CN114290367B - 一种多欠驱动关节垂直机械臂系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多欠驱动关节垂直机械臂系统，包括配重箱、伺服电机、机械臂以及无线编码器、编码器主板和电池，伺服电机设置在配重箱的箱体中，第一机械臂上端与伺服电机的输出轴固定连接，第二机械臂上端与第一机械臂下端转动连接，第三机械臂上端与第二机械臂下端转动连接，第一无线编码器、第二无线编码器、编码器主板和电池均设置在第二机械臂上，第一无线编码器的旋转轴、第二无线编码器的旋转轴分别与第一机械臂与第二机械臂的转轴、第二机械臂与第三机械臂的转轴同轴固定连接，编码器主板与第一无线编码器、第二无线编码器均电性连接，电池与编码器主板电性连接。该系统可以从理论和实际角度检验垂直欠驱动机械臂系统控制方法的有效性。

Description

一种多欠驱动关节垂直机械臂系统

技术领域

本发明涉及欠驱机器人技术领域，尤其涉及一种多欠驱动关节垂直机械臂系统。

背景技术

轻质量、低能耗、高速度、智能化已成为现代机械设备的发展趋势，而欠驱动机械系统由于其低成本、低能耗的特性，已逐渐成为机械系统领域研究的新热点。

欠驱动机械系统是指控制量维数小于自由度维数的系统。通常在设计机器人或者机电系统时大都采用全驱动的方案，即自由度的数目和执行器的数目相等，此时可做到系统完全可控稳定。但当部分关节驱动器失效时，全驱动控制方法很难完成系统原有控制目标，而欠驱动控制策略则为系统提供了可替代控制方案。因此，研究欠驱动系统控制策略对于延长系统使用寿命和增加系统容错性方面具有实际应用价值。

对于具有多个欠驱动关节的垂直机械臂系统，由于系统中存在多个欠驱动关节，使得该类系统具有强耦合、非线性和非完整约束特性，其控制变得尤其困难。当前，针对具有多个欠驱动关节的垂直机械臂系统的理论研究和实验研究成果均比较匮乏。此外，实际操作中，常规编码器的导线会给机械臂运动的准确性造成诸多影响，例如，在机械臂摆动过程中易造成导线缠绕的情况，将对运动本身以及运动观测产生干扰，给欠驱动机械臂的稳定控制带来极大挑战。

发明内容

本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种多欠驱动关节垂直机械臂系统，可以从理论和实际角度检验垂直欠驱动机械臂系统控制方法的有效性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多欠驱动关节垂直机械臂系统，包括配重箱、伺服电机、第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂以及第一无线编码器、第二无线编码器、编码器主板和电池；

所述伺服电机设置在配重箱的箱体中且其输出轴伸出配重箱的箱体，伺服电机内置编码器；

所述第一机械臂上端与伺服电机的输出轴固定连接，且伺服电机的输出轴垂直于第一机械臂的转动平面；

所述第二机械臂上端与第一机械臂下端转动连接，且第二机械臂的转动平面平行于第一机械臂的转动平面；

所述第三机械臂上端与第二机械臂下端转动连接，且第三机械臂的转动平面平行于第二机械臂的转动平面；

所述第一无线编码器、第二无线编码器、编码器主板和电池均设置在第二机械臂上，第一无线编码器的旋转轴、第二无线编码器的旋转轴分别与第一机械臂与第二机械臂的转轴、第二机械臂与第三机械臂的转轴同轴固定连接，编码器主板与第一无线编码器、第二无线编码器均电性连接，电池与编码器主板电性连接。

进一步的，所述第二机械臂位于第一机械臂远离配重箱一侧，所述第一机械臂和第三机械臂位于第二机械臂同侧，所述第一无线编码器、第二无线编码器均位于第二机械臂远离第一机械臂的一侧。

进一步的，所述编码器主板位于第二机械臂远离第一机械臂的一侧。

进一步的，所述第二机械臂靠近第一机械臂的一侧设有凹槽，所述电池安装在凹槽中并通过盖板固定。

进一步的，所述第二机械臂的长度大于第一机械臂与第三机械臂的长度之和。

进一步的，所述第一机械臂上端设有第一轴孔，伺服电机的输出轴穿过第一轴孔后，通过挡片和螺钉以及限位件与第一机械臂固定连接。

进一步的，所述第一机械臂下端、第二机械臂两端和第三机械臂上端均设有第二轴孔，每一第二轴孔中均嵌入设有轴承，第一机械臂下端所设轴承与第二机械臂上端所设轴承、第二机械臂下端所设轴承与第三机械臂上端所设轴承均通过联轴器同轴连接，第一机械臂与对应联轴器之间、第三机械臂与对应联轴器之间均设有限位结构，使第一机械臂与对应联轴器之间、第三机械臂与对应联轴器之间无相对转动。

进一步的，所述限位结构包括限位块和六角螺母，第一机械臂远离第二机械臂的一侧设置限位块，第一机械臂与第二机械臂之间的联轴器靠近第一机械臂的一端设置六角螺母，且限位块的其一侧面与六角螺母的其一侧面相抵；第三机械臂远离第二机械臂的一侧设置限位块，第二机械臂与第三机械臂之间的联轴器靠近第三机械臂的一端设置六角螺母，且限位块的其一侧面与六角螺母的其一侧面相抵。

进一步的，所述轴承为交叉滚子轴承。

进一步的，所述第一无线编码器、第二无线编码器均通过支架与第二机械臂固定连接且两者的旋转轴分别与两联轴器同轴固定连接。

本发明的有益效果为：

本发明设计了一种多欠驱动关节垂直机械臂系统，第一关节为全驱动关节，第二关节和第三关节为欠驱动关节，可以从理论和实际角度检验垂直欠驱动机械臂系统控制方法的有效性，结构简单、紧凑；第一机械臂与第二机械臂之间、第二机械臂与第三机械臂之间均为可拆卸连接，通过改变第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂的长度和宽度，可以产生多种长度和宽度不同的垂直欠驱机械臂系统；该多欠驱动关节垂直机械臂系统的第一关节处采用内置编码器的伺服电机，第二关节、第三关节处采用无线编码器，且第一无线编码器、第二无线编码器、编码器主板和电池均设置在第二机械臂上，杜绝了导线缠绕的情形，不会对机械臂运动本身以及运动观测产生干扰。

附图说明

图1为本发明多欠驱动关节垂直机械臂的立体图；

图2为本发明多欠驱动关节垂直机械臂的主视图；

图3为本发明多欠驱动关节垂直机械臂的后视图；

图4为本发明配重箱的结构示意图；

图5为本发明第一机械臂的主视图；

图6为本发明第一机械臂的后视图；

图7为本发明第二机械臂的主视图；

图8为本发明第二机械臂的后视图；

图9为本发明第三机械臂的主视图；

图10为本发明第三机械臂的后视图；

图11为本发明第二关节或第三关节的结构示意图(无机械臂)；

图12为本发明联轴器与轴承的连接结构示意图；

图13为本发明联轴器的结构示意图。

标注说明：1、配重箱，2、第一机械臂，3、第二机械臂，4、第三机械臂，5、第一无线编码器，6、第二无线编码器，7、支架，8、编码器主板，9、限位块，10、六角螺母，11、盖板，12、伺服电机，13、伺服驱动器，14、第一轴孔，15、第二轴孔，16、凹槽，17、电池，18、联轴器，19、轴承，20、轴承挡板，21、限位销，22、限位槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1-10所示，一种多欠驱动关节垂直机械臂系统，包括配重箱1、伺服电机12、第一机械臂2、第二机械臂3、第三机械臂4以及第一无线编码器5、第二无线编码器6、编码器主板8和电池17。其中，第二机械臂3的长度大于第一机械臂2与第三机械臂4的长度之和。

配重箱1上沿水平面设有配重板，配重板下设有配重块(配重板和配重块图中未示出)。

伺服电机12设置在配重箱1的箱体中且其输出轴伸出配重箱1的箱体，伺服电机12内置编码器，伺服驱动器13、固定组件和导线均设置在配重箱1的箱体中。实际组配时，伺服电机12选用交流伺服电机。

第一机械臂2上端与伺服电机12的输出轴固定连接，且伺服电机12的输出轴垂直于第一机械臂2的转动平面。第一机械臂2上端与伺服电机12的输出轴为第一关节或首关节。

具体的，请参阅图1-2、5-6所示，第一机械臂2上端设有第一轴孔14，伺服电机12的输出轴穿过第一轴孔14后，通过挡片和螺钉以及限位件与第一机械臂2固定连接。

第二机械臂3上端与第一机械臂2下端转动连接，且第二机械臂3的转动平面平行于第一机械臂2的转动平面，第三机械臂4上端与第二机械臂3下端转动连接，且第三机械臂4的转动平面平行于第二机械臂3的转动平面。第二机械臂3上端与第一机械臂2下端连接处为第二关节，第三机械臂4上端与第二机械臂3下端连接处为第三关节。

具体的，请参阅图5-13所示，第一机械臂2下端、第二机械臂3两端和第三机械臂4上端均设有第二轴孔15，每一第二轴孔15中均嵌入设有轴承19，第一机械臂2下端所设轴承19与第二机械臂3上端所设轴承19、第二机械臂3下端所设轴承19与第三机械臂4上端所设轴承19均通过联轴器18同轴连接。优选的是，轴承19为交叉滚子轴承。

轴承19嵌入设置在第二轴孔15中之后，通过轴承挡板20和螺钉固定。联轴器18两端均设有限位槽22，轴承19与联轴器18连接时，通过限位销21与限位槽22匹配的进行限位。

为了减少机械臂自身重量，第一机械臂2、第二机械臂3、第三机械臂4均采用轻质材料制作，包括但不限于亚克力材料。基于材料强度考虑，第一机械臂2、第二机械臂3、第三机械臂4之间采用双轴承19与联轴器18配合的形式进行连接，利于选材以及组装和拆卸。

上述技术方案中，第一机械臂2与对应联轴器18之间、第三机械臂4与对应联轴器18之间均设有限位结构，使第一机械臂2与对应联轴器18之间、第三机械臂4与对应联轴器18之间无相对转动。

具体的，请参阅图3所示，限位结构包括限位块9和六角螺母10。第一机械臂2远离第二机械臂3的一侧设置限位块9，第一机械臂2与第二机械臂3之间的联轴器18靠近第一机械臂2的一端设置六角螺母10(螺纹连接)，且限位块9的其一侧面与六角螺母10的其一侧面相抵；第三机械臂4远离第二机械臂3的一侧设置限位块9，第二机械臂3与第三机械臂4之间的联轴器18靠近第三机械臂4的一端设置六角螺母10(螺纹连接)，且限位块9的其一侧面与六角螺母10的其一侧面相抵。实际组配时，限位块9通过螺钉固定在第二机械臂3上下两端的轴承挡板20上。

第一无线编码器5、第二无线编码器6、编码器主板8和电池17均设置在第二机械臂3上，第一无线编码器5的旋转轴、第二无线编码器6的旋转轴分别与第一机械臂2与第二机械臂3的转轴、第二机械臂3与第三机械臂4的转轴同轴固定连接。具体来说，第一无线编码器5、第二无线编码器6均通过支架7与第二机械臂3固定连接且两者的旋转轴分别与两联轴器18同轴固定连接。实际组配时，电池17采用可充电电池；第一无线编码器5、第二无线编码器6均通过支架7固定在第二机械臂3上下两端的轴承挡板20上。

编码器主板8与第一无线编码器5、第二无线编码器6均电性连接，电池17与编码器主板8电性连接，从而为第一无线编码器5、第二无线编码器6供电。电性连接的导线在第二机械臂3上布线。

作为其中一种实施例，第二机械臂3位于第一机械臂2远离配重箱1一侧，第一机械臂2和第三机械臂4位于第二机械臂3同侧，第一无线编码器5、第二无线编码器6均位于第二机械臂3远离第一机械臂2的一侧。编码器主板8位于第二机械臂3远离第一机械臂2的一侧。第二机械臂3靠近第一机械臂2的一侧设有凹槽16，电池17安装在凹槽16中并通过盖板11固定，凹槽16边缘设有引出电源线的开口。

当伺服电机12驱动第一机械臂2转动时，第一机械臂2带动第二机械臂3、第三机械臂4运动。此时，第二机械臂3上端相对第一机械臂2下端转动，使第一编码器5的码盘相对其旋转轴转动，进而获取第二机械臂3的相对角度变化状态；第三机械臂4上端相对第二机械臂3下端转动，使第二编码器6的旋转轴相对其码盘转动，进而获取第二机械臂3的相对角度变化状态。

试验时，该多欠驱动关节垂直机械臂系统与操作员之间的通信模式采用数据采集卡，比如北京阿尔泰科技有限公司研制的PCIe高速数据采集卡，通过编写人机交互界面，操作员可实现对伺服驱动器13参数以及控制算法的设置，并实时监测各关节的运动状态。

通过伺服电机12自带的定位功能，结合编码器信息加以修正，可获取首关节的运动状态，并经由数据采集卡将这些状态信息传递至PC机。

第二关节和第三关节处外设的编码器产生的角度信息通过无线接收装置传递至PC机，以供操作员编写反馈控制程序。操作人员编写控制程序与算法，并通过PC机将程序指令传递给运动控制卡，运动控制卡通过控制伺服驱动器13可以控制伺服电机12的运动。

当然，以上仅为本发明较佳实施方式，并非以此限定本发明的使用范围，故，凡是在本发明原理上做等效改变均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多欠驱动关节垂直机械臂系统，其特征在于：包括配重箱、伺服电机、第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂以及第一无线编码器、第二无线编码器、编码器主板和电池；

所述伺服电机设置在配重箱的箱体中且其输出轴伸出配重箱的箱体，伺服电机内置编码器；

所述第一机械臂上端与伺服电机的输出轴固定连接，且伺服电机的输出轴垂直于第一机械臂的转动平面；

所述第二机械臂上端与第一机械臂下端转动连接，且第二机械臂的转动平面平行于第一机械臂的转动平面；

所述第三机械臂上端与第二机械臂下端转动连接，且第三机械臂的转动平面平行于第二机械臂的转动平面；

所述第一机械臂下端、第二机械臂两端和第三机械臂上端均设有第二轴孔，每一第二轴孔中均嵌入设有轴承，第一机械臂下端所设轴承与第二机械臂上端所设轴承、第二机械臂下端所设轴承与第三机械臂上端所设轴承均通过联轴器同轴连接，第一机械臂与对应联轴器之间、第三机械臂与对应联轴器之间均设有限位结构，使第一机械臂与对应联轴器之间、第三机械臂与对应联轴器之间无相对转动；

所述第一无线编码器、第二无线编码器、编码器主板和电池均设置在第二机械臂上，第一无线编码器的旋转轴、第二无线编码器的旋转轴分别与第一机械臂与第二机械臂的转轴、第二机械臂与第三机械臂的转轴同轴固定连接，编码器主板与第一无线编码器、第二无线编码器均电性连接，电池与编码器主板电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种多欠驱动关节垂直机械臂系统，其特征在于：所述第二机械臂位于第一机械臂远离配重箱一侧，所述第一机械臂和第三机械臂位于第二机械臂同侧，所述第一无线编码器、第二无线编码器均位于第二机械臂远离第一机械臂的一侧。

3.根据权利要求2所述的一种多欠驱动关节垂直机械臂系统，其特征在于：所述编码器主板位于第二机械臂远离第一机械臂的一侧。

4.根据权利要求3所述的一种多欠驱动关节垂直机械臂系统，其特征在于：所述第二机械臂靠近第一机械臂的一侧设有凹槽，所述电池安装在凹槽中并通过盖板固定。

5.根据权利要求1所述的一种多欠驱动关节垂直机械臂系统，其特征在于：所述第二机械臂的长度大于第一机械臂与第三机械臂的长度之和。

6.根据权利要求1所述的一种多欠驱动关节垂直机械臂系统，其特征在于：所述第一机械臂上端设有第一轴孔，伺服电机的输出轴穿过第一轴孔后，通过挡片和螺钉以及限位件与第一机械臂固定连接。

7.根据权利要求1所述的一种多欠驱动关节垂直机械臂系统，其特征在于：所述限位结构包括限位块和六角螺母，第一机械臂远离第二机械臂的一侧设置限位块，第一机械臂与第二机械臂之间的联轴器靠近第一机械臂的一端设置六角螺母，且限位块的其一侧面与六角螺母的其一侧面相抵；第三机械臂远离第二机械臂的一侧设置限位块，第二机械臂与第三机械臂之间的联轴器靠近第三机械臂的一端设置六角螺母，且限位块的其一侧面与六角螺母的其一侧面相抵。

8.根据权利要求1所述的一种多欠驱动关节垂直机械臂系统，其特征在于：所述轴承为交叉滚子轴承。

9.根据权利要求1所述的一种多欠驱动关节垂直机械臂系统，其特征在于：所述第一无线编码器、第二无线编码器均通过支架与第二机械臂固定连接且两者的旋转轴分别与两联轴器同轴固定连接。

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