CN107433618B - 一种双向运动可伸缩机械臂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机械臂，具体地说是一种双向运动可伸缩机械臂。包括底座、控制***、中间支撑板、机械臂、上支撑板及机械手，其中控制***安装在底座内，所述中间支撑板设置于底座的上方，所述机械臂安装在中间支撑板上、并与所述控制***连接，所述上支撑板安装在所述机械臂的末端，所述机械手设置于上支撑板上，所述控制***驱动所述机械臂产生侧向弯曲或伸缩变形，使所述机械手达到预期位置以完成抓取。本发明结构简单，总体结构轻盈紧凑，运动灵活，控制精巧，机械臂的任意位置运动使抓取位置更加广泛。

Description

一种双向运动可伸缩机械臂
技术领域
本发明涉及一种机械臂，具体地说是一种双向运动可伸缩机械臂。
背景技术
随着经济的发展与科技的进步，机器人的应用领域更加的广泛，机械臂作为机器人重要部分，它们是机器人接触环境的重要部分，随着机器人的不断发展，人们对机器人的要求也在逐步的提高，质量体积小，工作可靠、控制简单以及操作灵活的机械臂就成为了机械臂领域研究的重点。
国内外研发了不同构型的机器人，但关于柔性臂的机器人却非常少，这使得机器人的发展受到了局限性，其工作环境也有所限制。因此，现在急需一种具有很高的灵活性，能够适应更加复杂环境的机械臂。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种双向运动可伸缩机械臂。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种双向运动可伸缩机械臂，包括底座、控制***、中间支撑板、机械臂、上支撑板及机械手，其中控制***安装在底座内，所述中间支撑板设置于底座的上方，所述机械臂安装在中间支撑板上并与所述控制***连接，所述上支撑板安装在所述机械臂的末端，所述机械手设置于上支撑板上，所述控制***驱动所述机械臂产生侧向弯曲或伸缩变形，使所述机械手达到预期位置以完成抓取。
所述机械臂包括依次铰接的多个关节单元，所述关节单元包括支撑杆及两组剪叉杆机构，其中两组剪叉杆机构平行设置、并且通过支撑杆连接，位于最底端的关节单元中的两组剪叉杆机构与所述控制***连接。
所述剪叉杆机构包括滑杆Ⅰ、铰链Ⅰ、剪叉杆Ⅰ、剪叉杆Ⅱ、铰链Ⅱ及滑杆Ⅱ，其中剪叉杆Ⅰ和剪叉杆Ⅱ的中间位置通过销轴铰接，所述剪叉杆Ⅰ的两端均设有铰链Ⅰ，所述剪叉杆Ⅱ的两端均设有铰链Ⅱ，所述剪叉杆Ⅰ和剪叉杆Ⅱ一端相对应的铰链Ⅰ和铰链Ⅱ均与滑杆Ⅰ可滑动连接，另一端相对应的铰链Ⅰ和铰链Ⅱ均与滑杆Ⅱ可滑动连接。
所述两组剪叉杆机构中两个滑杆Ⅰ的相对应端及两个滑杆Ⅱ的相对应端均通过支撑杆铰接。
位于同侧的两个支撑杆之间设有伸缩杆Ⅰ，所述伸缩杆Ⅰ的一端与一组所述剪叉杆机构中的滑杆Ⅰ的端部铰接，另一端与另一组所述剪叉杆机构中的滑杆Ⅱ的端部铰接，所述伸缩杆Ⅰ的作用是保证双向运动可伸缩机械臂中同侧的支撑杆共面。
所述两组剪叉杆机构中的销轴通过伸缩杆Ⅱ连接，所述伸缩杆Ⅱ的作用是保证该关节发生运动时，保证所述两组剪叉杆机构平行。
相邻两个关节单元中，位于上方的关节单元中的剪叉杆Ⅰ的铰链Ⅰ与位于下方的关节单元中的剪叉杆Ⅱ的铰链Ⅱ铰接；位于上方的关节单元中的剪叉杆Ⅱ的铰链Ⅱ与位于下方的关节单元中的剪叉杆Ⅰ的铰链Ⅰ铰接。
所述控制***包括两组丝杠螺母机构，所述两组丝杠螺母机构分别与所述两组剪叉杆机构连接，并且分别驱动与其连接的所述剪叉杆机构产生伸缩变形。
所述丝杠螺母机构包括轴承座Ⅰ、螺杆、螺母Ⅰ、电机、螺母Ⅱ、减速器、轴承座Ⅱ及齿轮传动装置，其中螺杆的两端可转动地安装在轴承座Ⅰ和轴承座Ⅱ上，所述螺杆上设有两段反向螺纹，该两段反向螺纹分别与螺母Ⅰ和螺母Ⅱ形成螺纹副，所述电机与减速器连接，所述减速器的输出轴通过齿轮传动装置与螺杆传动连接，所述螺母Ⅰ和螺母Ⅱ与所述剪叉杆机构连接，通过所述螺母Ⅰ和螺母Ⅱ的相对或反向运动，实现所述剪叉杆机构的伸缩变形。
所述两组丝杠螺母机构中的螺杆平行设置。
本发明的优点及有益效果是：
1.本发明提供的机器人结构简单，总体结构轻盈紧凑，运动灵活，控制精巧，机械臂的任意位置运动使抓取位置更加广泛。
2.本发明通过两个电机分别控制两个剪叉杆机构，使机械臂能达到任意位置，以达到任意抓取目的。
3.本发明通过仿生象鼻设计出一种仿生象鼻柔性机械臂机构。
4.本发明打破传统关节式机械臂的局限性，使机械臂的发展范围更加宽广。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中关节单元的结构示意图；
图3为本发明中机械臂的弯曲原理图；
图4为本发明中控制***的结构示意图；
图5为本发明中控制***与剪叉杆机构的连接示意图。
图中：1为轴承座Ⅰ，2为螺杆，3为螺母Ⅰ，4为底板，5为电机，6为螺母Ⅱ，7为减速器，8为轴承座Ⅱ，9为齿轮Ⅰ，10为齿轮Ⅱ，11为支撑架，12为滑杆Ⅰ，13为中间支撑板，14为铰链Ⅰ，15为伸缩杆外壳Ⅰ，16为剪叉杆Ⅰ，17为剪叉杆Ⅱ，18为铰链Ⅱ，19为支撑杆，20为伸缩杆内杆Ⅰ，21为滑杆Ⅱ，22为伸缩杆外壳Ⅱ，23为伸缩杆内杆Ⅱ，24为上支撑板，25为支架，26为连杆Ⅰ，27为三角块，28为推杆，29为连杆Ⅱ，30为机械手手指。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
图1为本发明的结构示意图；如图1所示，本发明提供的一种双向运动可伸缩机械臂，包括底座、控制***、中间支撑板13、机械臂、上支撑板24及机械手，其中控制***安装在底座内，所述中间支撑板13设置于底座的上方，所述机械臂安装在中间支撑板13上并与所述控制***连接，所述上支撑板24安装在所述机械臂的末端，所述机械手设置于上支撑板24上。所述控制***驱动所述机械臂产生侧向弯曲或伸缩变形，使所述机械手达到预期位置以完成抓取。
所述机械臂包括依次铰接的多个关节单元，图2为本发明中关节单元的结构示意图；如图2所示，所述关节单元为对称结构，包括支撑杆19及两组剪叉杆机构，其中两组剪叉杆机构平行设置、并且通过支撑杆19连接，位于最底端的关节单元中的两组剪叉杆机构与所述控制***连接。
所述剪叉杆机构包括滑杆Ⅰ12、铰链Ⅰ14、剪叉杆Ⅰ16、剪叉杆Ⅱ17、铰链Ⅱ18及滑杆Ⅱ21，其中剪叉杆Ⅰ16和剪叉杆Ⅱ17的中间位置通过销轴铰接，所述剪叉杆Ⅰ16的两端均设有铰链Ⅰ14，所述剪叉杆Ⅱ17的两端均设有铰链Ⅱ18，所述剪叉杆Ⅰ16和剪叉杆Ⅱ17一端相对应端的铰链Ⅰ14和铰链Ⅱ18均与滑杆Ⅰ12可滑动连接，另一端相对应的铰链Ⅰ14和铰链Ⅱ18均与滑杆Ⅱ21可滑动连接。
所述两组剪叉杆机构中两个滑杆Ⅰ12的相对应端及两个滑杆Ⅱ21的相对应端均通过支撑杆19铰接。位于同侧的两个支撑杆19之间设有伸缩杆Ⅰ，所述伸缩杆Ⅰ的一端与一组所述剪叉杆机构中的滑杆Ⅰ12的端部铰接，另一端与另一组所述剪叉杆机构中的滑杆Ⅱ21的端部铰接，所述伸缩杆Ⅰ的作用是保证双向运动可伸缩机械臂中同侧的支撑杆19共面。
所述伸缩杆Ⅰ包括伸缩杆外壳Ⅰ15和伸缩杆内杆Ⅰ20，其中伸缩杆内杆Ⅰ20插设于伸缩杆外壳Ⅰ15内、并且可相对滑动。所述伸缩杆外壳Ⅰ15和伸缩杆内杆Ⅰ20的作用是为了保证双向运动可伸缩机械臂中相同侧的支撑杆19共面，这样就保证了，在机械臂运动的过程中，支撑杆19的位置能够得到控制。
所述两组剪叉杆机构中的销轴通过伸缩杆Ⅱ连接，所述伸缩杆Ⅱ的作用是保证该关节发生运动时，保证所述两组剪叉杆机构平行。所述伸缩杆Ⅱ包括伸缩杆外壳Ⅱ22和伸缩杆内杆Ⅱ23，所述伸缩杆内杆Ⅱ23插设于伸缩杆外壳Ⅱ22内、并且可相对滑动。伸缩杆外壳Ⅱ22和伸缩杆内杆Ⅱ23的作用是为了保证该关节发生运动时，使运动可控，它保证了所述两组剪叉杆机构相互平行，这样才能使该关节产生等腰梯形的变形。
相邻两个关节单元中，位于上方的关节单元中的剪叉杆Ⅰ16的铰链Ⅰ14与位于下方的关节单元中的剪叉杆Ⅱ17的铰链Ⅱ18铰接；位于上方的关节单元中的剪叉杆Ⅱ17的铰链Ⅱ18与位于下方的关节单元中的剪叉杆Ⅰ16的铰链Ⅰ14铰接。
所述机械臂的工作原理是：
所述机械臂由对两侧剪叉杆机构的长度控制来完成机械臂的运动，其原理是通过铰链沿滑杆长度方向的运动，使剪叉杆做剪叉运动，一侧剪叉杆机构发生收缩，另一侧剪叉杆机构发生伸展，则机械臂发生弯曲；两侧剪叉杆机构同时伸展，则机械臂做伸展运动；两侧剪叉杆机构做收缩运动，则机械臂做收缩运动。
所述机械臂发生弯曲的原理：如图2所示，当驱动一侧剪叉杆机构伸长，即铰链Ⅰ14和铰链Ⅱ18向中间靠拢，滑杆Ⅰ12和滑杆Ⅱ21距离拉开；同时驱动另一侧剪叉杆机构收缩，即铰链Ⅰ14和铰链Ⅱ18向外分开，滑杆Ⅰ12和滑杆Ⅱ21距离靠近，就会呈现梯形结构。图3为本发明中机械臂的弯曲原理图。如图3所示，AB伸长，A’B’缩短，因为双向运动可伸缩机械手整体相连接，则机械臂的整体就会呈现弯曲变形。
图4为本发明中控制***的结构示意图；如图4所示，所述控制***包括两组丝杠螺母机构，所述两组丝杠螺母机构分别与所述两组剪叉杆机构连接，并且分别驱动与其连接的所述剪叉杆机构产生伸缩变形。
所述丝杠螺母机构包括轴承座Ⅰ1、螺杆2、螺母Ⅰ3、电机5、螺母Ⅱ6、减速器7、轴承座Ⅱ8及齿轮传动装置，其中螺杆2的两端可转动地安装在轴承座Ⅰ1和轴承座Ⅱ8上，所述螺杆2上设有两段反向螺纹，该两段反向螺纹分别与螺母Ⅰ3和螺母Ⅱ6形成螺纹副，所述电机5与减速器7连接，所述减速器7的输出轴通过齿轮传动装置与螺杆2传动连接，所述螺母Ⅰ3和螺母Ⅱ6分别与所述剪叉杆机构中的铰链Ⅱ18和铰链Ⅰ14连接，如图5所示。通过所述螺母Ⅰ3和螺母Ⅱ6的相对或反向运动，实现所述剪叉杆机构的伸缩变形。
所述齿轮传动装置包括齿轮Ⅰ9和齿轮Ⅱ10，其中齿轮Ⅰ9设置于减速器7的输出轴，所述齿轮Ⅱ10设置于螺杆2的端部、并且与齿轮Ⅰ9啮合。
所述两组丝杠螺母机构中的螺杆2平行设置，从而与两组相平行的所述剪叉杆机构相适应。所述底座包括底板4和设置于底座4上的多个支撑架11，中间支撑板13设置于多个支撑架11上。所述轴承座Ⅰ1和轴承座Ⅱ8设置于底板4上。
所述控制***由对两个电机5的控制来完成，通过对电机5的控制，电机5发生转动，减速器7传递运动到齿轮Ⅰ9，齿轮Ⅰ9传递运动到齿轮Ⅱ10，齿轮Ⅱ10传递运动到螺杆2。螺杆2上对称设有两段方向螺纹，螺杆2转动使螺杆2上的螺母Ⅰ3和螺母Ⅱ6沿螺杆2的长度方向做前后运动，螺母Ⅰ3和螺母Ⅱ6运动带动铰链Ⅱ18和铰链Ⅰ14和沿螺杆2的长度方向做前后运动，实现所述剪叉杆机构的伸缩变形。
由于螺杆2上的螺纹是对称结构，则螺母Ⅰ3和螺母Ⅱ6的运动也呈现对称形式，这样有利于平均承担剪叉杆所传递过来的力矩。螺母Ⅰ3和螺母Ⅱ6的运动带动铰链Ⅱ18和铰链Ⅰ14运动，铰链Ⅱ18和铰链Ⅰ14运动带动剪叉杆Ⅱ17和剪叉杆Ⅰ16运动，剪叉杆Ⅱ17和剪叉杆Ⅰ16运动带动下一节铰链运动，这样运动就一节带动一节使机械臂产生应有的变形。
所述机械手由单独的电机驱动，当机械臂完成运动以后使得机械手达到预期位置，由电机驱动使机械手对目标进行抓取。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种双向运动可伸缩机械臂，其特征在于，包括底座、控制***、中间支撑板(13)、机械臂、上支撑板(24)及机械手，其中控制***安装在底座内，所述中间支撑板(13)设置于底座的上方，所述机械臂安装在中间支撑板(13)上并与所述控制***连接，所述上支撑板(24)安装在所述机械臂的末端，所述机械手设置于上支撑板(24)上，所述控制***驱动所述机械臂产生侧向弯曲或伸缩变形，使所述机械手达到预期位置以完成抓取；
所述机械臂包括依次铰接的多个关节单元，所述关节单元包括支撑杆(19)及两组剪叉杆机构，其中两组剪叉杆机构平行设置、并且通过支撑杆(19)连接，位于最底端的关节单元中的两组剪叉杆机构与所述控制***连接；
所述剪叉杆机构包括滑杆Ⅰ(12)、铰链Ⅰ(14)、剪叉杆Ⅰ(16)、剪叉杆Ⅱ(17)、铰链Ⅱ(18)及滑杆Ⅱ(21)，其中剪叉杆Ⅰ(16)和剪叉杆Ⅱ(17)的中间位置通过销轴铰接，所述剪叉杆Ⅰ(16)的两端均设有铰链Ⅰ(14)，所述剪叉杆Ⅱ(17)的两端均设有铰链Ⅱ(18)，所述剪叉杆Ⅰ(16)和剪叉杆Ⅱ(17)一端相对应的铰链Ⅰ(14)和铰链Ⅱ(18)均与滑杆Ⅰ(12)可滑动连接，另一端相对应的铰链Ⅰ(14)和铰链Ⅱ(18)均与滑杆Ⅱ(21)可滑动连接；
所述两组剪叉杆机构中两个滑杆Ⅰ(12)的相对应端及两个滑杆Ⅱ(21)的相对应端均通过支撑杆(19)铰接；位于同侧的两个支撑杆(19)之间设有伸缩杆Ⅰ，所述伸缩杆Ⅰ的一端与一组所述剪叉杆机构中的滑杆Ⅰ(12)的端部铰接，另一端与另一组所述剪叉杆机构中的滑杆Ⅱ(21)的端部铰接，所述伸缩杆Ⅰ的作用是保证双向运动可伸缩机械臂中同侧的支撑杆(19)共面；所述两组剪叉杆机构中的销轴通过伸缩杆Ⅱ连接，所述伸缩杆Ⅱ的作用是保证该关节发生运动时，保证所述两组剪叉杆机构平行；
相邻两个关节单元中，位于上方的关节单元中的剪叉杆Ⅰ(16)的铰链Ⅰ(14)与位于下方的关节单元中的剪叉杆Ⅱ(17)的铰链Ⅱ(18)铰接；位于上方的关节单元中的剪叉杆Ⅱ(17)的铰链Ⅱ(18)与位于下方的关节单元中剪叉杆Ⅰ(16)的铰链Ⅰ(14)铰接。
2.根据权利要求1所述的双向运动可伸缩机械臂，其特征在于，所述控制***包括两组丝杠螺母机构，所述两组丝杠螺母机构分别与所述两组剪叉杆机构连接，并且分别驱动与其连接的所述剪叉杆机构产生伸缩变形。
3.根据权利要求2所述的双向运动可伸缩机械臂，其特征在于，所述丝杠螺母机构包括轴承座Ⅰ(1)、螺杆(2)、螺母Ⅰ(3)、电机(5)、螺母Ⅱ(6)、减速器(7)、轴承座Ⅱ(8)及齿轮传动装置，其中螺杆(2)的两端可转动地安装在轴承座Ⅰ(1)和轴承座Ⅱ(8)上，所述螺杆(2)上设有两段反向螺纹，该两段反向螺纹分别与螺母Ⅰ(3)和螺母Ⅱ(6)形成螺纹副，所述电机(5)与减速器(7)连接，所述减速器(7)的输出轴通过齿轮传动装置与螺杆(2)传动连接，所述螺母Ⅰ(3)和螺母Ⅱ(6)与所述剪叉杆机构连接，通过所述螺母Ⅰ(3)和螺母Ⅱ(6)的相对或反向运动，实现所述剪叉杆机构的伸缩变形。
4.根据权利要求3所述的双向运动可伸缩机械臂，其特征在于，所述两组丝杠螺母机构中的螺杆(2)平行设置。
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