CN112917509B - 一种基于球面并联机构驱动的三自由度机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于球面并联机构驱动的三自由度机械臂，包括三自由度球面并联驱动装置和连杆手臂。所述驱动装置的输出端连接有由所述驱动装置驱动可作旋转运动的连杆手臂。本发明的突出特点在于，高负载、高精度、高操控性和高刚度：采用球面并联机构驱动连杆手臂，机械臂负载能力强；采用并联机构驱动，累积误差低；电机均放置在肩部，连杆手臂质量轻，运动惯性低，控制难度低；采用连杆传动，机械臂刚度大。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械臂，特别涉及一种基于球面并联机构驱动的三自由度机械臂。
背景技术
目前现有的机械臂多为串联结构。串联结构虽然运动范围较大，但由于每个电机既是下一个关节的驱动装置又是上一个关节的负载，所以末端负载能力低；串联结构中每个电机的转动误差是相加关系，导致末端运动误差大；每个关节都安装有电机，整体结构刚度低。机械臂的驱动方式一般分为直驱、绳驱、带传动和齿轮传动等，绳驱具有质轻，运动速度快等优势，但负载能力受制于绳的强度，结构刚度较低，且绕线繁琐复杂；带传动和齿轮传动虽然利用减速比增大了关节扭矩，但由于皮带轮和齿轮的加入，增大了关节的重量，所以实际对关节扭矩的提高程度有限。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，提出一种基于球面并联机构的三自由度机械臂。该机械臂采用球面并联机构驱动连杆机械臂，三个电机整齐布置在肩膀处，大大减小了手臂重量。针对目前串联结构负载能力低、运动误差大、结构刚度低等问题，本发明中的三自由度球面并联机械手在进行每个自由度的运动时都有至少两个电机承担，在工作中，三个电机进行扭矩分配来驱动三个关节，末端负载能力强；机械臂由轻质材料制成的连杆构成，运动惯性小，控制难度低；每个电机的转动误差不叠加，运动精度高。
本发明采用的技术方案是：一种基于球面并联机构驱动的三自由度机械臂，包括三自由度球面并联驱动装置和连杆手臂；所述三自由度球面并联驱动装置包括同轴的左电机、右电机和中间电机；所述左电机输出端通过左输出连杆连接左传动杆；所述右电机输出端通过右输出连杆连接右传动杆；所述左传动杆和右传动杆铰接；所述中间电机具有中间输出连杆；
所述左电机和右电机输出端的轴心、左输出连杆和左传动杆铰接点、右输出连杆和右传动杆铰接点以及左传动杆和右传动杆铰接点位于同一球面上。
所述连杆手臂包括大臂杆、肘关节连接件、小臂杆和传动臂杆；所述传动臂杆与左传动杆和右传动杆铰接端通过传动轴铰接；所述大臂杆通过转轴与中间输出连杆连接。大臂杆和传动臂杆同时与肘关节连接件铰接，所述肘关节连接件和小臂杆固连。
进一步地，所述的三自由度球面并联驱动装置还包括左电机安装板、左电机保护壳、右电机安装板、右电机保护壳、中间电机安装板、中间电机保护壳和电机支撑架；
左电机、右电机和中间电机的固定端分别安装在左电机保护壳、右电机安装板和中间电机安装板上；左电机保护壳、右电机保护壳和中间电机保护壳分别安装在左电机安装板、右电机安装板和中间电机安装板上；左电机安装板、右电机安装板和中间电机安装板安装在电机支撑架上。
进一步地，所述的连杆手臂还包括、固定板、固定座、安装座、大臂杆安装板、小臂安装板、小臂固定板、传动臂安装板和小臂传动件；
转轴一头固定在两个固定板中，另一头安装在固定座中；固定板安装在固定座中；大臂杆一头安装在固定座上，另一头安装在大臂杆安装板上；大臂杆安装板和肘关节连接件相连；肘关节连接件和小臂传动件相连，并和小臂安装板固连；小臂杆一头安装在小臂安装板上，另一头安装在小臂固定板上；传动轴和传动臂安装板相连；传动臂杆一头安装在传动臂安装板上，另一头安装在小臂传动件上。
进一步地，肘关节连接件通过一个“D”型轴与小臂安装板固连。
进一步地，所述“D”型轴两端呈“D”型，中间为圆形，方便同时实现小臂安装板和肘关节连接件的固连和小臂传动件和肘关节连接件的铰接。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
(1)采用球面并联机构驱动连杆机械臂的方法，在机械臂进行每个自由度的运动时都有至少两个电机共同驱动，大大提高了负载能力。
(2)电机的转动误差没有叠加关系，提高了手臂的运动精度，某种程度上，在保证所要求的运动精度的同时，放宽了对电机的精度要求，降低制造成本。
(3)所有电机均放置在肩关节处，连杆机械臂由铝合金和碳纤维等轻质材料制成，大大减轻了连杆手臂的重量，减小了运动惯性，驱动难度降低。
(4)连杆手臂采用四连杆结构设计，提高了整体刚度。
附图说明
图1为三自由度球面并联机械臂整体的轴测图；
图2为三自由度球面并联驱动装置的轴测图；
图3为三自由度球面并联驱动装置的三视图；
图4为连杆手臂的轴测图；
图5为大臂和驱动装置之间关节处的局部放大图；
图6为大臂和小臂之间关节处的局部放大图；
图7为多种电机放置方式；
图8为根据工作内容优选的电机匹配方式；
图9为一体式加工的大臂杆，小臂杆和传动臂杆；
图中：1、三自由度球面并联驱动装置，2、连杆手臂，110、左电机安装板，111、左电机，112、左输出连杆，113、左电机保护壳，114、左传动杆；120、右电机安装板，121、右电机，122、右输出连杆，123、右电机保护壳，124、右传动杆；130、中间电机安装板，131、中间电机，132、中间输出连杆，133、中间电机保护壳，134、电机支撑架；210、转轴，211、固定板，212、固定座，213、安装座，214、大臂杆，215、肘关节连接件，216、大臂杆安装板，221、小臂安装板，222、小臂杆，223、小臂固定板，231、传动轴，232、传动臂安装板，233、传动臂杆，234、小臂传动件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提供了一种基于球面并联机构驱动的三自由度机械臂，包括三自由度球面并联驱动装置1和连杆手臂2；
所述的三自由度球面并联驱动装置1的输出端连接由所述驱动装置驱动可作旋转运动的连杆手臂2。
如图2、图3所示，所述的三自由度球面并联驱动装置1包括左电机111、左电机安装板110、左电机保护壳113，左输出连杆112、左传动杆114、右电机121、右电机安装板120、右电机保护壳123、右输出连杆122、右传动杆124、中间电机131、中间电机安装板130、中间电机保护壳133、中间输出连杆132和电机支撑架134；左电机111的固定端和左电机保护壳113通过螺钉固定，左电机111的输出端和左输出连杆112通过螺钉固定；左输出连杆112连接左传动杆114；左电机保护壳113和左电机安装板110通过螺钉固定；右电机121的固定端和右电机安装板120通过螺钉固定；右电机121的输出端和右输出连杆122通过螺钉固定；右输出连杆122连接右传动杆124；右电机保护壳123和右电机安装板120通过螺钉固定；左传动杆114和右传动杆124铰接；中间电机131的固定端和中间电机安装板130通过螺钉固定；中间电机131的输出端和中间输出连杆132通过螺钉固定；中间电机保护壳133和中间电机安装板130通过螺钉固定；左电机安装板110、右电机安装板120和中间电机安装板130同时和电机支撑架134通过螺钉固定。
如图3所示，所述的三自由度球面并联驱动装置1的左电机111、右电机121、左输出连杆112、右输出连杆122、左传动杆114和右传动杆124共同构成球面并联机构，三个电机同轴、同方向放置。左电机111和右电机121输出端的轴心、左输出连杆112和左传动杆114铰接点、右输出连杆122和右传动杆124铰接点以及左传动杆114和右传动杆124铰接点位于同一球面上。作为上述方案的一种优选方案，三个电机还可以采取如图7所示的放置方式，中间电机131朝向不变，令左电机111和右电机121的输出端朝向一致向外或一致向内，零件间的连接关系不变，这种放置方式能够使结构对称，连杆的受力也会更加均匀。
较佳地，根据机械臂的具体工作内容，可以采用输出扭矩不同的电机来组成三自由度球面并联驱动装置1。例如，工作内容要求小臂杆抬起时能够负载较大，则可以采用输出扭矩较大的左电机111、右电机121和输出扭矩相对较小的中间电机，如图8所示。这样就可以根据工作内容选择最佳的电机搭配，合理分配电机扭矩，将电机的性能充分发挥。
如图4、图5和图6所示，所述的连杆手臂2包括转轴210、固定板211、固定座212、安装座213、大臂杆214、大臂杆安装板216、肘关节连接件215、小臂安装板221、小臂杆222、小臂固定板223、传动轴231、传动臂安装板232、传动臂杆233和小臂传动件234；两个相同的固定板211通过螺钉固定并将转轴210的一端固定；转轴210的另一端安装在安装座213中；固定座212通过螺钉安装在安装座213上，固定座212能够相对固定板211绕转轴210轴向转动；大臂杆214的一端通过螺钉安装在固定座212上，另一端通过螺钉安装在大臂杆安装板216上。作为一种优选方案，大臂杆214可由碳纤维方管等轻质材料制成，降低手臂重量，减小运动惯性。大臂杆安装板216和肘关节连接件215通过铰链连接；肘关节连接件215通过一个“D”型轴与小臂安装板221固连；小臂杆222的一端通过螺钉安装在小臂安装板221上，另一端通过螺钉安装在小臂固定板223上；传动轴231的一端通过铰链和左传动杆114、右传动杆124的铰接端连接，另一端通过铰链和传动臂安装板232连接；传动臂杆233的一端通过螺钉安装在传动臂安装板232上，另一端通过螺钉安装在小臂传动件234上；小臂传动件234与肘关节连接件215通过铰链连接。作为一种优选方案，“D”型轴可以被加工成两端“D”型，中间圆形，方便同时实现小臂安装板221和肘关节连接件215的固连和小臂传动件234和肘关节连接件215的铰接。
较佳地，如图9所示，安装座213、大臂杆214和大臂杆安装板216、小臂安装板221、小臂固定板223和小臂杆222、传动臂安装板232、传动臂杆233和小臂传动件234都可以采用预埋金属件、粘接等方式加工成一体的零件，这样不仅精简了结构，而且还消除了由于机械加工和机械连接所带来的加工误差和装配误差，提高机械臂整体的运动精度。
上述具体实施方案的有益技术效果是：三个同轴电机的转动经过球面并联机构运动合成，转化为大臂旋转、小臂旋转和手臂轴向旋转三个运动。当中间电机131、左电机111和右电机121同向同力矩转动时，实现大臂杆214旋转，小臂杆222不转；当中间电机131不转，左电机111和右电机121同向同力矩转动时，实现大臂杆214不转，小臂杆222旋转；当中间电机131不转，左电机111和右电机121反向同力矩转动时，实现大臂杆214和小臂杆222轴向转动。
工作原理
结合图1-图7所示，同轴的三个电机作为肩关节，左电机111、右电机121和中间电机131同方向转动相同角度，驱动整个连杆手臂2绕肩关节转动，从而完成大臂抬起的自由度，这时三个电机的输出扭矩方向和大臂旋转方向相同，相互累加；当左电机111和右电机121同方向转动相同角度，中间电机131不动时，大臂杆214不动，小臂杆222在传动臂杆233的带动下转动，从而完成小臂抬起的自由度，这时两个电机的输出扭矩方向和小臂旋转方向相同，相互累加；当左电机111和右电机121相反方向转动不同角度，中间电机131不动时，连杆手臂2绕自身旋转轴转动，从而完成手臂轴向转动的自由度，虽然转动方向不同，但轴向转动由两个电机共同作用，所以输出扭矩相互累加。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于球面并联机构驱动的三自由度机械臂，其特征在于：包括三自由度球面并联驱动装置(1)和连杆手臂(2)；所述三自由度球面并联驱动装置(1)包括同轴的左电机(111)、右电机(121)和中间电机(131)；所述左电机(111)输出端通过左输出连杆(112)连接左传动杆(114)；所述右电机(121)输出端通过右输出连杆(122)连接右传动杆(124)；所述左传动杆(114)和右传动杆(124)铰接；所述中间电机(131)具有中间输出连杆(132)；
所述左电机(111)和右电机(121)输出端的轴心、左输出连杆(112)和左传动杆(114)铰接点、右输出连杆(122)和右传动杆(124)铰接点以及左传动杆(114)和右传动杆(124)铰接点位于同一球面上；
所述连杆手臂(2)包括大臂杆(214)、肘关节连接件(215)、小臂杆(222)和传动臂杆(233)；所述传动臂杆(233)与左传动杆(114)和右传动杆(124)铰接端通过传动轴(231)铰接；所述大臂杆(214)通过转轴(210)与中间输出连杆(132)连接；大臂杆(214)和传动臂杆(233)同时与肘关节连接件(215)铰接，所述肘关节连接件(215)和小臂杆(222)固连。
2.根据权利要求1所述一种基于球面并联机构驱动的三自由度机械臂，其特征在于：所述的三自由度球面并联驱动装置(1)还包括左电机安装板(110)、左电机保护壳(113)、右电机安装板(120)、右电机保护壳(123)、中间电机安装板(130)、中间电机保护壳(133)和电机支撑架(134)；
左电机(111)、右电机(121)和中间电机(131)的固定端分别安装在左电机保护壳(113)、右电机安装板(120)和中间电机安装板(130)上；左电机保护壳(113)、右电机保护壳(123)和中间电机保护壳(133)分别安装在左电机安装板(110)、右电机安装板(120)和中间电机安装板(130)上；左电机安装板(110)、右电机安装板(120)和中间电机安装板(130)安装在电机支撑架(134)上。
3.根据权利要求1所述一种基于球面并联机构驱动的三自由度机械臂，其特征在于：所述的连杆手臂(2)还包括、固定板(211)、固定座(212)、安装座(213)、大臂杆安装板(216)、小臂安装板(221)、小臂固定板(223)、传动臂安装板(232)和小臂传动件(234)；
转轴(210)一头固定在两个固定板(211)中，另一头安装在固定座(212)中；固定板(211)安装在固定座(212)中；大臂杆(214)一头安装在固定座(212)上，另一头安装在大臂杆安装板(216)上；大臂杆安装板(216)和肘关节连接件(215)相连；肘关节连接件(215)和小臂传动件(234)相连，并和小臂安装板(221)固连；小臂杆(222)一头安装在小臂安装板(221)上，另一头安装在小臂固定板(223)上；传动轴(231)和传动臂安装板(232)相连；传动臂杆(233)一头安装在传动臂安装板(232)上，另一头安装在小臂传动件(234)上。
4.根据权利要求3所述一种基于球面并联机构驱动的三自由度机械臂，其特征在于：肘关节连接件(215)通过一个“D”型轴与小臂安装板(221)固连。
5.根据权利要求4所述一种基于球面并联机构驱动的三自由度机械臂，其特征在于：所述“D”型轴两端呈“D”型，中间为圆形，方便同时实现小臂安装板(221)和肘关节连接件(215)的固连和小臂传动件(234)和肘关节连接件(215)的铰接。
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