CN111168663A - 一种可装备于中小型移动平台的多自由度机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械臂领域，更具体地，涉及一种可装备于中小型移动平台的多自由度机械臂，包括底座、安装于底座上的第一舵机、连接第一舵机和若干级连接臂的转盘，转盘包括与底座固定连接的固定盘、与固定盘转动连接转动盘，转动盘与第一舵机的输出轴连接。机械臂和抓取物的重量都由底座承受，第一舵机的输出轴只需要承受扭矩，实现了机械臂将传动受力和受载分离，提高了机械臂的可靠性和寿命，减少了机械臂在工作时的抖动。

Description

一种可装备于中小型移动平台的多自由度机械臂

技术领域

本发明涉及机械臂领域，更具体地，涉及一种可装备于中小型移动平台的多自由度机械臂。

背景技术

近些年来工业机器人在制造业界大放异彩，他们能精确稳定地完成搬运，焊接，装配，喷漆等作业。另一方面各式各样的民用机器人则广泛用于实现航拍，测绘，勘探，巡检，定位，影视制作和通信中继等任务。相比于工业机器人，民用机器人能完成的任务相对单一，上述的一些民用机器人能够完成的任务都是一些对环境感知的任务，诸如抓取，装配，运输，这类主动与环境进行交互的任务，小型民用机器人却难以完成。

工业机器人为臂型机器人，它们的特点是高功率，高扭矩，高精度，高负载，低误差。这些特点使它们能很好地与外界主动交互，完成各种高难度的工业制造生产任务。但是这种臂型机器人无法直接迁移到小型的民用机器人上。因为工业机器人的重量体积庞大，对电源的电压，功率有较高的要求，难以安装到小型的民用机器人上。

为了减轻民用机器人上的中小型臂型机器人的重量，需要将重型电机换成质量较轻的舵机，但是舵机输出轴除了要输出扭矩之外，还要承受巨大的弯矩和近乎整个机械臂加上目标物体的重量，这会在舵机输出轴产生复杂的三向应力，不但会使得舵机输出轴发生疲劳失效，寿命缩短，而且会让机械臂抖动过大，难以准确抓取物体。另外的，现有机械臂各个关节之间的相对位置关系，每个关节的运动方向，机械臂的各个关节的臂长都是固定的，无法改变机械臂的结构和臂长，限制了机械臂的可拓展性。如公开号为CN207841381U的专利文件，公开了一种多自由度机械臂，该机械臂的第一舵机在工作中除了输出扭矩还要承载负荷，容易发生抖动。同时，联接臂之间的关节和臂长也是固定的，无法进行调整。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中中小型机械臂因抖动无法准确抓取物体的问题，提供一种可装备于中小型移动平台的多自由度机械臂，减少机械臂的在工作时的抖动，同时可以更改机械臂的关节，增加机械臂的适用性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种可装备于中小型移动平台的多自由度机械臂，包括底座、安装于底座上的第一舵机、连接所述第一舵机和若干级连接臂的转盘，转盘包括与所述底座固定连接的固定盘、与所述固定盘转动连接转动盘，所述转动盘与所述第一舵机的输出轴连接。

在工作状态下，机械臂的承受的载荷传递至转动盘，转动盘将载荷传递至固定盘，第一舵机的输出轴不承受机械臂带来的负载，只输出扭矩，从而实现传动和受载分离，减少第一舵机受到的应力，减少抖动。

优选的，所述转动盘设置有转动金属片，所述固定盘设置有固定金属片；所述固定金属片设置有中心孔，所述转动金属片设置有套装于所述中心孔的中空部，所述中空部靠近所述固定金属片的一端设置有与所述固定金属片卡接的外延部。转动金属片的中空部穿过固定金属片的中心孔，并且外延部为向外延伸的圆台，圆台与固定金属片靠近底座的一端抵接，实现了转动金属片与固定金属片的卡接。转动盘受到的载荷通过外延部传递至底座，同时转动金属片能够相对于固定金属片转动。

优选的，所述第一舵机的输出轴通过连接键与所述转动盘连接。转动盘设置键槽，连接键伸入转动盘的键槽中，但并与转动盘直接接触，只有在输出轴转动的时候，会带着转动盘一起转动，从而避免转动盘将其他的载荷传递至输出轴上，保证输出轴只输出扭矩，减少机械臂的抖动。

优选的，所述转动金属片和所述固定金属片之间形成空腔，所述空腔放置有滚珠。转动金属片设置有向下凹陷的凹槽，固定金属片设置有向上凹陷的凹槽，两个相对的凹槽构成放置滚珠的空腔。滚珠在空腔内，既可以不影响两者的转动，同时可以分担金属片转盘所受到的载荷力。

优选的，若干级连接臂设置有用于关节连接的连杆部；所述连杆部包括基座和连杆轴，所述基座与所述连杆轴可拆卸固定连接。连杆部为可拆卸的结构，当机械臂需要更改其他长度的时候，可以通过将拆卸连杆轴，将两个关节或多个关节的连杆轴和基座进行重新组装，来减少连接臂的关节，从而实现机械臂的臂长更改，提高机械臂的适用性。

优选的，所述连杆轴包括套装于所述基座上的轴套和套装于所述轴套上的限位套筒；所述轴套与所述基座卡接，所述限位套筒可沿着所述轴套活动。在使用的状态下，轴套限制轴套和基座的卡接位置，使得轴头和基座部发生脱离。当需要拆卸的时候，将轴套移动至卡接位置意外的位置，向外拔出轴套。拆卸方便。

优选的，所述轴套设置有通孔，所述基座设置有凹槽，所述通孔和所述凹槽上装有圆珠；所述限位套筒通过弹性件的弹力在所述轴套上活动，所述限位套筒设置有与所述圆珠抵接的斜面。在使用状态下，圆珠的一部分穿过通孔进入凹槽，使得轴套和基座实现卡接，同时限位套筒的斜面压紧滚珠，轴套和基座不会发生分离。当需要拆卸轴套的时候，推动限位套筒运动，并拉伸或压缩弹性件，限位套筒的斜面移动，斜面留有容纳圆珠的空间，圆珠能够向外移动，离开凹槽，轴套和套筒能够发生相对运动，从而实现脱离，脱离后弹性件能够推动限位套筒复位。轴套、基座和限位套筒能够一层层套装，只需要推动限位套筒即可实现轴套和基座的分离，拆卸更加方便。

优选的，所述基座靠近所述轴套的端面设置有卡块，所述轴套设置有与所述卡块配合的卡槽。安装的时候，卡块插入卡槽当中，放置基座和轴套发生相对运动。

优选的，若干级连接臂包括依次相连的第一连接臂、第二连接臂和第三连接臂；所述第一连接臂包括第二舵机、与第二舵机连接的第一U型臂、第二U型臂和用于连接所述第一U型臂和所述第二U型臂的连杆部A；所述第二连接臂包括与所述第二U型臂连接的第三舵机、与所述第三舵机连接的连杆部B和与所述连杆部B连接的第三U型臂；所述第三连接臂包括与所述第三U型臂连接的第四舵机、通过连接板连接第四舵机的第五舵机。连杆部A和连杆部B均为同一结构，实际为安装在不同位置的连杆。第二舵机、第三舵机和第四舵机竖直方向上的摆动，第五舵机的舵盘连接夹取机构等输出机构。可以根据使用的情况或空间，将连杆部A和连杆部B拆卸，将连杆部B的轴套安装于连杆部A的基座上，实现连接臂的长度更改。

优选的，所述连杆设置有贯穿孔。用于连接舵机的电缆线可以穿过连杆的贯穿孔，使得所有的导线都藏于连杆内部，减少了导线对机械臂运动的阻碍。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：机械臂和抓取物的重量都由底座承受，第一舵机的输出轴只需要承受扭矩，实现了机械臂将传动受力和受载分离，提高了机械臂的可靠性和寿命，减少了机械臂在工作时的抖动；机械臂用于连接关节的连接部可通过拆卸后再组装，使机械臂整体可以随时按需求改变各连杆长度，可满足不同工作空间的需求。

附图说明

图1是本发明一种可装备于中小型移动平台的多自由度机械臂的结构示意图；

图2是图1的M-M的剖视图；

图3是图2的A位置的局部放大图；

图4是本发明一种可装备于中小型移动平台的多自由度机械臂的另一实施例的结构示意图。

图5是本发明的连杆部的结构示意图；

图6是图5的C-C的剖视图；

图7是本发明的连杆部的另一实施例的剖视结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明实施例的附图中为了方便阅读理解，机壳结构中的前板、后板和顶板均为示出。

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：

实施例1

如图1-3所示为一种可装备于中小型移动平台的多自由度机械臂的实施例，包括底座1、安装于底座1上的第一舵机2、连接第一舵机2和若干级连接臂3的转盘4，转盘4包括与底座1固定连接的固定盘5、与固定盘5转动连接转动盘6，转动盘6与第一舵机2的输出轴201连接。

其中，转动盘6设置有转动金属片601，固定盘5设置有固定金属片501；固定金属片501设置有中心孔502，转动金属片601设置有套装于中心孔502的中空部602，中空部602靠近固定金属片501的一端设置有与固定金属片501卡接的外延部603。转动金属片601的中空部602穿过固定金属片501的中心孔502，并且外延部603为向外延伸的圆台，圆台与固定金属片501靠近底座1的一端抵接，实现了转动金属片601与固定金属片501的卡接。转动盘6受到的载荷通过外延部603传递至底座1，同时转动金属片601能够相对于固定金属片501转动。

为了进一步避免转动盘6将其他的载荷传递至输出轴201上，保证输出轴201只输出扭矩，减少机械臂的抖动。第一舵机2的输出轴201通过连接键202与转动盘6连接。转动盘6设置键槽，连接键伸入转动盘6的键槽中，但并不与转动盘6直接接触，只有在输出轴转动的时候，会带着转动盘6一起转动。

另外的，转动金属片601和固定金属片501之间形成空腔，空腔放置有滚珠602。转动金属片601设置有向下凹陷的凹槽，固定金属片501设置有向上凹陷的凹槽，两个相对的凹槽构成放置滚珠602的空腔。滚珠602在空腔内，既可以不影响两者的转动，同时可以分担金属片转盘4所受到的载荷力。

本发明的工作原理或工作流程：在工作状态下，机械臂的承受的载荷传递至转动盘4，转动盘4将载荷传递至固定盘5，第一舵机2的输出轴201不承受机械臂带来的负载，只输出扭矩，从而实现传动和受载分离，减少第一舵机2受到的应力，减少抖动。

本实施例的有益效果：机械臂和抓取物的重量都由底座1承受，第一舵机2的输出轴201只需要承受扭矩，实现了机械臂将传动受力和受载分离，提高了机械臂的可靠性和寿命，减少了机械臂在工作时的抖动。

实施例2

图4所示为一种可装备于中小型移动平台的多自由度机械臂的另一实施例，与实施例1的区别在于，具体的，若干级连接臂包括依次相连的第一连接臂8、第二连接臂9和第三连接臂10；第一连接臂8包括第二舵机801、与第二舵机801连接的第一U型臂802、第二U型臂803和用于连接第一U型臂802和第二U型臂803的连杆部A701；第二连接臂9包括与第二U型臂803连接的第三舵机901、与第三舵机901连接的连杆部B702和与连杆部B702连接的第三U型臂902；第三连接臂10包括与第三U型臂902连接的第四舵机1001、通过连接板1002连接第四舵机1001的第五舵机1003。连杆部A701和连杆部B702均为同一结构，实际为安装在不同位置的连杆部7。第二舵机、第三舵机和第四舵机竖直方向上的摆动，第五舵机的舵盘连接夹取机构等输出机构。

如图5-6所示，连杆部7包括基座701和连杆轴702，基座701与连杆轴702可拆卸固定连接，连杆轴702设置于基座701的两端。连杆部7为可拆卸的结构，当机械臂需要更改其他长度的时候，可以通过将拆卸连杆轴702，将两个关节或多个关节的连杆轴702和基座701进行重新组装，来减少连接臂的关节，从而实现机械臂的臂长更改，提高机械臂的适用性。在使用机械臂的时候，可以根据使用的情况或空间，将连杆部A701和连杆部B702拆卸，将连杆部B702的轴套7021安装于连杆部A701的基座701上，实现连接臂的长度更改。

其中，连杆轴702包括套装于基座701上的轴套7021和套装于轴套7021上的限位套筒7022；轴套7021与基座701卡接，限位套筒7022可沿着轴套7021活动。在使用的状态下，轴套7021限制轴套7021和基座701的卡接位置，使得轴头和基座701部发生脱离。当需要拆卸的时候，将轴套7021移动至卡接位置意外的位置，向外拔出轴套7021，拆卸方便。

具体的，轴套7021设置有通孔7023，基座701设置有凹槽7011，通孔7023和凹槽7011上装有圆珠703；限位套筒7022通过弹性件704的弹力在轴套7021上活动，限位套筒7022设置有与圆珠703抵接的斜面7024。在使用状态下，圆珠703的一部分穿过通孔7023进入凹槽，使得轴套7021和基座701实现卡接，同时限位套筒7022的斜面7024压紧滚珠，轴套7021和基座701不会发生分离。当需要拆卸轴套7021的时候，推动限位套筒7022运动，并拉伸或压缩弹性件704，限位套筒7022的斜面7024移动，斜面7024留有容纳圆珠703的空间，圆珠703能够向外移动，离开凹槽7011，轴套7021和基座701能够发生相对运动，从而实现脱离，脱离后弹性件704能够推动限位套筒7022复位。轴套7021、基座701和限位套筒7022能够一层层套装，只需要推动限位套筒7022即可实现轴套7021和基座701的分离，拆卸更加方便。

另外的，连杆部设置有贯穿孔705。用于连接舵机的电缆线可以穿过连杆部7的贯穿孔705，使得所有的导线都藏于连杆部的内部，减少了导线对机械臂运动的阻碍。

本实施相较于实施例1的有益效果为：机械臂用于连接关节的连接部可通过拆卸后再组装，使机械臂整体可以随时按需求改变各连杆长度，可满足不同工作空间的需求。

本实施例的工作原理与实施例1的工作原理一致。

实施例3

图7所示为连杆部的另一实施例，在实施例2的基础上，进一步的限定连杆部的结构，与实施例2的区别在于，基座701靠近轴套7021的端面设置有卡块7012，轴套7021设置有与卡块7012配合的卡槽7025。安装的时候，卡块7012插入卡槽7025当中，放置基座701和轴套7021发生相对运动。

本实施例的其余特征与工作原理与实施例2一致。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可装备于中小型移动平台的多自由度机械臂，包括底座(1)、安装于底座(1)上的第一舵机(2)、连接所述第一舵机(2)和若干级连接臂(3)的转盘(4)，其特征在于，转盘(4)包括与所述底座(1)固定连接的固定盘(5)、与所述固定盘(5)转动连接转动盘(6)，所述转动盘(6)与所述第一舵机(2)的输出轴(201)连接。

2.根据权利要求1所述的一种可装备于中小型移动平台的多自由度机械臂，其特征在于，所述转动盘(6)设置有转动金属片(601)，所述固定盘(5)设置有固定金属片(501)；所述固定金属片(501)设置有中心孔(502)，所述转动金属片(601)设置有套装于所述中心孔(502)的中空部(602)，所述中空部(602)靠近所述固定金属片(501)的一端设置有与所述固定金属片(501)卡接的外延部(603)。

3.根据权利要求2所述的一种可装备于中小型移动平台的多自由度机械臂，其特征在于，所述第一舵机(2)的输出轴(201)通过连接键(202)与所述转动盘(6)连接。

4.根据权利要求2所述的一种可装备于中小型移动平台的多自由度机械臂，其特征在于，所述转动金属片(601)和所述固定金属片(501)之间形成空腔，所述空腔放置有滚珠(602)。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种可装备于中小型移动平台的多自由度机械臂，其特征在于，若干级连接臂(3)设置有用于关节连接的连杆部(7)；所述连杆部(7)包括基座(701)和连杆轴(702)，所述基座(701)与所述连杆轴(702)可拆卸固定连接。

6.根据权利要求5所述的一种可装备于中小型移动平台的多自由度机械臂，其特征在于，所述连杆轴(702)包括套装于所述基座(701)上的轴套(7021)和套装于所述轴套(7021)上的限位套筒(7022)；所述轴套(7021)与所述基座(701)卡接，所述限位套筒(7022)可沿着所述轴套(7021)活动。

7.根据权利要求6所述的一种可装备于中小型移动平台的多自由度机械臂，其特征在于，所述轴套(7021)设置有通孔(7023)，所述基座(701)设置有凹槽(7011)，所述通孔(7023)和所述凹槽(7011)上装有圆珠(703)；所述限位套筒(7022)通过弹性件(704)的弹力在所述轴套(7021)上活动，所述限位套筒(7022)设置有与所述圆珠(703)抵接的斜面(7024)。

8.根据权利要求6所述的一种可装备于中小型移动平台的多自由度机械臂，其特征在于，所述基座(701)靠近所述轴套(7021)的端面设置有卡块(7012)，所述轴套(7021)设置有与所述卡块(7012)配合的卡槽(7025)。

9.根据权利要求5所述的一种可装备于中小型移动平台的多自由度机械臂，其特征在于，若干级连接臂(3)包括依次相连的第一连接臂(8)、第二连接臂(9)和第三连接臂(10)；所述第一连接臂(8)包括第二舵机(801)、与第二舵机连接(801)的第一U型臂(802)、第二U型臂(802)和用于连接所述第一U型臂(801)和所述第二U型臂(802)的连杆部A(701)；所述第二连接臂(9)包括与所述第二U型臂(803)连接的第三舵机(901)、与所述第三舵机(901)连接的连杆部B(702)和与所述连杆部B(702)连接的第三U型臂(902)；所述第三连接臂(10)包括与所述第三U型臂(902)连接的第四舵机(1001)、通过连接板(1002)连接第四舵机(1001)的第五舵机(1003)。

10.根据权利要求5所述的一种可装备于中小型移动平台的多自由度机械臂，其特征在于，所述连杆部(7)设置有贯穿孔(705)。

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