CN107160372A - 仿生机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿生机械臂，包括大臂杆、小臂杆，大臂杆上设置一安装球窝，小臂杆的后端具有能够匹配容纳在安装球窝内球状体。大臂杆的两侧与小臂杆之间连接有第一调节绳索，臂杆内设置有用于张紧第一调节绳索的第一张紧机构组。大臂杆的上部与小臂杆之间连接有第二调节绳索，臂杆内设置有用于张紧第二调节绳索的第二张紧机构组。该仿生机械臂设置了安装球窝和球状体结构使得转动自由度高，动作响应快，累积误差小。另外通过设置张紧机构和绳索实现小臂相对于在左右方向和上下方向全空间范围内的动作，无需进行精确的参数控制，只需将机械臂拉到工作位置，张紧机构对绳索进行适应性调节以保持机械臂的位置，调节简单、方便、灵活。

Description

仿生机械臂

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，具体涉及一种仿生机械臂。

背景技术

随着工业自动化的不断发展，在工业生产中越来越多地使用机器人或者机械臂来完成生产活动，机器人、机械臂不仅能够提供自动化程度、生产效率，同时还能够降低劳动人员的工作强度，或者代替人工完成如高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒物质等危险环境下的工作，从而实现对工作人员的人生安全进行保护。

申请公布号为CN105619403A(申请号为201610184415.8)的中国发明专利申请《一种仿生机械臂》，公告号为CN103696711B(申请号为201310725153.8)的中国发明专利《一种钻杆操作机器人》。其中公开的机械臂结构均包括有两个相对转动的臂杆结构。这些方案中的两个臂杆结构的相对转动角度受限于两个臂杆间的转轴设置方向，转动自由度低，仅能按照固定的方向进行转动。此外，还需要设置精确的控制参数以实现对臂杆的工位控制。

申请公布号为CN105171726A(申请号为201510607815.0)的中国发明专利《一种多关节仿生机械臂》，其中公开的机械臂结构通过多关节的设置可以实现多方向转动，转动自由度大，但是该结构中关节数量多，结构相对复杂，动作响应有延迟，累积误差高，工作过程中相应故障率高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种结构简单、转动自由度高无需参数精准控制且故障率低的仿生机械臂。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种仿生机械臂，包括大臂杆、小臂杆，其特征在于：所述大臂杆上设置一安装球窝，所述小臂杆的后端具有球状体，所述球状体能够匹配容纳在所述安装球窝内并相对于所述安装球窝自由转动；

所述大臂杆的两侧与小臂杆之间分别连接有多根第一调节绳索，以用于调节所述小臂杆相对于所述大臂杆进行左右方向上的摆动，并且所述臂杆内设置有用于张紧所述第一调节绳索的第一张紧机构组；

所述大臂杆的上部与小臂杆之间连接有多根第二调节绳索，以用于调节所述小臂杆相对于所述大臂杆进行上下方向上的摆动，并且所述臂杆内设置有用于张紧所述第二调节绳索的第二张紧机构组。

作为改进，所述小臂杆包括第一臂杆和第二臂杆，所述球状体位于所述第一臂杆的后端，所述第一臂杆的前端与所述第二臂杆的后端转动连接。

为了方便调节第一臂杆与第二臂杆之间的相对转动，所述第一臂杆的两侧和第二臂杆两侧之间分别对应连接有第三调节绳索，所述第一臂杆内设置有用于张紧所述第三调节绳索的第三张紧机构组。

简单地，所述第一张紧机构组包括与所述第一调节绳索相同数量的张紧机构，所述第二张紧机构组包括与所述第二调节绳索相同数量的张紧机构，所述第三张紧机构组包括与所述第三调节绳索相同数量的张紧机构；

所述张紧机构包括电机、与所述电机驱动连接的丝杆组件、连接在所述丝杆组件上的滚轮、设置在各绳索固定点的拉力传感器、控制器，所述电机、拉力传感器分别与所述控制器电信号连接，所述控制器能够根据接收的拉力传感器传送的绳索的内部瞬间拉力信号控制电机动作，进而所述丝杆组件能够在所述电机的驱动下调节包绕在所述滚轮上绳索的松紧度。

简单地，所述丝杆组件包括基架、丝杆、安装台、滚轮安装架；

所述基架包括第一基板、第二基板以及连接在第一基板和第二基板之间的导向柱；

所述安装台包括第一台板、第二台板以及连接在第一台板和第二台板之间的支撑柱，所述第一台板位于所述第一基板的上方，并且所述支撑柱穿设在所述第一基板内，所述第二台板位于所述第一基板和第二基板之间，并且所述导向柱穿设在所述第二台板内；

所述丝杆的一端与所述电机驱动连接，所述丝杆穿过所述第二基板，且所述丝杆的另一端与所述第一基板相连接，所述丝杆穿设在所述第二台板内并与所述第二台板传动连接；

所述安装台限位安装在所述基架上，所述丝杆的一端连接在电机的驱动轴上，所述丝杆的另一端与所述基架固定连接，所述丝杆穿设在所述安装并与所述所述并能相对于所述基架上下移动；

所述滚轮安装架通过一转动轴承连接在所述安装台上，所述滚轮安装架包括基座以及自所述基座两侧沿轴向相对延伸设置的连接板，所述滚轮通过一转轴转动连接在两个连接板之间。

为了方便装配，所述大臂杆上凹陷设置有一凹腔，所述安装球窝安装在所述凹腔内；

所述安装球窝包括具有开口的外球壳和嵌套在所述外球壳内的内球壳，所述内球壳上开设有多个开孔，每个开孔内嵌设一滚珠，所述外球壳的内壳面上对应于所述滚珠设置有凹槽。

简单地，所述外球壳包括能够相互对接的第一外球半壳和第二外球半壳，所述内球壳包括能够相互对接的第一内球半壳和第二内球半壳。

为了方便该机械臂转动到不同工位工作，所述大臂杆的下端转动连接在一安装座上。

简单地，所述小臂杆的前端转动连接有一工装夹具。

方便地，所述工装夹具包括夹爪部和连接部，所述连接部通过一转动轴承连接在所述小臂杆的前端而以所述臂杆轴向为中心进行转动，所述夹爪部通过一转轴转动连接在所述连接部上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：该仿生机械臂设置了安装球窝、球状体、绳索和张紧机构。球状体在安装球窝内能够进行多自由度的转动，使得该机械臂的使用更加方便，动作位置不受转轴的限制，转动自由度高。另外通过张紧机构对设置在不同位置的绳索松紧调节即能实现该机械臂中小臂相对于大臂实现在左右方向和上下方向全空间范围内的动作，在动作过程中无需进行精确的参数控制，只需要人工将机械臂拉到工作位置，，张紧机构即能对绳索进行适应性调节，从而保持当前机械臂的工作位置，调节简单、方便、自由度高。

附图说明

图1为本发明实施例中仿生机械臂的立体图。

图2为本发明实施例中仿生机械臂另一个角度的立体图。

图3为本发明实施例中丝杆组件的立体图。

图4为如3的分解图。

图5为本发明实施例中小臂杆与安装球窝的配合安装图。

图6为本发明实施例中安装球窝的立体分解图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1至图6所示，本实施例中的仿生机械臂，大臂杆1、小臂杆2、安装座10和工装夹具9。

大臂杆1的下端转动连接在安装座10上，如此，通过大臂杆1相对于安装座10的转动可以将该仿生机械臂转动到任意工位进行工作。

工装夹具9转动连接在小臂杆2的前端。工装夹具9包括夹爪部91和连接部92，连接部92通过一转动轴承连接在小臂杆2的前端，从而以所述臂杆轴向为中心进行转动，夹爪部91通过一转轴转动连接在连接部92上。

大臂杆1上凹陷设置有一凹腔，凹腔内设置有一安装球窝3，小臂杆2的后端具有球状体201，球状体201能够匹配容纳在安装球窝3内并相对于安装球窝3自由转动，如此小臂杆2和大臂杆1之间能够实现肩关节动作。球状体201在安装球窝3内的转动自由度极高，可以实现各个方向的自由转动，响应速度快，同时相对于现有技术中通过多个关节结构设置实现的多自由度的转动，其累计误差更小。

其中安装球窝3包括外球壳31、内球壳32。

内球壳32嵌设在外球壳31内，小臂杆2的球状体201嵌设在内球壳32内，内球壳32和外球壳31具有供小臂杆2的球状体201多自由度活动所需的开口。

内球壳32上开设有多个开孔，多个开孔沿内球壳32的多个经度的经线方向排列设置，每个开孔内嵌设一滚珠33，从而使得滚珠33也沿内球壳32的经线方向排列。外球壳31的内壳面上对应于滚珠33设置有凹槽301。本实施例中，凹槽301对应于滚珠33的排列方向在外球壳31的内壳面上沿外球壳31的多个经度的经线方向贯通设置。

内球壳32包括能够相互对接的第一内球半壳321和第二内球半壳322。本实施例中第一内球半壳321的下边缘沿径向向外延伸设置有第一翻边，第二内球半壳322的上边缘沿径向向外延伸设置有第二翻边，第一翻边和第二翻边的对合面上分别对应设置有卡槽和凸棱，本实施例中卡槽设置在第一翻边上，凸棱设置在第二翻边上，通过将凸棱插配在卡槽内，实现第一内球半壳321和第二内球半壳322的对合连接。

外球壳31包括能够相互对接的第一外球半壳311和第二外球半壳312，第一外球半壳311的下边缘沿径向向外延伸设置有第一连接边，第二外球半壳312的上边缘沿径向向外延伸设置有第二连接边。装配时，将滚珠33装配入第一内球半壳321上的开孔内后，将第一外球半壳311罩设在第一内球半壳321外，使得滚珠33抵在第一外球半壳311上的凹槽301内，此时第一连接边恰好盖设在第一翻边外。按照相同的过程装配好滚珠33、第二内球半壳322和第二外球半壳312，第二连接边恰好盖设在第二翻边外，通过第一翻边上的卡槽和第二翻边上的凸棱的配合对接，第一连接边、第一翻边、第二翻边、第二连接边叠设在一起，通过固定件分别穿过第一连接边、第一翻边、第二翻边、第二连接边以实现外球壳31、内球壳32的固定连接。

该仿生机械臂在使用时，小臂杆2的球状体201能够在滚珠33的作用下相对于内球壳32多自由度的进行转动，在小臂杆2的球状体201的转动过程中，各滚珠33在固定的开孔位置内进行转动，滚珠33的设置减小了小臂杆2的球状体201相对于安装球窝3之间的摩擦，有效保证了小臂杆2的球状体201运动的稳定性。

大臂杆1的两侧与小臂杆2之间分别连接有多根第一调节绳索4，这些第一调节绳索4用于调节小臂杆2相对于大臂杆1进行左右方向上的摆动，并且臂杆内设置有用于张紧第一调节绳索4的第一张紧机构组。

大臂杆1的上部与小臂杆2之间连接有多根第二调节绳索5，第二调节绳索5用于调节所述小臂杆2相对于大臂杆1进行上下方向上的摆动，并且臂杆内设置有用于张紧第二调节绳索5的第二张紧机构组。

小臂杆2包括第一臂杆21和第二臂杆22，小臂杆2的球状体201位于第一臂杆21的后端，第一臂杆21的前端与第二臂杆22的后端转动连接，本实施例中第一臂杆21的前端与第二臂杆22的后端简单的通过转轴转动连接，从而通过第一臂杆21和第二臂杆22的动作实现肘关节运动。

第一臂杆21的两侧和第二臂杆22两侧之间分别对应连接有第三调节绳索6，第一臂杆21内设置有用于张紧第三调节绳索6的第三张紧机构组。

为了实现精确的调节，第一张紧机构组包括与第一调节绳索4相同数量的张紧机构，第二张紧机构组包括与第二调节绳索5相同数量的张紧机构，第三张紧机构组包括与第三调节绳索6相同数量的张紧机构。即张紧机构与绳索一一对应设置，每个张紧机构对应实现一根绳索的松紧调节。

张紧机构的具体结构如下：张紧机构包括电机、与电机驱动连接的丝杆组件8、连接在丝杆组件8上的滚轮7、设置在各绳索固定点的拉力传感器100、控制器，电机、拉力传感器100分别与控制器电信号连接。

本实施例中的电机采用闭环步进电机，丝杆组件8能够在电机的驱动下调节包绕在滚轮7上绳索的松紧度，从而小臂杆2相对于大臂杆1转动方向和转动角度的调节，以及第二臂杆22相对于第一臂杆21转动方向和转动角度的调节。在调节时，不同的张紧程度，对应绳索两端点之间直线距离的不同，如此可以通过张紧绳索来缩小绳索两端点之间直线距离，即减小在张紧机构设置方向小臂杆2向大臂杆1转动的距离。通过放松绳索来增加绳索两端点之间直线距离，相应增加在张紧机构设置方向小臂杆2向大臂杆1转动的距离。

丝杆组件8包括基架81、丝杆82、安装台83、滚轮安装架84。

基架81包括第一基板811、第二基板812以及连接在第一基板811和第二基板812之间的导向柱813；

安装台83包括第一台板831、第二台板832以及连接在第一台板831和第二台板832之间的支撑柱833，第一台板831位于第一基板811的上方，并且支撑柱833穿设在第一基板811内，第二台板832位于第一基板811和第二基板812之间，并且导向柱813穿设在第二台板832内。

丝杆82的一端与电机驱动连接，丝杆82穿过第二基板812，且丝杆82的另一端与第一基板811相连接，丝杆82穿设在第二台板832内并与第二台板832传动连接。

安装台83限位安装在基架81上，丝杆82的一端连接在电机的驱动轴上，丝杆82的另一端与基架81固定连接，丝杆82穿设在安装并与并能相对于基架81上下移动。

滚轮安装架84通过一转动轴承连接在安装台83上，该轴承可以降低绳索不规则弯曲带来的控制不确定性。滚轮安装架84包括基座841以及自基座841两侧沿轴向相对延伸设置的连接板842，滚轮7通过一转轴转动连接在两个连接板842之间。

在使用时，通过电机驱动丝杆82转动，通过丝杆82的传动作用带动安装台83沿导向柱813方向上下运动，从而实现绳索的张紧和松弛调节，进而通过绳索带动小臂杆2相对于大臂杆1进行各方向上转动位置和转动角度的调节，通过各绳索不同松紧度的配合，达到机械臂实现不同动作的目的。调节过程中绳索的松紧度可以通过设置在各绳索固定点的拉力传感器100进行检测，拉力传感器100将检测到的绳索的拉力信号传送至控制器，控制器控制电机进行动作，进而丝杆组件8能够在电机的驱动下调节包绕在滚轮7上绳索的松紧度。

该仿生机械臂在使用时，可以通过电机内的参数设置控制电机动作，进而实现机械臂各种动作的控制。也可以通过人工引导的方式使用，即人工将小臂杆2拉动到工作工位，位于各绳索固定点的拉力传感器100对应获取各绳索的拉力数据，并传送给控制器，控制器控制电机工作，进而通过丝杆调节各绳索的松紧度，进而使得拉力传感器100检测的各绳索的拉力数据保持在设定的拉力值范围内，进而实现小臂杆相对于大臂杆位置的变化，并且记录在此拉力范围内各个闭环步进电机的编码值，从而实现后续无人手牵引的重复定位，从而保持机械臂处于工作工位上，这种使用方法无需设置精确的控制参数，操作灵活度高，工人上手速度快。

Claims (10)

1.一种仿生机械臂，包括大臂杆(1)、小臂杆(2)，其特征在于：所述大臂杆(1)上设置一安装球窝(3)，所述小臂杆(2)的后端具有球状体(201)，所述球状体(201)能够匹配容纳在所述安装球窝(3)内并相对于所述安装球窝(3)自由转动；

所述大臂杆(1)的两侧与小臂杆(2)之间分别连接有多根第一调节绳索(4)，以用于调节所述小臂杆(2)相对于所述大臂杆(1)进行左右方向上的摆动，并且所述臂杆内设置有用于张紧所述第一调节绳索(4)的第一张紧机构组；

所述大臂杆(1)的上部与小臂杆(2)之间连接有多根第二调节绳索(5)，以用于调节所述小臂杆(2)相对于所述大臂杆(1)进行上下方向上的摆动，并且所述臂杆内设置有用于张紧所述第二调节绳索(5)的第二张紧机构组。

2.根据权利要求1所述的仿生机械臂，其特征在于：所述小臂杆(2)包括第一臂杆(21)和第二臂杆(22)，所述球状体(201)位于所述第一臂杆(21)的后端，所述第一臂杆(21)的前端与所述第二臂杆(22)的后端转动连接。

3.根据权利要求2所述的仿生机械臂，其特征在于：所述第一臂杆(21)的两侧和第二臂杆(22)两侧之间分别对应连接有第三调节绳索(6)，所述第一臂杆(21)内设置有用于张紧所述第三调节绳索(6)的第三张紧机构组。

4.根据权利要求1所述的仿生机械臂，其特征在于：所述第一张紧机构组包括与所述第一调节绳索(4)相同数量的张紧机构，所述第二张紧机构组包括与所述第二调节绳索(5)相同数量的张紧机构，所述第三张紧机构组包括与所述第三调节绳索(6)相同数量的张紧机构；

所述张紧机构包括电机、与所述电机驱动连接的丝杆组件(8)、连接在所述丝杆组件(8)上的滚轮(7)、设置在各绳索固定点的拉力传感器(100)、控制器，所述电机、拉力传感器(100)分别与所述控制器电信号连接，所述控制器能够根据接收的拉力传感器(100)传送的绳索的内部瞬间拉力信号控制电机动作，进而所述丝杆组件(8)能够在所述电机的驱动下调节包绕在所述滚轮(7)上绳索的松紧度。

5.根据权利要求4所述的仿生机械臂，其特征在于：所述丝杆组件(8)包括基架(81)、丝杆(82)、安装台(83)、滚轮安装架(84)；

所述基架(81)包括第一基板(811)、第二基板(812)以及连接在第一基板(811)和第二基板(812)之间的导向柱(813)；

所述安装台(83)包括第一台板(831)、第二台板(832)以及连接在第一台板(831)和第二台板(832)之间的支撑柱(833)，所述第一台板(831)位于所述第一基板(811)的上方，并且所述支撑柱(833)穿设在所述第一基板(811)内，所述第二台板(832)位于所述第一基板(811)和第二基板(812)之间，并且所述导向柱(813)穿设在所述第二台板(832)内；

所述丝杆(82)的一端与所述电机驱动连接，所述丝杆(82)穿过所述第二基板(812)，且所述丝杆(82)的另一端与所述第一基板(811)相连接，所述丝杆(82)穿设在所述第二台板(832)内并与所述第二台板(832)传动连接；

所述安装台(83)限位安装在所述基架(81)上，所述丝杆(82)的一端连接在电机的驱动轴上，所述丝杆(82)的另一端与所述基架(81)固定连接，所述丝杆(82)穿设在所述安装并与所述所述并能相对于所述基架(81)上下移动；

所述滚轮安装架(84)通过一转动轴承连接在所述安装台(83)上，所述滚轮安装架(84)包括基座(841)以及自所述基座(841)两侧沿轴向相对延伸设置的连接板(842)，所述滚轮(7)通过一转轴转动连接在两个连接板(842)之间。

6.根据权利要求1所述的仿生机械臂，其特征在于：所述大臂杆(1)上凹陷设置有一凹腔，所述安装球窝(3)安装在所述凹腔内；

所述安装球窝(3)包括具有开口的外球壳(31)和嵌套在所述外球壳(31)内的内球壳(32)，所述内球壳(32)上开设有多个开孔，每个开孔内嵌设一滚珠(33)，所述外球壳(31)的内壳面上对应于所述滚珠(33)设置有凹槽(301)。

7.根据权利要求6所述的仿生机械臂，其特征在于：所述外球壳(31)包括能够相互对接的第一外球半壳(311)和第二外球半壳(312)，所述内球壳(32)包括能够相互对接的第一内球半壳(321)和第二内球半壳(322)。

8.根据权利要求1所述的仿生机械臂，其特征在于：所述大臂杆(1)的下端转动连接在一安装座(10)上。

9.根据权利要求1所述的仿生机械臂，其特征在于：所述小臂杆(2)的前端转动连接有一工装夹具(9)。

10.根据权利要求1所述的仿生机械臂，其特征在于：所述工装夹具(9)包括夹爪部(91)和连接部(92)，所述连接部(92)通过一转动轴承连接在所述小臂杆(2)的前端而以所述臂杆轴向为中心进行转动，所述夹爪部(91)通过一转轴转动连接在所述连接部(92)上。