CN207841317U - 一种用于抓取的四自由度机械臂装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于抓取的四自由度机械臂装置，属于自动化控制领域。包括底盘旋转模组、升降模组和末端执行器模组；升降模组设置在底盘旋转模组上，末端执行器模组设置在升降模组上，所述底盘旋转模组可以完成90度的旋转，所述升降模组可以完成二级升降，升降高度最高为2.2米，所述末端执行器模组可以完成0.75米内的物品抓取，抓取负重可达5kg。该四自由度机械臂装置用于形成动作的电机均为步进电机，动作速度较快。在关键部位采用齿轮齿条组件、滑轨滑块组件、滚轮组件极大程度上降低了工作噪音，提高了动作精度。同时，该四自由度机械臂装置较为合理的动作参数，使该机械臂具有较好的通用性。

Description

一种用于抓取的四自由度机械臂装置

技术领域

本实用新型涉及自动化控制中的机械臂，具体涉及一种用于抓取的四自由度机械臂装置。

背景技术

机械臂主要是由类似人的手和臂组成了一种自动化设备，代替人的繁重劳动，以实现生产的机械化和自动化，被广泛的应用于机械制造、冶金、电子、轻工等行业。但是传统机械臂大多数局限于工作场景，无法适用于货架场景的抓取，这对仓储、物流、电商行业来说有较大的改装风险和改装难度。

实用新型内容

针对于上述现有技术的不足，提供一种用于抓取的四自由度机械臂装置，以解决现有技术中在货架场景保持快速、稳定的货物抓取问题。

本实用新型的技术解决方案是：一种用于抓取的四自由度机械臂装置，包括底盘旋转模组、升降模组和末端执行器模组，所述升降模组包括第一立柱、第二立柱、第三立柱、滚轮结构、第一导轨滑块机构、第一齿轮齿条传动机构、第二导轨滑块机构、第二齿轮齿条传动机构，所述第一立柱的下端固定在立柱基座上，第二立柱套在第一立柱外，通过第一导轨滑块机构相配合，通过第一齿轮齿条传动机构实现第二立柱沿第一立柱上下移动；第三立柱套在第二立柱外，通过第二导轨滑块机构相配合，通过第二齿轮齿条传动机构实现第三立柱沿第二立柱上下移动；第一立柱与第二立柱之间和第二立柱与第三立柱之间均设置滚轮结构；所述末端执行器模组包括托盘基板、升降电机、第一导轨、第一滑块、上三级伸缩执行机构、下三级伸缩执行机构，托盘基板固定在第三立柱上，托盘基板上至少固定两个第一导轨，第一滑块设置在第一导轨上，上三级伸缩执行机构安装在第一滑块上，升降电机驱动第一滑块沿导轨上下移动，下三级伸缩执行机构固定在第一导轨的下端，上三级伸缩执行机构、下三级伸缩执行机构呈镜像布置。

进一步的，所述底盘旋转模组包括底盘支架、立柱基座、轴承座、固定板、转向电机，所述轴承座和转向电机均安装在固定板上，固定板固定在底盘支架上，轴承座内安装有第一转轴，立柱基座固连在第一转轴的上端，转向电机驱动第一转轴转动。

进一步的，所述转向电机的输出轴上安装主动链轮，转轴的下端安装从动链轮，主动链轮和从动链轮之间张紧链条。

进一步的，所述上三级伸缩执行机构和下三级伸缩执行机构结构相同，均包括内板、中板、外板、一对三节轨、双轴电机、法兰、第二转轴，内板固定在一对三节轨的内轨之间，中板固定在一对三节轨的中轨之间，外板固定在一对三节轨的外轨之间，内板上开有滑槽，滑槽的一侧壁上固定有齿条，中板上固定有法兰，双轴电机安装在法兰上，法兰位于滑槽中，双轴电机的一端安装有齿轮，该齿轮与滑槽内的齿条啮合传动，转轴支承在中板上，第二转轴上端安装第一从动同步带轮，第二转轴下端安装齿轮，双轴电机的另一端安装有第一主动同步带轮，第一主动同步带轮和第一从动同步带轮之间安装第一同步带，外板上固定齿条，该齿条与第二转轴上的齿轮啮合传动。

进一步的，所述上三级伸缩执行机构上设置有旋转抓手机构，所述旋转抓手机构包括旋转电机、第二主动同步带轮、第二从动同步带轮、第二同步带、第一前抓手、第二前抓手、第一光轴、第二光轴、第三主动同步带轮、第三从动同步带轮、第三同步带、第一后抓手、第二后抓手，旋转电机安装在外板的端面上，第二主动同步带轮安装在旋转电机的输出轴上，第一光轴和第二光轴平行支承在外板的底面，第一前抓手和第二从动同步带轮固定在第一光轴的一端，第二主动同步带轮和第二从动同步带轮之间安装第二同步带，第三主动同步带轮和第一后抓手均固定在第一光轴的另一端，第三从动同步带轮和第二后抓手均固定在第二光轴的一端，第三主动同步带轮和第三从动同步带轮之间安装第三同步带，第二前抓手固定在第二光轴的另一端，第一前抓手和第二前抓手平行布置，且抓手的朝向相同，第一后抓手和第二后抓手平行布置，且抓手的朝向相同，第一前抓手和第一后抓手的夹角为90度，第二前抓手和第二后抓手的夹角为90度。

进一步的，所述升降电机安装在托盘基板上，升降电机安装主动轮，托盘基板的下部安装有从动轮，主动轮和从动轮之间安装皮带；第二滑块与皮带的固定连接。

进一步的，所述第一立柱外壁的顶端、第二立柱外壁的顶端和末端均固定有纵向限位块。

进一步的，所述滚轮结构包括轮座和枢接在轮座上的滚轮。

进一步的，所述第一导轨滑块机构和第二导轨滑块机构结构相同，均由第二导轨和与第二导轨相配合的第二滑块组成。

进一步的，所述第一齿轮齿条传动机构和第二齿轮齿条传动机构结构相同，均包括齿轮、第一齿条和第一驱动电机，所述齿轮和第一齿条相互啮合，齿轮安装在驱动电机的转轴上，以实现两个物体的相对直线运动。

本实用新型的有益效果：

(一)、本实用新型突破了传统机械臂在货架环境中，无法较为顺畅抓取的设计不足，通过创新设计的二级伸缩末端执行器，可以深入货架0.75米深处，抓取物品。

(二)、本实用新型采用了新型的二级升降结构，可以完成2.2米高度的升降高度，可以完成一般机械臂无法达到的抓取位置。

(三)、本实用新型在升降结构、伸缩结构中加入大量导向结构，提高机械臂在各个运动

方向的运动稳定性，准确性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中底盘旋转模组的结构示意图；

图3为本实用新型中升降模组的结构示意图；

图4-图6为本实用新型中末端执行器模组的轴测结构示意图；

图7为本实用新型中末端执行器模组的主剖结构示意图；

图8为本实用新型中末端执行器模组的侧剖结构示意图；

图9为本实用新型中旋转抓手机构的轴测结构示意图；

图10为本实用新型中旋转抓手机构的仰视图；

图中：底盘旋转模组1、升降模组2、末端执行器模组3、底盘支架101、立柱基座102、轴承座103、固定板104、转向电机105、第一转轴106、主动链轮107、从动链轮108、链条109、第一立柱201、第二立柱202、第三立柱203、滚轮结构204、第二导轨205、第一齿条206、第一驱动电机207、托盘基板301、升降电机302、第一导轨303、第一滑块304、上三级伸缩执行机构305、下三级伸缩执行机构306、内板307、中板308、外板309、三节轨310、双轴电机311、法兰312、第二转轴313、滑槽314、第一从动同步带轮315、齿轮316、第一主动同步带轮317、第一同步带318、第二齿条319、主动轮320、从动轮321、皮带322、旋转电机323、第二主动同步带轮324、第二从动同步带轮325、第二同步带326、第一前抓手327、第二前抓手328、第一光轴329、第二光轴330、第三主动同步带轮331、第三从动同步带轮332、第三同步带333、第一后抓手334、第二后抓手335。

具体实施方式

为了方便本领域技术人员的理解，下面结合实例图与附图对本实用新型作进一步说明，实施方式提及是内容并非对本实用新型的限定。

如图1所示，本实用新型提供的一种用于抓取的四自由度机械臂装置，包括底盘旋转模组1、升降模组2和末端执行器模组3；升降模组2设置在底盘旋转模组1上，末端执行器模组3设置在升降模组2上，所述底盘旋转模组1可以完成90度的旋转，所述升降模组2可以完成二级升降，升降高度最高为2.2米，所述末端执行器模组3可以完成0.75米内的物品抓取，抓取负重可达5kg。

进一步的技术方案是，如图2所示，所述底盘旋转模组1包括底盘支架101、立柱基座102、轴承座103、固定板104、转向电机105、第一转轴106，所述轴承座103和转向电机105均安装在固定板104上，固定板104固定在底盘支架101上，底盘支架101可以根据实际使用场景，做相应的结构变化。轴承座103内安装有第一转轴106，立柱基座102固连在第一转轴106的上端，所述转向电机105的输出轴上安装主动链轮107，第一转轴106的下端安装从动链轮108，主动链轮107和从动链轮108之间张紧链条109。

进一步的技术方案是，如图3所示，所述升降模组2包括第一立柱201、第二立柱202、第三立柱203、滚轮结构204、第一导轨滑块机构、第一齿轮齿条传动机构、第二导轨滑块机构、第二齿轮齿条传动机构，所述第一立柱201的下端固定在立柱基座102上，第二立柱202套在第一立柱201外，通过第一导轨滑块机构相配合，通过第一齿轮齿条传动机构实现第二立柱202沿第一立柱201上下移动；第三立柱203套在第二立柱202外，通过第二导轨滑块机构相配合，通过第二齿轮齿条传动机构实现第三立柱203沿第二立柱202上下移动；第一立柱201与第二立柱202之间和第二立柱202与第三立柱203之间均设置滚轮结构204，所述滚轮结构204包括轮座和枢接在轮座上的滚轮，用于减少滑动摩擦力。

所述第一导轨滑块机构和第二导轨滑块机构结构相同，均由第二导轨205和与第二导轨205相配合的第二滑块组成，提供了纵向的导向作用。

所述第一齿轮齿条传动机构和第二齿轮齿条传动机构结构相同，均包括齿轮、第一齿条206和第一驱动电机207，所述齿轮和第一齿条206相互啮合，齿轮安装在驱动电机207的转轴上，以实现两个物体的相对直线运动。

为了限制三个立柱间的行程，所述第一立柱201外壁的顶端、第二立柱202外壁的顶端和末端均固定有纵向限位块208。

进一步的技术方案是，如图4-8所示，所述末端执行器模组3包括托盘基板301、升降电机302、第一导轨303、第一滑块304、上三级伸缩执行机构305、下三级伸缩执行机构306，托盘基板301固定在第三立柱203上，托盘基板301上固定一对第一导轨303，第一滑块304设置在第一导轨303上，上三级伸缩执行机构305安装在第一滑块304上，升降电机302驱动第一滑块304沿第一导轨303上下移动，下三级伸缩执行机构306固定在第一导轨303的下端，上三级伸缩执行机构305、下三级伸缩执行机构306呈镜像布置，两者之间形成装夹区域。

所述上三级伸缩执行机构305和下三级伸缩执行机构306结构相同，均包括内板307、中板308、外板309、一对三节轨310、双轴电机311、法兰312、第二转轴313，内板307固定在一对三节轨310的内轨之间，中板308固定在一对三节轨310的中轨之间，外板309固定在一对三节轨310的外轨之间，内板307上开有滑槽314，滑槽314的一侧壁上固定有齿条，中板308上固定有法兰312，双轴电机311安装在法兰312上，法兰312位于滑槽314中，双轴电机311的一端安装有齿轮，该齿轮与滑槽314内的齿条啮合传动，第二转轴313支承在中板308上，第二转轴313上端安装第一从动同步带轮315，第二转轴313下端安装齿轮316，双轴电机311的另一端安装有第一主动同步带轮317，第一主动同步带轮317和第一从动同步带轮315之间安装第一同步带318，外板309上固定第二齿条319，该第二齿条319与第二转轴313上的齿轮316啮合传动。

所述升降电机302安装在托盘基板301上，升降电机302安装主动轮320，托盘基板301的下部安装有从动轮321，主动轮320和从动轮321之间安装皮带322；第二滑块304与皮带322的固定连接。

如图9-10所示，所述上三级伸缩执行机构上设置有旋转抓手机构，所述旋转抓手机构包括旋转电机323、第二主动同步带轮324、第二从动同步带轮325、第二同步带326、第一前抓手327、第二前抓手328、第一光轴329、第二光轴330、第三主动同步带轮331、第三从动同步带轮332、第三同步带333、第一后抓手334、第二后抓手335，旋转电机323安装在外板309的端面上，第二主动同步带轮324安装在旋转电机323的输出轴上，第一光轴329和第二光轴330平行支承在外板309的底面，第一前抓手327和第二从动同步带轮325固定在第一光轴329的一端，第二主动同步带轮324和第二从动同步带轮325之间安装第二同步带326，第三主动同步带轮331和第一后抓手334均固定在第一光轴329的另一端，第三从动同步带轮332和第二后抓手335均固定在第二光轴330的一端，第三主动同步带轮331和第三从动同步带轮332之间安装第三同步带333，第二前抓手328固定在第二光轴330的另一端，第一前抓手327和第二前抓手328平行布置，且抓手的朝向相同，第一后抓手334和第二后抓手335平行布置，且抓手的朝向相同，第一前抓手327和第一后抓手334的夹角为90度，第二前抓手328和第二后抓手335的夹角为90度。

该四自由度机械臂装置用于形成动作的电机均为步进电机，动作速度较快。在关键部位采用齿轮齿条机构、滑轨滑块机构、滚轮机构极大程度上降低了工作噪音，提高了动作精度。同时，该四自由度机械臂装置较为合理的动作参数，使该机械臂具有较好的通用性。

固定板104与底盘支架101之间、第一立柱201与立柱基座102之间、托盘基板301与第三立柱203之间均通过螺栓螺母固定，并通过限位孔和限位块减少各个模组之间的安装间隙，提高组装后的稳定性。

本实用新型的工作原理如下：

转向电机105通电旋转，通过主动链轮107、从动链轮108以及张紧在它们之间的链条109的传动，带动第一转轴106转动，从而驱动升降模组2完成90度的旋转。

第二立柱202套在第一立柱201外，通过第一导轨滑块机构相配合，通过第一齿轮齿条传动机构实现第二立柱202沿第一立柱201上下移动；第三立柱203套在第二立柱202外，通过第二导轨滑块机构相配合，通过第二齿轮齿条传动机构实现第三立柱203沿第二立柱202上下移动；托盘基板301固定在第三立柱203上，末端执行器模组3通过升降模组2完成二级升降，升降高度最高为2.2米。

上三级伸缩执行机构305安装在第一滑块304上，所述升降电机302安装在托盘基板301上，升降电机302安装主动轮320，托盘基板301的下部安装有从动轮321，主动轮320和从动轮321之间安装皮带322；第二滑块304与皮带322的固定连接，升降电机302驱动第一滑块304沿第一导轨303上下移动，下三级伸缩执行机构306固定在第一导轨303的下端，上三级伸缩执行机构305、下三级伸缩执行机构306呈镜像布置，两者之间形成装夹区域。

双轴电机311转动，双轴电机311的一端的齿轮与滑槽314内的齿条啮合传动，法兰312在滑槽314中滑动，从而实现内板307和中板308之间的相对直线移动；双轴电机311的另一端安装有第一主动同步带轮317，第一主动同步带轮317和第一从动同步带轮315之间安装第一同步带318，外板309上固定第二齿条319，该第二齿条319与第二转轴313上的齿轮316啮合传动，从而实现中板308和外板309之间的相对直线移动。

旋转电机323转动，通过第二主动同步带轮324和第二从动同步带轮325，带动第一光轴329转动，从而使得固定在第一光轴329两端的第一前抓手327和第一后抓手334转动，再通过三主动同步带轮331和第三从动同步带轮332，驱动第二光轴330转动，进而带动固定在第二光轴330两端的第二前抓手328和第二后抓手335转动，从而实现了抓手方向状态的改变。当上三级伸缩机构在进行抓取靠近时，第一前抓手、第二前抓手呈水平状态，当上三级伸缩机构覆盖在抓取货物上时，第一前抓手、第二前抓手旋转至垂直状态，给抓取货物一个水平向的推力，并固定货物位置。综上所述，关于本实用新型用于抓取的四自由度机械臂结构和功能的全面描述可以理解到：将其应用于货架环境的一般物体的抓取上，能显著提升货架环境的抓取效率、搭配使用视觉系统可以显著提高抓取的准确性。通过二级升降结构，解决一般机械臂无法达到较高空间的限制问题。

本实用新型的具体应用途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于抓取的四自由度机械臂装置，其特征在于，包括底盘旋转模组、升降模组和末端执行器模组，所述升降模组包括第一立柱、第二立柱、第三立柱、滚轮结构、第一导轨滑块机构、第一齿轮齿条传动机构、第二导轨滑块机构、第二齿轮齿条传动机构，所述第一立柱的下端固定在立柱基座上，第二立柱套在第一立柱外，通过第一导轨滑块机构相配合，通过第一齿轮齿条传动机构实现第二立柱沿第一立柱上下移动；第三立柱套在第二立柱外，通过第二导轨滑块机构相配合，通过第二齿轮齿条传动机构实现第三立柱沿第二立柱上下移动；第一立柱与第二立柱之间和第二立柱与第三立柱之间均设置滚轮结构；所述末端执行器模组包括托盘基板、升降电机、第一导轨、第一滑块、上三级伸缩执行机构、下三级伸缩执行机构，托盘基板固定在第三立柱上，托盘基板上至少固定两个第一导轨，第一滑块设置在第一导轨上，上三级伸缩执行机构安装在第一滑块上，升降电机驱动第一滑块沿导轨上下移动，下三级伸缩执行机构固定在第一导轨的下端，上三级伸缩执行机构、下三级伸缩执行机构呈镜像布置。

2.根据权利要求1所述的一种用于抓取的四自由度机械臂装置，其特征在于，所述底盘旋转模组包括底盘支架、立柱基座、轴承座、固定板、转向电机，所述轴承座和转向电机均安装在固定板上，固定板固定在底盘支架上，轴承座内安装有第一转轴，立柱基座固连在第一转轴的上端，转向电机驱动第一转轴转动。

3.根据权利要求2所述的一种用于抓取的四自由度机械臂装置，其特征在于，所述转向电机的输出轴上安装主动链轮，转轴的下端安装从动链轮，主动链轮和从动链轮之间张紧链条。

4.根据权利要求1所述的一种用于抓取的四自由度机械臂装置，其特征在于，所述上三级伸缩执行机构和下三级伸缩执行机构结构相同，均包括内板、中板、外板、一对三节轨、双轴电机、法兰、第二转轴，内板固定在一对三节轨的内轨之间，中板固定在一对三节轨的中轨之间，外板固定在一对三节轨的外轨之间，内板上开有滑槽，滑槽的一侧壁上固定有齿条，中板上固定有法兰，双轴电机安装在法兰上，法兰位于滑槽中，双轴电机的一端安装有齿轮，该齿轮与滑槽内的齿条啮合传动，转轴支承在中板上，第二转轴上端安装第一从动同步带轮，第二转轴下端安装齿轮，双轴电机的另一端安装有第一主动同步带轮，第一主动同步带轮和第一从动同步带轮之间安装第一同步带，外板上固定齿条，该齿条与第二转轴上的齿轮啮合传动。

5.根据权利要求4所述的一种用于抓取的四自由度机械臂装置，其特征在于，所述上三级伸缩执行机构上设置有旋转抓手机构，所述旋转抓手机构包括旋转电机、第二主动同步带轮、第二从动同步带轮、第二同步带、第一前抓手、第二前抓手、第一光轴、第二光轴、第三主动同步带轮、第三从动同步带轮、第三同步带、第一后抓手、第二后抓手，旋转电机安装在外板的端面上，第二主动同步带轮安装在旋转电机的输出轴上，第一光轴和第二光轴平行支承在外板的底面，第一前抓手和第二从动同步带轮固定在第一光轴的一端，第二主动同步带轮和第二从动同步带轮之间安装第二同步带，第三主动同步带轮和第一后抓手均固定在第一光轴的另一端，第三从动同步带轮和第二后抓手均固定在第二光轴的一端，第三主动同步带轮和第三从动同步带轮之间安装第三同步带，第二前抓手固定在第二光轴的另一端，第一前抓手和第二前抓手平行布置，且抓手的朝向相同，第一后抓手和第二后抓手平行布置，且抓手的朝向相同，第一前抓手和第一后抓手的夹角为90度，第二前抓手和第二后抓手的夹角为90度。

6.根据权利要求1所述的一种用于抓取的四自由度机械臂装置，其特征在于，所述升降电机安装在托盘基板上，升降电机安装主动轮，托盘基板的下部安装有从动轮，主动轮和从动轮之间安装皮带；第二滑块与皮带的固定连接。

7.根据权利要求1所述的一种用于抓取的四自由度机械臂装置，其特征在于，所述第一立柱外壁的顶端、第二立柱外壁的顶端和末端均固定有纵向限位块。

8.根据权利要求1所述的一种用于抓取的四自由度机械臂装置，其特征在于，所述滚轮结构包括轮座和枢接在轮座上的滚轮。

9.根据权利要求1所述的一种用于抓取的四自由度机械臂装置，其特征在于，所述第一导轨滑块机构和第二导轨滑块机构结构相同，均由第二导轨和与第二导轨相配合的第二滑块组成。

10.根据权利要求1所述的一种用于抓取的四自由度机械臂装置，其特征在于，所述第一齿轮齿条传动机构和第二齿轮齿条传动机构结构相同，均包括齿轮、第一齿条和第一驱动电机，所述齿轮和第一齿条相互啮合，齿轮安装在驱动电机的转轴上，以实现两个物体的相对直线运动。