CN108247622B - 七自由度模块化绳驱机械臂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及七自由度模块化绳驱机械臂，其模块化关节包括驱动电机，驱动电机带动减速机构，所述减速机构的输出轴穿过绳轮的中间孔带动所述绳轮转动，还带动所述绳轮上方设置的第一轴承的轴承内圈；设置第二轴承与所述第一轴承的轴线平行，第一、第二轴承的轴承外圈固定法兰之间固定连接、外圈轴承座固定连接；所述绳轮与所述第二轴承的内圈轴承座之间缠绕有驱动绳索。本发明的模块化关节中，驱动电机带动绳轮以及第一轴承运动，绳轮上的驱动绳索带动第二轴承转动，结构简单合理，并且具有一定在载荷能力；将模块化关节按一定方式布局、连接，形成七自由度模块化绳驱机械臂，质量小，精度高，且提升机械臂转动时的安全性能。

Description

七自由度模块化绳驱机械臂
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及七自由度模块化绳驱机械臂。
背景技术
随着机器人技术的发展，传统工业机器人的机械结构已经基本固定,其关节一般由电机、谐波减速器或RV减速器、轴承等构成，机械结构较为复杂，尤其对其中的关键零部件质量要求高；同时，传统工业机器人的机械臂的体积大，质量大，危险性高，在人机交互时存在安全隐患。
现有技术中有关于绳驱机械臂的记载，绳驱机械臂相较于传统工业机器人的机械臂，质量和体积大幅减小，但绳驱机械臂中的绳索在受力时容易发生弹性变形或塑性变形，使机械臂的整体刚度不足，承载能力有限；且部分绳驱机械臂的关节之间存在运动耦合、控制精度不高、装配工艺复杂等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，在于提供七自由度模块化绳驱机械臂，利用本发明的装置，可以使模块化关节以及绳驱机械臂轻便安全、结构简单合理、运动精度高，并且具有一定载荷能力。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：七自由度模块化绳驱机械臂，其特征在于，包括模块化关节，所述模块化关节包括：驱动电机，所述驱动电机带动减速机构，所述减速机构的输出轴穿过绳轮的中间孔带动所述绳轮转动，还带动所述绳轮上方设置的第一轴承的轴承内圈；所述第一轴承旁设置第二轴承，所述第一轴承与所述第二轴承的轴线平行，且所述第一、第二轴承的轴承外圈固定法兰之间固定连接，所述第一、第二轴承的外圈轴承座固定连接；所述绳轮与所述第二轴承的内圈轴承座之间缠绕有驱动绳索；
所述第二轴承的正面设置内圈固定法兰，所述内圈固定法兰与所述第二轴承的内圈固定连接；所述第二轴承的背面设置盖板；
还包括：基座、肩部、肘部以及腕部，所述肩部与所述肘部之间设置第一连接臂，所述肘部与所述腕部之间设置第二连接臂；
所述模块化关节在所述肩部分布有三个，为第一、第二、第三模块化关节，第一模块化关节的第二轴承的外圈轴承座与所述基座固定连接；第二模块化关节的第二轴承的外圈轴承座与所述第一模块化关节的第二轴承的内圈固定法兰固定连接；第三模块化关节的第二轴承的外圈轴承座与所述第二模块化关节的第二轴承的内圈固定法兰固定连接，同时所述第三模块化关节的内圈固定法兰与所述第一连接臂固定连接；
所述模块化关节在所述肘部分布有一个，为第四模块化关节，所述第四模块化关节，其第二轴承的内圈固定法兰与所述第一连接臂固定连接，其盖板与所述第二连接臂固定连接；
所述模块化关节在所述腕部分布有三个，为第五、第六、第七模块化关节，第五模块化关节的第二轴承的盖板与所述第二连接臂固定连接，第六模块化关节的第二轴承的外圈轴承座与所述第五模块化关节的第二轴承的内圈固定法兰固定连接；第七模块化关节的第二轴承的外圈轴承座与所述第六模块化关节的第二轴承的内圈固定法兰固定连接。
在一种优选的实施方式中，两根所述驱动绳索相对所述绳轮对称设置，每根所述驱动绳索在绳轮上饶一圈半后，穿过所述第二轴承的外圈轴承座的侧壁上开设的小孔，在所述第二轴承的内圈轴承座的走线槽内绕线半圈后，固定在所述第二轴承的内圈轴承座的走线槽内。
在一种优选的实施方式中，所述第一轴承为深沟球轴承。
在一种优选的实施方式中，所述第二轴承为交叉滚子轴承。
在一种优选的实施方式中，还包括绝对式编码器，所述绝对式编码器包括磁环与读数头，所述读数头固定安装在所述第二轴承的固定的外圈轴承座上，所述磁环安装在所述第二轴承的转动的内圈轴承座上；所述绝对式编码器读取所述第二轴承的转动角度，并反馈转动角度信息至控制板。
在一种优选的实施方式中，还包括绳索张紧机构，所述绳索张紧机构包括中空螺柱与调节螺母，所述调节螺母上下两端分别与所述绳轮的上下底面固定连接，所述调节螺母中部开螺纹孔，使所述中空螺柱与所述调节螺母螺接，且所述中空螺柱的轴向沿所述绳轮的切线方向；所述驱动绳索穿过所述中空螺柱的内部，并在所述中空螺柱的一端打结固定。
在一种优选的实施方式中，所述肩部的三个模块化关节中的所述第二轴承的轴线两两之间相互垂直；所述腕部的三个模块化关节中的所述第二轴承的轴线两两之间相互垂直。
在一种优选的实施方式中，将所述腕部与所述肘部的模块化关节中的驱动电机、减速机构以及第一轴承后置安装于所述基座上。
在一种优选的实施方式中，所述第一连接臂、第二连接臂上设有走线卡槽，所述腕部与所述肘部中的驱动绳索通过所述走线卡槽沿所述第一连接臂、第二连接臂分布，且所述驱动绳索由软管包容，进行运动解耦。
本发明的有益效果是：
本发明的模块化关节中，驱动电机带动绳轮以及第一轴承运动，绳轮上的驱动绳索带动第二轴承转动，结构简单合理，并且具有一定在载荷能力；将模块化关节按一定方式布局、连接，形成七自由度模块化绳驱机械臂，质量小，精度高，且提升机械臂转动时的安全性能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图1是本发明的模块化关节的一个实施例的剖视图；
图2是图1实施例的组成结构示意图；
图3是本发明的七自由度模块化绳驱机械臂的一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。
此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。
图1是本发明的模块化关节的一个实施例的组成结构示意图，参照图1-3，该模块化关节包括：驱动电机1，减速机构2，绳轮3，第一轴承4，第二轴承5，驱动绳索6，绝对式编码器7，绳索张紧机构8以及软管9。
本实施例中，如图1至图3所示，驱动电机1带动减速机构2，减速机构2的输出轴穿过绳轮3的中间孔带动绳轮3转动，还穿过绳轮3上方设置的第一轴承的轴承内圈（图中未示出）；第一轴承4旁设置第二轴承5，第一轴承4与第二轴承5的轴线平行，且第一、第二轴承的轴承外圈固定法兰402之间固定连接，第一、第二轴承的外圈轴承座403固定连接；绳轮3与第二轴承的内圈轴承座501之间缠绕有驱动绳索6。绳索驱动低间隙与低摩擦。此处，优选地，驱动电机1选用直流无刷电机，减速机构2选用正齿轮箱。
此处，优选地，驱动绳索6有两根，且相对绳轮3对称设置，每根驱动绳索6在绳轮3上饶一圈半后，穿过第二轴承的外圈轴承座403的侧壁上开设的小孔，在第二轴承的内圈轴承座501的走线槽内绕线半圈后，固定在第二轴承的内圈轴承座501的走线槽内。两根对称设置的驱动绳索分别用于关节顺时针和逆时针旋转时承受拉力。第二轴承的外圈轴承座403的侧壁上开设小孔有利于驱动绳索6走线。
此处，优选地，第一轴承4为深沟球轴承，可以增大驱动电机1的输出轴所能承受的力矩的作用，从而提高关节的承载能力。
此处，优选地，第二轴承5为交叉滚子轴承，交叉滚子轴承5的正面设置内圈固定法兰503,内圈固定法兰503与交叉滚子轴承的内圈504固定连接；交叉滚子轴承的背面设置盖板505。交叉滚子轴承的内外环可以分离，刚度也较高，提高模块化关节的刚性和载荷能力。
本实施例中，优选地，还包括绝对式编码器7，绝对式编码器7包括磁环与读数头，读数头固定安装在固定的第二轴承的外圈轴承座403上，磁环安装在转动的第二轴承的内圈轴承座501上；绝对式编码器7测量第二轴承5的实际转动角度，并反馈转动角度信息至控制板，形成具有反馈的闭环控制，保证关节的运动精度。
本实施例中，优选地，还包括绳索张紧机构8，绳索张紧机构8包括中空螺柱801与调节螺母802，调节螺母802上下两端分别与绳轮3的上下底面固定连接，调节螺母802中部开螺纹孔，使中空螺柱801与调节螺母802螺接，且中空螺柱801的轴向沿绳轮3的切线方向；驱动绳索6穿过中空螺柱801的内部，并在中空螺柱801的一端打结固定。通过转动转动中空螺柱801，使其在调节螺母802中沿轴向产生微量移动，达到调节驱动绳索6张紧力的作用，使驱动绳索6始终保持张紧状态。
本发明中的七自由度模块化绳驱机械臂，包括：肩部10、肘部20以及腕部30，肩部10与肘部20之间设置第一连接臂40，肘部20与腕部30之间设置第二连接臂50，还包括基座60以及上述的模块化关节；
肩部10分布有第一、第二、第三模块化关节，第一模块化关节101的第二轴承的外圈轴承座与基座60固定连接；第二模块化关节102的第二轴承的外圈轴承座与第一模块化关节101的第二轴承的内圈固定法兰固定连接；第三模块化关节103的第二轴承的外圈轴承座与第二模块化关节102的第二轴承的内圈固定法兰固定连接，同时第三模块化关节103的内圈固定法兰与第一连接臂40固定连接。
肘部20分布有一个第四模块化关节201，第四模块化关节201的第二轴承的内圈固定法兰与第一连接臂40固定连接，第四模块化关节201的第二轴承的盖板与第二连接臂50固定连接。
腕部30分布有第五、第六、第七模块化关节，第五模块化关节301的第二轴承的盖板与第二连接臂50固定连接，第六模块化关节302的第二轴承的外圈轴承座与第五模块化关节301的第二轴承的内圈固定法兰固定连接；第七模块化关节303的第二轴承的外圈轴承座与第六模块化关节302的第二轴承的内圈固定法兰固定连接。
如此，搭建形成七自由度模块化绳驱机械臂。类似于人手，七个自由度对于需要避障和回避内部奇异性是最少的自由度数。
此处，优选地，第一连接臂40与第二连接臂50的材质选用碳增强工程塑料，且第一连接臂40与第二连接臂50的内部采用网状的桁架结构，在保证臂杆强度和刚度的情况下，尽可能减轻臂杆的质量。
此处，优选地，肩部10的三个模块化关节中的第二轴承的轴线两两之间相互垂直；腕部30的三个模块化关节中的第二轴承的轴线两两之间相互垂直。三个关节分别起到俯仰、偏航以及翻转的作用。
本实施例中，优选地，将腕部30与肘部20的模块化关节中的驱动电机1、减速机构2、绳轮3以及第一轴承4后置安装于基座60上。如此，进一步减轻机械臂前端的质量，从而减小机械臂的转动惯量，进而保证高速运动过程中机械臂的安全性，并且提高运动时的精密性、稳定性等各项性能指标。
本实施例中，优选地，第一连接臂40、第二连接臂50上设有走线卡槽（图中未示出），腕部30与肘部20中的驱动绳索6通过走线卡槽沿第一连接臂40、第二连接臂50分布，此时对驱动绳索6的走线进行布局管理，防止驱动绳索6影响机械臂的转动；进一步地，驱动绳索6由软管9包容，防止驱动绳索6过多而产生运动耦合，影响机械臂各关节的正常转动。
本发明中，模块化设计的关节可以根据不同应用场景的需求，灵活改变机械臂的关节数量和各关节的配置方式。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.七自由度模块化绳驱机械臂，其特征在于，包括模块化关节，所述模块化关节包括：驱动电机，所述驱动电机带动减速机构，所述减速机构的输出轴穿过绳轮的中间孔带动所述绳轮转动，还带动所述绳轮上方设置的第一轴承的轴承内圈；所述第一轴承旁设置第二轴承，所述第一轴承与所述第二轴承的轴线平行，且所述第一、第二轴承的轴承外圈固定法兰之间固定连接，所述第一、第二轴承的外圈轴承座固定连接；所述绳轮与所述第二轴承的内圈轴承座之间缠绕有驱动绳索；
所述第二轴承的正面设置内圈固定法兰，所述内圈固定法兰与所述第二轴承的内圈固定连接；所述第二轴承的背面设置盖板；
还包括：基座、肩部、肘部以及腕部，所述肩部与所述肘部之间设置第一连接臂，所述肘部与所述腕部之间设置第二连接臂；
所述模块化关节在所述肩部分布有三个，为第一、第二、第三模块化关节，第一模块化关节的第二轴承的外圈轴承座与所述基座固定连接；第二模块化关节的第二轴承的外圈轴承座与所述第一模块化关节的第二轴承的内圈固定法兰固定连接；第三模块化关节的第二轴承的外圈轴承座与所述第二模块化关节的第二轴承的内圈固定法兰固定连接，同时所述第三模块化关节的内圈固定法兰与所述第一连接臂固定连接；
所述模块化关节在所述肘部分布有一个，为第四模块化关节，所述第四模块化关节，其第二轴承的内圈固定法兰与所述第一连接臂固定连接，其盖板与所述第二连接臂固定连接；
所述模块化关节在所述腕部分布有三个，为第五、第六、第七模块化关节，第五模块化关节的第二轴承的盖板与所述第二连接臂固定连接，第六模块化关节的第二轴承的外圈轴承座与所述第五模块化关节的第二轴承的内圈固定法兰固定连接；第七模块化关节的第二轴承的外圈轴承座与所述第六模块化关节的第二轴承的内圈固定法兰固定连接。
2.根据权利要求1所述的七自由度模块化绳驱机械臂，其特征在于：两根所述驱动绳索相对所述绳轮对称设置，每根所述驱动绳索在绳轮上饶一圈半后，穿过所述第二轴承的外圈轴承座的侧壁上开设的小孔，在所述第二轴承的内圈轴承座的走线槽内绕线半圈后，固定在所述第二轴承的内圈轴承座的走线槽内。
3.根据权利要求1所述的七自由度模块化绳驱机械臂，其特征在于：所述第一轴承为深沟球轴承。
4.根据权利要求1所述的七自由度模块化绳驱机械臂，其特征在于：所述第二轴承为交叉滚子轴承。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的七自由度模块化绳驱机械臂，其特征在于：还包括绝对式编码器，所述绝对式编码器包括磁环与读数头，所述读数头固定安装在所述第二轴承的固定的外圈轴承座上，所述磁环安装在所述第二轴承的转动的内圈轴承座上；所述绝对式编码器读取所述第二轴承的转动角度，并反馈转动角度信息至控制板。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的七自由度模块化绳驱机械臂，其特征在于：还包括绳索张紧机构，所述绳索张紧机构包括中空螺柱与调节螺母，所述调节螺母上下两端分别与所述绳轮的上下底面固定连接，所述调节螺母中部开螺纹孔，使所述中空螺柱与所述调节螺母螺接，且所述中空螺柱的轴向沿所述绳轮的切线方向；所述驱动绳索穿过所述中空螺柱的内部，并在所述中空螺柱的一端打结固定。
7.根据权利要求1所述的七自由度模块化绳驱机械臂，其特征在于：所述肩部的三个模块化关节中的所述第二轴承的轴线两两之间相互垂直；所述腕部的三个模块化关节中的所述第二轴承的轴线两两之间相互垂直。
8.根据权利要求7所述的七自由度模块化绳驱机械臂，其特征在于：将所述腕部与所述肘部的模块化关节中的驱动电机、减速机构以及第一轴承后置安装于所述基座上。
9.根据权利要求8所述的七自由度模块化绳驱机械臂，其特征在于：所述第一连接臂、第二连接臂上设有走线卡槽，所述腕部与所述肘部中的驱动绳索通过所述走线卡槽沿所述第一连接臂、第二连接臂分布，且所述驱动绳索由软管包容，进行运动解耦。
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