CN108161973A - 一种带电动夹爪的多轴机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种带电动夹爪的多轴机械臂，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；第二臂末端上安装有可以进行回转和自转的工作末端，具有更大的运动自由度，可实现多方面的作业需求；工作末端的回转和自转的驱动组件同样安装于平台上，其运动部分的重量较现有的机械臂模块更轻，尤其适用于工作末端快速运动作业；电动夹爪的驱动部件设置在夹爪本体外部，进一步减轻第二臂的负载；夹爪本体在较少的体积内实现夹持和打螺丝动作，具有良好的实用性。

Description

一种带电动夹爪的多轴机械臂

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种带电动夹爪的多轴机械臂。

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。

利用机器人进行夹持作业在机器人应用中较为常见，常见的夹持工具多使用气压作为驱动动力，夹持工具在启动或停止时，会产生较大的冲击力，容易对负载小的高速机器人造成冲击，使其运动坐标发生变化，不利于机器人的重复定位；也有部分夹持工具使用电机驱动，但电机和夹持工具常采用一体化设置，重量较重，不利于机器人的高速运动。

发明内容

为了实现机器人的高速夹持作业，本发明提供了一种带电动夹爪的多轴机械臂，该带电动夹爪的多轴机械臂包括平台、第一臂、第二臂、第一连杆、第二连杆、第一臂驱动组件、第一连杆驱动组件、回转端、回转驱动组件、回转传动组件和电动夹爪；

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；

在所述第一基转轴连接件和第二基转轴连接件相对面之间，一圆柱形的第一基转轴始端滑动安装在所述第一基转轴连接件上；一圆柱形的第二基转轴始端滑动安装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共线并与y轴平行；

所述第一臂始端滑动铰接于所述第一基转轴和/或第二基转轴上，铰接位置所在轴线为第一关节；所述第一臂末端与所述第二臂始端铰接，铰接位置所在轴线为第二关节；所述第二臂末端与所述回转端铰接，铰接位置所在轴线为第三关节；

所述第一连杆始端滑动铰接于所述第一基转轴和/或第二基转轴上，末端与所述第二连杆始端铰接；所述第二连杆末端铰接于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；

所述回转传动组件包括第一回转带轮、第二回转带轮、第三回转带轮和用于传动的回转皮带；

所述第一回转带轮固定在所述第一基转轴上，所述第二回转带轮设置在所述第二关节上，所述第三回转带轮设置在所述第三关节上，所述第三回转带轮与所述回转端连接固定；

所述第一回转带轮、第二回转带轮、第三回转带轮基于回转皮带进行连接；

所述回转驱动组件安装于所述第一基转轴连接件y负向，输出端与所述第一基转轴始端连接，驱动所述基转轴、第一回转带轮、第二回转带轮、第三回转带轮和回转端转动；

所述电动夹爪设置在所述回转端上。

优选的实施方式，所述带电动夹爪的多轴机械臂还包括自转端、自转驱动组件和自转传动组件；

所述自转端设置在所述回转端上，轴线与所述第三关节轴线垂直；

所述自转传动组件包括第一自转带轮、第二自转带轮、第三自转带轮、第一锥齿轮和第二锥齿轮；

所述第一自转带轮固定在所述第二基转轴上，所述第二自转带轮设置在所述第二关节上，所述第三自转带轮设置在所述第三关节上并与所述第三回转带轮同轴；

所述第一锥齿轮与所述第三自转带轮连接固定并同轴，所述第二锥齿轮与所述自转端同轴连接固定；所述第一锥齿轮与所述第二锥齿轮啮合；

所述自转驱动组件安装于所述第二基转轴连接件y正向，输出端与所述第二基转轴始端连接，驱动所述第二基转轴、第一自转带轮、第二自转带轮、第三自转带轮和第一锥齿轮同步转动并基于第一锥齿轮和第二锥齿轮，驱动所述自转端绕自身轴线转动。

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。

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。

优选的实施方式，所述电动夹爪包括夹爪本体、夹爪软轴、夹爪驱动电机；

所述夹爪本体包括夹爪外壳、夹爪输入轴、第一夹爪锥齿轮、第二夹爪锥齿轮、夹爪丝杆、夹爪一、夹爪二、夹爪滑块一、夹爪滑块二、夹爪滑轨；

所述夹爪外壳为盒状结构，所述夹爪输入轴滑动安装于所述夹爪外壳背面上，一端伸出所述夹爪外壳且端面设置有用于与所述夹爪软轴连接的夹爪输入盲孔，另一端位于所述夹爪外壳内部并与所述第一夹爪锥齿轮连接固定；

所述第二锥齿轮与所述第一夹爪锥齿轮垂直啮合并与所述夹爪丝杆连接固定；

所述夹爪丝杆两端滑动安装于所述夹爪外壳两侧面之间，以轴向中截面为分界面，所述分界面两侧开有旋向相反的丝杆螺纹；

所述夹爪一和夹爪二始端基于螺纹配合分别安装在所述夹爪丝杆的所述分界面两侧的丝杆螺纹上，末端伸出所述夹爪外壳底面；

所述夹爪滑块一、夹爪滑块二分别与所述夹爪一和夹爪二连接固定；所述夹爪滑轨安装于所述夹爪外壳内腔底部，所述夹爪滑块一、夹爪滑块二滑动配合在所述夹爪滑轨上；

所述夹爪驱动电机固定在所述夹爪外壳外部，输出端基于所述夹爪软轴与所述夹爪输入轴连接实现传动。

优选的实施方式，所述电动夹爪还包括工具驱动电机、工具软轴和打螺丝模块；

所述打螺丝模块包括包括工具输入轴、工具传动轴、电磁环一、电磁环二、工具输出轴和螺丝批头；

所述工具输入轴安装于所述夹爪外壳的顶面上，只具有自转自由度，底端位于所述夹爪外壳内部并连接固定有电磁环一；

所述工具输出轴顶端连接固定有电磁环二，底端穿过所述夹爪外壳底部并连接固定有所述螺丝批头；

所述工具传动轴截面形状为除圆形外的任意图形，一端固定在所述工具输入轴上，另一端穿过所述电磁环一和电磁环二，轴向滑动配合在所述工具输出轴内；

所述工具输入轴、工具传动轴、工具输出轴和螺丝批头的轴线共线；

所述电磁环一和电磁环二通电后，所述工具输出轴沿轴向朝向所述工具输入轴运动或背离所述工具输入轴运动。

优选的实施方式，所述夹爪软轴与所述工具软轴结构相同，分别包括软轴输入接口、软轴输出接口、软管、软轴芯；

所述软轴芯可转动的内套在于所述软管内部，输入端与所述软轴输入接口连接固定，输出端与所述软轴输出接口连接固定。

优选的实施方式，所述电动夹爪还包括夹爪扭矩限制器和工具扭矩限制器；所述夹爪驱动电机通过所述夹爪扭矩限制器与所述夹爪软轴的始端连接；所述工具驱动电机通过所述工具扭矩限制器与所述工具软轴的始端连接。

本发明实施例提供一种带电动夹爪的多轴机械臂，该带电动夹爪的多轴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。该带电动夹爪的多轴机械臂具有末端移动速度快等特点，可进行短距离轨迹的轻负载高速运动；电动夹爪的驱动元件设置在夹爪本体外，对机器人的快速作业具有良好的实用性。

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带电动夹爪的多轴机械臂的三维结构示意图；

图2示出了本发明实施例带电动夹爪的多轴机械臂的正视图；

图3示出了本发明实施例的A-A截面的剖视图；

图4示出了本发明实施例的B-B截面的剖视图；

图5示出了本发明实施例带电动夹爪的多轴机械臂的俯视图；

图6示出了本发明实施例的第一臂正视图；

图7示出了本发明实施例的第一连杆正视图；

图8示出了本发明实施例的多轴机械臂运动简图；

图9示出了本发明实施例第一连杆驱动组件的局部放大图；

图10示出了本发明实施例的电动夹爪三维结构示意图；

图11示出了本发明实施例的电动夹爪右视图；

图12示出了本发明实施例的夹爪二末端结构局部放大剖视图；

图13示出了本发明实施例的软轴结构剖视图。

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带电动夹爪的多轴机械臂的三维结构示意图，图2示出了本发明实施例带电动夹爪的多轴机械臂的前视图，图5示出了本发明实施例电动夹爪的多轴机械臂的俯视图，为了对传动结构进行清晰展示，在图5中的部分外壳不予示出，回转端和自转端调整一定的角度，使视图更加清晰。

本发明实施例提供的带电动夹爪的多轴机械臂，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、第一连杆106驱动组件、回转驱动组件801、回转传动组件、自转驱动组件802、自转传动组件和电动夹爪1200。以下先对本发明实施例的多轴机械臂进行介绍，再对电动夹爪的结构进行介绍。

为了减轻第一臂102和第二臂103的重量，本发明实施例的第一臂102的结构为空心柱状结构，具体为方形空心柱状结构；第二臂103通过两块第二臂盖板137组成，所述两块第二臂盖板137之间通过一个以上的第二臂固定件139连接固定；具体实施中，可设置为各种形式的臂结构。

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；

图3示出了A-A截面的剖面图，为了视图的简洁，只示出具有剖切面的部分；轴承的剖面线由于较为复杂，在图中不予显示；为了减少摩擦，相对滑动的各零部件之间基于轴承和轴承套连接，由于该连接方式在行业内较为常见，不予详细介绍。在所述第一基转轴连接件109和第二基转轴连接件111相对面之间，一圆柱形的第一基转轴812始端滑动安装在所述第一基转轴连接件109上；一圆柱形的第二基转轴始端815滑动安装在所述第二基转轴连接件上；所述第一基转轴轴线812和所述第二基转轴815轴线共线并与y轴平行。

所述第一臂102始端滑动铰接于所述第一基转轴812和/或第二基转轴815上，本发明实施例的第一臂102为空心柱状结构，横跨滑动铰接于第一基转轴812和第二基转轴815上；所述第一臂102末端与所述第二臂103始端铰接；所述第二臂末端103与所述工作末端铰接。

所述第一连杆105始端滑动铰接于所述第一基转轴812和/或第二基转轴815上，末端与所述第二连杆104始端铰接；所述第二连杆104末端铰接于所述第二臂103中部或末端上；所述第一臂102、第二臂103、第一连杆105和第二连杆104构成一四连杆机构；

所述第一臂驱动组件107安装于所述平台101上，用于驱动所述第一臂102绕所述第一基转轴812和/或第二基转轴815转动；所述第一连杆驱动组件106安装于所述平台101上，用于驱动所述第一连杆105绕所述第一基转轴812转动。

需要说明的是，第一臂驱动组件和第二臂驱动组件可以控制并保持第一臂、第二臂、第一连杆和第二连杆组成的四连杆机构结构的位置；工作末端的位置通过回转驱动组件801、回转传动组件、自转驱动组件802和自转传动组件进行控制。

其中，第一基转轴812由回转驱动组件801驱动。回转驱动组件801包括回转驱动电机810、回转驱动减速器811以及配套的轴承和轴承套。第一基转轴812始端滑动安装在第一基转轴连接件109上，末端固定有第一回转带轮813；回转驱动减速器811固定在第一基转轴812上；回转驱动电机810经回转驱动减速器811与第一基转轴连接件109连接；回转驱动电机810经回转驱动减速器811、第一基转轴812驱动第一回转带轮813转动。

第二基转轴815由自转驱动组件801驱动。自转驱动组件802包括自转驱动电机817、自转驱动减速器816以及配套的轴承和轴承套。第二基转轴815始端滑动安装在第二基转轴连接件111上，末端固定有第一回转带轮814；自转驱动减速器816固定在第二基转轴连接件111上；自转驱动电机817经自转驱动减速器816与第二基转轴815连接；自转驱动电机817经自转驱动减速器815、第二基转轴815驱动第一自转带轮814转动。

图4示出了B-B截面的剖面结构示意图，为了视图的简洁，只示出具有剖切面的部分；轴承的剖面线由于较为复杂，在图中不予显示；为了减少摩擦，相对滑动的各零部件之间基于轴承和轴承套连接，由于该连接方式在行业内较为常见，不予详细介绍。第一臂104末端和第二臂103始端铰接，具体的，第二关节转轴834沿y向贯穿第一臂104的y正向面和y负向面。第二关节转轴834上滑动安装有第二回转套筒833、第二自转套筒832，其中，第二回转套筒833滑动安装在第一臂104y负向面上，在第一臂104内部和外部分别连接固定有第二回转带轮一836和第二回转带轮二835；第二自转套筒832滑动安装在第一臂104y正向面上，在第一臂104内部和外部分别连接固定有第二自转带轮一837和第二自转带轮二838。第二臂的两块第二臂盖板137分别滑动安装在第二回转套筒833、第二自转套筒832上。

图5示出了本发明实施例的俯视图，其中，与回转端的回转运动和自转端的自转运动无关的部件不予显示，局部放大图为第二臂末端的剖视图。第二臂103末端上设置有沿y向贯穿的第三关节转轴842；第三关节转轴842y正向端固定连接有第三自转带轮840，y负向端滑动安装有第三回转套筒843，第三回转套筒843滑动安装在第二臂103y负向面上，其中，第三回转套筒843在y负向连接固定有第三回转带轮847。

本发明实施例的工作末端包括回转端844和滑动安装在回转端844上的自转端845；回转端844滑动安装于第三关节转轴842上，y负向端与第三回转套筒843连接固定。

第三关节转轴842上还固定连接有第一锥齿轮841，自转端上连接固定有第二锥齿轮846；第一锥齿轮841和第二锥齿轮842啮合，轴线相互之间垂直。

结合以上对本发明实施例的多轴机械臂结构的说明，以下对本发明实施例的工作末端的回转运动和自转运动进行总结。

回转传动组件包括第一回转带轮、第二回转带轮一、第二回转带轮二、第三回转带轮和用于传动的回转皮带一、回转皮带二。回转驱动组件驱动第一基转轴转动，带动第一回转带轮转动；第一回转带轮基于回转皮带一带动第二回转带轮一转动；第二回转带轮一和第二回转带轮二基于第二回转套筒连接固定并同步运动；第二回转带轮二基于回转皮带二驱动第三回转带轮运动；第三回转带轮与回转端基于第三回转套筒连接固定，并同步转动。

自转传动组件包括第一自转带轮、第二自转带轮一、第二自转带轮二、第三自转带轮、第一锥齿轮、第二锥齿轮和用于传动的自转皮带一、自转皮带二；自转驱动组件驱动第二基转轴转动，带动第一自转带轮转动；第一自转带轮基于自转皮带一带动第二自转带轮一转动；第二自转带轮一和第二自转带轮二基于第二自转套筒连接固定并同步运动；第二自转带轮二基于自转皮带二驱动第三自转带轮运动；第三自转带轮与第一锥齿轮基于第三关节转轴连接固定，并同步转动；第二锥齿轮与第一锥齿轮正交啮合并受到第一锥齿轮驱动实现转动；与第二锥齿轮连接的转动端在回转端上绕自身轴线自转。

图1示出了本发明实施例带电动夹爪的多轴机械臂的三维结构示意图，图2示出了本发明实施例带电动夹爪的多轴机械臂的前视图。第一基转轴和第二基转轴除了作为传动部件以外，还用于将第一臂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6示出了本发明实施例第一臂结构正视图。具体实施中，所述所述第一臂102始端滑动铰接于所述第一基转轴812和第二基转轴815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，经第一基转轴812和第二基转轴815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7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812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812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。

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8示出了该带电动夹爪的多轴机械臂的运动简图，结合图2示出的带电动夹爪的多轴机械臂实物正视图，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附近，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多轴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。

图9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，本发明实施例的带电动夹爪的多轴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多轴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；第二臂末端上安装有可以进行回转和自转的工作末端，具有更大的运动自由度，可实现多方面的作业需求；工作末端的回转和自转的驱动组件同样安装于平台上，其运动部分的重量较现有的机械臂模块更加轻，尤其适用于执行末端快速运动作业。

以下对电动夹爪的结构进行介绍，图10示出了本发明实施例的电动夹爪三维结构示意图，图11示出了本发明实施例的电动夹爪右视图。本发明实施例的电动夹爪1200设置在第二臂103末端的自转端上，具体的连接方式为，夹爪外壳1100固定自转端上。电动夹爪连接件1201固定夹在第二臂103的两块第二臂盖板137末端之间，一端从第二臂103上伸出，与电动夹爪的夹爪外壳1100背面连接。

为了清晰展示本发明实施例的电动夹爪内部结构，附图中的电动夹爪x正面一侧敞开。本发明实施例的电动夹爪1200，包括夹爪本体、夹爪传动软轴1113、夹爪驱动电机1111；

所述夹爪本体包括夹爪外壳1100、夹爪输入轴1104、第一夹爪锥齿轮1105、第二夹爪锥齿轮1106、夹爪丝杆1103、夹爪一1101、夹爪二1102、夹爪滑块一1121、夹爪滑块二1122、夹爪滑轨1123；

所述夹爪外壳1100为盒状结构，所述夹爪输入轴1104滑动安装于所述夹爪外壳x负向面上，x负向端的端面上开有用于与夹爪输入软轴末端连接的夹爪输入盲孔，在图7和图8中由于视角关系不可见，具体结构可参照位于夹爪外壳1100z正向的工具输入盲孔。所述夹爪输入盲孔的截面形状可设置为除圆形以外的任意图形，考虑到市面上的常用接口形状和加工难度，具体实施中，可以将盲孔的截面形状设置为正六边形；也可以加工为截面形状为圆形的夹爪输入盲孔，基于槽和键配合进行传动。

所述夹爪输入轴1104的x整向方向上，连接固定有第一夹爪锥齿轮1105，具体的，基于夹爪输入轴1104上的键和第一夹爪锥齿轮1105内壁的槽实现转动的传动。

在夹爪外壳1100内部，沿y向滑动设置有一夹爪丝杆1103，具体的，可以在夹爪外壳y正向和y负向面上设置用于夹爪丝杆安装的轴承，在本发明实施例中，从夹爪滑轨1123上延伸出轴承支撑架，用于安装轴承，夹爪丝杆1103两端分别连接在轴承上。夹爪丝杆1103在y正向位置外周，连接固定有第二夹爪锥齿轮1106；第二夹爪锥齿轮1106与第一夹爪锥齿轮1105啮合，相互间轴线呈90°。

需要说明的是，为了实现一根夹爪丝杆1103同时控制两个夹爪，且两个夹爪的运动方向是相反的，本发明实施例的夹爪丝杆1103螺纹以夹爪丝杆轴向的中截面为分界截面，在该分界截面y负向一侧的丝杆螺纹和在该分界截面y正向一侧的丝杆螺纹旋向相反，即其中一侧的丝杆螺纹为左螺纹，另一侧的丝杆螺纹为右螺纹。

夹爪一1101和夹爪二1102分别设置在该分界截面的y向两侧，本发明实施例的夹爪一1101设置在该分界截面的y负向，夹爪二1102设置在该分界界面的y正向。夹爪一1101和夹爪二1102分别配合在相对应的夹爪丝杆的丝杆螺纹上，当夹爪丝杆转动时，夹爪一1101和夹爪二1102分别沿y向做相互靠近运动或相互背离的同步运动。

为了使夹爪一1101和夹爪二1102不会绕夹爪丝杆1103转动，在本发明实施例中，在夹爪外壳1100内腔底面上，沿y向安装有一根夹爪滑轨1123，夹爪滑轨1123上分别配合有夹爪滑块一1121和夹爪滑块二1122；夹爪滑块一1121和夹爪滑块二1122分别与夹爪一1101和夹爪二1102连接固定。

夹爪一1101和夹爪二1102结构虽然可以设置为不同形状，但为了避免零件设计及加工的复杂性，通常将其设计为结构相同，并且关于自身x向的中截面对称的，以减低加工成本。

本发明实施例的夹爪一和夹爪二的结构相同且关于自身y向的中截面对称，始端配合在夹爪丝杆1103上，末端从夹爪外壳1100底面伸出，用于夹持定位。为了避让中部设置的工具输入轴1108，本发明的夹爪一1101和夹爪二1102xz平面的截面形状为之字形，夹爪的始端轴线与末端轴线在x向上具有一定距离，从而避免了工具输入轴与夹爪丝杆的位置冲突；由于夹爪滑轨1123为固定部件，因此，可对夹爪滑轨1123进行切割以避让工具输入轴；在形成避让的同时，还可以对两侧的夹爪滑块进行限位。

需要说明的是，当夹爪采用之字形设计时，具体设计中，夹爪的末端与工具输入轴应在同一yz平面上，从而使夹持定位后，工具作业时不容易发生松动。

图12示出了本发明实施例的夹爪末端截面示意图。进一步的，为了对夹爪末端进行微调，可在夹爪一末端和夹爪二末端相对的一面上，分别设置有活动夹片1131，本发明实施例以夹爪二末端进行介绍。活动夹片1131与基于一可调螺丝1133固定在所述夹爪一或夹爪二上，为了保持平衡和提高其控制精度，还可以安装微调螺杆1132。可调螺丝1133和微调螺杆1131基于螺纹配合在夹爪21102末端，相互间轴线平行，x负向端滑动嵌入安转至活动夹片1131内。

通过控制可调螺丝1133和微调螺杆1132从夹爪二1133的y向伸出长度，即可控制活动夹片1131从夹爪二1102上的伸出距离，并影响最终夹爪一1101和夹爪二1102之间的距离。

以上介绍的为实现夹持定位功能的结构，当夹爪输入轴1104经第一夹爪锥齿轮1105和第二夹爪锥齿轮1106带动夹爪丝杆1103转动时，夹爪一1101和夹爪二1102向相对方向或相反方向运动；当夹爪一1101和夹爪二1102向相对方向运动时，由于夹爪一1101和夹爪二1102的运动是同步的，夹持同一个尺寸的工件时，其最终的夹持位置是固定的；如果在夹爪本体上设置其他用于工件加工的部件，可以有效进行定位。

本发明实施例以实现打螺丝功能为例子，对工具末端进行介绍。

图10示出了本发明实施例的工具末端三维结构示意图，图11示出了本发明实施例的工具末端正式示意图。本发明实施例的工具末端为打螺丝模块1140，该打螺丝模块1140包括工具输入轴1141、工具传动轴1143、电磁环一1142、电磁环二1144、工具输出轴1146和螺丝批头1147。

工具输入轴1141安装于夹爪外壳1100的顶面上，只具有自转自由度；工具输入轴1141下方安装有电磁环一1142；工具传动轴1143截面形状为除圆形外的任意图形，优选的，可以为正六边形；工具传动轴1143上端与工具输入轴1141连接固定，下端滑动配合在工具输出轴1146的传动槽1145中；传动槽1145截面形状与所述工具传动轴1143截面形状配合；在工具输出轴1146上方，连接固定有电磁环二1144；需要说明的是，工具输出轴1146从电磁环一1142和电磁环1144中穿过，电磁环1142和电磁环1144其中一者可以为永磁体；工具输出轴1146下端从夹爪外壳1100底部穿出，末端基于磁吸方式连接固定有螺丝批头1147。

工具输入轴1141基于工具软轴与工具驱动电机1110连接并受工具驱动电机1110驱动，具体连接方式在后文进行介绍。

本发明实施例的打螺丝模块，电磁环一1142和电磁环二1144内部设置有线圈，可通过通入电流的方向和大小改变其磁极的方向和强度；由于工具输出轴1146的传动槽1145与工具传动轴1143的配合，工具输出轴1146能沿工具传动轴1143轴线滑动和在工具传动轴1143的驱动下转动。当电磁环一1142和电磁环二1144通电，发生吸引动作时，工具输出轴1143向上运动，电磁环二1144吸附在电磁环一1142上；当电磁环一1142和电磁环二1144发生相斥动作时，工具输出轴1143具有一个向下的力。具体实施中，当工具输入轴1142转动时，基于工具传动轴1143驱动工具输出轴1146旋转，从而带动工具输出周1146下端的螺丝批头1147旋转；由于电磁环一1142和电磁环二1144相斥，工具输出轴1146可给予螺丝批头和螺丝一个向下的力，便于螺丝打入。该打螺丝模块利用电磁原理控制工具输出轴轴向的运动，提高了打螺丝作业时便利性，与夹爪的夹持运动相配合，具有良好的实用性。

以上为对夹爪本体的结构和运动进行介绍，进一步的，为了减轻夹爪本体的重量，本发明实施例将夹爪驱动电机1111和工具驱动电机1110设置在夹爪本体的外部。

在本发明实施例中，夹爪驱动电机1111和工具驱动电机1110由于不需要做到精准的距离控制，因此，可选用成本较低的普通电机即可，不需要配置成本较高的伺服电机。由于本发明实施例的夹爪实现夹持是通过工件的外形结构和尺寸进行限定的、打螺丝则是根据扭矩判断螺丝是否打紧的，因此，可以在夹爪驱动电机1111和工具驱动电机1110的输出端分别接上扭矩限制器，具体的，夹爪驱动电机1111的转轴末端设置的扭矩限制器命名为夹爪扭矩限制器1117；工具驱动电机1110的转轴末端设置的扭矩限制器命名为工具扭矩限制器1116。

扭矩限制器，也叫安全联轴器，扭力限制器、安全离合器，是联接主动机与工作机的一种部件，主要功能为过载保护，扭力限制器是当超载或机械故障而导致所需扭矩超过设定值时，它以打滑形式限制传动***所传动的扭力，当过载情形消失后自行恢复联结。这样就防止了机械损坏，避免了昂贵的停机损失。本发明实施例以扭矩限制器实现判断夹持动作完成和判断打螺丝动作完成的功能。

夹爪驱动电机1111用于驱动夹爪输入轴1104，夹爪驱动电机1111和夹爪输入轴1104之间通过夹爪软轴1113进行传动。本发明的夹爪软轴1113包括软轴输入接口、软轴输出接口、软管、软轴芯；同理，本发明实施例的工具驱动电机1110基于工具软轴1112与工具输入轴1141连接，工具软轴1112和夹爪软轴1113结构相同，由于视图关系，下面以工具软轴1112为例进行介绍。

图13示出了本发明实施例的工具软轴1112的剖面结构示意图。软轴芯1135两端分别连接有软轴输入接口1136和软轴输出接口1137，本发明的软轴输入接口1136与扭矩限制器的输出端连接。软管1134套在软轴芯1135外，软轴芯1135和软管1134之间填充有润滑脂或润滑油。

本发明实施例的软管为钢丝编织胶管；钢丝编织胶管从内部至外部依次为耐液体的合成橡胶内胶层、中胶层、钢丝编织增强层及耐天候性能优良的合成橡胶外胶层。胶管选用特种合成橡胶配合制成，具有优良的耐油、耐热、耐老化性能，胶管承压力高，管体结合紧密，使用柔软，在压力下变形小，较为适合作为夹爪软轴的软管。

本发明实施例的软轴输出接口1137的截面形状应与工具输入轴的工具输入盲孔相适配，同时，为了防止工具软轴与工具输入轴脱离，软轴输出接口1137可基于磁吸固定方式固定在工具输入盲孔内。

该电动夹爪在运作时，可将夹爪驱动电机和工具驱动电机固定在某一位置上，然后通过本发明实施例的多轴机械臂操作夹爪本体运动。夹爪本体在动作时，首先通过夹爪驱动电机驱动夹爪一和夹爪二相对运动，夹持工件；当夹爪一和家爪二夹持后，夹爪驱动电机上的夹爪扭矩限制器发生作用，无法继续进行夹紧，完成夹持定位，此时，夹爪本体整体与工件之间的相对位置固定。然后，工具驱动电机驱动螺丝批头转动，电磁环一和电磁环二通电后相斥，给予螺丝批头一个向下的作用力，将工件上的螺丝旋紧工件中；当螺丝被上紧时，工具扭矩限制器发生作用，批头停止运动。作业完成后，电磁环一和电磁环二相吸，带动工具输出轴复位；其余零部件复位，一次作业完成。

本发明实施例的带电动夹爪的多轴机械臂，通过多轴机械臂控制电动夹爪高速运动至设定位置，利用电动夹爪进行夹持定位和打螺丝作业；多轴机械臂的臂重量较轻，可进行高速运动；电动夹爪只有夹爪本体固定在平面机械臂上，平面机械臂负载较小；利用电机和软轴进行动力输入，冲击力较小，不易对平面机械臂造成影响；夹爪本体在较小的体积内可进行夹持定位和打螺丝动作，具有良好的实用性。

本发明实施例的带电动夹爪的多轴机械臂，通过机械臂控制电动夹爪高速运动至设定位置，利用电动夹爪进行夹持定位和打螺丝作业；平面机械臂的臂重量较轻，可进行高速运动；电动夹爪只有夹爪本体固定在平面机械臂上，平面机械臂负载较小；利用电机和软轴进行动力输入，冲击力较小，不易对平面机械臂造成影响；夹爪本体在较小的体积内可进行夹持定位和打螺丝动作，具有良好的实用性。

以上对本发明实施例所提供的一种带电动夹爪的多轴机械臂进行了详细介绍，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 (10)

1.一种带电动夹爪的多轴机械臂，其特征在于，所述带电动夹爪的多轴机械臂包括平台、第一臂、第二臂、第一连杆、第二连杆、第一臂驱动组件、第一连杆驱动组件、回转端、回转驱动组件、回转传动组件和电动夹爪；

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；

在所述第一基转轴连接件和第二基转轴连接件相对面之间，一圆柱形的第一基转轴始端滑动安装在所述第一基转轴连接件上；一圆柱形的第二基转轴始端滑动安装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共线并与y轴平行；

所述第一臂始端滑动铰接于所述第一基转轴和/或第二基转轴上，铰接位置所在轴线为第一关节；所述第一臂末端与所述第二臂始端铰接，铰接位置所在轴线为第二关节；所述第二臂末端与所述回转端铰接，铰接位置所在轴线为第三关节；

所述第一连杆始端滑动铰接于所述第一基转轴和/或第二基转轴上，末端与所述第二连杆始端铰接；所述第二连杆末端铰接于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；

所述回转传动组件包括第一回转带轮、第二回转带轮、第三回转带轮和用于传动的回转皮带；

所述第一回转带轮固定在所述第一基转轴上，所述第二回转带轮设置在所述第二关节上，所述第三回转带轮设置在所述第三关节上，所述第三回转带轮与所述回转端连接固定；

所述第一回转带轮、第二回转带轮、第三回转带轮基于回转皮带进行连接；

所述回转驱动组件安装于所述第一基转轴连接件y负向，输出端与所述第一基转轴始端连接，驱动所述基转轴、第一回转带轮、第二回转带轮、第三回转带轮和回转端转动；

所述电动夹爪设置在所述回转端上。

2.如权利要求1所述的带电动夹爪的多轴机械臂，其特征在于，所述带电动夹爪的多轴机械臂还包括自转端、自转驱动组件和自转传动组件；

所述自转端设置在所述回转端上，轴线与所述第三关节轴线垂直；

所述自转传动组件包括第一自转带轮、第二自转带轮、第三自转带轮、第一锥齿轮和第二锥齿轮；

所述第一自转带轮固定在所述第二基转轴上，所述第二自转带轮设置在所述第二关节上，所述第三自转带轮设置在所述第三关节上并与所述第三回转带轮同轴；

所述第一锥齿轮与所述第三自转带轮连接固定并同轴，所述第二锥齿轮与所述自转端同轴连接固定；所述第一锥齿轮与所述第二锥齿轮啮合；

所述自转驱动组件安装于所述第二基转轴连接件y正向，输出端与所述第二基转轴始端连接，驱动所述第二基转轴、第一自转带轮、第二自转带轮、第三自转带轮和第一锥齿轮同步转动并基于第一锥齿轮和第二锥齿轮，驱动所述自转端绕自身轴线转动。

3.如权利要求1所述的带电动夹爪的多轴机械臂，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3所述的带电动夹爪的多轴机械臂，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所述的带电动夹爪的多轴机械臂，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所述的带电动夹爪的多轴机械臂，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至6所述的任意一项带电动夹爪的多轴机械臂，其特征在于，所述电动夹爪包括夹爪本体、夹爪软轴、夹爪驱动电机；

所述夹爪本体包括夹爪外壳、夹爪输入轴、第一夹爪锥齿轮、第二夹爪锥齿轮、夹爪丝杆、夹爪一、夹爪二、夹爪滑块一、夹爪滑块二、夹爪滑轨；

所述夹爪外壳为盒状结构，所述夹爪输入轴滑动安装于所述夹爪外壳背面上，一端伸出所述夹爪外壳且端面设置有用于与所述夹爪软轴连接的夹爪输入盲孔，另一端位于所述夹爪外壳内部并与所述第一夹爪锥齿轮连接固定；

所述第二锥齿轮与所述第一夹爪锥齿轮垂直啮合并与所述夹爪丝杆连接固定；

所述夹爪丝杆两端滑动安装于所述夹爪外壳两侧面之间，以轴向中截面为分界面，所述分界面两侧开有旋向相反的丝杆螺纹；

所述夹爪一和夹爪二始端基于螺纹配合分别安装在所述夹爪丝杆的所述分界面两侧的丝杆螺纹上，末端伸出所述夹爪外壳底面；

所述夹爪滑块一、夹爪滑块二分别与所述夹爪一和夹爪二连接固定；所述夹爪滑轨安装于所述夹爪外壳内腔底部，所述夹爪滑块一、夹爪滑块二滑动配合在所述夹爪滑轨上；

所述夹爪驱动电机固定在所述夹爪外壳外部，输出端基于所述夹爪软轴与所述夹爪输入轴连接实现传动。

8.如权利要求7所述的带电动夹爪的多轴机械臂，其特征在于，所述电动夹爪还包括工具驱动电机、工具软轴和打螺丝模块；

所述打螺丝模块包括包括工具输入轴、工具传动轴、电磁环一、电磁环二、工具输出轴和螺丝批头；

所述工具输入轴安装于所述夹爪外壳的顶面上，只具有自转自由度，底端位于所述夹爪外壳内部并连接固定有电磁环一；

所述工具输出轴顶端连接固定有电磁环二，底端穿过所述夹爪外壳底部并连接固定有所述螺丝批头；

所述工具传动轴截面形状为除圆形外的任意图形，一端固定在所述工具输入轴上，另一端穿过所述电磁环一和电磁环二，轴向滑动配合在所述工具输出轴内；

所述工具输入轴、工具传动轴、工具输出轴和螺丝批头的轴线共线；

所述电磁环一和电磁环二通电后，所述工具输出轴沿轴向朝向所述工具输入轴运动或背离所述工具输入轴运动。

9.如权利要求8所述的带电动夹爪的多轴机械臂，其特征在于，所述夹爪软轴与所述工具软轴结构相同，分别包括软轴输入接口、软轴输出接口、软管、软轴芯；

所述软轴芯可转动的内套在于所述软管内部，输入端与所述软轴输入接口连接固定，输出端与所述软轴输出接口连接固定。

10.如权利要求8所述的带电动夹爪的多轴机械臂，其特征在于，所述电动夹爪还包括夹爪扭矩限制器和工具扭矩限制器；所述夹爪驱动电机通过所述夹爪扭矩限制器与所述夹爪软轴的始端连接；所述工具驱动电机通过所述工具扭矩限制器与所述工具软轴的始端连接。