CN115256450B - 一种单连杆柔性关节机械臂系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单连杆柔性关节机械臂系统，涉及机械臂领域；单连杆柔性关节机械臂系统包括：安装架、驱动电机、柔性关节组件和机械臂；所述柔性关节组件包括柔性关节盖、卷簧、柔性关节座和螺栓轴承；所述柔性关节盖的顶部设置有安置槽；所述螺栓轴承的轴承部固定设置在所述安置槽内，螺栓部与所述机械臂固定连接；所述柔性关节座与所述机械臂固定连接；所述卷簧的一端与所述柔性关节盖连接，另一端与所述柔性关节座连接；所述驱动电机固定设置在所述安装架上，并与所述柔性关节盖传动连接，用于驱动所述柔性关节盖转动；本发明能够在降低关节刚度系数，提升缓冲性能的同时，避免轴晃。

Description

一种单连杆柔性关节机械臂系统

技术领域

本发明涉及机械臂领域，尤其涉及一种单连杆柔性关节机械臂系统。

背景技术

机械臂是一类能够拟人手臂、手腕和手工作的机电一体化装置。该类机械系统通常由基座、串联的关节与连杆组成，可把任意物件按空间位姿的时变要求进行移动，从而完成工业生产的作业要求。传统机械臂一般指具有刚性关节、刚性连杆的刚性机械臂，当前的机械臂通常为刚性机械臂。随着社会生产不断扩大，一些具有缓冲防护、载荷比低、人机安全性高、柔顺等性能的柔性关节机械臂需求增加。

在部分现有技术中，机械臂的缓冲防护是通过关节之间的间隙以及连接筋的弯曲实现预期弯曲姿态，也有部分论文记载了一些机械臂在关节处采用包括柔性齿轮与柔性轴承在内的谐波减速器，但是在上述现有技术中，依然存在关节刚度系数大和缓冲范围小的弊端，不适用于机械臂在刚性移动过程中的有效防护效果，缓冲效果不理想，人机安全性较差，对应用在柔软、易碎的操作对象以及操作环境中，容易因操作不当对物品造成损坏，难以满足机械臂在不同场景中的使用需求。

发明内容

本发明旨在提出一种单连杆柔性关节机械臂系统，能够在降低关节刚度系数，提升缓冲性能的同时，避免轴晃。

本发明提供一种单连杆柔性关节机械臂系统，包括：安装架、驱动电机、柔性关节组件和机械臂；

所述柔性关节组件包括柔性关节盖、卷簧、柔性关节座和螺栓轴承；所述柔性关节盖的顶部设置有安置槽；所述螺栓轴承的轴承部固定设置在所述安置槽内，螺栓部与所述机械臂固定连接；所述柔性关节座与所述机械臂固定连接；所述卷簧的一端与所述柔性关节盖连接，另一端与所述柔性关节座连接；

所述驱动电机固定设置在所述安装架上，并与所述柔性关节盖传动连接，用于驱动所述柔性关节盖转动。

进一步地，所述柔性关节盖的顶部设置有连接座；所述安置槽设置在所述连接座的顶部；所述连接座的侧壁上设置有第一插槽；所述柔性关节座为底部开口的中空结构，所述柔性关节座的侧壁上设置有第二插槽；所述卷簧套设在所述连接座的外侧；所述柔性关节座罩设在所述连接座的外侧；所述卷簧的一端固定设置在所述第一插槽内，另一端固定设置在所述第二插槽内。

进一步地，所述单连杆柔性关节机械臂系统还包括固定组件，用于与外部机构固定连接；所述固定组件与所述安装架固定连接。

进一步地，所述固定组件包括固定架、紧固螺栓和夹持块；

所述固定架呈“C”型，所述固定架与所述安装架固定连接；

所述紧固螺栓贯穿设置在所述固定架上，并与所述固定架螺纹连接；

所述夹持块设置在所述紧固螺栓的一端，且位于所述固定架内，用于与所述外部机构抵接；所述夹持块和所述固定架上与所述夹持块相对设置的侧壁配合，用于将所述固定组件夹持固定在所述外部机构上。

进一步地，所述单连杆柔性关节机械臂系统还包括连接法兰；所述机械臂、所述连接法兰和所述柔性关节座通过第一螺栓固定连接；所述螺栓轴承的螺栓部的一端贯穿所述连接法兰，并设置有锁紧螺母，使得所述机械臂通过所述连接法兰与所述螺栓轴承的螺栓部固定连接。

进一步地，所述单连杆柔性关节机械臂系统还包括编码器；

所述编码器设置在所述安装架上，并与所述机械臂传动连接。

进一步地，所述单连杆柔性关节机械臂系统还包括稳固组件；所述稳固组件包括回转支承、法兰联轴器和第一联轴器；

所述回转支承的外圈与所述安装架固定连接；

所述法兰联轴器的法兰盘位于所述回转支承的底部，所述法兰联轴器的短轴穿设在所述回转支承内，并通过所述第一联轴器与所述编码器的输入轴传动连接；

所述机械臂位于所述法兰联轴器的下方；所述机械臂、所述法兰联轴器的法兰盘和所述回转支承的内圈固定连接。

进一步地，所述单连杆柔性关节机械臂系统还包括垫圈；所述机械臂、所述法兰联轴器的法兰盘和所述回转支承的内圈通过第一螺栓固定连接；所述垫圈设置在所述法兰联轴器与所述机械臂之间。

进一步地，所述单连杆柔性关节机械臂系统还包括控制器、I/O板卡和电机驱动器；

所述控制器通过所述I/O板卡分别与所述电机驱动器和所述编码器电性连接；所述电机驱动器与所述驱动电机电性连接。

本发明还提出一种根据上述单连杆柔性关节机械臂系统的控制方法，包括如下步骤：

根据预设运动角度驱动所述机械臂转动；

获取所述机械臂的实际运动角度；

比较所述实际运动角度与所述预设运动角度的大小；当所述实际运动角度与所述预设运动角度差值的绝对值小于或者等于预设误差阈值时，停止驱动所述机械臂转动。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明实施例中的单连杆柔性关节机械臂系统包括：安装架、驱动电机、柔性关节组件和机械臂；其中，所述柔性关节组件包括柔性关节盖、卷簧、柔性关节座和螺栓轴承，所述柔性关节盖的顶部设置有安置槽，所述螺栓轴承的轴承部固定设置在所述安置槽内，螺栓部与所述机械臂固定连接，所述柔性关节座与所述机械臂固定连接，所述卷簧的一端与所述柔性关节盖连接，另一端与所述柔性关节座连接，所述驱动电机固定设置在所述安装架上，并与所述柔性关节盖传动连接，用于驱动所述柔性关节盖转动；本发明通过在柔性关节盖的顶部设置用于安装所述螺栓轴承的安置槽，将螺栓轴承的轴承部固定设置在所述安置槽内，将螺栓轴承的螺栓部与所述机械臂固定连接，使得所述柔性关节盖与所述柔性关节座同轴设置，且能相对转动，避免所述柔性关节座相对所述柔性关节盖晃动，同时，将所述卷簧的一端与所述柔性关节盖连接，另一端与所述柔性关节座连接，能够有效地降低所述柔性关节组件的刚度系数，提升缓冲性能，从而提升人机安全性能；因此，本发明能够在降低关节刚度系数，提升缓冲性能的同时，避免轴晃。

附图说明

图1为本发明某一实施例中单连杆柔性关节机械臂系统的立体结构示意图；

图2为图1中单连杆柔性关节机械臂系统的侧视图；

图3为图1中单连杆柔性关节机械臂系统的主视图；

图4为图1中柔性关节组件5、法兰盘6和转杆7的组合结构示意图；

图5为图1中柔性关节组件5、法兰盘6、转杆7、稳固组件8、固定座9和编码器10的组合结构示意图；

图6为图5中法兰联轴器82的立体结构示意图；

图7为图1中安装架1、柔性关节组件5、法兰盘6、转杆7、稳固组件8、固定座9和编码器10的组合结构示意图；

图8为图1中柔性关节组件5、转杆7、稳固组件8、固定座9和编码器10的组合结构示意图；

图9为本发明某一实施例中单连杆柔性关节机械臂系统的第一种安装状态的结构示意图；

图10为本发明某一实施例中单连杆柔性关节机械臂系统的第二种安装状态的结构示意图；

图11为本发明某一实施例中单连杆柔性关节机械臂系统的电路示意图；

图中：1、安装架；2、电机支撑架；3、驱动电机；4、固定组件；41、固定架；42、紧固螺栓；43、夹持块；5、柔性关节组件；51、柔性关节盖；52、连接座；53、第一插槽；54、安置槽；55、卷簧；56、第二插槽；57、柔性关节座；58、螺栓轴承；6、连接法兰；7、机械臂；8、稳固组件；81、回转支承；82、法兰联轴器；83、短轴；84、第一联轴器；9、固定座；10、编码器；11、工作台；12、第二螺栓；13、垫圈；14、第一螺栓；15、锁紧螺母；16、第二联轴器；17、控制器；18、I/O板卡；19、电机驱动器。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

请参考图1至图8，本发明的实施例提供了一种单连杆柔性关节机械臂系统，包括：安装架1、驱动电机3、柔性关节组件5和机械臂7；

柔性关节组件5包括柔性关节盖51、卷簧55、柔性关节座57和螺栓轴承58；柔性关节盖51的顶部设置有安置槽54；螺栓轴承58的轴承部固定设置在安置槽54内，螺栓部与机械臂7固定连接；柔性关节座57与机械臂7固定连接；卷簧55的一端与柔性关节盖51连接，另一端与柔性关节座57连接；

驱动电机3通过电机支撑架2固定设置在安装架1上，并通过第二联轴器16与柔性关节盖51传动连接，用于驱动柔性关节盖51转动；由于柔性关节盖51通过卷簧55与柔性关节座57传动连接，因此驱动电机3可以通过柔性关节盖51、卷簧55和柔性关节座57驱动机械臂7转动。

示例性地，在本实施例中，驱动电机3采用松下A系列电机。

需要说明的是，螺栓轴承58为现有技术，包括螺栓部和轴承部；所述螺栓部与所述轴承部中的内圈固定连接，使得所述螺栓部能够与所述轴承部的外圈之间相对转动。

本实施例中的单连杆柔性关节机械臂系统通过在柔性关节盖51的顶部设置用于安装螺栓轴承58的安置槽54，将螺栓轴承58的轴承部固定设置在安置槽54内，将螺栓轴承58的螺栓部与机械臂7固定连接，使得柔性关节盖51与柔性关节座57同轴设置，且能相对转动，避免柔性关节座57相对柔性关节盖51晃动，同时，将卷簧55的一端与柔性关节盖51连接，另一端与柔性关节座57连接，能够有效地降低柔性关节组件5的刚度系数，提升缓冲性能，从而提升人机安全性能；因此，本实施例中的单连杆柔性关节机械臂系统能够在降低关节刚度系数，提升缓冲性能的同时，避免轴晃。

具体地，在本实施例中，柔性关节盖51的顶部设置有连接座52；安置槽54设置在连接座52的顶部；连接座52的侧壁上设置有第一插槽53；柔性关节座57为底部开口的中空结构，柔性关节座57的侧壁上设置有第二插槽56；卷簧55套设在连接座52的外侧；柔性关节座57罩设在连接座52的外侧；卷簧55的一端固定设置在第一插槽53内，另一端固定设置在第二插槽56内。

参考图1，为了方便将所述单连杆柔性关节机械臂系统固定在外部机构上，所述单连杆柔性关节机械臂系统还包括固定组件4，用于与所述外部机构固定连接；固定组件4与安装架1固定连接。

具体地，在本实施例中，固定组件4包括固定架41、紧固螺栓42和夹持块43；

固定架41呈“C”型，固定架41与安装架1固定连接；

紧固螺栓42贯穿设置在固定架41上，并与固定架41螺纹连接；

夹持块43设置在紧固螺栓42的一端，且位于固定架41内，用于与所述外部机构抵接；夹持块43和固定架41上与夹持块43相对设置的侧壁配合，用于将固定组件4夹持固定在所述外部机构上；示例性地，在本实施例中，所述外部机构为工作台；需要将所述单连杆柔性关节机械臂系统固定在所述工作台上时，拧松紧固螺栓42，然后移动固定组件4，使得所述工作台的夹持部位位于夹持块43与固定架41之间，再拧紧紧固螺栓42，使得夹持块43与所述工作台的夹持部位抵接，实现固定组件4与所述工作台的夹持固定。

示例性地，在本实施例中，紧固螺栓42的另一端还设置有把手，用于方便旋转紧固螺栓42。

参考图4，在本实施例中，所述单连杆柔性关节机械臂系统还包括连接法兰6；机械臂7、连接法兰6和柔性关节座57通过第一螺栓14固定连接；螺栓轴承58的螺栓部的一端贯穿连接法兰6，并设置有锁紧螺母15，使得机械臂7通过连接法兰6与螺栓轴承58的螺栓部固定连接；柔性关节盖51、螺栓轴承58和柔性关节座57同轴设置，且柔性关节盖51与柔性关节座57可以相对转动，由于柔性关节盖51和柔性关节座57分别与螺栓轴承58中轴承部的外圈和螺栓部固定连接，使得柔性关节盖51和柔性关节座57可以相对转动，且不会产生相对晃动。

为了采集机械臂7的ABZ信号，所述单连杆柔性关节机械臂系统还包括编码器10；

编码器10通过固定座9设置在安装架1上，并与机械臂7传动连接，用于采集机械臂7的ABZ信号；编码器10将ABZ信号通过I/O卡板传送控制器，经控制器处理可变为位置信号和速度信息，从而可以得到机械臂7的实际运动角度。

具体地，参考图5至图7，所述单连杆柔性关节机械臂系统还包括稳固组件8；稳固组件8包括回转支承81、法兰联轴器82和第一联轴器84；

回转支承81的外圈与安装架1固定连接；

法兰联轴器82的法兰盘位于回转支承81的底部，法兰联轴器82的短轴83穿设在回转支承81内，并通过第一联轴器84与编码器10的输入轴传动连接；

机械臂7位于法兰联轴器82的下方；机械臂7、法兰联轴器82的法兰盘和回转支承81的内圈固定连接；通过设置稳固组件8可以保证机械臂7移动的可靠性，使其在不同使用方向上均具有稳定的运动效果。

在本实施例中，所述单连杆柔性关节机械臂系统还包括垫圈13；机械臂7、法兰联轴器82的法兰盘和回转支承81的内圈通过第二螺栓12固定连接；垫圈13设置在法兰联轴器82与机械臂7之间。

参考图11，在本实施例中，所述单连杆柔性关节机械臂系统还包括控制器17、I/O板卡18和电机驱动器19；

控制器17通过I/O板卡18分别与电机驱动器19和编码器10电性连接。

图9和图10为本实施例中单连杆柔性关节机械臂系统的两种安装状态参考示意图；其中，图9中机械臂7所在的平面与工作台11平行，图10中机械臂7所在的平面与工作台11垂直，一种是针对垂直机械臂的，另一种是针对平面机械臂的，其安装架1可以根据使用需求选用垂直或平面系统的结构构造，且针对不同安装架1构造的控制方法有所差别。

本实施例中单连杆柔性关节机械臂系统的控制方法，包括如下步骤：

根据预设运动角度驱动机械臂7转动。

具体地，在此步骤中，控制器17将机械臂7的预设运动角度发送至电机驱动器19；电机驱动器19接收并根据所述预设运动角度控制驱动电机3驱动机械臂7转动。

获取机械臂7的实际运动角度；

具体地，编码器10采集机械臂7的ABZ信号，并将ABZ信号通过I/O卡板传送控制器17，经控制器17处理可变为位置信号和速度信息，从而得到机械臂7的实际运动角度。

比较所述实际运动角度与所述预设运动角度的大小；当所述实际运动角度与所述预设运动角度差值的绝对值小于或者等于预设误差阈值时，停止驱动机械臂7转动；

具体地，控制器17比较所述实际运动角度与所述预设运动角度的大小；当所述实际运动角度与所述预设运动角度差值的绝对值小于或者等于预设误差阈值时，驱动电机3停止驱动机械臂7运动；反之，根据所述预设运动角度继续驱动机械臂7转动。

通过上述方法能够实现机械臂7转动角度的精确控制；同时，本实施例中的单连杆柔性关节机械臂系统支持转矩模式、速度模式、位置模式，且可用Matlab/simulink进行控制实验，通过采用卷簧55作为柔性关节的柔性机械臂，用于一些对人机安全性有较高要求的应用环境，可避免对柔软、易碎的操作对象的操作损害，也可被用作机电一体化教学用具。

以上未涉及之处，适用于现有技术。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种单连杆柔性关节机械臂系统，其特征在于，包括：安装架、驱动电机、柔性关节组件和机械臂；

所述柔性关节组件包括柔性关节盖、卷簧、柔性关节座和螺栓轴承；所述柔性关节盖的顶部设置有连接座，所述连接座的顶部设有安置槽；所述螺栓轴承的轴承部固定设置在所述安置槽内，螺栓部与所述机械臂固定连接；所述柔性关节座为底部开口的中空结构，所述柔性关节座与所述机械臂固定连接；所述卷簧套设在所述连接座的外侧，所述柔性关节座罩设在所述连接座的外侧，所述卷簧的一端与所述柔性关节盖连接，另一端与所述柔性关节座连接，其中：所述连接座的侧壁上设置有第一插槽；所述柔性关节座的侧壁上设置有第二插槽；所述卷簧的一端固定设置在所述第一插槽内，另一端固定设置在所述第二插槽内；

所述驱动电机固定设置在所述安装架上，并与所述柔性关节盖传动连接，用于驱动所述柔性关节盖转动。

2.根据权利要求1所述的单连杆柔性关节机械臂系统，其特征在于，还包括固定组件，用于与外部机构固定连接；所述固定组件与所述安装架固定连接。

3.根据权利要求2所述的单连杆柔性关节机械臂系统，其特征在于，所述固定组件包括固定架、紧固螺栓和夹持块；

所述固定架呈“C”型，所述固定架与所述安装架固定连接；

所述紧固螺栓贯穿设置在所述固定架上，并与所述固定架螺纹连接；

所述夹持块设置在所述紧固螺栓的一端，且位于所述固定架内，用于与所述外部机构抵接；所述夹持块和所述固定架上与所述夹持块相对设置的侧壁配合，用于将所述固定组件夹持固定在所述外部机构上。

4.根据权利要求1所述的单连杆柔性关节机械臂系统，其特征在于，还包括连接法兰；所述机械臂、所述连接法兰和所述柔性关节座通过第一螺栓固定连接；所述螺栓轴承的螺栓部的一端贯穿所述连接法兰，并设置有锁紧螺母，使得所述机械臂通过所述连接法兰与所述螺栓轴承的螺栓部固定连接。

5.根据权利要求1所述的单连杆柔性关节机械臂系统，其特征在于，还包括编码器；

所述编码器设置在所述安装架上，并与所述机械臂传动连接。

6.根据权利要求5所述的单连杆柔性关节机械臂系统，其特征在于，还包括稳固组件；所述稳固组件包括回转支承、法兰联轴器和第一联轴器；

所述回转支承的外圈与所述安装架固定连接；

所述法兰联轴器的法兰盘位于所述回转支承的底部，所述法兰联轴器的短轴穿设在所述回转支承内，并通过所述第一联轴器与所述编码器的输入轴传动连接；

所述机械臂位于所述法兰联轴器的下方；所述机械臂、所述法兰联轴器的法兰盘和所述回转支承的内圈固定连接。

7.根据权利要求6所述的单连杆柔性关节机械臂系统，其特征在于，还包括垫圈；所述机械臂、所述法兰联轴器的法兰盘和所述回转支承的内圈通过第一螺栓固定连接；所述垫圈设置在所述法兰联轴器与所述机械臂之间。

8.根据权利要求5-7任意一项所述的单连杆柔性关节机械臂系统，其特征在于，还包括控制器、I/O 板卡和电机驱动器；

所述控制器通过所述I/O 板卡分别与所述电机驱动器和所述编码器电性连接；所述电机驱动器与所述驱动电机电性连接。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的单连杆柔性关节机械臂系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据预设运动角度驱动所述机械臂转动；

获取所述机械臂的实际运动角度；

比较所述实际运动角度与所述预设运动角度的大小；当所述实际运动角度与所述预设运动角度差值的绝对值小于或者等于预设误差阈值时，停止驱动所述机械臂转动。