CN105459090A - 一种示教型六自由度搬运机械手 - Google Patents

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刘操
刘勇
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    • B25J9/12Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements electric

Abstract

本发明公开了一种示教型六自由度搬运机械手,包括支撑座、腰部、机械臂上肢、腰部旋转关节、大臂抬起关节、小臂抬起关节、小臂旋转关节、腕部抬起关节、腕部纵向旋转关节和控制系统。腰部包括与支撑座同轴设置的U型底座;大臂、小臂驱动曲柄、小臂筋和肘关节形成一个平行四边形机构。U型底座的竖向侧板上设有小臂驱动曲柄转动的驱动机构,形成以肘关节为转动支点的小臂抬起关节。小臂旋转关节、腕部抬起关节和腕部纵向旋转关节三者的转动轴线相交于一个共同点。采用上述结构后,结构紧凑、传动力矩大,拆卸方便,能用手机实时操控且控制系统开放,人机交互性好;能够将物体放置在空间中期望位置和姿态。

Description

一种示教型六自由度搬运机械手
技术领域
[0001]本发明涉及一种机电工程学科的教学模型设备,特别是一种示教型六自由度搬运机械手。
背景技术
[0002]机械手在自动化、智能化的生产过程中逐渐体现出不可替代的作用。在高校,有众多教师和学生进行着机械手的研究和学习。
[0003]然而,目前用于教学的机械手价格昂贵,机械手拆装、组合、加工不方便,控制系统不开放等原因阻碍了教师教学和学生学习。如现有的六自由度机械手的腰关节和肘关节等的安装座为整体加工,使得加工精度难以保证,导致控制精度不足。另外,现有教学机械手的人机交互性大多不佳,控制系统较为复杂且开放程度不够,难以从机械本体结构、控制系统底层硬件及软件解剖等方面,有针对性地从融入相关教学环节中。
发明内容
[0004]本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足,而提供一种拆卸方便、能用手机实时操控且控制系统开放、能够将物体放置在空间中期望位置和姿态的示教型六自由度搬运机械手。
[0005]为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:
[0006] —种示教型六自由度搬运机械手,包括支撑座、腰部和机械臂上肢,机械臂上肢包括依次活动设置的大臂、肘关节、小臂、腕部和机械手爪。
[0007]腰部和机械臂上肢中具有六个活动关节,分别为:腰部旋转关节、大臂抬起关节、小臂抬起关节、小臂旋转关节、腕部抬起关节、腕部纵向旋转关节。
[0008]腰部转动连接在支撑座上,形成腰部旋转关节;腰部包括与支撑座同轴设置的U型底座;
[0009] U型底座的其中一块竖向侧板与大臂转动连接,形成大臂抬起关节。
[0010]大臂与竖向侧板相配合的一端还转动连接有小臂驱动曲柄,小臂驱动曲柄的另一端转动连接有小臂筋,小臂筋的另一端转动连接在肘关节上;大臂、小臂驱动曲柄、小臂筋和肘关节形成一个平行四边形机构。
[0011]小臂驱动曲柄与小臂筋相配合的一端,转动连接在U型底座的另一块竖向侧板上,且该竖向侧板上设置有小臂驱动曲柄转动的驱动机构,形成以肘关节为转动支点的小臂抬起关节。
[0012]所述小臂旋转关节、腕部抬起关节和腕部纵向旋转关节三者的转动轴线相交于一个共同点。
[0013]六个所述活动关节的活动均由步进电机所驱动。
[0014]每个所述活动关节上均设置有极限位置检测装置。
[0015]每个极限位置检测装置均包括金属片和定位传感器。
[0016]所述机械手爪包括过渡架、减速马达和夹持器,减速马达能驱动夹持器的开合。
[0017]还包括控制系统,该控制系统包括主控制器、驱动器和操作终端,主控制器和操作终端能通过有线或无线的方式进行数据传输,驱动器能对各个步进电机进行驱动;减速马达、驱动器、每个步进电机和每个定位传感器均与主控制器相连接。
[0018]所述操作终端为手机或上位机。
[0019]所述支撑座能固定在工作台面上。
[0020]本发明采用上述结构后,具有如下有益效果:
[0021] 1、采用平行四边形机构,小臂抬起关节的驱动机构安装在机械臂上肢的下部,能够有效减轻悬浮重量。另外,整个机械手呈对称形,能够减小启动惯性,有利于安装,也有利于数学分析。
[0022] 2、机械手有六个自由度,小臂旋转关节、腕部抬起关节和腕部纵向旋转关节三个末端关节的旋转轴线相交于同一点,能够实现物体任意位置和姿态的放置。
[0023] 3、机械臂上肢中腕部的末端借助过渡架能连接不同末端执行器,用于执行不同教学任务,如焊接等。
[0024] 4、搬运机械手能够借助操控终端,通过手机蓝牙无线或PC机USB串行通信的方式,对六自由度机械手整体运动进行协同控制,也能单独控制每个活动关节的旋转,具有良好的人机交互性。
附图说明
[0025]图1显示了示教型六自由度搬运机械手的活动关节示意图;
[0026]图2显示了示教型六自由度搬运机械手的支撑座示意图;
[0027]图3显示了示教型六自由度搬运机械手的腰部示意图;
[0028]图4显示了示教型六自由度搬运机械手的平行四边形机构示意图;
[0029]图5显示了示教型六自由度搬运机械手的第四步进电机带动小臂旋转示意图;
[0030]图6显示了示教型六自由度搬运机械手的控制系统框图;
[0031]图7显示了示教型六自由度搬运机械手的控制流程图。
[0032]图中:
[0033] 1.腰部旋转关节;2.大臂抬起关节;3.小臂抬起关节;4.小臂旋转关节;5.腕部抬起关节;6.腕部纵向旋转关节;7.机械手爪;
[0034] 10.支撑座;
[0035] 11.底板;111.第一定位传感器;12.第一支座板;13.第二支座板;14.轴承;15.第一输出轴;16.腰部减速器;17.腰部减速齿轮;18.垫板;
[0036] 20.腰部;
[0037] 21.U型底座;22.竖向侧板;221.联轴器;222.金属片;23.第二步进电机;24.第一步进电机;25.第二步进电机;
[0038] 30.机械臂上肢;
[0039] 31.大臂;
[0040] 32.肘关节;321.第四步进电机;322.第四输出轴;
[0041 ] 33.小臂;331.小臂驱动曲柄;332.小臂筋;
[0042] 34.腕部;
具体实施方式
[0043]下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0044]如图1所示,一种示教型六自由度搬运机械手,包括支撑座10、腰部20、机械臂上肢30和控制系统。
[0045]机械臂上肢30包括依次活动设置的大臂31、肘关节32、小臂33、腕部34和机械手爪7。
[0046]腰部20和机械臂上肢30中具有如图1所示的六个活动关节,分别为:腰部旋转关节
1、大臂抬起关节2、小臂抬起关节3、小臂旋转关节4、腕部抬起关节5和腕部纵向旋转关节6。
[0047]如图1所示,小臂旋转关节4、腕部抬起关节5和腕部纵向旋转关节6三者的转动轴线相交于一个共同点。
[0048]六个上述活动关节的活动均优选由步进电机所驱动,六个步进电机分别为第一步进电机24、第二步进电机23、第三步进电机25、第四步进电机321、第五步进电机和第六步进电机。
[0049]如图2所示,支撑座10包括底板11、第一支座板12和第二支座板13。底板11、第一支座板12和第二支座板13均同轴设置,支座板的数量,可以根据需要进行增减。支撑座结构简单,重量轻。
[0050]本发明中的部件全部采用板材结构,材料为铝合金,在保证机械手的刚度和强度的前提下,在板材合适地方可掏空,从而有效降低整机重量,减少能耗。
[0051]底板11上开有安装孔,可固定于工作台面上。
[0052]底板11中心安装有固定的轴承14,轴承14内安装有第一输出轴15,第一输出轴15的顶端与腰部减速器16相连接。
[0053] 腰部20包括与支撑座10同轴设置的U型底座21。
[0054]如图3所示,上述支座板和U型底座21上开同轴孔,形成适于安装腰部减速器16的容腔。腰部减速器16从同轴孔中穿出,腰部减速器16的顶部外周套装有若干块垫板18,腰部减速器16的顶部设置有腰部减速齿轮17。
[0055]腰部20转动连接在支撑座10上,形成腰部旋转关节1。
[0056]腰部旋转关节1的旋转,由第一步进电机24所驱动,第一步进电机24可设置在底板11内,也可设置在U型底座21的竖向侧板22旁。第一步进电机24带动腰部减速齿轮17、腰部减速器16和第一输出轴15进行转动,进而带动腰部旋转关节1按照图1所示的转动轴线进行转动。
[0057] U型底座21的两块竖向侧板22上各开设有一个通孔,两个通孔同轴设置。每个通孔内放置有一个联轴器221,两块竖向侧板22上均安装有一个对称设置的步进电机。
[0058]如图3所示,位于左侧的竖向侧板22上安装有第三步进电机25,该第三步进电机25分别与减速齿轮232和减速器231相连接后,再与左侧竖向侧板22上的联轴器221固定连接。
[0059]位于右侧的竖向侧板22上安装有第二步进电机23,该第二步进电机23上分别与减速齿轮232和减速器231相连接后,再与右侧竖向侧板22上的联轴器221固定连接。
[0060]另外,上述减速齿轮232和减速器231,优选通过垫板18与竖向侧板22固定连接。
[0061]上述右侧竖向侧板22与大臂31转动连接,形成大臂抬起关节2。也即,大臂31的底端与右侧竖向侧板22上的联轴器固定连接。第二步进电机23旋转时,通过同步带、减速齿轮和减速器带动大臂31旋转。
[0062]大臂2与右侧竖向侧板22相配合的一端还转动连接有小臂驱动曲柄331,小臂驱动曲柄331的另一端转动连接有小臂筋332,小臂筋332的另一端转动连接在肘关节32上;大臂31、小臂驱动曲柄331、小臂筋332和肘关节32形成一个如图4所示的平行四边形机构。
[0063]小臂驱动曲柄331与小臂筋332相配合的一端,转动连接在U型底座的左侧竖向侧板上。也即小臂驱动曲柄331与小臂筋332相配合的一端,通过同一根输出轴与左侧竖向侧板上的联轴器固定连接,形成以肘关节为转动支点的小臂抬起关节3。
[0064]图5是肘关节到小臂的传动示意图。在肘关节连接板上开有安装第四步进电机321的安装孔,第四步进电机321通过减速齿轮以及连接肘关节和小臂的第四输出轴322驱动小臂旋转。
[0065]在小臂内侧设有第五步进电机,通过减速齿轮和同步带实现腕部抬起关节6的旋转。
[0066]在腕部抬起关节上安装有第六步进电机,用于驱动腕部纵向旋转关节7的旋转。
[0067]机械手爪7包括过渡架和夹持器。过渡架用于连接不同的末端执行器。夹持器的开合由减速马达控制,自带有过载保护装置。当电流过大时,减速马达会自动断电。
[0068]进一步,每个活动关节上均设置有极限位置检测装置。每个极限位置检测装置均优选包括金属片和定位传感器。
[0069]如图3所示,在右侧竖向侧板22的外侧底部设置有金属片222,在底板11上与金属片222位置相对应的地方设置有第一定位传感器111。金属片222和第一定位传感器111的设置,用于确定初始化腰部时的极限位置。
[0070]同理,在大臂侧面有金属片和第二定位传感器,用于初始化大臂的极限位置。在肘关节上方设有金属片和第三定位传感器,用于初始化小臂抬起时的极限位置。在小臂和肘关节上分别安装有金属片和第四定位传感器,用于初始化小臂旋转时的极限位置;依次类推。
[0071]如图6所示,上述控制系统包括主控制器、驱动器和操作终端。
[0072]主控制器和操作终端能通过有线或无线的方式进行数据传输,驱动器能对各个步进电机进行驱动;减速马达、驱动器、每个步进电机和每个定位传感器均与主控制器相连接。
[0073] 上述操作终端可以为手机或PC上位机等。当为手机时,可以通过蓝牙无线通信方式给主控制器发送机械手运行参数以及控制指令。当为PC上位机时,可通过操作界面经USB与主控制器进行通信。
[0074]上述主控制器以STM32单片机为核心控制器,其输出脉冲控制信号与驱动器输入端相连,驱动器输出端与步进电机输入信号线相连。另外,六个极限位置检测装置的定位传感器输出端与主控制器输入端相连。机械手的运动可以是固定的轨迹,即事先经过运动学逆解而确定的各活动关节旋转角度;也可以由操控终端单独控制每个活动关节的旋转角度。
[0075]以下将结合图6和图7来说明六自由度搬运机械手的工作过程:
[0076]以将某物体从位置A移动到位置B为例。
[0077]首先,系统会进行参数初始化,上位机对系统下达指令后,确定机械手各个活动关节的极限位置并实施定位。
[0078]然后,系统会对机械手位姿进行初始化。
[0079]接着,主控制器根据接收到的指令提取相关参数并判断所给参数是否合理,然后驱动步进电机。第一步进电机24驱动腰关节旋转,第二步进电机23驱动大臂抬起关节旋转,第三步进电机25驱动小臂抬起关节旋转,第四步进电机321驱动小臂旋转关节旋转,第五步进电机驱动腕部抬起关节旋转,第六步进电机驱动腕部纵向旋转关节旋转,减速马达驱动夹持器打开夹住物体;按照设定的位姿变换,机械手爪移动到B处,放下物体,最后机械手回到初始位姿。
[°08°]经过上述步骤完成物体从位置A到位置B的搬运任务。
[0081]以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种等同变换,这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种示教型六自由度搬运机械手,其特征在于: 包括支撑座、腰部和机械臂上肢,机械臂上肢包括依次活动设置的大臂、肘关节、小臂、腕部和机械手爪; 腰部和机械臂上肢中具有六个活动关节,分别为:腰部旋转关节、大臂抬起关节、小臂抬起关节、小臂旋转关节、腕部抬起关节、腕部纵向旋转关节; 腰部转动连接在支撑座上,形成腰部旋转关节;腰部包括与支撑座同轴设置的U型底座; U型底座的其中一块竖向侧板与大臂转动连接,形成大臂抬起关节; 大臂与竖向侧板相配合的一端还转动连接有小臂驱动曲柄,小臂驱动曲柄的另一端转动连接有小臂筋,小臂筋的另一端转动连接在肘关节上;大臂、小臂驱动曲柄、小臂筋和肘关节形成一个平行四边形机构; 小臂驱动曲柄与小臂筋相配合的一端,转动连接在U型底座的另一块竖向侧板上,且该竖向侧板上设置有小臂驱动曲柄转动的驱动机构,形成以肘关节为转动支点的小臂抬起关Τ ο
2.根据权利要求1所述的示教型六自由度搬运机械手,其特征在于:所述小臂旋转关节、腕部抬起关节和腕部纵向旋转关节三者的转动轴线相交于一个共同点。
3.根据权利要求1所述的示教型六自由度搬运机械手,其特征在于:六个所述活动关节的活动均由步进电机所驱动。
4.根据权利要求3所述的示教型六自由度搬运机械手,其特征在于:每个所述活动关节上均设置有极限位置检测装置。
5.根据权利要求4所述的示教型六自由度搬运机械手,其特征在于:每个极限位置检测装置均包括金属片和定位传感器。
6.根据权利要求5所述的示教型六自由度搬运机械手,其特征在于:所述机械手爪包括过渡架、减速马达和夹持器,减速马达能驱动夹持器的开合。
7.根据权利要求6所述的示教型六自由度搬运机械手,其特征在于:还包括控制系统,该控制系统包括主控制器、驱动器和操作终端,主控制器和操作终端能通过有线或无线的方式进行数据传输,驱动器能对各个步进电机进行驱动;减速马达、驱动器、每个步进电机和每个定位传感器均与主控制器相连接。
8.根据权利要求7所述的示教型六自由度搬运机械手,其特征在于:所述操作终端为手机或上位机。
9.根据权利要求1所述的示教型六自由度搬运机械手,其特征在于:所述支撑座能固定在工作台面上。
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