CN207841332U - 一种5自由度排爆机械臂 - Google Patents

Abstract

一种5自由度排爆机械臂，主要包括STM32控制模块、水平底座、谐波减速器I、步进电机I、谐波减速器II、步进电机II、大臂、谐波减速器III、步进电机III、行星减速器、步进电机IV、小臂、T型丝杆螺母、直流电机和夹持器。采用5自由度设计，夹持器采用平行杠杆式手爪，两爪有内弧，两端固定硬件有限位开关，可有效避免软件错误引起的灾难性后果；本实用新型实用性强，操控灵活，便于抓取，具有较好的可操控性和安全性，可广泛应用于机器人排爆领域。

Description

一种5自由度排爆机械臂

技术领域

本实用新型涉及智能机器人领域，特别涉及机器人排爆领域的一种5自由度排爆机械臂。

背景技术

近年来，恐怖主义活动日渐猖獗，恐怖活动的破坏能力已达到小型战争的标准，械斗、枪击、爆炸、汽车炸弹、人体炸弹威胁着世界各国人民的生命安全，少数对社会不满、违法犯罪分子、民族分裂分子也不断制造爆炸案，人们生命财产受到严重威胁，影响极坏。除了恐怖分子安放的炸弹外，在许多战乱国家和地区，还散布有大量未爆炸的各种弹药，例如在已经结束的伊拉克战场，据统计至少还有20％的各类地雷、炮弹还没有爆炸。因此，在加大打击恐怖主义势力的同时，如何利用技术手段，安全、高效的排除爆炸物，对于反恐维稳工作具有重要实际意义。

当前国内主流排爆方式主要采用传统人工作业方式，手持探爆仪器对疑似爆炸物进行探测，在确认是爆炸物后，进行手动拆解或手工移除，这种传统人工作业方式极其危险，尤其如果是定时爆炸物时，很有可能造成作业手及周围群众伤亡出现。针对这种情况，国内也研制有一些智能排爆机器人平台，在机器人平台上安装机械臂对疑似爆炸物进行移除或定点引爆。然而国内现有的排爆机械臂设计操控自由度有限，操控灵活性差，夹持器缺少自动限位功能，操作人员很有可能无法控制机械臂对目标爆炸物进行准确抓取，同时也可能出现机械臂抓取时出现用力过大，目标爆炸物现场爆炸，从而造成不必要的人员伤亡和经济损失。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种5自由度排爆机械臂，用于解决现有产品操控自由度有限、夹持器缺少自动限位功能、对目标爆炸物抓取不够精准，无法有效满足实际需求的问题。

为了达到上述目的，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种5自由度排爆机械臂，其特征在于：包括水平底座2，在水平底座2上固定有STM32控制模块1以及谐波减速器I 3的一端，谐波减速器I 3的另一端通过L型铝合金板I A连接步进电机I 4，L型铝合金板IA的另一安装面上设置有步进电机II 6,步进电机II 6与谐波减速器II 5一端连接，谐波减速器II 5另一端连接大臂7，大臂7另一端连接谐波减速器III 8一端，谐波减速器III 8另一端通过L型铝合金板II B连接步进电机III 9，L型铝合金板II B另一安装面上设置有步进电机IV 11，步进电机IV 11连接行星减速器10，行星减速器10的另一端连接小臂12，小臂12上固定有直流电机14，直流电机14通过减速齿轮驱动T型丝杆螺母13前后直线运动，T型丝杆螺母13推动夹持器15的平行四边形杠杆，STM32控制模块1控制步进电机I 4、步进电机II 6、步进电机III 9、步进电机IV 11和直流电机14。

所述谐波减速器I 3为水平旋转自由度，旋转范围为0-360度。

所述谐波减速器II 5为垂直旋转自由度，旋转范围为0-180度。

所述谐波减速器III 8为垂直旋转自由度，旋转范围为0-270度。

所述行星减速器10能够绕中轴线旋转自由度，旋转范围为0-720度，能够连续旋转两周；

所述夹持器15可张开闭合，最大张开宽度10厘米。

所述夹持器15采用平行杠杆式抓手，两爪有内弧。

所述T型丝杆螺母13两端固定有限位开关。

所述STM32控制模块1采用的芯片型号为STM32F103ZET6。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型可加装至机器人车体平台上，通过PC上位机或九通道摇控器远程控制实现对目标爆炸物进行精确抓取，并转移至安全区域或进行定点销毁，可有效减免传统人工操作排爆带来的危险。

2.本实用新型夹持器采用平行杠杆式手爪，可保证夹持器两爪始终保持平行运动，两爪有内弧，方便夹持圆弧形结构物体。

3.本实用新型T型丝杆两端固定有限位开关，螺母运动至极限位置时自动触碰开关，关闭直流电机电源，防止直流电机堵转烧毁或引起的灾难性后果。

4.本实用新型自由度为5，采用外接24V直流电源给各个步进电机供电，五轴同时动作电流消耗约8.5A，最大可伸长距离为1米，最大可负载重量约2公斤，夹持器最大张开宽度10厘米，夹持器夹紧力约20N，可对目标爆炸物进行灵活抓取，能够满足实际使用。

5.本实用新型实用性强，操控灵活，便于抓取，可广泛应用于机器人排爆领域。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图。

图2是本实用新型夹持器15的限位电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步详细说明。

参照图1，一种5自由度排爆机械臂，其特征在于：包括水平底座2，在水平底座2上固定有STM32控制模块1以及谐波减速器I 3的一端，谐波减速器I3的另一端通过L型铝合金板I A连接步进电机I 4，L型铝合金板I A的另一安装面上设置有步进电机II 6,步进电机II 6与谐波减速器II 5一端连接，谐波减速器II 5另一端连接大臂7，大臂7另一端连接谐波减速器III 8一端，谐波减速器III 8另一端通过L型铝合金板II B连接步进电机III 9，L型铝合金板II B另一安装面上设置有步进电机IV 11，步进电机IV 11连接行星减速器10，行星减速器10的另一端连接小臂12，小臂12上固定有直流电机14，直流电机14通过减速齿轮驱动T型丝杆螺母13前后直线运动，T型丝杆螺母13推动夹持器15的平行四边形杠杆，实现夹持器15张开和闭合。所述STM32控制模块1采用的芯片型号为STM32F103ZET6，STM32控制模块1控制步进电机I 4、步进电机II 6、步进电机III 9、步进电机IV 11和直流电机14。

所述谐波减速器I 3为水平旋转自由度，旋转范围为0-360度。

所述谐波减速器II 5为垂直旋转自由度，旋转范围为0-180度。

所述谐波减速器III 8为垂直旋转自由度，旋转范围为0-270度。

所述行星减速器10能够绕中轴线旋转自由度，旋转范围为0-720度，可连续旋转两周。

所述夹持器15可张开闭合，最大张开宽度10厘米。

所述夹持器15采用平行杠杆式抓手，可保证夹持器始终保持平行运动，两爪有内弧，方便夹持圆弧形结构物体。夹持器15由直流电机14驱动，直流电机14通过减速齿轮驱动T型丝杆螺母13前后直线运动。

所述T型丝杆螺母13两端固定有限位开关，T型丝杆螺母13运动至极限位置时自动触碰开关，关闭直流电机14电源，防止直流电机14堵转烧毁。

所述谐波减速器I 3采用的型号为CSF40-120，减速比为120，平均负载容许扭矩为586N·m，所述谐波减速器II 5采用的型号为CSF32-80，减速比为80，平均负载容许扭矩为217N·m，所述谐波减速器III 8采用的型号为CSF32-80，减速比为80，平均负载容许扭矩为217N·m，所述行星减速器10采用的型号为HPG-14A-20，减速比为20，瞬间最大扭矩为56N·m，所述步进电机I 4、步进电机II 6、步进电机III 9和步进电机IV 11采用的型号为57步进电机，直流电机14采用的型号为无刷直流电机A2820KV1000，所述谐波减速器I 3、谐波减速器II 5、谐波减速器III 8和行星减速器10均满足零回转间隙要求，可保证机械臂各轴精确定位。

所述STM32控制模块1采用的芯片型号为STM32F103ZET6，STM32控制模块1采用UART1接收PC上位机或九通道摇控器的控制指令，直接控制步进电机I 4、步进电机II 6、步进电机III 9、步进电机IV 11和直流电机14。

所述步进电机I 4、步进电机II 6、步进电机III 9、步进电机IV 11均分别由STM32控制模块1的三个IO口控制，一个IO控制使能，一个IO口控制方向，一个IO口提供步进脉冲，脉冲IO口的步进脉冲由定时器驱动，保证脉冲间隔一致性，防止出现失步，步进电机I 4、步进电机II 6、步进电机III 9、步进电机IV 11的使能IO分别为F0、F2、F4、F6，方向IO口分别为F1、F3、F5、F7，脉冲IO口分别为Timer1_CH1、Timer3_CH1、Timer4_CH1、Timer5_CH3。

参照图2，所述夹持器15的直流电机14由STM32控制模块1的PG2、PG3口驱动继电器控制其正反转，无需调速。

参照图2，所述夹持器15限位电路中，S1、S2为常闭触碰开关，当夹持器15未完全张开或未完全闭合时，S1、S2均闭合，此时STM32控制模块1通过PG2、PG3引脚既可控制夹持器15张开也可控制其闭合：PG2＝1，PG3＝0，直流电机14正转，夹持器15张开；PG2＝0，PG3＝1，直流电机14反转，夹持器15闭合。当夹持器15张开至极限位置时，触碰开关S1，使PG2与继电器断开，继电器K1不可控，继电器弹片始终与+24V电源接触，此时仅PG3有效，当PG3＝1时，直流电机14可反转使夹持器15闭合。同理，当夹持器15闭合至极限位置时，S2断开，夹持器15不能继续闭合，只有PG2有效，夹持器15仅能张开。

本实用新型的工作原理为：

STM32控制模块1接收PC上位机或九通道摇控器的控制指令，直接控制步进电机I4、步进电机II 6、步进电机III 9、步进电机IV 11和直流电机14，步进电机I 4固定在L型铝合金板I A上安装面，驱动L型铝合金板I A另一侧的谐波减速器I 3实现0-360度水平旋转，步进电机II 6固定在L型铝合金板I A另一安装面上，驱动L型铝合金板I A另一侧的谐波减速器II 5实现0-180度垂直旋转，大臂7两端分别固定谐波减速器II 5和谐波减速器III 8，实现垂直方向传动，步进电机III 9固定在L型铝合金板II B内安装面，驱动L型铝合金板IIB另一侧的谐波减速器III 8实现0-270度垂直旋转，步进电机IV 11固定在L型铝合金板IIB另一安装面上，驱动L型铝合金板II B另一侧的行星减速器10实现绕中轴线0-720度旋转，可连续旋转两周，小臂12一端固定在行星减速器10上，另一端安装有夹持器15，直流电机14安装在行星减速器10的下侧面，通过减速齿轮驱动T型丝杆螺母13前后直线运动，T型丝杆螺母13推动夹持器15的平行四边形杠杆，实现夹持器15张开和闭合。

Claims (8)

1.一种5自由度排爆机械臂，其特征在于：包括水平底座(2)，在水平底座(2)上固定有STM32控制模块(1)以及谐波减速器I(3)的一端，谐波减速器I(3)的另一端通过铝合金板I(A)连接步进电机I(4)，铝合金板I(A)的另一安装面上设置有步进电机II(6)，步进电机II(6)与谐波减速器II(5)一端连接，谐波减速器II(5)另一端连接大臂(7)，大臂(7)另一端连接谐波减速器III(8)一端，谐波减速器III(8)另一端通过铝合金板II(B)连接步进电机III(9)，铝合金板II(B)另一安装面上设置有步进电机IV(11)，步进电机IV(11)连接行星减速器(10)，行星减速器(10)的另一端连接小臂(12)，小臂(12)上固定有直流电机(14)，直流电机(14)通过减速齿轮驱动T型丝杆螺母(13)前后直线运动，T型丝杆螺母(13)推动夹持器(15)的平行四边形杠杆，STM32控制模块(1)控制步进电机I(4)、步进电机II(6)、步进电机III(9)、步进电机IV(11)和直流电机(14)。

2.根据权利要求1所述的一种5自由度排爆机械臂，其特征在于：所述谐波减速器I(3)为水平旋转自由度，旋转范围为0-360度。

3.根据权利要求1所述的一种5自由度排爆机械臂，其特征在于：所述谐波减速器II(5)为垂直旋转自由度，旋转范围为0-180度。

4.根据权利要求1所述的一种5自由度排爆机械臂，其特征在于：所述谐波减速器III(8)为垂直旋转自由度，旋转范围为0-270度。

5.根据权利要求1所述的一种5自由度排爆机械臂，其特征在于：所述行星减速器(10)能够绕中轴线旋转自由度，旋转范围为0-720度，能够连续旋转两周。

6.根据权利要求1所述的一种5自由度排爆机械臂，其特征在于：所述夹持器(15)采用平行杠杆式抓手，两爪有内弧。

7.根据权利要求1所述的一种5自由度排爆机械臂，其特征在于：所述T 型丝杆螺母(13)两端固定有限位开关。

8.根据权利要求1所述的一种5自由度排爆机械臂，其特征在于：所述STM32控制模块(1)采用的芯片型号为STM32F103ZET6。