CN105397840A

CN105397840A - 单轴关节型机械臂

Info

Publication number: CN105397840A
Application number: CN201410440624.5A
Authority: CN
Inventors: 刘利东
Original assignee: Foshan Sanyi Automation Technology Co Ltd
Current assignee: Foshan Sanyi Automation Technology Co Ltd
Priority date: 2014-09-01
Filing date: 2014-09-01
Publication date: 2016-03-16

Abstract

本发明公开了一种单轴关节型机械臂，包括固定座、主摆动臂和副摆动臂；主摆动臂绕输入轴转动的轴线至所述副摆动臂绕连接轴转动的轴线的垂直距离d₁等于所述副摆动臂绕连接轴转动的轴线至所述副摆动臂的输出点的垂直距离d₂；机械臂还包括大传动轮和小传动轮；所述大传动轮安装在输入轴上，与所述固定座相对固定；小传动轮安装在所述副摆动臂上，能跟随副摆动臂的转动而转动；大传动轮与小传动轮的传动比是1:2；所述大传动轮和小传动轮通过传动件连接。本发明的单轴关节型机械臂运动距离长而在运动方向上占用空间小，有较高的实用价值。

Description

单轴关节型机械臂

技术领域

本发明涉及一种机械臂，尤其是涉及一种单轴关节型机械臂。

背景技术

机械臂是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置。机械臂一般通过运动机构使臂端完成各种转动、摆动、移动或复合运动来实现设定的动作，以改变被抓持物件的位置或姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，可称为机械臂的自由度。仅有一个自由度的机械臂，即为单轴机械臂。

目前市面上已有的单轴机械臂，有通过丝杆螺母实现直线传动的；有通过齿轮齿条实现直线传动的；还有通过直线电机直接驱动输出件的。

通过丝杆螺母传动的机械臂如图1所示，丝杆18通过轴承座固定在丝杆螺母传动机械臂17上，丝杆18的转动带动其上螺母20做直线运动，螺母20固定在螺母座19上，螺母座19上可以连接一些执行机械部件来执行一些特定的任务。丝杆螺母传动机械臂虽然能简单地把丝杆的转动转化为螺母座的直线移动，但丝杆的有效长度不能长于机械臂总长，螺母座可移动的距离不能大于丝杆有效长度，使通过丝杆螺母传动的机械臂在其运动方向上所占空间永远大于其所能运动的最大距离。

通过齿轮齿条传动的机械臂如图2所示，滑板24通过导轮25安装在齿轮齿条传动机械臂21上，齿条22安装在滑板24上，齿轮23与齿条22啮合安装在齿轮齿条传动机械臂21上。齿轮23的旋转运动带动齿条22的直线移动，齿条22进而带动滑板24也做直线移动。与通过丝杆螺母传动的机械臂类似，通过齿轮齿条传动的机械臂的齿条的长度永远大于或等于其所能运动的最大距离，这种机械臂在运动方向上所占空间也很大。

市面上还有通过直线电机直接驱动输出件的机械臂。如申请公布号为CN103213116A的专利文件公开的一种单轴高速直线电机机械手，包括底座，所述底座上设有滑轨、动子和定子，所述滑轨上设置一滑块和三个滑轨刹车器，所述滑块上通过螺丝固定一基板，所述基板上设置法兰，所述底座的一侧设有拖链槽、拖链架，所述拖链架上设有拖链，所述底座的两端设有封板所述封板的外侧设有挡板，所述封板的里侧设有垫块，所述封板上设有缓冲器，所述封板的下侧设有光传感器，所述底座的侧面设有光栅尺，所述滑块的外侧设置有读数头支架。这种机械臂虽然具有高速度，高精密特点，但其在运动方向上所占空间同样大于其所能运动的最大距离。

为此，需要对单轴机械臂进行改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种运动距离长且在运动方向上所占空间小的单轴机械臂。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

单轴关节型机械臂，包括固定座、主摆动臂和副摆动臂；所述固定座上设有输入轴；所述主摆动臂安装在固定座上，能相对固定座转动；所述副摆动臂上设有输出点，副摆动臂通过连接轴铰接在主摆动臂上可相对所述主摆动臂转动的同时，也可随所述主摆动臂相对所述固定座转动；特别的，所述主摆动臂绕固定座转动的轴线至所述副摆动臂绕连接轴转动的轴线的垂直距离d₁等于所述副摆动臂绕连接轴转动的轴线至所述副摆动臂的输出点的垂直距离d₂；还包括大传动轮和小传动轮；所述大传动轮安装在输入轴上，与所述固定座相对固定；小传动轮安装在所述副摆动臂上，能驱动副摆动臂转动；所述小传动轮与所述大传动轮的传动比为2：1；所述大传动轮和小传动轮通过传动件连接。

小传动轮的直径优选为大传动轮的直径的也可以通过多级传动实现小传动轮与大传动轮的传动比为2：1。

传动件可以是传动带或传动链，此时，大传动轮和小传动轮为带轮或链轮；传动件还可以是齿轮，此时，大传动轮和小传动轮为齿轮；传动件还可以是传动轴，此时，大传动轮和小传动轮为齿轮，传动轴上固连有与大小齿轮啮合的齿轮。

本发明的工作原理如下：

单轴关节型机械臂位于起始状态时，主摆动臂和副摆动臂叠合在一起，主摆动臂和副摆动臂保持静止。

向主摆动臂输入一个转动量，主摆动臂将相对固定座转动一定的角度，与起始状态形成角度为θ的夹角。在此转动过程中，小传动轮将跟随主摆动臂相对固定座转动。而当小传动轮相对固定座转动时，由于大传动轮相对固定座固定，并不会跟随主摆动臂的转动而转动，也就是小传动轮绕大传动轮转动了一个角度。又因为大小传动轮通过传动件连接在一起，所以此转动件会迫使小传动轮相对初始状态绕自身轴线转动，其转动量为大小传动轮的传动比乘以绕转(公转)角度，转动方向与绕转(公转)方向相反。在整个转动过程中，由于大传动轮相对固定座固定，并不会跟随主摆动臂的转动而转动，根据相对运动原理可知，此时，大传动轮相对主摆动臂反向转动了θ角度。由于小传动轮的直径为大传动轮的一半，因此，小传动轮会相对主摆动臂反向转动2θ角度。

又由于主摆动臂绕输入轴转动的轴线至副摆动臂绕连接轴转动的轴线的垂直距离d₁等于副摆动臂绕连接轴转动的轴线至副摆动臂的输出点的垂直距离d₂，在由输入轴轴心、连接轴轴心、副摆动臂输出点三者构成的三角形内，根据等腰三角形性质可知，副摆动臂的输出点始终与输入轴轴心处在同一水平面上。因此，当主摆动臂绕输入轴转动时，副摆动臂在输入轴所处的水平面内做直线运动。

当主摆动臂做匀速圆周运动时，副摆动臂将在输入轴所处的水平面内做直线往复运动，副摆动臂上的输出点速率变化为余弦函数，输出点的速率变化平滑，冲击小。

本发明的单轴关节型机械臂，只需一个输入轴驱动，机械臂在运动方向上所占的空间远小于机械臂输出端运动的最大距离，与目前的单轴机械臂相比，本发明的单轴关节型机械臂运动距离长而在运动方向上占用空间小，有较高的实用价值。

附图说明

图1是通过丝杆螺母传动的机械臂的结构示意图；

图2是通过齿轮齿条传动的机械臂的结构示意图；

图3是本发明实施例1中单轴关节型机械臂的结构示意图；

图4是本发明的单轴关节型机械臂的转动示意图；

图5是本发明实施例1中小传动轮转动公转的示意图；

图6是本发明实施例1中小传动轮自转的原理图；

图7是本发明实施例1中当0°≤θ≤90°时主摆动臂和副摆动臂位置的关系示意图；

图8是本发明实施例1中当90°≤θ≤180°时主摆动臂和副摆动臂位置的关系示意图；

图9是本发明实施例1中当180°≤θ≤270°时主摆动臂和副摆动臂位置的关系示意图；

图10是本发明实施例1中当270°≤θ≤360°时主摆动臂和副摆动臂位置的关系示意图；

图11是本发明实施例2中主摆动臂和副摆动臂处在起始状态时的位置关系图；

图12是本发明实施例2中主摆动臂和副摆动臂位置的关系示意图；

图13是本发明实施例3中单轴关节型机械臂的结构示意图；

图14是本发明实施例4中单轴关节型机械臂的结构示意图；

图15是本发明实施例5中单轴关节型机械臂的结构示意图。

附图标记说明：1-固定座；2-主摆动臂；3-副摆动臂；4-电机；5-固定板；6-第一同步带轮；7-固定轴；8-轴承套；9-输入轴；10-第二同步带轮；11-同步带；12-连接轴；13-小传动轮；14-大传动轮；15-轴套；16-传动带；17-丝杆螺母传动机械臂；18-丝杆；19-螺母座；20-螺母；21-齿轮齿条传动机械臂；22-齿条；23-齿轮；24-滑板；25-导轮；26-驱动齿轮；27-从动齿轮；28-传动轴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1：

单轴关节型机械臂，包括固定座1、主摆动臂2和副摆动臂3。

如图3所示，固定座1上安装有电机4和固定板5。电机4上安装有第一同步带轮6。

固定板5上安装有固定轴7，固定轴7外套装有轴承套8，轴承套8外套装有与主摆动臂2相连的输入轴9。输入轴9上安装有第二同步带轮10。第一同步带轮6与第二同步带轮10通过同步带11连接。电机4启动后，电机4将带动第一同步带轮6作匀速旋转，从而带动第二同步带轮10旋转，使输入轴9转动，进而带动主摆动臂2绕固定轴7转动。

主摆动臂2和副摆动臂3通过连接轴12相连，使副摆动臂3能相对主摆动臂2转动。小传动轮13安装在连接轴12上，处在主摆动臂2内。当小传动轮13转动时，小传动轮13将带动连接轴12，进而带动副摆动臂3转动。

大传动轮14通过轴套15安装在固定轴7上，与固定座1相对固定。本实施例1中，大传动轮14的直径与小传动轮13的直径的比值为2:1。

大传动轮14和小传动轮13之间通过传动带16连接。本实施例1中，大传动轮14和小传动轮13为同步带轮，此时，传动带16为同步带。

起始状态时，主摆动臂2和副摆动臂3叠合在一起，主摆动臂2和副摆动臂3保持静止，副摆动臂3的输出点C处在主摆动臂2的固定轴7的轴线A上。

如图4、5所示，电机4启动后，主摆动臂2将获得一个输入量，主摆动臂2相对起始位置逆时针转动了θ角度。在此转动过程中，副摆动臂3将跟随主摆动臂2相对固定座1转动，从而使小传动轮13跟随主摆动臂2相对固定座1转动。而当小传动轮13相对固定座1转动时，由于大传动轮14相对固定座1固定，并不会跟随主摆动臂2的转动而转动，也就是小传动轮13绕大传动轮14逆时针(公转)转动了θ角度。

而在主摆动臂2相对起始位置逆时针转动了θ角度这一过程中，由于大传动轮14相对固定座1固定，并不会跟随主摆动臂2的转动而转动，根据相对运动原理，此时，大传动轮14可视为相对主摆动臂2顺时针转动了θ角度。又因为大传动轮14与小传动轮13是通过传动带16连接在一起且大传动轮14的直径与小传动轮13的直径的比值为2:1，所以传动带16会迫使小传动轮13相对初始状态绕自身轴线顺时针(自转)转动2θ角度。

如图6所示，由于大传动轮14相对固定座1固定，并不会跟随主摆动臂2的转动而转动。当小传动轮13跟随主摆动臂2转动了θ角度后，连接大传动轮14和小传动轮13的传动带16的长度会产生“变化”，获得顺时针转动的趋势，从而令小传动轮13绕自身轴线顺时针转动。

假设输入轴7轴心A位于xy坐标轴的原点。

当0°≤θ≤90°时，此时，主摆动臂2相对起始位置逆时针转动了θ角度，副摆动臂3相对连接轴12顺时针转动了2θ角度。如图7所示，在由输入轴7轴心A、连接轴12轴心B、副摆动臂3输出点C三者构成的三角形内，由于d₁＝d₂，根据等腰三角形性质可知，线段l与线段AC垂直，线段l与y轴平行，即线段AC与x轴重合。因此，当0°≤θ≤90°时，副摆动臂3的输出点C在x轴内作往复运动。副摆动臂3的输出点C的位移S在θ＝90°时达到最大，此时，副摆动臂3的输出点C的位移S＝d₁+d₂，副摆动臂3的输出点C的速率v＝0。

当90°≤θ≤180°时，如图8所示，在由输入轴9轴心A、连接轴12轴心B、副摆动臂3输出点C三者构成的三角形内，由于d₁＝d₂，根据等腰三角形性质可知，线段l与线段AC垂直，线段l与y轴平行，即线段AC与x轴重合。因此，当90°≤θ≤180°时，副摆动臂3的输出点C在x轴内作往复运动。副摆动臂3的输出点C的位移S在θ＝180°时达到最小，此时，副摆动臂3的输出点C的位移S＝0，副摆动臂3的输出点C的速率v达到最大值。

当180°≤θ≤270°时，副摆动臂3在小传动轮13的驱动下保持顺时针转动。如图9所示，在由输入轴9轴心A、连接轴12轴心B、副摆动臂3输出点C三者构成的三角形内，由于d₁＝d₂，根据等腰三角形性质可知，线段l与线段AC垂直，线段l与y轴平行，即线段AC与x轴重合。因此，当180°≤θ≤270°时，副摆动臂3的输出点C在x轴内作往复运动。副摆动臂3的输出点C的位移S在θ＝270°时达到最大，此时，副摆动臂3的输出点C的位移S＝d₁+d₂，副摆动臂3的输出点C的速率v＝0。

当270°≤θ≤360°时，副摆动臂3在小传动轮13的驱动下保持顺时针转动。如图10所示，在由输入轴9轴心A、连接轴12轴心B、副摆动臂3输出点C三者构成的三角形内，由于d₁＝d₂，根据等腰三角形性质可知，线段l与线段AC垂直，线段l与y轴平行，即线段AC与x轴重合。因此，当270°≤θ≤360°时，副摆动臂3的输出点C在x轴内作往复运动。副摆动臂3的输出点C的位移S在θ＝360°时达到最小，此时，副摆动臂3的输出点C的位移S＝0，副摆动臂3的输出点C的速率v达到最大值。

从图7、8、9、10可以看出，在0°≤θ≤360°范围内，由于主摆动臂2绕输入轴9转动的轴线至副摆动臂3绕连接轴12转动的轴线的垂直距离d₁等于副摆动臂3绕连接轴12转动的轴线至副摆动臂3的输出点的垂直距离d₂，在由输入轴9轴心A、连接轴12轴心B、副摆动臂3输出点C三者构成的三角形内，线段l既是角平分线，也是中垂线。由于线段l与y轴平行，使得副摆动臂3的输出点C至输入轴9轴线O的连接线与x轴重合，即副摆动臂3的输出点C始终在与x轴内作往复运动。

当主摆动臂2绕输入轴9转动时，副摆动臂3的输出点运动轨迹如图所示。以时间t为参数，副摆动臂3的输出点运动轨迹呈正弦函数图象。根据速度、位移公式，对副摆动臂3的输出点的位移求导可知，副摆动臂3的输出点的速率变化呈余弦函数图象。当θ为0°时，输出点的速率v最大；当θ为90°时，输出点的速率v最小。机械臂的整个运动过程平稳、无冲击。

当主摆动臂2相对起始位置逆时针转动了θ角度时，由于小传动轮13的转动灵敏，θ的取值可以很小，主摆动臂2逆时针转动一个微小的角度，小传动轮13会及时带动副摆动臂3顺时针转动相应的角度，这样，传动带16的长度的实时变化会非常小，并不会对传动带16造成损伤。

实施例2：

本实施例2与实施例1的不同之处在于，在起始状态，副摆动臂3和主摆动臂2并不是叠合在一起的。

如图11所示，在起始状态，副摆动臂3与主摆动臂2处在同一直线上。

如图12所示，电机4启动后，主摆动臂2将获得一个输入量，主摆动臂2相对起始位置逆时针转动了θ角度。与实施例1相同，在此转动过程中，副摆动臂3将相对主摆动臂2顺时针转动2θ。

从图12可以看出，此时，副摆动臂3的输出点是在y轴内作往复运动，其运动过程与实施例1一致。机械臂在运动方向所占的空间同样非常小，机械臂在运动方向能达到的最大距离同样为d₁+d₂。

实施例3：

本实施例3与实施例1的不同之处在于，电机4与输入轴9之间是通过齿轮连接的。如图13所示，电机4上安装有驱动齿轮26，输入轴9上加工有与之对应的从动齿轮27。通过驱动齿轮26和从动齿轮27的配合，电机4带动输入轴9转动，从而实现主摆动臂2相对固定座1转动。

实施例4：

如图14所示，本实施例4与实施例3的不同之处在于，大传动轮14是直接安装在固定轴7上的，这样同样可以实现大传动轮14与固定座1的相对固定。

实施例5：

本实施例5与实施例1的不同之处在于，大传动轮14和小传动轮13均为齿轮。如图15所示，此时，连接大传动轮14和小传动轮13的传动件为传动轴28，传动轴的两端设有与大传动轮14和小传动轮13相啮合的齿轮。

上述详细说明是针对本发明的可实行的实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的保护范围，凡是未脱离本发明所作出的等效实施或变更，均应包含在本发明的专利权利范围内。

Claims

1.一种单轴关节型机械臂，包括固定座、主摆动臂和副摆动臂；所述固定座上设有输入轴；所述主摆动臂安装在固定座上，能相对固定座转动；所述副摆动臂上设有输出点，副摆动臂通过连接轴铰接在主摆动臂上可相对所述主摆动臂转动的同时，也可随所述主摆动臂相对所述固定座转动，其特征是：所述主摆动臂绕输入轴转动的轴线至所述副摆动臂绕连接轴转动的轴线的垂直距离d₁等于所述副摆动臂绕连接轴转动的轴线至所述副摆动臂的输出点的垂直距离d₂；还包括大传动轮和小传动轮；所述大传动轮安装在输入轴上，与所述固定座相对固定；所述小传动轮安装在所述副摆动臂上，能驱动副摆动臂转动；所述小传动轮与所述大传动轮的传动比为2：1；所述大传动轮和小传动轮通过传动件连接。

2.根据权利要求1所述的单轴关节型机械臂，其特征是：所述传动件是传动带或传动链；所述大传动轮和小传动轮为带轮或链轮。

3.根据权利要求1所述的单轴关节型机械臂，其特征是：所述大传动轮和小传动轮为齿轮；所述传动件是传动轴，所述传动轴的两端设有与所述大传动轮和小传动轮配合的齿轮。

4.根据权利要求1所述的单轴关节型机械臂，其特征是：所述传动件是齿轮；所述大传动轮和小传动轮为齿轮。