CN101549497A - 轻型机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轻型机械臂，包括肩部、小臂驱动轴、大臂驱动轴、小臂空心轴、大臂空心轴、中心轴、大臂、小臂、平行四边形连杆机构，通过钢丝绳以6∶1的圈数比在大臂驱动轴和大臂空心轴、小臂驱动轴和小臂空心轴之间绕行，并保持张紧状态。不使用传统减速器，而采用钢丝绳减速传动的形式，具有零间隙的特征，保证了准确的减速比，提高了大小臂的运动精度，同时使机械臂的总体结构更加简单，质量减轻，成本降低；内置平行四边形连杆机构使空间结构更加简洁。

Description

轻型机械臂

技术领域

本发明涉及的是一种机械技术领域的装置，具体是一种轻型机械臂。

背景技术

机械臂关节普遍采用电机、齿轮减速器、关节轴三者直接串联的传动机构，这种传动机构要求电机与齿轮减速器安装在机械臂关节附近，机构简单但是结构不紧凑，外观不整洁。尤其突出的缺点是，在多关节机械臂中，下一级关节的电机与齿轮减速器等传动装置成为上一级关节的负载，提高了对机械臂动力和传动元件的要求，由此造成整体重量和内部消耗的增加，降低了机械臂对外做功能力和效率。

经对现有技术的文献检索发现，杨汝清等人的中国发明专利ZL02112485.X《多功能双臂教育机器人》提出了一种多关节机器臂结构。其中双臂机器人的左臂和右臂的大臂均用螺钉固定在机器人的肩部。大臂电机减速器组、小臂电机减速器组均安装在肩上，小臂电机减速器组的输出轴通过键与平行四边形的摆杆连接，带动小臂运动。该机构的不足之处在于：大臂和小臂均采用电机减速器串联传动的形式，机械臂的精度受减速器的精度制约；由于减速器的存在，导致机械臂总质量增加，在使用高端减速器以保证机械臂的精度的情况下，导致整体成本偏高；另一方面，带动小臂从动轴运动的平行四边形摆杆位于大臂的外侧，加工成本高，结构不整洁。

发明内容

本发明的目的在与针对现有技术的不足，提供一种轻型机械臂，具有结构简单重量轻，不使用高端减速器而是直接通过钢丝绳传动获得减速，传动链短精度高刚度大，钢丝绳张紧装置简单等特征，且成本低、动态性能好。

本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括：肩部、小臂驱动轴、大臂驱动轴、小臂空心轴、大臂空心轴、中心轴、大臂、小臂、平行四边形连杆机构、小臂从动轴，大臂驱动轴和小臂驱动轴设置在肩部的U形槽中，两轴的轴线平行，中心轴设置在肩部和大臂根部的U形槽中，大臂空心轴套在中心轴的上部，小臂空心轴套在中心轴的下部，大臂空心轴与大臂固连，小臂从动轴设置在大臂末端的U形槽中，同时位于小臂的中空部分，小臂空心轴和小臂从动轴借助平行四边形连杆机构连接，大臂钢丝绳穿过大臂空心轴一侧的通孔，逆时针绕大臂空心轴半圈，顺时针绕大臂驱动轴六圈，再逆时针绕大臂空心轴半圈，穿过大臂空心轴另一侧的螺纹孔，穿过钢丝绳张紧螺栓的中心通孔固定，小臂钢丝绳穿过小臂空心轴一侧的通孔，逆时针绕小臂空心轴半圈，再顺时针绕小臂驱动轴六圈，逆时针绕小臂空心轴半圈，穿过小臂空心轴另一侧的螺纹孔，再穿过钢丝绳张紧螺栓的中心通孔固定。

所述的大臂驱动轴和大臂空心轴，小臂驱动轴和小臂空心轴螺旋旋向相反，导程相同，轴径比均为1∶6，能实现6∶1的减速比传动。

所述的大臂驱动轴和小臂驱动轴到中心轴轴线的距离相等，大小臂驱动轴和大小臂空心轴之间的距离为90.5-92.5mm。

所述的平行四边形连杆机构由第一连杆销，小臂支架，连杆，第二连杆销组成，小臂支架固定在小臂上，第一连杆销固定在小臂支架上，第二连杆销固定在小臂空心轴上，连杆连接在第一连杆销和第二连杆销之间。第一连杆销的轴线、第二连杆销的轴线、小臂从动轴的轴线、小臂空心轴的轴线均平行，第一连杆销的轴线到小臂从动轴的轴线的距离和第二连杆销的轴线到小臂空心轴的轴线距离相等。第一连杆销的轴线到第二连杆销的轴线的距离和小臂从动轴的轴线到小臂空心轴的轴线的距离相等。连接小臂空心轴和小臂的平行四边形连杆机构主体位于大臂的空心内部，从而结构更加简洁美观。

大臂驱动轴正反转动时，通过钢丝绳的正反牵引带动大臂空心轴以及大臂正反转动。小臂驱动轴正反转动时，通过钢丝绳的正反牵引带动小臂空心轴正反转动，并通过小臂空心轴和小臂之间的平行四边形连杆机构带动小臂正反转动。在需要调整钢丝绳张紧力以增加传动刚度时，只需旋转钢丝绳张紧螺栓，使其朝螺纹孔的外侧方向运动。

钢丝绳的张紧是通过在大小臂空心轴钢丝绳穿出一侧的通孔末端加工螺纹孔，在与螺纹孔配合的张紧螺栓中钻通孔，钢丝绳从螺栓通孔中穿出后固定，旋出螺栓即实现钢丝绳的张紧。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：不使用传统减速器，而采用钢丝绳减速传动的形式，具有零间隙的特征，保证了准确的减速比，提高了大小臂的运动精度，同时使机械臂的总体结构更加简单，质量减轻，成本降低；内置平行四边形连杆机构使空间结构更加简洁。

附图说明

图1为本发明轻型机械臂的结构示意图。

图2为本发明轻型机械臂的俯视图。

图3为平行四边形连杆机构原理示意图。

图4为钢丝绳缠绕方式及钢丝绳张紧螺栓工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、2、4所示，本实施例包括；肩部1、小臂驱动轴14、大臂驱动轴2、小臂空心轴7、大臂空心轴4、中心轴5、大臂8、小臂13、平行四边形连杆机构9、小臂从动轴11，大臂驱动轴2和小臂驱动轴14设置在肩部1的U形槽中，兩轴的轴线平行，中心轴5设置在肩部1和大臂8根部的U形槽中，大臂空心轴4套在中心轴5的上部，小臂空心轴7套在中心轴5的下部，大臂空心轴7与大臂8固连，小臂从动轴11设置在大臂8末端的U形槽中，同时位于小臂13的中空部分，小臂空心轴7和小臂从动轴11借助平行四边形连杆机构9连接，大臂钢丝绳3穿过大臂空心轴7一侧的通孔，逆时针绕大臂空心轴4半圈，顺时针绕大臂驱动轴14六圈，再逆时针绕大臂空心轴4半圈，穿过大臂空心轴4另一侧的螺纹孔，穿过钢丝绳张紧螺栓15的中心通孔固定，小臂钢丝绳6穿过小臂空心轴7一侧的通孔，逆时针绕小臂空心轴7半圈，再顺时针绕小臂驱动轴14六圈，逆时针绕小臂空心轴7半圈，穿过小臂空心轴7另一侧的螺纹孔，再穿过钢丝绳张紧螺栓的中心通孔固定。由于大臂驱动轴2和大臂空心轴4，小臂驱动轴14和小臂空心轴7之间的钢丝绳缠绕是相互独立的，故当小臂驱动轴14带动小臂13运动时，大臂8的运动不受干扰。

所述的大臂驱动轴2和大臂空心轴4，小臂驱动轴14和小臂空心轴7螺旋旋向相反，导程相同，轴径比均为1∶6，能实现6∶1的减速比传动。

所述的大臂驱动轴2和小臂驱动轴14到中心轴轴线的距离相等，大小臂驱动轴和大小臂空心轴之间的距离为90.5-92.5mm。

如图3所示，所述的平行四边形连杆机构9由第一连杆销16，小臂支架17，连杆18，第二连杆销19组成，小臂支架17固定在小臂13上，第一连杆销16固定在小臂支架17上，第二连杆销19固定在小臂空心轴7上，连杆18连接在第一连杆销16和第二连杆销19之间。第一连杆销16的轴线、第二连杆销19的轴线、小臂从动轴11的轴线、小臂空心轴7的轴线均平行，第一连杆销16的轴线到小臂从动轴11的轴线的距离和第二连杆销19的轴线到小臂空心轴7的轴线距离相等。第一连杆销16的轴线到第二连杆销19的轴线的距离和小臂从动轴11的轴线到小臂空心轴7的轴线的距离相等。当小臂驱动轴14带动小臂空心轴7运动时，小臂空心轴7通过第二连杆销19带动连杆18运动，连杆18通过第一连杆销16使小臂支架17运动，从而带动小臂13运动。连接小臂空心轴7和小臂13的平行四边形连杆机构9主体位于大臂8的空心内部，从而使结构更加简洁美观。

机器人肩部1及大臂8两端均为U形结构以方便连接，大臂8中部的横截面和小臂13的横截面都为中空筒状。大臂驱动轴2和小臂驱动轴14都安装在肩部1，都可相对于肩部1自由转动，中心轴5固定安装在肩部1。大臂驱动轴2和小臂驱动轴14和中心轴5三者并排并且轴线平行，中心轴5到大臂驱动轴2的距离和中心轴5到小臂驱动轴7的距离相等。大臂空心轴4和大臂8一端固定之后安装在中心轴5上，与大臂8一起可以相对于中心轴5自由转动。小臂空心轴7安装在中心轴5上，可以相对于中心轴5自由转动。大臂空心轴4和小臂空心轴7都位于肩部1和大臂8一端的U形槽中。大臂驱动轴2和大臂空心轴4之间缠绕钢丝绳3，小臂驱动轴14和小臂空心轴4之间缠绕钢丝绳6。小臂从动轴11固定在大臂8的另一端U形槽内部，小臂13安装在小臂从动轴11上，可相对于小臂从动轴11自由转动。小臂空心轴7和小臂13之间通过平行四边形连杆机构9连接。

大臂驱动轴2正反转动时，通过钢丝绳3的正反牵引带动大臂空心轴4以及大臂8正反转动。小臂驱动轴14正反转动时，通过钢丝绳6的正反牵引带动小臂空心轴14正反转动，并通过小臂空心轴14和小臂13之间的平行四边形连杆机构9带动小臂13正反转动。在需要调整钢丝绳张紧力以增加传动刚度时，只需旋转钢丝绳张紧螺栓，使其朝螺纹孔的外侧方向运动。

钢丝绳的张紧是通过在大小臂空心轴钢丝绳穿出一侧的通孔末端加工螺纹孔，在与螺纹孔配合的张紧15螺栓中钻通孔，钢丝绳从15螺栓通孔中穿出后固定，旋出15螺栓即实现钢丝绳的张紧。

该轻型机械臂结构能够通过大小臂的旋转运动实现对大小臂位置的准确控制和精确定位。其整个的运动过程可概述如下：为控制大臂8的运动位置，可通过跟大臂驱动轴2同轴安装的电机驱动大臂驱动轴2旋转，大臂驱动轴2通过大臂钢丝绳3带动大臂空心轴4旋转，而大臂空心轴4与大臂8固连，故当大臂空心轴4旋转时，大臂8随之转动，小臂13安装在大臂8上，故此时小臂13也跟着旋转。当大臂8旋转到所需的角度时，使电机停止转动，此时大臂8以及与大臂8末端相连的小臂13均停止运动，大臂8运动到所需的位置，而小臂13也旋转到一定的角度。为了使小臂13也运动到所需的位置，需对小臂13的位置进行进一步的调整。此时可以通过与小臂驱动轴14同轴安装的电机驱动小臂驱动轴11转动，小臂驱动轴11通过小臂钢丝绳6带动小臂空心轴7转动，小臂空心轴7又通过平行四边形连杆机构9驱动小臂从动轴11转动，当小臂13运动到所需位置时，电机制停，小臂13停止运动，从而实现对小臂13位置的进一步控制和调整。在此过程中，大臂8不运动，仍停留在所需的位置。其中小臂空心轴7到小臂从动轴11之间的运动传递是通过安装在小臂空心轴7内连接小臂空心轴7和小臂驱动轴14的平行四边形连杆机构9实现的。

由于电机转速很高，故通过电机驱动大小臂运动时，由大小臂驱动轴和大小臂空心轴以及大臂钢丝绳3、小臂钢丝绳6组成的减速系统实现6∶1的减速比。

大小臂的运动精度以及准确减速比的实现通过大臂钢丝绳3、小臂钢丝绳6的张紧装置实现，通过对大臂钢丝绳3和小臂钢丝绳6的张紧，保证了准确的减速比，从而保证了大小臂运动位置的准确控制。

Claims (5)

1、一种轻型机械臂，包括：肩部、大臂、大臂驱动轴、大臂空心轴、小臂、小臂驱动轴、小臂空心轴、小臂从动轴、中心轴、平行四边形连杆机构，大臂驱动轴和小臂驱动轴设置在肩部的U形槽中，兩轴的轴线平行，中心轴设置在肩部和大臂根部的U形槽中，大臂空心轴套在中心轴的上部，小臂空心轴套在中心轴的下部，大臂空心轴与大臂固连，小臂从动轴设置在大臂末端的U形槽中，同时位于小臂的中空部分，小臂空心轴和小臂从动轴借助平行四边形连杆机构连接，其特征在于：大臂钢丝绳穿过大臂空心轴一侧的通孔，逆时针绕大臂空心轴半圈，顺时针绕大臂驱动轴六圈，再逆时针绕大臂空心轴半圈，穿过大臂空心轴另一侧的螺纹孔，穿过钢丝绳张紧螺栓的中心通孔固定，小臂钢丝绳穿过小臂空心轴一侧的通孔，逆时针绕小臂空心轴半圈，再顺时针绕小臂驱动轴六圈，逆时针绕小臂空心轴半圈，穿过小臂空心轴另一侧的螺纹孔，再穿过钢丝绳张紧螺栓的中心通孔固定。

2、根据权利要求1所述的轻型机械臂，其特征是，所述的大臂驱动轴和大臂空心轴，小臂驱动轴和小臂空心轴螺旋旋向相反，导程相同，轴径比均为1∶6。

3、根据权利要求1所述的轻型机械臂，其特征是，所述的大臂驱动轴和小臂驱动轴到中心轴轴线的距离相等，大臂驱动轴、小臂驱动轴间的距离及大臂空心轴、小臂空心轴间的距离为90.5-92.5mm。

4、根据权利要求1所述的轻型机械臂，其特征是，所述的平行四边形连杆机构包括第一连杆销、小臂支架、连杆、第二连杆销，小臂支架固定在小臂上，第一连杆销固定在小臂支架上，第二连杆销固定在小臂空心轴上，连杆连接在第一连杆销和第二连杆销之间，平行四边形连杆机构位于大臂的空心内部。

5、根据权利要求4所述的轻型机械臂，其特征是，所述第一连杆销的轴线、第二连杆销的轴线、小臂从动轴的轴线、小臂空心轴的轴线均平行，第一连杆销的轴线到小臂从动轴的轴线的距离和第二连杆销的轴线到小臂空心轴的轴线距离相等，第一连杆销的轴线到第二连杆销的轴线的距离和小臂从动轴的轴线到小臂空心轴的轴线的距离相等。

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