CN113276102A - 一种七自由度的机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种七自由度的机械臂，包括竖直移动部分、水平移动部分、姿态角部分、末端执行部分，其中，竖直移动部分包括剪叉抬升部分、同步带移动部分；水平移动部分包括基座连接部分、双摇杆部分；姿态角部分包括yaw轴部分、roll轴部分、pitch轴部分。本发明结合了并联、串联机构，在降低其控制难度的同时尽可能地提高其通用性及刚性，并且拥有七个自由度，能够较好地模仿人类手臂的运动规律。相比于现有的机械臂结构，本发明拥有七自由度，能够实现较为灵活的运动，单一的末端执行器位置对应多个机械臂位置解，并且结构刚度较高。本发明控制较为简单，位置解算较为容易，控制成本较低。

Description

一种七自由度的机械臂

技术领域

本发明涉及机械臂设备技术领域，具体涉及一种七自由度的机械臂。

背景技术

在制造业迅猛发展的当今社会，人类总是希望设计出机械来代替人力进行工作从而提高工作效率，而机械臂顾名思义就是模仿人类手臂的工作特性设计出来的机械结构，因此各类的机械臂层出不穷。人类的手臂具有很强的通用性，能够使人类适应各种环境做出相应的动作。但也正是因为人类手臂的通用性高，在模仿人类手臂的过程中也存在各类困难。人类手臂是典型的七自由度串联机械臂，而在机械臂领域中，自由度高的串联机构刚性较差，并且串联机构的计算量巨大，对串联机构进行控制的难度远高于对并联机构进行控制。因此虽然并联机构的通用性弱，但由于其较为简单的控制方式，在一些专用性较强的场合也被广泛使用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种七自由度的机械臂。本发明结合了并联、串联机构，在降低其控制难度的同时尽可能地提高其通用性及刚性，并且拥有七个自由度，能够较好地模仿人类手臂的运动规律。此机械臂机构控制简单可靠，运动灵活、经济实用，模块化程度高。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种七自由度的机械臂，所述机械臂包括竖直移动部分、水平移动部分、姿态角部分、末端执行部分，其中，所述竖直移动部分包括剪叉抬升部分、同步带移动部分；所述水平移动部分包括基座连接部分、双摇杆部分；所述姿态角部分包括yaw轴部分、roll轴部分、pitch轴部分；

所述同步带移动部分由水平步进电机14作为驱动源、使用同步带及同步带轮12作为传动件、一对直线导轨滑块13进行直线限位组成；所述剪叉抬升部分分别由左右两组相互独立的剪叉机构组成，单个剪叉机构由两对竖直步进电机2作为驱动源、使用滚珠丝杆8作为传动件、两组剪叉单元作为执行构件组成；

将水平移动部分与两组剪叉机构上方的滑槽15进行连接，从而使其上的水平移动部分、姿态角部分、末端执行部分进行单一自由度的运。

进一步地，所述剪叉机构使用竖直步进电机2带动滚珠丝杆8进行驱动，由竖直步进电机2和滚珠丝杆8驱动的部分由两根光杆7配合直线轴承6进行直线限位。

进一步地，所述剪叉机构的顶端设置一滑槽15，滑槽15位于两组剪叉上方，并且在上端剪叉单元的一段固定一轴承，利用轴承代替轮子，通过该滑槽15使剪叉机构顶端一端固定、另一端在滑槽内运动，并使将固定端置于靠近悬臂的一侧。

进一步地，所述竖直步进电机2固定在后固定板20上，使用弹性梅花联轴器3与滚珠丝杆8连接，滚珠丝杆8的另一端使用卧式轴承座10进行周向限位；滚珠丝杆8上套有滚珠螺套4，滚珠螺套4通过传动板5与两直线轴承6进行连接，两直线轴承6位于光杆7之上，通过直线轴承6在光杆7上移动进行直线限位，从而使滚珠丝杆8与滚珠螺套4只起传动件的传动作用；滚珠螺套4上固定有后剪叉下支座19，前固定板9上固定有前剪叉下支座11及三个卧式轴承座；后剪叉下支座19中间固定有一剪叉管件16，前剪叉下支座11中间固定有一剪叉板件18，两块剪叉板件18与剪叉管件16交错排列，并在剪叉管件16与剪叉板件18中间使用螺钉配合止推轴承17从而提供一个转动副，两块剪叉板件18与一块剪叉管件16组成一组剪叉，两组剪叉串联组成一组剪叉机构，通过滚珠丝杆8将竖直步进电机2的旋转运动转化为传动板5的直线运动；通过剪叉机构将传动板5的直线运动转化为剪叉末端的垂直于传动板5运动方向的直线运动，从而为其上的水平移动部分、姿态角部分、末端执行部分提供单一的自由度。

进一步地，所述同步带移动部分通过基座连接件23将同步带22与舵机固定板25进行连接，由一对直线导轨滑块13进行直线限位，通过水平步进电机14带动同步带22从而使其上的水平移动部分、姿态角部分进行单一自由度的运动。

进一步地，所述同步带移动部分的开口同步带向内弯折，利用同步带齿之间的啮合及外部的羊眼型限位，使其固定并能拉动其上的水平移动部分。

进一步地，所述水平步进电机14靠近一组剪叉机构进行固定，主动同步带轮21固定在水平步进电机14上；靠近另一组剪叉机构通过一根铝合金轴固定有一惰性同步带轮12，同步带轮及铝合金轴的轴向定位通过设计卡簧槽使用卡簧进行固定；所述同步带22为开口同步带，同步带22的开口端通过向有齿方向弯折，中间包裹一3D打印的轴26，使用3D打印的基座连接件23将弯折端夹紧，并使其弯折后的齿与弯折前的齿相互啮合从而固定，并且通过轴26使其无法脱出；所述3D打印的基座连接件23连接同步带22及舵机固定板25，所述舵机固定板25上并排固定两个舵机，分别为双摇杆驱动舵机24，由同步带22驱动可以获得水平方向的单一自由度运动。

进一步地，所述双摇杆部分为四连杆机构，通过由两个双摇杆驱动舵机24组成的双摇杆舵机驱动进行驱动，从而使其上的水平移动部分、姿态角部分、末端执行部分进行两个自由度的运动；

所述两个双摇杆舵机固定在舵机固定板25上，其舵机输出端与两连架杆进行连接；双摇杆部分的四连杆机构由双摇杆管件27和双摇杆板件28交替组成，双摇杆板件28与双摇杆管件27之间使用止推轴承降低摩擦力；该四连杆机构自由度为2，使用双摇杆驱动舵机24在两舵机位置确定时两连杆的交点位置确定。

进一步地，所述yaw轴部分、roll轴部分、pitch轴部分分别由yaw轴舵机30、roll轴舵机31、pitch轴舵机34独立控制，由yaw轴部分、roll轴部分、pitch轴部分共同作用，从而使pitch轴舵机34上固定的末端执行部分进行三个自由度的运动。

进一步地，所述yaw轴舵机30的输出端与双摇杆机构的连杆交点使用连杆交点连接板29进行固定，所述roll轴舵机31的机身与yaw轴舵机30的机身通过舵机连接板32进行固定，所述pitch轴舵机34的输出端使用舵机固定支架33与roll轴舵机31的输出端进行固定，所述pitch轴舵机34的机身用于固定末端执行部分，通过三个舵机的协同作用，在末端执行点位置一定的情况下对末端执行部分进行姿态调整。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明拥有七自由度，能够实现较为灵活的运动，单一的末端执行器位置对应多个机械臂位置解，并且结构刚度较高。本发明控制较为简单，位置解算较为容易，控制成本较低。

附图说明

图1是本发明实施例中公开的一种七自由度的机械臂的整体结构示意图；

图2是本发明实施例中公开的一种七自由度的机械臂的竖直移动部分示意图；

图3是本发明实施例中公开的一种七自由度的机械臂的水平移动部分的同步带固定方式示意图；

图4是本发明实施例中公开的一种七自由度的机械臂的双摇杆部分及姿态角部分结构示意图；

图中附图标记说明如下：1-基座，2-竖直步进电机，3-弹性梅花联轴器，4-滚珠螺套，5-传动板，6-直线轴承，7-光杆，8-滚珠丝杆，9-前固定板，10-卧式轴承座，11-前剪叉下支座，12-同步带轮，13-直线导轨滑块，14-水平步进电机，15-滑槽，16-剪叉管件，17-止推轴承，18-剪叉板件，19-后剪叉下支座，20-后固定板，21-主动同步带轮，22-同步带，23-基座连接件，24-双摇杆驱动舵机，25-舵机固定板，26-轴，27-双摇杆管件，28-双摇杆板件，29-连杆交点连接板，30-yaw轴舵机，31-roll轴舵机，32-舵机连接板，33-舵机固定支架，34-pitch轴舵机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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

如图1所示，本实施例公开了一种七自由度的机械臂，包括竖直移动部分、水平移动部分、姿态角部分、末端执行部分，其中，竖直移动部分包括剪叉抬升部分、同步带移动部分；水平移动部分包括基座连接部分、双摇杆部分；姿态角部分包括yaw轴部分、roll轴部分、pitch轴部分。

如图2所示，竖直移动部分包括剪叉抬升部分、同步带移动部分。其中，同步带移动部分由水平步进电机14作为驱动源、使用同步带及同步带轮12作为传动件、一对直线导轨滑块13进行直线限位组成；剪叉抬升部分分别由左右两组相互独立的剪叉机构组成，单个剪叉机构由两对竖直步进电机2作为驱动源、使用滚珠丝杆8作为传动件、两组剪叉单元作为执行构件组成。

将水平移动部分与两组剪叉单元上方的滑槽15进行连接，从而使其上的水平移动部分、姿态角部分、末端执行部分进行单一自由度的运动。

剪叉机构使用竖直步进电机2带动滚珠丝杆8进行驱动，由竖直步进电机2和滚珠丝杆8驱动的部分由两根光杆7配合直线轴承6进行直线限位。

剪叉机构的顶端设置一滑槽15，滑槽15位于两组剪叉单元上方，并且在上部剪叉单元的一段固定一轴承，利用轴承代替轮子，通过该滑槽15使剪叉机构顶端一端固定、另一端在滑槽内运动，并使将固定端置于靠近悬臂的一侧。

具体而言，竖直步进电机2固定在后固定板20上，使用弹性梅花联轴器3与滚珠丝杆8连接，滚珠丝杆8的另一端使用卧式轴承座10进行周向限位。使用弹性梅花联轴器3的目的有两个，一是消除由于装配误差导致的竖直步进电机2与滚珠丝杆8带来的不同轴问题，二是为了降低竖直步进电机2在工作过程中收到的冲击振动，延长机构的使用寿命。滚珠丝杆8上套有滚珠螺套4，滚珠螺套4通过传动板5与两直线轴承6进行连接，两直线轴承6位于光杆7之上，通过直线轴承6在光杆7上移动进行直线限位，从而使滚珠丝杆8与滚珠螺套4只起传动件的传动作用，不作为受力件进行承重作用。滚珠螺套4上固定有后剪叉下支座19，前固定板9上固定有前剪叉下支座11及三个卧式轴承座。后剪叉下支座19中间固定有一剪叉管件16，使用止推轴承17减小摩擦力。前剪叉下支座11中间固定有一剪叉板件18，使用止推轴承17减小摩擦力。两块剪叉板件18与剪叉管件16交错排列，并在剪叉管件16与剪叉板件18中间使用螺钉配合止推轴承17提供一个转动副。两块剪叉板件18与一块剪叉管件16组成一组剪叉单元，两组剪叉串联组成一组剪叉机构，通过滚珠丝杆8将竖直步进电机2的旋转运动转化为传动板5的直线运动。通过剪叉机构将传动板5的直线运动转化为上端剪叉单元末端的垂直于传动板5运动方向的直线运动，从而为其上的水平移动部分、姿态角部分、末端执行部分提供单一的自由度。使用滑槽15能使剪叉机构顶端一端固定、另一端在滑槽内运动，将固定端置于靠近悬臂的一侧，能够使机构在运动的过程中剪叉单元的受力点较为靠近机构的重心，降低结构倾倒的可能，提高其稳定性。

同步带移动部分通过基座连接件23将同步带22与舵机固定板25进行连接，由一对直线导轨滑块13进行直线限位，通过水平步进电机14带动同步带22从而使其上的水平移动部分、姿态角部分进行单一自由度的运动。

同步带移动部分的开口同步带向内弯折，利用同步带齿之间的啮合及外部的羊眼型限位，使其固定并能拉动其上的水平移动部分。

具体而言，水平步进电机14靠近一组剪叉机构进行固定，主动同步带轮21固定在水平步进电机14上。靠近另一组剪叉机构通过一根铝合金轴固定有一惰性同步带轮12，同步带轮及铝合金轴的轴向定位通过设计卡簧槽使用卡簧进行固定。所使用的铝合金轴上套有法兰轴承以降低摩擦。此处所使用的同步带22为开口同步带，同步带的开口端通过向有齿方向弯折，中间包裹一3D打印的轴26，使用3D打印的基座连接件23将弯折端夹紧，并使其弯折后的齿与弯折前的齿相互啮合从而固定，并且通过轴26使其无法脱出。该3D打印的基座连接件23连接同步带22及舵机固定板25。舵机固定板25上并排固定两个舵机，为双摇杆驱动舵机24，由同步带22驱动可以获得水平方向的单一自由度运动。

双摇杆部分为四连杆机构，通过由两个双摇杆驱动舵机24组成的双摇杆舵机驱动进行驱动，从而使其上的水平移动部分、姿态角部分、末端执行部分进行两个自由度的运动。

具体而言，双摇杆舵机驱动由两个双摇杆驱动舵机24组成，两个双摇杆舵机固定在舵机固定板25上，其舵机输出端与两连架杆进行连接。双摇杆部分的四连杆机构由双摇杆管件27和双摇杆板件28交替组成，双摇杆板件28与双摇杆管件27之间使用止推轴承降低摩擦力。所述的双摇杆部分为一四连杆机构，两连架杆长度相等，两连杆长度相等。令两连架杆长度为a，两连杆长度为b，有a≈0.8b。该四连杆机构自由度为2，使用双摇杆驱动舵机24可以在两舵机位置确定时两连杆的交点位置确定。由于此处由两驱动源共同作用，该机构具有两个自由度，连杆交点的运动区域为一个面。在连杆的交点处与姿态角部分进行固定，从而通过水平移动部分使其上的姿态角部分、末端执行部分进行两个自由度的运动。

yaw轴部分、roll轴部分、pitch轴部分分别由yaw轴舵机30、roll轴舵机31、pitch轴舵机34独立控制。由yaw轴部分、roll轴部分、pitch轴部分共同作用，从而使pitch轴舵机34上固定的末端执行部分进行三个自由度的运动。

具体而言，姿态角部分由yaw轴部分、roll轴部分、pitch轴部分组成。每个部分分别使用一个舵机进行控制，通过三个舵机实现姿态角的全向移动。此处使用的舵机为双轴舵机，使用双轴舵机的优势在于此处机构与舵机的固定方式相对于舵机机身截面对称，使用单轴舵机会产生额外的扭矩，对机构的寿命由一定的影响，而使用双轴舵机可以消除此扭矩，优化受力情况从而提高机构的使用寿命。yaw轴舵机30的输出端与双摇杆机构的连杆交点使用连杆交点连接板29进行固定，roll轴舵机31的机身与yaw轴舵机30的机身通过舵机连接板32进行固定，pitch轴舵机34的输出端使用舵机固定支架33与roll轴舵机31的输出端进行固定，pitch轴舵机34的机身可以固定末端执行部分。通过三个舵机的协同作用，可以在末端执行点位置一定的情况下对末端执行部分进行姿态调整，从而更好地适应实际工作情况。

本实施例公开的一种七自由度的机械臂的工作流程如下：

通过一定的方法获取末端执行机构的目标位置，在经过一定的计算之后得出各个电机、舵机所需要的目标位置。剪叉抬升部分、同步带移动部分为串联机构，分别计算并累加后可得到目标位置在空间中两轴向的位置。双摇杆机构为并联机构，需要两舵机协同作用计算出两连杆交点的位置，从而对两舵机转过的角度进行指导。姿态角部分的三个舵机为串联机构，可以分别计算并累加得到末端执行机构的姿态角。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种七自由度的机械臂，其特征在于，所述机械臂包括竖直移动部分、水平移动部分、姿态角部分、末端执行部分，其中，所述竖直移动部分包括剪叉抬升部分、同步带移动部分；所述水平移动部分包括基座连接部分、双摇杆部分；所述姿态角部分包括yaw轴部分、roll轴部分、pitch轴部分；

所述同步带移动部分由水平步进电机作为驱动源、使用同步带及同步带轮(12)作为传动件、一对直线导轨滑块(13)进行直线限位组成；所述剪叉抬升部分分别由左右两组相互独立的剪叉机构组成，单个剪叉机构由两对竖直步进电机(2)作为驱动源、使用滚珠丝杆(8)作为传动件、两组剪叉单元作为执行构件组成；

将水平移动部分与两组剪叉机构上方的滑槽(15)进行连接，从而使其上的水平移动部分、姿态角部分、末端执行部分进行单一自由度的运。

2.根据权利要求1所述的一种七自由度的机械臂，其特征在于，所述剪叉机构使用竖直步进电机(2)带动滚珠丝杆(8)进行驱动，由竖直步进电机(2)和滚珠丝杆(8)驱动的部分由两根光杆(7)配合直线轴承(6)进行直线限位。

3.根据权利要求1所述的一种七自由度的机械臂，其特征在于，所述剪叉机构的顶端设置一滑槽(15)，滑槽(15)位于两组剪叉上方，并且在上端剪叉单元的一段固定一轴承，利用轴承代替轮子，通过该滑槽(15)使剪叉机构顶端一端固定、另一端在滑槽内运动，并使将固定端置于靠近悬臂的一侧。

4.根据权利要求1所述的一种七自由度的机械臂，其特征在于，所述竖直步进电机(2)固定在后固定板(20)上，使用弹性梅花联轴器(3)与滚珠丝杆(8)连接，滚珠丝杆(8)的另一端使用卧式轴承座(10)进行周向限位；滚珠丝杆(8)上套有滚珠螺套(4)，滚珠螺套(4)通过传动板(5)与两直线轴承(6)进行连接，两直线轴承(6)位于光杆(7)之上，通过直线轴承(6)在光杆(7)上移动进行直线限位，从而使滚珠丝杆(8)与滚珠螺套(4)只起传动件的传动作用；滚珠螺套(4)上固定有后剪叉下支座(19)，前固定板(9)上固定有前剪叉下支座(11)及三个卧式轴承座；后剪叉下支座(19)中间固定有一剪叉管件(16)，前剪叉下支座(11)中间固定有一剪叉板件(18)，两块剪叉板件(18)与剪叉管件(16)交错排列，并在剪叉管件(16)与剪叉板件(18)中间使用螺钉配合止推轴承(17)从而提供一个转动副，两块剪叉板件(18)与一块剪叉管件(16)组成一组剪叉，两组剪叉串联组成一组剪叉机构，通过滚珠丝杆(8)将竖直步进电机(2)的旋转运动转化为传动板(5)的直线运动；通过剪叉机构将传动板(5)的直线运动转化为剪叉末端的垂直于传动板(5)运动方向的直线运动，从而为其上的水平移动部分、姿态角部分、末端执行部分提供单一的自由度。

5.根据权利要求1所述的一种七自由度的机械臂，其特征在于，所述同步带移动部分通过基座连接件(23)将同步带(22)与舵机固定板(25)进行连接，由一对直线导轨滑块(13)进行直线限位，通过水平步进电机(14)带动同步带(22)从而使其上的水平移动部分、姿态角部分进行单一自由度的运动。

6.根据权利要求5所述的一种七自由度的机械臂，其特征在于，所述同步带移动部分的开口同步带向内弯折，利用同步带齿之间的啮合及外部的羊眼型限位，使其固定并能拉动其上的水平移动部分。

7.根据权利要求5所述的一种七自由度的机械臂，其特征在于，所述水平步进电机(14)靠近一组剪叉机构进行固定，主动同步带轮(21)固定在水平步进电机(14)上；靠近另一组剪叉机构通过一根铝合金轴固定有一惰性同步带轮(12)，同步带轮及铝合金轴的轴向定位通过设计卡簧槽使用卡簧进行固定；所述同步带(22)为开口同步带，同步带(22)的开口端通过向有齿方向弯折，中间包裹一3D打印的轴(26)，使用3D打印的基座连接件(23)将弯折端夹紧，并使其弯折后的齿与弯折前的齿相互啮合从而固定，并且通过轴(26)使其无法脱出；所述3D打印的基座连接件(23)连接同步带(22)及舵机固定板(25)，所述舵机固定板(25)上并排固定两个舵机，分别为双摇杆驱动舵机(24)，由同步带(22)驱动可以获得水平方向的单一自由度运动。

8.根据权利要求5所述的一种七自由度的机械臂，其特征在于，所述双摇杆部分为四连杆机构，通过由两个双摇杆驱动舵机(24)组成的双摇杆舵机驱动进行驱动，从而使其上的水平移动部分、姿态角部分、末端执行部分进行两个自由度的运动；

所述两个双摇杆舵机固定在舵机固定板(25)上，其舵机输出端与两连架杆进行连接；双摇杆部分的四连杆机构由双摇杆管件(27)和双摇杆板件(28)交替组成，双摇杆板件(28)与双摇杆管件(27)之间使用止推轴承降低摩擦力；该四连杆机构自由度为2，使用双摇杆驱动舵机(24)在两舵机位置确定时两连杆的交点位置确定。

9.根据权利要求1所述的一种七自由度的机械臂，其特征在于，所述yaw轴部分、roll轴部分、pitch轴部分分别由yaw轴舵机(30)、roll轴舵机(31)、pitch轴舵机(34)独立控制，由yaw轴部分、roll轴部分、pitch轴部分共同作用，从而使pitch轴舵机(34)上固定的末端执行部分进行三个自由度的运动。

10.根据权利要求9所述的一种七自由度的机械臂，其特征在于，所述yaw轴舵机(30)的输出端与双摇杆机构的连杆交点使用连杆交点连接板(29)进行固定，所述roll轴舵机(31)的机身与yaw轴舵机(30)的机身通过舵机连接板(32)进行固定，所述pitch轴舵机(34)的输出端使用舵机固定支架(33)与roll轴舵机(31)的输出端进行固定，所述pitch轴舵机(34)的机身用于固定末端执行部分，通过三个舵机的协同作用，在末端执行点位置一定的情况下对末端执行部分进行姿态调整。

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