CN104875181A - 一种闭链结构五自由度步进电机驱动工业机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械手技术领域，特别是一种闭链结构五自由度步进电机驱动工业机械手，由底座、廻转台、大臂、大臂步进电机推杆、小臂、小臂步进电机推杆、腕部摆杆、腕部步进电机推杆、手爪组成，大臂安装在回转台上，大臂步进电机推杆通过铰链与大臂及回转台相连接，小臂步进电机推杆通过铰链与大臂及小臂相连接，腕部步进电机推杆通过铰链与腕部摆杆及小臂相连，手爪安装在腕部摆杆上；本发明采用步进电机推杆与手臂组成三角形的闭链结构，与现有开链结构的机械手相比，提升了机械手臂刚性，减少了机械手臂质量，提高了精度，使得机械手具有了成本低、结构简单、刚性好、精度高、模块化程度高的特点。

Description

一种闭链结构五自由度步进电机驱动工业机械手

技术领域

本发明涉及机械手技术领域，特别是一种闭链结构五自由度步进电机驱动工业机械手。

背景技术

工业机器手在制造业中发挥着重要作用，机器手比工人操作更为准确、快速，会使产品成品率及生产效率大幅提高，目前对适用于中小企业自动化生产的通用机械手的需求越来越大，随着机械手技术的广泛应用，具有独立控制器、动作灵活、适用于中小批量自动化生产的通用机械手得到迅速发展，目前通用机械手大多数是为开链形式的串联结构关节型直流电机驱动机械手，其主要特点为驱动电机全部都安装在机械手的各个关节上，通过电机带动机械手各个关节的转动，实现机械手的各种动作。由于开链形式的串联结构关节型直流电机驱动机械手的驱动电机都安装在关节的位置，这种结构方式存在以下问题：机械手手臂需要承载电机的重量并需满足刚度要求，手臂截面尺寸需要做得较大，这样会增大驱动电机的负载，增加手臂的运动惯量，导致机械手动态性能下降，同时驱动电机都安装在关节位置造成机械手的结构复杂、模块化程度低。而具有成本低、结构简单、刚性好、精度高、模块化程度高特点的通用机械手在中小批量自动化生产的作用越来越重要。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有机械手成本高、结构复杂、模块化程度低的不足，提出一种闭链结构五自由度步进电机驱动工业机械手，可实现共设有回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕弯转，手腕回转五个自由度的运动，具有成本低、结构简单、刚性好、精度高、模块化程度高的特点，可用于现代制造业中的中小批量自动化生产。

本发明提供的技术方案是：一种闭链结构五自由度步进电机驱动工业机械 手，由底座、廻转台、大臂、大臂步进推杆、小臂、小臂步进推杆、腕部摆杆、腕部步进推杆、手爪组成，大臂安装在回转台上，大臂步进推杆通过铰链与大臂及回转台相连接，小臂步进推杆通过铰链与大臂及小臂相连接，腕部步进推杆通过铰链与腕部摆杆及小臂相连，手爪安装在腕部摆杆上。

本发明突出优点在于：采用步进推杆与手臂组成三角形的闭链结构，与现有开链结构的机械手相比，提升了机械手臂刚性，减少了机械手臂质量，提高了精度，使得机械手具有了成本低、结构简单、刚性好、精度高、模块化程度高、可实现任意轨迹控制的特点。

附图说明

图1为本发明所述一种闭链结构五自由度步进电机驱动工业机械手示意图。

图2闭链结构机械手手臂末端受载后的变形位移图

图3闭链结构机械手测量精度分析图

具体实施方式

以下通过附图对本发明的技术方案作进一步说明。

一种闭链结构五自由度步进步进电机驱动工业机械手，由1底座、2廻转台、3大臂、4大臂步进推杆、5小臂、6小臂步进推杆、7腕部摆杆、8腕部步进推杆、9手爪组成，大臂安装在回转台上，大臂步进推杆通过铰链与大臂及回转台相连接，小臂步进推杆通过铰链与大臂及小臂相连接，腕部步进推杆通过铰链与腕部摆杆及小臂相连，手爪安装在腕部摆杆上。

在工作中，机械手由于手臂、电机与夹持重物的质量会对手臂产生静载与动载作用，手臂会发生变形，如图2所示，显然闭链结构机械手的悬臂长度L1小于开链结构机械手的悬臂长度L1+L2，故闭链结构机械手手臂末端产生的变形位移小于开链结构机械手手臂产生的位移，闭链结构机械手手臂比开链结构机械手手臂刚度有一定程度的提高，由于手臂刚性得到提高，因此可以减小手 臂截面尺寸，进而可减少手臂运动惯量，提高机械手动态性能。

开链结构机械手是通过测量控制机械手臂关节处电机的转动角度θ1来控制手臂末端的移动位置，手臂转动角度θ1若采用普通精度光电编码器来测量则测量精度不高，若采用高精度光电编码器来测量则会导致成本提高、可靠性下降。闭链结构机械手通过测量机械手臂步进推杆的位移量L1来控制手臂转动角度θ1，进而控制手臂末端的移动位置，具有缩小机械手臂末端位置测控误差的作用，如图3所示，设L1、θ1对应的变化量分别为L1′、θ1′，则L1、θ1与L1′、θ1′之间的对应关系为：

$\frac{L_1^2-L_1^{2\′}}{{2L}_3{L}_4}={\mathrm{COS\θ}}_1-{\mathrm{COS}}_1^{\′}---\left(1\right)$

设机械手臂步进推杆的位移变化为L₁-L′₁＝0.1mm，由(1)式可求出对应于机械手手臂转动的角度变化量为θ₁-θ′₁＝0.0383°(设L₁＝250，L₃＝150，L₄＝300)。测量0.0383°的角度变化量对于开链结构机械手需要采用高精度光电编码器(普通精度的1080线光电编码器分辨率仅为0.33°)，而测量步进推杆0.1mm位移变化量对于闭链结构机械手则可以采用普通精度的电阻式位移传感器，这样就等同于采用高精度光电编码器对0.0383°的角度测量的精度，因此闭链结构可有效提高机械手的位置测量精度，进而提高位置控制精度。

本发明采用步进推杆与手臂组成三角形的闭链结构，与现有开链结构的机械手相比，提升了机械手臂刚性，减少了机械手臂质量，提高了精度，使得机械手具有了成本低、结构简单、刚性好、精度高、模块化程度高、可实现任意轨迹控制的特点。

Claims (1)

1.一种闭链结构五自由度步进电机驱动工业机械手，由底座、廻转台、大臂、大臂步进电机推杆、小臂、小臂步进电机推杆、腕部摆杆、腕部步进电机推杆、手爪组成，大臂安装在回转台上，大臂步进电机推杆通过铰链与大臂及回转台相连接，小臂步进电机推杆通过铰链与大臂及小臂相连接，腕部步进电机推杆通过铰链与腕部摆杆及小臂相连，手爪安装在腕部摆杆上。