CN116834065B - 一种平面两连杆刚柔耦合型机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种平面两连杆刚柔耦合型机械臂，包括：底座，其内部设有第一同步带传动组件；刚性连杆，其内部设有第二同步带传动组件；柔性连杆；第一关节，其包括限位连接器，所述限位连接器一端连接所述第一同步带传动组件的输出端、另一端连接所述刚性连杆一端；以及第二关节，所述第二关节一端连接所述第二同步带传动组件的输出端、另一端连接所述柔性连杆。本发明的有益效果：采用了刚性连杆和柔性连杆耦合的结构设计，刚性连杆和柔性连杆之间通过稳定连接，提高机械臂的负载承受能力，可以有效提高人机交互时的安全性，同时也可实现末端夹持物的柔顺运动，避免不平滑运动对夹持物的损坏。

Description

一种平面两连杆刚柔耦合型机械臂

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，尤其涉及一种平面两连杆刚柔耦合型机械臂。

背景技术

随着工业生产、航空航天等领域的不断发展，人们对工业机器人操作的安全性、精密性、灵活性、轻量型的要求不断提高，运用细长连杆结构的柔性机械臂显示出强大的优势。一方面，针对柔性机械臂的特性来专门研究柔性所致***弹性振动的抑制方法，可以大大提高机械臂的控制精度；另一方面，柔性机械臂的柔性连杆一般采用刚度较小的材料设计，且为细长杆结构，这样的设计不仅增加了机械臂的灵活性、轻量型，还进一步扩大了机械臂的工作面积。此外，柔性软材料的应用也在一定程度上保障了人机交互的安全性。

然而，细长的连杆结构和柔性的设计材料也使得柔性机械臂丧失了一定的负载能力。对于多连杆柔性机械臂***，若***的所有连杆均采用柔性连杆设计，则直接与物体接触的连杆将承受过大的负载，易导致该连杆产生永久性的扭曲变形甚至是破坏性的折断。

发明内容

有鉴于此，为了解决多连杆柔性机械臂***的直接与物体接触的连杆承受过大负载导致扭曲变形甚至折断的问题，本发明的实施例提供了一种平面两连杆刚柔耦合型机械臂。

本发明的实施例提供一种平面两连杆刚柔耦合型机械臂，包括：

底座，其内部设有第一同步带传动组件；

刚性连杆，其内部设有第二同步带传动组件；

柔性连杆；

第一关节，其包括限位连接器，所述限位连接器一端连接所述第一同步带传动组件的输出端、另一端连接所述刚性连杆一端；

以及第二关节，所述第二关节一端连接所述第二同步带传动组件的输出端、另一端连接所述柔性连杆。

进一步地，所述第一关节还包括第一外壳、第一上推力轴承、第一滚动轴承和第一下推力轴承，所述限位连接器包括转动盘，所述转动盘的中部设有向下延伸的第一上对接柱，且所述转动盘上环绕所述第一上对接柱设有第一上轴承槽，所述第一同步带传动组件的输出端为第一输出同步带轮，所述第一输出同步带轮设有向上延伸的第一下对接柱，所述第一输出同步带轮上侧环绕所述第一下对接柱设有第一下轴承槽，所述第一上对接柱和所述第一下对接柱上下对齐并紧固连接，所述第一上推力轴承安装于所述第一上轴承槽内，所述第一下推力轴承安装于所述第一下轴承槽内，所述第一滚动轴承嵌设于所述底座的上表面，且所述第一滚动轴承套设于所述第一上对接柱和所述第一下对接柱的连接处。

进一步地，所述转动盘的侧壁设有间隔设置的两限位凸起，所述底座上设有限位件，所述限位件设置于所述限位凸起的运动路径上。

进一步地，还包括第一驱动电机和第二驱动电机，所述第一驱动电机连接所述第一同步带传动组件的输入端，所述第二驱动电机连接所述第二同步带传动组件的输入端。

进一步地，还包括限位传感器，其连接所述第一驱动电机，所述限位传感器设有接触滚轮，所述接触滚轮为所述限位件。

进一步地，所述第一外壳的下部边缘与所述转动盘的边缘紧固连接，所述第二同步带传动组件的输入端设置于所述第一外壳内。

进一步地，所述第一同步带传动组件还包括第一输入同步带轮、第一双联同步带轮、第一输入同步带和第一输出同步带，其中所述第一输入同步带套设于所述第一输入同步带轮和所述第一双联同步带轮上，所述第一输出同步带轮套设于所述第一双联同步带轮和所述第一输出同步带轮上，所述限位连接器连接所述第一输出同步带轮。

进一步地，所述第二同步带传动组件包括第二输入同步带轮、第二双联同步带轮、第二输出同步带轮、第二输入同步带和第二输出同步带，其中所述第二输入同步带套设于所述第二输入同步带轮和所述第二双联同步带轮上，所述第二输出同步带轮套设于所述第二双联同步带轮和所述第二输出同步带轮上，所述第二关节一端连接所述第二输出同步带轮。

进一步地，所述第二关节包括第二外壳、第二上推力轴承、第二滚动轴承和第二下推力轴承，所述第二外壳内设有向下延伸的第二上对接柱，且所述第二外壳内环绕所述第二上对接柱设有第二上轴承槽，所述第二输出同步带轮设有向上延伸的第二下对接柱，所述第二输出同步带轮上侧环绕所述第二下对接柱设有第二下轴承槽，所述第二上对接柱和所述第二下对接柱上下对齐并紧固连接，所述第二上推力轴承安装于所述第二上轴承槽内，所述第二下推力轴承安装于所述第二下轴承槽内，所述第二输出同步带轮设置于所述刚性连杆内，所述第二滚动轴承嵌设于所述刚性连杆的上表面，且所述第二滚动轴承套设于所述第二上对接柱和所述第二下对接柱的连接处。

进一步地，还包括振动传感器，其包括应变片和电路板，所述应变片设置于所述柔性连杆的后端，所述电路板连接所述应变片以获取所述柔性连杆的振动信息，进而获取所述柔性连杆的挠度。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

1、本发明的一种平面两连杆刚柔耦合型机械臂，采用了刚性连杆和柔性连杆耦合的结构设计，刚性连杆和柔性连杆之间通过稳定连接，提高机械臂的负载承受能力，可以有效提高人机交互时的安全性，同时也可实现末端夹持物的柔顺运动，避免不平滑运动对夹持物的损坏。

2、本发明的一种平面两连杆刚柔耦合型机械臂，刚性连杆和柔性连杆均通过履带式的同步带进行传动，便于对机械臂的运动进行准确控制。

3、本发明的一种平面两连杆刚柔耦合型机械臂，通过限位传感器可以监测机械臂的转动位置，避免刚性连杆因转动范围过大与周围物体发生碰撞，同时可有效避免数据线缠绕的问题。

附图说明

图1是本发明一种平面两连杆刚柔耦合型机械臂的示意图；

图2是第一同步带传动组件的示意图；

图3是第一关节的示意图；

图4是限位连接器的示意图；

图5是第一输出同步带轮的示意图；

图6是第二同步带传动组件的示意图；

图7是第二关节的示意图。

图中：1、底座；2、刚性连杆；3、柔性连杆；4、第一外壳；5、第二外壳；6、第一驱动电机；7、第二驱动电机；8、振动传感器；9、应变片；10、电路板；11、第一输入同步带轮；12、第一双联同步带轮；13、第一输出同步带轮；14、第一输入同步带；15、第一输出同步带；16、转动盘；17、第一上推力轴承；18、第一滚动轴承；19、第一下推力轴承；20、第一上对接柱；21、第一上轴承槽；22、限位凸起；23、限位传感器；24、接触滚轮；25、第一下对接柱；26、第一下轴承槽；27、第二输入同步带轮；28、第二双联同步带轮；29、第二输出同步带轮；30、第二输入同步带；31、第二输出同步带；32、第二上推力轴承；33、第二滚动轴承；34、第二下推力轴承。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的较优的一个，旨在提供对本发明的基本了解，但并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

在本发明的描述中,需要说明的是,本发明中涉及到电路和电子元器件以及模块均为现有技术，本领域技术人员完全可以实现，无需赘言，本发明保护的内容也不涉及对于内部结构和方法的改进。

进一步需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接；可以是机械连接,也可以是电连接；可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种平面两连杆刚柔耦合型机械臂，包括底座1、刚性连杆2、柔性连杆3、第一关节和第二关节。

如图2所示，所述底座1近似为长方体，内部呈中空设置，所述底座1内部设有第一同步带传动组件。所述第一同步带传动组件用于驱动所述刚性连杆2转动，这里所述第一同步带传动组件为履带型同步带组件。

所述第一同步带传动组件可根据实际应用场景选择由多个同步轮组合形成。如本实施例中，所述第一同步带传动组件还包括第一输入同步带轮11、第一双联同步带轮12、第一输出同步带轮13、第一输入同步带14和第一输出同步带15，其中所述第一输入同步带14套设于所述第一输入同步带轮11和所述第一双联同步带轮12上，所述第一输出同步带轮13套设于所述第一双联同步带轮12和所述第一输出同步带轮13上，所述第一输入同步带轮11为所述第一同步带传动组件的输入端，所述第一输出同步带轮13为所述第一同步带传动组件的输出端。

再结合图3、4和5所示，所述第一同步带传动组件的输出端与所述刚性连杆2一端之间通过所述第一关节连接。所述第一关节包括限位连接器，所述限位连接器一端连接所述第一同步带传动组件的输出端、另一端连接所述刚性连杆2一端。

更具体的，所述第一关节还包括第一外壳4、第一上推力轴承17、第一滚动轴承18和第一下推力轴承19，所述限位连接器包括转动盘16，所述转动盘16的中部设有向下延伸的第一上对接柱20，且所述转动盘16上环绕所述第一上对接柱20设有第一上轴承槽21，所述第一同步带传动组件的输出端为第一输出同步带轮13，所述第一输出同步带轮13设有向上延伸的第一下对接柱25，所述第一输出同步带轮13上侧环绕所述第一下对接柱25设有第一下轴承槽26。

所述第一上对接柱20和所述第二下对接柱为直径相同的圆柱体，所述上对接柱下端***所述底座1内，并且所述第一上对接柱20和所述第一下对接柱25上下对齐并紧固连接，如这里通过紧固螺栓紧固连接。所述第一上推力轴承17安装于所述第一上轴承槽21内，所述第一下推力轴承19安装于所述第一下轴承槽26内，所述第一滚动轴承18嵌设于所述底座1的上表面，且所述第一滚动轴承18套设于所述第一上对接柱20和所述第一下对接柱25的连接处。

所述刚性连杆2为长方体状的直线连杆，其内部中部设置。所述第一外壳4连接所述刚性连接的后端，所述第二同步带传动组件设置于所述刚性连杆2内，用于驱动所述柔性连杆3转动，这里所述第二同步带传动组件也为履带型同步带组件。

如图6所示，所述第二同步带传动组件可根据实际应用场景选择由多个同步轮组合形成。如本实施例中，所述第二同步带传动组件包括第二输入同步带轮27、第二双联同步带轮28、第二输出同步带轮29、第二输入同步带30和第二输出同步带31，其中所述第二输入同步带30套设于所述第二输入同步带轮27和所述第二双联同步带轮28上，所述第二输出同步带轮29套设于所述第二双联同步带轮28和所述第二输出同步带轮29上。

所述第二输入同步带轮27为所述第二同步带传动组件的输入端，所述第一外壳4的下部边缘与所述转动盘16的边缘紧固连接，所述第二同步带传动组件的输入端设置于所述第一外壳4内。所述第二输入同步带30贯穿所述第一外壳4的侧壁，跨设于所述第一外壳4和所述刚性连杆2之间。所述第二输出同步带轮29为所述第二同步带传动组件的输出端。

所述第二同步带传动组件的输出端和所述柔性连杆3之间通过所述第二关节连接。所述第二关节设置于所述刚性连杆2的前端，所述第二关节一端连接所述第二同步带传动组件的输出端、另一端连接所述柔性连杆3后端。

如图7所示，所述第二关节包括第二外壳5、第二上推力轴承32、第二滚动轴承33和第二下推力轴承34，所述第二外壳5内设有向下延伸的第二上对接柱，且所述第二外壳5内环绕所述第二上对接柱设有第二上轴承槽，所述第二输出同步带轮29设有向上延伸的第二下对接柱，所述第二输出同步带轮29上侧环绕所述第二下对接柱设有第二下轴承槽，所述第二上对接柱和所述第二下对接柱上下对齐并紧固连接，所述第二上推力轴承32安装于所述第二上轴承槽内，所述第二下推力轴承34安装于所述第二下轴承槽内，所述第二输出同步带轮29设置于所述刚性连杆2内，所述第二滚动轴承33嵌设于所述刚性连杆2的上表面，且所述第二滚动轴承33套设于所述第二上对接柱和所述第二下对接柱的连接处。

为了实现对所述第一同步带传动组件和所述第二同步带传动组件的驱动，该平面两连杆刚柔耦合型机械臂还包括第一驱动电机6和第二驱动电机7，所述第一驱动电机6和所述第二驱动电机7均选择控制精度高的伺服电机。所述第一驱动电机6连接所述第一同步带传动组件的第一输入同步带轮11，所述第二驱动电机7连接所述第二同步带传动组件的第二输入同步带轮27。

为了限制所述转动盘16的转动角度，所述转动盘16的侧壁设有间隔设置的两限位凸起22，所述底座1上设有限位件，所述限位件设置于所述限位凸起22的运动路径上。两所述凸起分别在两个转动方向上对所述转动盘16进行限位，使所述转动盘16仅仅在一定范围内转动，进而实现对所述刚性连杆2的转动角度进行控制，避免刚性连杆2因转动范围过大与周围物体发生碰撞，同时可有效避免数据线缠绕的问题。

作为优选的技术方案，该平面两连杆刚柔耦合型机械臂还包括

限位传感器23，其连接所述第一驱动电机6，所述限位传感器23设有接触滚轮24，本实施例中将所述接触滚轮24直接为所述限位件，在所述接触滚轮24接触所述限位凸起22后，所述限位传感器23向所述第一驱动电机6发送信号，所述第一驱动电机6在接收该信号后停止转动。

此外为了获取所述柔性连杆3工作状态的形变，该平面两连杆刚柔耦合型机械臂还包括振动传感器8，其包括应变片9和电路板10，所述应变片9设置于所述柔性连杆3的后端，所述电路板10主要集成有放大模块，所述电路板10连接所述应变片9，在柔性连杆3发生振动时，应变片9会产生相应的形变从而产生电阻的变化，经过放大模块的处理，可以获取所述柔性连杆3的振动信息，进而获取所述柔性连杆3的挠度。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解的是，它们是相对的概念，可以根据使用、放置的不同方式而相应地变化，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种平面两连杆刚柔耦合型机械臂，其特征在于，包括：

底座，其内部设有第一同步带传动组件；

刚性连杆，其内部设有第二同步带传动组件；

柔性连杆；

第一关节，其包括限位连接器，所述限位连接器一端连接所述第一同步带传动组件的输出端、另一端连接所述刚性连杆一端，所述第一关节还包括第一外壳、第一上推力轴承、第一滚动轴承和第一下推力轴承，所述限位连接器包括转动盘，所述转动盘的中部设有向下延伸的第一上对接柱，且所述转动盘上环绕所述第一上对接柱设有第一上轴承槽，所述第一同步带传动组件的输出端为第一输出同步带轮，所述第一输出同步带轮设有向上延伸的第一下对接柱，所述第一输出同步带轮上侧环绕所述第一下对接柱设有第一下轴承槽，所述第一上对接柱和所述第一下对接柱上下对齐并紧固连接，所述第一上推力轴承安装于所述第一上轴承槽内，所述第一下推力轴承安装于所述第一下轴承槽内，所述第一滚动轴承嵌设于所述底座的上表面，且所述第一滚动轴承套设于所述第一上对接柱和所述第一下对接柱的连接处；

以及第二关节，所述第二关节一端连接所述第二同步带传动组件的输出端、另一端连接所述柔性连杆。

2.如权利要求1所述的一种平面两连杆刚柔耦合型机械臂，其特征在于：所述转动盘的侧壁设有间隔设置的两限位凸起，所述底座上设有限位件，所述限位件设置于所述限位凸起的运动路径上。

3.如权利要求2所述的一种平面两连杆刚柔耦合型机械臂，其特征在于：还包括第一驱动电机和第二驱动电机，所述第一驱动电机连接所述第一同步带传动组件的输入端，所述第二驱动电机连接所述第二同步带传动组件的输入端。

4.如权利要求3所述的一种平面两连杆刚柔耦合型机械臂，其特征在于：还包括限位传感器，其连接所述第一驱动电机，所述限位传感器设有接触滚轮，所述接触滚轮为所述限位件。

5.如权利要求1所述的一种平面两连杆刚柔耦合型机械臂，其特征在于：所述第一外壳的下部边缘与所述转动盘的边缘紧固连接，所述第二同步带传动组件的输入端设置于所述第一外壳内。

6.如权利要求1所述的一种平面两连杆刚柔耦合型机械臂，其特征在于：所述第一同步带传动组件还包括第一输入同步带轮、第一双联同步带轮、第一输入同步带和第一输出同步带，其中所述第一输入同步带套设于所述第一输入同步带轮和所述第一双联同步带轮上，所述第一输出同步带轮套设于所述第一双联同步带轮和所述第一输出同步带轮上，所述限位连接器连接所述第一输出同步带轮。

7.如权利要求1所述的一种平面两连杆刚柔耦合型机械臂，其特征在于：所述第二同步带传动组件包括第二输入同步带轮、第二双联同步带轮、第二输出同步带轮、第二输入同步带和第二输出同步带，其中所述第二输入同步带套设于所述第二输入同步带轮和所述第二双联同步带轮上，所述第二输出同步带轮套设于所述第二双联同步带轮和所述第二输出同步带轮上，所述第二关节一端连接所述第二输出同步带轮。

8.如权利要求7所述的一种平面两连杆刚柔耦合型机械臂，其特征在于：所述第二关节包括第二外壳、第二上推力轴承、第二滚动轴承和第二下推力轴承，所述第二外壳内设有向下延伸的第二上对接柱，且所述第二外壳内环绕所述第二上对接柱设有第二上轴承槽，所述第二输出同步带轮设有向上延伸的第二下对接柱，所述第二输出同步带轮上侧环绕所述第二下对接柱设有第二下轴承槽，所述第二上对接柱和所述第二下对接柱上下对齐并紧固连接，所述第二上推力轴承安装于所述第二上轴承槽内，所述第二下推力轴承安装于所述第二下轴承槽内，所述第二输出同步带轮设置于所述刚性连杆内，所述第二滚动轴承嵌设于所述刚性连杆的上表面，且所述第二滚动轴承套设于所述第二上对接柱和所述第二下对接柱的连接处。

9.如权利要求1所述的一种平面两连杆刚柔耦合型机械臂，其特征在于：还包括振动传感器，其包括应变片和电路板，所述应变片设置于所述柔性连杆的后端，所述电路板连接所述应变片以获取所述柔性连杆的振动信息，进而获取所述柔性连杆的挠度。