CN105108746A - 一种多自由度关节机器人手臂 - Google Patents

Abstract

本发明是一种多自由度关节机器人手臂。包括旋转电机及机器人基座,旋转电机包括电机机座、旋转体、线圈组、电机输出轴、永磁体、永磁体支撑套、电机机罩，电机机座及电机机罩都设有中空腔体，电机输出轴固定在旋转体上，旋转体上装设有若干线圈组，永磁体装设在永磁体支撑套上，旋转体能在永磁体支撑套所设的中空腔体内转动，永磁体支撑套置于电机机座所设的中空腔体内，永磁体支撑套的外表面与电机机座的内表面接触，电机机座与电机机罩连接，导线的一端外接电源正、负电极，另一端与旋转体所设的线圈组相连，电机输出轴伸出电机机罩与机器人基座连接。本发明结构紧凑、惯量小、灵活度大，且机器人手臂的制造成本低，机器人手臂响应快，控制可靠。

Description

一种多自由度关节机器人手臂

技术领域

本发明是一种多自由度关节机器人手臂，属于多自由度关节机器人手臂的创新技术。

背景技术

对于控制机器人运动的驱动器，目前应用最多是旋转电机和直线电机，其结构均由电机基座、电机机罩以及内部动力元件组成。每个电机负责控制机器人在一个自由度方向上的运动，且在电机负载较大或者在旋转自由度方向上旋转角度范围较小的情况下，需要配合精密减速器的作用。另外，由于现有的机器人产品大多为多关节式，而驱动关节运动所需的电机和精密减速器无论在成本还是重量方面均占据较大的比重，因此成本和自重过高。此外，为了承担电机和精密减速器的重量，机器人手臂结构要做得足够粗壮，进一步增加了机器人的成本和自重,响应速度降低。同时，气动关节机器人由于精度要求高、制造成本高及输出扭矩小等特点，无法完全满足现代工业机器人的发展需求。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种结构紧凑、惯量小、灵活度大的多自由度关节机器人手臂。本发明机器人手臂的制造成本低，机器人手臂响应快，控制可靠。

本发明的技术方案是：本发明的多自由度关节机器人手臂，包括有旋转电机及机器人基座,其中旋转电机包括有电机机座、旋转体、线圈组、电机输出轴、永磁体、永磁体支撑套、电机机罩、导线，其中电机机座及电机机罩都设有中空腔体，电机输出轴固定在旋转体上，旋转体上装设有若干线圈组，永磁体装设在永磁体支撑套上，旋转体能在永磁体支撑套所设的中空腔体内转动，永磁体支撑套置于电机机座所设的中空腔体内，永磁体支撑套的外表面与电机机座的内表面接触，电机机座与电机机罩连接，导线的一端外接电源正、负电极，另一端与旋转体所设的线圈组相连，电机输出轴伸出电机机罩与机器人基座连接。

本发明的多自由度关节机器人手臂，在确定的尺寸结构及高精度要求前提下，具有以下优点：

1）本发明的三自由度旋转电机能够实现单一主轴的360°旋转及两副轴一定角度的摆动旋转，定位精度高；

2）本发明能实现三轴联动旋转，相对现有技术控制简单，结构简化，降低了制造成本；

3）本发明结构紧凑、转动惯量小、灵活度大，控制范围广；

4）本发明使用旋转电机，降低了机器人整体的制造成本,简化机器人的整体结构,且减轻机器人手臂的负荷。

5）本发明通过控制关节点旋转电机的旋转动作即能实现3维空间对关节机器人三维空间任意姿态的控制，极大的扩大了机器人运动和控制范围。

6）本发明通过控制旋转电机内部并联的工作线圈的电流，扭矩输出大、机器人手臂响应快，且控制可靠。

本发明是一种结构紧凑、惯量小、灵活度大的多自由度关节机器人手臂,能够实现三维空间任意姿态的控制,本发明中的旋转电机可用于其他旋转自由度控制的机床控制、特种加工及机医疗器械领域。

附图说明

图1为本发明若干个旋转电机串联后与机器人基座连接的原理图；

图2为本发明中旋转电机的结构分解图；

图3为本发明中旋转体装设在永磁体支撑套所设的中空腔体内的结构示意图；

图4为图3的P-P剖视图；

图5为本发明旋转体上装设12个线圈组，4个线圈组组成一个圆平面，12个线圈组组成3个圆平面的结构示意图；

图6为图5的主视图；

图7为图6中的Q-Q剖视图；

图8为本发明中旋转体的外表面开有环形线圈组卡槽及导线槽的结构示意图；

图9为本发明线圈组的工作原理图。

具体实施方式

实施例：

本发明的结构示意图如图1、2、3、4所示，本发明的多自由度关节机器人手臂，包括有旋转电机14及机器人基座15,其中旋转电机14包括有电机机座1、旋转体2、线圈组3、电机输出轴4、永磁体5、永磁体支撑套6、电机机罩7、导线10，其中电机机座1及电机机罩7都设有中空腔体，电机输出轴4固定在旋转体2上，旋转体2上装设有若干线圈组3，永磁体5装设在永磁体支撑套6上，旋转体2能在永磁体支撑套6所设的中空腔体内转动，永磁体支撑套6置于电机机座1所设的中空腔体内，永磁体支撑套6的外表面与电机机座1的内表面接触，电机机座1与电机机罩7连接，导线10的一端外接电源正、负电极，另一端与旋转体2所设的线圈组3相连，电机输出轴4伸出电机机罩7与机器人基座15连接。若干旋转电机14可以串联在一起，相邻旋转电机14之间形成连接关节，最端部的旋转电机14的电机输出轴4与机器人基座15连接。

本实施例中，上述永磁体支撑套6分有两部分，合并呈球形。永磁体支撑套6用于支撑和固定永磁体5，永磁体支撑套6的表面镶有永磁体5，永磁体支撑套6的中空腔体内安装球型轴承12，旋转体2支承在球型轴承12上，永磁体支撑套6的球心精度和球型轴承12的精度高，保证旋转体2球心的定位精度。

本实施例中，上述球形轴承12包括有球型轴承内圈120、球型轴承外圈121、球型轴承滚珠122、球型轴承上部123及球型轴承下部124，球型轴承上部123与球型轴承下部124合并呈球形，球型轴承内圈120与旋转体2连接，球型轴承外圈121与永磁体支撑套6连接，球型轴承滚珠122置于球型轴承内圈120与球型轴承外圈121之间。

本实施例中，上述旋转体2为球形结构，旋转体2的外表面开有环形线圈组卡槽8，线圈组卡槽8的几何中心与旋转体2的几何中心重合。

此外，上述线圈组卡槽8上还设有通向旋转体2的几何中心方向的导线槽9，导线10通过线圈卡槽8、导线槽9及永磁体支撑套6上所设的接线孔13与电源相连。

上述导线槽9为通槽，旋转体2的线圈组3固定在旋转体线圈组卡槽8上，导线10穿进导线槽9中，旋转体2中的线圈组3的两端与导线10的一端连接；线圈组3中的线圈都是由四分之一圆形线圈并联而成，尺寸空间小，同时降低质量、阻抗值，增大响应速度和电磁力。

上述旋转电机14与机器人基座15相连，旋转电机14的电机输出轴4中装设有用于加工的钻头16或其他工具或其他刀具等。

本实施例中，上述旋转体2上位于同一圆平面上装设的若干线圈组3中的线圈为并联连接。

本实施例中，上述旋转体2上装设的线圈组3的数量为12个，其中4个线圈组3组成一个圆平面，4个线圈组3分别是线圈组31、线圈组32、线圈组33、线圈组34，线圈组31与线圈组32的两端之间是位置B，线圈组32与线圈组33的两端之间是位置C，线圈组33与线圈组34的两端之间是位置D，线圈组34与线圈组31的两端之间是位置A，旋转体2的几何中心是位置O，12个线圈组3组成3个圆平面，3个圆平面中两两互相垂直，位于同一圆平面上的4个线圈组3中的线圈为并联连接，各个圆平面中的线圈组3彼此之间不连接。

本实施例中，上述旋转体2中的线圈组3固定在旋转体2所设的线圈组卡槽8上，线圈组3的两端与导线10的一端连接。

在每一个圆平面内，相对安装的线圈组3通过导线10传递的电流11的方向相同，在垂直于电流方向并指向圆平面中心的磁场中产生垂直于圆平面两个方向相反的洛伦兹力，使得旋转体2绕自身轴线转动。同理，另一对相对安装的线圈组3在电流11和磁场的共同作用也会使得旋转体2绕另一轴线转动。上述两个旋转运动可合成一个新的旋转运动。

本实施例中，上述永磁体支撑套6的外表面均布设有若干安装槽，若干永磁体5固定在永磁体支撑套6所设的安装槽上；上述永磁体支撑套6的外表面为圆弧面，永磁体支撑套6设有的安装槽为圆弧面安装槽，永磁体5也做成表面为圆弧面的永磁体板，圆弧面的永磁体5装设在永磁体支撑套6设有的圆弧面安装槽上。

永磁体5的作用是产生方向指向旋转体2几何中心的磁场，使得磁场方向与线圈组3上通过的电流11的方向相垂直。

上述线圈的工作电流输入分别控制，能够实现多种控制方式和运动方式。

上述旋转体外表面与球形轴承的内圈间隙配合，依靠球形轴承的滚珠来实现相对运动，降低摩擦力。

上述球形轴承的外圈与永磁体支撑套内圈间隙配合，依靠球形轴承的滚珠来实现相对运动，降低摩擦力。

上述永磁体为表面为圆弧面的永磁体板；永磁体支撑套的表面为圆弧面，永磁体支撑套表面均布开有通槽，永磁体固定在永磁体支撑套的通槽上。

本发明的工作原理如下：在每一个圆平面内，相对安装的线圈组3通过的经导线10传递的电流11的方向相同，在垂直于电流方向并指向圆平面中心的磁场中产生垂直于圆平面两个方向相反的洛伦兹力，使得旋转体2绕自身轴线转动。同理，另一对相对安装的线圈组3在电流11和磁场的共同作用也会使得旋转体2绕另一轴线转动。上述两个旋转运动可合成一个新的旋转运动。

机器人手臂的动作原理是：固定机器人基座15，若干旋转电机14串联，相邻旋转电机14之间的所有关节都已安装好，通过控制每一台旋转电机14的姿态，即控制每一个关节点的空间运动轨迹，实现对机器人手臂末端的钻头16以三维空间姿态的控制。

对旋转电机14的控制，通过控制线圈组组件的导线10输入输出，从而能够控制电流11的方向，线圈组3的工作原理如图9所示：若分别控制线圈组31与线圈组32的导线10的输入、输出保证电流方向OCBO、OBAO，同样方法使得线圈组33、34的电流方向为OCDO、ODAO，该平面的线圈组组件在磁场作用下产生电磁力，进而使得旋转体2获得OA轴方向的旋转力矩，旋转体2绕OA轴旋转。同理，改变电流方向可以获得其他的旋转力矩产生其他方向的运动。

同时，若是控制线圈组31与线圈组32的导线10的输入、输出使得电流方向OCBO、OBAO，同样方法线圈组33、34的电流方向为ODCO、OADO，该平面的线圈组组件在磁场作用下产生电磁力，两边力矩相反，控制好电流大小可以起到抱死作用。

另外两个平面的线圈组组件也可以产生绕OA轴的旋转力矩，这样可以获得很大的力矩，加速度增大，响应也加快。

本发明通过控制旋转电机的转动实现3维空间对关节机器人三维空间任意姿态的控制，极大的扩大了机器人运动和控制范围。降低机器人制造成本、简化机器人整体结构，且减轻机器人手臂的负荷。此外，通过控制旋转电机内部并联的工作线圈电流，扭矩输出大、机器人手臂响应快，且控制可靠，可删减安装在机器人关节上的精密减速器，以此进一步降低机器人制造成本、简化机器人整体结构，且减轻机器人手臂的负荷。

Claims (10)

1.一种多自由度关节机器人手臂，其特征在于包括有旋转电机及机器人基座,其中旋转电机包括有电机机座、旋转体、线圈组、电机输出轴、永磁体、永磁体支撑套、电机机罩、导线，其中电机机座及电机机罩都设有中空腔体，电机输出轴固定在旋转体上，旋转体上装设有若干线圈组，永磁体装设在永磁体支撑套上，旋转体能在永磁体支撑套所设的中空腔体内转动，永磁体支撑套置于电机机座所设的中空腔体内，永磁体支撑套的外表面与电机机座的内表面接触，电机机座与电机机罩连接，导线的一端外接电源正、负电极，另一端与旋转体所设的线圈组相连，电机输出轴伸出电机机罩与机器人基座连接。

2.根据权利要求1所述的多自由度关节机器人手臂，其特征在于上述永磁体支撑套分有两部分，合并呈球形，永磁体支撑套的中空腔体内安装球型轴承，旋转体支承在球型轴承上。

3.根据权利要求2所述的多自由度关节机器人手臂，其特征在于上述球形轴承包括有球型轴承内圈、球型轴承外圈、球型轴承滚珠、球型轴承上部及球型轴承下部，球型轴承上部与球型轴承下部合并呈球形，球型轴承内圈与旋转体连接，球型轴承外圈与永磁体支撑套连接，球型轴承滚珠置于球型轴承内圈与球型轴承外圈之间。

4.根据权利要求1所述的多自由度关节机器人手臂，其特征在于上述旋转体为球形结构，旋转体的外表面开有环形线圈组卡槽，线圈组卡槽的几何中心与旋转体的几何中心重合。

5.根据权利要求5所述的多自由度关节机器人手臂，其特征在于上述线圈组卡槽上还设有通向旋转体的几何中心方向的导线槽，导线通过线圈卡槽、导线槽及永磁体支撑套上所设的接线孔与电源相连。

6.根据权利要求1所述的多自由度关节机器人手臂，其特征在于上述旋转电机与机器人基座相连，旋转电机的电机输出轴中装设有钻头。

7.根据权利要求1至6任一项所述的多自由度关节机器人手臂，其特征在于上述旋转体上位于同一圆平面上装设的若干线圈组中的线圈为并联连接。

8.根据权利要求7所述的多自由度关节机器人手臂，其特征在于上述旋转体上装设的线圈组3的数量为12个，其中4个线圈组组成一个圆平面，12个线圈组组成3个圆平面，3个圆平面中两两互相垂直，位于同一圆平面上的4个线圈组中的线圈为并联连接，各个圆平面中的线圈组彼此之间不连接。

9.根据权利要求7所述的多自由度关节机器人手臂，其特征在于上述旋转体中的线圈组固定在旋转体所设的线圈组卡槽上，线圈组的两端与导线的一端连接。

10.根据权利要求7所述的多自由度关节机器人手臂，其特征在于上述永磁体支撑套的外表面均布设有若干安装槽，若干永磁体固定在永磁体支撑套所设的安装槽上；上述永磁体支撑套的外表面为圆弧面，永磁体支撑套设有的安装槽为圆弧面安装槽，永磁体也做成表面为圆弧面的永磁体板，圆弧面的永磁体装设在永磁体支撑套设有的圆弧面安装槽上。