CN109877816A - 一种单自由度多关节桅杆***及抬升方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单自由度多关节桅杆***及抬升方法，属于机械领域。它包括：基座、电机、抬升连杆、平台连杆及负载平台；所述抬升连杆包括底部连杆与中部连杆，底部连杆与中部连杆通过中部传动轴连接，所述底部连杆的下端安装于基座上，并与电机通过底部传动轴连接，所述中部连杆的上端与平台连杆下端通过顶部传动轴连接；所述负载平台与平台连杆连接；且底部连杆、中部连杆、平台连杆转动的角速度之比为1:2:1；相邻的各连杆转动方向相反。本发明***能够使桅杆***末端的平台连杆相对于工作台面保持竖直上升，且能在任意时刻保持其姿态相对于工作台面不变。

Description

一种单自由度多关节桅杆***及抬升方法

技术领域

本发明属于机电一体化部件，更具体地说，涉及一种单自由度多关节桅杆***及抬升方法。

背景技术

当前常见的升降式桅杆有四种类型，分别是液压式升降桅杆、电动螺杆式升降桅杆、电动钢丝绳式升降桅杆、气动式升降桅杆，这些桅杆各有优缺点。

液压式升降桅杆载重大，但是不够灵活而且自重较大；电动螺杆式升降桅杆运行平稳，速度最好控制，但是其不能折叠，在实现升降任务的同时不能保证体积满足要求；电动钢丝传动桅杆运行平稳速度容易控制，但是结构不紧凑，自由间隙较大，安全系数低；气动升降桅杆结构简单，可靠性高，维护方便，但是其载重小，且需要提供气源，不易携带。

对于能实现折叠的升降式桅杆机构，一般由多个电机驱动，所以其重量与体积相对于单电机驱动的桅杆***一般较大，并且多个电机使机器人的控制***变得更为复杂。如现有技术CN104084945A中公开了一种新型多关节机器人，在底座上装有旋转平台，下机械臂的下端铰接在旋转平台的上端，下机械臂的上端与中机械臂的下端铰接，中机械臂的上端与上机械臂的一端铰接，在该上机械臂的另一端安装升降轴；在旋转平台内装有旋转平台驱动装置，在下机械臂的下端与旋转平台之间的下关节、以及下机械臂的上端与中机械臂下端之间的中关节分别安装一调节装置；在中机械臂的上端与上机械臂的一端之间的上关节装有上关节驱动装置；在上机械臂上装有升降轴转动驱动装置和升降轴升降驱动装置；所述的各驱动装置均由控制***控制。该机器人中在各个关节处均设有电机驱动，工作空间为三维空间内的位姿集合，能代替人力进行特定重复性劳动以及高危作业，主要应用于工业领域。

现有技术CN207724338U公开了一种水平机械臂，包括水平装置、两个传动装置、驱动装置和电机，水平机械臂利用侧齿和直齿传动实现托盘在转动过程中一直保持水平状态。使用时，当电机4开始转动时；动力传动到与电机输出轴固定连接的两个传动支架体2-3-1，两个传动支架体2-3-1开始围绕电机输出轴转动，传动支架体2-3-1上通过螺栓固定连接着两个传动轴固定体2-3-2，支架固定段Ⅰ2-2-2和支架固定段Ⅱ2-2-4分别转动连接在两个传动轴固定体2-3-2上，传动轴2-2被传动轴固定体2-3-2带动，传动轴2-2开始围绕电机输出轴转动，传动轴2-2上固定连接着两个传动齿轮2-1，两个传动齿轮2-1开始围绕电机输出轴转动；两个驱动轴固定体3-3-2分别通过螺栓固定连接在驱动支架体3-3-1上，两个驱动轴3-2分别固定连接在两个驱动轴固定体3-3-2上；两个侧齿Ⅱ3-1分别固定连接在两个驱动轴3-2上；侧齿Ⅱ3-1与传动轴2-2下端的传动齿轮2-1啮合，侧齿Ⅱ3-1固定，传动齿轮2-1转动，带动传动轴2-2转动，传动轴2-2上端的传动齿轮2-1与侧齿Ⅰ1-1啮合，侧齿Ⅰ1-1固定连接在侧齿固定段1-2-1上，侧齿Ⅰ1-1带动水平盘连接段1-2-3转动，水平盘连接段1-2-3上固定连接着水平托盘套1-4-2，则水平托盘体1-4-1开始转动；因为侧齿Ⅱ3-1和侧齿Ⅰ1-1大小相同，传动比相同，侧水平托盘体1-4-1始终与驱动支架体3-3-1水平。

然而桅杆***中特种机器人的工作环境特殊，在某些情况下对机器人本身的重量、体积都有着严格的要求。因此，结构简单、重量轻且结构紧凑占用空间小的特种机器人桅杆***成为升降桅杆技术领域新的研究方向。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有升降式桅杆体积大、重量重、结构复杂等问题，本发明提供一种单自由度多关节桅杆***及抬升方法。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种单自由度多关节桅杆***，包括：基座、电机、抬升连杆、平台连杆及负载平台；所述抬升连杆包括底部连杆与中部连杆，底部连杆与中部连杆通过中部传动轴连接，所述底部连杆的下端安装于基座上，并与电机通过底部传动轴连接；所述中部连杆的上端与平台连杆下端通过顶部传动轴连接；所述负载平台与平台连杆连接；且底部连杆、中部连杆、平台连杆转动的角速度之比为1:2:1；相邻的各连杆转动方向相反。当电机驱动各连杆运动时，各连杆在此角速度之比下，能够保持末端平台连杆在抬升过程中相对于工作台面的姿态不变。当因客观环境要求或苛刻设计要求限制桅杆***折叠时的单个连杆的长度而使得采用三个连杆的桅杆***达不到最大抬升高度要求时，可以通过增加所述中部连杆数量，从而形成串联的连杆组合，以满足最大抬升高度要求。且各中部连杆的转动角速度相同，均为底部连杆和平台连杆角速度的2倍。上述所有连杆长度也可因不同的抬升高度要求而变化。

优选地，顶部传动轴、中部传动轴，以及底部传动轴上分别设置减速器，减速比之比为2:1:2，且相邻减速器的输出方向相反。减速器在此减速比和输出方向不同的条件之下，能够保证底部连杆、中部连杆以及平台连杆转动的角速度之比为1:2:1，且转动方向相反。进而保持平台连杆在抬升过程中相对于工作台面的姿态不变。当中部连杆的个数大于一个的时候，中部连杆彼此之间分别通过传动轴连接，各传动轴上均设置减速器，且底部传动轴上的底部减速器、中部连杆彼此之间的传动轴的中部减速器、中部连杆与平台连杆连接的传动轴上的顶部减速器之间的减速比之比为2:1:1:……:2，即底部减速器和顶部减速器的减速比是中部减速器减速比的2倍，同样的，相邻减速器之间的输出方向相反。减速器在此减速比及相邻减速器输出方向不同的情况下，能够保证位于最底部的连杆、各中部连杆以及平台连杆转动的角速度之比为1:2:2:……:1。

优选地，所述减速器为谐波减速器，分别为设置在电机与底部连杆下端之间的底部谐波减速器、底部连杆与中部连杆之间或中部连杆彼此之间的中部谐波减速器、平台连杆与中部连杆上端之间的顶部谐波减速器。

优选地，所述底部传动轴为主动轴，中部传动轴和顶部传动轴为从动轴。

优选地，所述底部传动轴通过同步带轮和同步带带动中部传动轴和顶部传动轴转动。所述同步带轮通过键与传动轴连接；同步带的设置，有效解决了采用传统多关节机器人原理的桅杆***需要在每一个关节处安装驱动电机的技术问题，仅需一个电机驱动，即可带动各关节运动从而实现发明目的。

优选地，所述各传动轴转动速度均相同。

优选地，所述电机与底部传动轴通过联轴器连接，电机驱动联轴器带动底部传动轴转动，并通过同步带将运动传递给中部传动轴和顶部传动轴，各个传动轴分别与相应谐波减速器的波发生器连接；底部谐波减速器和顶部谐波减速器的柔轮固定，刚轮输出；中部谐波减速器的刚轮固定，柔轮输出；带动抬升连杆分别绕着传动轴转动。使该桅杆***末端平台连杆相对于工作台面竖直上升，且在任意工作时刻保持相对于工作台面姿态不变，从而保证了顶端负载平台能够在任意工作时刻相对工作台面保持水平姿态不变。

优选地，所述中部连杆数量为一个，所述底部谐波减速器的柔轮固定在基座的法兰上，波发生器与底部传动轴，刚轮与底部连杆连接；所述中部谐波减速器的刚轮固定在底部连杆上，柔轮固定在中部连杆上，波发生器与中部传动轴连接；所述顶部谐波减速器的柔轮固定在中部连杆上，刚轮与平台连杆相连接，波发生器与顶部传动轴连接。此连接方式保证了相邻连杆的转动方向相反。使得桅杆***仅用一个电机即可实现平台连杆相对于工作台面竖直抬升。也使得负载平台在零位时(桅杆***收起时)以及任意工作状态保持相对工作台面水平。

优选地，所述底部传动轴上装配的零件按顺序依次为底部谐波减速器、底部连杆、底部同步带轮，所述底部谐波减速器以及底部连杆位于基座的两侧法兰之间，底部连杆与底部传动轴上不接触；所述中部传动轴上装配的零件按顺序依次为中部同步带轮、底部连杆、中部谐波减速器、中部连杆、另一同步带轮，中部连杆与中部传动轴上不接触；所述顶部传动轴安装的零件按顺序依次是顶部同步带轮、中部连杆、顶部谐波减速器、平台连杆。

优选地，所述桅杆***还包括安装在基座上的电机安装法兰，所述电机安装在电机安装法兰上。

本发明还提供一种采用上述单自由度多关节桅杆***的抬升方法，所述底部连杆、中部连杆以及平台连杆以角速度比为1:2:1的速度向上转动，使平台连杆始终相对于工作台面保持竖直，负载平台相对于工作台面保持水平。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明通过控制底部连杆、中部连杆以及平台连杆运动的角速度之比为1:2:1，有效地解决了负载平台水平升降的技术问题，在该角速度比值下，能够实现桅杆***末端平台连杆相对于工作台面竖直上升且姿态保持不变，从而实现负载平台相对工作台面水平的姿态不变；

(2)本发明通过同步带轮与同步带的设置，使该桅杆***驱动电机减少为一个，有效解决了传统多关节机器人需要在每一个关节处安装驱动电机的技术问题，仅需一个电机驱动，通过同步带传递运动即可实现发明目的；

(3)本发明通过各关节处谐波减速器的设置，控制谐波减速器的减速比以实现对连杆转动角速度比值的控制；同时，通过对底部谐波减速器、中部谐波减速器以及顶部谐波减速器连接方式的设置，使相邻连杆的转动方向相反，实现发明目的。

(4)本发明中当桅杆***抬升高度不满足实际要求时，可以改变连杆长度或者增加中部连杆的数量，从而满足不同升降高度需求。

附图说明

图1为实施例1中单自由度三关节桅杆***在初始位置时的整体外观示意图；

图2为实施例1中单自由度三关节桅杆***在完成升起桅杆时的整体外观示意图；

图3为实施例2中单自由度四关节桅杆***在初始位置时的整体外观示意图；

图4为实施例2中单自由度四关节桅杆***在完成升起桅杆时的整体外观示意图；

图中：1、基座；2、电机安装法兰；3、伺服电机；4、联轴器；5、第三传动轴；6、四号同步带轮；7、第二同步带；8、二号连杆；9、第二传动轴；10、三号同步带轮；11、二号谐波减速器；12、二号同步带轮；13、一号连杆；14、平台连杆；15、三号谐波减速器；16、第一同步带；17、一号谐波减速器；18、第一传动轴；19、一号同步带轮；20、负载平台；21、第四传动轴；22、六号同步带轮；23、三号连杆；24、第三同步带；25、五号同步带轮；26、四号谐波减速器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例中的单自由度三关节桅杆***，主要包括伺服电机3、电机安装法兰2、基座1、联轴器4、第一传动轴18、一号谐波减速器17、一号连杆13、一号同步带轮19、二号同步带轮12、第一同步带16、二号谐波减速器11、二号连杆8、第二传动轴9、三号同步带轮10、第二同步带7、四号同步带轮6、第三传动轴5、三号谐波减速器15、平台连杆14、负载平台20。即底部连杆为一号连杆13，中部连杆为二号连杆8；底部传动轴为第一传动轴18，中部传动轴为第二传动轴9、顶部传动轴为第三传动轴5；底部谐波减速器为一号谐波减速器17，中部谐波减速器为二号谐波减速器11，顶部谐波减速器为三号谐波减速器15；底部同步带轮为一号同步带轮19，中部同步带轮为二号同步带轮12和三号同步带轮10，顶部同步带轮为四号同步带轮6。

基座1安装在工作台面上；电机安装法兰2通过螺钉安装在基座1的法兰上。伺服电机3通过螺钉安装在电机安装法兰2上。伺服电机3伸出轴与联轴器4相连接。第一传动轴18上装配的零件从左往右依次为基座法兰一侧、一号谐波减速器17、一号连杆13、基座法兰另一侧、一号同步带轮19，其中一号谐波减速器17以及一号连杆13位于基座两侧法兰之间。一号谐波减速器17的柔轮固定在基座法兰上，波发生器连接在第一传动轴18上，刚轮通过螺钉与一号连杆13固连，第一同步带16传动装置的一号同步带轮19、二号同步带轮12分别安装在第一传动轴18和第二传动轴9上，第一同步带16安装在一号同步带轮19和二号同步带轮12上。第二传动轴9上装配的零件从左到右依次为三号同步带轮10、二号连杆8、二号谐波减速器11、一号连杆13、二号同步带轮12，其中三号同步带轮10通过键与第二传动轴9连接，二号连杆8在第二传动轴9上不做径向定位，二号谐波减速器11的刚轮固定在一号连杆13上，波发生器连接在第二传动轴9上，柔轮固定在二号连杆8上。二号同步带轮12通过键与第二传动轴9相连接。第三传动轴5与二号连杆8另一端相连接，第三传动轴5安装的零件从左到右依次是四号同步带轮6、二号连杆8、三号谐波减速器15、平台连杆14，平台连杆14与负载平台20连接。四号同步带轮6通过键与第三传动轴5相连接，平台连杆14在零位时与二号连杆8彼此保持垂直状态，平台连杆14部分始终与工作台面垂直，且平台连杆14与第三传动轴5不接触。三号谐波减速器15的柔轮通过螺钉固定在二号连杆8上，刚轮通过螺钉与平台连杆14相连接，波发生器连接在第三传动轴5上。

在此桅杆***中一号谐波减速器17柔轮固定，刚轮输出；二号谐波减速器11的刚轮固定，柔轮输出；三号谐波减速器15柔轮固定，刚轮输出。

当伺服电机3带动第一传动轴18转动时，第一传动轴18带动一号谐波减速器17的波发生器转动，刚轮作为输出端带动一号连杆13以第一传动轴18为轴线做顺时针转动，即一号连杆13远离第一传动轴18的一端相对于地面抬升；第一传动轴18直接通过第一同步带16将转动传递给第二传动轴9，第二传动轴9带动二号谐波减速器11的波发生器转动，其柔轮作为输出端带动二号连杆8以第二传动轴9为轴线做逆时针运动，即二号连杆8远离第二传动轴9的一端相对于水平面抬升；第二传动轴9通过第二同步带7将转动传递给第三传动轴5，第三传动轴5带动三号谐波减速器15的波发生器转动，刚轮作为输出端带动平台连杆14以第三传动轴5为轴线做顺时针转动，由于平台连杆14与第三传动轴5不接触，设定特定的一号同步带轮19、二号同步带轮12、三号同步带轮10与四号同步带轮6的转速比，以及一号谐波减速器17、二号谐波减速器11、三号谐波减速器15三个谐波减速器的减速比，使平台连杆14相对于工作台面能够竖直上升且在任意工作时刻保持相对于工作台面的姿态不变。

一号同步带轮19与二号同步带轮12的转速比为1:1，所述三号同步带轮10与四号同步带轮6的转速比为1:1。一号谐波减速器17、二号谐波减速器11、三号谐波减速器15三个谐波减速器的减速比之比为1:2:1，伺服电机3驱动联轴器4带动第一传动轴18转动，第一传动轴18通过第一同步带16、第二同步带7等速传递给第二传动轴9、第三传动轴5。使得一号连杆13、二号连杆8、平台连杆14能够同时到达竖直状态，并且能使平台连杆14末端的负载平台20保持相对于工作台面的水平姿态。

本发明采用谐波减速器主要在于利用谐波减速器刚轮固定，柔轮输出；柔轮固定，刚轮输出，且输出方向相反的特点，结合其减速比大、体积小、重量轻的特点，实现一号连杆13与二号连杆8共同作用下的同步抬升。但是具体实施时，采用满足以上特点的减速器也可以实现。

实施例2

实施例1中的一号连杆13与二号连杆8均为抬升的作用，而一号连杆13、平台连杆14转动方向相同，二号连杆8与一号连杆13、平台连杆14转动方向相反。因此二号连杆8(即中部连杆)数量是可以增加的。当此桅杆***抬升高度不满足实际要求时，可以适当增加中部连杆的数量。

如图3和图4所示，本实施例中桅杆***基本结构与实施例1中相同，不同之处在于：中部连杆为2个，即二号连杆8、三号连杆23，相比较而言增加了三号连杆23。其中，第一传动轴18和第二传动轴9上的连接部件与实施例1中均相同，一号谐波减速器17柔轮固定，刚轮输出；二号谐波减速器11刚轮固定，柔轮输出。

即底部连杆为一号连杆13，中部连杆为二号连杆8和三号连杆23；底部传动轴为第一传动轴18，中部传动轴为第二传动轴9和第三传动轴5、顶部传动轴为第四传动轴21；底部谐波减速器为一号谐波减速器17，中部谐波减速器为二号谐波减速器11和三号谐波减速器15，顶部谐波减速器为四号谐波减速器26；底部同步带轮为一号同步带轮19，中部同步带轮为二号同步带轮12、三号同步带轮10、四号同步带轮6以及五号同步带轮25，顶部同步带轮为六号同步带轮22。

如图4，第三传动轴5上从左至右依次连接：四号同步带轮6、二号连杆8、三号谐波减速器15、三号连杆23、五号同步带轮25；第四传动轴21上从左至右依次连接：平台连杆14、四号谐波减速器26、三号连杆23、六号同步带轮22，第三同步带24安装在五号同步带轮25和六号同步带轮22上。

其中三号谐波减速器15的刚轮固定，柔轮输出，将减速后的运动传递给三号连杆23；四号谐波减速器26柔轮固定，刚轮输出；四个减速器的减速比之比为2：1：1：2，保证了一号连杆13、二号连杆8、三号连杆23、平台连杆14转动的角速度之比为1：2：2：1。从而使平台连杆14相对于工作台面竖直上升，且保持任意工作时刻平台连杆14相对于工作台面的姿态不变。

以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施实例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种单自由度多关节桅杆***，其特征在于，包括：基座(1)、电机(3)、抬升连杆、平台连杆(14)及负载平台(20)；所述抬升连杆包括底部连杆与中部连杆，底部连杆与中部连杆通过中部传动轴连接，所述底部连杆的下端安装于基座(1)上，并与电机(3)通过底部传动轴连接；所述中部连杆的上端与平台连杆(14)下端通过顶部传动轴连接；所述负载平台(20)与平台连杆(14)连接；且底部连杆、中部连杆、平台连杆(14)转动的角速度之比为1:2:1；相邻的各连杆转动方向相反。

2.根据权利要求1所述的单自由度多关节桅杆***，其特征在于，所述顶部传动轴、中部传动轴，以及底部传动轴上分别设置减速器，减速比之比为2:1:2。

3.根据权利要求2所述的单自由度多关节桅杆***，其特征在于，所述减速器为谐波减速器，分别为设置在电机(3)与底部连杆下端之间的底部谐波减速器、底部连杆与中部连杆之间或中部连杆彼此之间的中部谐波减速器、平台连杆(14)与中部连杆上端之间的顶部谐波减速器。

4.根据权利要求1所述的单自由度多关节桅杆***，其特征在于，所述底部传动轴为主动轴，中部传动轴和顶部传动轴为从动轴。

5.根据权利要求4所述的单自由度多关节桅杆***，其特征在于，所述底部传动轴通过同步带轮和同步带带动中部传动轴和顶部传动轴转动。

6.根据权利要求1所述的单自由度多关节桅杆***，其特征在于，所述各传动轴转动速度均相同。

7.根据权利要求6所述的单自由度多关节桅杆***，其特征在于，所述电机(3)与底部传动轴通过联轴器(4)连接，电机(3)驱动联轴器(4)带动底部传动轴转动，并通过同步带将运动传递给中部传动轴和顶部传动轴，各个传动轴分别与相应谐波减速器的波发生器连接；底部谐波减速器和顶部谐波减速器的柔轮固定，刚轮输出；中部谐波减速器的刚轮固定，柔轮输出；带动抬升连杆分别绕着传动轴转动。

8.根据权利要求7所述的单自由度多关节桅杆***，其特征在于，所述中部连杆数量为一个，所述底部谐波减速器的柔轮固定在基座(1)的法兰上，波发生器与底部传动轴连接，刚轮与底部连杆连接；所述中部谐波减速器的刚轮固定在底部连杆上，柔轮固定在中部连杆上，波发生器与中部传动轴连接；所述顶部谐波减速器的柔轮固定在中部连杆上，刚轮与平台连杆(14)相连接，波发生器与顶部传动轴连接。

9.根据权利要求8所述的单自由度多关节桅杆***，其特征在于，所述底部传动轴上装配的零件按顺序依次为底部谐波减速器、底部连杆、底部同步带轮，所述底部谐波减速器以及底部连杆位于基座(1)的两侧法兰之间，底部连杆与底部传动轴上不接触；所述中部传动轴上装配的零件按顺序依次为中部同步带轮、底部连杆、中部谐波减速器、中部连杆、另一同步带轮，中部连杆与中部传动轴上不接触；所述顶部传动轴安装的零件按顺序依次是顶部同步带轮、中部连杆、顶部谐波减速器、平台连杆(14)。

10.一种采用权利要求1～9中任意一项所述的单自由度多关节桅杆***的抬升方法，其特征在于，所述底部连杆、中部连杆以及平台连杆(14)以角速度比为1:2:1的速度向上转动，使平台连杆(14)始终相对于工作台面保持竖直，负载平台(20)相对于工作台面保持水平。