CN112454378A - 多关节超冗余蛇形机械臂结构形式的充电机器人 - Google Patents

多关节超冗余蛇形机械臂结构形式的充电机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了多关节超冗余蛇形机械臂结构形式的充电机器人，包括安装座组件、机械臂机构和驱动机构，安装座组件包括安装座、万向轮和纵向立板，万向轮安装于安装座底部，纵向立板立设于安装座，安装座内侧安装升降机构，升降机构包括安装板、滚珠丝杆驱动组件和支撑底板，安装板内侧安装滑块，滑块与设置在纵向立板内侧的纵向滑轨滑动连接，且安装板两侧设置滚珠丝杆驱动组件，支撑底板垂直安装于安装板底部，支撑底板上安装驱动机构，驱动机构与机械臂机构连接，本发明结构设计新颖，整体稳定性好，采用的机械臂机构具有更小的直径和质量，更灵活的运动能力，能够提高充电效率。

Description

多关节超冗余蛇形机械臂结构形式的充电机器人
技术领域
本发明涉及充电机器人技术领域，具体为多关节超冗余蛇形机械臂结构形式的充电机器人。
背景技术
根据未来航母舰载机的舰面快速保障需求，研究快速智能加油、充电等作业的高端装备机器人系统显得尤为必要。本项研究重点在于提出一种具备自动充电功能的柔性机器人原理样机，样机要求具有升降运动、视觉捕捉充电插座、多关节柔性机械臂将充电插头插入插座等功能。
高端装备制造战略提速，对特殊作业任务的机器人提出了新的需求。预研发的轻型智能执行机构平台具有工作载荷小、灵活度高、易操作、视觉实时反馈等特点，原理样机可实现“机器人中心离充电插座横向距离0.6米，充电插座离地高度1.2米”空间内航空插头充电功能，满足在工作过程中震颤抖动小，在完成对接动作后没有接触力的变化等要求。
基于此，机械臂柔性度高、运动过程颤振小等特殊要求，使得轻型智能执行机构平台趋向于采用“多关节超冗余机械臂+直线升降机构”方式进行设计与构建，机械臂采用绳驱动的多关节超冗余蛇形机械构型，直线升降机构采用带有平衡配重的滚珠丝杆直线导轨滑台机械结构，最终实现给定操作空间内的航空插头充电任务。
发明内容
本发明的目的在于提供多关节超冗余蛇形机械臂结构形式的充电机器人，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：多关节超冗余蛇形机械臂结构形式的充电机器人,包括安装座组件、机械臂机构和驱动机构，所述安装座组件包括安装座、万向轮和纵向立板，所述万向轮安装于安装座底部，所述纵向立板立设于安装座，所述安装座上还安装控制箱，所述安装座内侧安装升降机构，所述升降机构包括安装板、滚珠丝杆驱动组件和支撑底板，所述安装板内侧安装滑块，所述滑块与设置在纵向立板内侧的纵向滑轨滑动连接，且所述安装板两侧设置滚珠丝杆驱动组件，所述支撑底板垂直安装于安装板底部，所述支撑底板上安装驱动机构，所述驱动机构与机械臂机构连接。
优选的，本申请提供的多关节超冗余蛇形机械臂结构形式的充电机器人，其中，所述机械臂机构包括多个机械臂套筒和多个关节组件，相邻所述机械臂套筒之间通过关节组件连接，所述关节组件数量设置12个。
优选的，本申请提供的多关节超冗余蛇形机械臂结构形式的充电机器人，其中，每个所述的关节组件均包括第一导绳盘、第二导绳盘，所述第一导绳盘和第二导绳盘外周均开设定位孔，所述第一导绳盘上安装对称设置的两块第一连接筋板，所述第二导绳盘上安装对称设置的两块第二连接筋板，所述第一连接筋板和第二连接筋板上均开设螺纹孔，所述第一连接筋板和第二连接筋板两侧均设置定位凸台，且所述定位凸台与导绳盘呈一体式结构。
优选的，本申请提供的多关节超冗余蛇形机械臂结构形式的充电机器人，其中，还包括环形十字轴，所述环形十字轴上开设两对正交的通孔，所述环形十字轴销钉分别与第一导绳盘、第二导绳盘连接，所述第一导绳盘、第二导绳盘周向分别开设36个等间隔的通孔。
优选的，本申请提供的多关节超冗余蛇形机械臂结构形式的充电机器人，其中，所述第一导绳盘、第二导绳盘之间还安装三根牵引绳，三根牵引绳以120°间隔分布。
优选的，本申请提供的多关节超冗余蛇形机械臂结构形式的充电机器人，其中，每个所述的机械臂套筒通过销钉与关节组件中的导绳盘固定，每个所述的机械臂套筒均采用镂空结构。
优选的，本申请提供的多关节超冗余蛇形机械臂结构形式的充电机器人，其中，所述滚珠丝杆驱动组件包括第一滚珠丝杆、第二滚珠丝杆、第一丝杆电机、第二丝杆电机、第一滑动块和第二滑动块，所述第一滑动块与第一滚珠丝杆螺纹连接，所述第一丝杆电机与第一滚珠丝杆传动连接，所述第二滑动块与第二辊柱丝杆螺纹连接，所述第二丝杆电机与第二滚珠丝杆传动连接，所述第一滑动块和第二滑动块之间固定安装板。
优选的，本申请提供的多关节超冗余蛇形机械臂结构形式的充电机器人，其中，其使用方法包括以下步骤：
A、首先将机械臂机构与驱动机构连接，再将驱动机构固定于支撑底板上；
B、需要进行充电时，通过控制箱控制丝杆电机工作，丝杆电机驱动滚珠丝杆转动，滚珠丝杆转动时带动滑动块上升，滑动块带动安装板上升，进而带动机械臂机构上升；
C、当机械臂机构达到指定高度后，停止上升，同时控制驱动机构工作；
D、驱动机构中的伺服电机控制牵引绳，进而改变臂关节角度和臂体位姿，实现充电的目的。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明结构设计新颖，整体稳定性好，采用的机械臂机构具有更小的直径和质量，更灵活的运动能力，能够提高充电效率。
(2)本发明中，在导绳盘周向开有一圈等间隔的通孔，能够起到对驱动绳约束和导向的功能；导绳盘上设置连接筋板，可保证结构强度，同时中空设计可以使机械臂中可以通过末端设备如摄像头、机械手或声纳探头等的电源和信号电缆线。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明滚珠丝杆组件安装示意图；
图3为本发明机械臂机构结构示意图；
图4为本发明关节组件结构示意图；
图5为本发明导绳盘俯视图；
图中：机械臂机构1、驱动机构2、安装座3、万向轮4、纵向立板5、控制箱6、安装板7、支撑底板8、滑块9、纵向滑轨10、机械臂套筒11和、关节组件12、第一导绳盘13、第二导绳盘14，所述第一导绳盘13、第二导绳盘14、定位孔15、第一连接筋板16、第二连接筋板17、定位凸台18、环形十字轴19、通孔20、牵引绳21、第一滚珠丝杆22、第二滚珠丝杆23、第一丝杆电机24、第二丝杆电机25、第一滑动块26、第二滑动块27。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：多关节超冗余蛇形机械臂结构形式的充电机器人,包括安装座组件、机械臂机构1和驱动机构2，所述安装座组件包括安装座3、万向轮4和纵向立板5，所述万向轮4安装于安装座3底部，所述纵向立板5立设于安装座3，所述安装座3上还安装控制箱6，所述安装座3内侧安装升降机构，所述升降机构包括安装板7、滚珠丝杆驱动组件和支撑底板8，所述安装板7内侧安装滑块9，所述滑块9与设置在纵向立板5内侧的纵向滑轨10滑动连接，且所述安装板7两侧设置滚珠丝杆驱动组件，所述支撑底板8垂直安装于安装板7底部，所述支撑底板8上安装驱动机构2，所述驱动机构2与机械臂机构1连接。
本发明中，机械臂机构1包括多个机械臂套筒11和多个关节组件12，相邻所述机械臂套筒11之间通过关节组件12连接，所述关节组件12数量设置12个；每个所述的关节组件12均包括第一导绳盘13、第二导绳盘14，所述第一导绳盘13和第二导绳盘14外周均开设定位孔15，所述第一导绳盘13上安装对称设置的两块第一连接筋板16，所述第二导绳盘14上安装对称设置的两块第二连接筋板17，所述第一连接筋板16和第二连接筋板17上均开设螺纹孔，所述第一连接筋板16和第二连接筋板17两侧均设置定位凸台18，且所述定位凸台18与导绳盘呈一体式结构；还包括环形十字轴19，所述环形十字轴19上开设两对正交的通孔，所述环形十字轴19通过销钉分别与第一导绳盘13、第二导绳盘14连接，所述第一导绳盘13、第二导绳盘14周向分别开设36个等间隔的通孔20；第一导绳盘13、第二导绳盘14之间还安装三根牵引绳21，三根牵引绳21以120°间隔分布。本发明中，在导绳盘周向开有一圈等间隔的通孔，能够起到对驱动绳约束和导向的功能；导绳盘上设置连接筋板，可保证结构强度，同时中空设计可以使机械臂中可以通过末端设备如摄像头、机械手或声纳探头等的电源和信号电缆线。
本发明中，每个所述的机械臂套筒11通过销钉与关节组件中的导绳盘固定，每个所述的机械臂套筒11均采用镂空结构，能够进一步减轻机械臂质量，保证结构强度。
此外，本发明中，滚珠丝杆驱动组件包括第一滚珠丝杆22、第二滚珠丝杆23、第一丝杆电机24、第二丝杆电机25、第一滑动块26和第二滑动块27，所述第一滑动块26与第一滚珠丝杆22螺纹连接，所述第一丝杆电机24与第一滚珠丝杆22传动连接，所述第二滑动块27与第二滚珠丝杆23螺纹连接，所述第二丝杆电机25与第二滚珠丝杆23传动连接，所述第一滑动块26和第二滑动块27之间固定安装板7。该滚珠丝杆驱动组件驱动稳定性好，提高了升降稳定性。
工作原理：本发明的使用方法包括以下步骤：
A、首先将机械臂机构与驱动机构连接，再将驱动机构固定于支撑底板上；
B、需要进行充电时，通过控制箱控制丝杆电机工作，丝杆电机驱动滚珠丝杆转动，滚珠丝杆转动时带动滑动块上升，滑动块带动安装板上升，进而带动机械臂机构上升；
C、当机械臂机构达到指定高度后，停止上升，同时控制驱动机构工作；
D、驱动机构中的伺服电机控制牵引绳，进而改变臂关节角度和臂体位姿，实现充电的目的。
综上所述，本发明结构设计新颖，整体稳定性好，采用的机械臂机构具有更小的直径和质量，更灵活的运动能力，能够提高充电效率。
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。

Claims (8)

1.多关节超冗余蛇形机械臂结构形式的充电机器人,其特征在于：包括安装座组件、机械臂机构(1)和驱动机构(2)，所述安装座组件包括安装座(3)、万向轮(4)和纵向立板(5)，所述万向轮(4)安装于安装座(3)底部，所述纵向立板(5)立设于安装座(3)，所述安装座(3)上还安装控制箱(6)，所述安装座(3)内侧安装升降机构，所述升降机构包括安装板(7)、滚珠丝杆驱动组件和支撑底板(8)，所述安装板(7)内侧安装滑块(9)，所述滑块(9)与设置在纵向立板(5)内侧的纵向滑轨(10)滑动连接，且所述安装板(7)两侧设置滚珠丝杆驱动组件，所述支撑底板(8)垂直安装于安装板(7)底部，所述支撑底板(8)上安装驱动机构(2)，所述驱动机构(2)与机械臂机构(1)连接。
2.根据权利要求1所述的多关节超冗余蛇形机械臂结构形式的充电机器人，其特征在于：所述机械臂机构(1)包括多个机械臂套筒(11)和多个关节组件(12)，相邻所述机械臂套筒(11)之间通过关节组件(12)连接，所述关节组件(12)数量设置12个。
3.根据权利要求2所述的多关节超冗余蛇形机械臂结构形式的充电机器人，其特征在于：每个所述的关节组件(12)均包括第一导绳盘(13)、第二导绳盘(14)，所述第一导绳盘(13)和第二导绳盘(14)外周均开设定位孔(15)，所述第一导绳盘(13)上安装对称设置的两块第一连接筋板(16)，所述第二导绳盘(14)上安装对称设置的两块第二连接筋板(17)，所述第一连接筋板(16)和第二连接筋板(17)上均开设螺纹孔，所述第一连接筋板(16)和第二连接筋板(17)两侧均设置定位凸台(18)，且所述定位凸台(18)与导绳盘呈一体式结构。
4.根据权利要求3所述的多关节超冗余蛇形机械臂结构形式的充电机器人，其特征在于：还包括环形十字轴(19)，所述环形十字轴(19)上开设两对正交的通孔，所述环形十字轴(19)通过销钉分别与第一导绳盘(13)、第二导绳盘(14)连接，所述第一导绳盘(13)、第二导绳盘(14)周向分别开设36个等间隔的通孔(20)。
5.根据权利要求4所述的多关节超冗余蛇形机械臂结构形式的充电机器人，其特征在于：所述第一导绳盘(13)、第二导绳盘(14)之间还安装三根牵引绳(21)，三根牵引绳(21)以120°间隔分布。
6.根据权利要求2所述的多关节超冗余蛇形机械臂结构形式的充电机器人，其特征在于：每个所述的机械臂套筒(11)通过销钉与关节组件中的导绳盘固定，每个所述的机械臂套筒(11)均采用镂空结构。
7.根据权利要求1所述的多关节超冗余蛇形机械臂结构形式的充电机器人，其特征在于：所述滚珠丝杆驱动组件包括第一滚珠丝杆(22)、第二滚珠丝杆(23)、第一丝杆电机(24)、第二丝杆电机(25)、第一滑动块(26)和第二滑动块(27)，所述第一滑动块(26)与第一滚珠丝杆(22)螺纹连接，所述第一丝杆电机(24)与第一滚珠丝杆(22)传动连接，所述第二滑动块(27)与第二滚珠丝杆(23)螺纹连接，所述第二丝杆电机(25)与第二滚珠丝杆(23)传动连接，所述第一滑动块(26)和第二滑动块(27)之间固定安装板(7)。
8.实现权利要求1所述的多关节超冗余蛇形机械臂结构形式的充电机器人的使用方法，其特征在于：其使用方法包括以下步骤：
A、首先将机械臂机构与驱动机构连接，再将驱动机构固定于支撑底板上；
B、需要进行充电时，通过控制箱控制丝杆电机工作，丝杆电机驱动滚珠丝杆转动，滚珠丝杆转动时带动滑动块上升，滑动块带动安装板上升，进而带动机械臂机构上升；
C、当机械臂机构达到指定高度后，停止上升，同时控制驱动机构工作；
D、驱动机构中的伺服电机控制牵引绳，进而改变臂关节角度和臂体位姿，实现充电的目的。
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