CN104802185A - 五自由度机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种五自由度机械臂，包括底座、底座回转组件、机架、大臂、小臂、大臂推杆、小臂推杆、手腕俯仰推杆、手腕回转组件、手腕接口、前连杆、平衡板。上述部件在工作过程中形成两种工作模式：第一种，设定手腕俯仰推杆的长度为大臂长度且保持不变，通过两个平行四边形连杆结构保证手腕接口始终保持姿态不变，实现手腕接口在垂直平面内两自由度平动；第二种，大臂推杆、小臂推杆以及手腕俯仰推杆联动，实现手腕接口在垂直平面内三自由度平动与转动。本发明能实现更好的动力能量分配，获得更好的结构刚度和动态性能；通过模块化设计简化结构参数，在产品成本、可维护性、可靠性方面具有一定实用价值。
Description
技术领域
[0001] 本发明涉及一种机械技术领域的机械臂装置，具体地，涉及一种五自由度机械臂。
背景技术
[0002] 工业自动化生产领域多采用专用机器或机械臂实现物料的搬运、焊接和组装等作业，以提高作业质量和作业效率。不同的生产要求和不同的物料使得这些设备形态各异。相对于专用机器，机械臂占地面积小，结构简单，操作灵活，可实现柔性作业，在搬运、焊接和组装等领域获得了普遍的应用。机械臂的结构形式中比较有代表性的如通用关节型工业机械臂，或者SCARA形平面坐标机械臂等。根据作业的复杂程度，通常用4-6个自由度实现搬运、焊接和组装功能。机械臂的自由度少，动作的复杂程度就低，实现的作业功能就单一。另一方面，机械臂的自由度多，实现的作业功能就复杂。但是在进行一些简单动作时，多自由度机械臂往往无法直接进行减自由度简化操作，存在功能及成本的浪费，无法做到更加柔性灵活地应对应用变化。因此，有必要发明一种多功能的多自由度机械臂(如五自由度)，既可以进行较为复杂的作业，又可以简单的实现减自由度结构(如降低到四自由度)，以灵活的满足生产及成本的要求。
[0003] 经对现有技术的文献检索发现，专利号为2014105887365，名称为“联动码垛机器臂”的中国专利提出一种两推杆结构的四自由度的联动码垛机器人，其机架与大臂、后连杆、大臂推杆以及小臂推杆销接，大臂推杆的另一个端点与大臂销接，大臂推杆以及小臂推杆的联动可以带动大臂与小臂的俯仰运动，从而实现手腕接口在垂直平面内的合成运动。该专利通过机架、大臂、后连杆、平衡板之间形成的第一个平行四边形，以及小臂、前连杆、平衡板、手腕接口之间形成的第二个平行四边形保证了手腕接口始终保持姿态不变。然而，这种两个自由度的耦合运动不能实现手腕接口的俯仰动作，不能实现非水平面方向的工作要求。
发明内容
[0004] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种五自由度机械臂，可以实现两种功能的机械臂运动模式，同时采用了模块化设计思想，降低了零件种类和维护成本。
[0005] 为实现以上目的，本发明提供一种五自由度机械臂，包括:底座、底座回转组件、机架、大臂、手腕俯仰推杆、前连杆、小臂、手腕回转组件、手腕接口、小臂推杆、大臂推杆、平衡板，其中:
[0006] 底座回转组件连接底座和机架，实现机架相对于底座的回转动作；
[0007] 手腕回转组件与手腕接口固定，实现手腕接口的回转动作；
[0008] 大臂的第一端点A和大臂推杆的第一端点F分别销接在机架上，大臂推杆的第二端点E与大臂销接；大臂推杆沿自身的长度方向伸长或收缩动作使得大臂沿大臂的第一端点A形成的轴线进行俯仰动作；
[0009] 小臂销接在大臂的第二端点B上，小臂推杆第一端点G销接在机架上，小臂推杆的第二端点与小臂的第一端点C销接；小臂推杆沿自身的长度方向伸长或收缩动作使得小臂沿大臂的第二端点B形成的轴线进行俯仰动作；
[0010] 手腕俯仰推杆的第一端点O销接在机架上、第二端点销接于平衡板的第一端点P，平衡板与小臂、大臂共同销接在大臂的第二端点B上，平衡板的第二端点与前连杆的第一端点Q销接在一起，同时前连杆的第二端点与手腕回转组件的第一端点R销接，手腕回转组件的第二端点D与小臂的第二端点销接；手腕俯仰推杆沿自身长度方向伸长或收缩动作使得手腕回转组件沿手腕回转组件的第二端点D形成的轴线进行俯仰动作。
[0011] 本发明上述五自由度机械臂有两种工作模式:
[0012] 在第一种工作模式中，设定手腕俯仰推杆的长度OP与大臂的长度AB相同且保持不变，在几何上使得大臂的第一端点A、手腕俯仰推杆的第一端点O之间长度AO与大臂的第二端点B、平衡板的第一端点P之间长度BP相等，由此四个端点之间形成平行四边形ABPO连杆结构；同时，小臂、前连杆、手腕回转组件和平衡板之间，在几何上使得手腕回转组件的第二端点D、手腕回转组件的第一端点R之间长度DR与大臂的第二端点B、前连杆的第一端点Q之间长度BQ相等，大臂的第二端点B、手腕回转组件的第二端点D之间长度BD与前连杆的第一端点Q、手腕回转组件的第一端点R之间长度QR相等，由此四个端点之间形成平行四边形BDRQ连杆结构；通过这两个平行四边形ABPO和BDRQ连杆结构能够保证手腕接口保持姿态不变，从而实现手腕接口在垂直平面内具有两个自由度的平动；
[0013] 在第二种工作模式中，在上述的ABPO四边形中，大臂的第一端点A、手腕俯仰推杆的第一端点O之间的长度AO与大臂的第二端点B、平衡板的第一端点P之间的长度BP仍旧相等，手腕俯仰推杆的长度OP通过手腕俯仰推杆的伸长和收缩改变；单独变化大臂推杆的长度EF或者小臂推杆的长度CG，则将引起手腕接口在垂直平面内进行单自由度的摆动；单独变化手腕俯仰推杆的长度0P，则将引起手腕接口绕手腕回转组件的第二端点D形成的轴线转动；大臂推杆、小臂推杆以及手腕俯仰推杆联动，实现手腕接口在垂直平面内任意位置的平动与转动。
[0014] 优选地，所述底座回转组件连接底座和机架，通过常规的回转传动器件实现机架相对于底座的回转动作；手腕回转组件与手腕接口固定，也通过常规的回转传动器件实现手腕接口的回转动作。
[0015] 优选地，所述的大臂推杆、小臂推杆和手腕俯仰推杆都可以由直线传动器件实现。
[0016] 更优选地，所述的直线传动器件，是伺服电机与滚珠丝杠或者梯形丝杠的组合，或者由液压、气缸部件实现。
[0017] 优选地，单独动作所述大臂推杆、小臂推杆或者手腕俯仰推杆能实现手腕接口沿某一轴线的摆动；大臂推杆、小臂推杆联动，或者大臂推杆、小臂推杆和手腕俯仰推杆联动，可以实现手腕接口沿特别是包括重力方向在内的合成运动；在重力方向的做功由大臂推杆和小臂推杆共同分担实现，这有助于降低对大臂推杆和小臂推杆的动力器件的要求；手腕俯仰推杆的作用在于手腕与水平面之间夹角的调节。
[0018] 优选地，所述的大臂推杆、小臂推杆和手腕俯仰推杆可以分布在同一个垂直平面上，也可以不分布在同一个垂直平面上，可以用同样的参数结构实现模块化设计，实现更好的动力能量分配、更好的结构刚度、更好的动态性能。
[0019] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0020] 本发明所述的五自由度机械臂通过动力元器件后置的方式实现了更好的动力能量分配，获得了更好的结构刚度、更好的动态性能等特性。大臂推杆、小臂推杆以及手腕俯仰推杆可以通过模块化设计简化结构参数，在产品成本、可维护性、可靠性等方面均具有一定的实用价值。另外，还可以手腕俯仰推杆长度降低为四自由度工作模式，从而实现机械臂的两种运动功能状态。
附图说明
[0021] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0022] 图1为本发明五自由度机械臂的结构示意图；
[0023]图2为本发明五自由度机械臂在第二种工作模式中单独动作小臂推杆时的手腕接口动作示意图；
[0024]图3为本发明五自由度机械臂在第二种工作模式中单独动作大臂推杆时的手腕接口动作示意图；
[0025]图4为本发明五自由度机械臂在第二种工作模式中单独动作手腕俯仰推杆时的手腕接口动作示意图；
[0026]图5为本发明五自由度机械臂在第一种工作模式中单独动作小臂推杆时的手腕接口动作示意图；
[0027]图6为本发明五自由度机械臂在第一种工作模式中单独动作大臂推杆时的手腕接口动作示意图；
[0028] 图中:底座I，底座回转组件2，机架3，大臂4，手腕俯仰推杆5，前连杆6，小臂7，手腕回转组件8，手腕接口 9，小臂推杆10，大臂推杆11，平衡板12 ;
[0029] A为大臂的第一端点、B为大臂的第二端点、C为小臂的第一端点、D为手腕回转组件的第二端点、E为大臂推杆的第二端点、F为大臂推杆的第一端点、G为小臂推杆的第一端点、O为手腕俯仰推杆的第一端点、P为平衡板的第一端点、Q为前连杆的第一端点、R为手腕回转组件的第一端点。
具体实施方式
[0030] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0031] 如图1所示，本实施例提供一种五自由度机械臂，包括:底座1、底座回转组件2、机架3、大臂4、手腕俯仰推杆5、前连杆6、小臂7、手腕回转组件8、手腕接口 9、小臂推杆10、大臂推杆11和平衡板12。
[0032] 如图1、图3和图6所示，大臂4的第一端点A销接在机架3上，大臂推杆11的第一端点F也销接在机架3上，大臂推杆11的第二端点E与大臂4销接(该连接点位于大臂的第一端点A、大臂的第二端点B之间)，大臂推杆11沿自身的长度方向伸长或收缩动作使得大臂4沿大臂的第一端点A形成的轴线进行俯仰动作。
[0033] 如图1、图2和图5所示，小臂7销接在大臂4的第二端点B上，小臂推杆10的第一端点G销接在机架3上，小臂推杆10的第二端点与小臂7的第一端点C销接，小臂推杆10沿自身的长度方向伸长或收缩动作使得小臂7沿大臂的第二端点B形成的轴线进行俯仰动作。
[0034] 如图1和图4所示，手腕俯仰推杆5的第一端点O销接在机架3上，手腕俯仰推杆5的第二端点销接于平衡板12的第一端点P，平衡板12与小臂7、大臂4共同销接于大臂4的第二端点B，平衡板12的第二端点与前连杆6的第一端点Q销接在一起，同时前连杆6的第二端点与手腕回转组件8的第一端点R销接在一起，手腕回转组件8的第二端点D与小臂7的第二端点销接；手腕俯仰推杆5沿自身长度方向伸长或收缩动作使得手腕回转组件8沿手腕回转组件8的第二端点D形成的轴线进行俯仰动作。
[0035] 本实施例中，所述底座回转组件2连接底座I和机架3，通过常规的回转传动器件实现机架3相对于底座I的回转动作。
[0036] 本实施例中，所述手腕回转组件8与手腕接口 9固定，也通过常规的回转传动器件实现手腕接口 9的回转动作。
[0037] 本实施所述的五自由度机械臂有两种工作模式:
[0038] 如图1、图5和图6所示，在第一种工作模式中，设定手腕俯仰推杆5的长度OP与大臂4的长度AB相同且保持不变，在几何上使得大臂4的第一端点A、手腕俯仰推杆5的第一端点O之间长度AO与大臂4的第二端点B、平衡板12的第一端点P之间长度BP相等，由此四个端点形成平行四边形ABPO连杆结构；同时，小臂7、前连杆6、手腕回转组件8和平衡板12之间，在几何上使得手腕回转组件8的第二端点D、手腕回转组件8的第一端点R之间长度DR与大臂4的第二端点B、前连杆6的第一端点Q之间长度BQ相等，大臂4的第二端点B、手腕回转组件8的第二端点D之间长度BD与前连杆6的第一端点Q、手腕回转组件8的第一端点R之间长度QR相等，由此四个端点形成平行四边形BDRQ连杆结构；通过这两个平行四边形ABPO和BDRQ连杆结构可以保证手腕接口 9保持姿态不变，从而实现手腕接口9在垂直平面内具有两个自由度的平动；
[0039] 如图1、图2、图3和图4所示，在第二种工作模式中，在ABPO四边形中，大臂4的第一端点A、手腕俯仰推杆5的第一端点O之间的长度AO与大臂4的第二端点B、平衡板12的第一端点P之间的长度BP仍旧相等，手腕俯仰推杆5的长度OP通过手腕俯仰推杆5的伸长和收缩改变；单独变化大臂推杆11的长度EF或者小臂推杆10的长度CG，则将引起手腕接口 9在垂直平面内进行单自由度的摆动；单独变化手腕俯仰推杆5的长度0P，则将引起手腕接口 9绕手腕回转组件8的第二端点D形成的轴线转动；大臂推杆11、小臂推杆10以及手腕俯仰推杆5联动，实现手腕接口 9在垂直平面内任意位置的平动与转动。
[0040] 由此，本实施例实现了腰部回转，大臂俯仰，小臂俯仰，手腕俯仰，手腕回转五个自由度。
[0041] 如图1所示，所述的大臂推杆11、小臂推杆10和手腕俯仰推杆5都可以由常规的直线传动器件实现，如伺服电机与滚珠丝杠或者梯形丝杠的组合，或者由液压、气缸部件实现；无论单独动作大臂推杆11、小臂推杆10或者手腕俯仰推杆5，都只能实现手腕接口 9沿某一轴线的摆动，只有大臂推杆11和小臂推杆10联动或者大臂推杆11、小臂推杆10和手腕俯仰推杆5联动时，才能够实现手腕接口 9在重力平面内的二自由度平动或者三自由度平动与转动。也就是说，在重力方向的做功是大臂推杆11和小臂推杆10共同分担实现的，这有助于降低对大臂推杆11和小臂推杆10的动力器件的要求，在合理的优化设计下，大臂推杆11、小臂推杆10和手腕俯仰推杆5可以用同样的参数结构实现模块化设计。
[0042] 上述所述的五自由度机械臂不仅可以实现五自由度的复杂工作模式，也可以实现四自由度的简单工作模式，从而更好地分配了动力能量，获得了更好的结构刚度、更好的动态性能。大臂推杆11、小臂推杆10以及手腕俯仰推杆5可以分布在同一个垂直平面上，也可以不分布在同一个垂直平面上，可以实现动力更好的分配，降低机座及零件在工作过程中的负载。另外，通过模块化设计简化了结构参数，在产品成本、可维护性、可靠性等方面均具有一定的实用价值。
[0043] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (7)
1.一种五自由度机械臂，其特征在于，包括底座(I)、底座回转组件(2)、机架(3)、大臂(4)、手腕俯仰推杆(5)、前连杆(6)、小臂(7)、手腕回转组件(8)、手腕接口(9)、小臂推杆(10)、大臂推杆(11)、平衡板(12)，其中: 底座回转组件⑵连接底座⑴和机架(3)，实现机架(3)相对于底座⑴的回转动作； 手腕回转组件(8)与手腕接口(9)固定，实现手腕接口(9)的回转动作； 大臂(4)的第一端点(A)和大臂推杆(11)的第一端点(F)分别销接在机架(3)上，大臂推杆(11)的第二端点(E)与大臂(4)销接；大臂推杆(11)沿自身的长度方向伸长或收缩动作使得大臂(4)沿大臂(4)的第一端点(A)形成的轴线进行俯仰动作； 小臂(7)销接在大臂(4)的第二端点(B)上，小臂推杆(10)第一端点(G)销接在机架(3)上，小臂推杆(10)的第二端点与小臂(7)的第一端点(C)销接；小臂推杆(10)沿自身的长度方向伸长或收缩动作使得小臂(7)沿大臂(4)的第二端点(B)形成的轴线进行俯仰动作； 手腕俯仰推杆(5)的第一端点(O)销接在机架(3)上、第二端点销接于平衡板(12)的第一端点(P)，平衡板(12)与小臂(7)、大臂(4)共同销接在大臂⑷的第二端点⑶上，平衡板(12)的第二端点与前连杆(6)的第一端点(Q)销接在一起，同时前连杆(6)的第二端点与手腕回转组件(8)的第一端点(R)销接，手腕回转组件⑶的第二端点⑶与小臂(7)的第二端点销接；手腕俯仰推杆(5)沿自身长度方向伸长或收缩动作使得手腕回转组件(8)沿手腕回转组件(8)的第二端点(D)形成的轴线进行俯仰动作。
2.根据权利要求1所述的一种五自由度机械臂，其特征在于，上述五自由度机械臂有两种工作模式: 在第一种工作模式中，设定手腕俯仰推杆(5)的长度OP与大臂(4)的长度AB相同且保持不变，在几何上使得大臂(4)的第一端点(A)、手腕俯仰推杆(5)的第一端点(O)之间长度AO与大臂(4)的第二端点(B)、平衡板(12)的第一端点⑵之间长度BP相等，由此四个端点之间形成平行四边形ABPO连杆结构；同时，小臂(7)、前连杆(6)、手腕回转组件(8)和平衡板(12)之间，在几何上使得手腕回转组件(8)的第二端点(D)、手腕回转组件(8)的第一端点(R)之间长度DR与大臂(4)的第二端点(B)、前连杆(6)的第一端点(Q)之间长度BQ相等，大臂(4)的第二端点(B)、手腕回转组件⑶的第二端点⑶之间长度BD与前连杆(6)的第一端点(Q)、手腕回转组件⑶的第一端点(R)之间长度QR相等，由此四个端点之间形成平行四边形BDRQ连杆结构；通过这两个平行四边形ABPO和BDRQ连杆结构能够保证手腕接口(9)保持姿态不变，从而实现手腕接口(9)在垂直平面内具有两个自由度的平动； 在第二种工作模式中，在上述的ABPO四边形中，大臂(4)的第一端点(A)、手腕俯仰推杆(5)的第一端点(O)之间的长度AO与大臂(4)的第二端点(B)、平衡板(12)的第一端点(P)之间的长度BP仍旧相等，手腕俯仰推杆(5)的长度OP通过手腕俯仰推杆(5)的伸长和收缩改变；单独变化大臂推杆(11)的长度EF或者小臂推杆(10)的长度CG，则将引起手腕接口(9)在垂直平面内进行单自由度的摆动；单独变化手腕俯仰推杆(5)的长度0P，则将引起手腕接口(9)绕手腕回转组件⑶的第二端点⑶形成的轴线转动；大臂推杆(11)、小臂推杆(10)以及手腕俯仰推杆(5)联动，实现手腕接口(9)在垂直平面内任意位置的平动与转动。
3.根据权利要求1所述的一种五自由度机械臂，其特征在于，单独动作所述大臂推杆(11)、小臂推杆(10)或者手腕俯仰推杆(5)能实现手腕接口(9)沿某一轴线的摆动；大臂推杆(11)和小臂推杆(10)联动，或者大臂推杆(U)、小臂推杆(10)和手腕俯仰推杆(5)联动，能够实现手腕接口(9)沿包括重力方向在内的合成运动，在重力方向的做功由大臂推杆(11)和小臂推杆(10)共同分担实现。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种五自由度机械臂，其特征在于，所述的大臂推杆(11)、小臂推杆(10)和手腕俯仰推杆(5)由直线传动器件实现。
5.根据权利要求4所述的一种五自由度机械臂，其特征在于，所述的直线传动器件，是伺服电机与滚珠丝杆或者梯形丝杆的组合，或者由液压、气缸部件实现。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种五自由度机械臂，其特征在于，所述的大臂推杆(11)、小臂推杆(10)和手腕俯仰推杆(5)采用同样的参数结构实现模块化设计。
7.根据权利要求1-3任一项所述的一种五自由度机械臂，其特征在于，所述的大臂推杆(11)、小臂推杆(10)和手腕俯仰推杆(5)分布在同一个垂直平面上，或者不分布在同一个垂直平面上。
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