CN101698301B - 平面多自由度机器人 - Google Patents

Abstract

一种平面多自由度机器人，包括机械臂、电机、编码器和机座，机器人的四个机械臂之间及机械臂与机架之间均以转动副形式连接，机器人的数个关节结构相似；关节采用电机和/或制动器；机械臂编码器轴联接，遮光板与第一机械臂固定联接，轴承内盖与第一机械臂固定联接；轴承外盖与第二机械臂固定联接；第二关节的电机与第二中心轴固定联接；电机底座与轴承外盖固定联接，并与电机固定联接；第二关节安装制动器和/或安装电机；电机底座与轴承外盖固定联接，并与电机固定联接。本机器人人机交互界面可以进行机械臂运动的相关参数进行设置，同时可以监测各个关节的运动状态，本发明可以进行欠驱动机器人以及全驱动机器人的相关领域研究。

Description

平面多自由度机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别涉及一种平面多自由度机器人。

背景技术

随着现代科学技术的发展，对机械产品设计有了严重的挑战，高速度、高精度、高灵活度、轻质量及低能耗等成为现代机械设备的发展趋势，平面多自由度机器人具有结构紧凑、定位精确、效率高及灵活度高等优点，具有重要的研究意义，其系统一般采用直流伺服电机和高精密谐波减速器，电机处的编码器有增量式和绝对式两种，在上位机控制方面，通常为以PC机为基础的运动控制系统，对于现场环境恶劣、干扰大的场合采用PLC控制系统。欠驱动机器人是指机器人的某个或某些关节不具有驱动装置，驱动的减少，使机器人的重量减轻了，成本也降低了，同时也减少了能源的消耗，当机器人的某个关节驱动无法工作而又无法更换的情况下，如太空、深海及核工业环境，可以运用欠驱动控制理论实现预期的任务，具有重要的现实意义，在仿人仿生物的领域应用欠驱动控制理论可以使其动作更优美，同时平面欠驱动系统是一类特殊的非完整系统，属于二阶非完整系统，通过对其特殊性进行研究可能得到较好的结果，使对非线性系统有更深入与全面的理解，具有理论意义。

目前平面机器人的研究主要为二自由度节机器人，三自由度及更高自由度研究很少涉及，同时欠驱动机器人的研究一般也集中在两关节机器人，多自由度的研究很少，特别是实验研究。

发明内容

针对上述现有的研究现状，本发明的目的是提供一种平面多自由度机器人，并且同一机器人通过将关节的电机替换成制动器，可以进行欠驱动机器人的研究。

本发明是采用以下技术手段实现的：

一种平面多自由度机器人，包括机械臂、电机、编码器和机座，机器人的四个机械臂之间及机械臂与机架之间均以转动副形式连接，机器人的数个关节结构相似；所述的关节采用电机和/或制动器；

所述的关节的上部设有编码器和光电控制装置，编码器底座与限位开关联接；在所述的机械臂并与编码器轴25联接，遮光板2与第一机械臂1固定联接，轴承内盖18与第一机械臂1固定联接，同时与中心轴21固定联接，编码器轴25与轴承内盖18固定联接；第一轴承外盖20与第二机械臂6固定联接，并与第一制动器底座30固定联接；橡胶挡垫28与第二机械臂6固定联接，第一制动器底座30与第一制动器32固定联接，制动器轴31与第一中心轴21固定联接；第二关节7中的第二电机轴37与第二中心轴33固定联接；第三关节10结构与第二关节7相同；第四关节12中轴承外盖43与第一法兰盘42固定联接，第一法兰盘42与第二法兰盘13固定联接，第一法拉盘13与机架15固定联接；

所述的第一关节安装第一制动器32和/或安装第一电机24，电机底座22与第一轴承外盖20固定联接，并与第一电机24固定联接；第二关节7安装第二制动器41和/或安装第二电机38；第二电机底座36与第二轴承外盖36固定联接，并与第二电机38固定联接。

前述的关节的驱动装置采用直流无刷伺服电机。

前述的制动器为失电制动的电磁制动器。

前述的光电控制装置包括发光二极管4，并与运动控制卡进行连接。

前述的第二机械臂6与限制第一机械臂极限位置的橡胶挡垫28固定联接。

本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

本发明机器人，可以进行离线编程并编制出人机交互界面，人机交互基面可以进行机械臂运动的相关参数进行设置，同时可以监测各个关节的运动状态，通过实验PC机将程序指令传递给运动控制卡，运动控制卡通过控制伺服驱动器可以分别控制各个直流伺服电机的运动，编码器实时反馈关节的位置信息，三维测试仪通过发光二极管实时反馈机械臂的位置信息，当达到期望的运动时，电机运动停止。通过发光二极管4，Optotrak三维测试仪可以检测机械臂的位置信息，并且可以反馈给运动控制卡。补偿关节柔性与机械臂柔性所带来的运动误差。本发明能够实现多自由度的全驱动机器人的相关领域研究，同时也可以进行欠驱动机器人的相关领域研究。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是第一关节安装电机结构示意图；

图3是第一关节制动器时结构示意图

图4是第二关节安装电机时结构示意图；

图5是第二关节安装制动器时结构示意图；

图6是第四关节安装电机时结构示意图；——改为：第四关节结构示意图

图7是；编码器轴与轴承内盖的联接示意图；

图8是制动器的结构示意图；

图9是运动控制系统的联接图；

图10是4R欠驱动机器人结构示意图；

图11是3R欠驱动机器人运动时结构示意图；

图12是2R机器人运动时结构示意图；

图13是4R机器人运动时俯视图；

图14是欠驱动状态控制流程图；

图15是全驱动状态控制流程图；

图16是轴承内盖结构示意图。

图中：1为第一机械臂，2为遮光板，3为编码器，4为发光二极管，5为第一关节，6为第二机械臂，7为第二关节，8为第一集线架，9为第三机械臂，10为第三关节，11为第四机械臂，12为第四关节，13为第二法兰盘，14为第二集线架，15为机架，16为数据总线，17为I/O接口总线，18为轴承内盖，19为轴承，20为第一轴承外盖，21为第一中心轴，22为电机底座，23为电机轴，24为第一电机，25为编码器轴，26为编码器底座，27为限位开关，28为橡胶挡垫，29为第二紧固螺钉，30为第一制动器底座，31为制动器轴，32为第一制动器，33为第二中心轴，34为第二轴承外盖，35为平键，36为第二电机底座，37为第二电机轴，38为第二电机，39为第二制动器底座，40为第二制动器轴，41为第二制动器，42为第一法兰盘，43为第三轴承外盖，44为第一紧固螺钉；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例予以说明。

请参阅图1所示，机器人机械部分主要包括第一臂1、第二臂6、第三机械臂9、第四机械臂11、编码器、电机和机座，各个机械臂之间以及第四机械臂11与机座15之间均以转动副形式联接，关节的驱动装置采用直流无刷伺服电机，该电机具有良好的转矩特性、高功率及比较宽的调速范围。制动器为失电制动的电磁制动器，机器人的运动控制器采用固高科技有限公司研制的GT-400-SV系列伺服运动控制器，图9为采用GT系列控制器构成运动控制系统的典型联接图。实验台PC机与运动控制卡相连接，运动控制卡与连接板连接，连接板与电机驱动器相连，电机驱动器与电机相连接，编码器与电机相连接，并能将电机的位置信息实时反馈给运动控制卡。四个关节的机构相似，下面以第一关节5为例进行说明：增量式编码器3与编码器底座26固定联接，并与发光二极管4固定联接，请参阅图2所示，编码器底座26与限位开关27固定联接，并与编码器轴25之间以松配合联接，遮光板2与第一机械臂1固定联接，轴承内盖18与第一机械臂1固定联接，同时与第一中心轴21固定联接，通过轴承内盖孔处的第一紧固螺钉44将编码器轴25与轴承内盖18固定联接，轴承19与中心轴21属于紧配合，轴承外盖20与第二机械臂6固定联接，并与第一制动器底座30固定联接，第一制动器底座30与第一制动器32固定联接，通过第二紧固螺钉29将制动器轴31与第一中心轴21固定联接。第二关节7中第二电机轴37与第二中心轴33通过平键35固定联接，其他结构与第一关节5相同；第三关节10结构与第二关节7相同；请参阅图6所示，第四关节12中第三轴承外盖43与第一法兰盘42固定联接，第一法兰盘42与第二法兰盘13固定联接，其他部分结构与第二关节7相同。

第一关节5与第二关节7有两种安装形式，第一安装电机，第二安装制动器，相应的结构有三种形式；

1)、请参阅图3所示，第一关节5中安装第一制动器32，其他关节安装相应的电机，此时在机器人的末端关节有一个欠驱动关节。此时可以进行2关节(2R)欠驱动机器人、3关节(3R)欠驱动机器人及4关节(4R)欠驱动机器人的实验研究，包括关节空间的位置研究、操作空间的位置研究和轨迹跟踪研究等，其中3R欠驱动机器人和4R欠驱动机器人属于具有冗余度的欠驱动机器人；

2)、请参阅图5所示，第二关节7安装第二制动器42，其他关节安装电机，此时在机器人的中间关节有一个欠驱动关节。研究的内容与第一种情况相似，但是由于欠驱动关节的位置不同，所以从模型的建立到相应的控制研究都不尽相同；

3)请参阅图3和图5所示，第一关节5与第二关节7分别安装第一制动器32与第二制动器41，此时为两欠驱动关节，可以进行3R欠驱动机器人(只有一个驱动关节)的研究，也可以进行4R欠驱动机器人(两关节欠驱动)的研究。

图11是3R欠驱动运动时结构示意图，其中第一关节与第二关节均安装制动器，第三关节安装电机，其控制流程如图14所示，首先通过离线编程并编制出人机交互界面，通过人机交互界面进行参数设置并可以对关节的运动状态进行实时监测，通过实验台的PC机将运动控制指令传递给运动控制卡(GT-SV-400)，然后运动控制卡控制伺服驱动器，进而伺服驱动器驱动第三关节电机运动，通过主动关节与被动关节的动力学耦合作用，进而使得被动关节运动，在关节运动过程中，编码器将关节的位置信息实时反馈给实验PC机，同时三维测试仪通过发光二极管将机械臂的位置信息反馈给实验PC机，实现主动关节(安装电机)与被动关节(安装制动器)达到期望的位置。对于含有一个欠驱动关节的2R、3R、4R欠驱动机器人，以及含有两个欠驱动关节的4R欠驱动机器人，其控制过程相似。

当机器人为全驱动状态时，在操作空间中，当只要求末端点位时，4R机器人最多具有两个冗余度，当要求末端位资时机器人最多有一个冗余度，此时可以进行关节的轨迹规划、末端的轨迹规划等研究，将4R机器人中的某一个或者两个关节锁死，即相对位置不变，可以进行3R机器人或者2R机器人的实验研究。

图12为2R机器人运动时的机构示意图；

图13为4R机器人运动时的俯视图；全驱动状态下控制过程相似，控制流程图如图15所示，首先进行离线编程并编制出人机交互界面，人机交互界面可以进行机械臂运动的相关参数进行设置，同时可以监测各个关节的运动状态，通过实验PC机将程序指令传递给运动控制卡(GT-SV-400)，运动控制卡通过控制伺服驱动器可以分别控制各个直流伺服电机的运动，编码器实时反馈关节的位置信息，三维测试仪通过发光二极管实时反馈机械臂的位置信息，当达到期望的运动时，电机运动停止。

通过发光二极管4，Optotrak三维测试仪可以检测机械臂的位置信息，并且可以反馈给运动控制卡。补偿关节柔性与机械臂柔性所带来的运动误差。

接通电源，全驱动状态，即所有关节都有电机的情况下，控制流程如图15所示，由于采用的是增量式编码器，首先进行关节回零，定义关节零位为正、负限位中间位置，第一关节的电机轴23运动，第一中心轴21、轴承内盖18、第一机械臂编码器轴随之一起运动，当第一机械臂上的遮光板2运动到到第二机械臂6上的限位开关27，电机正向停止运动，然后反转，当第一机械臂1上的遮光板运动到第二机械臂上的限位开关，电机停止运动然后正向运动到正限位开关与负限位开关中间，其他关节的回零过程与第一关节相同，通过离线编程所得的界面输入设定参数，同时通过人机对话界面对机械臂的运动状态实时监测，运动控制卡可以对4个电机分别控制，四个电机可以同时运动也可以分别运动，通过编码器反馈关节位置信息，Optotrak三维测试仪实时反馈机器人操作空间的位置信息，可以实现关节预期的位置或者末端轨迹跟踪(如直线和圆)等任务。

当第一关节与第二关节有一个制动器或者两个都是制动器时，为欠驱动机器人，由于欠驱动机器人系统属于一类特殊的非完整系统，属于二阶非完整系统，需要通过主动关节与被动关节的动力学耦合作用控制欠驱动关节的运动，在机械人要完成预定的任务时，首先进行关节回零，对于主动关节(有电机的关节)回零方式与全驱动相同，对与欠驱动关节而言，以第一关节为例说明，通过主动关节(关节安装电机)的运动，利用主动关节与被动关节的动力学耦合作用，当第一机械臂运动到正限位开关27位置同时会碰到橡胶挡垫28，橡胶挡垫的弹性作用使第一机械臂反向运动，利用主动关节的运动使得第一机械臂到达负限位开关，同样第一机械臂再正向运动，当第一机械臂运动到正、负限位开关中间时，制动器制动，控制流程图如图14所示：设定参数，然后实时监测运动控制状态，编码器实时反馈关节位置信息，Optotrak三维测试仪实时反馈机器人操作空间的位置信息，当完成期望任务时电机停止运动。

Claims (6)

1.一种平面多自由度机器人，包括机械臂、电机、编码器和机座，其特征在于：机器人的数个机械臂之间及机械臂与机架之间均以转动副形式连接，机器人的数个关节结构相似；所述的关节采用电机或制动器；

所述的各个关节的上部设有编码器和光电控制装置，编码器底座与限位开关联接；所述的机械臂与编码器轴(25)联接；在第一关节(5)中，编码器底座(26)与第二机械臂(6)固定联接，编码器底座(26)与编码器轴(25)之间以松配合联接，遮光板(2)与第一机械臂(1)固定联接，轴承内盖(18)与第一机械臂(1)固定联接，同时与第一中心轴(21)固定联接，编码器轴(25)与轴承内盖(18)固定联接，轴承(19)与中心轴(21)属于紧配合，第一轴承外盖(20)与第二机械臂(6)固定联接，橡胶挡垫(28)与第二机械臂(6)固定联接；所述的第一关节(5)可以选用两种结构，安装第一制动器(32)或安装第一电机(24)；若安装第一制动器(32)，则第一轴承外盖(20)与第一制动器底座(30)固定联接，第一制动器底座(30)与第一制动器(32)固定联接，制动器轴(31)与第一中心轴(21)固定联接；若安装第一电机(24)，则第一轴承外盖(20)与第一电机底座(22)固定联接，第一电机底座(22)与第一电机(24)固定联接，电机轴(23)与第一中心轴(21)固定联接；第二关节(7)同样可以选用两种结构，安装第二制动器(42)或安装第二电机(38)；若第一关节安装第一电机(24)，则第二关节(7)安装第二制动器(42)，则结构与所述的第一关节在选用第一制动器(32)时的结构相同；若第一关节安装第一制动器(32)，则第二关节(7)安装第二电机(38)，则结构与所述的第一关节在选用第一电机(24)时的结构相同；在第三关节(10)中，结构与第二关节(7)安装第二电机(38)时的结构相同；在第四关节(12)中，第三轴承外盖(43)与第一法兰盘(42)固定联接，第一法兰盘(42)与第二法兰盘(13)固定联接，第二法兰盘(13)与机架(15)固定联接，其他结构与第二关节(7)安装第二电机(38)时的结构相同。

2.根据权利要求1所述的平面多自由度机器人，其特征在于：所述的机械臂为四个，所述的关节为四个，第一关节(5)联接第一机械臂(1)与第二机械臂(6)；第二关节(7)联接第二机械臂(6)与第三机械臂(9)；第三关节(10)联接第三机械臂(9)和第四机械臂(11)；第四关节(12)联接第四机械臂(11)和第二法兰盘(13)。

3.根据权利要求1所述的平面多自由度机器人，其特征在于：所述各个关节的电机采用直流无刷伺服电机。

4.根据权利要求1所述的平面多自由度机器人，其特征在于：所述各个制动器为失电制动的电磁制动器。

5.根据权利要求1所述的平面多自由度机器人，其特征在于：所述的光电控制装置包括发光二极管(4)，并与运动控制卡进行连接。

6.根据权利要求1所述的平面多自由度机器人，其特征在于：所述的第二机械臂(6)与限制第一机械臂极限位置的橡胶挡垫(28)固定联接。

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