CN104552286B - 一种连续多关节机械臂装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种连续多关节机械臂装置，包括基座和机械臂两部分，基座部分由驱动部件以及下电机固定板、上电机固定板、下滑轮板、上滑轮板、滑轮组件以及各板间连杆组成，而驱动部件中包括所述电机、联轴器、丝杠，而机械臂由具有两个自由度的关节和多个关节骨干组成，各关节和关节骨干均采用相同结构，所述的驱动部件安装在机械臂装置的基座内，驱动装置另一端连接绳索，绳索另一端固定于关节骨干的关节板处。本发明的机械臂结构灵活，避障能力好，适合在废墟搜救、机械配件装配等狭窄而复杂的工作空间环境中使用，应用广泛。
Description
技术领域
本发明涉及工业机械手技术领域，尤其涉及一种连续多关节机械臂装置。
背景技术
目前，机械臂的应用很广泛，主要是在工业生产中，通过自动化控制从而帮助人完成一些重复繁琐的工作。传统的机械臂由于自由度较少，运行控制精度低，避障能力较差，体型笨重，灵活性差，不适合在废墟搜救、机械配件装配等狭窄而复杂的工作空间环境中使用，对工作环境要求较高，需要较大的活动空间，存在应用局限。目前，此类超冗余度机械臂在结构设计上出现比较多的发明，但是由于关节数目多、自由度数目多，因此在算法和控制方面还需要进一步研究。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种连续多关节机械臂装置，是一种结构灵活、避障能力好且拥有一定承载能力的多关节超冗余度机械臂，适合在废墟搜救、机械配件装配等狭窄而复杂的工作空间环境中使用。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种连续多关节机械臂装置，包括基座和设置于基座上的机械臂，所述基座由底部的若干个驱动部件，从下至上依次布置的电机下固定板、电机上固定板、滑轮下固定板、滑轮上固定板，以及设置在滑轮下固定板上的滑轮组，连接电机下固定板和电机上固定板的第一连杆、连接电机上固定板和滑轮下固定板的第二连杆、连接滑轮下固定板和滑轮上固定板的第三连杆组成；所述机械臂由若干个关节和与之相连的相邻关节骨干组成，所述关节骨干端部设置连接关节的关节板，同时每三个驱动部件通过三根绳索经过滑轮组的导引控制一个关节骨干，且三个驱动部件两两相隔120°布置。
所述驱动部件由伺服电机、连接伺服电机转子的联轴器、连接联轴器的丝杠、连接丝杠的导杆、固定在导杆前端部的钢丝固定板组成，所述导杆与丝杠的连接端部设置移动螺母，且导杆固定于电机上固定板上。
所述关节由固定在滑轮上固定板和关节板上的十字轴轴耳、与十字轴轴耳连接的十字轴轴环组成，所述十字轴轴环的外环面上均匀设置与十字轴轴耳连接的十字轴光轴，所述十字轴光轴与十字轴轴耳的连接端部穿接轴承，所述关节板绕关节内的十字轴光轴旋转，每个关节有2个自由度，且用于驱动的三根绳索的一端与钢丝固定板连接，另一端以两两相隔120°固定在关节板上，三根绳索通过牵引和放松控制单个关节的姿态。
与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：
本发明的创新在于通过多个串联的刚性杆件相连，控制各个关节的转动从而使整个关节臂呈现灵活的躯体且承载能力好，另外，为了减轻机械臂的重量，本发明采用驱动后置，将驱动部件置于底部支座而通过绳索来控制各个关节，自由度数多，同时本发明的驱动部件是通过丝杠传动将电机的旋转运动转化为绳索的牵引和放松动作，该种设计提高了控制的精度，结构灵活，避障能力好，适合在废墟搜救、机械配件装配等狭窄而复杂的工作空间环境中使用，应用广泛。
附图说明
图1：本发明的整体结构示意图。
图2：本发明的内部部件和固定板及杆件的组装分布示意图。
图3：本发明的驱动部件结构示意图。
图4：本发明的关节部件结构示意图。
图5：本发明基座的驱动部件与机械臂的关节板绳索连接的立体示意图。
图6：本发明在关节部件上建立双坐标系的实例示意图。
图7：本发明实例中第一关节板上的三根绳索固定点在第二坐标系中位置的示意图。
图8：本发明实例中上滑轮固定板上三根绳索通过点在零坐标系中位置的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明由基座Ⅰ和机械臂Ⅱ两部分组成，其中机械臂可以由多个关节组成，但在此只以10个关节为例。
如图2所示，基座Ⅰ由底部的若干个驱动部件a，从下至上依次布置的电机下固定板b、电机上固定板d、滑轮下固定板f、滑轮上固定板i，以及设置在滑轮下固定板f上的滑轮组g，连接电机下固定板b和电机上固定板d的第一连杆c、连接电机上固定板d和滑轮下固定板f的第二连杆e、连接滑轮下固定板f和滑轮上固定板i的第三连杆h组成；所述机械臂Ⅱ由若干个关节j以及与之相连的关节骨干k组成，所述关节骨干k端部设置连接关节j的关节板7，同时每三个驱动部件a通过三根绳索m经过滑轮组g的导引控制一个关节骨干k，且三个驱动部件a两两相隔120°布置。
如图3所示，驱动部件a包括：伺服电机1、联轴器2、丝杠3、移动螺母4、导杆5、钢丝固定板6，其驱动原理是：控制器控制电机1的正反转，通过联轴器2将运动传递给丝杠3，与丝杠3配合的是移动螺母4，移动螺母4上面固定了两根导杆5，导杆5固定于电机上固定板d上，导杆5只能做垂直于电机上固定板面方向的运动，因此丝杠3旋转时，移动螺母4就会和导杆5一起沿着丝杠3的轴向运动，电机输出轴每转动一圈则移动螺母4就会和导杆5移动一个丝杠3导程的距离，与导杆5固定连接的是钢丝固定板6，而绳索m的一端即固定在钢丝固定板6上，因此导杆5的移动就会使绳索被拉近和放松。
如图4和5所示，关节j由固定在滑轮上固定板i和关节板7上的十字轴轴耳8、与十字轴轴耳8连接的十字轴轴环11组成，所述十字轴轴环11的外环面上均匀设置与十字轴轴耳8连接的十字轴光轴9，所述十字轴光轴9与十字轴轴耳8的连接端部由轴承10相连，所述关节板7绕关节j内的十字轴光轴9旋转，每个关节j有2个自由度，且用于驱动的三根绳索m的一端与钢丝固定板6连接，另一端以两两相隔120°固定在关节板7上，三根绳索m通过自己的牵引和放松来控制单个关节j的姿态。
该机械臂装置的控制系统包括：ArduinoMega2560控制板，DCC-9010电机驱动器，该装置中采用的电机1是自带编码器和减速器的空心杯电机，编码器共两相，100线，电机减速比是231:1，在本设计中，采用脉冲模式控制电机的转动，电机输出轴每转动一圈所需脉冲46200个。
为简化过程，本例目的只要求控制第一个关节的姿态，要求第一关节沿着其内部两轴各转动10°。
建立D-H坐标系，坐标系如图6所示，基坐标系建立在滑轮上固定板i上，第一坐标系和第二坐标系基点相同，下表是前两个坐标系的D-H参数表。
其中，=从到沿测量的距离；=从到绕旋转的角度；
=从到沿测量的距离；=从到绕旋转的角度。
则根据连杆变换通式：
；
；
则。
此时，将D-H参数表中参数带入转换矩阵，当关节臂处于初始位置即，则
,
如图7所示，第一关节板上的三根绳索固定点在第二坐标系中的位置分别为：
将这三个点利用转换矩阵用基坐标系表示：
；
；
；
如图8所示，绳索在上滑轮板i上的位置：
；；
则绳索在第一关节板和上滑轮板i之间的初始距离为：
；；。
经过关节的旋转，关节变量发生变化令，则
，
利用转换矩阵将用基坐标系表示：
；；
；；
所用丝杠3导程为1mm：
| 原长（） | |||
| 转动后（） | |||
| 差值 | -4.6008mm | -2.2301mm | 6.4752mm |
| 电机输出轴转动 | 反转4.6008转 | 反转2.2301转 | 正转6.4752转 |
| 控制电机所需脉冲 | 212556个 | 103030个 | 299154个 |
其他各关节的对应绳索的长度控制方法类似。
Claims (3)
1.一种连续多关节机械臂装置，包括基座（Ⅰ）和设置于基座（Ⅰ）上的机械臂（Ⅱ），其特征在于：所述基座（Ⅰ）由底部的若干个驱动部件（a），从下至上依次布置的电机下固定板（b）、电机上固定板（d）、滑轮下固定板（f）、滑轮上固定板（i），以及设置在滑轮下固定板（f）上的滑轮组（g），连接电机下固定板（b）和电机上固定板（d）的第一连杆（c）、连接电机上固定板（d）和滑轮下固定板（f）的第二连杆（e）、连接滑轮下固定板（f）和滑轮上固定板（i）的第三连杆（h）组成；所述机械臂（Ⅱ）由若干个关节（j）和与之相连的相邻关节骨干（k）组成，所述关节骨干（k）端部设置连接关节（j）的关节板（7），同时每三个驱动部件（a）通过三根绳索（m）经过滑轮组（g）的导引控制一个关节骨干（k），且三个驱动部件（a）两两相隔120°布置。
2.根据权利要求1所述的一种连续多关节机械臂装置，其特征在于，所述驱动部件（a）由伺服电机（1）、连接伺服电机（1）转子的联轴器（2）、连接联轴器（2）的丝杠（3）、连接丝杠（3）的导杆（5）、固定在导杆（5）前端部的钢丝固定板（6）组成，所述导杆（5）与丝杠（3）的连接端部设置移动螺母（4），且导杆（5）固定于电机上固定板（d）上。
3.根据权利要求2所述的一种连续多关节机械臂装置，其特征在于，所述关节（j）由固定在滑轮上固定板（i）的十字轴轴耳（8）和关节板（7）上的十字轴轴耳（8）、与十字轴轴耳（8）连接的十字轴轴环（11）组成，所述十字轴轴环（11）的外环面上均匀设置与十字轴轴耳（8）连接的十字轴光轴（9），所述十字轴光轴（9）与十字轴轴耳（8）的连接端部穿接轴承（10），所述关节板（7）绕关节（j）内的十字轴光轴（9）旋转，每个关节（j）有2个自由度，且用于驱动的三根绳索（m）的一端与钢丝固定板（6）连接，另一端以两两相隔120°固定在关节板（7）上，三根绳索（m）通过牵引和放松控制单个关节（j）的姿态。
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