CN108145703A - 一种平面机械臂及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种平面机械臂，包括平台、第一臂、第二臂、第一连杆、第二连杆、第一臂驱动组件和第一连杆驱动组件。该平面机械臂将驱动元件设置于底部的平台上，第一臂和第二臂除了自身重量以及配套的连杆重量外，没有额外的重量,运行速度较快。采用该平面机械臂的机器人，具有末端移动速度快等特点，对机器人的快速作业具有良好的效果。

Description

一种平面机械臂及机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种平面机械臂及机器人。

背景技术

机器人可以分为并联机器人和串联机器人，其中，串联机器人常见的类型有关节机器人。常见的关节机器人，其每一臂的驱动元件安装于与前臂连接的关节上，随着臂数量的增多，每一臂的负载会相应增加，导致臂的驱动动力元件体积增加、臂的运动速度减慢、臂的精度减少等问题，不利于关节机器人的高速化和微型化。

因此，实现臂的轻量化是机器人末端移动高速化的一个研究方向。

发明内容

为了实现机器人臂的轻量化，本发明提供一种平面机械臂，该平面机械臂将驱动元件设置于底部的平台上，第一臂和第二臂除了自身重量以及配套的连杆重量外，没有额外的重量，机械臂运动速度较快。本发明还提供了一种应用该平面机械臂的机器人，具有工作末端移动速度快等特点，在快速作业中具有良好的效果。

相应的，本发明提供的平面机械臂，包括平台、第一臂、第二臂、第一连杆、第二连杆、第一臂驱动组件和第一连杆驱动组件；

所述平台与xy平面平行，在所述平台x正向上，设置有y向相对的第一基转轴连接件和第二基转轴连接件；一圆柱形的第一基转轴固定在所述第一基转轴连接件上；一圆柱形的第二基转轴固定在所述第二基转轴连接件上；

所述第一基转轴轴线和所述第二基转轴轴线分别与y轴平行；

所述第一臂始端铰接于所述第二基转轴上，末端与所述第二臂始端铰接；

所述第一连杆始端铰接于所述第一基转轴上，末端与所述第二连杆始端铰接；

所述第二连杆末端铰接与所述第二臂中部或末端上；

所述第一臂、第二臂、第一连杆和第二连杆构成一四连杆机构；

所述第一臂驱动组件安装于所述平台上，用于驱动所述第一臂绕所述第二基转轴转动；

所述第一连杆驱动组件安装于所述平台上，用于驱动所述第一连杆绕所述第一基转轴转动。

优选的实施方式，所述第一基转轴轴线与所述第二基转轴轴线共线。

优选的实施方式，所述第一臂与所述第二连杆平行且长度相等；所述第一连杆平行于所述第二臂。

优选的实施方式，所述第二臂长度大于或等于所述第一连杆长度。

优选的实施方式，所述第一臂驱动组件包括第一臂驱动底座、第一臂驱动电机、第一臂驱动丝杆、第一臂驱动滑块和第一臂驱动连接件；

所述第一臂驱动底座铰接在所述平台的x负向上；

所述第一臂驱动丝杆和第一臂驱动滑块安装于第一臂驱动外壳内，所述第一臂驱动滑块套在所述第一臂驱动丝杆上，所述第一臂驱动连接件与所述第一臂驱动滑块连接固定；所述第一臂驱动连接件与所述丝杆同轴，并与所述第一臂始端连接固定；

所述第一臂驱动外壳与所述第一臂驱动电机并排固定于所述第一臂驱动底座上；所述第一臂驱动电机的转轴和所述第一臂驱动丝杆的一端在所述第一臂驱动底座内基于齿轮连接传动；

所述第一臂驱动连接件与所述第一臂始端连接固定并驱动所述第一臂绕所述第二基转轴转动。

优选的实施方式，所述第一连杆驱动组件包括第一连杆驱动底座、第一连杆驱动电机、第一连杆驱动丝杆、第一连杆驱动滑块和第一连杆驱动连接件；

所述第一连杆驱动底座铰接在所述平台的x负向上；

所述第一连杆驱动丝杆和第一连杆驱动滑块安装于第一连杆驱动外壳内，所述第一连杆驱动滑块套在所述第一连杆驱动丝杆上，所述第一连杆驱动连接件与所述第一连杆驱动滑块连接固定；所述第一连杆驱动连接件与所述丝杆同轴，并与所述第一连杆始端连接固定；

所述第一连杆驱动外壳与所述第一连杆驱动电机并排固定于所述第一连杆驱动底座上；所述第一连杆驱动电机的转轴和所述第一连杆驱动丝杆的一端在所述第一连杆驱动底座内基于齿轮连接传动；

所述第一连杆驱动连接件与所述第一连杆始端连接固定并驱动所述第一连杆绕所述第一基转轴转动。

优选的实施方式，所述第一臂为空心柱状结构；所述第二臂由两块第二臂盖板组成，所述两块第二臂盖板之间通过一个以上的第二臂固定件连接固定。

相应的，本发明还提供了一种机器人，该机器人包括了以上任意一项所述的平面机械臂和工作末端；所述工作末端设置在所述第二臂末端。

本发明提供一种平面机械臂，该平面机械臂将驱动元件设置于底部的平台上，第一臂和第二臂除了自身重量以及配套的连杆重量外，没有额外的重量，机械臂运动速度较快。本发明还提供了一种应用该平面机械臂的机器人，具有工作末端移动速度快等特点，在快速作业中具有良好的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1示出了本发明实施例平面机械臂的三维结构示意图；

图2示出了本发明实施例平面机械臂的正视图；

图3示出了本发明实施例平面机械臂的后视图；

图4示出了本发明实施例平面机械臂的俯视图；

图5示出了本发明实施例的第一臂正视图；

图6示出了本发明实施例的第一连杆正视图；

图7示出了本发明实施例平面机械臂的运动简图；

图8示出了本发明实施例第一连杆驱动组件的透视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明实施例平面机械臂的三维结构示意图，图2示出了本发明实施例平面机械臂的前视图，图3示出了本发明实施例平面机械臂的后视图，图4示出了本发明实施例平面机械臂的俯视图。

本发明实施例提供的平面机械臂，包括平台101、第一臂102、第二臂103、第一连杆105、第二连杆104、第一臂驱动组件107和第一连杆驱动组件106。

所述平台101与xy平面平行，具体实施中，平台101顶面为一平面，该平面与xy平面平行，形状不唯一。

在所述平台x正向上，设置有y向相对的第一基转轴连接件109和第二基转轴连接件111；一圆柱形的第一基转轴108固定在所述第一基转轴连接件109上；一圆柱形的第二基转轴110固定在所述第二基转轴连接件111上。第一基转轴108和第二基转轴110的轴线分别于y轴平行，为了工作末端运动轨迹计算的便利性，通常将第一基转轴108和第二基转轴110的轴线设置为共线，具体实施中，还可以将第一基转轴和第二基转轴设置为一个整体，一体加工与安装。由于视角的关系，第一基转轴108和第二基转轴110在附图中并没有完全显示，但由于该部件的结构以及设置形式较为容易理解，因此不另外设置附图对其进行介绍。

第一基转轴和第二基转轴主要用于将第一臂102始端和第一连杆105始端悬空至设定的高度上，使第一基转轴和第二基转轴与平台之间留有空间供第一臂102和第一连杆105运动，避免第一臂102和第一连杆105与平台101产生干涉。

图1示出了本发明实施例的第一臂三维结构示意图，图4示出了本发明实施例第一臂俯视结构示意图，图5示出了本发明实施例第一臂结构正视图。具体实施中，第一臂102可采用空心柱状结构，在减轻其自重的同时，维持一定的刚性。所述所述第一臂102始端铰接于所述第二基转轴110上，末端与所述第二臂103始端铰接；为了供第一臂驱动组件107安装连接，第一臂102在始端背离末端的方向上，延伸出第一臂连接件，第一臂连接件与第一臂驱动组件的输出端铰接。需要说明的是第一臂连接件和第一臂是相对固定的，且第一臂连接件的轴向长度小于第一臂的轴向长度，基于杠杆原理，可以使第一臂连接件的微小位移，经第二基转轴110支点后，放大至第一臂末端的大距离位移，有利于第一臂末端的快速运动。

图1示出了本发明实施例的第一连杆三维结构示意图，图4示出了本发明实施例第一连杆俯视结构示意图，图6示出了本发明实施例第一连杆结构正视图。第一连杆105始端铰接于所述第一基转轴108上，末端与所述第二连杆104始端铰接；为了供第一连杆驱动组件103安装连接，第一连杆105在始端背离末端的方向上，延伸出第一连杆连接件，第一连杆连接件与第一连杆驱动组件106的输出端铰接。需要说明的是第一连杆连接件和第一连杆是相对固定的，且第一连杆连接件的轴向长度小于第一连杆的轴向长度，基于杠杆原理，可以使第一连杆连接件的微小位移，经第一基转轴108支点，放大至第一连杆末端的大距离位移，有利于第一连杆末端的快速运动。

图1示出了本发明实施例的第二臂三维结构示意图，第4示出了本发明实施例的第二臂俯视图。第二臂103始端铰接在第一臂102末端上。具体实施中，为了第二臂103的轻量化，第二臂103可采用以下结构：第二臂103由两块第二臂盖板137组成，两块第二臂盖板137始端分别y向相对的铰接在第一臂102末端的y正向面和y负向面上；两块第二臂盖板137之间通过第二臂固定件139连接固定。

第二连杆104始端铰接在第一连杆105末端上，末端铰接在第二臂103的中部或第二臂103的末端上。具体实施中，第二连杆104常采用空心连杆以减轻其重量。

进一步的，第一臂102、第二臂103、第一连杆105和第二连杆104可采用密度较小的铝或铝合金作为材料，以进一步减轻其重量。

图7示出了该平面机械臂的运动简图，结合图2示出的平面机械臂的正视图，分别用直线代替第一臂、第二臂、第一连杆、第二连杆，分别用圆圈代替各个铰接点，其中，各铰接点的命名如下：第一基转轴和第二基转轴设置在同一直线上，该位置概括为第一铰接点121，第一连杆105末端与第二连杆104始端的铰接点为第二铰接点122，第一臂102末端与第二臂103始端的铰接点为第三铰接点123，第二连杆104末端与第二臂103的铰接点为第四铰接点124；由该运动简图可得出，第一臂102、第二臂103、第一连杆105和第二连杆104构成一四连杆机构。

具体实施中，可将第二臂103的末端设置在第四铰接点124上，由于此时第二臂103的末端距离第四铰接点124较近，基于杠杆原理可知，第二臂103的末端相对于第二臂103的始端的位移呈缩小作用，有利于提高第二臂103的末端控制精度；但基于四连杆机构的结构限制，该设置方式会导致第二臂103末端的活动范围较小。

因此，具体实施中，亦可延长第二臂103的长度，使末端外伸出第四铰接点124，该设置方式有利于增加第二臂103的活动范围，使其能适合更多的工作环境。

具体实施中，虽然任意结构的四连杆机构均可实现第二臂末端的相应位移控制，但为了使第二臂末端的控制计算更为方便，本发明实施例的四连杆机构的各边长可设置为如下参数：所述第一臂102与所述第二连杆104平行且长度相等；所述第一连杆105平行于所述第二臂103；此时，本发明实施例的四连杆机构呈平行四边形，第一臂102和第二连杆104的姿态相同，第二臂103和第一连杆105的姿态相同，末端的计算可基于第一连杆长度、第一臂长度、第二臂长度、第一连杆与第一臂之间夹角快速得出，使软件的设计和控制更为简单。

以上为本发明实施例的平面机械臂的机械结构介绍，在本发明实施例中，该四连杆机构具有两个动连杆，分别为第一臂102和第一连杆105，通过控制第一臂102和第一连杆105的运动，可实现第二臂103末端的运动，以下对第一臂和第一连杆的驱动进行介绍。

需要说明的是，第一臂始端和第一连杆始端分别铰接于第二基转轴和第一基转轴上，当第一基转轴和第二基转轴一体加工时，第一臂和第一连杆以一体加工的基转轴作为回转支点，但二者之间的运动是相对独立的，相互间不干扰。

图8示出了本发明实施例的第一连杆驱动组件的局部放大图。所述第一连杆驱动组件包括第一连杆驱动底座130、第一连杆驱动电机131、第一连杆驱动连接件133、第一连杆驱动丝杆134和第一连杆驱动滑块135；

所述第一连杆驱动底座130铰接所述平台的x负向上，铰接点为第一连杆驱动底座铰接点120。第一连杆驱动电机131固定于所述第一连杆驱动底座130上；第一连杆驱动电机131的转轴伸入第一连杆驱动底座130内；所述第一连杆驱动丝杆134和第一连杆驱动滑块135安装于第一连杆驱动外壳136内，所述第一连杆驱动滑块135套在所述第一连杆驱动丝杆134上，所述第一连杆驱动连接件133与所述第一连杆驱动滑块135连接固定；所述第一连杆驱动连接件133与所述第一连杆驱动丝杆134同轴，并与所述第一连杆105始端连接固定；

所述第一连杆驱动外壳136与所述第一连杆驱动电机131并排固定于所述第一连杆驱动底座130上；所述第一连杆驱动电机131的转轴和所述第一连杆驱动丝杆134的一端在所述第一连杆驱动底座130内基于齿轮连接并进行传动。

具体实施中，通过第一连杆驱动电机131驱动第一连杆驱动丝杆134转动，并带动第一连杆驱动滑块135沿第一连杆驱动丝杆134的轴向运动；第一连杆驱动连接件133受到第一连杆驱动滑块135驱动并绕第一基转轴转动，通过杠杆原理带动第一连杆绕第一基转轴转动。

同理，第一臂驱动组件结构与第一连杆驱动组件结构相同，其中，第一连杆驱动底座铰接点129和第一连杆驱动底座铰接点120常设置于一平行于y轴的直线上，并采用一体加工的方式设置，其余结构部件相同，不再重复进行介绍。

需要说明的是，第一连杆驱动丝杆与第一连杆轴线处于同一直线时，或第一臂驱动丝杆与第一臂处于同一直线时，本发明实施例的平面机械臂会具有一个运动死区，第一连杆或第一臂无法有效的受到控制并进行运动；因此，具体实施中，第一连杆连接件和第一臂连接件通常设置为分别于第一连杆和第一臂不在同一直线上，以避免发生该情况。

实际运行中，将本发明实施例的平台固定于一平面上，并根据实际所需的工作末端运动范围，设计第一臂、第二臂、第一连杆、第二连杆的长度，通过控制第一驱动组件和第二驱动组件，对第一臂、第二臂、第一连杆、第二连杆组成的四连杆机构进行控制。由于本发明实施例提供的平面机械臂将驱动元件设置于底部的平台上，第一臂和第二臂除了自身重量以及配套的连杆重量外，没有额外的重量，具有末端移动速度快等特点，尤其适用于平面运动轨迹的工作末端快速作业运动；采用形状为平行四边形的四连杆机构，第二臂的末端位置计算较为容易，大大降低了控制软件的编写难度，有利于该平面机械臂的普及使用。

因此，本发明实施例提供的平面机械臂还可以应用至机器人上，该机器人包括本发明实施例的所述的任意一项平面机械臂和工作末端；工作末端安装在第二臂末端位置上。

需要说明的是，为了保证该机器人的运行稳定，工作末端应选用一些轻负载且冲击力较小的工作末端，如喷漆头，喷漆过程中喷漆头不会与工件发生接触，避免冲击力；喷漆头自身不会发生动作，且重量较轻，对本发明实施例的机器人运动不会造成影响。本发明实施例的机器人，工作末端可在一定平面范围内实现快速运动，具体实施中，还可以配合工件的运动，实现立体的运动轨迹，具有良好的实用性。

以上对本发明实施例所提供的一种平面机械臂及机器人进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种平面机械臂，其特征在于，所述平面机械臂包括平台、第一臂、第二臂、第一连杆、第二连杆、第一臂驱动组件和第一连杆驱动组件；

所述平台与xy平面平行，在所述平台x正向上，设置有y向相对的第一基转轴连接件和第二基转轴连接件；一圆柱形的第一基转轴固定在所述第一基转轴连接件上，一圆柱形的第二基转轴固定在所述第二基转轴连接件上；

所述第一基转轴轴线和所述第二基转轴轴线分别与y轴平行；

所述第一臂始端铰接于所述第二基转轴上，末端与所述第二臂始端铰接；

所述第一连杆始端铰接于所述第一基转轴上，末端与所述第二连杆始端铰接；

所述第二连杆末端铰接在所述第二臂中部或末端上；

所述第一臂、第二臂、第一连杆和第二连杆构成一四连杆机构；

所述第一臂驱动组件安装于所述平台上，用于驱动所述第一臂绕所述第二基转轴转动；

所述第一连杆驱动组件安装于所述平台上，用于驱动所述第一连杆绕所述第一基转轴转动。

2.如权利要求1所述的平面机械臂，其特征在于，所述第一基转轴轴线与所述第二基转轴轴线共线。

3.如权利要求2所述的平面机械臂，其特征在于，所述第一臂与所述第二连杆平行且长度相等；所述第一连杆平行于所述第二臂。

4.如权利要求2所述的平面机械臂，其特征在于，所述第二臂长度大于或等于所述第一连杆长度。

5.如权利要求1所述的平面机械臂，其特征在于，所述第一臂驱动组件包括第一臂驱动底座、第一臂驱动电机、第一臂驱动丝杆、第一臂驱动滑块和第一臂驱动连接件；

所述第一臂驱动底座铰接在所述平台的x负向上；

所述第一臂驱动丝杆和第一臂驱动滑块安装于一第一臂驱动外壳内，所述第一臂驱动滑块套在所述第一臂驱动丝杆上，所述第一臂驱动连接件与所述第一臂驱动滑块连接固定；所述第一臂驱动连接件与所述第一臂始端连接固定，并与所述丝杆同轴；

所述第一臂驱动外壳与所述第一臂驱动电机并排固定于所述第一臂驱动底座上；所述第一臂驱动电机的转轴和所述第一臂驱动丝杆的一端在所述第一臂驱动底座内基于齿轮连接传动；

所述第一臂驱动连接件驱动所述第一臂绕所述第二基转轴转动。

6.如权利要求1所述的平面机械臂，其特征在于，所述第一连杆驱动组件包括第一连杆驱动底座、第一连杆驱动电机、第一连杆驱动丝杆、第一连杆驱动滑块和第一连杆驱动连接件；

所述第一连杆驱动底座铰接在所述平台的x负向上；

所述第一连杆驱动丝杆和第一连杆驱动滑块安装于第一连杆驱动外壳内，所述第一连杆驱动滑块套在所述第一连杆驱动丝杆上，所述第一连杆驱动连接件与所述第一连杆驱动滑块连接固定；所述第一连杆驱动连接件与所述第一连杆始端连接固定，并与所述丝杆同轴；

所述第一连杆驱动外壳与所述第一连杆驱动电机并排固定于所述第一连杆驱动底座上；所述第一连杆驱动电机的转轴和所述第一连杆驱动丝杆的一端在所述第一连杆驱动底座内基于齿轮连接传动；

所述第一连杆驱动连接件驱动所述第一连杆绕所述第一基转轴转动。

7.如权利要求1～6所述的任意一项平面机械臂，其特征在于，所述第一臂为空心柱状结构；所述第二臂由两块第二臂盖板组成，所述两块第二臂盖板之间通过一个以上的第二臂固定件连接固定。

8.一种机器人，其特征在于，包括权利要求1至7任意一项所述的平面机械臂和工作末端；所述工作末端设置在所述第二臂末端。