CN105397809A - 一种多自由度机械臂的动力驱动机构 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械臂驱动技术领域，尤其涉及一种多自由度机械臂的动力驱动机构，它包括往复驱动电机、摇杆、齿轮驱动电机、槽轮、齿轮驱动电机卡轴、导电块等，其中往复电机通过转臂和槽轮配合实现间隙旋转，通过摇杆机构带动齿轮驱动电机做间隙往复运动；多个齿轮驱动机构并排安装在齿轮驱动电机卡轴上，在驱动电机的每个间隙停留时间内，有且仅对应一个齿轮驱动机构，通过改变驱动电机的转矩和转角控制驱动齿轮的转角，进而驱动控制机械臂某一个自由度；本发明使用了一个驱动电机的情况下，利用间隙机构和摇杆机构，达到了控制多个齿轮转角的目的，进而控制具有多自由度的机械臂，因为驱动电机的减少大大简化了机械臂的结构，具有很好的实用效果。

Description

一种多自由度机械臂的动力驱动机构

所属技术领域

本发明属于机械臂驱动技术领域，尤其涉及一种多自由度机械臂的动力驱动机构。

背景技术

目前机械臂的驱动方式多使用伺服电机驱动、钢丝驱动、液压驱动等，少部分使用人造肌肉驱动；其中伺服电机驱动和钢丝驱动需要使用与机械臂自由度数目相同的驱动电机数目，造成机构较为复杂，当然成本是最低的；液压驱动需要强大的动力来对液压油增压驱动，将会增加了设备的重量和对技术成熟度要求较高，所以成本较高，对于人造肌肉驱动，虽然驱动的方式先进，但是制造成本目前是最高的，导致一般的机械臂使用人造肌肉驱动很不划算。所以设计一款成本较低和结构简单的驱动方式是非常具有必要的。

本发明设计一种多自由度机械臂的动力驱动机构解决如上问题。

发明内容

为解决现有技术中的上述缺陷，本发明公开一种多自由度机械臂的动力驱动机构，它是采用以下技术方案来实现的。

一种多自由度机械臂的动力驱动机构，其特征在于：它包括往复驱动电机、拨盘、槽轮支撑轮、第一支撑板、摇杆、第一支耳、滑动套、导轨支撑、导轨、第二支撑板、齿轮驱动电机支撑、齿轮驱动电机、齿轮驱动电机固定环、齿轮驱动机构、槽轮、槽轮转轴、圆柱销、转臂、齿轮驱动电机卡轴、导电块、齿轮驱动电机转轴，其中往复驱动电机安装在第一支撑板上，拨盘安装在往复驱动电机转轴上，转臂一端安装在拨盘中心且转臂指向为拨盘径向方向，槽轮安装在槽轮支撑轮上，槽轮通过槽轮转轴安装在第一支撑板上，圆柱销一端安装在转臂端头，另一端与槽轮的槽配合；摇杆一端通过销安装在槽轮支撑轮侧面且非圆心处，摇杆另一端通过转轴安装在第一支耳上，第一支耳安装在滑动套一端，导轨一端安装在滑动套内部，导轨另一端安装在导轨支撑上，导轨支撑安装在第一支撑板上；齿轮驱动电机安装在齿轮驱动电机固定环内，固定环通过齿轮驱动电机支撑安装在滑动套外圆柱面上；齿轮驱动电机转轴为圆柱体，齿轮驱动电机卡轴为非圆柱体，一段齿轮驱动电机转轴与两段齿轮驱动电机卡轴组成电机轴；四个齿轮驱动机构安装在第二支撑板上，且两两分布于齿轮驱动电机两侧，分布两侧目的在于每侧的各个齿轮驱动机构之间具有足够大的间隔，保证各个机构的安装空间；齿轮驱动电机卡轴两侧分别安装有导电块。第一支撑板安装在第二支撑板上。齿轮驱动电机与固定环固定，随着滑套间隙往复运动，会出现运动中在某几个位置停留一段时间；

上述齿轮驱动机构包括电磁铁、第一驱动齿轮、驱动齿轮中心孔、驱动齿轮空心转轴、电磁铁卡孔、电磁铁空心转轴、电磁铁支撑、电磁铁转轴套、驱动齿轮转轴套、驱动齿轮支撑、导电线圈、电磁铁导电片，其中电磁铁中心开有电磁铁卡孔，电磁铁空心转轴安装在电磁铁一侧中心，电磁铁空心转轴安装在电磁铁转轴套内，电磁铁转轴套安装在电磁铁支撑上，电磁铁支撑安装在第二支撑板上；第一驱动齿轮中心开有驱动齿轮中心孔，驱动齿轮空心转轴安装在第一驱动齿轮一侧中心，驱动齿轮空心转轴安装在驱动齿轮转轴套内，驱动齿轮转轴套安装在驱动齿轮支撑上，驱动齿轮支撑安装在第二支撑板上；导电线圈缠绕在电磁铁上，电磁铁导电片安装在电磁铁卡孔内表面，并且与导电块配合；电磁铁卡孔横截面与齿轮驱动电机卡轴横截面相同，第一驱动齿轮中心孔大于齿轮驱动电机卡轴最大外缘尺寸。

设计齿轮驱动机构目的在于：将齿轮驱动电机卡轴扭矩传动到齿轮上，通过齿轮传动，将电机卡轴扭矩传导到机械臂的关节上。本发明意在设计一款一个驱动电机能够驱动多个齿轮的驱动机构，发明利用槽轮间隙机构，驱动摇杆，使得驱动电机能够在往复运动的同时在某些位置处具有停留时间，在这里的某些位置处，将设计的齿轮驱动机构安装在转轴往复经过的停留位置上；齿轮驱动电机转轴为卡轴，为非圆柱形，电磁铁的卡孔截面与卡轴相似，卡孔套在卡轴上，卡轴能够带动具有卡孔的电磁铁转动；齿轮的中心孔远大于卡轴，所以卡轴转动不带动齿轮转动，并且所设计的没有通电的电磁铁转动时是无法带动齿轮转动的，当电机转轴到达停留位置，通过卡轴上的导电块与电磁铁接触，导致电磁铁通电产生磁性，吸住齿轮表面，进而带动齿轮运动，在停留位置的停留的短暂时间内，控制驱动电机转角和转速从而控制机械臂关节的运动幅度，每个停留点均设置一个齿轮驱动机构，驱动不同的机械臂关节。

作为本技术的进一步改进，上述导电块包括第一导电块和第二导电块，上述电磁铁导电片包括第一电磁铁导电片和第二电磁铁导电片，上述齿轮驱动电机包括第一电刷、第二电刷、第一导电环和第二导电环，其中第一导电环和第二导电环安装在齿轮驱动电机转轴上，第一电刷和第二电刷一端分别接通电源正负极，另一端分别与第一导电环和第二导电环摩擦接触，齿轮驱动电机转轴内部安装有导线；电源正极通过第一电刷、第一导电环、导线与第一导电块连接，电源负极通过第二电刷、第二导电环、导线与第二导电块连接，第一导电块、第二导电块分别与第一电磁铁导电片和第二电磁铁导电片配合。电源、电刷、导电环、导电块、电磁铁导电片、线圈组成电流闭合回路。

作为本技术的进一步改进，上述槽轮槽数为偶数个。偶数的槽能够保证往复运动的两个行程内具有相同数目和相同位置的停留点。

作为本技术的进一步改进，上述齿轮驱动机构数量为（槽轮槽数+2）/2个。

作为本技术的进一步改进，上述齿轮驱动电机卡轴和转轴表面不导电，设计中只有卡轴上的导电块与电磁铁的导电片接触时才会使电磁铁具有磁性进而带动齿轮，所以驱动电机转轴必须为不带电的表面。

作为本技术的进一步改进，上述第一驱动齿轮自身转动阻力大于没有通电的电磁铁与齿轮的摩擦力，第一驱动齿轮自身转动阻力小于通电的电磁铁与齿轮的摩擦力。保证只有电磁铁通电才能驱动齿轮，也就是保证同一时间有且仅有一个齿轮被驱动。

相对于传统的机械臂驱动技术，本发明中往复电机通过转臂和槽轮配合实现间隙旋转，通过摇杆机构带动齿轮驱动电机做间隙往复运动；多个齿轮驱动机构并排安装在齿轮驱动电机卡轴上，在驱动电机的每个间隙停留时间内，有且仅对应一个齿轮驱动机构，通过改变驱动电机的转矩和转角控制驱动齿轮的转角，进而驱动控制机械臂某一个自由度；本发明使用了一个驱动电机的情况下，利用间隙机构和摇杆机构，达到了控制多个齿轮转角的目的，进而控制具有多自由度的机械臂，因为驱动电机的减少大大简化了机械臂的结构，具有很好的实用效果。

附图说明

图1是整体机构分布示意图。

图2是槽轮转臂配合示意图。

图3是槽轮转臂配合前视图。

图4是拨盘安装示意图。

图5是齿轮驱动电机固定环安装示意图。

图6是导轨安装示意图。

图7是支撑板安装示意图。

图8是第一驱动齿轮中心孔示意图。

图9是驱动齿轮空心转轴安装示意图。

图10是电磁铁卡孔示意图。

图11是电磁铁空心转轴安装示意图。

图12是电磁铁转轴套及支撑安装示意图。

图13是驱动齿轮转轴套及支撑安装示意图。

图14是齿轮驱动机构剖面图。

图15是驱动电机转轴与卡轴示意图。

图16是齿轮驱动机构工作示意图。

图17是齿轮驱动电机转轴相关结构示意图。

图18是电刷和导电环安装及配合示意图。

图19是电磁铁线圈安装示意图。

图20是电磁铁导电片与线圈连接示意图。

图21是齿轮驱动机构与卡轴传动配合示意图。

图中标号名称：1、往复驱动电机，2、拨盘，3、槽轮支撑轮，4、第一支撑板，5、摇杆，6、第一支耳，7、滑动套，8、导轨支撑，9、导轨，10、第二支撑板，11、电磁铁，12、第一驱动齿轮，13、齿轮驱动电机支撑，14、齿轮驱动电机，15、齿轮驱动电机固定环，16、槽轮，17、槽轮转轴，18、圆柱销，19、转臂，20、驱动齿轮中心孔，21、驱动齿轮空心转轴，22、电磁铁卡孔，23、电磁铁空心转轴，24、电磁铁支撑，25、电磁铁转轴套，26、驱动齿轮转轴套，27、驱动齿轮支撑，28、齿轮驱动电机卡轴，29、导电块，29-1、第一导电块，29-2、第二导电块，30、齿轮驱动机构，31、齿轮驱动电机转轴，32、第一电刷，33、第二电刷，34、第一导电环，35、第二导电环，36、导电线圈，37、电磁铁导电片，37-1、第一电磁铁导电片，37-2、第二电磁铁导电片。

具体实施方式

如图1所示，它包括往复驱动电机1、拨盘2、槽轮支撑轮3、第一支撑板4、摇杆5、第一支耳6、滑动套7、导轨支撑8、导轨9、第二支撑板10、齿轮驱动电机支撑13、齿轮驱动电机14、齿轮驱动电机固定环15、齿轮驱动机构30、槽轮16、槽轮转轴17、圆柱销18、转臂19、齿轮驱动电机卡轴28、导电块29、齿轮驱动电机转轴31，其中如图1所示，往复驱动电机1安装在第一支撑板4上，如图4所示，拨盘2安装在往复驱动电机1转轴上，如图2、3所示，转臂19一端安装在拨盘2中心且转臂19指向为拨盘2径向方向，槽轮16安装在槽轮支撑轮3上，槽轮16通过槽轮转轴17安装在第一支撑板4上，圆柱销18一端安装在转臂19端头，另一端与槽轮16的槽配合；如图1所示，摇杆5一端通过销安装在槽轮支撑轮3侧面且非圆心处，摇杆5另一端通过转轴安装在第一支耳6上，如图5所示，第一支耳6安装在滑动套7一端，如图1、6所示，导轨9一端安装在滑动套7内部，导轨9另一端安装在导轨支撑8上，导轨支撑8安装在第一支撑板4上；如图7所示，第一支撑板4安装在第二支撑板10上，如图1所示，齿轮驱动电机14安装在齿轮驱动电机固定环15内，如图5所示，固定环通过齿轮驱动电机支撑13安装在滑动套7外圆柱面上；如图17所示，齿轮驱动电机转轴31为圆柱体，齿轮驱动电机卡轴28为非圆柱体，一段齿轮驱动电机转轴31与两段齿轮驱动电机卡轴28组成电机轴；如图1所示，四个齿轮驱动机构30安装在第二支撑板10上，且两两分布于齿轮驱动电机14两侧；如图15所示，齿轮驱动电机卡轴28两侧分别安装有导电块29。齿轮驱动电机14与固定环固定，随着滑套间隙往复运动，会出现运动中在某几个位置停留一段时间；

如图14所示，上述齿轮驱动机构30包括电磁铁11、第一驱动齿轮12、驱动齿轮中心孔20、驱动齿轮空心转轴21、电磁铁卡孔22、电磁铁空心转轴23、电磁铁支撑24、电磁铁转轴套25、驱动齿轮转轴套26、驱动齿轮支撑27、导电线圈36、电磁铁导电片37，其中如图10、11、12所示，电磁铁11中心开有电磁铁卡孔22，电磁铁空心转轴23安装在电磁铁11一侧中心，电磁铁空心转轴23安装在电磁铁转轴套25内，电磁铁转轴套25安装在电磁铁支撑24上，电磁铁支撑24安装在第二支撑板10上；如图8、9、13所示，第一驱动齿轮12中心开有驱动齿轮中心孔20，驱动齿轮空心转轴21安装在第一驱动齿轮12一侧中心，驱动齿轮空心转轴21安装在驱动齿轮转轴套26内，驱动齿轮转轴套26安装在驱动齿轮支撑27上，驱动齿轮支撑27安装在第二支撑板10上；如图19所示，导电线圈36缠绕在电磁铁11上，如图20所示，电磁铁导电片37安装在电磁铁卡孔22内表面，并且与导电块29配合；电磁铁卡孔22横截面与齿轮驱动电机卡轴28横截面相同，第一驱动齿轮12中心孔大于齿轮驱动电机卡轴28最大外缘尺寸。

设计齿轮驱动机构30目的在于：将齿轮驱动电机卡轴28扭矩传动到齿轮上，通过齿轮传动，将电机卡轴扭矩传导到机械臂的关节上。本发明意在设计一款一个驱动电机能够驱动多个齿轮的驱动机构，发明利用槽轮间隙机构，驱动摇杆5，使得驱动电机能够在往复运动的同时在某些位置处具有停留时间，在这里的某些位置处，将设计的齿轮驱动机构30安装在转轴往复经过的停留位置上；齿轮驱动电机转轴31为卡轴，为非圆柱形，电磁铁11的卡孔截面与卡轴相似，卡孔套在卡轴上，卡轴能够带动具有卡孔的电磁铁11转动；齿轮的中心孔远大于卡轴，所以卡轴转动不带动齿轮转动，并且电磁铁11没有磁性时也不带动齿轮转动，当电机转轴到达停留位置，通过卡轴上的导电块29与电磁铁11接触，导致电磁铁11通电产生磁性，吸住齿轮表面，进而带动齿轮运动，在停留位置的停留的短暂时间内，控制驱动电机转角和转速从而控制机械臂关节的运动幅度，每个停留点均设置一个齿轮驱动机构30，驱动不同的机械臂关节。

如图17、18所示，上述导电块29包括第一导电块29-1和第二导电块29-2，上述电磁铁导电片37包括第一电磁铁导电片37-1和第二电磁铁导电片37-2，上述齿轮驱动电机14包括第一电刷32、第二电刷33、第一导电环34和第二导电环35，其中第一导电环34和第二导电环35安装在齿轮驱动电机转轴31上，第一电刷32和第二电刷33一端分别接通电源正负极，另一端分别与第一导电环34和第二导电环35摩擦接触，齿轮驱动电机转轴31内部安装有导线；电源正极通过第一电刷32、第一导电环34、导线与第一导电块29-1连接，电源负极通过第二电刷33、第二导电环35、导线与第二导电块29-2连接，第一导电块29-1、第二导电块29-2分别与第一电磁铁导电片37-1和第二电磁铁导电片37-2配合。电源、电刷、导电环、导电块29、电磁铁导电片37、线圈组成电流闭合回路。

上述槽轮16槽数为偶数个。偶数的槽能够保证往复运动的两个行程内具有相同数目和相同位置的停留点。

上述齿轮驱动机构30数量为（槽轮16槽数+2）/2个。

上述齿轮驱动电机卡轴28和转轴表面不导电，设计中只有卡轴上的导电块29与电磁铁11的导电片接触时才会使电磁铁11具有磁性进而带动齿轮，所以驱动电机转轴必须为不带电的表面。

上述第一驱动齿轮12自身转动阻力大于没有通电的电磁铁11与齿轮的摩擦力，第一驱动齿轮12自身转动阻力小于通电的电磁铁11与齿轮的摩擦力。保证只有电磁铁11通电才能驱动齿轮，也就是保证同一时间有且仅有一个齿轮被驱动，这样就能独立地通过控制齿轮驱动电机14转速转角来控制该齿轮。

如图16所示，为齿轮驱动机构30工作原理示意图，如图a所示，卡轴带动没有通电的电磁铁11转动，齿轮因为中心孔大于卡轴，以及没有通电的电磁铁11是无法带动齿轮转动的，所以齿轮没有转动；如图b所示，当卡轴随着齿轮驱动电机14在摇杆5带动下，卡轴上的导电块29与电磁铁导电片37接触，电磁铁11产生磁性，吸住齿轮，带动齿轮转动。

如图21所示，槽轮16为六槽，齿轮驱动机构30数目为四个，两两分布于齿轮驱动电机14两侧。槽轮16转动一周存在6个停留点（1/2/3/4/5/6），通过摇杆5的带动，电机往复运动存在4个停留点对应于槽轮16的（1/2(6)/3(5)/4），每个停留点驱动一个齿轮驱动机构30单独传动。如图21，四个停留点从左到右依次驱动a/c/b/d。

综上所述，本发明中往复电机通过转臂19和槽轮16配合实现间隙旋转，通过摇杆5机构带动齿轮驱动电机14做间隙往复运动；多个齿轮驱动机构30并排安装在齿轮驱动电机卡轴28上，在驱动电机的每个间隙停留时间内，有且仅对应一个齿轮驱动机构30，通过改变驱动电机的转矩和转角控制驱动齿轮的转角，进而驱动控制机械臂某一个自由度；本发明使用了一个驱动电机的情况下，利用间隙机构和摇杆5机构，达到了控制多个齿轮转角的目的，进而控制具有多自由度的机械臂，因为驱动电机的减少大大简化了机械臂的结构，具有很好的实用效果。

Claims (6)

1.一种多自由度机械臂的动力驱动机构，其特征在于：它包括往复驱动电机、拨盘、槽轮支撑轮、第一支撑板、摇杆、第一支耳、滑动套、导轨支撑、导轨、第二支撑板、齿轮驱动电机支撑、齿轮驱动电机、齿轮驱动电机固定环、齿轮驱动机构、槽轮、槽轮转轴、圆柱销、转臂、齿轮驱动电机卡轴、导电块、齿轮驱动电机转轴，其中往复驱动电机安装在第一支撑板上，拨盘安装在往复驱动电机转轴上，转臂一端安装在拨盘中心且转臂指向为拨盘径向方向，槽轮安装在槽轮支撑轮上，槽轮通过槽轮转轴安装在第一支撑板上，圆柱销一端安装在转臂端头，另一端与槽轮的槽配合；摇杆一端通过销安装在槽轮支撑轮侧面且非圆心处，摇杆另一端通过转轴安装在第一支耳上，第一支耳安装在滑动套一端，导轨一端安装在滑动套内部，导轨另一端安装在导轨支撑上，导轨支撑安装在第一支撑板上；齿轮驱动电机安装在齿轮驱动电机固定环内，固定环通过齿轮驱动电机支撑安装在滑动套外圆柱面上；齿轮驱动电机转轴为圆柱体，齿轮驱动电机卡轴为非圆柱体，一段齿轮驱动电机转轴与两段齿轮驱动电机卡轴组成电机轴；四个齿轮驱动机构安装在第二支撑板上，且两两分布于齿轮驱动电机两侧；齿轮驱动电机卡轴两侧分别安装有导电块；第一支撑板安装在第二支撑板上；

上述齿轮驱动机构包括电磁铁、第一驱动齿轮、驱动齿轮中心孔、驱动齿轮空心转轴、电磁铁卡孔、电磁铁空心转轴、电磁铁支撑、电磁铁转轴套、驱动齿轮转轴套、驱动齿轮支撑、导电线圈、电磁铁导电片，其中电磁铁中心开有电磁铁卡孔，电磁铁空心转轴安装在电磁铁一侧中心，电磁铁空心转轴安装在电磁铁转轴套内，电磁铁转轴套安装在电磁铁支撑上，电磁铁支撑安装在第二支撑板上；第一驱动齿轮中心开有驱动齿轮中心孔，驱动齿轮空心转轴安装在第一驱动齿轮一侧中心，驱动齿轮空心转轴安装在驱动齿轮转轴套内，驱动齿轮转轴套安装在驱动齿轮支撑上，驱动齿轮支撑安装在第二支撑板上；导电线圈缠绕在电磁铁上，电磁铁导电片安装在电磁铁卡孔内表面，并且与导电块配合；电磁铁卡孔横截面与齿轮驱动电机卡轴横截面相同，第一驱动齿轮中心孔大于齿轮驱动电机卡轴最大外缘尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种多自由度机械臂的动力驱动机构，其特征在于：上述导电块包括第一导电块和第二导电块，上述电磁铁导电片包括第一电磁铁导电片和第二电磁铁导电片，上述齿轮驱动电机包括第一电刷、第二电刷、第一导电环和第二导电环，其中第一导电环和第二导电环安装在齿轮驱动电机转轴上，第一电刷和第二电刷一端分别接通电源正负极，另一端分别与第一导电环和第二导电环摩擦接触，齿轮驱动电机转轴内部安装有导线；电源正极通过第一电刷、第一导电环、导线与第一导电块连接，电源负极通过第二电刷、第二导电环、导线与第二导电块连接，第一导电块、第二导电块分别与第一电磁铁导电片和第二电磁铁导电片配合。

3.根据权利要求1所述的一种多自由度机械臂的动力驱动机构，其特征在于：上述槽轮槽数为偶数个。

4.根据权利要求1、3所述的一种多自由度机械臂的动力驱动机构，其特征在于：上述齿轮驱动机构数量为（槽轮槽数+2）/2个。

5.根据权利要求1所述的一种多自由度机械臂的动力驱动机构，其特征在于：上述齿轮驱动电机卡轴和转轴表面不导电。

6.根据权利要求1所述的一种多自由度机械臂的动力驱动机构，其特征在于：上述第一驱动齿轮自身转动阻力大于没有通电的电磁铁与第一驱动齿轮的摩擦力，第一驱动齿轮自身转动阻力小于通电的电磁铁与第一驱动齿轮的摩擦力。