CN104924303B - 一种共用动力的多关节机械手装置 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种共用动力的多关节机械手装置，所述多关节机械手装置包括两个电机和对应的控制设备、多个横向关节、一个纵向关节和剪刀组成。两个电机一个提供动力，一个起控制作用，因此可固定于距离关节较远处。动力电机的转动通过同步带传递到各个横向关节和纵向关节动力同步带轮。控制电机的转动也通过同步带传递给各关节的控制用主动同步带轮，在通过控制离合器传递给控制用从动同步带轮。控制用主动同步带轮的两面个固定有一个凸轮，各关节的凸轮工作面都有一定相位差。使凸轮转动一定角度，可使相应关节激活并产生转动。本发明多关节机械手装置使用电机少，可降低成本；在各关节完全避开了带电设备，可用于煤矿等具有防爆要求的特殊环境。

Description

一种共用动力的多关节机械手装置

技术领域

本发明涉及一种机械手装置，特别涉及一种共用动力的多关节机械手装置。

背景技术

目前，不仅在工业生产领域，而且在服务、救援等其他领域，高度自动化的机械手正得到越来越普及的应用。通常机械手都通过专门的电机给单个关节提供动力，通过控制各个电机来实现对应关节的运动。这种方法比较成熟，在没有特殊要求的作业环境得到广泛应用。缺点是对于需要精确控制的机械手来说，各个关节的伺服电机和驱动器都十分昂贵，如果数量多，就会造成很高成本。另一方面，在煤矿、油井和有可燃气体泄漏的灾难环境，对作业机器人有防爆要求。目前有一种解决办法是对多关节机械手各个关节的的电机、导线和控制设备加装防爆外壳。但厚重的防爆外壳将严重影响了机械手的灵活性。本发明就是针对这些问题而提出的一种新型共用动力的多关节机械手装置，无论有几个关节，都只需要两部电机，因此成本很低；关节部分无通电器件，因此可用于有防爆要求的环境，并且活动自如。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种只需使用两个电机的共用动力的多关节机械手装置。

所述共用动力的多关节机械手装置包括两个电机和对两个电机的控制设备，多个横向关节、一个纵向关节和剪刀。两个电机其中一个为控制电机，另一个为动力电机。每个横向关节可提供上下摆动一个自由度，可根据整体所需自由体确定横向关节数量。纵向关节可为剪刀的转动和剪切提供动力。所有横向关节、纵向关节和剪刀都为纯机械结构，不含任何通电部分。电机可固定在远离关节的地方，通过同步带向关节传递动力。若应用在需要防爆保护的场所，只需对电机单独加装防爆壳即可。机械手的各关节无需加装防爆壳，因此可保持其灵活性。

每个自由度都通过一个凸轮机构来控制其运动。对应各个自由度的凸轮工作面有一定的相位差。通过同步带使各凸轮同步转动。当某个凸轮的工作面接触推杆时，该凸轮就会被推杆推动，对应关节就被激活，该关节产生运动，而其他关节则保持不动。使凸轮转过不同角度，可使不同的关节产生运动。

所述多关节机械手装置的单个横向关节包括动力同步带轮、控制用主动同步带轮、控制用从动同步带轮、控制离合器、动力离合器、控制过轮、动力过轮、控制轴、关节轴、锥齿轮、蜗轮蜗杆以及一些固定件。动力同步带轮、控制用从动和主动同步带轮都绕控制轴转动，动力过轮、控制过轮绕关节轴转动。

所述动力同步带轮，有两排轮齿，一排用于通过同步带与前一关节的动力过轮(或动力电机上的同步带轮)连接，另一排用于与动力过轮连接。它通过两排轴承安装于控制轴上，可绕控制轴转动，但不可沿控制轴轴向滑动。

所述控制用主动同步带轮，有一排轮齿，用于通过同步带与前一关节的控制过轮(或控制用电机上的同步带轮)连接。

所述控制用从动同步带轮，有一排轮齿，用于通过同步带轮与控制过轮连接。

所述动力同步带轮、控制用主动同步带轮和控制用从动同步带轮从右至左排列于控制轴上，它们可绕控制轴转动，但不可沿控制轴轴向移动。

所述动力离合器从左至右包括一对动力离合凸轮推杆、一个推力轴承、一个移动滑块、一个压缩弹簧和一对动力离合齿零件组成。

所述动力离合凸轮固定于控制用主动同步带轮，可随该轮一起转动。当转过特定角度，动力离合凸轮工作面就会接触动力离合推杆。

所述动力离合推杆与移动滑块之间用推力轴承连接，移动滑块与控制轴之间有移动平键，它可沿控制轴轴向滑动，但在圆周方向无法相对运动。滑块左侧固定有一个动力离合齿零件。另一个动力离合齿零件固定在动力同步带轮右侧，可与动力同步带轮一起转动。

所述压缩弹簧位于动力同步带轮和滑块之间。

在所述动力离合凸轮的工作面没有接触推杆时，由于弹簧的弹力作用，两个齿零件之间是分离的。当控制用主动同步带轮转动到一定角度，凸轮工作面开始推动推杆，使推杆、推力轴承、滑块整体向右移动，直至两个齿零件相互啮合。此时，动力同步带轮可带动移动滑块转动，从而带动控制轴转动。

所述锥齿轮包括一个主动锥齿轮和一个从动锥齿轮。主动锥齿轮固定于控制轴上，位于动力同步带轮的右侧，从动锥齿轮与所述蜗杆固定于同一根轴上。主动、从动锥齿轮相互啮合。

所述蜗轮固定在关节轴上。与所述蜗杆啮合。

当控制轴转动时，主动锥齿轮随控制轴同步转动，蜗杆随从动锥齿轮同步转动，从而使蜗轮转动，最终带动关节轴转动，从而实现该关节的运动。主动锥齿轮齿数小于从动锥齿轮，因此锥齿轮减速比大于1；蜗杆将转动传递到蜗轮，可实现很大的减速比。总体来说可大大提高提供给关节轴的扭矩。

所述动力过轮有两排轮齿，一排通过同步带与该关节的动力同步带轮连接，另一排通过同步带与下一关节的动力同步带轮连接。

所述控制过轮有两排轮齿，一排通过同步带与该关节的控制用从动同步带轮连接，另一排齿通过同步带与下一关节的控制用主动同步带轮连接。

所述控制离合器由一对控制离合齿零件和一对控制离合凸轮推杆组成。控制离合凸轮可随控制用主动同步带轮转动，在轴向可与控制用主动同步带轮相对滑动，且两者之间安装有压缩弹簧。一个控制离合齿零件固定于控制用从动同步带轮，另一个控制离合齿零件固定于控制离合凸轮。

最初两控制离合齿零件之间处于啮合状态。当控制用主动同步带轮转动到一定角度时，推杆接触凸轮工作面，将凸轮连同其上固定的控制离合齿零件一起往右推，直至两控制离合齿零件分离。继续转动控制用主动同步带轮，推杆脱离凸轮工作面，又可使两个控制离合齿零件回复啮合状态。控制离合器的作用是，在关节轴转动时，控制过轮会跟随转动，从而带动控制用从动同步带轮转动。这时，就需要将控制用从动同步带轮与控制用主动同步带轮分离。

所述控制离合凸轮和动力离合凸轮必须在控制用主动同步带轮转到相同角度时产生离合作用，并同时消失作用。

若干个此结构的关节串联，可实现多个自由度的运动。

纵向关节可安装剪刀，并且提供剪刀转动的动力和剪切力。纵向关节由两根控制轴组成，其上安装的动力同步带轮、控制用主动同步带轮、控制用从动同步带轮、控制离合器、动力离合器与横向关节基本相同。此外，纵向关节还有纵向关节蜗轮蜗杆、纵向关节锥齿轮、剪刀套筒、动力输出轴等部件。

纵向关节与横向关节的控制轴及其上安装的零件左部相同，不同之处在于，纵向关节的第一控制轴无锥齿轮，最右端安装有纵向关节第一同步带轮，该同步带轮与纵向关节第一控制轴之间为键连接。当所述纵向关节第一控制轴转动时，可带动所述同步带轮转动，通过同步带传动，可使纵向关节第二同步带轮转动。所述纵向关节第二同步带轮与纵向关节蜗杆为键连接，与之啮合的蜗轮与套筒之间位置固定，套筒固定有剪刀。即纵向关节第一控制轴用来控制剪刀的转动。

纵向关节第二控制轴上有锥齿轮，但直径相较于横向关节控制轴更大。与之啮合的锥齿轮与动力输出轴固定。动力输出轴可将转动传递给剪刀的减速机。即纵向关节第二控制轴用来控制剪刀的剪切与张开的动作。所述剪刀无任何通电部件，通过螺纹将不同方向的转动转化为剪刀的剪切与张开。该剪刀可用于剪切铁丝、电缆、光缆等障碍物。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

所述动力电机只需要一台，即可给所有关节提供动力，免去了各个关节都安装电机带来的结构复杂和走线复杂等问题。但由于其在同一时间只给一个关节提供动力，因此只需满足一个关节对功率和扭矩最高要求即可。

所述控制电机用于使控制用同步带轮转动，从而推动凸轮，所需扭矩及功率较小。成本低于一个动力电机。所述动力电机和控制电机都可安装在与机械手有一段距离的地方，比如机器人壳体内，因此如果该机械手用于需要防爆的环境，只需将电机及相应的控制设备加装防爆壳即可。机械手各关节由于是纯机械结构，无需做特殊防护，大大提高了其灵活性。

故本发明的共用动力的多关节机械手装置具有结构简单、灵活，成本低廉，可用于需要防爆的环境的优势。

附图说明

图1是本发明实施例提供的共用动力的多关节机械手装置整体图

图2是本发明实施例提供的机械手装置各关节共用动力的原理图

图3是本发明实施例提供的多关节机械手装置横向关节结构剖视图

图4是本发明实施例提供的多关节机械手装置纵向关节结构立体图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步的详细描述，但不作为对本发明的限定。

参见图1，一种共用动力的多关节机械手装置，包括控制电机1、动力电机2、第一横向关节3、第二横向关节4、第三横向关节5，剪刀旋转关节6，剪刀剪切关节7和两个电机的控制设备。控制电机1与动力电机2均无需安装在机械手上，它们可通过同步带将转动传递给第一横向关节3。若该机械手需应用于煤矿等需要防爆的场合，可单独对两个电机加装防爆壳，而无需对机械手各关节再加装防爆壳。横向关节可根据需要确定其安装数量，优选地，从机械手灵活性与自由度考虑，横向关节数量可为3个。各横向关节之间都由动力传递与控制用两条同步带相连。剪刀旋转关节6与剪刀剪切关节7的动力提供与控制可集中在一个纵向关节内实现。纵向关节与它之前的横向关节之间同样由动力传递与控制用两条同步带相连。

为了实现仅用两个电机控制多个关节分别进行预定的运动，在每个关节都有一套凸轮装置。其控制方式如图2所示。各关节的凸轮由于同步带的牵引而同步运动，但各凸轮的工作面8都有一定的相位差。当某个关节的凸轮工作面8运动到其推杆9的位置，则该关节被激活，从而产生运动，而凸轮则停止转动。当该关节完成预定的运动后，凸轮重新开始转动，直至所需运动的另一关节的凸轮工作面运动到其推杆位置，再停止转动，使该关节开始运动。重复所述过程，则可使所有关节都实现预定运动。

作为优选，图3和图4为实现共用动力进行运动的横向关节和纵向关节结构图。

参见图3，所述多关节机械手装置的横向关节包括动力同步带轮20、控制用主动同步带轮13、控制用从动同步带轮10、控制离合器33、动力离合器34、控制过轮27、动力过轮26、控制轴22、关节轴32、主动锥齿轮21、从动锥齿轮23，横向关节蜗轮25、横向关节蜗杆24、左前臂30、右前臂31以及一些固定件。其中，控制离合器33包括控制离合推板29、控制离合凸轮28、第一齿零件11，第二齿零件12组成。第一齿零件11与控制用从动同步带轮10之间完全固定。第二齿零件12与控制用主动同步带轮之间圆周方向固定，轴向可相对滑动，它们之间沿轴向安装压缩弹簧，在弹簧作用下，第一齿零件11与第二齿零件12处于啮合状态。控制离合凸轮28与第二齿零件12之间完全固定。优选地，控制离合凸轮28可设计成环状包裹在第二齿零件12外围，并在圆周上开孔，利用顶丝将控制离合凸轮28与第二齿零件12固定在一起。

动力离合器34由动力离合凸轮14、动力离合推板15、推力轴承16、移动滑块17、第三齿零件18和第四齿零件19组成。动力离合凸轮14与控制用主动同步带轮13之间完全固定。动力离合推板15与推力轴承16的一个平面同步转动，移动滑块17与推力轴承16的另一个平面同步转动。第三齿零件18与移动滑块17之间完全固定。移动滑块17可沿着控制轴22上的导向键带动动力离合推板15、推力轴承16和第三齿零件18滑动。第四齿零件19与动力同步带轮20之间圆周方向固定，优选地，它们轴向可相对滑动，它们之间沿轴向安装压缩弹簧以及螺丝，以限制第四齿零件19与动力同步带轮20之间的距离。在移动滑块17与动力同步带轮20之间安装有大压缩弹簧35。在此弹簧作用下，在动力离合凸轮14的工作面未推动动力离合推板15上的推杆时，移动滑块处于最左边位置，第三齿零件18与第四齿零件19处于分离状态。控制离合凸轮28与动力离合凸轮14的凸轮工作面起始角度、推程运动角、远休止角、回程运动角完全相同，即这两个凸轮同时开始起作用，同时作用消失。

控制用主动同步带轮13有一排轮齿，与前一横向关节的控制过轮(或控制电机上的同步带轮)通过同步带连接。控制用从动同步带轮10有一排轮齿，与控制过轮27通过同步带连接。动力同步带轮有两排轮齿，一排通过同步带与前一横向关节动力过轮(或动力电机上的同步带轮)连接，另一排与动力过轮26连接。所有同步带轮与轴之间都是通过深沟球轴承连接，因此都可绕轴转动，而不可沿轴向移动。

主动锥齿轮21与控制轴22，从动锥齿轮23与蜗杆24，蜗轮25与关节轴32之间都为键连接。通过这四个零件，可将控制轴22的转动传递到关节轴32。优选地，齿轮减速比为2:3，蜗杆减速比为1:60。蜗杆具有自锁能力。

下面将描述使该关节被激活并产生运动，然后停止运动并最终被冻结的过程。

第一步，使控制电机1转动，从而使各关节的控制用主动同步带轮13、控制用从同步带轮10以及控制过轮27都同步转动。当控制离合凸轮28的凸轮工作面转到控制离合推板29上的推杆位置时，第一齿零件11与第二齿零件12相互分离。由于动力离合凸轮14与控制离合凸轮28是同时起作用的，因此这时动力离合凸轮14的工作面也推动动力离合推板15上的推杆，使得移动滑块17带着与其连接的其他零件向右滑动，直至第三齿零件18与第四齿零件19互相啮合。当两个推板都到达对应凸轮工作面的远休止区时，使控制电机停止转动。此时该关节被激活。优选地，动力离合凸轮14的凸起高度，即移动滑块17的移动距离应略大于该关节激活前第三齿零件18与第四齿零件19之间的距离。这样当该关节被激活时，可确保第三齿零件18与第四齿零件19之间啮合牢固。

第二步，使动力电机2转动，从而使各关节的动力同步带轮20、动力过轮26都同步转动。由于只有被激活关节的第三齿零件18与第四齿零件19是啮合的，因此动力同步带轮会带动移动滑块17转动，从而推动控制轴22转动，主动锥齿轮21、从动锥齿轮23、蜗杆24、蜗轮25、关节轴32都随之转动，最终实现左前臂30和右前臂31的摆动。左前臂30和右前臂31的摆动即是带动前一关节绕关节轴32的圆周运动，若要维持前一关节上的控制用主动同步带轮相对于前一关节的控制轴不转动，则控制过轮27相对于关节轴必须不转动，而相对于控制轴22则会产生转动，由于同步带的传递，控制用从同步带轮10则产生了转动。由于控制离合器33的存在，此时第一齿零件11与第二齿零件12已经分离，控制用从动同步带轮10的转动则不会对静止的控制用主动同步带轮13产生影响。

第三步，左前臂30和右前臂31同时运动到所需的位置时，使动力电机停止转动。

第四步，使控制电机1转动，使两个凸轮的工作面都离开对应推板的推杆，第一齿零件11与第二齿零件12啮合，移动滑块17在大压缩弹簧35作用下向左滑动，第三齿零件18与第四齿零件19分离。此时，该关节回到了冻结状态。

参见图4，纵向关节上横向安装有两根轴，都为控制轴，其结构与横向关节的控制轴22相似。

纵向关节第一控制轴40的控制离合器、动力离合器、控制用主动同步带轮、控制用从动同步带轮、动力同步带轮的结构、安装位置和功能与横向关节的控制轴22上安装的这些零件完全一致。与横向关节控制轴22的不同之处在于，纵向关节第一控制轴40上没有安装锥齿轮，在轴的右部安装有纵向关节第一同步轮41，它与纵向关节第一控制轴40之间是键连接。它通过同步带与纵向关节第二同步轮45连接，纵向关节第二同步轮45与与纵向关节蜗杆36之间为键连接，纵向关节蜗杆36与纵向关节蜗轮39相啮合且可自锁，纵向关节蜗轮39固定在套筒37上，套筒37与剪刀相固定。因此，纵向关节第一控制轴40及其上安装的零件实际构成了剪刀旋转关节6。

纵向关节第一控制轴40的激活方式与横向关节相同。被激活以后，使动力电机2转动，则可最终实现剪刀的转动。

纵向关节第二控制轴43的动力离合器、动力同步带轮的结构、安装位置和功能与横向关节的控制轴22上安装的这些零件完全一致。纵向关节第二控制轴控制用从动同步带轮46与横向关节的控制用主动同步带轮13的结构和安装位置相同，但其上已无需安装同步带，优选地，该轮无需滚齿以减小成本。纵向关节第二控制轴控制用主动同步带轮47与横向关节的控制用从同步带轮10的结构和安装位置相同，并通过同步带与纵向关节第一控制轴40的控制用从动同步带轮50相连接。因为这是最后一个关节，所以控制离合器也做了简化，只剩下纵向关节第二控制轴第一齿零件48与纵向关节第二控制轴第二齿零件49，并始终啮合在一起。优选地，可将纵向关节第二控制轴上控制用主动同步带轮47与纵向关节第二控制轴控制用从动同步带轮46做成一体的，就无需纵向关节第二控制轴第一齿零件48和纵向关节第二控制轴第二齿零件49了。在纵向关节第二控制轴的右部通过键连接安装有一个较大直径的纵向关节主动锥齿轮42，与之啮合的纵向关节从动锥齿轮44与纵向关节动力输出轴38之间是键连接，纵向关节动力输出轴38可将转动传递给剪刀的减速器，再通过螺旋传动使剪刀产生剪切动作。因此，纵向关节第二控制轴43及其上安装的零件实际构成了剪刀剪切关节7。

纵向关节第二传动轴43的激活方式与横向关节的激活方式相同，只是在激活过程中控制离合器不产生作用，只有动力离合器产生作用。激活后，使动力电机2转动，可使剪刀产生剪切的动作。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种共用动力的多关节机械手装置，其特征在于，包括控制电机、动力电机、一个或多个结构相同的用来实现机械臂摆动的横向关节和一个安装有剪刀的纵向关节；所述控制电机、动力电机都通过同步带将转动传递给最后部的横向关节；所述横向关节与纵向关节都为纯机械结构，无任何通电器件，其特征是：每个关节都安装有凸轮，其凸轮工作面都隔一定的相位差；控制电机连带各个凸轮同步转动；当某个关节的凸轮工作面转到对应推杆位置时，该关节被激活，动力电机就可将转动传递给该关节，而无法传递给其他关节；其中，所述横向关节包括控制离合器、动力离合器、控制用主动同步带轮、控制用从动同步带轮、动力同步带轮、蜗轮蜗杆、主动锥齿轮、从动锥齿轮、控制轴、关节轴、控制过轮和动力过轮；并且其中，所述纵向关节包括纵向关节第一控制轴、纵向关节第二控制轴、纵向关节第一同步带轮、纵向关节第二同步带轮、纵向关节主动锥齿轮、纵向关节从动锥齿轮、纵向关节蜗轮、纵向关节蜗杆、套筒、动力传递轴，还包括控制离合器、动力离合器、控制用主动同步带轮、控制用从动同步带轮、动力同步带轮；所述控制用主动同步带轮和控制用从动同步带轮可绕控制轴转动，两者之间通过所述控制离合器传递转动；所述动力同步带轮可绕控制轴转动，由所述动力离合器控制其是否带动所述控制轴转动；所述控制过轮和动力过轮都可绕关节轴转动；所述主动锥齿轮固定于控制轴上，所述从动锥齿轮固定于蜗杆上，所述蜗轮固定于关节轴上；所述控制用主动同步带轮有一排轮齿，通过同步带与前一关节的控制过轮连接；所述控制用从动同步带轮有一排轮齿，通过同步带与其所在关节的控制过轮连接；所述动力同步带轮有两排轮齿，一排轮齿通过同步带与前一关节的动力过轮连接，另一排轮齿通过同步带与其所在关节的动力过轮连接；所述控制过轮与动力过轮均有两排轮齿；所述纵向关节第一控制轴与纵向关节第一同步带轮通过键连接固定，所述纵向关节第一同步带轮与所述纵向关节第二同步带轮通过同步带连接，所述纵向关节第二同步带轮与所述纵向关节蜗杆通过键连接固定，所述纵向关节蜗杆与所述纵向关节蜗轮啮合传动，所述纵向关节蜗轮与所述套筒固定，所述套筒可固定剪刀；所述纵向关节第二控制轴与所述纵向关节主动锥齿轮之间通过键连接固定，所述纵向关节主动锥齿轮与所述纵向关节从动锥齿轮啮合传动，所述纵向关节从动锥齿轮与所述动力传递轴之间通过键连接固定，动力传递轴可将转动传递给剪刀，再通过螺旋传动方式转化为剪切的动作。

2.根据权利要求1所述的共用动力的多关节机械手装置，其特征在于，所述控制离合器由控制离合推板与控制离合凸轮以及一对齿零件组成，所述齿零件一个固定于所述控制用从动同步带轮，另一个与所述控制用主动同步带轮在圆周方向相对固定，但可沿轴向相对滑动，两者之间压有弹簧；所述控制离合凸轮与所述另一个齿零件固定。

3.根据权利要求2所述的共用动力的多关节机械手装置，其特征在于，所述动力离合器由动力离合推板、动力离合凸轮、推力轴承、移动滑块以及一对齿零件组成，所述动力离合凸轮固定于控制用主动同步带轮；所述动力离合推板紧贴所述推力轴承的一个平面，所述移动滑块的一个面紧贴所述推力轴承的另一个平面；所述移动滑块可沿控制轴轴向，顺着导向键滑动；所述齿零件一个固定于移动滑块，另一个与所述动力同步带轮在圆周方向相对固定，但可沿轴向相对滑动，两者之间压有弹簧；所述移动滑块与动力同步带轮之间压有弹簧。

4.根据权利要求3所述的共用动力的多关节机械手装置，其特征在于，控制离合凸轮与动力离合凸轮的推程运动角、远休止角、回程运动角完全相同；随着所述控制用主动同步带轮的转动，两个凸轮机构同时产生推动作用，同时作用消失。