CN108544532A - 一种仿人机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械制造技术领域，尤其涉及一种仿人机械臂。仿人机械臂包括大臂和小臂，还包括驱动单元、传动单元和连接单元，所述驱动单元包括位于所述驱动单元中心轴上方的上方气缸和位于所述驱动单元中心轴下方的下方气缸，所述连接单元包括上铰链连杆和下铰链连杆，所述上方气缸通过传动单元与所述上铰链连杆铰接，所述下方气缸通过传动单元与所述下铰链连杆铰接，所述上铰链连杆和所述下铰链连杆的两端分别与所述大臂和所述小臂铰接。本发明的仿人机械臂能够有效减小零件装配所产生的间隙，提高机械臂的运动精度。
Description
技术领域
本发明属于机械制造技术领域，尤其涉及一种仿人机械臂。
背景技术
机器人可代替或协助人类完成各种工作，凡是枯燥的、危险的、有毒的、有害的工作，都可由机器人大显身手，是工业及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。
机械手臂是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，目前，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维(或二维)空间上的某一点进行作业。
人类的关节(如肘关节、膝关节等)是一个复合关节，实验研究表明人类手臂或腿的屈伸运动的旋转中心并不是一个简单的单轴铰链，且人类手臂或腿上的肌肉是一个变刚度组织，可以有效地减小冲击并保护人类自身安全。而现有机械臂大多以电机加减速器驱动为主，回转中心大多是固定的，而且多是高刚度的，与人类手臂或腿的差别很大。
虽然，现有的一种仿人膝关节的机械臂采用行星轮系传动机构，使关节旋转时回转中心发生变化，采用气动肌肉驱动，实现了关节运动的刚度可变。但是，这种机械臂还存在以下两方面的缺陷：一方面，单个人工气动肌肉只能实现一个方向的力作用，无法减小装配间隙，存在一定的运动误差，机械臂的运动精度低；另一方面，采用行星轮系传动机构实现的回转中心变化轨迹是一个标准的圆弧，这与人类关节的瞬心轨迹具有很大差别，且回转角度也与人类手臂或腿的屈伸角度存在很大差异，仿生程度差，对环境的适应能力差。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种仿人机械臂，能够有效减小零件装配所产生的间隙，提高机械臂的运动精度，同时实现机械臂在屈伸过程中旋转中心的变化与人类手臂的瞬心运动高度近似，提高仿生程度，增强对环境的适应能力。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种仿人机械臂，包括大臂和小臂，还包括驱动单元、传动单元和连接单元，所述驱动单元包括位于所述驱动单元中心轴上方的上方气缸和位于所述驱动单元中心轴下方的下方气缸，所述连接单元包括上铰链连杆和下铰链连杆，所述上方气缸通过传动单元与所述上铰链连杆铰接，所述下方气缸通过传动单元与所述下铰链连杆铰接，所述上铰链连杆和所述下铰链连杆的两端分别与所述大臂和所述小臂铰接，所述大臂、小臂、上铰链连杆和下铰链连杆组成四连杆结构。
所述仿人机械臂，还包括两组导向机构，每组所述导向机构包括滑块、导轨和滑块支座，所述滑块支座一端与所述上方气缸/所述下方气缸的输出端连接，另一端与所述传动单元连接，所述滑块支座安装在所述滑块上，所述滑块与所述导轨滑动配合。
所述传动单元包括上半部分和下半部分，所述上半部分包括弧形连杆，所述弧形连杆一端与连接于所述上方气缸的所述滑块支座连接，另一端与所述连接单元的上铰链连杆连接。
所述传动单元的下半部分包括一对双耳摇杆支座、一对直连杆、一对T型摇杆、一对双耳连杆和轴杆，所述轴杆可转动地穿过一对所述T型摇杆的第一端；所述直连杆的一端与所述轴杆套接，另一端与连接于所述下方气缸的所述滑块支座连接；所述T型摇杆的第二端与所述双耳摇杆支座的一端连接，所述双耳摇杆支座的另一端与所述大臂内侧铰接；所述T型摇杆的第三端与所述双耳连杆的一端连接，所述双耳连杆的另一端与所述小臂铰接。
所述四连杆结构中，所述上铰链连杆的一端与所述小臂外侧连接，另一端与所述大臂内侧连接；所述下铰链连杆的一端与所述小臂外侧连接，另一端与所述大臂外侧连接。
所述仿人机械臂，还包括气源、控制阀和控制器，所述气源用于向所述上方气缸和下方气缸输送空气，所述控制阀控制所述上方气缸和下方气缸的伸缩运动和位置保持，所述控制器控制所述控制阀的开关动作。
所述仿人机械臂，还包括与所述控制器连接的压力传感器，所述控制器接收所述压力传感器的检测信号，并根据所述检测信号控制所述控制阀动作。
所述仿人机械臂肘关节的运动范围为0°～143°。
所述仿人机械臂总长为560～600mm。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
1、本发明采用一对双作用气缸，可以有效地减小零件装配所产生的间隙，达到消隙作用，从而提高了机械臂的运动精度。
2、机械臂肘关节采用四连杆结构实现机械臂旋转时的回转中心变化与人类手臂的瞬心轨迹非常接近。
3、通过调节气缸中气体的气压，来实现机械臂的刚度变化，实时调节机械臂的柔性。
附图说明
本发明借助于以下附图进行描述：
图1是本发明仿人机械臂的外观示意图；
图2是本发明仿人机械臂的剖视图；
图3是本发明仿人机械臂传动单元上半部分的结构示意图；
图4是本发明仿人机械臂传动单元下半部分的结构示意图；
图5是本发明仿人机械臂四连杆机构的结构示意图；
图6是本发明仿人机械臂处于屈缩极限位置的结构状态示意图；
图7是本发明仿人机械臂处于伸展极限位置的结构状态示意图；
图8是本发明仿人机械臂的控制电路结构示意图。
【附图标记说明】
11：大臂；12：小臂；13a：上方气缸；13b：下方气缸；14：活塞杆；15：双耳环；16：滑动支座；17：安装螺母；18：耳轴；
21：导轨；22：滑块；23：弧形连杆；24：销轴；25：衬套；26：双耳摇杆支座；27：直连杆；28：T型连摇杆；29：双耳连杆；30：轴杆；
31：下铰链连杆；32：上铰链连杆；33：卡簧；34：轴承；
41：气源；42：三联件；43：控制阀；44：控制器。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
需要说明的是，由于机械臂末端端面在实际工作中可能处于不同的方位，因此本发明所说的“前端、末端、内侧、外侧”仅仅代表相对方位关系，末端指的是小臂与大臂位于同一水平线时远离小臂的方向，前端指相反的方向；内侧指的是图4、图5中垂直于纸面向里的方向，外侧指相反的方向。
本发明公开了一种仿人机械臂，包括大臂11、小臂12、驱动单元、传动单元和连接单元。
驱动单元
如图2所示，所述驱动单元包括位于所述驱动单元中心轴上方的上方气缸13a和位于所述驱动单元中心轴下方的下方气缸13b，上方气缸13a、下方气缸13b采用拮抗方式固定在大臂11上，上方气缸13a、下方气缸13b的末端用安装螺母17紧固，前端用耳轴18固定，确保气缸的位置；上方气缸13a、下方气缸13b和活塞杆14为一体，活塞杆14上的双耳环15与滑块支座16通过销轴24和衬套25铰链连接；滑块支座16安装在滑块22上，在整个结构中起到连接驱动单元和传动单元的作用。
传动单元
所述传动单元包括上半部分和下半部分，如图3所示，所述上半部分包括导轨21、滑块22和一对弧形连杆23，其中，导轨21通过螺栓固定在大臂11上，弧形连杆23的末端与连接于上方气缸13a的滑块支座16通过销轴24和衬套25铰链连接，前端与上铰链连杆32通过销轴24和衬套25铰链连接，上方气缸13a进行伸缩运动时，通过活塞杆14推动滑块支座16和滑块22在导轨21上滑动，进而使上铰链连杆32产生动作。
优选地，一对弧形连杆23分别布置在滑块支座16两侧，这样布置更加平稳，同时也可以使轴的受力更均匀。
如图4所示，所述下半部分包括导轨21、滑块22、一对双耳摇杆支座26、一对直连杆27、一对T型摇杆28、一对双耳连杆29和轴杆30，导轨21和滑块22与所述传动单元上半部分相对安装，轴杆30可转动地穿过一对T型摇杆28第一端，直连杆27前端与轴杆30套接，末端与连接于下方气缸13b的滑块支座16通过销轴24和衬套25铰链连接；T型摇杆28第二端与双耳摇杆支座26通过销轴24和衬套25铰链连接，双耳摇杆支座26末端通过螺栓固定在大臂11内侧，T型摇杆28第三端与双耳连杆29末端通过销轴24和衬套25铰链连接，双耳连杆29前端与小臂12铰接，这样一组连杆结构可以有效地增加力的传动距离并且减少手臂的空间尺寸。下方气缸13b进行伸缩运动时，通过活塞杆14推动滑块支座16和滑块22在导轨21上滑动，进而通过直连杆27带动一系列的连杆产生动作，驱动小臂12进行运动。
优选地，一对双耳摇杆支座26、直连杆27、T型摇杆28和双耳连杆29分别布置在大臂11下半部分中心轴的两侧，这样布置更加平稳，同时也可以使轴的受力更均匀。
连接单元
所述连接单元包括一对下铰链连杆31、一对上铰链连杆32、卡簧33和轴承34，如图5所示，下铰链连杆31靠近大臂11的一端通过卡簧33和轴承34安装在大臂11的外侧，另一端通过卡簧33和轴承34安装在小臂12的外侧，上铰链连杆32靠近大臂11的一端通过卡簧33和轴承34安装在大臂11的内侧，另一端通过卡簧33和轴承34安装在小臂12的内侧。
下铰链连杆31、大臂11、上铰链连杆32和小臂12依次连接形成四连杆结构，所述四连杆结构经过仿真计算得到的瞬心轨迹与人类手臂的瞬心轨迹非常接近，这样安置既可以减小手臂的宽度，又可以提高手臂的平衡能力。
优选地，如图8所示，本发明还包括气源41、三联件42、控制阀43和控制器44，气源41采用小型空压机，与上方气缸13a、下方气缸13b连接，向其输送空气并进行驱动；三联件42两端分别与气源41和控制阀43连接，用于过滤空气和减压至供给额定的气源压力；控制阀43采用三位五通电磁阀，用来控制上方气缸13a、下方气缸13b的伸缩运动和位置保持；控制器44用来向所述电磁阀传送信号，实现对上方气缸13a、下方气缸13b的进气与排气的控制；其中控制器44设有压力传感器，当机械臂受力不同，所述压力传感器也会将信号传递给控制器44，控制器44会发出信号，重新调节控制阀43的开关动作，来改变上方气缸13a、下方气缸13b的气压，从而实现机械臂的变刚度。
所述仿人机械臂的屈-伸的极限角度约为0°～143°，人类的手臂的正常屈伸范围为0°～146°，功能范围在3°～130°，与人类手臂的运动范围一致。
所述仿人机械臂的总长为560～600mm，优选为580mm，与人类手臂的外形高度相似。
本发明的工作原理如下：
当上方气缸13a做回程运动时，活塞杆14带动滑块22、滑块支座16运动，令与滑块支座相连的弧形连杆23带动四连杆结构中的上铰链连杆32摆动，使得小臂12做屈回运动，同时下方气缸13b做伸出运动，活塞杆14带动滑块22、滑块支座16运动，令与滑块支座相连的直连杆27推动T型摇杆28做圆周运动，进而使T型摇杆28推动双耳连杆29助力小臂做屈回运动；相反地，当上方气缸13a做伸出运动时，同时下方气缸13b做回程运动，手臂便完成伸展运动。在运动的过程中，可以通过调节上方气缸13a、下方气缸13b内气体的压力，来实现机械臂的刚度变化，同时由于两个气缸同时作用，可以减少零件之间装配间隙带来的影响，提高运动精度；四连杆结构实现机械臂旋转时的回转中心变化与人类手臂的瞬心轨迹非常接近。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种仿人机械臂，包括大臂(11)和小臂(12)，其特征在于：还包括驱动单元、传动单元和连接单元，所述驱动单元包括位于所述驱动单元中心轴上方的上方气缸(13a)和位于所述驱动单元中心轴下方的下方气缸(13b)，所述连接单元包括上铰链连杆(32)和下铰链连杆(31)，所述上方气缸(13a)通过传动单元与所述上铰链连杆(32)铰接，所述下方气缸(13b)通过传动单元与所述下铰链连杆(31)铰接，所述上铰链连杆(32)和所述下铰链连杆(31)的两端分别与所述大臂(11)和所述小臂(12)铰接，所述大臂(11)、小臂(12)、上铰链连杆(32)和下铰链连杆(31)组成四连杆结构。
2.根据权利要求1所述的仿人机械臂，其特征在于：还包括两组导向机构，每组所述导向机构包括滑块(22)、导轨(21)和滑块支座(16)，所述滑块支座(16)一端与所述上方气缸(13a)/所述下方气缸(13b)的输出端连接，另一端与所述传动单元连接，所述滑块支座(16)安装在所述滑块(22)上，所述滑块(22)与所述导轨(21)滑动配合。
3.根据权利要求2所述的仿人机械臂，其特征在于：所述传动单元包括上半部分和下半部分，所述上半部分包括弧形连杆(23)，所述弧形连杆(23)一端与连接于所述上方气缸(13a)的所述滑块支座(16)连接，另一端与所述连接单元的上铰链连杆(32)连接。
4.根据权利要求3所述的仿人机械臂，其特征在于：所述传动单元的下半部分包括一对双耳摇杆支座(26)、一对直连杆(27)、一对T型摇杆(28)、一对双耳连杆(29)和轴杆(30)，所述轴杆(30)可转动地穿过一对所述T型摇杆(28)的第一端；所述直连杆(27)的一端与所述轴杆(30)套接，另一端与连接于所述下方气缸(13b)的所述滑块支座(16)连接；所述T型摇杆(28)的第二端与所述双耳摇杆支座(26)的一端连接，所述双耳摇杆支座(26)的另一端与所述大臂(11)内侧铰接；所述T型摇杆(28)的第三端与所述双耳连杆(29)的一端连接，所述双耳连杆(29)的另一端与所述小臂(12)铰接。
5.根据权利要求1所述的仿人机械臂，其特征在于：所述四连杆结构中，所述上铰链连杆(32)的一端与所述小臂(12)外侧连接，另一端与所述大臂(11)内侧连接；所述下铰链连杆(31)的一端与所述小臂(12)外侧连接，另一端与所述大臂(11)外侧连接。
6.根据权利要求1-5中任何一项所述的仿人机械臂，其特征在于：还包括气源(41)、控制阀(43)和控制器(44)，所述气源(41)用于向所述上方气缸(13a)和下方气缸(13b)输送空气，所述控制阀(43)控制所述上方气缸(13a)和下方气缸(13b)的伸缩运动和位置保持，所述控制器(44)控制所述控制阀(43)的开关动作。
7.根据权利要求6所述的仿人机械臂，其特征在于：还包括与所述控制器(44)连接的压力传感器，所述控制器(44)接收所述压力传感器的检测信号，并根据所述检测信号控制所述控制阀(43)动作。
8.根据权利要求7所述的仿人机械臂，其特征在于：所述仿人机械臂肘关节的运动范围为0°～143°。
9.根据权利要求8所述的仿人机械臂，其特征在于：所述仿人机械臂总长为560～600mm。
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