CN111482954A - 一种用于机械臂的万向节以及连续型机械臂 - Google Patents

Abstract

一种用于机械臂的万向节以及连续型机械臂，属于连续型机械臂研究领域，由驱动系统、连续型机械臂本体部分组成，驱动系统主要包括伺服电机(含驱动器与编码器)、滚珠丝杠副单元及导轨，连续型机械臂本体部分主要包括刚性臂杆、连接关节(即万向节)和驱动绳索。采用的连接关节为改进型十字轴万向节，根据球销副的原理，通过限制球窝式关节中的扭转自由度来达到防止扭转的目的，解决了现有连续型机械臂中采用球窝式关节产生的扭转影响。在实现俯仰和偏航两个自由度的基础上，具有球窝式关节相近的承载能力，同时具有结构简单，易于实现和方便更换维修的特点。

Description

一种用于机械臂的万向节以及连续型机械臂

技术领域

本发明涉及一种用于机械臂的万向节以及连续型机械臂，属于连续型机械臂研究领域。

背景技术

随着科学技术的发展，机器人的应用环境趋于多样化、复杂化，例如弯管检测、飞机腔内装配、电动汽车充电以及航空航天、石油化工等狭小、非结构化环境，针对狭小、非结构化的作业环境，传统工业机器人受其自由度数及臂杆结构的限制，难以完成相关作业及要求。

现有连续型机械臂大都采用十字轴万向节作为连接件，在实现两自由度的运动能力基础上，具有比较低的承载能力，为了提高末端承载能力，相关研究采用球窝式关节代替十字轴万向节，借助球窝关节的高承载性能，实现整个连续型机械臂的高承载能力。采用球窝式连接关节的连续型机械臂，由于球窝式关节具有三个自由度，在连续型机械臂的应用中，会产生沿机械臂中心轴线的扭转，对机械臂的运动造成一定影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于机械臂的万向节以及连续型机械臂，由驱动系统、连续型机械臂本体部分组成，驱动系统主要包括伺服电机(含驱动器与编码器)、滚珠丝杠副单元及导轨，连续型机械臂本体部分主要包括刚性臂杆、连接关节(即万向节)和驱动绳索。连接关节为改进型十字轴万向节，根据球销副的原理，通过限制球窝式关节中的扭转自由度来达到防止扭转的目的，在实现俯仰和偏航两个自由度的基础上，具有球窝式关节相近的承载能力。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种用于机械臂的万向节，包括球头、球窝、连接部、球头座、球窝座；所述球头通过连接部安装在球头座上，球窝安装在球窝座上；所述球头座和球窝座用于万向节对外连接；

所述球头的外表面上设有两个柱形销，两个柱形销的连线穿过球头的球心；所述球窝上开有两个槽；所述球头同心装配在球窝内后，所述两个柱形销可滑动的位于球窝的两个槽内，且球头能够围绕两个柱形销转动。

上述用于机械臂的万向节，优选的，所述柱形销为可更换的圆柱形销。

上述用于机械臂的万向节，优选的，所述球窝上开有两个直槽。

上述用于机械臂的万向节，优选的，万向节初始状态下，所述球头座所在平面和球窝座所在平面平行，所述两个柱形销位于两个槽内的中间，且两个槽所在平面垂直于所述球头座所在平面或球窝座所在平面。

上述用于机械臂的万向节，优选的，所述球窝的高度为球窝直径的(2/3)～(4/5)。

一种连续型机械臂，包括机械臂本体、驱动绳索、驱动系统；所述机械臂本体的一端与驱动系统固定连接，另一端为自由端；所述驱动系统通过驱动绳索驱动机械臂本体；

所述机械臂本体包括至少两个刚性臂杆以及至少一个上述的万向节；所述万向节连接在两个刚性臂杆之间；所述驱动绳索的一端与驱动系统连接，另一端与每个万向节的球头座连接。

上述连续型机械臂，优选的，所述驱动绳索包括多根绳索，每个万向节的球头座与至少三根绳索连接，且至少三根绳索沿圆周均匀分布。

上述连续型机械臂，优选的，所述两个刚性臂杆的端面、球头座、球窝座上均设有绳孔，用于所述驱动绳索穿过。

上述连续型机械臂，优选的，所述球窝或球头的外表面设有圆盘状凸缘，凸缘上设有绳孔，用于所述驱动绳索穿过。

上述连续型机械臂，优选的，所述驱动系统包括支撑座、伺服电机、联轴器、滚珠丝杠副驱动单元、驱动导轨；

所述支撑座用于支撑驱动系统，且与机械臂本体的一端固定连接；所述驱动导轨用于作为滚珠丝杠副驱动单元的导向机构；所述伺服电机通过联轴器安装在滚珠丝杠副驱动单元上，用于驱动驱动绳索。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明的高承载连续型机械臂，采用改进型十字轴万向节，利用球销副原理，在具有十字轴万向节俯仰和偏转两个自由度的基础上，同时具有球窝式关节承载能力大的特点，可实现连续型机械臂在狭小、非结构化空间中较大末端承载能力下的灵活运动；

(2)本发明的改进型十字轴万向节，相比现有解决承载能力的万向节，具有结构简单，方便加工制造的特点；

(3)本发明在改进型十字轴万向节的球头外围固定有导向圆盘，驱动绳索穿过导向圆盘上的绳孔，可解决驱动绳索与万向节在运动过程中的干涉问题；

(4)本发明的改进型十字轴万向节中的球头上的圆柱销与球头为螺纹连接，可方便更换维修；

(5)本发明的驱动绳索采用鲍登线，可减小驱动绳索与绳孔之间的摩擦，提高控制精度。

附图说明

图1是基于本发明的高承载准连续型机械臂的整体结构图。

图2是基于本发明的高承载准连续型机械臂的改进型十字轴万向节图。

图3是基于本发明的高承载准连续型机械臂的改进型十字轴万向节俯仰图。

图4是基于本发明的高承载准连续型机械臂的改进型十字轴万向节偏转图。

图5是基于本发明的高承载准连续型机械臂的机械臂本体结构图。

图6是基于本发明的高承载准连续型机械臂的驱动绳索图。

图7是基于本发明的高承载准连续型机械臂的驱动系统结构图。

图8是基于本发明的高承载准连续型机械臂的驱动单元结构图。

图9是带圆盘的球头与球窝的对接关系示意图。

图10是带圆盘的球头结构示意图。

图11是可更换的圆柱形销与球头的连接关系。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

一种连续型机械臂，采用的连接关节为改进型十字轴万向节，根据球销副的原理，通过限制球窝式关节中的扭转自由度来达到防止扭转的目的，解决了现有连续型机械臂中采用球窝式关节产生的扭转影响。在实现俯仰和偏航两个自由度的基础上，具有球窝式关节相近的承载能力，同时具有结构简单，易于实现和方便更换维修的特点。本发明的高承载连续型机械臂(即连续型机械臂)，可实现连续型机械臂在狭小、非结构化空间中较大末端承载能力下的灵活运动。

一种用于机械臂的万向节，包括球头4、球窝5、连接部、球头座、球窝座；所述球头4通过连接部安装在球头座上，球窝5安装在球窝座上；所述球头座和球窝座用于万向节对外连接；

所述球头4的外表面上设有两个柱形销，两个柱形销的连线穿过球头4的球心；所述球窝5上开有两个槽；所述球头4同心装配在球窝5内后，所述两个柱形销可滑动的位于球窝5的两个槽内，且球头4能够围绕两个柱形销转动。所述柱形销为可更换的圆柱形销。

所述球窝5上开有两个直槽。万向节初始状态下，所述球头座所在平面和球窝座所在平面平行，所述两个柱形销位于两个槽内的中间，且两个槽所在平面垂直于所述球头座所在平面或球窝座所在平面。

所述球窝5的高度为球窝5直径的2/3～4/5。

一种连续型机械臂，包括机械臂本体1、驱动绳索2、驱动系统3；所述机械臂本体1的一端与驱动系统3固定连接，另一端为自由端；所述驱动系统3通过驱动绳索2驱动机械臂本体1；

所述机械臂本体1包括至少两个刚性臂杆6以及至少一个所述的万向节；所述万向节连接在两个刚性臂杆6之间；所述驱动绳索2的一端与驱动系统3连接，另一端与每个万向节的球头座连接。

所述驱动绳索2包括多根绳索，每个万向节的球头座与至少三根绳索连接，且至少三根绳索沿圆周均匀分布。所述两个刚性臂杆6的端面、球头座、球窝座上均设有绳孔，用于所述驱动绳索2穿过。

所述球窝5或球头4的外表面设有圆盘状凸缘，凸缘上设有绳孔，用于所述驱动绳索2穿过。

所述驱动系统3包括支撑座10、伺服电机7、联轴器8、滚珠丝杠副驱动单元9、驱动导轨11；所述支撑座10用于支撑驱动系统3，且与机械臂本体1的一端固定连接；所述驱动导轨11用于作为滚珠丝杠副驱动单元9的导向机构；所述伺服电机7通过联轴器8安装在滚珠丝杠副驱动单元9上，用于驱动驱动绳索2。

实施例：

一种连续型机械臂(即高承载连续型机械臂)，如图1所示，由机械臂本体1、驱动绳索2和驱动系统3组成，机械臂本体1与驱动系统3固定连接，驱动绳索2穿过机械臂本体1，一端与驱动系统3内的绳索固定端连接，另一端与相应的驱动关节处的刚性臂杆6固连。通过驱动系统3拉动驱动绳索2，使关节实现俯仰、偏转两个自由度，此工作方式可实现准连续型机械臂在狭小、非结构化环境下的大负载连续运动。

本实施例中的改进型十字轴万向节如图2～4所示，由侧面对称开槽的球窝5和侧面具有圆柱销的球头4组成，侧面对称开槽的球窝5与侧面具有圆柱销的球头4为同心装配关系，初始状态时，侧面具有圆柱销的球头4的圆柱销位于侧面对称开槽的球窝5的侧面槽的中间位置，侧面具有圆柱销的球头4既可以沿着侧面槽实现偏转，同时能够以其自身的圆柱销为轴实现俯仰自由度。

本实施例中机械臂本体1由7个相同结构的刚性臂杆6和7个相同的改进型十字轴万向节组成，如图5所示，改进型十字轴万向节与刚性臂杆6之间采用螺栓连接。当然在不同的实施例中，可选择不同长度和直径的刚性臂杆和改进型十字轴万向节，本实施例中优选等径等长度的刚性臂杆和改进型十字轴万向节。

本实施例中的每个改进型十字轴万向节与刚性臂杆6都由三根驱动绳索2驱动，总共有21根驱动绳索，如图6所示。驱动后端改进型十字轴万向节和刚性臂杆6的驱动绳索2都将穿过前端刚性臂杆6上的绳孔，驱动绳索2在刚性臂杆6同一直径圆上均匀分布。

本实施例中的驱动系统3主要由支撑座10、伺服电机7、联轴器8、滚珠丝杠副驱动单元9、驱动导轨11组成，如图7、8所示，为高承载连续型机械臂提供足够的驱动能力。支撑座10起到支撑驱动系统各组成部件的作用；采用伺服电机7可以借助关节处角度传感器的反馈实现实时闭环控制，利用滚珠丝杠副驱动单元9可以获得较大的驱动能力和传动精度；驱动导轨11作为滚珠丝杠副驱动单元9的导向机构；滚珠丝杠副驱动单元9、驱动导轨11的两端均安装在支撑座10上。

本实施例中的改进型十字轴万向节的球头部分外围固定有导向圆盘，导向圆盘安装在圆柱销上，驱动绳索穿过导向圆盘上的绳孔，可防止万向节与驱动绳索的干涉，如图9～11所示。本实施例中的改进型十字轴万向节的球头部分的圆柱销与球头主体部分为螺纹连接，由于连续型机械臂的工作状态一般为慢速，螺纹连接可实现功能要求，同时方便更换维修。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于机械臂的万向节，其特征在于，包括球头(4)、球窝(5)、连接部、球头座、球窝座；所述球头(4)通过连接部安装在球头座上，球窝(5)安装在球窝座上；所述球头座和球窝座用于万向节对外连接；

所述球头(4)的外表面上设有两个柱形销，两个柱形销的连线穿过球头(4)的球心；所述球窝(5)上开有两个槽；所述球头(4)同心装配在球窝(5)内后，所述两个柱形销可滑动的位于球窝(5)的两个槽内，且球头(4)能够围绕两个柱形销转动。

2.根据权利要求1所述的一种用于机械臂的万向节，其特征在于，所述柱形销为可更换的圆柱形销。

3.根据权利要求1所述的一种用于机械臂的万向节，其特征在于，所述球窝(5)上开有两个直槽。

4.根据权利要求1所述的一种用于机械臂的万向节，其特征在于，万向节初始状态下，所述球头座所在平面和球窝座所在平面平行，所述两个柱形销位于两个槽内的中间，且两个槽所在平面垂直于所述球头座所在平面或球窝座所在平面。

5.根据权利要求1所述的一种用于机械臂的万向节，其特征在于，所述球窝(5)的高度为球窝(5)直径的(2/3)～(4/5)。

6.一种连续型机械臂，其特征在于，包括机械臂本体(1)、驱动绳索(2)、驱动系统(3)；所述机械臂本体(1)的一端与驱动系统(3)固定连接，另一端为自由端；所述驱动系统(3)通过驱动绳索(2)驱动机械臂本体(1)；

所述机械臂本体(1)包括至少两个刚性臂杆(6)以及至少一个权利要求1～5之一所述的万向节；所述万向节连接在两个刚性臂杆(6)之间；所述驱动绳索(2)的一端与驱动系统(3)连接，另一端与每个万向节的球头座连接。

7.根据权利要求6所述的一种连续型机械臂，其特征在于，所述驱动绳索(2)包括多根绳索，每个万向节的球头座与至少三根绳索连接，且至少三根绳索沿圆周均匀分布。

8.根据权利要求6所述的一种连续型机械臂，其特征在于，所述两个刚性臂杆(6)的端面、球头座、球窝座上均设有绳孔，用于所述驱动绳索(2)穿过。

9.根据权利要求6所述的一种连续型机械臂，其特征在于，所述球窝(5)或球头(3)的外表面设有圆盘状凸缘，凸缘上设有绳孔，用于所述驱动绳索(2)穿过。

10.根据权利要求6所述的一种连续型机械臂，其特征在于，所述驱动系统(3)包括支撑座(10)、伺服电机(7)、联轴器(8)、滚珠丝杠副驱动单元(9)、驱动导轨(11)；

所述支撑座(10)用于支撑驱动系统(3)，且与机械臂本体(1)的一端固定连接；所述驱动导轨(11)用于作为滚珠丝杠副驱动单元(9)的导向机构；所述伺服电机(7)通过联轴器(8)安装在滚珠丝杠副驱动单元(9)上，用于驱动驱动绳索(2)。

Images