CN104999473A - 适用于座载小型机械臂的臂长可变的机械臂关节模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种适用于座载小型机械臂的臂长可变的机械臂关节模块包括电机导轨单元、同步带传动单元、箱体支撑单元、驱动控制单元与外部连接单元。电机导轨单元和同步带传动单元由箱体支撑单元完成定位和支撑，其电机接线经过合理布局连接到驱动控制器上，由驱动控制单元负责信号的采集处理与电机的控制；电机导轨单元通过第一直驱电机的转动带动伸长杆转动，从而带动安装在伸长杆的外接法兰旋转运动；同步带传动单元在电机导轨单元提供的支撑下，在第二直驱电机的带动下可沿电机导轨单元做直线运动，从而带动安装在伸长杆上的外接法兰伸缩运动，最终完成本发明关节模块的旋转与伸缩运动。
Description
所属技术领域
本发明属于机械臂技术领域，具体涉及一种适用于座载小型机械臂的臂长可变的机械臂关节模块。
背景技术
近年来，机器人技术取得了长足的进展，机械臂在机器人领域中得到最广泛实际的应用，已应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等各种生产领域中，它的应用加快了生产的自动化和现代化，大幅度的提高了生产效率。
现阶段的机械臂通常具有多个转动关节，每个关节的转动均是通过步进电机或伺服电机实现，由于步进电机或伺服电机的体积通常较大，这就需要机械臂每个关节部分具有较大的体积，以便于安装步进电机或伺服电机，而且机械臂自由度越多，其结构也越复杂，因而常规的工业机械臂存在以下缺点：结构臃肿、占用空间大、功能单一、质量大等。由于这些缺点，使得普通工业机器人不能或者不适于对机器人体积和功能有严格控制的场合比如教学实验、娱乐及家庭服务等特殊行业。造成上述缺陷的基本原因是：其机械臂没有采用模块化设计思想、机械臂的机械机构没有进行优化设计、驱动和位置检测单元是相互独立的，机械臂机械结构相似，不同功能的实现严重依赖软件，为了解决上述问题，本发明提出了适用于座载小型机械臂的臂长可变的机械臂关节模块，它将机械臂的伸缩运动和旋转运动集成在一个关节中，利用机械臂关节伸缩运动的导轨作为机械臂关节旋转运动的传动装置，减小了机械臂关节的体积与质量，增加了机械臂关节运动的灵活性，适用于组装小型机械臂。
发明内容
本发明提出一种可以实现机械臂关节伸缩与旋转两个自由度的机械臂关节模块，具有结构紧凑、适应性强、易于实现和维护、体积小、质量小与运动灵活等特点。
本发明的技术方案：
适用于座载小型机械臂的臂长可变的机械臂关节模块包括电机导轨单元、同步带传动单元、箱体支撑单元、驱动控制单元与外部连接单元。
所述电机导轨单元，通过第一直驱电机的转动带动伸长杆完成本发明适用于座载小型机械臂的臂长可变的机械臂关节模块转动结构设计；同步带传动单元在电机导轨单元提供的支撑下，在直驱电机的带动下可沿导轨单元做直线运动，从而完成本发明适用于座载小型机械臂的臂长可变的机械臂关节模块伸缩运动结构设计；箱体支撑单元完成了对上述结构的安装支撑与对发明模块的封装；外部连接单元为关节模块与关节外结构固定连接块，方便关节模块与外界结合；驱动控制单元负责传感器信息的采集处理、系统信号传递及电机控制，完成关节的旋转与伸缩运动。
进一步，所述电机导轨单元包括第一直驱电机、第二滚动轴承、导轨、轴承支撑件、支撑轴承轴与支撑轴承，第一直驱电机安装在第二支撑板上，第二支撑板另一侧固定有第二滚动轴承，第二滚动轴承支撑与第一直驱电机的电机轴连接的导轨，导轨的另一端安装有轴承支撑件，支撑轴承通过轴承支撑轴安装到轴承支撑件上，在第一直驱电机的带动下，导轨与轴承支撑件、支撑轴承随之转动。
进一步，所述同步带传动单元包括同步轮、同步轮轴、同步带、伸长杆、第一滚动轴承、滚珠花键、第二直驱电机、轴齿轮、同步带轴与电机齿轮。上端的同步轮通过同步轮轴安装在同步轮支撑板上，同步轮支撑板安装的第三支撑板上，下端的同步轮安装在同步带轴的两端，同步带通过上下两端的同步轮张紧固定，同步带轴中间位置安装有轴齿轮，轴齿轮与电机齿轮啮合，电机齿轮安装的第二直驱电机上。伸长杆设有螺纹孔、轴承槽、第一滚动轴承轴肩与滚轴花键固定孔，其中螺纹孔用以固定外接法兰，伸长杆的滚珠花键固定孔固定有与导轨配合的滚珠花键，另一端由电机导轨单元的支撑轴承支撑，支撑轴承可以在伸长杆的轴承槽内滚动，从而在电机导轨单元的支撑下，伸长杆可做直线运动，伸长杆第一滚动轴承轴肩处固定有第一滚动轴承，第一滚动轴承外侧通过卡簧固定有同步带固定板，同步带固定板用以固定同步带。在第二直驱电机的带动下电机齿轮转动与之啮合的轴齿轮转动，从而带动同步带轴与同步轮转动，同步轮转动带动同步带直线运动，与同步带固连的同步带固定板直线运动，从而带动伸长杆沿导轨直线运动。
进一步，同步带长度选取步骤为：
a、根据设计的尺寸初步确定同步轮的传动比，考虑到模块的整体尺寸，传动比选为1:1；
b、根据设计尺寸初步选定两同步轮的中心距a0；
c、根据初步选定的中心距由L0＝2a0+1.57(d2+d1)+(d2-d1)2/4a0，初步确定同步带的长度，其中d1,d2分别为同步轮的节圆直径，查表选定与L0相近的同步带长度LP；
d、由LP根据M＝4LP-6.28(d2+d1)，反算出同步轮间距a。
进一步箱体支撑单元包括同步轮支撑板、箱体、卡簧、同步带固定板、第一支撑板、第二直驱电机固定板、第二支撑板、第三支撑板与箱体盖。同步轮支撑板安装在第三支撑板上用以支撑同步轮，第三支撑板安装在箱体对应的长方形槽内，同步带固定板设有第一滚动轴承外圈固定端、卡簧槽与同步带固定孔，卡簧槽内安装有卡簧，卡簧与第一滚动轴承外圈固定端用以固定第一滚动轴承，同步带通过同步带固定孔与同步带固定板固连，第二直驱电机固定板安装在第一支撑板上用以固定第二直驱电机，第一支撑板通过箱体上对应的长方形槽安装到箱体上，第二支撑板上设有同步带孔与第二滚动轴承定位孔，同步带孔保证同步带的运动不受第二支撑板干扰，第二轴承支撑板用以固定第一直驱电机与第二滚动轴承，箱体盖安装在箱体上，用以固定第一支撑板、第二支撑板与第三固定板。
进一步驱动控制单元包括第二直驱电机接线、驱动控制器、电路外接端、电路外接接线与第一直驱电机接线，第一直驱电机接线与第二直驱电机接线连接到驱动控制器上，驱动控制器的信号通过电路外接接线连接到电路外接端用以和外部信号互换，驱动控制器安装在第一支撑板上。
进一步外部连接单元包括外接法兰，外接法兰为整个关节模块的执行器用以向外接输出旋转运动与直线运动。
根据上述的结构和控制系统，其适用于座载小型机械臂的臂长可变的机械臂关节模块工作原理为在第一直驱电机转动带动下，导轨、轴承支撑件、支撑轴承及与导轨配合的滚珠花键做旋转运动，从而带动伸长杆做旋转运动，在第二直驱电机的作用下，通过电机齿轮、轴齿轮、同步带轴将第二直驱电机的旋转运动传递给同步轮，在同步轮的带动下，安装在同步轮上的同步带做直线运动，从而带动与同步带固连的同步带固定板及伸长杆在电机导轨单元的支撑下做直线运动，从而与伸长杆通过螺纹孔固连的外界法兰可同时完成旋转与直线运动。电机导轨单元和同步带传动单元由箱体支撑单元完成支撑和定位，电机接线经过合理布局连接到驱动控制器上，由驱动控制单元负责传电机自带传感器信号的采集处理与电机的控制。
本发明对比已有技术具有如下特点：
1、结构紧凑、体积小、质量轻、集成度高；
2、通过巧妙的设计将旋转运动单元适当延长作为伸缩运动的导轨，空间利用率得到很大程度的提高；
3、设计采用模块化的思想，便于不同的组装；
4、关节通用性强，相对于其他同样的大小的机械臂，采用本模块设计的机械臂可具有更多的自由度。
附图说明
图1适用于座载小型机械臂的臂长可变的机械臂关节模块整体图
图中标号：
38：箱体盖，31：箱体，50：外接法兰。
图2适用于座载小型机械臂的臂长可变的机械臂关节模块结构图
图中标号：
20：同步轮，21：同步轮轴，30：同步轮支撑板，31：箱体，22：同步带，23：伸长杆，32：卡簧，33：同步带固定板，24：第一滚动轴承，25：滚珠花键，10：第一直驱电机，40：第二直驱电机接线，34：第一支撑板，41：驱动控制器，26：第二直驱电机，35：第二直驱电机固定板，27：轴齿轮，28：同步带轴，42：电路外接端，43：电路外接接线，44：第一直驱电机接线，36：第二支撑板，11：第二滚动轴承，12：导轨，13：轴承支撑件，14：支撑轴承轴，15：支撑轴承，37：第三支撑板，50：外接法兰。
图3臂长可变的两自由度机械臂关节同步带传动单元原理图
图中标号：
20：同步轮，29：电机齿轮，26：第二直驱电机，27：轴齿轮，22：同步带。
图4伸长杆结构示意图
图中标号：
231：螺纹孔，232：轴承槽，233：第一滚动轴承轴肩，234：滚珠花键固定孔。
图5同步带固定板结构图
图中标号：
33：同步带固定板，331：第一滚动轴承外圈固定端，332：卡簧槽，333：同步带固定孔。
图6第二支撑板结构图
图中标号：
36：第二支撑板，361：同步带孔，362：第二滚动轴承定位孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：适用于座载小型机械臂的臂长可变的机械臂关节模块包括电机导轨单元、同步带传动单元、箱体支撑单元、驱动控制单元与外部连接单元。在箱体支撑单元的定位支撑与驱动控制单元的控制下，在第一直驱电机转动带动下，导轨、轴承支撑件、支撑轴承及与导轨配合的滚珠花键做旋转运动，从而带动伸长杆做旋转运动；在第二直驱电机的作用下，通过电机齿轮、轴齿轮、同步带轴将第二直驱电机的旋转运动传递给同步轮，在同步轮的带动下，安装在同步轮上的同步带做直线运动，从而带动与同步带固连的同步带固定板及伸长杆在电机导轨单元的支撑下做直线运动，从而带动安装在伸长杆螺纹孔上的外接法兰同时完成旋转与直线运动。
具体来说，结合图1～图6，第一直驱电机10安装在第二支撑板36上，第二支撑板36设有同步带孔361与第二滚动轴承固定孔362，其中同步带孔361允许同步带22无摩擦穿过，即不影响同步带22的运动，第二滚动轴承固定孔362用以固定第二滚动轴承11，第二滚动轴承11内圈固定有导轨12，导轨12另一端固定有轴承支撑件13，轴承支撑件13通过支撑轴承轴14固定有支撑轴承15，支撑轴承15与伸长杆23的轴承槽232相切，并可在轴承槽232内滚动，伸长杆23的一端设有螺纹孔231用以连接外接法兰50，另一端通过滚珠花键固定孔234固定有滚珠花键25，通过第一滚动轴承轴肩233固定第一滚动轴承24的内圈，第一滚动轴承24的外圈通过安装在卡簧槽332的卡簧32固定在同步带固定板33的第一滚动轴承外圈固定端331上，同步带固定板33还设有同步带固定孔333用以和同步带22固连，同步带22由分别安装在同步轮支撑板30与同步带轴21上的同步轮20固定及支撑，其中同步轮20-1通过同步轮轴21安装在同步轮支撑板30上，同步轮20-4的安装方式与同步轮20-1相同，同步轮支撑板30安装在第三支撑板37上，第三支撑板37安装在箱体31的长方形槽内，同步轮20-2与20-3分别安装在同步带轴28的两端，同步带轴28靠近两同步轮的两端连接有同步带轴轴承板(图中未给出)，用以将同步带轴28固定到第一支撑板34上，同步带轴28的中间位置安装有轴齿轮27，轴齿轮27与电机齿轮29啮合，电机齿轮29安装在第二直驱电机26上，第二直驱电机26通过第二直驱电机固定板35连接到第一支撑板34上，第一支撑板34上还固定有驱动控制器41，驱动控制器41上连接有第一直驱电机接线44、第二直驱电机接线40与电路外接接线43，三组接线的另一端分别连接到第一直驱电机10、第二直驱电机26与电路外接端42上，第一支撑板34固定在箱体31的长方形槽内，箱体盖38固定在箱体31上，防止第一支撑板34、第二支撑板36与第三支撑板37在箱体31对应的长方形槽内滑动。
由上述的连接关系，其装配步骤为
(1)将第一直驱电机10安装到第二支撑板36上，将第二滚动轴承11安装到第二轴承支撑板36的第二滚动轴承定位孔362内，将导轨12固定到第二滚动轴承11的内圈上并与第一直驱电机10的电机轴连接；
(2)将支撑轴承15通过支撑轴承轴14连接到轴承支撑件13上；
(3)将步骤(2)中形成的组件通过轴承支撑件13连接到步骤(1)形成的组件的导轨12的另一端；
(4)将第二直驱电机26安装到第二直驱电机固定板35上，将电机齿轮29安装到第二直驱电机26上；
(5)将轴齿轮27安装到同步带轴28上，将同步带轴28通过同步带轴轴承板安装到第一支撑板34上，将同步轮20-2与20-3安装到同步带轴28的两端；
(6)将(4)中形成的部件通过第二直驱电机固定板35安装到(5)中形成的部件中的第一支撑板34上，将驱动控制器41安装到第一支撑板34上；
(7)将同步轮20-1与20-4分别通过对应的同步轮轴21安装到同步轮支撑板30上，将同步轮支撑板30安装到第三支撑板37上；
(8)将滚珠花键25通过伸长杆23的滚珠花键固定孔234安装到伸长杆23上，将第一滚动轴承24通过第一滚动轴承轴肩233定位，通过过盈配合安装到伸长杆23上，将同步带固定板33通过卡簧32固定到第一滚动轴承24的外圈；
(9)将(8)中形成的部件安装到步骤(1)形成的部件中的导轨12上，其中滚珠花键25与导轨12配合，支撑轴承15与伸长杆23的轴承槽232相切；
(10)将同步带22-1与22-2的一端穿过第三支撑板37、同步带固定板33、第二支撑板36与第一支撑板34经过同步轮20-2与20-3后穿过第一支撑板34与第二支撑板36固定到同步带固定板33上，将同步带22-1与22-2的另一端穿过第一支撑板37，初步固定到同步带固定板33上；
(11)将步骤(6)、(7)与(9)形成的部件分别通过对应的第一支撑板34、第三支撑板37与第二支撑板36安装到箱体31对应的长方形槽内；
(13)将第二直驱电机接线40与第一直驱电机接线44连接到第二驱动控制器41上，将电路外接接线43连接到电路外接端42，将电路外接端42固定到箱体31上；
(14)调整同步带22-1与22-2的长度将它们的另外一端固定在同步带固定板33上；
(15)将外接法兰50安装到伸长杆23上；
(16)将箱体盖38安装到箱体31上。
Claims (6)
1.适用于座载小型机械臂的臂长可变的机械臂关节模块，其特征是：所述模块包括电机导轨单元、同步带传动单元、箱体支撑单元、驱动控制单元与外部连接单元；电机导轨单元和同步带传动单元由箱体支撑单元完成定位和支撑，其电机接线经过合理布局连接到驱动控制器上，由驱动控制单元负责信号的采集处理与电机的控制；电机导轨单元通过第一直驱电机的转动带动伸长杆转动，从而带动安装在伸长杆的外接法兰旋转运动；同步带传动单元在电机导轨单元提供的支撑下，在第二直驱电机的带动下可沿电机导轨单元做直线运动，从而带动安装在伸长杆上的外接法兰伸缩运动，实现关节模块的旋转与伸缩运动；
所述驱动控制单元包括第二直驱电机接线、驱动控制器、电路外接端、电路外接连线与第一直驱电机连线，第一直驱电机接线与第二直驱电机接线连接到驱动控制器上，驱动控制器的信号通过电路外接连线连接到电路外接端用以和外部信号互换，驱动控制器安装在第一支撑板上；外部连接单元包括外接法兰，外接法兰为整个关节模块的执行器用以向外接输出旋转运动与直线运动。
2.根据权利要求1所述的适用于座载小型机械臂的臂长可变的机械臂关节模块，其特征是：所述电机导轨单元包括第一直驱电机、第二滚动轴承、导轨、轴承支撑件、支撑轴承轴与支撑轴承，第一直驱电机安装在第二支撑板上，第二支撑板另一侧固定有第二滚动轴承，第二滚动轴承支撑与第一直驱电机的电机轴连接的导轨，导轨的另一端安装有轴承支撑件，支撑轴承通过轴承支撑轴安装到轴承支撑件上，在第一直驱电机的带动下，导轨与轴承支撑件、支撑轴承随之转动。
3.根据权利要求1所述的适用于座载小型机械臂的臂长可变的机械臂关节模块，其特征是：所述同步带传动单元包括同步轮、同步轮轴、同步带、伸长杆、第一滚动轴承、滚珠花键、第二直驱电机、轴齿轮、同步带轴与电机齿轮；上端的同步轮通过同步轮轴安装在同步轮支撑板上，同步轮支撑板安装的第三支撑板上，下端的同步轮安装在同步带轴的两端，同步带通过上下两端的同步轮张紧固定，同步带轴中间位置安装有轴齿轮，轴齿轮与电机齿轮啮合，电机齿轮安装的第二直驱电机上。
4.根据权利要求3所述的适用于座载小型机械臂的臂长可变的机械臂关节模块，其特征是：所述伸长杆设有螺纹孔、轴承槽、第一滚动轴承轴肩与滚轴花键固定孔，其中螺纹孔用以固定外接法兰，伸长杆的滚珠花键固定孔固定有与导轨配合的滚珠花键，另一端由电机导轨单元的支撑轴承支撑，支撑轴承可以在伸长杆的轴承槽内滚动，从而在电机导轨单元的支撑下，伸长杆可做直线运动，伸长杆第一滚动轴承轴肩处固定有第一滚动轴承，第一滚动轴承外侧通过卡簧固定有同步带固定板，同步带固定板用以固定同步带；在第二直驱电机的带动下电机齿轮转动与之啮合的轴齿轮转动，从而带动同步带轴与同步轮转动，同步轮转动带动同步带直线运动，与同步带固连的同步带固定板直线运动，从而带动伸长杆沿导轨直线运动。
5.根据权利要求2或4所述的适用于座载小型机械臂的臂长可变的机械臂关节模块，其特征是：箱体支撑单元包括同步轮支撑板、箱体、卡簧、同步带固定板、第一支撑板、第二直驱电机固定板、第二支撑板、第三支撑板与箱体盖；同步轮支撑板安装在第三支撑板上用以支撑同步轮，第三支撑板安装在箱体对应的长方形槽内，同步带固定板设有第一滚动轴承外圈固定端、卡簧槽与同步带固定孔，卡簧槽内安装有卡簧，卡簧与第一滚动轴承外圈固定端用以固定第一滚动轴承，同步带通过同步带固定孔与同步带固定板固连，第二直驱电机固定板安装在第一支撑板上用以固定第二直驱电机，第一支撑板通过箱体上对应的长方形槽安装到箱体上，第二支撑板上设有同步带孔与第二滚动轴承定位孔，同步带孔保证同步带的运动不受第二支撑板干扰，第二轴承支撑板用以固定第一直驱电机与第二滚动轴承，箱体盖安装在箱体上，用以固定第一支撑板、第二支撑板与第三固定板。
6.根据权利要求5所述的适用于座载小型机械臂的臂长可变的机械臂关节模块，其特征是：装配步骤为
(1)将第一直驱电机安装到第二支撑板上，将第二滚动轴承安装到第二轴承支撑板的第二滚动轴承定位孔内，将导轨固定到第二滚动轴承的内圈上并与第一直驱电机的电机轴连接；
(2)将支撑轴承通过支撑轴承轴连接到轴承支撑件上；
(3)将步骤(2)形成的组件通过轴承支撑件连接到步骤(1)形成的组件的导轨的另一端；
(4)将第二直驱电机安装到第二直驱电机固定板上，将电机齿轮安装到第二直驱电机上；
(5)将轴齿轮安装到同步带轴上，将同步带轴通过同步带轴轴承板安装到第一支撑板上，将同步轮与安装到同步带轴的两端；
(6)将(4)中形成的部件通过第二直驱电机固定板安装到(5)中形成的部件中的第一支撑板上，将驱动控制器安装到第一支撑板上；
(7)将同步轮分别通过对应的同步轮轴安装到同步轮支撑板上，将同步轮支撑板安装到第三支撑板上；
(8)将滚珠花键通过伸长杆的滚珠花键固定孔安装到伸长杆上，将第一滚动轴承通过第一滚动轴承轴肩定位，通过过盈配合安装到伸长杆上，将同步带固定板通过卡簧固定到第一滚动轴承的外圈；
(9)将(8)中形成的部件安装到步骤(1)形成的部件中的导轨上，其中滚珠花键与导轨配合，支撑轴承与伸长杆的轴承槽相切；
(10)将同步带的一端穿过第三支撑板、同步带固定板、第二支撑板与第一支撑板经过同步轮与后穿过第一支撑板与第二支撑板固定到同步带固定板上，将同步带的另一端穿过第一支撑板，初步固定到同步带固定板上；
(11)将步骤(6)、(7)与(9)形成的部件分别通过对应的第一支撑板、第三支撑板与第二支撑板分别安装到箱体对应的长方形槽内；
(13)将第二直驱电机接线与第一直驱电机连线连接到第二驱动控制器上，将电路外接连线连接到电路外接端，将电路外接端固定到箱体上；
(14)调整同步带的长度将它们的另外一端固定在同步带固定板上；
(15)将外接法兰安装到伸长杆上；
(16)将箱体盖安装到箱体上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |