CN101428420B - 超冗余全方位移动操作臂 - Google Patents

Abstract

超冗余全方位移动操作臂，它涉及一种操作臂。本发明解决了现有的操作机器人存在操作灵活性较差、不具备全方位行走的能力，致使其工作空间和作业范围受到局限难以适应复杂工作环境的问题。第一转向直齿轮与第二转向直齿轮相啮合，第二转向直齿轮与转向电机的输出轴连接；第一同步带轮通过同步带与第二同步带轮连接，转轴安装在转向支架上，第二同步带轮通过转轴与第一锥齿轮连接，第一锥齿轮和第二锥齿轮相啮合，第二锥齿轮和第一滚动直齿轮均安装在转向支架上，第一滚动直齿轮与第二滚动直齿轮相啮合，第二滚动直齿轮与滚动电机的输出轴连接。本发明具有较高可操作度、任务的适应性强、工作空间大和灵活性好的优点，实现了操作臂的全方位移动功能。

Description

超冗余全方位移动操作臂

技术领域

本发明涉及一种操作臂。

背景技术

随着机器人在人类生活领域的应用越来越广泛，对机器人的操作灵活性、作业范围以及复杂作业的适应能力等各方面性能也提出了更高的要求。

目前传统的操作机器人均为具有固定基座的机械臂，利用其操作性能完成一些装配、焊接等某一固定区域内(手爪可达空间)的作业。虽然控制起来比较简单，但其局限性也是非常明显的。比如需要维护整条生产线或者多台设备时，由于固定基座限制了手爪只能在某一固定区域操作，因此只能通过布置多台操作臂来满足作业需求，不但增加了成本，还造成了资源的浪费。此外，随着人类对于空间、深海、有毒、核辐射等危险与极限环境内作业需求的不断提升，由于工作环境的非结构化和不确定性，对机器人操作灵活性要求更高，需要其具备行走能力。而这些都是当前传统的机械臂所不能满足的，作业范围的局限性使其不能满足多任务以及复杂作业的需求。

发明内容

本发明为了解决现有的操作机器人存在操作灵活性较差、不具备全方位行走的能力，致使其工作空间和作业范围受到局限难以适应复杂工作环境的问题，进而提供了一种超冗余全方位移动操作臂。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明所述超冗余全方位移动操作臂由操作臂主体和全方位移动小车组成，操作臂主体安装在全方位移动小车的上端面上，所述全方位移动小车由至少三个车轮模块和外壳体组成，每个车轮模块均由车轮体、机架、车轮转向装置和车轮滚动装置构成，车轮转向装置由转向支架、第一转向直齿轮、第二转向直齿轮和转向电机组成，所述车轮滚动装置由第一同步带轮、同步带、第二同步带轮、转轴、第一锥齿轮、第二锥齿轮、第一滚动直齿轮、第二滚动直齿轮和滚动电机组成；转向支架的一端安装在车轮体几何中心处的轴的两端上，转向支架另一端穿过机架并与第一转向直齿轮连接，第一转向直齿轮与第二转向直齿轮相啮合，第二转向直齿轮与转向电机的输出轴连接；第一同步带轮安装在车轮体几何中心处的轴的一端上，第一同步带轮通过同步带与第二同步带轮连接，转轴安装在转向支架上，第二同步带轮通过转轴与第一锥齿轮连接，第一锥齿轮和第二锥齿轮相啮合，第二锥齿轮设置在第一滚动直齿轮的下方且二者制成一体，第二锥齿轮和第一滚动直齿轮均安装在转向支架上，第一滚动直齿轮与第二滚动直齿轮相啮合，第二滚动直齿轮与滚动电机的输出轴连接；至少三个机架、车轮转向装置和车轮滚动装置均布安装在外壳体内，至少三个车轮体位于外壳体的下方。

本发明的有益效果是：本发明具有较高可操作度、任务的适应性强、工作空间大和灵活性好的优点，实现了操作臂的全方位移动功能。本发明与目前的具有固定基座的操作臂相比，具有全局工作能力，在满足时间不冲突的前提下一个生产现场只需一台操作臂，降低了成本、节省了资源；同时，高度的运动冗余性还可以大大提高其操作的灵活性。移动功能的赋予使操作臂的应用领域更加广泛，从而可以代替人类在危险或极限环境下完成一些复杂作业。另外，本发明中的全方位移动小车的三个同心主动轮结构(车轮体上的轴位于车轮的几何中心处)可以实现车体的零半径回转；每个车轮模块采用差动补偿轮系的结构，既避免了转向时绕线的问题，又便于电机拆装，提高了互换性。每个车轮模块具有滚动和转向两个自由度，可以使车体实现零半径回转。本发明的具体优点表现在以下几个方面：1、具有全方位移动能力，不仅把工作空间扩大到几乎无限，而且由于可以零半径回转，从而可以在较狭窄或拥挤的工作场所中自如的操作；2、具有高度的运动冗余性，操作灵活性高，躲避障碍、回避奇异性能好，负载能力较强；3、本发明同时具有移动和操作功能，而且工作范围大、操作灵活性好。

附图说明

图1是本发明的主体图，图2是本发明的操作臂主体的立体图，图3是全方位移动小车的一个车轮模块结构原理示意图，图4是操作臂主体上的一个关节模块的传动原理示意图(六个关节模块的驱动原理示意图相似)。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～3所示，本实施方式所述的超冗余全方位移动操作臂由操作臂主体2和全方位移动小车1组成，操作臂主体2安装在全方位移动小车1的上端面上，所述全方位移动小车1由至少三个车轮模块1-1和外壳体1-2组成，每个车轮模块1-1均由车轮体1-1-1、机架1-1-6、车轮转向装置和车轮滚动装置构成，车轮转向装置由转向支架1-1-2、第一转向直齿轮1-1-3、第二转向直齿轮1-1-4和转向电机1-1-5组成，所述车轮滚动装置由第一同步带轮1-1-7、同步带1-1-8、第二同步带轮1-1-9、转轴1-1-10、第一锥齿轮1-1-11、第二锥齿轮1-1-12、第一滚动直齿轮1-1-13、第二滚动直齿轮1-1-14和滚动电机1-1-15组成；转向支架1-1-2的一端安装在车轮体1-1-1几何中心处的轴的两端上，转向支架1-1-2另一端穿过机架1-1-6并与第一转向直齿轮1-1-3连接，第一转向直齿轮1-1-3与第二转向直齿轮1-1-4相啮合，第二转向直齿轮1-1-4与转向电机1-1-5的输出轴连接；第一同步带轮1-1-7安装在车轮体1-1-1几何中心处的轴的一端上，第一同步带轮1-1-7通过同步带1-1-8与第二同步带轮1-1-9连接，转轴1-1-10安装在转向支架1-1-2上，第二同步带轮1-1-9通过转轴1-1-10与第一锥齿轮1-1-11连接，第一锥齿轮1-1-11和第二锥齿轮1-1-12相啮合，第二锥齿轮1-1-12设置在第一滚动直齿轮1-1-13的下方且二者制成一体，第二锥齿轮1-1-12和第一滚动直齿轮1-1-13均安装在转向支架1-1-2上，第一滚动直齿轮1-1-13与第二滚动直齿轮1-1-14相啮合，第二滚动直齿轮1-1-14与滚动电机1-1-15的输出轴连接；至少三个机架1-1-6、车轮转向装置和车轮滚动装置均布安装在外壳体1-2内，至少三个车轮体1-1-1位于外壳体1-2的下方。本实施方式所述的超冗余全方位移动操作臂可实现有9个自由度(七个自由度为冗余，七个以上的自由度称为超冗余)，本实施方式所述操作臂主体2为现有技术，比如可选用美国unimation公司推出的PUMA机器人。

本实施方式所述的全方位移动小车采用三个同心方向轮的模块结构，每个车轮模块具有滚动和转向两个自由度，可以使车体实现零半径回转。如图3所示，各模块采用差动补偿轮系的结构，通过齿轮机构进行传动。滚动电机1-1-15通过一级滚动直齿轮副(第一滚动直齿轮1-1-13和第二滚动直齿轮1-1-14)、一级滚动锥齿轮副(第一锥齿轮1-1-11和第二锥齿轮1-1-12)和一级同步带结构(第一同步带轮1-1-7、同步带1-1-8和第二同步带轮1-1-9)传递扭矩，实现车轮滚动；转向电机1-1-5通过一级转向直齿轮副(第一转向直齿轮1-1-3和第二转向直齿轮1-1-4)进行减速增扭传动，带动转向支架1-1-2转动，从而实现车轮转向。这种结构可把转向电机和滚动电机都置于外壳体1-2内的底板之上，具有以下两个优点：1.布线方便，转向时不会出现绕线问题；2.拆装电机方便，互换性好。

具体实施方式二：如图1～4所示，本实施方式所述操作臂主体2包括腰关节模块2-1、肩关节模块2-2、肘关节模块2-3、腕关节一模块2-4、腕关节二模块2-5和腕关节三模块2-6六个关节模块，所述腰关节模块2-1、肩关节模块2-2、肘关节模块2-3、腕关节一模块2-4、腕关节二模块2-5和腕关节三模块2-6依次连接。本实施方式所述的操作臂主体2为六自由度的操作臂，将六自由度的操作臂安装于三自由度的全方位移动小车1之上，实现了具有九自由度的超冗余全方位移动操作臂，使操作臂同时具有移动平台的移动性和操作臂的操作性，拥有几乎无限大的工作空间和高度的运动冗余性，从而大大地提高了机器人的操作灵活性、作业范围以及复杂作业的适应能力。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

如图2和图4所示，腰关节模块2-1(第一关节模块)为回转关节；肩关节模块2-2(第二关节模块)为俯仰关节；肘关节模块2-3(第三关节模块)为俯仰关节；腕关节一模块2-4(第四关节模块)、腕关节二模块2-5(第五关节模块)和腕关节三模块2-6(第六关节模块)三个关节共同组成腕关节，分别为回转、俯仰、回转关节，且三个关节的轴线交于一点(腕点)。以上所述六个关节模块的传动原理相似，由直流伺服电机2-8(直流伺服电机2-8上设有编码器2-12)输出，经同步传动带2-9传动给谐波减速器2-10，由谐波减速器2-10输出带动相应的关节俯仰或回转。在同步传动带2-9和谐波减速器2-10之间有制动器2-11，可实现制动功能。

具体实施方式三：如图1～3所示，本实施方式所述操作臂主体2还包括夹爪2-7，所述夹爪2-7与腕关节三模块2-6的末端连接。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

Claims (3)

1.一种超冗余全方位移动操作臂，所述移动操作臂由操作臂主体(2)和全方位移动小车(1)组成，操作臂主体(2)安装在全方位移动小车(1)的上端面上，其特征在于：所述全方位移动小车(1)由至少三个车轮模块(1-1)和外壳体(1-2)组成，每个车轮模块(1-1)均由车轮体(1-1-1)、机架(1-1-6)、车轮转向装置和车轮滚动装置构成，车轮转向装置由转向支架(1-1-2)、第一转向直齿轮(1-1-3)、第二转向直齿轮(1-1-4)和转向电机(1-1-5)组成，所述车轮滚动装置由第一同步带轮(1-1-7)、同步带(1-1-8)、第二同步带轮(1-1-9)、转轴(1-1-10)、第一锥齿轮(1-1-11)、第二锥齿轮(1-1-12)、第一滚动直齿轮(1-1-13)、第二滚动直齿轮(1-1-14)和滚动电机(1-1-15)组成；转向支架(1-1-2)的一端安装在车轮体(1-1-1)几何中心处的轴的两端上，转向支架(1-1-2)另一端穿过机架(1-1-6)并与第一转向直齿轮(1-1-3)连接，第一转向直齿轮(1-1-3)与第二转向直齿轮(1-1-4)相啮合，第二转向直齿轮(1-1-4)与转向电机(1-1-5)的输出轴连接；第一同步带轮(1-1-7)安装在车轮体(1-1-1)几何中心处的轴的一端上，第一同步带轮(1-1-7)通过同步带(1-1-8)与第二同步带轮(1-1-9)连接，转轴(1-1-10)安装在转向支架(1-1-2)上，第二同步带轮(1-1-9)通过转轴(1-1-10)与第一锥齿轮(1-1-11)连接，第一锥齿轮(1-1-11)和第二锥齿轮(1-1-12)相啮合，第二锥齿轮(1-1-12)设置在第一滚动直齿轮(1-1-13)的下方且二者制成一体，第二锥齿轮(1-1-12)和第一滚动直齿轮(1-1-13)均安装在转向支架(1-1-2)上，第一滚动直齿轮(1-1-13)与第二滚动直齿轮(1-1-14)相啮合，第二滚动直齿轮(1-1-14)与滚动电机(1-1-15)的输出轴连接；至少三个机架(1-1-6)、车轮转向装置和车轮滚动装置均布安装在外壳体(1-2)内，至少三个车轮体(1-1-1)位于外壳体(1-2)的下方。

2.根据权利要求1所述的超冗余全方位移动操作臂，其特征在于：所述操作臂主体(2)包括腰关节模块(2-1)、肩关节模块(2-2)、肘关节模块(2-3)、腕关节一模块(2-4)、腕关节二模块(2-5)和腕关节三模块(2-6)六个关节模块，所述腰关节模块(2-1)、肩关节模块(2-2)、肘关节模块(2-3)、腕关节一模块(2-4)、腕关节二模块(2-5)和腕关节三模块(2-6)依次连接。

3.根据权利要求2所述的超冗余全方位移动操作臂，其特征在于：所述操作臂主体(2)还包括夹爪(2-7)，所述夹爪(2-7)与腕关节三模块(2-6)的末端连接。

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