CN204487596U - 基于双斜面偏转关节的新型机械臂 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于双斜面偏转关节的新型机械臂，采用双斜面偏转关节替代机械臂中部分或全部的单自由度旋转关节，该机械臂的末端配以机械手爪；双斜面偏转关节包括近端安装座、近端电机、近端主动齿轮、近端内齿轮、近端旋转斜盘、万向节、远端旋转斜盘、远端内齿轮、远端主动齿轮、远端电机、远端安装座等。该双斜面偏转关节采用双电机驱动两个耦合斜面差动来完成一个圆锥体内的两自由度运动，关节的运动由两个电机共同提供，提高了关节的功率密度；同时关节的运动可以在电机处于高速连续状态下进行调节，从而能够实现关节的快速动作。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种机械臂，尤其涉及一种基于双斜面偏转关节的新型机械臂。
背景技术
机械臂作为工业机器人的典型代表，经过几十年的发展，在汽车制造、农业、医疗救援、军事和空间探索等众多领域得到了广泛的应用，生产商包括国外的KUKA、ABB、YASKAWA、NACHI、FANUC和国内的新松等；近年来，通过搭载视觉传感器，ABB、YASKAWA，NACHI、EPSON和Universal Robots等公司推出了双臂机器人，已完成工件装配、服务等复杂的任务。
现有技术中，多自由度机械臂的研究大都集中在如何通过对控制的优化设计以及新技术的应用来提高机械臂的性能和应用范围，对机械臂的基本结构关注的较少，多采用的是单自由度旋转关节或移动关节串联而成，在完成特定轨迹的工作时，只有一部分电机进行有用功输出，机械臂的实际有效功率远小于各个关节的功率总和；机械臂运动过程中，单自由度旋转关节往往不断进行转动方向切换，电机启停和换向频繁，无法保持在额定转速运动的理想状态和充分利用电机的高速特性。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种关节的功率密度高、运动速度快、调节灵活的基于双斜面偏转关节的新型机械臂。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
本实用新型的基于双斜面偏转关节的新型机械臂，包括至少一个双斜面偏转关节，该机械臂的末端配以机械手爪；
所述的双斜面偏转关节包括近端安装座、近端电机、近端主动齿轮、近端内齿轮、近端旋转斜盘、万向节、远端旋转斜盘、远端内齿轮、远端主动齿轮、远端电机、远端安装座；
所述近端电机安装于近端安装座上，所述近端主动齿轮安装于近端电机的输出轴之上并与近端内齿轮啮合，所述近端内齿轮与所述近端旋转斜盘连接，所述近端旋转斜盘通过近端轴承安装于所述近端安装座之上，并与所述远端旋转斜盘通过斜面轴承连接；
所述远端旋转斜盘通过远端轴承安装于所述远端安装座之上，所述远端旋转斜盘通过与其固定的远端内齿轮与所述远端主动齿轮啮合，所述远端主动齿轮安装于所述远端电机的输出轴之上，所述远端电机安装于所述远端安装座上，所述万向节两端分别安装于所述近端安装座和远端安装座上。
由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的基于双斜面偏转关节的新型机械臂，由于采用双斜面偏转关节替代机械臂中部分或全部的单自由度旋转关节，该双斜面偏转关节采用双电机驱动两个耦合斜面差动来完成一个圆锥体内的两自由度运动，关节的运动由两个电机共同提供，提高了关节的功率密度；同时关节的运动可以在电机处于高速连续状态下进行调节，从而能够实现关节的快速动作。
附图说明
图1a、1b、1c、1d、1e分别为本实用新型的基于双斜面偏转关节的新型机械臂不同实施例的关节布置示意图，双斜面偏转关节和单自由度旋转关节按一定规律串联排布；
图1f为本实用新型实施例提供的基于双斜面偏转关节的新型机械臂此机械手的应用前景框图；
图2a、图2b分别为本实用新型实施例中的双斜面偏转关节的装配结构示意图和拆分状态示意图；
图3为本实用新型实施例的一种六自由度机械臂的结构示意图。其中，箭头所示为关节的位置和运动方向；
图4为本实用新型实施例的一种双臂机器人的结构示意图。其中，由两个具有5自由度的单臂模块，辅以基座上四个单自由度旋转关节共同构成；
图5a为本实用新型实施例中偏转关节的运动学变换过程的方位角和偏转角示意图；
图5b和图5c为本实用新型实施例中偏转关节的运动学变换过程的旋转变换过程示意图；
图6为本实用新型实施例中对应到单臂求解变换矩阵过程框图，对双臂来说同样如此。求解得到了正解和逆解之后，便可对其做运动规划和控制；
图7为本实用新型实施例中机械臂控制结构通过以上求解得到的正运动学和逆运动学解设计整个控制过程框图。对机械臂路径规划，一步步对其进行优化，通过反馈进行误差控制。
图中：
1、单自由度旋转关节，2、双斜面偏转关节，3、近端电机、4、近端主动齿轮，5、近端安装座，6、近端内齿轮固定螺钉，7、近端内齿轮，8、近端旋转斜盘，9、万向节，10、斜面轴承，11、远端旋转斜盘，12、远端主动齿轮，13、远端内齿轮固定螺钉，14、远端电机，15、远端电机固定螺钉，16、远端安装座，17、远端内齿轮，18、远端轴承，19、远端万向节安装销，20为、近端万向节安装销，21、近端轴承，22、近端电机固定螺钉，23、机械臂底座，24、机械手爪。
具体实施方式
下面将对本实用新型实施例作进一步地详细描述。
本实用新型的基于双斜面偏转关节的新型机械臂，其较佳的具体实施方式是：
包括至少一个双斜面偏转关节，该机械臂的末端配以机械手爪；
所述的双斜面偏转关节包括近端安装座、近端电机、近端主动齿轮、近端内齿轮、近端旋转斜盘、万向节、远端旋转斜盘、远端内齿轮、远端主动齿轮、远端电机、远端安装座；
所述近端电机安装于近端安装座上，所述近端主动齿轮安装于近端电机的输出轴之上并与近端内齿轮啮合，所述近端内齿轮与所述近端旋转斜盘连接，所述近端旋转斜盘通过近端轴承安装于所述近端安装座之上，并与所述远端旋转斜盘通过斜面轴承连接；
所述远端旋转斜盘通过远端轴承安装于所述远端安装座之上，所述远端旋转斜盘通过与其固定的远端内齿轮与所述远端主动齿轮啮合，所述远端主动齿轮安装于所述远端电机的输出轴之上，所述远端电机安装于所述远端安装座上，所述万向节两端分别安装于所述近端安装座和远端安装座上。
该机械臂由至少一个双斜面偏转关节和至少一个单自由度旋转关节串联组成，或者全部由多个双斜面偏转关节串联组成。
该机械臂的前端安装于机械臂底座之上，或安装于机器人的肩膀上。
本实用新型的基于双斜面偏转关节的新型机械臂，针对现有基于单自由度旋转关节的机械臂普遍存在负重-自重比低、关节模块功率密度低、运动速度低的缺陷，采用双斜面偏转关节替代机械臂中部分或全部的单自由度旋转关节，该双斜面偏转关节采用双电机驱动两个耦合斜面差动来完成一个圆锥体内的两自由度运动，关节的运动由两个电机共同提供，提高了关节的功率密度；同时关节的运动可以在电机处于高速连续状态下进行调节，从而能够实现关节的快速动作。
这种双斜面偏转关节可在一个圆锥体空间内实现快速的双自由度运动，通过将双斜面偏转关节和单自由度旋转关节的有机组合，可实现快速运动的新型多自由度机械臂。
本实用新型原理是：
本实用新型主要包含双斜面偏转关节和单自由度旋转关节串联组成的机械臂，通过双斜面偏转关节的两个电机转速的调控，实现双斜面偏转关节的快速双自由度偏转运动；同时双斜面偏转关节的运动由两个电机共同驱动，实现双电机功率耦合输出，提高关节的功率密度。
本实用新型中的双斜面偏转关节的动态工作过程如下：
如图1至图7所示，近端电机(3)旋转近端主动齿轮(5)，通过齿轮啮合将转动传递给近端旋转斜盘(8)；远端电机(14)旋转远端主动齿轮(12)，通过齿轮啮合转动远端旋转斜盘(11)；万向节(9)两端分别固定于近端安装座(5)和远端安装座(16)上，防止远端安装座(16)绕其中心轴旋转；当近端电机(3)和远端电机(14)转速相同时，近端旋转斜盘(8)和远端旋转斜盘(11)相对静止，共同绕近端安装座转动，若二者回转中心线同轴，则远端安装座(16)静止，若二者回转中心线不同轴，则远端安装座(16)回转中心线沿着圆锥面绕近端安装座(5)回转中心线旋转；当近端电机(3)和远端电机(14)转速大小相同方向相反，近端旋转斜盘(8)和远端旋转斜盘(11)通过斜面轴承沿斜面中心发现旋转移动，远端安装座(16)轴线沿着剖面来回摆动；通过对近端电机(3)和远端电机(14)的转速调整，可以实现远端安装座(16)的任意摆动和旋转运动，从而在一个圆锥体工作空间内实现任意两自由度运动。
本实用新型的运动学解、控制及路径规划：本实用新型的运动学解主要由偏转关节和单自由度旋转关节共同构成，这里只要算出偏转关节的变换矩阵即可，然后将整条臂上这两种关节变换矩阵连乘便得到末端机械抓手相对于基座的变换矩阵。偏转关节中近端安装座(5)和远端安装座(16)之间采用万向节(9)连接，而万向节只发生偏转运动无旋转运动。固连于远端安装座(16)的动坐标系Ox3y3z3相对于近端安装座(5)的参考坐标系Ox0y0z0只发生z轴的全向偏转运动，不发生绕z轴的滚转运动。其偏转运动的方位角θ和偏转角如附图5(a)所示。方位角θ即远端安装座轴向于近端安装座之间的夹角，偏转角即远端安装座轴向在近端安装座x0y0面上投影与x0之间的夹角。固连于近端旋转斜盘(8)的动坐标系Ox1y1z1和远端旋转斜盘(11)的动坐标系Ox2y2z2沿着接触面旋转。根据叠加原理，两个旋转斜盘的同时转动等价于两个斜盘依次转动相叠加，如附图5(b)和5(c)所示。初始位置为首先另φ1＝0,φ2≠0，远端旋转斜盘绕远端安装座转动φ2得到新坐标系Ox2ay2az2a，再转动φb得到新坐标系Ox2by2bz2b，而z2d与z0,1重合，整个变换相当于绕k轴(旋转斜盘接触面回转中心轴k＝[0 sψ cψ]T)转动φ2+φb，由初始位置可得φ2+φb＝π。将φb替换为φ2，得到Ox2by2bz2b相对于Ox2ay2az2a的变换矩阵为。
由于旋转斜盘和安装座的轴向重合，并且在运动过程中保持不变，因此可得到远端安装座z3在近端安装座上的表示。
然后令φ2＝0,φ1≠0，近端旋转斜盘绕近端安装座转动φ1，整个关节运动等价于近端旋转斜盘先固定，远端旋转斜盘绕斜面k轴继续转-φ1，之后，远端旋转斜盘相对于近端旋转斜盘固定共同绕近端安装座转动φ1。整个关节经过φ1和φ2变换之后，得到远端安装座z3在近端安装座上的表示。最后根据方位角和偏转角的定义可得到另外一组方程组。从而可推出双斜面偏转关节正运动学解。
结合以上推出的正运动学解，可得到双斜面偏转关节逆运动学解。对于单臂或者是双臂来说，都是多个关节相互串联而形成的结构，因此，整个结构的变换矩阵可由所有单个关节的变换矩阵依次相乘得到，从而解出正运动学解和逆运动学解，如附图6。
对于机械臂的控制设计，原理框图如附图7所示。通过对机械臂进行轨迹规划，结合整条关节的正解与逆解关系，对关节进行解耦，从而对驱动部件进行控制，通过反馈系统对输入和输出进行误差控制。可以通过增加视觉系统对目标位置进行识别，改进控制方式。
本实用新型与现有技术相比的优点在于：
(1)本实用新型采用双斜面偏转关节作为机械臂的部分或全部关节，双电机同速实现静止或圆锥面旋转，双电机差速实现外摆运动，并且可在任意位置快速实现外摆运动，双电机调速实现任意双自由度运动；该关节结构紧凑，同时利用电机可以一直工作在高速区可实现机械臂的快速动作；此外，双电机功率输出提高了关节的功率密度。
(2)本实用新型的双斜面偏转关节模块化设计，通过与单自由度旋转关节串联排布安装或单独使用，可实现较大工作范围和较高运动速度的统一，并且整个电气控制系统都集成在模块内部，外部没有任何容易出错或者容易产生干扰的电源线等，整个关节可以很好的密封起来，这将有利于在操作环境要求较高的地方应用。例如将整条机械臂全部使用这种双斜面偏转关节，这样的话，对于关节来说没有轴向转动，但仍能很好的保持一定的工作空间，并且整条机械臂就可以用波纹管进行外部密封，机械臂运动过程中不会破坏波纹管，同时也不影响工作性能，机械臂的整体结构较为完整，没有任何中断。由这种双斜面关节组装成的机械手将有着很大的应用前景，除了可用在工业生产活动中，还可用于医药、核安全和食品等零污染或对此要求特别高的领域，同时也可以用于水下，例如现在主要依靠人类来进行水下采样等活动，对于一些较为恶劣的环境下，人类便难以到达，而这种机械手便可以解决这类问题，而不用担心机械臂的密封问题。如附图1所示。
(3)本实用新型的双斜面关节耦合了两个自由度，应用在机械臂或者是其他多自由度机器上，可以很大程度上缩小整体结构尺寸，同时保证工作范围。
具体实施例：
如图1所示，本实用新型的机械臂由单自由度旋转关节(1)和双斜面偏转关节(2)以一定的顺序串联安装组成；单自由度旋转关节采用一个电机直接驱动关节旋转，可实现大范围的工作空间；双斜面偏转关节采用两个电机驱动双斜面耦合运动，可实现关节的快速双自由度运动。
图2表示双斜面偏转关节的实施方案，其有对称布置的两个驱动部分组成，通过万向节进行连接轴向约束；近端电机(3)固定于近端安装座(5)上，近端主动齿轮(4)固定于近端电机(3)的输出轴之上，与近端内齿轮(7)形成齿轮啮合关系，进而转动近端旋转斜盘(8)，近端旋转斜盘(8)通过近端轴承(21)与近端安装座(5)形成转动关系；远端电机(14)固定于远端安装座(16)上，远端主动齿轮(12)固定于远端电机(14)的输出轴之上，与远端内齿轮(12)形成齿轮啮合关系，进而转动远端旋转斜盘(11)，远端旋转斜盘(11)通过远端轴承(18)与远端安装座(16)形成转动关系；近端旋转斜盘(8)和远端旋转斜盘(11)通过斜面轴承(10)形成转动关系，万向节(9)分别与近端安装座(5)和远端安装座(16)固定，其铰接中心位于斜面旋转中心。
图3表示一种六自由度单臂的设计方案，靠近底座处采用一个旋转轴与机械臂轴对称的单自由度关节，中间串联两个双斜面偏转关节，靠近执行末端采用旋转轴与机械臂同轴的旋转关节，末端采用机械手爪抓取物体。
图4表示一种14自由度双臂机器人的设计方案，各个臂分别通过两个单自由度关节串联在机器人基座上，而各个单臂中间串联两个双斜面偏转关节，靠近执行器末端采用旋转轴与机械臂同轴的旋转关节，同样末端接上机械手抓取物体。
总之，本实用新型采用双斜面偏转关节作为机械臂的部分关节，与单自由度旋转关节串联组成机械臂，利用双电机的转速变化实现关节快速运动，同时利用单自由度旋转关节实现大范围工作空间。
本实用新型未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式仅限于此，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (3)
1.一种基于双斜面偏转关节的新型机械臂，其特征在于，包括至少一个双斜面偏转关节(2)，该机械臂的末端配以机械手爪(24)；
所述的双斜面偏转关节包括近端安装座(5)、近端电机(3)、近端主动齿轮(4)、近端内齿轮(7)、近端旋转斜盘(8)、万向节(9)、远端旋转斜盘(11)、远端内齿轮(17)、远端主动齿轮(12)、远端电机(14)、远端安装座(16)；
所述近端电机(3)安装于近端安装座(5)上，所述近端主动齿轮(4)安装于近端电机(3)的输出轴之上并与近端内齿轮(7)啮合，所述近端内齿轮(7)与所述近端旋转斜盘(8)连接，所述近端旋转斜盘(8)通过近端轴承(21)安装于所述近端安装座(5)之上，并与所述远端旋转斜盘(11)通过斜面轴承(10)连接；
所述远端旋转斜盘(11)通过远端轴承(18)安装于所述远端安装座(16)之上，所述远端旋转斜盘(11)通过与其固定的远端内齿轮(17)与所述远端主动齿轮(12)啮合，所述远端主动齿轮(12)安装于所述远端电机(14)的输出轴之上，所述远端电机(14)安装于所述远端安装座(16)上，所述万向节(9)两端分别安装于所述近端安装座(5)和远端安装座(16)上。
2.根据权利要求1所述的基于双斜面偏转关节的新型机械臂，其特征在于，该机械臂由至少一个双斜面偏转关节和至少一个单自由度旋转关节串联组成，或者全部由多个双斜面偏转关节串联组成。
3.根据权利要求1或2所述的基于双斜面偏转关节的新型机械臂，其特征在于，该机械臂的前端安装于机械臂底座(23)之上，或安装于机器人的肩膀上。
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