CN104157205B - 一种多自由度机械手教具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多自由度机械手教具，包括底板和平台，所述底板和平台之间设有升降机构，所述平台上端面设有回转底座，所述回转底座包括从动转盘和主动转盘，所述从动转盘和主动转盘之间设有联动杆，所述从动转盘和主动转盘分别旋转固定于平台上表面，所述从动转盘上设有液压驱动式机械手，所述液压驱动式机械手包括卡座和机械手。本发明能够实现回转底座的垂直升降，提高升降过程的平稳性，机械手的部件结构和液压系统更加简单，更加适用于教具。
Description
技术领域
本发明涉及一种多自由度机械手教具。
技术背景
在常用教具中，通常使用连杆机构实现教具的升降和旋转动作，然而传统的连杆结构实现垂直升降困难，难以满足对水平要求较高的平台进行升降的操作。
机械手通常采用液压驱动，完成握持和提升等动作，现有技术中的机械手液压系统结构复杂，难以应用于小型机械手演示教具，无法给学生提供简单明晰的教学演示。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种多自由度机械手教具，能够实现回转底座的垂直升降，提高升降过程的平稳性，机械手的部件结构和液压系统更加简单，更加适用于教具。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种多自由度机械手教具，包括底板和平台，所述底板和平台之间设有升降机构，所述升降机构包括固定杆、支撑杆、提升杆、摆臂、第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆，所述固定杆垂直于底板且固定杆下端与底板上表面固连，所述固定杆一侧面的下端与第一连杆的后端铰接且该侧面的上端与摆臂的中间铰接，所述固定杆另一侧面的下端与第二连杆的后端铰接，所述摆臂的前端与提升杆的上端铰接，所述提升杆的下端分别与第二连杆的前端以及第三连杆的前端铰接，所述第三连杆的后端与支撑杆的下端铰接，所述支撑杆的上端与平台下表面固连，所述支撑杆的中间与第四连杆的后端铰接，所述第四连杆的前端与第一连杆的前端铰接，所述第四连杆的中间与提升杆的上端铰接，所述摆臂与第二连杆平行，所述平台上端面设有回转底座，所述回转底座包括从动转盘和主动转盘，所述从动转盘和主动转盘之间设有联动杆，所述从动转盘和主动转盘分别旋转固定于平台上表面，所述从动转盘上设有液压驱动式机械手，所述液压驱动式机械手包括卡座和机械手，所述机械手包括主臂、附臂、提升臂和爪臂，所述主臂下端与卡座铰接，所述主臂的上端与附臂的一端铰接，所述附臂的另一端与爪臂的上端铰接，所述提升臂的一端与爪臂的中间铰接且提升臂的中间与主臂铰接，所述提升臂的另一端与第一液压缸的上端铰接，所述第一液压缸的下端与卡座铰接，所述主臂的两侧分别设有第二液压缸，所述第二液压缸的上端与主臂铰接，所述第二液压缸的上端与卡座铰接，所述爪臂的下端与夹爪铰接，所述夹爪上设有控制夹爪启闭的第三液压缸，所述第一液压缸、第二液压缸、第三液压缸分别连通液压驱动管。
优选的，所述固定杆、支撑杆、提升杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆分别设置为两根且分别以第一连杆的垂直中心面对称，两根固定杆之间设有第一轴，两根提升杆的上端之间设有第二轴，两根第四连杆的前端之间设有第三轴，所述摆臂的中间穿套在第一轴上，所述摆臂的前端穿套在第二轴上，所述第一连杆的前端穿套在第三轴上。
优选的，所述第二轴的两端分别穿过提升杆与第四连杆的中间相连，所述第三轴，两根提升杆的下端分别设有第四轴，所述第四轴的一端与第二连杆相连，所述第四轴的另一端与第三连杆相连。
优选的，所述从动转盘包括从动上圆盘和从动下圆盘，所述主动转盘包括主动上圆盘和主动下圆盘，所述联动杆包括上联动杆和下联动杆，所述上联动杆一端与从动上圆盘的上端面相连，所述上联动杆另一端与主动上圆盘的上端面相连，所述下联动杆一端与从动下圆盘的上端面相连，所述下联动杆另一端与主动下圆盘的上端面相连。
优选的，所述从动上圆盘和从动下圆盘之间设有第一圆柱销，所述主动上圆盘和主动下圆盘之间设有第二圆柱销，所述第一圆柱销上端与从动上圆盘相连，所述第一圆柱销下端穿过下联动杆的一端与从动下圆盘相连，所述第二圆柱销上端与主动上圆盘相连，所述第二圆柱销下端穿过下联动杆的另一端与从动下圆盘相连。
优选的，所述从动上圆盘和上联动杆的连接点以及从动上圆盘和第一圆柱销的连接点分别与从动上圆盘圆心的连线长度相等且相互垂直。
优选的，所述卡座的侧面设有卡槽，所述主臂下端伸入卡槽中且主臂下端与卡槽下端的两侧槽壁铰接。
优选的，所述主臂上端设有凹槽，所述附臂的一端与凹槽两侧槽壁铰接，所述提升臂的一端穿过凹槽且提升臂的臂体与凹槽两侧槽壁铰接。
优选的，所述凹槽上设有穿过凹槽和提升臂的铰接轴，所述铰接轴的两端穿出凹槽的槽壁与第二液压缸转动连接。
优选的，所述第三液压缸的上端与附臂铰接，所述第三液压缸的下端与夹爪的外侧铰接。
本发明采用上述技术方案，由于摆臂与第二连杆平行，而固定杆与底板垂直，根据四边形原理，提升杆始终与固定杆保持平行即提升杆始终垂直于底板运动，第四连杆两端与提升杆以及支撑杆的连接点的连线与第二连杆平行，因此提升杆带动支撑杆垂直运动，从而实现了平台上回转底座的垂直升降，在摆臂转动时，第四连杆使支撑杆升降速度降低，结合第一连杆、第二连杆、第三连杆配合第四连杆转动，使支撑杆的升降更加稳定；
机械手通过主臂、附臂、提升臂和爪臂相互铰接，结构简单紧凑，效率更高，通过液压驱动管的增减压力分别控制第一液压缸、第二液压缸和第三液压缸的运动，大大简化了液压驱动系统，液压驱动管、第一液压缸、第二液压缸和第三液压缸中也可以充入空气替换液压油，同样能够实现机械手的动作，可以进一步将液压驱动系统简化为气压驱动系统，降低了成本及后期维护强度。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步描述：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中导板的前视图；
图3是本发明中升降机构的结构示意图；
图4是本发明中回转底座的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
如图1至图4所示，本发明包括底板1和平台2，所述底板和平台之间设有升降机构3，所述升降机构包括固定杆301、支撑杆302、提升杆303、摆臂304、第一连杆305、第二连杆306、第三连杆307和第四连杆308，所述固定杆垂直于底板且固定杆下端与底板上表面固连，所述固定杆一侧面的下端与第一连杆的后端铰接且该侧面的上端与摆臂的中间铰接，所述固定杆另一侧面的下端与第二连杆的后端铰接，所述摆臂的前端与提升杆的上端铰接，所述提升杆的下端分别与第二连杆的前端以及第三连杆的前端铰接，所述第三连杆的后端与支撑杆的下端铰接，所述支撑杆的上端与平台下表面固连，所述支撑杆的中间与第四连杆的后端铰接，所述第四连杆的前端与第一连杆的前端铰接，所述第四连杆的中间与提升杆的上端铰接，所述摆臂与第二连杆平行，所述平台上端面设有回转底座4，所述回转底座包括从动转盘401和主动转盘402，所述从动转盘和主动转盘之间设有联动杆403，所述从动转盘和主动转盘分别旋转固定于平台上表面，所述从动转盘上设有液压驱动式机械手，所述液压驱动式机械手包括卡座501和机械手5，所述机械手包括主臂502、附臂503、提升臂504和爪臂505，所述主臂下端与卡座铰接，所述主臂的上端与附臂的一端铰接，所述附臂的另一端与爪臂的上端铰接，所述提升臂的一端与爪臂的中间铰接且提升臂的中间与主臂铰接，所述提升臂的另一端与第一液压缸506的上端铰接，所述第一液压缸的下端与卡座铰接，所述主臂的两侧分别设有第二液压缸507，所述第二液压缸的上端与主臂铰接，所述第二液压缸的上端与卡座铰接，所述爪臂的下端与夹爪5051铰接，所述夹爪上设有控制夹爪启闭的第三液压缸508，所述第一液压缸、第二液压缸、第三液压缸分别连通液压驱动管509。
所述卡座501的侧面设有卡槽5011，所述主臂下端伸入卡槽中且主臂下端与卡槽下端的两侧槽壁铰接。所述主臂上端设有凹槽5021，所述附臂503的一端与凹槽两侧槽壁铰接，所述提升臂504的一端穿过凹槽且提升臂的臂体与凹槽两侧槽壁铰接。所述凹槽5021上设有穿过凹槽和提升臂504的铰接轴5022，所述铰接轴的两端穿出凹槽的槽壁与第二液压缸507转动连接。所述第三液压缸508的上端与附臂503铰接，所述第三液压缸508的下端与夹爪5051的外侧铰接。
如图2和图4所示，所述卡座501下端固定于圆片6上；
圆片的第一种安装实施例：圆片下端设有连接柱601，所述连接柱上端与圆片下表面固连且连接柱的轴心与圆片旋转轴重合。该结构使机械手绕从动盘的轴心自转。
圆片的第二种安装实施例：所述上联动杆4031与从动上圆盘4011连接的一端上部设有凸柱405，所述凸柱的上端与圆片下表面固连且凸柱的轴心与圆片旋转轴重合。该结构使机械手绕从动盘的轴心公转。
如图3所示，所述固定杆301、支撑杆302、提升杆303、第二连杆306、第三连杆307和第四连杆308分别设置为两根且分别以第一连杆305的垂直中心面对称，两根固定杆之间设有第一轴3011，两根提升杆的上端之间设有第二轴3031，两根第四连杆的前端之间设有第三轴3081，所述摆臂304的中间穿套在第一轴上，所述摆臂的前端穿套在第二轴上，所述第一连杆的前端穿套在第三轴上。
所述第二轴3031的两端分别穿过提升杆303与第四连杆308的中间相连，所述第三轴3081，两根提升杆303的下端分别设有第四轴3032，所述第四轴的一端与第二连杆306相连，所述第四轴的另一端与第三连杆307相连。
如图4所示，所述从动转盘401包括从动上圆盘4011和从动下圆盘4012，所述主动转盘402包括主动上圆盘4011和主动下圆盘4012，所述联动杆403包括上联动杆4031和下联动杆4032，所述上联动杆一端与从动上圆盘的上端面相连，所述上联动杆另一端与主动上圆盘的上端面相连，所述下联动杆一端与从动下圆盘的上端面相连，所述下联动杆另一端与主动下圆盘的上端面相连。所述从动上圆盘4011和从动下圆盘4012之间设有第一圆柱销4041，所述主动上圆盘4011)和主动下圆盘4012之间设有第二圆柱销4042，所述第一圆柱销上端与从动上圆盘相连，所述第一圆柱销下端穿过下联动杆4032的一端与从动下圆盘相连，所述第二圆柱销上端与主动上圆盘相连，所述第二圆柱销下端穿过下联动杆4032的另一端与从动下圆盘相连。所述从动上圆盘4011和上联动杆4031的连接点以及从动上圆盘和第一圆柱销4041的连接点分别与从动上圆盘圆心的连线长度相等且相互垂直。
当从动上圆盘4011和上联动杆4031的连接点位于死点位置时，从动上圆盘和第一圆柱销4041的连接点与从动上圆盘圆心的连线垂直于从动上圆盘4011和上联动杆4031的连接点与从动上圆盘圆心的连线，因此从动上圆盘和第一圆柱销4041的连接点可以顺利转动帮助从动上圆盘4011和上联动杆4031的连接点克服死点位置，整个回转底座就可以达到缓慢360度旋转，也可以在任意位置改变旋转方向，从而克服四杆机构的死点现象。
以上就本发明较佳的实施例做了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均属于本发明所附权利要求所定义的范围。
Claims (5)
1.一种多自由度机械手教具，包括底板(1)和平台(2)，所述底板和平台之间设有升降机构(3)，其特征在于：所述升降机构包括固定杆(301)、支撑杆(302)、提升杆(303)、摆臂(304)、第一连杆(305)、第二连杆(306)、第三连杆(307)和第四连杆(308)，所述固定杆垂直于底板且固定杆下端与底板上表面固连，所述固定杆一侧面的下端与第一连杆的后端铰接且该侧面的上端与摆臂的中间铰接，所述固定杆另一侧面的下端与第二连杆的后端铰接，所述摆臂的前端与提升杆的上端铰接，所述提升杆的下端分别与第二连杆的前端以及第三连杆的前端铰接，所述第三连杆的后端与支撑杆的下端铰接，所述支撑杆的上端与平台下表面固连，所述支撑杆的中间与第四连杆的后端铰接，所述第四连杆的前端与第一连杆的前端铰接，所述第四连杆的中间与提升杆的上端铰接，所述摆臂与第二连杆平行，所述平台上端面设有回转底座(4)，所述回转底座包括从动转盘(401)和主动转盘(402)，所述从动转盘和主动转盘之间设有联动杆(403)，所述从动转盘和主动转盘分别旋转固定于平台上表面，所述从动转盘上设有液压驱动式机械手，所述液压驱动式机械手包括卡座(501)和机械手(5)，所述机械手包括主臂(502)、附臂(503)、提升臂(504)和爪臂(505)，所述主臂下端与卡座铰接，所述主臂的上端与附臂的一端铰接，所述附臂的另一端与爪臂的上端铰接，所述提升臂的一端与爪臂的中间铰接且提升臂的中间与主臂铰接，所述提升臂的另一端与第一液压缸(506)的上端铰接，所述第一液压缸的下端与卡座铰接，所述主臂的两侧分别设有第二液压缸(507)，所述第二液压缸的上端与主臂铰接，所述第二液压缸的下端与卡座铰接，所述爪臂的下端与夹爪(5051)铰接，所述夹爪上设有控制夹爪启闭的第三液压缸(508)，所述第一液压缸、第二液压缸、第三液压缸分别连通液压驱动管(509)，所述固定杆(301)、支撑杆(302)、提升杆(303)、第二连杆(306)、第三连杆(307)和第四连杆(308)分别设置为两根且分别以第一连杆(305)的垂直中心面对称，两根固定杆之间设有第一轴(3011)，两根提升杆的上端之间设有第二轴(3031)，两根第四连杆的前端之间设有第三轴(3081)，所述摆臂(304)的中间穿套在第一轴上，所述摆臂的前端穿套在第二轴上，所述第一连杆的前端穿套在第三轴上，所述第二轴(3031)的两端分别穿过提升杆(303)与第四连杆(308)的中间相连，所述第三轴(3081)、两根提升杆(303)的下端分别设有第四轴(3032)，所述第四轴的一端与第二连杆(306)相连，所述第四轴的另一端与第三连杆(307)相连，所述从动转盘(401)包括从动上圆盘(4011)和从动下圆盘(4012)，所述主动转盘(402)包括主动上圆盘(4021)和主动下圆盘(4022)，所述联动杆(403)包括上联动杆(4031)和下联动杆(4032)，所述上联动杆一端与从动上圆盘的上端面相连，所述上联动杆另一端与主动上圆盘的上端面相连，所述下联动杆一端与从动下圆盘的上端面相连，所述下联动杆另一端与主动下圆盘的上端面相连，所述从动上圆盘(4011)和从动下圆盘(4012)之间设有第一圆柱销(4041)，所述主动上圆盘(4021)和主动下圆盘(4022)之间设有第二圆柱销(4042)，所述第一圆柱销上端与从动上圆盘相连，所述第一圆柱销下端穿过下联动杆(4032)的一端与从动下圆盘相连，所述第二圆柱销上端与主动上圆盘相连，所述第二圆柱销下端穿过下联动杆(4032)的另一端与从动下圆盘相连，所述从动上圆盘(4011)和上联动杆(4031)的连接点以及从动上圆盘和第一圆柱销(4041)的连接点分别与从动上圆盘圆心的连线长度相等且相互垂直，所述卡座(501)下端固定有圆片(6)，所述上联动杆(4031)与从动上圆盘(4011)连接一端上部设有凸柱(405)，所述凸柱的上端与圆片下表面固连且凸柱的轴心与圆片旋转轴重合。
2.根据权利要求1所述的一种多自由度机械手教具，其特征在于：所述卡座(501)的侧面设有卡槽(5011)，所述主臂下端伸入卡槽中且主臂下端与卡槽下端的两侧槽壁铰接。
3.根据权利要求2所述的一种多自由度机械手教具，其特征在于：所述主臂上端设有凹槽(5021)，所述附臂(503)的一端与凹槽两侧槽壁铰接，所述提升臂(504)的一端穿过凹槽且提升臂的臂体与凹槽两侧槽壁铰接。
4.根据权利要求3所述的一种多自由度机械手教具，其特征在于：所述凹槽(5021)上设有穿过凹槽和提升臂(504)的铰接轴(5022)，所述铰接轴的两端穿出凹槽的槽壁与第二液压缸(507)转动连接。
5.根据权利要求4所述的一种多自由度机械手教具，其特征在于：所述第三液压缸(508)的上端与附臂(503)铰接，所述第三液压缸(508)的下端与夹爪(5051)的外侧铰接。
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