CN110053072A - 一种复合式机械臂机构及其进行物料搬运的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合式机械臂机构，包括移动关节单元、摆动关节单元及旋转关节单元；所述的移动关节单元包括固定在外部支撑架上的导轨模块及沿导轨模块做平移运动的移动模块；所述摆动关节单元固定安装在移动单元的移动模块上，所述摆动关节单元上设置有驱动其摆动的摆动关节伺服减速电机。还公开了其进行物料搬运的方法。本发明的有益效果是：本发明装置集成了移动关节、摆动关节和旋转关节，解决了单一关节进行物料搬运的弊端，既保证了机构装置的高柔性，对物料进行多角度抓取，又能实现重载物料的大范围搬运。

Description

一种复合式机械臂机构及其进行物料搬运的方法

技术领域

本发明涉及一种智能制造领域，具体是一种复合式机械臂机构及其进行物料搬运的方法。

背景技术

目前，智能制造是我国制造业发展的主要方向，而工业机器臂是智能制造领域中典型的自动化生产设备，机械臂是一种能模仿人手臂的某些动作功能，按预先设定的程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置，根据结构形式的不同分为直角坐标式机械臂，柱坐标式机械臂，关节式机械臂等，但由于机器臂本身机械机构特点，每种机械臂都存在着缺点。

直角坐标系机械手臂定位精度高，承载能力强，有效运动行程大，但其灵活性差，单轴的运动轨迹为直线；

柱坐标式机械臂机构简单、本体占用的空间较小，工作范围大，但其灵活性差，有效运动行程小；

关节式机械臂柔性高，动作灵活，但在一定范围的安装面积下，其工作范围受到限制，且随着关节数量增多其承载能力严重下降；

现代工业自动化生产制造过程的物料的种类越来越多，对机械臂的自动化程度要求越来越高，单一种类的机械臂越来越难满足实际使用要求，因此，大工作范围、高承载能力、大有效运动行程和高柔性的机械臂具有重要的现实意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：现有的机械臂功能单一，难以满足大工作范围、高承载能力、大有效运动行程和高柔性的实际使用要求。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种复合式机械臂机构，包括移动关节单元、摆动关节单元及旋转关节单元；

所述的移动关节单元包括固定在外部支撑架上的导轨模块及沿导轨模块做平移运动的移动模块；

所述摆动关节单元固定安装在移动单元的移动模块上，所述摆动关节单元上设置有驱动其摆动的摆动关节伺服减速电机；

所述的旋转关节单元通过法兰盘与摆动关节单元固定连接，且跟随摆动关节单元做圆周运动；所述旋转关节单元靠近摆动关节单元一端能够围绕其自身做360度旋转运动，所述摆动关节单元上设置有驱动旋转关节单元旋转的旋转机构；所述旋转关节单元远离摆动关节单元一端与执行机构相连接，且其上设置有带动执行机构转动的转动机构。

作为本发明进一步的方案：所述的导轨模块由导轨和导轨座两部分组成，所述的导轨座固定安装在外部支撑架上，导轨固定安装在导轨座上。

作为本发明再进一步的方案：所述的移动模块包括移动关节伺服电机、减速器、联接器、丝杠、螺母和滑块，所述的移动关节伺服电机和减速器固定安装在导轨座的一端，移动关节伺服电机的输出轴通过减速器及联接器与丝杆连接，所述丝杆、螺母和滑块构成一个使得滑块跟随螺母沿丝杠做平移运动的滑块丝杠副。

作为本发明再进一步的方案：所述的摆动关节单元包括摆动关节伺服减速电机、摆动关节伺服减速电机输出轴、电机座、摆动关节伺服减速电机轴孔、螺栓、转动关节大臂及转动关节小臂；所述的摆动关节伺服减速电机通过电机座固定安装在移动关节单元中的螺母上，摆动关节伺服减速电机的输出轴通过转动关节大臂与转动关节小臂相连接。

作为本发明再进一步的方案：所述旋转机构包括固定安装在转动关节小臂上的旋转关节伺服电机，所述旋转关节伺服电机的输出轴通过谐波减速器与旋转关节壳体旋转连接。

作为本发明再进一步的方案：所述转动机构包括固定安装在旋转关节壳体上的转动关节伺服电机，所述转动关节伺服电机输出轴带动转动轴转动，所述转动轴通过转动轴轴承固定安装在旋转关节壳体上，所述转动轴通过转动关节的末端执行器连接法兰与执行机构相连接，实现对物料的抓取。

作为本发明再进一步的方案：所述的转动关节伺服电机输出轴与小同步带轮中心孔相配合连接，小同步带轮通过同步带将运动传递到大同步带轮上，所述大同步带轮固定于转动轴的端部。同步带轮传动有效缩短了传动链轴向距离，减小了零部件安装空间，合理控制了旋转关节单元的尺寸大小。

作为本发明进一步的方案：还包括编码器及绝对值编码器，所述的编码器安装在移动关节伺服电机的末端，实时检测电机的转动角度，通过计算转化为螺母在丝杠上的移动距离，对移动关节单元进行初步定位；所述的绝对值编码器分别安装在摆动关节伺服减速电机、旋转关节伺服电机及转动关节伺服电机的末端，检测电机的转动角度，实现对关节的转动角度进行精确地控制。

作为本发明进一步的方案：还包括位移传感器，所述的位移传感器安装在电机座上，实时检测螺母在丝杠上的移动距离，对移动关节单元进行精确定位。

还公开了一种复合机械臂机构装置进行物料搬运的方法，按如下步骤进行：

步骤一：根据物料的位置，结合编码器和位移传感器反馈的复合机械臂机构装置位置数据，控制移动关节伺服电机实现复合机械臂机构装置在空间内的做平移运动，使得物料在复合机械臂机构的有效抓取范围内。

步骤二：进一步控制摆动关节伺服减速电机带动旋转关节单元摆动到合适角度，通过绝对值编码器实时检测摆动的角度，保证旋转关节单元精准的摆动到预定角度，使得物料在旋转关节单元的有效抓取范围内。

步骤三：控制旋转关节伺服电机和转动关节伺服电机转动，通过绝对值编码器实时检测转动的角度，调整末端执行机构的姿态，实现对物料的精准抓取。

步骤四：控制移动关节伺服电机，根据编码器和位移传感器实时数据，对物料实现高精度位置的搬运。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明装置集成了移动关节、摆动关节和旋转关节，解决了单一关节进行物料搬运的弊端，既保证了机构装置的高柔性，对物料进行多角度抓取，又能实现重载物料的大范围搬运。

2)本发明装置集成安装了编码器和位移传感器实时检测机构运动数据，实现了对物料的准确抓取和高精度搬运，防止碰撞导致物料的损坏。

附图说明

图1为实施例一中复合机械臂机构装置结构图。

图2为实施例一中移动关节单元导轨模块局部剖视图。

图3为实施例一中移动关节单元移动模块示意图。

图4为实施例一中摆动关节单元示意图。

图5为实施例一中摆动关节单元另一种姿态时的示意图。

图6为实施例一中旋转关节单元局部剖视图。

图7为实施例一中旋转关节单元俯视图。

图中：

移动关节单元100，移动关节伺服电机101，减速器102，联接器103，丝杠104，导轨105，导轨座106，螺母107，滑块108，

摆动关节单元200，摆动关节伺服减速电机201，摆动关节伺服减速电机输出轴202，电机座203，摆动关节伺服减速电机轴孔204，螺栓205，转动关节大臂206，转动关节小臂207，

旋转关节单元300，旋转关节伺服电机301，旋转关节法兰盘302，谐波减速器303，旋转关节壳体输入圆盘304，旋转关节壳体305，转动关节伺服电机306，转动关节伺服电机输出轴307，小同步带轮308，大同步带轮309，同步带310，转动轴311，转动轴轴承312，转动关节313，末端执行器连接法兰314，

智能传感单元400，编码器401，位移传感器402，绝对值编码器403，位移传感器信号总线404，伺服电机控制总线405。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

参见图1，一种复合机械臂机构装置包括移动关节单元100，摆动关节单元200，旋转关节单元300和智能传感单元400。所述的移动关节单元100固定安装在铝合金支撑架上，所述的摆动关节单元200通过螺栓安装在移动单元100的移动模块上，可在移动单元100导轨模块上做平移运动；所述的旋转关节单元300通过法兰盘与摆动关节单元200固定连接，且其可跟随摆动关节单元200做圆周运动；所述的智能感知单元400实时检测机构的运动数据并进行实时反馈。

参见图2和图3，所述的移动关节单元100由导轨模块和移动模块两部分组成；其中，所述的导轨模块作为机构装置的基座，由导轨105和导轨座106两部分组成，所述的导轨座106固定安装在铝合金支撑架上，导轨105固定安装在导轨座106上。所述的移动模块由移动关节伺服电机101、减速器102、联接器103、丝杠104、螺母107和滑块108组成，所述的移动关节伺服电机101和减速器102固定安装在导轨座106的一端，移动关节伺服电机101的输出轴与减速器102的输入孔装配配合，所述的丝杠104由光轴部分和螺杆两部分组成，通过轴承装配安装在导轨座106，所述的减速器102的输出轴与丝杠104的一端光轴通过联接器103连接。所述的螺母107装配在丝杠104的螺杆上。所述的滑块108安装在螺母107上。所述的移动关节伺服电机101正、反向转动带动滑块丝杠副同步正、反向转动，使得滑块108跟随螺母107沿丝杠104做平移运动。

参见图4和图5，所述的摆动关节单元200中的通过电机座203固定在所述的移动关节单元100中的螺母107上，摆动关节单元200由摆动关节伺服减速电机201驱动。所述的摆动关节伺服减速电机201固定安装在电机座203，摆动关节伺服减速电机输出轴202装配在摆动关节伺服减速电机轴孔204中。所述的摆动关节伺服减速电机轴孔204为转动关节大臂206的输入孔。所述的转动关节大臂206通过螺栓205与转动关节小臂207相连接，其中，所述的转动关节大臂206和转动关节小臂207均为钢材连接件。所述的摆动关节伺服减速电机201通过正、反向转动实现摆动关节单元200的360度正、反向旋转运动，同时，可根据需求定制关节臂的长度，实现不同范围的摆动。

参见图6和图7，所述的旋转关节单元300由旋转关节伺服电机301驱动，所述的旋转关节伺服电机301固定安装在摆动关节单元200中的转动关节小臂207上，随摆动关节单元200一起做圆周运动。所述的旋转关节伺服电机301输出端的旋转关节法兰盘302通过螺栓与谐波减速器303固定连接，旋转关节伺服电机301输出轴与谐波减速器303的输入孔相配合装配。所述的谐波减速器303另一端安装在旋转关节壳体输入圆盘304上，所述的旋转关节壳体输入圆盘304固定在旋转关节壳体305，谐波减速器303的输出轴与旋转关节壳体输入圆盘304中心孔相配合，通过旋转关节伺服电机301的正、反向转动带动旋转关节单元300进行360度旋转运动。所述的旋转关节模块300的末端机构由转动关节伺服电机306驱动。所述的转动关节伺服电机306固定安装在旋转关节壳体305上，并与转动轴311传动连接。所述的转动轴311两端通过转动轴轴承312固定安装在旋转关节壳体305上，中间轴部分与转动关节313中的孔过盈配合。所述的转动关节313的末端通过末端执行器连接法兰314与执行机构相连接，实现对物料的抓取。转动关节伺服电机306正、反转带动转动轴311同步正、反向转动，实现转动关节313的正、反向转动运动，辅助旋转关节单元300的旋转运动，可根据物料的形状进行位姿的调整。

参见图2～图4和图6，所述的复合机械臂机构装置中的智能传感单元400主要由编码器401，位移传感器402，绝对值编码器403组成。所述的编码器401安装在移动关节伺服电机101的末端，实时检测电机的转动角度，通过计算转化为螺母107在丝杠104上的移动距离，对移动关节单元100进行初步粗略定位。所述的位移传感器402安装在电机座203上，实时检测螺母107在丝杠104上的移动距离，对移动关节单元100进行精确定位，通过反馈控制移动关节伺服电机101的转动，实现机构装置的高精度运动，定位精度最高可达到导轨全行程的万分之一，其中，位移传感器402的信号通过位移传感器信号总线404传输到控制器，编码器401的数据通过伺服电机控制总线405传输到控制器，所述的位移传感器信号总线404和伺服电机控制总线405安装在导轨座106上。所述的绝对值编码器403分别安装在摆动关节伺服减速电机201、旋转关节伺服电机301及转动关节伺服电机306的末端，检测电机的转动角度，实现对关节的转动角度进行精确地控制，保证了机构装置的整体运动精度。

所述的复合机械臂机构装置集成了移动关节、摆动关节和旋转关节，能够实现对不同形状的重负载物料进行大范围的搬运，同时，在机构上集成安装了编码器、位移传感器实时检测机构的运动数据，保证了机构装置的进行高精度运动。

还公开了一种复合机械臂机构装置进行物料搬运的方法，按如下步骤进行：

步骤一：根据物料的位置，结合编码器和位移传感器反馈的复合机械臂机构装置位置数据，控制移动关节伺服电机实现复合机械臂机构装置在空间内的做平移运动，使得物料在复合机械臂机构的有效抓取范围内。

步骤二：进一步控制摆动关节伺服减速电机带动旋转关节单元摆动到合适角度，通过绝对值编码器实时检测摆动的角度，保证旋转关节单元精准的摆动到预定角度，使得物料在旋转关节单元的有效抓取范围内。

步骤三：控制旋转关节伺服电机和转动关节伺服电机转动，通过绝对值编码器实时检测转动的角度，调整末端执行机构的姿态，实现对物料的精准抓取。

步骤四：控制移动关节伺服电机，根据编码器和位移传感器实时数据，对物料实现高精度位置的搬运。

本发明的工作原理是：本发明装置集成了移动关节、摆动关节和旋转关节，解决了单一关节进行物料搬运的弊端，既保证了机构装置的高柔性，对物料进行多角度抓取，又能实现重载物料的大范围搬运；并通过集成安装了编码器和位移传感器实时检测机构运动数据，实现了对物料的准确抓取和高精度搬运，防止碰撞导致物料的损坏。

实施例二

与实施例一相同，所不同的是转动关节伺服电机306输出轴如何与转动轴311传动连接，具体如下：

所述的转动关节伺服电机306输出轴与小同步带轮308中心孔相配合连接，小同步带轮308通过同步带310将运动传递到大同步带轮309上，所述大同步带轮309与转动轴311一端连接。通过同步带轮传动有效缩短了传动链轴向距离，减小了零部件安装空间，合理控制了旋转关节单元300的尺寸大小。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种复合式机械臂机构，其特征在于，包括移动关节单元、摆动关节单元及旋转关节单元；

所述的移动关节单元包括固定在外部支撑架上的导轨模块及沿导轨模块做平移运动的移动模块；

所述摆动关节单元固定安装在移动单元的移动模块上，所述摆动关节单元上设置有驱动其摆动的摆动关节伺服减速电机；

所述的旋转关节单元通过法兰盘与摆动关节单元固定连接，且跟随摆动关节单元做圆周运动；所述旋转关节单元靠近摆动关节单元一端能够围绕其自身做360度旋转运动，所述摆动关节单元上设置有驱动旋转关节单元旋转的旋转机构；所述旋转关节单元远离摆动关节单元一端与执行机构相连接，且其上设置有带动执行机构转动的转动机构。

2.根据权利要求1所述的复合式机械臂机构，其特征在于，所述的导轨模块由导轨和导轨座两部分组成，所述的导轨座固定安装在外部支撑架上，导轨固定安装在导轨座上。

3.根据权利要求2所述的复合式机械臂机构，其特征在于，所述的移动模块包括移动关节伺服电机、减速器、联接器、丝杠、螺母和滑块，所述的移动关节伺服电机和减速器固定安装在导轨座的一端，移动关节伺服电机的输出轴通过减速器及联接器与丝杆连接，所述丝杆、螺母和滑块构成一个使得滑块跟随螺母沿丝杠做平移运动的滑块丝杠副。

4.根据权利要求3所述的复合式机械臂机构，其特征在于，所述的摆动关节单元包括摆动关节伺服减速电机、摆动关节伺服减速电机输出轴、电机座、摆动关节伺服减速电机轴孔、螺栓、转动关节大臂及转动关节小臂；所述的摆动关节伺服减速电机通过电机座固定安装在移动关节单元中的螺母上，摆动关节伺服减速电机的输出轴通过转动关节大臂与转动关节小臂相连接。

5.根据权利要求4所述的复合式机械臂机构，其特征在于，所述旋转机构包括固定安装在转动关节小臂上的旋转关节伺服电机，所述旋转关节伺服电机的输出轴通过谐波减速器与旋转关节壳体旋转连接。

6.根据权利要求5所述的复合式机械臂机构，其特征在于，所述转动机构包括固定安装在旋转关节壳体上的转动关节伺服电机，所述转动关节伺服电机输出轴带动转动轴转动，所述转动轴通过转动轴轴承固定安装在旋转关节壳体上，所述转动轴通过转动关节的末端执行器连接法兰与执行机构相连接，实现对物料的抓取。

7.根据权利要求6所述的复合式机械臂机构，其特征在于，所述的转动关节伺服电机输出轴与小同步带轮中心孔相配合连接，小同步带轮通过同步带将运动传递到大同步带轮上，所述大同步带轮固定于转动轴的端部。

8.根据权利要求6或7任意一项所述的复合式机械臂机构，其特征在于，还包括编码器及绝对值编码器，所述的编码器安装在移动关节伺服电机的末端，实时检测电机的转动角度，通过计算转化为螺母在丝杠上的移动距离，对移动关节单元进行初步定位；所述的绝对值编码器分别安装在摆动关节伺服减速电机、旋转关节伺服电机及转动关节伺服电机的末端，检测电机的转动角度，实现对关节的转动角度进行精确地控制。

9.根据权利要求8任意一项所述的复合式机械臂机构，其特征在于，还包括位移传感器，所述的位移传感器安装在电机座上，实时检测螺母在丝杠上的移动距离，对移动关节单元进行精确定位。

10.根据权利要求9所述的一种复合机械臂机构装置进行物料搬运的方法，按如下步骤进行：步骤一：根据物料的位置，结合编码器和位移传感器反馈的复合机械臂机构装置位置数据，控制移动关节伺服电机实现复合机械臂机构装置在空间内的做平移运动，使得物料在复合机械臂机构的有效抓取范围内。

步骤二：进一步控制摆动关节伺服减速电机带动旋转关节单元摆动到合适角度，通过绝对值编码器实时检测摆动的角度，保证旋转关节单元精准的摆动到预定角度，使得物料在旋转关节单元的有效抓取范围内。

步骤三：控制旋转关节伺服电机和转动关节伺服电机转动，通过绝对值编码器实时检测转动的角度，调整末端执行机构的姿态，实现对物料的精准抓取。

步骤四：控制移动关节伺服电机，根据编码器和位移传感器实时数据，对物料实现高精度位置的搬运。