CN108789399A - 一种轻惯量机械手臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械手臂，具体地说是一种轻惯量机械手臂。包括控制***、基座组件、大臂组件、小臂组件、末端组件及驱动***，其中基座组件、大臂组件、小臂组件及末端组件依次可转动地连接，且末端组件可伸缩，所述驱动***设置于基座组件上，驱动***用于驱动大臂组件、小臂组件和末端组件的旋转及末端组件的伸缩，控制***用于控制驱动***。本发明能够让运动部件大臂和小臂免除二轴的电机和减速机及三轴和四轴的电机的质量，进而达到机械手运动轻惯量的目的。

Description

一种轻惯量机械手臂

技术领域

本发明涉及一种机械手臂，具体地说是一种轻惯量机械手臂。

背景技术

水平多关节机器人，中文译名：选择顺应性装配机器手臂。具有四个轴和四个运动自由度：X，Y，Z方向的平动自由度和绕Z轴的转动自由度。在X，Y方向上具有顺从性，而在Z轴方向上具有良好的刚度，大臂和小臂是串联的两杆结构，类似人的手臂，可以伸进有限的空间中进行作业，然后收回。基本构型为基座、大臂、小臂和末端构件四个部分。基座和大臂连接于一轴，大臂和小臂连接于二轴，三轴和四轴位于小臂和末端构件之间。二轴的电机和减速机，三轴和四轴的电机布置于小臂上，对于高速运动的机械手惯量较大。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种轻惯量机械手臂，能够让运动部件大臂和小臂免除二轴的电机和减速机及三轴和四轴的电机的质量，进而达到机械手运动轻惯量的目的。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种轻惯量机械手臂，包括控制***、基座组件、大臂组件、小臂组件、末端组件及驱动***，其中基座组件、大臂组件、小臂组件及末端组件依次可转动地连接，且所述末端组件可伸缩，所述驱动***设置于所述基座组件上，所述驱动***用于驱动大臂组件、小臂组件和末端组件的旋转及末端组件的伸缩，所述控制***用于控制所述驱动***。

所述基座组件包括基座外壳及安装在所述基座外壳内的第一组传动构件；所述大臂组件包括大臂壳体及安装在大臂壳体内的第二组传动构件；所述小臂组件包括小臂壳体及设置于所述小臂壳体内的第三组传动构件，所述基座外壳、大臂壳体及小臂壳体依次转动连接，所述大臂壳体与所述驱动***传动连接，所述第一组传动构件、第二组传动构件及第三组传动构件依次传动连接，所述第一组传动构件与所述驱动***连接，所述第三组传动构件与所述末端组件连接。

所述第一组传动构件包括由内到外依次嵌套且可分别绕第一轴线转动的第一轴线内中空轴、第一轴线中轴及第一轴线外轴，所述第一轴线内中空轴、第一轴线中轴及第一轴线外轴的上端分别与所述驱动***传动连接，下端分别与所述第二组传动构件连接。

所述驱动***包括大臂组件旋转驱动装置、小臂组件旋转驱动装置、末端组件旋转驱动装置及末端组件升降驱动装置，所述大臂组件旋转驱动装置和小臂组件旋转驱动装置设置于所述基座外壳的外侧，所述末端组件旋转驱动装置和末端组件升降驱动装置设置于所述基座外壳的内部，所述大臂组件旋转驱动装置与所述大臂壳体传动连接，所述小臂组件旋转驱动装置与所述第一轴线内中空轴传动连接，所述末端组件旋转驱动装置通过第一柔性传动装置与所述第一轴线中轴连接，所述末端组件升降驱动装置通过第二柔性传动装置与第一轴线外轴连接。

所述大臂组件旋转驱动装置包括第一电机和第一减速机，其中第一电机的输出轴与第一减速机的输入轴传动连接，所述第一减速机的输出轴与所述大臂壳体传动连接；所述小臂组件旋转驱动装置包括传动连接的第二减速机和第二电机，所述第二减速机的输出轴与所述第一轴线内中空轴传动连接；所述末端组件旋转驱动装置包括第三电机，所述第三电机的输出轴与所述第一柔性传动装置连接；所述末端组件升降驱动装置包括第四电机，所述第四电机的输出轴与所述第二柔性传动装置连接。

所述第二组传动构件包括由内到外依次嵌套且可分别绕第二轴线旋转的第二轴内轴、第二轴中轴和第二轴外轴，其中第二轴外轴的上端通过第三柔性传动装置与所述第一轴线内中空轴连接，下端与所述小臂壳体连接，所述第二轴中轴的上端通过第四柔性传动装置与所述第一轴线中轴连接，所述第二轴内轴的上端通过第五柔性传动装置与所述第一轴线外轴连接，所述第二轴内轴和第二轴中轴的下端与所述第三组传动构件连接。

所述第三组传动构件包括花键母、丝杆母及键丝杆，所述花键母和丝杆母均与花键丝杆配合连接，所述花键母与花键丝杆周向相对固定、且可绕第三轴线转动，所述花键母通过第五柔性传动装置与所述第二轴中轴连接，所述丝杆母通过第六柔性传动装置与所述第二轴内轴连接，所述花键丝杆的末端由所述小臂壳体穿出、且与所述末端组件连接。

所述小臂组件末端设有末端组件位置-速度检测装置，所述末端组件位置-速度检测装置包括直线伸缩杆、拉线及拉线伺服码盘，其中直线伸缩杆的一端位于所述小臂壳体内、且与小臂壳体通过直线运动副连接，另一端位于所述小臂壳体的外侧、且与所述花键丝杆通过轴承连接，所述拉线的一端与所述直线伸缩杆的一端连接，另一端与拉线伺服码盘连接，所述拉线伺服码盘设置于所述小臂壳体上、且与所述控制***连接。

所述基座组件、大臂组件及小臂组件上均设有用于检测各转动关节的转动位置和速度的伺服码盘。

所述机械手臂的各转动关节的两端均设有用于避免线缆相对运动的无限旋转电器构件。

本发明的优点及有益效果是：

1.相较于现有技术，本发明的运动构件运动惯量较小，这样伺服再生电阻消耗功率较小，更加节能。

2.本发明在制动的过程中，对安装基础的冲击振动较小。

附图说明

图1为本发明的结构示意图之一；

图2为本发明的结构示意图之二。

其中：1为控制***，100为基座组件，200为大臂组件，300为小臂组件，400为末端组件，101为第一轴线，102为无限旋转电器构件I，103为第二减速机，104为第二电机，105为第一轴线中轴，106为第一轴线外轴，107为第一电机，108为第一减速机，109为第一轴线内中空轴，110为第一轴伺服码盘，111为基座外壳，112为第一柔性传动装置，113为第三电机，114为第四电机，115为第二柔性传动装置，201为大臂壳体，202为无限旋转电器构件II，203为第四柔性传动装置，204为第五柔性传动装置，205为第三柔性传动装置，206为无限旋转电器构件III，207为第二轴内轴，208为第二轴中轴，209为第二轴外轴，210为第二轴伺服码盘，211为交叉回转轴承，301为第三轴旋转编码器，302为花键母，303为丝杆母，304为拉线，305为直线伸缩杆，306为第三轴线，307为花键丝杆，308为拉线伺服码盘，309为轴承，310为第五柔性传动装置，311为第六柔性传动装置，312为小臂壳体，313为无限旋转电器构件IV，314为第二轴线。

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。

如图1所示，本发明提供的一种轻惯量机械手臂，包括控制***1、基座组件100、大臂组件200、小臂组件300、末端组件400及驱动***，其中基座组件100、大臂组件200、小臂组件300及末端组件400依次可转动地连接，且末端组件400可伸缩，所述驱动***设置于基座组件100上、且与所述传动***连接。所述驱动***用于驱动大臂组件200、小臂组件300和末端组件400的旋转及末端组件400的伸缩，控制***1用于控制所述驱动***。

基座组件100包括基座外壳111及安装在基座外壳111内的第一组传动构件；大臂组件200包括大臂壳体201及安装在大臂壳体201内的第二组传动构件；小臂组件300包括小臂壳体312及设置于小臂壳体312内的第三组传动构件，基座外壳111、大臂壳体201及小臂壳体312依次转动连接，大臂壳体201与所述驱动***传动连接，所述第一组传动构件、第二组传动构件及第三组传动构件依次传动连接，第一组传动构件与所述驱动***连接，第三组传动构件与末端组件400连接。

基座组件100、大臂组件200及小臂组件300上均设有用于检测各转动关节的转动位置和速度的伺服码盘，各转动关节的两端均设有用于避免线缆相对运动的无限旋转的电器构件。

如图2所示，基座组件100包括基座外壳111及安装在基座外壳111内的第一组传动构件，其中第一组传动构件包括由内到外依次嵌套且可分别绕第一轴线101转动的第一轴线内中空轴109、第一轴线中轴105及第一轴线外轴106，第一轴线内中空轴109、第一轴线中轴105及第一轴线外轴106的上端分别与驱动***传动连接，下端分别与大臂组件200内的第二组传动构件连接。

所述驱动***包括大臂组件旋转驱动装置、小臂组件旋转驱动装置、末端组件旋转驱动装置及末端组件升降驱动装置，其中大臂组件旋转驱动装置和小臂组件旋转驱动装置设置于基座外壳111的外侧，所述末端组件旋转驱动装置和所述末端组件升降驱动装置设置于基座外壳111的内部，所述大臂组件旋转驱动装置与大臂壳体201传动连接，所述小臂组件旋转驱动装置与第一轴线内中空轴109传动连接，所述末端组件旋转驱动装置通过第一柔性传动装置112与第一轴线中轴105连接，所述末端组件升降驱动装置通过第二柔性传动装置115与第一轴线外轴106连接。

进一步地，所述大臂组件旋转驱动装置包括第一电机107和第一减速机108，其中第一电机107的输出轴与第一减速机108的输入轴传动连接，第一减速机108的输出轴与大臂壳体201传动连接；所述小臂组件旋转驱动装置包括传动连接的第二减速机103和第二电机104，第二减速机103的输出轴与第一轴线内中空轴109传动连接；所述末端组件旋转驱动装置包括第三电机113，第三电机113的输出轴与第一柔性传动装置112连接；所述末端组件升降驱动装置包括第四电机114，第四电机114的输出轴与第二柔性传动装置115连接。

第一电机107、第二电机104、第三电机113及第四电机114均与所述控制***1连接。第一电机107通过第一减速机108驱动大臂组件200绕第一轴线101转动，第二电机104通过第二减速机103将运动传递给第一轴线内中空轴109。第三电机113通过第一柔性传动装置112将驱动动力变速传动到第一轴线中轴105上，且让第一轴线中轴105绕第一轴线101转动。第四电机114通过第二柔性传动装置115将驱动动力变速传动到第一轴线外轴106上，且让第一轴线外轴106绕第一轴线101转动。基座外壳111上设有位于第一轴线101一端的无限旋转电器构件I102。

大臂组件200包括大臂壳体201及安装在大臂壳体201内的第二组传动构件，所述第二组传动构件包括由内到外依次嵌套且可分别绕第二轴线314旋转的第二轴内轴207、第二轴中轴208和第二轴外轴209，其中大臂壳体201的一端与基座外壳111转动连接、且与第一减速机108的输入轴传动连接，大臂壳体201的另一端与小臂壳体312转动连接。第二轴外轴209的上端通过第三柔性传动装置205与第一轴线内中空轴109连接，第二轴外轴209的下端与小臂壳体312连接。第二轴中轴208的上端通过第四柔性传动装置203与第一轴线中轴105连接，第二轴内轴207的上端通过第五柔性传动装置204与第一轴线外轴106连接，第二轴内轴207和第二轴中轴208的下端均与小臂组件300内的第三组传动构件传动连接。

第一轴线内中空轴109通过第三柔性传动装置205将运动传递给第二轴外轴209，让第二轴外轴209绕第二轴线314转动。第一轴线中轴105通过第四柔性传动装置203运动传递给第二轴中轴208，让第二轴中轴208绕第二轴线314转动。第一轴线外轴106通过第五柔性传动装置204将运动传递给第二轴内轴207，让第二轴内轴207绕第二轴线314转动。大臂壳体201通过交叉回转轴承211旋转连接于小臂组件300。

大臂壳体201的一端设有位于第一轴线101另一端的无限旋转电器构件II202，大臂壳体201的另一端设有位于第二轴线314一端的的无限旋转电器构件III206。大臂组件200两端与基座组件100和小臂组件300连接的转动关节处分别设有第一轴伺服码盘110和第二轴伺服码盘210，第一轴伺服码盘110用于检测大臂组件200相对于基座组件100绕第一轴线101转动位置和速度，第二轴伺服码盘210用于检测小臂组件300相对于大臂组件200绕第二轴线314转动位置和速度。

小臂组件300包括小臂壳体312及设置于小臂壳体312内的第三组传动构件，其中小臂壳体312与大臂壳体201可转动连接、且与第二轴外轴209固定连接，小臂壳体312通过第二轴外轴209的带动而转动。所述第三组传动构件包括花键母302、丝杆母303及键丝杆307，花键母302和丝杆母303均与花键丝杆307配合连接，花键母302与花键丝杆307周向相对固定、且可绕第三轴线306转动。花键母302通过第五柔性传动装置310与第二轴中轴208连接，丝杆母303通过第六柔性传动装置311与第二轴内轴207连接，花键丝杆307的末端由小臂壳体312穿出、且与末端组件400连接。

小臂壳体312的一端靠近花键母302设有第三轴旋转编码器301，小臂壳体312的另一端设有位于二轴线314另一端的无限旋转电器构件IV313。

进一步地，小臂组件300末端设有末端组件位置-速度检测装置，末端组件位置-速度检测装置用于检测末端组件400的旋转位置及速度。

所述末端组件位置-速度检测装置包括直线伸缩杆305、拉线304及拉线伺服码盘308，其中直线伸缩杆305的一端位于小臂壳体312内、且与小臂壳体312通过直线运动副连接，另一端位于小臂壳体312的外侧、且与花键丝杆307通过轴承309连接，拉线304的一端与直线伸缩杆305的一端连接，另一端与拉线伺服码盘308连接，拉线伺服码盘308设置于小臂壳体312上、且与控制***1连接，拉线伺服码盘308与小臂壳体312固定连接。

第二轴中轴208通过第五柔性传动装置310将运动传递给花键母302，让花键母302绕第三轴线305转动。第二轴内轴207通过第六柔性传动装置311将运动传递给丝杆母303，让丝杆母303绕第三轴线306转动。花键母302和丝杆母303共同作用，让花键丝杆307可以延着第三轴线306做直线运动、旋转运动及螺旋线运动。直线伸缩杆305可以通过轴承309提取花键丝杆307的直线运动，并通过拉线304和拉线伺服码盘308将位置和速度传递给控制***1。

本发明中，基座组件100为静止部件，且含有全部的电机转子和电机定子；大臂组件200、小臂组件300及末端组件300为运动部件且含有轻量化的传动构件和伺服码盘。从***动力学的原理上，驱动部件质量较大的电机转子和电机定子布置在静止部件中，而运动部件中只含有质量较小的轻量化传动构件和伺服码盘，是可以达到机械手臂运动惯量轻量化的有益效果，进而得到手臂运动性能在机械层次的第一次提升。由于运动构件中，只***盘的直流信号线，而无电机定子的交流动力线，因此在每个关节处引入两个可以无限旋转的电器构件，用于在旋转关节传送伺服码盘的检测信号，这样避免了传统供电方式的线缆相对运动，进而达到轻量化机械手运动性能在电器层次的第二次提升。但由驱动部件到末端运动构件的传动链较长，会引起振动频率改变、控制精度稳定性要求高、驱动参数匹配较难等问题，所以控制***通过伺服码盘采集全部运动末端的运动情况，通过多次运动工作周期的自学习功能，达到轻量化的机械手运动性能在控制层次的第三次提升。

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 (10)

1.一种轻惯量机械手臂，其特征在于，包括控制***(1)、基座组件(100)、大臂组件(200)、小臂组件(300)、末端组件(400)及驱动***，其中基座组件(100)、大臂组件(200)、小臂组件(300)及末端组件(400)依次可转动地连接，且所述末端组件(400)可伸缩，所述驱动***设置于所述基座组件(100)上，所述驱动***用于驱动大臂组件(200)、小臂组件(300)和末端组件(400)的旋转及末端组件(400)的伸缩，所述控制***(1)用于控制所述驱动***。

2.根据权利要求1所述的轻惯量机械手臂，其特征在于，所述基座组件(100)包括基座外壳(111)及安装在所述基座外壳(111)内的第一组传动构件；所述大臂组件(200)包括大臂壳体(201)及安装在大臂壳体(201)内的第二组传动构件；所述小臂组件(300)包括小臂壳体(312)及设置于所述小臂壳体(312)内的第三组传动构件，所述基座外壳(111)、大臂壳体(201)及小臂壳体(312)依次转动连接，所述大臂壳体(201)与所述驱动***传动连接，所述第一组传动构件、第二组传动构件及第三组传动构件依次传动连接，所述第一组传动构件与所述驱动***连接，所述第三组传动构件与所述末端组件(400)连接。

3.根据权利要求2所述的轻惯量机械手臂，其特征在于，所述第一组传动构件包括由内到外依次嵌套且可分别绕第一轴线(101)转动的第一轴线内中空轴(109)、第一轴线中轴(105)及第一轴线外轴(106)，所述第一轴线内中空轴(109)、第一轴线中轴(105)及第一轴线外轴(106)的上端分别与所述驱动***传动连接，下端分别与所述第二组传动构件连接。

4.根据权利要求3所述的轻惯量机械手臂，其特征在于，所述驱动***包括大臂组件旋转驱动装置、小臂组件旋转驱动装置、末端组件旋转驱动装置及末端组件升降驱动装置，所述大臂组件旋转驱动装置和小臂组件旋转驱动装置设置于所述基座外壳(111)的外侧，所述末端组件旋转驱动装置和末端组件升降驱动装置设置于所述基座外壳(111)的内部，所述大臂组件旋转驱动装置与所述大臂壳体(201)传动连接，所述小臂组件旋转驱动装置与所述第一轴线内中空轴(109)传动连接，所述末端组件旋转驱动装置通过第一柔性传动装置(112)与所述第一轴线中轴(105)连接，所述末端组件升降驱动装置通过第二柔性传动装置(115)与第一轴线外轴(106)连接。

5.根据权利要求4所述的轻惯量机械手臂，其特征在于，所述大臂组件旋转驱动装置包括第一电机(107)和第一减速机(108)，其中第一电机(107)的输出轴与第一减速机(108)的输入轴传动连接，所述第一减速机(108)的输出轴与所述大臂壳体(201)传动连接；所述小臂组件旋转驱动装置包括传动连接的第二减速机(103)和第二电机(104)，所述第二减速机(103)的输出轴与所述第一轴线内中空轴(109)传动连接；所述末端组件旋转驱动装置包括第三电机(113)，所述第三电机(113)的输出轴与所述第一柔性传动装置(112)连接；所述末端组件升降驱动装置包括第四电机(114)，所述第四电机(114)的输出轴与所述第二柔性传动装置(115)连接。

6.根据权利要求3所述的轻惯量机械手臂，其特征在于，所述第二组传动构件包括由内到外依次嵌套且可分别绕第二轴线(314)旋转的第二轴内轴(207)、第二轴中轴(208)和第二轴外轴(209)，其中第二轴外轴(209)的上端通过第三柔性传动装置(205)与所述第一轴线内中空轴(109)连接，下端与所述小臂壳体(312)连接，所述第二轴中轴(208)的上端通过第四柔性传动装置(203)与所述第一轴线中轴(105)连接，所述第二轴内轴(207)的上端通过第五柔性传动装置(204)与所述第一轴线外轴(106)连接，所述第二轴内轴(207)和第二轴中轴(208)的下端与所述第三组传动构件连接。

7.根据权利要求6所述的轻惯量机械手臂，其特征在于，所述第三组传动构件包括花键母(302)、丝杆母(303)及键丝杆(307)，所述花键母(302)和丝杆母(303)均与花键丝杆(307)配合连接，所述花键母(302)与花键丝杆(307)周向相对固定、且可绕第三轴线(306)转动，所述花键母(302)通过第五柔性传动装置(310)与所述第二轴中轴(208)连接，所述丝杆母(303)通过第六柔性传动装置(311)与所述第二轴内轴(207)连接，所述花键丝杆(307)的末端由所述小臂壳体(312)穿出、且与所述末端组件(400)连接。

8.根据权利要求7所述的轻惯量机械手臂，其特征在于，所述小臂组件(300)末端设有末端组件位置一速度检测装置，所述末端组件位置-速度检测装置包括直线伸缩杆(305)、拉线(304)及拉线伺服码盘(308)，其中直线伸缩杆(305)的一端位于所述小臂壳体(312)内、且与小臂壳体(312)通过直线运动副连接，另一端位于所述小臂壳体(312)的外侧、且与所述花键丝杆(307)通过轴承(309)连接，所述拉线(304)的一端与所述直线伸缩杆(305)的一端连接，另一端与拉线伺服码盘(308)连接，所述拉线伺服码盘(308)设置于所述小臂壳体(312)上、且与所述控制***(1)连接。

9.根据权利要求1所述的轻惯量机械手臂，其特征在于，所述基座组件(100)、大臂组件(200)及小臂组件(300)上均设有用于检测各转动关节的转动位置和速度的伺服码盘。

10.根据权利要求1所述的轻惯量机械手臂，其特征在于，所述机械手臂的各转动关节的两端均设有用于避免线缆相对运动的无限旋转电器构件。