力行星轮4，锥齿轮5，双轴型步进电机6，电机轴7，套筒滚动轴承8，套筒9，电刷环装置10，电磁制动器11，前部爪手支架12，蜗轮13，曲柄14，爪手15，蜗杆轴16，套筒端盖17，定距环18，蜗杆轴滚动轴承19，限位块20，蜗杆连接筒挡片21，第一电磁滑块转换接头22，固定电磁铁23，蜗杆连接筒24，第二电磁滑块转换接头25，钥匙块26，膜片型联轴器27，可复位锥齿轮28，动力行星轮轴29，电磁刹车器30，太阳轮轴31，制动圆盘32，电极块33，壳体34。

具体实施方式

如图1、图2、图5所示，本发明的单电机三自由度机械手臂机构，包括有壳体34，套筒9安装在壳体34的两个滚动轴承8上，套筒9的外表面固定安装有电磁制动器11和电磁铁供电装置10，套筒9的内表面中间部分固定连接一固定电磁铁23，前端部分固定连接一限位块20；在电机轴7的一端通过膜片型联轴器27与钥匙块26连接；第一电磁滑块转换接头22和第二电磁滑块转换接头25内置于套筒9中且分别在固定电磁铁23的两侧；蜗杆连接筒24插在第一电磁滑块转换接头22、第二电磁滑块转换接头25以及固定电磁铁23对应的轴孔里，蜗杆连接筒挡片21固连在蜗杆连接筒24的前端部；蜗杆轴16安装在限位块20的对应轴孔里以及蜗杆连接筒24、蜗杆连接筒挡片21的正三角形通孔中；在第一电磁滑块转换接头22、第二电磁滑块转换接头25以及固定电磁铁23的顶部安装有电极块33；在电机轴7的另一端安装有45度的锥齿轮5，动力行星轮4的轴29上装有可复位锥齿轮28，制动圆盘32套在动力行星轮4、第一行星轮2、第二行星轮2′的轴上。

本发明的工作原理是：如图1~图5所示，双轴型步进电机6的两端各自连接一个锥齿轮5和负责传输电机动力的钥匙块26，双轴型步进电机6带动锥齿轮5转动时，依靠可复位锥齿轮28与锥齿轮5的啮合，将动力传递至与可复位锥齿轮28组合到一起的太阳轮系，利用太阳轮系中三个行星轮的公转，将它们的三个轴与机械手臂的壳体1连接在一起，从而将此公转转化为整个机械手臂的转动。在电机连有钥匙块的一端，利用第二电磁滑块转换接头25与固定电磁铁23之间的吸合及排斥实现与钥匙块26的断开与接通，从而依靠第二电磁滑块转换接头25与负责手臂在电机轴方向上旋转的套筒9之间的连接实现手臂在电机主轴方向的旋转动作。当需要转换动作时，利用第一电磁滑块转换接头22与固定电磁铁23之间的吸合与排斥实现蜗杆连接筒24与钥匙块26之间的接通与断开，从而带动蜗杆轴16转动，而蜗杆轴16的转动进一步带动四个涡轮13转动使得固联在涡轮13上的双曲柄机构带动前部爪手15完成开合动作。因此依据该发明完成了一台电机控制三个不同自由度所要求的动作的设想，并且三个动作可以同时发生，也可单独或组合发生且互不影响。

如图2、图5所示，膜片型联轴器27、钥匙块26、第一电磁滑块转换接头22、第二电磁滑块转换接头25以及固定电磁铁23、限位块20、蜗杆连接筒24、蜗杆轴16都内置于套筒9内部。

如图2所示，套筒9的内表面开有使第一电磁滑块转换接头22、第二电磁滑块转换接头25往复滑动的光滑槽，该光滑槽分别设有左、右两个极限位置，在套筒9的外表面开有电极块33连接导线的矩形孔。

如图2、图4、图5所示，钥匙块26的形状为十字形，且棱边有以利于和其他装置接通或断开的倒角。

如图2、图4、图5所示，第一电磁滑块转换接头22上有一个光滑的圆孔，该圆孔的直径与蜗杆连接筒24前部的直径相同，蜗杆连接筒24***上述圆孔之中并在其上固连以限制其左右移动的挡片21。

如图2、图4、图5所示，蜗杆连接筒24的后部开有矩形接口，后部直径大于前部直径，整个零件内部开有正三角形通孔，且后部开有用于吸收震动的凹槽。

如图2、图3、图4、图5所示，蜗杆轴16的尾部为三角形，形状大小与蜗杆连接筒24内部的三角形通孔相匹配，并且三条棱边均倒圆角。

如图2、图3、图4、图5所示，第一电磁滑块转换接头22、第二电磁滑块转换接头25及固定电磁铁23中都有内置电磁铁，其上都有用来接线的电极块33；固定电磁铁23上开有直径等于蜗杆连接筒24后部直径的光滑圆孔，第二电磁滑块转换接头25上开有直径大于蜗杆连接筒24后部直径的光滑圆孔。

如图2、图4、图5所示，限位块20的内部装有两个滚动轴承19。

如图2、图4、图5所示，制动圆盘32上开有三个相差120度的光滑轴孔，轴孔直径与行星轮的轴径相同。

如图1~图5所示，以电机轴7为y轴，太阳轮3的轴为x轴，过这两轴的交点并垂直于它们的轴为z轴，以此坐标系为该机械手臂的固定坐标系。双轴型步进电机6沿y轴负方向的一端装有一个45度的锥齿轮5，此锥齿轮与装在动力行星轮4的轴上的可复位锥齿轮28成90度标准啮合。太阳轮3、两个行星轮2、2′、动力行星轮4以及外圈轨道轮1组成太阳轮系，该太阳轮系即可实现减速作用又可实现绕x轴的旋转作用。当双轴型步进电机6转动时，带动锥齿轮5、可复位锥齿轮28转动，由于可复位锥齿轮28与动力行星轮4的轴是键销连接，因而可以带动动力行星轮4绕着自己的轴自转。由于此太阳轮系中的太阳轮3的轴是固连在外加支撑臂或基座上的，因此太阳轮3相对于固定坐标系是静止不动的，所以当动力行星轮4自转时，它将同时围绕太阳轮3的轴公转，即围绕x轴旋转，另外两个行星轮2、2′起虚约束作用且同样围绕x轴公转。由于三个行星轮在公转时的相对位置不变，因此在壳体34的后部的两侧相对应位置各开三个光滑轴孔，将三个行星轮的轴套进这三个轴孔，当两个行星轮2、2′和动力行星轮4公转时，将带动壳体34随之绕x轴旋转。这样便实现了第一个自由度所要求的动作，即绕x轴的旋转。当第一个自由度所要求的动作到达指定位置时需要切换到下一个动作。此时可复位锥齿轮28的电磁铁装置接通外部直流电源带电，从而将可复位锥齿轮28的锥齿轮部分吸附到电磁铁上，使锥齿轮部分沿轴移动，断开它与锥齿轮5的啮合。同时套在三个行星轮轴上的制动圆盘32在电磁刹车器30的作用下被锁紧，从而固定了壳体34的空间位置。此时在电机轴的另一端执行第二个自由度所要求的动作，即绕y轴的旋转。在电机轴的另一端，即沿y轴正方向的一端，在轴上套有膜片型联轴器27，膜片型联轴器27又与钥匙块26相连。同时膜片型联轴器27、第一电磁滑块转换接头22、第二电磁滑块转换接头25以及固定电磁铁23、限位块20、蜗杆连接筒24、蜗杆轴16都内置于套筒9中。

如图1~5所示，套筒9内部开有可沿固定坐标系y轴往复滑动的槽。当电机接通时，首先转至与第二电磁滑块转换接头25的接口相对应的地方完成接口校对动作，然后利用电刷环装置10接通电刷环装置10的外部直流电源，借助电刷环的接线柱用导线连接第一电磁滑块转换接头22、第二电磁滑块转换接头25以及固定电磁铁23上的电极块33，让固定电磁铁23、第二电磁滑块转换接头25带电，并且所通电流使它们各自的电磁铁相互排斥，第二电磁滑块转换接头25将向y轴负方向移动，靠排斥力将第二电磁滑块转换接头25顶死在套筒9内的沿y轴负方向的极限位置，此时第二电磁滑块转换接头25恰好与钥匙块26的连接部分安全配合。同时也让第一电磁滑块转换接头22带电，同样靠排斥力将其推动至限位块20处，使与其固联的蜗杆连接筒24的矩形接口与钥匙块26断开，避免在执行第二个动作时让蜗杆转动。然后启动电机，在联轴器27的带动下，钥匙块26随之转动，进而与其接通的第二电磁滑块转换接头25转动，进而在套筒9内的槽的作用下使得套筒9也随之转动。

如图1~图5所示，由于爪手支架12固联在套筒9上，因此整个爪手部分，包含前部爪手支架12，蜗轮13，曲柄14，爪手15，蜗杆轴16也随之转动。这样就实现了第二个自由度所要求的动作，即绕y轴的旋转。当再次进行自由度切换，执行第三个自由度所要求的动作，即沿x轴或z轴的平移，也即前部爪手15的开合时，首先接通负责锁紧套筒9的电磁制动器11的电源，使其带电从而锁紧套筒9固定它的空间位置。然后改变第二电磁滑块转换接头25、固定电磁铁23中电流的方向，使第二电磁滑块转换接头25与固定电磁铁23相吸引，第二电磁滑块转换接头25沿y轴正向移动，断开第二电磁滑块转换接头25与钥匙块26的连接，然后让双轴型步进电机6带电，校对位置，使钥匙块26与蜗杆连接筒24的矩形接口对齐。然后改变第一电磁滑块转换接头22中的电流方向，使第一电磁滑块转换接头22与固定电磁铁23相吸引，第一电磁滑块转换接头22沿y轴负方向移动，使得与第一电磁滑块转换接头22连接在一起的蜗杆连接筒24的矩形接口与钥匙块26接通。此时，启动电机，钥匙块26随之转动，进而使蜗杆连接筒24转动，由于蜗杆连接筒24与第一电磁滑块转换接头22连接时只限制左右的移动而不限制旋转，且蜗杆连接筒24的后部为三角形通孔，所以蜗杆连接筒24转动时可带动蜗杆轴16转动，进而带动与之标准啮合的四个蜗轮13转动，在两侧的两个蜗轮上分别固联有双曲柄机构的两个曲柄14，在双曲柄机构的连杆上固联有爪手15。蜗轮13转动时，带动曲柄14转动，进而带动爪手15完成开合动作。这样便完成了第三个自由度所要求的动作，即爪手的开合。

以上动作流程中，每次只做一个动作，电机轴只接通负责某个动作的那部分装置，其余部分依靠电磁铁与电机轴断开并锁紧。也可以任意两两组合或同时执行三个动作，只需改变电流方向以控制接通与断开即可。

Claims (10)

1.单电机三自由度机械手臂机构，包括有壳体（34），其特征是：套筒（9）安装在壳体（34）的两个滚动轴承（8）上，套筒（9）的外表面固定安装有电磁制动器（11）和电磁铁供电装置（10），套筒（9）的内表面中间部分固定连接一固定电磁铁（23），前端部分固定连接一限位块（20）；在电机轴（7）的一端通过膜片型联轴器（27）与钥匙块（26）连接；第一电磁滑块转换接头（22）和第二电磁滑块转换接头（25）内置于套筒（9）中且分别在固定电磁铁（23）的两侧；蜗杆连接筒（24）插在第一电磁滑块转换接头（22）、第二电磁滑块转换接头（25）以及固定电磁铁（23）对应的轴孔里，蜗杆连接筒挡片（21）固连在蜗杆连接筒（24）的前端部；蜗杆轴（16）安装在限位块（20）的对应轴孔里以及蜗杆连接筒（24）、蜗杆连接筒挡片（21）的正三角形通孔中；在第一电磁滑块转换接头（22）、第二电磁滑块转换接头（25）以及固定电磁铁（23）的顶部安装有电极块（33）；在电机轴（7）的另一端安装有45度的锥齿轮（5），动力行星轮（4）的轴（29）上装有可复位锥齿轮（28），制动圆盘（32）套在动力行星轮（4）、第一行星轮（2）、第二行星轮（2′）的轴上。

2.根据权利要求1所述的单电机三自由度机械手臂机构，其特征在于膜片型联轴器（27）、钥匙块（26）、第一电磁滑块转换接头（22）、第二电磁滑块转换接头（25）以及固定电磁铁（23）、限位块（20）、蜗杆连接筒（24）、蜗杆轴（16）都内置于套筒（9）内部。

3.根据权利要求1所述的单电机三自由度机械手臂机构，其特征在于套筒（9）的内表面开有使第一电磁滑块转换接头（22）、第二电磁滑块转换接头（25）往复滑动的光滑槽，该光滑槽分别设有左、右两个极限位置，在套筒（9）的外表面开有电极块（33）连接导线的矩形孔。

4.根据权利要求1所述的单电机三自由度机械手臂机构，其特征在于钥匙块（26）的形状为十字形，且棱边有以利于和其他装置接通或断开的倒角。

5.根据权利要求1所述的单电机三自由度机械手臂机构，其特征在于第一电磁滑块转换接头（22）上有一个光滑的圆孔，该圆孔的直径与蜗杆连接筒（24）前部的直径相同，蜗杆连接筒（24）***上述圆孔之中并在其上固连以限制其左右移动的挡片（21）。

6.根据权利要求1所述的单电机三自由度机械手臂机构，其特征在于蜗杆连接筒（24）的后部开有矩形接口，后部直径大于前部直径，整个零件内部开有正三角形通孔，且后部开有用于吸收震动的凹槽。

7.根据权利要求1所述的单电机三自由度机械手臂机构，其特征在于蜗杆轴（16）的尾部为三角形，形状大小与蜗杆连接筒（24）内部的三角形通孔相匹配，并且三条棱边均倒圆角。

8.根据权利要求1所述的单电机三自由度机械手臂机构，其特征在于第一电磁滑块转换接头（22）、第二电磁滑块转换接头（25）及固定电磁铁（23）中都有内置电磁铁，其上都有用来接线的电极块（33）；固定电磁铁（23）上开有直径等于蜗杆连接筒（24）后部直径的光滑圆孔，第二电磁滑块转换接头（25）上开有直径大于蜗杆连接筒（24）后部直径的光滑圆孔。

9.根据权利要求1所述的单电机三自由度机械手臂机构，其特征在于限位块（20）的内部装有两个滚动轴承（19）。

10.根据权利要求1所述的单电机三自由度机械手臂机构，其特征在于制动圆盘（32）上开有三个相差120度的光滑轴孔，轴孔直径与行星轮的轴径相同。