CN104589333B - 具有五自由度的码垛机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有五自由度的码垛机械臂，包括机械臂体及控制***，所述的机械臂体包括底板、两块支座板、第一圆板、第二圆板、U型底座、前臂、后臂、手掌、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、三角状肘连杆及四个直流伺服电机，所述的控制***包括工控机、运动控制卡、分别用于驱动四个直流伺服电机的四个驱动器、用于检测U型底座转角信息的第一位置传感器、用于检测后臂位置信息的第二位置传感器及用于检测前臂位置信息的第三位置传感器；本发明的机械臂为四轴驱动五自由度机械臂，其机械结构紧凑、操作方便，可用于搬运、码垛、装货及卸货等多种场合，可实现空间多角度操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有五自由度的码垛机械臂，用于搬运、码垛、装货及卸货等多种场合。
背景技术
随着机器人技术在码垛工艺中的应用，码垛机械臂在工业领域中得到了广泛应用，进而降低了人工码垛的工作强度，提高了生产效率。与此同时，针对码垛机械臂的产品方案设计也层出不穷，以满足不同的码垛任务和要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构紧凑、重量轻、可用于多种场合且工作效率高的具有五自由度的码垛机械臂。
本发明的具有五自由度的码垛机械臂，包括机械臂体及控制***，所述的机械臂体包括底板、两块支座板、第一圆板、第二圆板、U型底座、前臂、后臂、手掌、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、三角状肘连杆、第一直流伺服电机、第二直流伺服电机及第三直流伺服电机；
两块支座板相对固定于底板上，第一圆板固定在两支座板上，第二圆板通过垫筒固定于第一圆板上，且第二圆板上装有转动轴承，第一直流伺服电机固定于第一圆板的下表面，其输出轴穿过第一圆板并通过第二圆板上的转动轴承与U型底座连接，第二直流伺服电机与第三直流伺服电机同轴线地分别固定于U型底座的两个侧板外表面，第二直流伺服电机的输出轴穿过侧板与后臂的下端固定，该侧板上具有以第二直流伺服电机输出轴为圆心的圆弧槽，第三直流伺服电机的输出轴穿过另一侧板与第二连杆的一端固定，前臂的中部、后臂的上端及三角状肘连杆的一端铰接，三角状肘连杆的另一端与第一连杆的一端铰接，第一连杆的另一端与U型底座侧板的圆弧槽处铰接，后臂、三角状肘连杆、第一连杆及固定第二直流伺服电机的底座侧板构成第一个空间平行四边形机构，第二连杆的另一端与第三连杆的一端铰接，第三连杆的另一端与前臂的上端铰接，后臂、第二连杆、第三连杆及前臂的上端构成第二个空间平行四边形机构，前臂的下端与手掌的下端铰接，三角状肘连杆的第三端与第四连杆的一端铰接，第四连杆的另一端与手掌的上端铰接，前臂、三角状肘连杆、第四连杆及手掌构成第三个空间平行四边形机构；
手掌上表面固定有第四直流伺服电机，第四直流伺服电机的输出轴穿过手掌与安装板固定，安装板上具有安装孔；
所述的码垛机械臂还包括支撑架和支撑轴，支撑架置于U型底座的两侧板间并固定于U型底座上，支撑轴穿过支撑架的上部并固定于支撑架上，支撑轴与第二直流伺服电机的输出轴、第三直流伺服电机的输出轴位于同一轴线，支撑轴通过转动轴承与后臂连接，转动轴承的内圈与支撑轴固定，外圈与后臂固定。
在第二圆板上固定有用于检测U型底座转角信息的第一位置传感器，在固定第二直流伺服电机的U型底座侧板上固定有用于检测后臂位置信息的第二位置传感器，在固定第三直流伺服电机的U型底座侧板上固定有用于检测前臂位置信息的第三位置传感器；
所述的控制***包括工控机、运动控制卡和分别用于驱动第一直流伺服电机、第二直流伺服电机、第三直流伺服电机及第四直流伺服电机的第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器及第四驱动器，所述的工控机与运动控制卡连接，运动控制卡的输出端分别连接第一驱动器的输入端、第二驱动器的输入端、第三驱动器的输入端及第四驱动器的输入端，第一位置传感器的信号输出端、第二位置传感器的信号输出端及第三位置传感器的信号输出端均与运动控制卡的输入端连接。
上述技术方案中，所述的第一直流伺服电机可以采用涡轮蜗杆式直流伺服电机，带动底座转动。
所述的前臂与后臂均采用中空板状结构，以减轻机械臂重量，并保证机械臂的强度。
底板可固定在移动平台上，使得整个码垛机械臂可随移动平台一起移动；此外第一直流伺服电机通过转动轴承可带动U型底座从而带动机械臂绕支座转动，实现机械臂的圆周运动；后臂装在底座上，由第二直流伺服电机驱动，实现后臂的前后摆动；前臂装在后臂上，可以通过第一个空间平行四边形机构或/和第二个空间平行四边形机构来实现前臂的摆动，再结合第三个空间平行四边形机构带动手掌运动；手掌装在前臂上，可以通过调整第一连杆与U型底座侧板上圆弧槽的铰接点的位置，以实现手掌与地面间角度的调节；手掌末端可以根据实际需要安装不同的末端执行器，且装有第四直流伺服电机，用以控制末端执行器的转动，可实现不同的码垛任务。支撑架和支撑轴可以辅助支撑后臂、前臂及手掌，防止第二直流伺服电机输出轴及第三直流伺服电机输出轴因径向受力过大而发生弯曲变形。
本发明的有益效果在于：本发明为四轴驱动五自由度机械臂，由机械结构和控制***组成，采用多个直流伺服电机，辅助以三个空间平行四边形机构，实现机械臂的整体转动控制，相比于现有技术而言，本发明的机械臂重量轻、结构紧凑、占地面积小、工作效率高且能耗低。此外，手掌处可根据不同的码垛要求安装不同的末端执行器，可以实现多种码垛任务。
附图说明
图1是具有五自由度的码垛机械臂的机械臂体结构示意图；
图2是具有五自由度的码垛机械臂的机械臂体的后视部分结构示意图；
图3是具有五自由度的码垛机械臂的机械臂体另一角度的结构示意图；
图4是具有五自由度的码垛机械臂中支撑座及支撑轴的结构示意图；
图5是放大的支撑轴与后臂的连接处示意图；
图6是具有五自由度的码垛机械臂的控制原理示意图。
图中：1.底板，2.支座板，3-1.第一圆板，3-2.第二圆板，4.U型底座，4-1.圆弧槽，5.第二直流伺服电机，6.第三直流伺服电机，7.第一直流伺服电机，8.第二连杆，9.第一连杆，10.第三连杆，11.三角状肘连杆，12.前臂，13.后臂，14.第四连杆，15.手掌，16.第一位置传感器，17.第二位置传感器，18.第三位置传感器，19.工控机，20.运动控制卡，21.第一驱动器，22.第二驱动器，23.第三驱动器，24.第四驱动器，25.第四直流伺服电机，26.安装板，27.支撑架，28.支撑轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参照图1、图2、图3及图4，本发明的具有五自由度的码垛机械臂，包括机械臂体及控制***，所述的机械臂体包括底板1、两块支座板2、第一圆板3-1、第二圆板3-2、U型底座4、前臂12、后臂13、手掌15、第一连杆9、第二连杆8、第三连杆10、第四连杆14、三角状肘连杆11、第一直流伺服电机7、第二直流伺服电机5及第三直流伺服电机6；
两块支座板2相对固定于底板上，第一圆板3-1固定在两支座板2上，第二圆板3-2通过垫筒固定于第一圆板3-1上，且第二圆板3-2上装有转动轴承，第一直流伺服电机7固定于第一圆板3-1的下表面，其输出轴穿过第一圆板3-1并通过第二圆板3-2上的转动轴承与U型底座4连接，第二直流伺服电机5与第三直流伺服电机6同轴线地分别固定于U型底座4的两个侧板外表面，第二直流伺服电机5的输出轴穿过侧板与后臂13的下端固定，该侧板上具有以第二直流伺服电机输出轴为圆心的圆弧槽4-1，第三直流伺服电机6的输出轴穿过另一侧板与第二连杆8的一端固定，前臂12的中部、后臂13的上端及三角状肘连杆11的一端铰接，三角状肘连杆11的另一端与第一连杆9的一端铰接，第一连杆9的另一端与U型底座侧板的圆弧槽处铰接，后臂13、三角状肘连杆11、第一连杆9及固定第二直流伺服电机的底座侧板构成第一个空间平行四边形机构，第二连杆8的另一端与第三连杆10的一端铰接，第三连杆10的另一端与前臂12的上端铰接，后臂13、第二连杆8、第三连杆10及前臂12的上端构成第二个空间平行四边形机构，前臂12的下端与手掌15的下端铰接，三角状肘连杆11的第三端与第四连杆14的一端铰接，第四连杆14的另一端与手掌15的上端铰接，前臂、三角状肘连杆11、第四连杆14及手掌15构成第三个空间平行四边形机构；
手掌15上表面固定有第四直流伺服电机25，第四直流伺服电机25的输出轴穿过手掌15与安装板26固定，安装板26上具有安装孔；
所述的码垛机械臂还包括支撑架27和支撑轴28，支撑架27置于U型底座4的两侧板间并固定于U型底座上，支撑轴28穿过支撑架27的上部并固定于支撑架27上，支撑轴28与第二直流伺服电机5的输出轴、第三直流伺服电机6的输出轴位于同一轴线，支撑轴28通过转动轴承与后臂13连接，转动轴承的内圈与支撑轴28固定，外圈与后臂13固定，如图5所示。
在第二圆板3-2上靠近第一直流伺服电机的输出轴处，固定有用于检测U型底座转角信息的第一位置传感器16，在固定第二直流伺服电机5的U型底座侧板上靠近该电机的输出轴处，固定有用于检测后臂位置信息的第二位置传感器17，在固定第三直流伺服电机6的U型底座侧板上靠近该电机的输出轴处，固定有用于检测前臂位置信息的第三位置传感器18；
所述的控制***包括工控机19、运动控制卡20和分别用于驱动第一直流伺服电机7、第二直流伺服电机5、第三直流伺服电机6及第四直流伺服电机25的第一驱动器21、第二驱动器22、第三驱动器23及第四驱动器24；所述的工控机19与运动控制卡20连接，运动控制卡20的输出端分别连接第一驱动器21、第二驱动器22、第三驱动器23及第四驱动器24的输入端，第一位置传感器16的信号输出端、第二位置传感器17的信号输出端及第三位置传感器18的信号输出端均与运动控制卡20的输入端连接，如图6所示。
上述技术方案中，所述的前臂12与后臂13均为中空板状结构。
所述的第一直流伺服电机7为涡轮蜗杆式直流伺服电机。
本发明中，底座、后臂和前臂的转动精度对末端轨迹的影响较大，为检测各转动轴对应机构的转动角度，本发明采用了三个非接触式的位置传感器，分别用以检测底座、后臂和前臂的转动角度信号。当然，根据不同的码垛任务和末端运动轨迹，可以辅助增加多种传感器，用以检测多种转动或移动信号，并反馈给运动控制卡，以增强机械臂的智能效果。
运动开始时，由工控机下发末端轨迹指令，运动控制卡根据给定的轨迹信号，通过逆解算法得到各驱动关节的转动角度并下发给各驱动器，进而驱动相应直流伺服电机转动，使机械臂末端走出与给定轨迹相逼近的轨迹。位置传感器检测到的信号集中反馈到运动控制卡处进行处理，通过残余振动抑制算法，实现对各驱动关节的残余振动抑制，进而走出较为理想的运动轨迹，实现机械臂末端的稳定运行。
此外，本发明可通过调整第一连杆与U型底座侧板上圆弧槽的铰接位置，进而调整手掌面与地面间的夹角，使手掌面处于工作面状态；手掌上可以装有小型直流伺服电机和安装板，安装板上可根据实际工作需要安装不同的可拆装式末端执行器，实现不同的码垛任务。
Claims (3)
1.一种具有五自由度的码垛机械臂，其特征在于包括机械臂体及控制***，所述的机械臂体包括底板（1）、两块支座板（2）、第一圆板（3-1）、第二圆板（3-2）、U型底座（4）、前臂（12）、后臂（13）、手掌（15）、第一连杆（9）、第二连杆（8）、第三连杆（10）、第四连杆（14）、三角状肘连杆（11）、第一直流伺服电机（7）、第二直流伺服电机（5）及第三直流伺服电机（6）；
两块支座板（2）相对固定于底板上，第一圆板（3-1）固定在两支座板（2）上，第二圆板（3-2）通过垫筒固定于第一圆板（3-1）上，且第二圆板（3-2）上装有转动轴承，第一直流伺服电机（7）固定于第一圆板（3-1）的下表面，其输出轴穿过第一圆板（3-1）并通过第二圆板（3-2）上的转动轴承与U型底座（4）的底面连接，第二直流伺服电机（5）与第三直流伺服电机（6）同轴线地分别固定于U型底座（4）的两个侧板的外侧，第二直流伺服电机（5）的输出轴穿过侧板与后臂（13）的下端固定，该侧板上具有以第二直流伺服电机输出轴为圆心的圆弧槽（4-1），第三直流伺服电机（6）的输出轴穿过另一侧板与第二连杆（8）的一端固定，前臂（12）的中部、后臂（13）的上端及三角状肘连杆（11）的一端铰接，三角状肘连杆（11）的另一端与第一连杆（9）的一端铰接，第一连杆（9）的另一端与U型底座侧板上的圆弧槽（4-1）铰接，后臂（13）、三角状肘连杆（11）、第一连杆（9）及固定第二直流伺服电机（5）的U型底座侧板构成第一个空间平行四边形机构，第二连杆（8）的另一端与第三连杆（10）的一端铰接，第三连杆（10）的另一端与前臂（12）的上端铰接，后臂（13）、第二连杆（8）、第三连杆（10）及前臂（12）的上端构成第二个空间平行四边形机构，前臂（12）的下端与手掌（15）的下端铰接，三角状肘连杆（11）的第三端与第四连杆（14）的一端铰接，第四连杆（14）的另一端与手掌（15）的上端铰接，前臂、三角状肘连杆（11）、第四连杆（14）及手掌（15）构成第三个空间平行四边形机构；
手掌（15）上表面固定有第四直流伺服电机（25），第四直流伺服电机（25）的输出轴穿过手掌（15）与安装板（26）固定，安装板（26）上具有安装孔；
所述的码垛机械臂还包括支撑架（27）和支撑轴（28），支撑架（27）置于U型底座（4）的两侧板间并固定于U型底座上，支撑轴（28）穿过支撑架（27）的上部并固定于支撑架（27）上，支撑轴（28）与第二直流伺服电机（5）的输出轴、第三直流伺服电机（6）的输出轴位于同一轴线，支撑轴（28）通过转动轴承与后臂（13）连接，转动轴承的内圈与支撑轴（28）固定，外圈与后臂（13）固定；
在第二圆板（3-2）上固定有用于检测U型底座转角信息的第一位置传感器（16），在固定第二直流伺服电机（5）的U型底座侧板上固定有用于检测后臂位置信息的第二位置传感器（17），在固定第三直流伺服电机（6）的U型底座侧板上固定有用于检测前臂位置信息的第三位置传感器（18）；
所述的控制***包括工控机（19）、运动控制卡（20）和分别用于驱动第一直流伺服电机（7）、第二直流伺服电机（5）、第三直流伺服电机（6）及第四直流伺服电机（25）的第一驱动器（21）、第二驱动器（22）、第三驱动器（23）及第四驱动器（24）；所述的工控机（19）与运动控制卡（20）连接，运动控制卡（20）的输出端分别连接第一驱动器（21）的输入端、第二驱动器（22）的输入端、第三驱动器（23）的输入端及第四驱动器（24）的输入端，第一位置传感器（16）的信号输出端、第二位置传感器（17）的信号输出端及第三位置传感器（18）的信号输出端均与运动控制卡（20）的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的具有五自由度的码垛机械臂，其特征在于所述的前臂（12）与后臂（13）均为中空板状结构。
3.根据权利要求1所述的具有五自由度的码垛机械臂，其特征在于所述的第一直流伺服电机（7）为蜗轮蜗杆式直流伺服电机。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20171208 Address after: 313000 Zhejiang province Huzhou Zhili town of Wuxing District in the South (south town government compound) Patentee after: HUZHOU ZHILI CHILDREN'S CLOTHING DEVELOPMENT CO., LTD. Address before: Hangzhou City, Zhejiang province 310018 Park in Xiasha Higher Education Patentee before: Zhejiang Sci-Tech University |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20210812 Address after: No. 288, foxian Road, Zhili Town, Wuxing District, Huzhou City, Zhejiang Province 313000 Patentee after: Huzhou Dongliang Industrial Development Co.,Ltd. Address before: 313000 Zhili South Road, Zhili Town, Wuxing District, Huzhou City, Zhejiang Province Patentee before: HUZHOU ZHILI CHILDREN'S CLOTHING DEVELOPMENT Co.,Ltd. |