CN104608123B - 一种三轴混合驱动式机械臂 - Google Patents

Abstract

三轴混合驱动式机械臂，包括底座、支座、后臂、前臂、手掌，所述的手掌通过两个平行四边形机构构成的第一连杆机构连接支座，装在前臂连杆上的第一红外测距仪对准装在后臂连杆上的第二红外测距仪；所述的前臂和后臂内装有驱动前臂与后臂相对开合的电磁线圈驱动机构，所述的电磁线圈驱动机构包括第二连杆机构和电磁线圈；所述的支座内装有用于驱动支座绕底座旋转和后臂绕支座转动的蜗轮蜗杆式直流伺服电机；所述的支座和后臂上都装有位置传感器；所述的位置传感器、第一红外测距仪、第二红外测距仪的输出端都连接控制器的输入端，所述的蜗轮蜗杆式直流伺服电机、第一电磁线圈、第二电磁线圈的控制端都连接控制器的输出端。

Description

一种三轴混合驱动式机械臂

技术领域

本发明涉及一种三轴混合驱动式机械臂，应用于码垛、搬运等场合。

技术背景

随着物流等行业的快速发展，简单重复性工作的劳动成本逐渐升高，用于替代人工搬运的机构被不断设计并应用于工作场所，如码垛机器人等。码垛机器人的设计方案较多，但多采用电机驱动式并通过多种机械结构实现码垛任务，机构复杂、动作笨拙、传动效率低。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种机构简单、动作灵巧、传动效率高的三轴混合驱动式机械臂。

三轴混合驱动式机械臂，包括底座1、支座2、后臂3、前臂4、手掌5，其特征在于：所述的支座2绕垂直向上的第一轴铰接在所述的底座1上，所述的后臂3的下端绕水平的第二轴8铰接在所述的支座2上，所述的前臂4的上端绕第三轴9铰接在后臂3上，所述的前臂4的下端绕第四轴10与手掌5铰接，所述的第二轴8、第三轴9、第四轴10相互平行；

所述的手掌5连接第一连杆机构，所述的第一连杆机构6包括中部铰接在第三轴9上的第一中间连杆60、在前臂4内延伸的前臂连杆61、在后臂3内延伸的后臂连杆62；所述的后臂连杆62的上端铰接在所述的第一中间连杆60的右侧端部，所述的后臂连杆62的下端铰接在所述的支座2上；所述的前臂连杆61的上端铰接在所述的第一中间连杆60的左侧端部，所述的前臂连杆61的下端铰接在所述的手掌5上；所述的手掌5、前臂连杆61、第一中间连杆60、前臂4形成平行四边形机构，所述的后臂3、后臂连杆62、第一中间连杆60、支座2形成另一个平行四边形机构；

装在前臂连杆61上的第一红外测距仪63对准装在后臂连杆62上的第二红外测距仪64；

所述的前臂4和后臂3内装有驱动前臂4与后臂3相对开合的电磁线圈驱动机构，所述的电磁线圈驱动机构包括第二连杆机构7和电磁线圈；

所述的第二连杆机构7包括：中部铰接在第三轴9上的第二中间连杆70、在前臂4内延伸的相互平行的第一内杆72和第一外杆71、在后臂3内延伸的相互平行的第二内杆74和第二外杆73；第一内杆72和第一外杆71的上端分别铰接在第二中间连杆70的左侧，第二内杆74和第二外杆73的上端分别铰接在第二中间连杆70的右侧；第一电磁线圈75分别与所述的第一内杆72和第一外杆71铰接，第二电磁线圈76分别与所述的第二内杆74和第二外杆73铰接，第一电磁线圈75与第二电磁线圈76位于同一直线上，形成电磁线圈组；所述的第一内杆72和第一外杆71、第二中间连杆70、第一电磁线圈75形成平行四边形机构，所述的第二内杆74和第二外杆73、第二中间连杆70、第二电磁线圈76形成平行四边形机构；

所述的支座2内装有用于驱动支座2绕底座1旋转和后臂3绕支座2转动的蜗轮蜗杆式直流伺服电机；

所述的支座2和后臂3上都装有位置传感器；

所述的位置传感器、第一红外测距仪63、第二红外测距仪64的输出端都连接控制器的输入端，所述的蜗轮蜗杆式直流伺服电机、第一电磁线圈75、第二电磁线圈76的控制端都连接控制器的输出端。

所述的电磁线圈组有二个以上，各电磁线圈组位于所述的第二连杆机构7的不同高度上。

本发明采用直流伺服电机驱动与电磁线圈驱动的混合式驱动，相比其他的设计方案，本发明的优点是:体积小、结构简单、操作方便、动作灵巧，减少空间所占体积且可控性好，传动效率高。

本发明的优点是：动作控制精确、前臂和手掌运动平稳、结构简单、体积小。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是第一连杆机构的示意图，虚线显示了平行四边形机构。

图3是电磁线圈驱动机构的示意图

图4是控制器的控制框图

图5是电磁线圈的的位置计算的原理示意图

具体实施方式

下面参照附图1‐5进一步说明本发明：

本发明所述的三轴混合驱动式机械臂，包括底座1、支座2、后臂3、前臂4、手掌5，其特征在于：所述的支座2绕垂直向上的第一轴铰接在所述的底座1上，所述的后臂3的下端绕水平的第二轴8铰接在所述的支座2上，所述的前臂4的上端绕第三轴9铰接在后臂3上，所述的前臂4的下端绕第四轴10与手掌5铰接，所述的第二轴8、第三轴9、第四轴10相互平行；

所述的手掌5连接第一连杆机构，所述的第一连杆机构6包括中部铰接在第三轴9上的第一中间连杆60、在前臂4内延伸的前臂连杆61、在后臂3内延伸的后臂连杆62；所述的后臂连杆62的上端铰接在所述的第一中间连杆60的右侧端部，所述的后臂连杆62的下端铰接在所述的支座2上；所述的前臂连杆61的上端铰接在所述的第一中间连杆60的左侧端部，所述的前臂连杆61的下端铰接在所述的手掌5上；所述的手掌5、前臂连杆61、第一中间连杆60、前臂4形成平行四边形机构，所述的后臂3、后臂连杆62、第一中间连杆60、支座2形成另一个平行四边形机构；

装在前臂连杆61上的第一红外测距仪63对准装在后臂连杆62上的第二红外测距仪64；

所述的前臂4和后臂3内装有驱动前臂4与后臂3相对开合的电磁线圈驱动机构，所述的电磁线圈驱动机构包括第二连杆机构7和电磁线圈；

所述的第二连杆机构7包括：中部铰接在第三轴9上的第二中间连杆70、在前臂4内延伸的相互平行的第一内杆72和第一外杆71、在后臂3内延伸的相互平行的第二内杆74和第二外杆73；第一内杆72和第一外杆71的上端分别铰接在第二中间连杆70的左侧，第二内杆74和第二外杆73的上端分别铰接在第二中间连杆70的右侧；第一电磁线圈75分别与所述的第一内杆72和第一外杆71铰接，第二电磁线圈76分别与所述的第二内杆74和第二外杆73铰接，第一电磁线圈75与第二电磁线圈76位于同一直线上，形成电磁线圈组；所述的第一内杆72和第一外杆71、第二中间连杆70、第一电磁线圈75形成平行四边形机构，所述的第二内杆74和第二外杆73、第二中间连杆70、第二电磁线圈76形成平行四边形机构；

所述的支座2内装有用于驱动支座2绕底座1旋转和后臂3绕支座2转动的蜗轮蜗杆式直流伺服电机；

所述的支座2和后臂3上都装有位置传感器；

所述的位置传感器、第一红外测距仪63、第二红外测距仪64的输出端都连接控制器的输入端，所述的蜗轮蜗杆式直流伺服电机、第一电磁线圈75、第二电磁线圈76的控制端都连接控制器的输出端。

所述的电磁线圈组有二个以上，各电磁线圈组位于所述的第二连杆机构7的不同高度上。

本发明主要包括底座1、支座2、后臂3、前臂4和手掌5等部分，如图1所示。

支座1装在底座2上，在蜗轮蜗杆式直流伺服电机的驱动下，绕底座1做圆周运动，其转动角度记为θ₁，实现机械臂的圆周转动；后臂3装在支座2上，在直流伺服电机的驱动下，绕轴转动，其转动角度记为θ₂，实现后臂3的前后摆动；前臂4装在后臂3上，由电磁线圈产生的磁场力控制，绕轴转动，其转动角度记为θ₃，实现前臂4的摆动；手掌5装在前臂4上，通过前臂连杆61、第一中间连杆60和后臂连杆组62构成的平行四边形机构，如图2所示，始终保持与底座平行，以便满足工作需要；手掌5上装有末端执行器，用于完成特定的任务。

机械臂的前臂3由电磁线圈产生的磁场力控制，其结构如图3所示。

图3中后臂3和前臂4上装有3组电磁线圈、第一红外测距仪63、第二红外测距仪64、第二外杆73、第二内杆74、第二中间连杆70和第一外杆71、第一内杆72等机构。多组电磁线圈成对分布，用于产生磁场力，三组电磁线圈在第二连杆机构7的作用下随前后臂的转动而不断调整位置。

第二中间连杆70的转动角度α由后臂3转动角度θ₂和前臂4的转动角度θ₃决定，其对应关系为α＝θ₃-θ₂，如此在前臂4和后臂3的转动过程中，第二中间连杆70不断调整转动角度，并带动第二外杆73、第二内杆74和第一外杆71、第一内杆72不断调整转动角度，从而保证电磁线圈组始终处于同一直线上，进而能够以最佳角度驱动前臂4的转动，电磁线圈中的电流大小由控制系统根据负载质量、手掌5和前臂4质量、前臂4转动角度等参数信息给定；两组红外测距仪用于检测后臂3与前臂4间的距离，并根据平面三角形的边角关系求得后臂3和前臂4间的实际角度，控制系统根据实际角度与期望角度之间的关系给定电磁线圈相应的控制电流。

机械臂的控制系统主要包括工控机、运动控制卡、驱动器、直流伺服电机、电磁线圈和红外测量仪等部分，控制系统框图如图4所示。

运动控制卡接受来自工控机的指令，并将其转变为运动指令送给驱动器，同时工控机能够实时显示机械臂的位置信号。驱动器将运动指令转变为电流信号控制直流伺服电机和电磁线圈，实现电机的转动和磁力的产生，磁力的大小通过电流的大小进行控制。支座2和后臂3的转动角度通过位置传感器进行检测并传送给运动控制卡，前臂相对后臂的转动角度通过红外测距仪进行检测，检测到的结果传回运动控制卡并计算求解。

电磁线圈的控制过程参照图5进行说明。

图5中，B点和C点为两组红外测距仪，A点为后臂3和前臂4之间的转轴，AB与AC等距离，故三点构成等腰三角形，后臂3和前臂4间的实际角度为θ。取两组红外测距仪所测值的平均值为BC的长度，则实际转角θ可通过平面三角形的边角关系求得：θ＝cos^-1((AB²+AC²-BC²)/(2AB·AC))。

本发明中设计到m(m≥1)组电磁线圈对，后臂3和前臂4在转动的过程中，每组电磁线圈始终保持在一条直线上，根据图4可知每组电磁线圈间距离为：

$E_i{F}_i=\sqrt{{\mathrm{MM}}_i^2+{\mathrm{NN}}_i^2-{2\mathrm{MM}}_i\·{\mathrm{NN}}_i\·\cos \mathrm{\θ}}+\mathrm{MN}-M_i{E}_i-N_i{F}_i(1\≤i\≤m),$ 其中MM、MM_i、NN_i、M_iE_i、N_iF_i为已知长度，故每组电磁线圈间距离与实际转角θ间存在一定的关系。为避免电磁线圈组间磁场的相互干扰，相邻两组电磁线圈间需保持一定的距离。电线线圈通电后M_iE_i线圈和N_iF_i线圈同时产生磁场，且两磁场间相互作用，根据实际需要通过改变电流方向产生吸引力或排斥力。

磁场强度B＝μnI，其中μ为真空中的磁导率，n为线圈匝数，I为电流。可见磁场强度与线圈电流大小成正比，故可通过调整电流大小控制磁场强弱，进而控制磁场间的相互作用力。m组电磁线圈产生的合力为电磁线圈产生的合力用来驱动前臂转动。前臂的转动采用机械限位。

本发明的工作过程是：

工作开始时，根据给定的末端运动轨迹，通过机械臂的反解计算求得各驱动轴的转动角度，将求得的转动角度作为指令下发给控制系统，这部分由工控机和运动控制卡完成。第一轴和第二轴的控制由电机完成，运动控制卡将转动角度信号下发给驱动器，由驱动器产生运动指令控制直流伺服电机的转动，实现支座和后臂的转动。第三轴由电磁线圈控制，运动控制卡根据负载质量、手掌和前臂质量、转动角度等信息，计算需要给各组线圈施加的电流大小，并下发给驱动器，完成各组电磁线圈的磁场控制。

m组线圈产生的磁场合力与负载、手掌与前臂的重力和G_合相平衡，红外测距仪用于检测前臂与后臂间的距离，并实时计算前臂与后臂间的转动角度。通过电磁线圈产生磁场力来控制前臂的转动需要一个过程，具体如下：

1)当实际角度未达到给定角度值时，磁场合力F_总要大于G_合，此时前臂处于加速运动状态；

2)当实际角度快接近给定角度值时，磁场合力F_总逐渐减小，并接近G_合，此时前臂处于减速运动状态；

3)当实际角度等于腰给定角度时，磁场合力F_总等于G_合，此时前臂处于平衡状态；

4)当实际角度大于给定角度时，磁场合力F_总变方向，改变前臂的运动方向，此时前臂处于减速状态。

本发明的创新之处是：

1)采用直流伺服电机驱动和电磁线圈驱动的混合驱动方式，前两轴由直流伺服电机驱动，能够实现支座和后臂的精确控制，第三轴采用电磁线圈控制，电磁线圈驱动避免了空间复杂机构的存在，减少了机械臂所占的空间体积；

2)电磁线圈驱动部分，多组电线线圈在第二中间连杆70、第一外杆71、第一内杆72、第二外杆73、第二内杆74的作用下随前后臂的转动而不断调整位置，始终保持在同一条直线上，如此便可以最佳角度、最大磁场力驱动前臂的转动；

3)多组电磁线圈同时存在，避免了磁场力不足的情况；

4)装有两组红外测距仪，用于实时检测前后臂之间的距离，计算时取两组所测数据的平均值，通过平面三角形的边角关系可求得后臂和前臂之间的实际角度；

5)红外测距仪的存在不仅可以实时检测后臂和前臂间的实际角度，还可以为控制系统提供角度信号，避免转动角度不够或过大的现象；

6)当实际转角为锐角时，远离连杆MM的电磁线圈产生的磁场强度最强，提供所需要的大部分磁场力，此时靠近连杆MM的电磁线圈产生微弱的反向磁场力，用以保证前臂运动的平稳；当实际转角为钝角时，靠近连杆MM的电磁线圈产生的磁场强度最强，提供所需磁场力的大部分，此时远离连杆MM的电磁线圈产生反向磁场力，用以保证前臂运动的平稳；

7)多组电磁线圈的存在，可以实现排斥力与吸引力同时存在的情况，以保证前臂能够平稳旋转。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.三轴混合驱动式机械臂，包括底座、支座、后臂、前臂、手掌，其特征在于：所述的支座绕垂直向上的第一轴铰接在所述的底座上，所述的后臂的下端绕水平的第二轴铰接在所述的支座上，所述的前臂的上端绕第三轴铰接在后臂上，所述的前臂的下端绕第四轴与手掌铰接，所述的第二轴、第三轴、第四轴相互平行；

所述的手掌连接第一连杆机构，所述的第一连杆机构包括中部铰接在第三轴上的第一中间连杆、在前臂内延伸的前臂连杆、在后臂内延伸的后臂连杆；所述的后臂连杆的上端铰接在所述的第一中间连杆的右侧端部，所述的后臂连杆的下端铰接在所述的支座上；所述的前臂连杆的上端铰接在所述的第一中间连杆的左侧端部，所述的前臂连杆的下端铰接在所述的手掌上；所述的手掌、前臂连杆、第一中间连杆、前臂形成平行四边形机构，所述的后臂、后臂连杆、第一中间连杆、支座形成另一个平行四边形机构；

装在前臂连杆上的第一红外测距仪对准装在后臂连杆上的第二红外测距仪；

所述的前臂和后臂内装有驱动前臂与后臂相对开合的电磁线圈驱动机构，所述的电磁线圈驱动机构包括第二连杆机构和电磁线圈；

所述的第二连杆机构包括：中部铰接在第三轴上的第二中间连杆、在前臂内延伸的相互平行的第一内杆和第一外杆、在后臂内延伸的相互平行的第二内杆和第二外杆；第一内杆和第一外杆的上端分别铰接在第二中间连杆的左侧，第二内杆和第二外杆的上端分别铰接在第二中间连杆的右侧；第一电磁线圈分别与所述的第一内杆和第一外杆铰接，第二电磁线圈分别与所述的第二内杆和第二外杆铰接，第一电磁线圈与第二电磁线圈位于同一直线上，形成电磁线圈组；所述的第一内杆和第一外杆、第二中间连杆、第一电磁线圈形成平行四边形机构，所述的第二内杆和第二外杆、第二中间连杆、第二电磁线圈形成平行四边形机构；

所述的支座内装有用于驱动支座绕底座旋转和后臂绕支座转动的蜗轮蜗杆式直流伺服电机；

所述的支座和后臂上都装有位置传感器；

所述的位置传感器、第一红外测距仪、第二红外测距仪的输出端都连接控制器的输入端，所述的蜗轮蜗杆式直流伺服电机、第一电磁线圈、第二电磁线圈的控制端都连接控制器的输出端。

2.如权利要求1所述的三轴混合驱动式机械臂，其特征在于：所述的电磁线圈组有二个以上，各电磁线圈组位于所述的第二连杆机构的不同高度上。