CN107322637B - 一种四自由度机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四自由度机械臂，包括肩部基座、第一大臂伺服电机、腰部伺服电机、腰部减速器、基座、第二大臂伺服电机、大臂导轨、第一大臂推杆、第一丝杠、第一大臂连杆、末端执行器连接件、小臂、腕部伺服电机、第二大臂连杆、大臂连板、第一大臂滑块、第二大臂推杆、第二丝杠、第二大臂滑块；肩部基座与腰部减速器的壳体固定连接，第一大臂伺服电机、第二大臂伺服电机和大臂导轨一端分别固定连接在肩部基座上，第一丝杠一端与第二大臂伺服电机连接，第一丝杠另一端与大臂连板可转动连接；第二丝杠一端与第一大臂伺服电机连接，第二丝杠另一端与大臂连板可转动连接。该机械臂可提高机械臂的承载力，降低工作时的惯性，确保稳定运行。

Description

一种四自由度机械臂

技术领域

本发明涉及一种机械臂，具体来说，涉及一种四自由度机械臂。

背景技术

果蔬采收是农业生产过程中的重要环节，为提高劳动生产率和作业质量，降低劳动强度，改善工作环境，实现收获作业机械化、自动化和智能化，国内外对农业采摘机器人的机械臂进行了试验性的探索，现已开发出的大多数农业采摘机器人的机械臂采用类似于通用工业机械臂的构型，具有以下缺点：（1）与釆摘对象和作业环境间缺乏协调性；（2）仅适应于特定的环境和单一作业，通用性较差，且不便对其系统进行升级和扩展，具有很大的局限性；（3）成本高，机构笨重，严重影响了采摘机器人的实用化、商品化进程。对于工业机械臂而言，通常采用串联形式，承载力小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种四自由度机械臂，以提高机械臂的承载力，降低工作时的惯性，确保设备稳定运行。

为解决上述技术问题，本发明实施例采用的技术方案为：

一种四自由度机械臂，所述机械臂包括肩部基座、第一大臂伺服电机、腰部伺服电机、腰部减速器、基座、第二大臂伺服电机、大臂导轨、第一大臂推杆、第一丝杠、第一大臂连杆、末端执行器连接件、小臂、腕部伺服电机、第二大臂连杆、大臂连板、第一大臂滑块、第二大臂推杆、第二丝杠、第二大臂滑块；其中，腰部减速器与基座连接，腰部伺服电机的转动轴与腰部减速器的输入端固定连接；肩部基座与腰部减速器的壳体固定连接，第一大臂伺服电机、第二大臂伺服电机和大臂导轨一端分别固定连接在肩部基座上，第一丝杠一端与第二大臂伺服电机连接，第一丝杠另一端与大臂连板可转动连接；第二丝杠一端与第一大臂伺服电机连接，第二丝杠另一端与大臂连板可转动连接；大臂导轨另一端与大臂连板固定连接；第一大臂滑块通过螺旋副和第二丝杠连接，第二大臂滑块通过螺旋副和第一丝杠连接，第一大臂滑块和第二大臂滑块分别套装在大臂导轨上；第一大臂推杆一端和第二大臂推杆一端分别与第二大臂滑块可转动连接，第一大臂推杆另一端与第一大臂连杆一端可转动连接，第一大臂连杆与第一大臂滑块可转动连接，第一大臂连杆另一端与小臂固定连接；第二大臂推杆另一端与第二大臂连杆一端可转动连接，第二大臂连杆与第一大臂滑块可转动连接，第二大臂连杆另一端与小臂固定连接；末端执行器连接件可转动连接在小臂上，腕部伺服电机固定连接在小臂上，腕部伺服电机通过传动部件带动末端执行器连接件转动。

作为优选例，所述的大臂导轨包括第一大臂导轨、第二大臂导轨、第三大臂导轨和第四大臂导轨，第一大臂导轨和第二大臂导轨位于第二丝杠两侧，第三大臂导轨和第四大臂导轨位于第一丝杠两侧；第二大臂滑块套装在第一大臂导轨和第二大臂导轨上，第一大臂滑块套装在第三大臂导轨和第四大臂导轨上。

作为优选例，所述传动部件包括第一带轮、第二带轮，第一带轮和第二带轮位于小臂的同侧，且第一带轮和第二带轮可转动连接在小臂上，第一带轮和第二带轮通过同步带连接，腕部伺服电机的转动轴和第一带轮一端固定连接，末端执行器连接件和第二带轮固定连接。

作为优选例，所述腰部伺服电机固定连接在腰部减速器壳体上。

与现有技术相比，本发明的机械臂具有以下优点：

（1）承载力大。本实施例并列设置两个承载单元去承载机械臂抓取的物体重力。其中，第一大臂推杆和第一大臂连杆构成一承载单元。第二大臂推杆和第二大臂连杆构成了另一承载单元。两个承载单元同时承载末端执行器抓取的物体重力。这大大增加了机械臂的承载力。

（2）惯性小。本实施例中，腰部伺服电机、第一大臂伺服电机和第二大臂伺服电机，都位于机械臂的下部。虽然腕部伺服电机位于上部，但是其重量较小。这使得整个机械臂的重心较低，惯性小，利于设备的安全运行。

（3）动作灵活。本实施例中，机械臂为关节型机械臂，包括腰、肩、大臂、小臂和腕，肩部采用并联结构，可以实现转动和移动。肩部的上下移动，增加了机器人在垂直方向上的作业空间。本实施例的机械臂结构简单、惯性小。

（4）占地面积小。本实施例中，所有部件都装载在基座上。基座占地面积小，使得整个就机械臂占地面积小。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图中有：肩部基座1、第一大臂伺服电机2、腰部伺服电机3、腰部减速器4、基座5、第二大臂伺服电机6、第一大臂导轨7、第一大臂推杆8、第一丝杠9、第二大臂导轨10、第一大臂连杆11、第一带轮12、同步带13、第二带轮14、末端执行器连接件15、小臂16、腕部伺服电机17、第二大臂连杆18、大臂连板19、第一大臂滑块20、第二大臂推杆21、第三大臂导轨22、第二丝杠23、第四大臂导轨24、第二大臂滑块25。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例的技术方案进行详细的描述。

如图1所示，本发明实施例的一种四自由度机械臂，包括肩部基座1、第一大臂伺服电机2、腰部伺服电机3、腰部减速器4、基座5、第二大臂伺服电机6、大臂导轨、第一大臂推杆8、第一丝杠9、第一大臂连杆11、末端执行器连接件15、小臂16、腕部伺服电机17、第二大臂连杆18、大臂连板19、第一大臂滑块20、第二大臂推杆21、第二丝杠23、第二大臂滑块25。腰部减速器4与基座5连接，腰部伺服电机3的转动轴与腰部减速器4的输入端固定连接。肩部基座1与腰部减速器4的壳体固定连接，第一大臂伺服电机2、第二大臂伺服电机6和大臂导轨一端分别固定连接在肩部基座1上，第一丝杠9一端与第二大臂伺服电机6连接，第一丝杠9另一端与大臂连板19可转动连接。第二丝杠23一端与第一大臂伺服电机2连接，第二丝杠23另一端与大臂连板19可转动连接。大臂导轨另一端与大臂连板19固定连接。第一大臂滑块20通过螺旋副和第二丝杠23连接，第二大臂滑块25通过螺旋副和第一丝杠9连接，第一大臂滑块20和第二大臂滑块25分别套装在大臂导轨上。第一大臂推杆8一端和第二大臂推杆21一端分别与第二大臂滑块25可转动连接，第一大臂推杆8另一端与第一大臂连杆11一端可转动连接，第一大臂连杆11与第一大臂滑块20可转动连接，第一大臂连杆11另一端与小臂16固定连接。第二大臂推杆21另一端与第二大臂连杆18一端可转动连接，第二大臂连杆18与第一大臂滑块20可转动连接，第二大臂连杆18另一端与小臂16固定连接。末端执行器连接件15可转动连接在小臂16上，腕部伺服电机17固定连接在小臂16上，腕部伺服电机17通过传动部件带动末端执行器连接件15转动。

上述实施例的四自由度机械臂在工作时，

（1）腰部的转动：通过控制腰部伺服电机3，驱动腰部减速器4相对于基座5转动。这样固定在腰部减速器4壳体上的其他部件也随着腰部减速器4转动。

（2）肩部的上下移动：同时启动第一大臂伺服电机2和第二大臂伺服电机6。第一大臂伺服电机2驱动第二丝杠23转动，第二大臂伺服电机6驱动第一丝杠9转动。第二丝杠23和第一丝杠9同步同方向转动。这样，第一大臂滑块20和第二大臂滑块25也同步上升或者同步下降。连接在第一大臂滑块20和第二大臂滑块25上的第一大臂推杆8、第二大臂推杆21、第一大臂连杆11和第二大臂连杆18，随着第一大臂滑块20和第二大臂滑块25同步上下移动。由于小臂16连接在第一大臂连杆11和第二大臂连杆18上，所以小臂16也同步上下移动。该过程实现了一个自由度直线移动。该自由度实现了在垂直方向上增加了机器人的作业空间。

（3）肩部的转动：启动第二大臂伺服电机6，不启动第一大臂伺服电机2。第二大臂伺服电机6驱动第一丝杠9转动。第二大臂滑块25沿着大臂导轨上升或者下降。这样，第一大臂推杆8和第二大臂推杆21推动第一大臂连杆11和第二大臂连杆18绕着第一大臂连杆11和第二大臂连杆18与第一大臂滑块20的连接点转动。这使得固定连接在第一大臂连杆11和第二大臂连杆18上的小臂16也随之转动。

同样，启动第一大臂伺服电机2，不启动第二大臂伺服电机6，也可以实现肩部的转动。具体来说，第一大臂伺服电机2驱动第二丝杠23转动。第二丝杠23驱动第一大臂滑块20沿着大臂导轨移动。这样，第一大臂推杆8、第二大臂推杆21、第一大臂连杆11和第二大臂连杆18转动。第二大臂滑块25的位置不变。固定连接在第一大臂连杆11和第二大臂连杆18上的小臂16随第一大臂连杆11和第二大臂连杆18转动。

上述过程实现了一个自由度的转动。

（4）腕部的转动：启动腕部伺服电机17，驱动末端执行器连接件15转动。

该过程实现了末端执行器连接件15相对于小臂16的一个自由度的转动。

本实施例采用混联方式，而非串联方式。其中，肩部的上下移动和肩部的转动采用并联，腰部的转动、肩部的上下移动、腕部的转动之间采用串联方式。

整个机械臂中，重量较大的电机，包括腰部伺服电机3、第一大臂伺服电机2和第二大臂伺服电机6，都位于机械臂的下部。这使得整个机械臂的重心较低，利于设备的安全运行。腕部伺服电机17用于驱动末端执行器连接件15。而末端执行器连接件15重量较小，因此腕部伺服电机17的重量也较小。腕部伺服电机17对整个机械臂的重心影响不大。由于整个机械臂的重量多集中在下部，因此机械臂的惯性小，也有利于其稳固运行。

另外，本实施例并列设置了第一大臂推杆8、第二大臂推杆21、第一大臂连杆11、第二大臂连杆18。这相当于设置了两个承载单元去承载重力。其中，第一大臂推杆8和第一大臂连杆11构成一承载单元。第二大臂推杆21和第二大臂连杆18构成了另一承载单元。两个承载单元同时承载末端执行器连接件15上末端执行器抓取的物体重力。这增加了机械臂的承载力。

作为优选例，所述的大臂导轨包括第一大臂导轨7、第二大臂导轨10、第三大臂导轨22和第四大臂导轨24，第一大臂导轨7和第二大臂导轨10位于第二丝杠23两侧，第三大臂导轨22和第四大臂导轨24位于第一丝杠9两侧；第二大臂滑块25套装在第一大臂导轨7和第二大臂导轨10上，第一大臂滑块20套装在第三大臂导轨22和第四大臂导轨24上。设置大臂导轨是为了对第一大臂滑块20和第二大臂滑块25的移动进行限位。利用第三大臂导轨22和第四大臂导轨24对第一大臂滑块20进行限位，使第一大臂滑块20移动更加稳定。利用第一大臂导轨7和第二大臂导轨10对第二大臂滑块25进行限位，使第二大臂滑块25移动更加稳定。

传动部件的结构有多种。作为优选例，所述传动部件包括第一带轮12、第二带轮14，第一带轮12和第二带轮14位于小臂16的同侧，且第一带轮12和第二带轮14可转动连接在小臂16上，第一带轮12和第二带轮14通过同步带13连接，腕部伺服电机17的转动轴和第一带轮12一端固定连接，末端执行器连接件15和第二带轮14固定连接。启动腕部伺服电机17后，通过第一带轮12、同步带13和第二带轮14将动力传递给末端执行器连接件15，使得末端执行器连接件15相对小臂16转动。

作为优选例，所述腰部伺服电机3固定连接在腰部减速器4壳体上。本优选例中，腰部伺服电机3固定连接在腰部减速器4壳体上，可以降低整个机械臂的重心。

本实施例的机械臂可以实现农业采摘的自动化。农业领域中，采用了新的栽培方式，大部分果实暴露在外面，藤蔓和果实相距一定的距离，障碍物大大减少，采摘相对比较容易。为适应设施农业新的栽培方式，加快农业采摘机器人的商品化实用化进程，在满足作业要求的前提下，尽量减少自由度的数目，降低控制难度和成本，以关节型机械臂作为采摘机器人机械臂的构型。本发明机械臂的肩部采用并联结构，可以实现转动和移动，在垂直方向上增加了机器人的作业空间，使得机器人拥有了采摘较高处果实的能力，代替了人们用梯子或登高采摘果实，具有动作灵活、工作空间大、承载能力强、占地面积小等优点。

本实施例中，通过在末端执行器连接件15设置合适的末端执行器，可以使得机械臂适用于各种工作状态，以实现采摘水果、粮食、分拣包裹等目的。该机械臂具有通用性高、扩展性好的特点，大大提高了机械臂的利用率，降低了使用成本，有利于机器人的在农业、工业领域商品化。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种四自由度机械臂，其特征在于，所述机械臂包括肩部基座（1）、第一大臂伺服电机（2）、腰部伺服电机（3）、腰部减速器（4）、基座（5）、第二大臂伺服电机（6）、大臂导轨、第一大臂推杆（8）、第一丝杠（9）、第一大臂连杆（11）、末端执行器连接件（15）、小臂（16）、腕部伺服电机（17）、第二大臂连杆（18）、大臂连板（19）、第一大臂滑块（20）、第二大臂推杆（21）、第二丝杠（23）、第二大臂滑块（25）；其中，

腰部减速器（4）与基座（5）连接，腰部伺服电机（3）的转动轴与腰部减速器（4）的输入端固定连接；

肩部基座（1）与腰部减速器（4）的壳体固定连接，第一大臂伺服电机（2）、第二大臂伺服电机（6）和大臂导轨一端分别固定连接在肩部基座（1）上，第一丝杠（9）一端与第二大臂伺服电机（6）连接，第一丝杠（9）另一端与大臂连板（19）可转动连接；第二丝杠（23）一端与第一大臂伺服电机（2）连接，第二丝杠（23）另一端与大臂连板（19）可转动连接；大臂导轨另一端与大臂连板（19）固定连接；

第一大臂滑块（20）通过螺旋副和第二丝杠（23）连接，第二大臂滑块（25）通过螺旋副和第一丝杠（9）连接；

第一大臂推杆（8）一端和第二大臂推杆（21）一端分别与第二大臂滑块（25）可转动连接，第一大臂推杆（8）另一端与第一大臂连杆（11）一端可转动连接，第一大臂连杆（11）与第一大臂滑块（20）可转动连接，第一大臂连杆（11）另一端与小臂（16）固定连接；第二大臂推杆（21）另一端与第二大臂连杆（18）一端可转动连接，第二大臂连杆（18）与第一大臂滑块（20）可转动连接，第二大臂连杆（18）另一端与小臂（16）固定连接；末端执行器连接件（15）可转动连接在小臂（16）上，腕部伺服电机（17）固定连接在小臂（16）上，腕部伺服电机（17）通过传动部件带动末端执行器连接件（15）转动；

所述的大臂导轨包括第一大臂导轨（7）、第二大臂导轨（10）、第三大臂导轨（22）和第四大臂导轨（24），第一大臂导轨（7）和第二大臂导轨（10）位于第二丝杠（23）两侧，第三大臂导轨（22）和第四大臂导轨（24）位于第一丝杠（9）两侧；第二大臂滑块（25）套装在第一大臂导轨（7）和第二大臂导轨（10）上，第一大臂滑块（20）套装在第三大臂导轨（22）和第四大臂导轨（24）上。

2.按照权利要求1所述的四自由度机械臂，其特征在于，所述传动部件包括第一带轮（12）、第二带轮（14），第一带轮（12）和第二带轮（14）位于小臂（16）的同侧，且第一带轮（12）和第二带轮（14）可转动连接在小臂（16）上，第一带轮（12）和第二带轮（14）通过同步带（13）连接，腕部伺服电机（17）的转动轴和第一带轮（12）一端固定连接，末端执行器连接件（15）和第二带轮（14）固定连接。

3.按照权利要求1所述的四自由度机械臂，其特征在于，所述腰部伺服电机（3）固定连接在腰部减速器（4）壳体上。

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