CN108582143A - 一种自适应便携式分拣机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应便携式分拣机械臂，其包括：执行机构，包括主关节臂、副关节臂和吸持机械爪，主关节臂和副关节臂成水平中心对称分布，单侧主、副关节臂之间由螺栓相连接，两个吸持机械爪分别与两个副关节臂相连接；传动机构，包括滚珠丝杆、齿轮、带轮，单侧副关节臂使用同步带传动，主关节臂使用齿轮传动，其中，滚珠丝杆与主关节臂中心相配合，并设有升降机构；驱动机构，包括步进电机、舵机，步进电机驱动主关节臂和副关节臂，执行机构吸持机械爪由舵机驱动，本发明考虑支承和运行两个方面的需求，对机械臂进行优化设计，不仅拥有足够大的旋转角度，而且单侧臂抓取物体时稳定性好，同时机械臂的传动控制更加简单方便。

Description

一种自适应便携式分拣机械臂

技术领域

本发明涉及一种机械臂，特别涉及一种自适应便携式分拣机械臂。

背景技术

伴随着科学技术的成长，人类在生活、生产中渐渐实现智能化和自动化。最近几年来，物流技术发展迅猛，各式各样的机器人以及分拣机械臂逐渐进入物流企业的生产中。我们的物流水平也因为分拣机械臂的加入变得更加有效率。分拣机械臂作为物流行业不可或缺的一部分，由于其灵活的运动性及高效的工作力，已经成为一个生活和生产中重要的工具。

目前大部分的分拣机械臂工作范围小、运动角度十分有限，并且不具备单臂抓取物体时良好的稳定性的优点，因此现有的分拣机械臂越来越无法满足现代化社会的需求。因此亟需一种可靠的、稳定性高的、便于携带的分拣机械臂。

本文针对生产中现有的分拣机械臂工作效率不高、工作范围小和运动能力有限等方面的不足，为了解决上述两方面的问题，将从机械臂架构、软件控制架构两大方面进行优化设计，进一步完善整个机体结构，以更好地增加机械臂的运动范围和提高工作效率。

发明内容

为了克服传统分拣机械臂的灵活性差、适应性差，工作范围小的缺点，本发明的目的在于提供设计合理，智能化控制，使用安全且便于携带的一种自适应便携式分拣机械臂。

为了解决上述难题，本发明采用的技术方案如下：

其包括：执行机构，包括主关节臂、副关节臂和吸持机械爪，所述主关节臂和副关节臂成水平中心对称分布，单侧主、副关节臂之间由螺栓相连接，所述两个吸持机械爪分别与所述两个副关节臂相连接，所述主关节臂上设有主臂支座，副关节臂上设有副臂支座；

传动机构，包括滚珠丝杆、齿轮、同步带轮，所述单侧副关节臂使用同步带传动，所述主关节臂使用齿轮传动，其中，所述滚珠丝杆安装在所述主关节臂的中心位置，并设有螺旋升降机构，所述主关节臂与所述滚珠丝杆通过平台支座、圆锥滚子轴承相连接；

驱动机构，包括步进电机、舵机，所述步进电机驱动所述主关节臂和副关节臂进行旋转运动，所述执行机构吸持机械爪由所述舵机来控制其对分拣物体的吸放动作。

进一步地，所述主关节臂包含了主臂上底板和主臂下底板，所述副关节臂包含了副臂上底板和副臂下底板，所述副关节臂安装在所述主关节臂的上下底板之间，所述主关节臂的主臂上底板和所述副关节臂的副臂上底板固定，所述主关节臂的主臂下底板和所述副关节臂的副臂下底板固定。

进一步地，所述主关节臂与所述两个副关节臂连接处各安装有一个同步带轮，所述同步带轮通过同步带与一号步进电机输出轴相连接，所述一号步进电机安装在所述主关节臂的上底板，输出轴端向下。

进一步地，所述主关节臂和所述滚珠丝杆之间安装一平台支座，所述平台支座外部安装一圆锥滚子轴承，所述主关节臂与平台支座之间安装有圆锥滚子轴承，所述平台支座的中心孔安装有直线轴承，所述滚珠丝杆通过中心孔与平台支座连接，在平台支座中心孔一侧开有圆形孔，圆孔内***有一根平滑导轨。

进一步地，所述主关节臂的主臂下底板的下方安装有大齿轮，所述大齿轮安装在所述平台支座外的圆锥滚子轴承上，大齿轮下方安装有电机支座，所述电机支座上安装有二号步进电机，所述二号步进电机输出轴向上安装有小齿轮，与所述大齿轮形成传动机构。

进一步地，所述吸持机械爪分为两个，每个吸持机械爪包括四个吸柱，每个吸柱底部开有气体通道，每个气体通道口均与外部的真空压缩泵的吸管相连，所述每个吸柱上面设有减震机构，包括弹簧和微型液压活塞缸，底部安装有透明吸盘。

进一步地，所述主关节臂的主臂上底板和主臂下底板之间安装有主臂支座，所述主臂支座安装在所述圆锥滚子轴承的外部。

本发明的有益效果在于：机械臂的主副关节臂采用水平对称式设计，相对于传统多关节机械臂，水平对称的布置架构使位整个机械臂的重心与几何中心重合，使得***刚度与稳定性得到很大提升，并且两侧臂同时工作，实现“左右开工”，提高了工作效率，主关节臂的360°旋转***，解决机械臂体积干涉这个问题，使得机械臂工作范围和运动灵活性大大提高，采用滚珠丝杆实现机械臂整体的上下位移，可以根据工作需要来实时调节工作高度，使机械臂实现了多角度、多方位的高效、便捷地工作。

附图说明

为了更详细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他的附图。

图1是本发明的自适应便携式分拣机械臂的主视图；

图2是本发明的自适应便携式分拣机械臂的俯视图；

图3是本发明的自适应便携式分拣机械臂的中心部分剖视图；

图4是本发明的自适应便携式分拣机械臂的斜视图；

图5是本发明的自适应便携式分拣机械臂的平台支座示意图；

图6是本发明的自适应便携式分拣机械臂的斜二等测图；

图7是本发明的自适应便携式分拣机械臂的主、副臂旋转角度示意图；

图8是本发明的自适应便携式分拣机械臂的传动机构示意图；

图9是本发明的自适应便携式分拣机械臂的中心部分***示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参阅图1-3所示，本发明的自适应便携式分拣机械臂，其包括：

执行机构，包括副关节臂11、主关节臂，主关节臂包括主臂上底板6和主臂下底板7，吸持机械爪包括吸盘框架17、透明吸盘18和吸盘轴19，其中，副关节臂11关于主关节臂6、7成水平对称分布，吸持机械爪的吸盘框架17与副关节臂11相连接，副关节臂11的上底板与主关节臂的上底板6相连接，副关节臂的下底板与主关节臂的下底板7相连接，主关节臂6、7和副关节臂11的连接处安装有同步带轮10，两臂之间通过副关节臂轴16连接；

传动机构，包括滚珠丝杆1、大齿轮8和小齿轮9、同步带轮10，同步带轮10安装在主副关节臂连接处，滚珠丝杆1安装在主关节臂中心孔处，大齿轮8安装在主关节臂的主臂下底板7的下端，其中，大齿轮8与主臂下底板7之间通过螺栓进行连接固定，滚珠丝杆1的外部先与直线轴承连接，再与平台支座3连接，进而与圆锥滚子轴承5连接，最后再与主臂上底板6和主臂下底板7连接；

驱动机构，包括一号步进电机4、二号步进电机21和舵机，其中，一号步进电机4固定在主关节臂的主臂上底板6上，其输出轴与副关节臂11的同步带轮10连接，用来驱动副关节臂11的旋转，二号步进电机21固定在主关节臂的主臂下底板7上，其输出轴装有小齿轮9，通过小齿轮9和大齿轮8的啮合来给主关节臂传递动力；

本发明通过二号步进电机21驱动小齿轮9，通过小齿轮9与大齿轮8的啮合作用带动大齿轮8进行转动，从而主关节臂的主臂下底板7跟随大齿轮8一起旋转，进而带动主关节臂进行360°旋转，一号步进电机4通过输出轴的同步带轮10来驱动副关节臂11进行290°工作范围的旋转，末端的吸持机械爪的气体通道口22外接真空压缩泵，通过控制真空泵的吸停来控制吸盘18的吸放动作，每个吸盘18可以吸起5Kg的物体，四个吸盘可以吸起约20Kg的物体，作为分拣机械臂的抓持机构，能够大大增加工作效率和工作量。

具体地，二号步进电机21安装在主关节臂的电机支座20上，其输出轴向上，输出轴上安装有小齿轮9，小齿轮9带动大齿轮8进行转动，大齿轮8和主臂下底板7由螺栓固定在一起，大齿轮8和圆锥滚子轴承5连接，圆锥滚子轴承5有与平台支座3连接，因此，主关节臂会在大齿轮8的带动下，绕着滚珠丝杆1进行旋转，本发明中，由于考虑到一号步进电机4与副臂11的距离较远，为了减小机械臂整体的重量和体积，副臂11采用同步带传动，一号步进电机4安装在主臂上底板6，其输出轴竖直向下，输出轴上安装一同步带轮10，通过同步带与副臂11的同步带轮连接，从而带动副臂11转动。

具体地，吸持机械爪的四个吸柱内部都包括一个微型液压活塞缸，每个微型液压活塞缸可以控制吸柱的升降运动，每个吸柱会根据所抓取物体的形状不同来伸长不同的长度。

参阅图4-6所示，本发明的自适应便携式分拣机械臂在竖直方向的传动机构采用滚珠丝杆1和丝杆螺母2，其中丝杆螺母2安装在平台支座3的内部，平台支座3的外部安装有圆锥滚子轴承5，其在主关节臂的主臂上底板6和主臂下底板7之间的部分外部安装有主臂支座14，用来支撑主臂上底板6和主臂下底板7，起到良好的防护作用，使整体结构更加可靠牢固；

具体地，本发明通过平台支座3来连接滚珠丝杆1，其中，平台支座3的中心孔32用来安装滚珠丝杆1，螺栓孔33用来安装螺栓来与主臂下底板7、大齿轮8连接，中心孔32一侧开有圆形孔33，用来连接平滑导轨23，平滑导轨23一直连接到电机支座20，在主关节臂旋转时，由于是二号步进电机21的输出轴带动小齿轮9，进而带动大齿轮8进行转动，本发明考虑到在主关节臂转动的过程中，电机支座20也会产生相对转动，进而二号步进电机21连同小齿轮9也会产生相对于滚珠丝杆1的周向转动，导致传动机构产生问题，使传动效率降低和出现传动不稳定性，故加入平滑导轨23，由于平滑导轨23把平台支座3，主臂上底板6、主臂下底板7以及电机支座20连接在一起，二号步进电机21在传动时就不会产生相对于滚珠丝杆1的旋转，保证了分拣机械臂的运动稳定性。

较佳的，本发明使用多基安装方法，采用水平面关节与铅垂面关节两种安装方式。在水平面安装方式下:在X-Y平面内，主关节臂和副关节臂11具有顺从性，故可以在水平面内进行高速旋转，在垂直面安装方式下：在Y-Z平面内，机械臂采用滚珠丝杆1传动，实现主关节臂和副关节臂11在垂直面内运动。

参阅图7-8所示，本发明中，为了增强分拣机械臂的可靠性和牢固性，主臂上底板6、主臂下底板7、平台支座3、圆锥滚子轴承5和主臂支座14，它们的安装结构非常紧凑，缩小了分拣机械臂的整体体积，使得分拣机械臂更加便于携带。

本发明的工作原理为：

将分拣机械臂放到分拣工作线上，通过串口通信来控制机械臂的运动，发送指令后，二号步进电机21开始工作，带动电机输出轴上的小齿轮9转动，小齿轮9通过啮合作用带动大齿轮8转动，由于大齿轮8和主臂下底板7固定在一起，在圆锥滚子轴承5的作用下，主关节臂产生围绕滚珠丝杆1的旋转，可以实现360°的转动，此时，主关节臂会根据工作要求旋转相应的角度停下，紧接着，一号步进电机4开始工作，带动电机输出轴上的同步带轮10开始转动，输出轴上的同步带轮10通过同步带与副关节臂11上的同步带轮连接，进而带动副关节臂11旋转，最大旋转角度可以达到290°，副关节臂11同样会根据工作要求进一步转动相应的角度去抓取物体，当分拣机械臂需要上下位移时，滚珠丝杆1开始转动，在丝杆螺母2的配合作用下，机械臂向上或向下移动相应的位移，当分拣机械臂所需要的工作角度调整完成后，末端执行机构的吸持机械爪开始工作，真空压缩泵开始启动，使吸盘18产生强大的吸引力，进而将物体吸持住，将物体放入相应的位置。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种自适应便携式分拣机械臂，其特征在于，包括：

执行机构，包括主关节臂、副关节臂和吸持机械爪，主关节臂和副关节臂成水平中心对称分布，单侧主、副关节臂之间由螺栓相连接，两个吸持机械爪分别与两个副关节臂相连接，副关节臂安装在主关节臂左右两侧，其中，主一副关节臂采用多基安装，主关节臂和副关节臂之间可以产生相对运动，进行大角度的旋转；

传动机构，包括滚珠丝杆、齿轮、带轮，单侧副关节臂使用同步带传动，主关节臂使用齿轮传动，其中，滚珠丝杆与主关节臂中心相配合，并设有升降机构，主关节臂与滚珠丝杆之间通过升降机构可以上下移动；

驱动机构，包括步进电机、舵机，步进电机驱动主关节臂和副关节臂，执行机构吸持机械爪由舵机驱动，其中，步进电机底端与主关节臂相连接，电机输出轴分别与齿轮和同步带轮配合，舵机安装在吸持机械爪与副臂的连接处。

2.根据权利要求1所述的一种自适应便携式分拣机械臂，其特征在于：执行机构采用主关节臂和副关节臂的设计，且单侧主、副关节臂之间关于水平中心对称分布，单侧主、副关节臂为两杆构件，杆长相等，与人的大臂、小臂对应。

3.根据权利要求1和2所述的一种自适应便携式分拣机械臂，其特征在于：单个副关节臂可以实现290°的旋转，增大了工作区域范围，主关节臂可以实现360°旋转，并可以实现上下升降功能。

4.根据权利要求2和3所述的一种自适应便携式分拣机械臂，其特征在于：360°旋转***主要包括机械回转部分，分别解决机械臂体积干涉这个问题。由于主关节臂回转机构与副关节臂回转机构所受负载转矩与安装环境不同，驱动主关节臂进行旋转运动的机构包含步进电机与齿轮减速器。

5.根据权利要求2和3所述的一种自适应便携式分拣机械臂，其特征在于：机械臂采用多基安装，为了适应不同的工作环境以及安装便携性，采用水平面关节与铅垂面关节两种安装方式。在水平面安装方式下:在X-Y平面内，主一副关节臂具有顺从性，故可以在水平面内进行高速位移。

6.根据权利要求1和4所述的一种自适应便携式分拣机械臂，其特征在于：驱动副关节臂进行旋转运动的机构包含步进电机与同步带，避免使用齿轮，造成机械臂整体装置体积和质量过大。

7.根据权利要求1和5所述的一种自适应便携式分拣机械臂，其特征在于：吸持机械爪具有自适应功能，吸柱内部包括微型液压活塞缸，四个吸柱可以根据抓取物体的形状不同而伸出不同的长度。