CN103753528B - 具有关节轴线正交关系的可折叠六自由度轻型操作臂 - Google Patents

Abstract

一种具有关节轴线正交关系的可折叠六自由度轻型操作臂，基座上依次设置有第一旋转关节、第二旋转关节、大臂连杆、第三旋转关节、第四旋转关节、第五旋转关节和第六旋转关节，第六旋转关节的输出端连接末端单自由度手爪，其中，第一旋转关节的轴线与基座同轴心，且垂直于第二旋转关节的轴线，第二旋转关节的轴线平行于第三旋转关节的轴线，第三旋转关节的轴线垂直于第四旋转关节的轴线，第四旋转关节的轴线垂直于第五旋转关节的轴线，第五旋转关节的轴线垂直于第六旋转关节的轴线，第四旋转关节的轴线、第五旋转关节的轴线和第六旋转关节的轴线汇交于空间一点。本发明使操作臂整体结构更简便，质量更轻便，保证了操作臂末端具有最优的操作灵活性能。

Description

具有关节轴线正交关系的可折叠六自由度轻型操作臂

技术领域

本发明涉及一种轻型操作臂机器人，特别是涉及一种具有关节轴线正交关系的可折叠六自由度轻型操作臂。

背景技术

所谓轻型操作臂机器人，是指具有一定负载能力且自身质量和体积均较小的轻便型灵活操作臂机器人装置。

在野外探险、侦察、危险品处置或医疗作业等特殊领域，由于作业环境存在可能发生危害作业人员生命健康的危险，因而迫切需要使用机器人尤其是操作臂机器人装备代替人员完成某些作业任务。目前应用比较广泛的工业操作臂机器人，虽然在机械结构和零部件的设计等方面发展得比较完善，但工业操作臂负载能力一般较大，有效载荷范围从几十公斤到1吨以上不等，存在体积大、操作笨重、质量重、控制系统复杂等问题，应用领域主要有包装、码垛、物料搬运以及汽车喷涂作业等，一般安装在室内生产车间的多功能作业单元中，很难安装在移动机器人平台或车辆上。对于野外探险或危险品处置等特殊环境下的作业需求，由于移动机器人平台承载空间有限，因而需要所安装的操作臂具有体积小、结构紧凑、质量轻等特点，但过小的结构尺寸显然限制了操作臂机器人的工作空间和作业范围，因而该操作臂最好具有可折叠等技术特点。又由于野外环境具有不确定性，操作臂处置生化危险品的工艺要求也可能千差万别，显然操作臂应该具有较好的灵活性，而能灵活控制各种方位、姿态的六自由度操作臂机器人是较好的选择。但如何能保证操作臂具有空间六自由度、且具有较好的末端运动灵活性是本发明所要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有空间可折叠性、体积较小、质量较轻、操作空间较大以及灵活度高等特点的具有关节轴线正交关系的可折叠六自由度轻型操作臂。

本发明所采用的技术方案是：一种具有关节轴线正交关系的可折叠六自由度轻型操作臂，包括有基座，所述的基座上依次设置有第一旋转关节、第二旋转关节、大臂连杆、第三旋转关节、第四旋转关节、第五旋转关节和第六旋转关节，所述第六旋转关节的输出端连接末端单自由度手爪，其中，所述的第一旋转关节的轴线与基座同轴心，且垂直于第二旋转关节的轴线，所述的第二旋转关节的轴线平行于第三旋转关节的轴线，所述的第三旋转关节的轴线垂直于第四旋转关节的轴线，所述的第四旋转关节的轴线垂直于第五旋转关节的轴线，所述的第五旋转关节的轴线垂直于第六旋转关节的轴线，所述的第四旋转关节的轴线、第五旋转关节的轴线和第六旋转关节的轴线汇交于空间一点。

所述的第四旋转关节与所述的第五旋转关节之间是通过焦点定位角件相互连接，所述的焦点定位角件包括有连接杆，固定在所述连接杆下端一侧的用于连接所述的第四旋转关节的下连接端头，以及固定在所述连接杆上端一侧的用于连接所述的第五旋转关节的上连接端头，其中，所述的下连接端头与所述的上连接端头均与所述的连接杆相垂直设置，且方向相反，并且所述的连接端头的轴线与第六旋转关节的轴线在同一条直线上。

所述的第一旋转关节、第二旋转关节、第三旋转关节、第四旋转关节、第五旋转关节和第六旋转关节结构相同，均包括有：关节固定基座，安装在所述关节固定基座内的且依次相连的光电编码器、伺服电机和谐波减速器，所述谐波减速器的外周面与所述的关节固定基座固定连接，所述谐波减速器的旋转输出端通过同轴定位法兰连接关节输出轴套，所述关节输出轴套套在所述关节固定基座的上端口上，所述关节输出轴套的顶端设置有关节密封端盖。

所述的同轴定位法兰包括有依次一体形成且同轴的：用于插入所述的关节输出轴套内法兰的定位孔中的轴套同心轴，用于与所述的关节输出轴套内的法兰固定连接的轴套连接法兰，用于与所述的谐波减速器旋转输出端的法兰固定连接的减速器连接法兰，以及用于插入所述的谐波减速器旋转输出端的法兰的定位孔内的减速器同心轴。

所述的轴套连接法兰的直径大于轴套同心轴的直径，所述轴套同心轴的直径大于减速器连接法兰的直径，减速器连接法兰的直径又大于减速器同心轴的直径。

所述的第一旋转关节上的第一关节固定基座的底端固定在所述的基座上，所述第一旋转关节上的第一关节输出轴套连接第二旋转关节上的第二关节固定基座，所述第二旋转关节上的第二关节输出轴套连接大臂连杆的一端，所述大臂连杆的另一端连接所述第三旋转关节上的第三关节固定基座，第三旋转关节上的第三关节输出轴套连接所述第四旋转关节上的第四关节固定基座，所述第四旋转关节上的第四关节输出轴套通过连接焦点定位角件连接所述的第五旋转关节上的第五关节固定基座，所述第五旋转关节上的第五关节输出轴套连接所述第六旋转关节上的第六关节固定基座，所述第六旋转关节上的第六关节输出轴套连接末端单自由度手爪。

所述的末端单自由度手爪具有一个开合自由度。

当所述的第一旋转关节、大臂连杆、第四旋转关节和第六旋转关节为相互平行的折叠状态时，第二旋转关节的轴线到第三旋转关节的轴线之间的距离L1与第三旋转关节的轴线到第五旋转关节的轴线之间的距离L2之比为1.4。

本发明的具有关节轴线正交关系的可折叠六自由度轻型操作臂，实现了操作臂机器人具有较好的折叠性，较小的外形体积和较大的操作空间，即有较大的操作空间/占用空间比例；本发明使操作臂整体结构更简便，质量更轻便，并且由于第四关节中驱动电机位置向基座前移，使操作臂整体动力学性能更好；此外本发明中操作臂机器人各关节轴线方向和空间位置的拓扑关系、以及大小臂各轴线间尺度比例的合理安排，保证了操作臂末端具有最优的操作灵活性能。

附图说明

图1是本发明完全伸展状态外部结构示意图；

图2是本发明完全伸展状态俯视图；

图3是本发明折叠状态侧视图；

图4是本发明折叠状态正视图；

图5是本发明关节零部件构成爆炸视图；

图6是本发明中同轴定位法兰结构的正视图；

图7是本发明中同轴定位法兰结构的侧视图。

图中

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的具有关节轴线正交关系的可折叠六自由度轻型操作臂做出详细说明。

本发明的具有关节轴线正交关系的可折叠六自由度轻型操作臂，是结合野外环境下发生生物污染、化学污染或核污染等特殊环境下的医学救援与处置作业等任务需求，提供一种体积较小、质量较轻的轻型操作臂机器人，使其能够安装在移动机器人平台或轮式机动车辆上。

如图1所示，本发明的具有关节轴线正交关系的可折叠六自由度轻型操作臂，包括有基座28，所述的基座28上依次设置有第一旋转关节1、第二旋转关节2、大臂连杆11、第三旋转关节3、第四旋转关节4、第五旋转关节5和第六旋转关节6，所述第六旋转关节6的输出端连接末端单自由度手爪7，所述的末端单自由度手爪7具有一个开合自由度。其中，所述的第一旋转关节1的轴线与基座28同轴心，且垂直于第二旋转关节2的轴线，所述的第二旋转关节2的轴线平行于第三旋转关节3的轴线，所述的第三旋转关节3的轴线垂直于第四旋转关节4的轴线，所述的第四旋转关节4的轴线垂直于第五旋转关节5的轴线，所述的第五旋转关节5的轴线垂直于第六旋转关节6的轴线，所述的第四旋转关节4的轴线、第五旋转关节5的轴线和第六旋转关节6的轴线汇交于空间一点。

如图2所示，所述的第四旋转关节4与所述的第五旋转关节5之间是通过焦点定位角件16相互连接，所述的焦点定位角件16包括有连接杆32，固定在所述连接杆32下端一侧的用于连接所述的第四旋转关节4的下连接端头31，以及固定在所述连接杆32上端一侧的用于连接所述的第五旋转关节5的上连接端头30，其中，所述的下连接端头31与所述的上连接端头30均与所述的连接杆32相垂直设置，且方向相反。连接杆32的长度能够使图2中下连接端头31的轴线与第六旋转关节6的轴线在同一条直线上。焦点定位角件16的结构和尺寸设计使得第四旋转关节4的轴线、第五旋转关节5的轴线和第六旋转关节6的轴线汇交于空间一点。

如图3、图4所示，当所述的第一旋转关节1、大臂连杆11、第四旋转关节4和第六旋转关节6为相互平行的折叠状态时，第二旋转关节2的轴线到第三旋转关节3的轴线之间的距离L1与第三旋转关节3的轴线到第五旋转关节5的轴线之间的距离L2之比为1.4，即L1/L2等于1.4。

如图5所示，所述的第一旋转关节1、第二旋转关节2、第三旋转关节3、第四旋转关节4、第五旋转关节5和第六旋转关节6结构相同，均包括有：关节固定基座27，安装在所述关节固定基座27内的且依次相连的光电编码器26、伺服电机25和谐波减速器24，所述谐波减速器24的外周面与所述的关节固定基座27固定连接，所述谐波减速器24的旋转输出端通过同轴定位法兰23连接关节输出轴套22，关节输出轴套22套在所述关节固定基座27上端口上，所述关节输出轴套22的顶端设置有关节密封端盖21。

如图6、图7所示，所述的同轴定位法兰23包括有依次一体形成且同轴的：用于插入所述的关节输出轴套22内法兰的定位孔中的轴套同心轴36，用于与所述的关节输出轴套22内的法兰固定连接的轴套连接法兰35，用于与所述的谐波减速器24旋转输出端的法兰固定连接的减速器连接法兰34，以及用于插入所述的谐波减速器24旋转输出端的法兰定位孔内的减速器同心轴33。所述的轴套连接法兰35的直径大于轴套同心轴36的直径，所述轴套同心轴36的直径大于减速器连接法兰34的直径，减速器连接法兰34的直径又大于减速器同心轴33的直径。

如图2所示，所述的第一旋转关节1上的第一关节固定基座29的底端固定在所述的基座28上，所述第一旋转关节1上的第一关节输出轴套8连接第二旋转关节2上的第二关节固定基座10，所述第二旋转关节2上的第二关节输出轴套9连接大臂连杆11的一端，所述大臂连杆11的另一端连接所述第三旋转关节3上的第三关节固定基座12，第三旋转关节3上的第三关节输出轴套13连接所述第四旋转关节4上的第四关节固定基座14，所述第四旋转关节4上的第四关节输出轴套15，在轴向上具有较长的长度，在功能上既是第四关节输出轴套，同时又是机器人小臂连杆，第四关节输出轴套15通过连接焦点定位角件16连接所述的第五旋转关节5上的第五关节固定基座17，所述第五旋转关节5上的第五关节输出轴套18连接所述第六旋转关节6上的第六关节固定基座19，所述第六旋转关节6上的第六关节输出轴套20连接末端单自由度手爪7。

本发明的具有关节轴线正交关系的可折叠六自由度轻型操作臂，其效果之一是实现了操作臂机器人具有较好的折叠性，较小的外形体积和较大的操作空间，即有较大的操作空间/占用空间比例；效果之二是本发明的操作臂整体结构简便，质量轻，并且由于第四关节中驱动电机位置向基座前移，使操作臂整体动力学性能更好；效果之三是操作臂机器人各关节轴线方向和空间位置的拓扑关系、以及大小臂各轴线间尺度比例的合理安排，保证了操作臂末端具有最优的操作灵活性能。

本发明的具有关节轴线正交关系的可折叠六自由度轻型操作臂，第一、第二、第三旋转关节按照上述位置和方向的拓扑结构关系，使操作臂末端在工作空间内能够实现到达三维空间下的任意一点的运动，第四、第五、第六旋转关节运动的组合，使操作臂末端在工作空间内能够实现到达三维空间下任意一种姿态的运动，从而总体上能够使操作臂末端能够实现在工作空间内以任意姿态到达任意一点的运动。

Claims (7)

1.一种具有关节轴线正交关系的可折叠六自由度轻型操作臂，包括有基座（28），其特征在于，所述的基座（28）上依次设置有第一旋转关节（1）、第二旋转关节（2）、大臂连杆（11）、第三旋转关节（3）、第四旋转关节（4）、第五旋转关节（5）和第六旋转关节（6），所述第六旋转关节（6）的输出端连接末端单自由度手爪（7），其中，所述的第一旋转关节（1）的轴线与基座（28）同轴心，且垂直于第二旋转关节（2）的轴线，所述的第二旋转关节（2）的轴线平行于第三旋转关节（3）的轴线，所述的第三旋转关节（3）的轴线垂直于第四旋转关节（4）的轴线，所述的第四旋转关节（4）的轴线垂直于第五旋转关节（5）的轴线，所述的第五旋转关节（5）的轴线垂直于第六旋转关节（6）的轴线，所述的第四旋转关节（4）的轴线、第五旋转关节（5）的轴线和第六旋转关节（6）的轴线汇交于空间一点，所述的第一旋转关节（1）、第二旋转关节（2）、大臂连杆（11）、第三旋转关节（3）、第四旋转关节（4）、第五旋转关节（5）和第六旋转关节（6）均为圆柱体结构，当所述的第一旋转关节（1）、大臂连杆（11）、第四旋转关节（4）和第六旋转关节（6）为相互平行的折叠状态时，第二旋转关节（2）的轴线到第三旋转关节（3）的轴线之间的距离L1与第三旋转关节（3）的轴线到第五旋转关节（5）的轴线之间的距离L2之比为1.4。

2.根据权利要求1所述的具有关节轴线正交关系的可折叠六自由度轻型操作臂，其特征在于，所述的第四旋转关节（4）与所述的第五旋转关节（5）之间是通过焦点定位角件（16）相互连接，所述的焦点定位角件（16）包括有连接杆（32），固定在所述连接杆（32）下端一侧的用于连接所述的第四旋转关节（4）的下连接端头（31），以及固定在所述连接杆（32）上端一侧的用于连接所述的第五旋转关节（5）的上连接端头（30），其中，所述的下连接端头（31）与所述的上连接端头（30）均与所述的连接杆（32）相垂直设置，且方向相反，并且所述的下连接端头（31）的轴线与第六旋转关节（6）的轴线在同一条直线上。

3.根据权利要求1所述的具有关节轴线正交关系的可折叠六自由度轻型操作臂，其特征在于，所述的第一旋转关节（1）、第二旋转关节（2）、第三旋转关节（3）、第四旋转关节（4）、第五旋转关节（5）和第六旋转关节（6）结构相同，均包括有：关节固定基座（27），安装在所述关节固定基座（27）内的且依次相连的光电编码器（26）、伺服电机（25）和谐波减速器（24），所述谐波减速器（24）的外周面与所述的关节固定基座（27）固定连接，所述谐波减速器（24）的旋转输出端通过同轴定位法兰（23）连接关节输出轴套（22），所述关节输出轴套（22）套在所述关节固定基座（27）的上端口上，所述关节输出轴套（22）的顶端设置有关节密封端盖（21）。

4.根据权利要求3所述的具有关节轴线正交关系的可折叠六自由度轻型操作臂，其特征在于，所述的同轴定位法兰（23）包括有依次一体形成且同轴的：用于插入所述的关节输出轴套（22）内法兰的定位孔中的轴套同心轴（36），用于与所述的关节输出轴套（22）内的法兰固定连接的轴套连接法兰（35），用于与所述的谐波减速器（24）旋转输出端的法兰固定连接的减速器连接法兰（34），以及用于插入所述的谐波减速器（24）旋转输出端的法兰的定位孔内的减速器同心轴（33）。

5.根据权利要求4所述的具有关节轴线正交关系的可折叠六自由度轻型操作臂，其特征在于，所述的轴套连接法兰（35）的直径大于轴套同心轴（36）的直径，所述轴套同心轴（36）的直径大于减速器连接法兰（34）的直径，减速器连接法兰（34）的直径又大于减速器同心轴（33）的直径。

6.根据权利要求3所述的具有关节轴线正交关系的可折叠六自由度轻型操作臂，其特征在于，所述的第一旋转关节（1）上的第一关节固定基座（29）的底端固定在所述的基座（28）上，所述第一旋转关节（1）上的第一关节输出轴套（8）连接第二旋转关节（2）上的第二关节固定基座（10），所述第二旋转关节（2）上的第二关节输出轴套（9）连接大臂连杆（11）的一端，所述大臂连杆（11）的另一端连接所述第三旋转关节（3）上的第三关节固定基座（12），第三旋转关节（3）上的第三关节输出轴套（13）连接所述第四旋转关节（4）上的第四关节固定基座（14），所述第四旋转关节（4）上的第四关节输出轴套（15）通过连接焦点定位角件（16）连接所述的第五旋转关节（5）上的第五关节固定基座（17），所述第五旋转关节（5）上的第五关节输出轴套（18）连接所述第六旋转关节（6）上的第六关节固定基座（19），所述第六旋转关节（6）上的第六关节输出轴套（20）连接末端单自由度手爪（7）。

7.根据权利要求1所述的具有关节轴线正交关系的可折叠六自由度轻型操作臂，其特征在于，所述的末端单自由度手爪（7）具有一个开合自由度。