CN210616515U - 一种六自由度自主分拣机械臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种六自由度自主分拣机械臂，包括依次相连的旋转驱动平台、中臂、大臂，旋转驱动平台与中臂之间通过第一抬升驱动结构连接，中臂与大臂之间通过第二抬升驱动结构连接，大臂远离中臂的一端依次连接第一左右驱动结构、俯仰驱动结构、第二左右驱动机构，第二左右驱动机构连接三爪结构，旋转驱动平台、第一抬升驱动结构、第二抬升驱动结构、第一左右驱动结构、俯仰驱动结构、第二左右驱动机构、三爪结构均连接控制电路板；轻便、灵活，在狭小的空间中抓取目标物。

Description

一种六自由度自主分拣机械臂

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及一种六自由度自主分拣机械臂。

背景技术

随着互联网的普及与发展，越来越多的人选择网上购物，这直接促进了物流快递行业的飞速发展。每日的快递量数不胜数，快递分拣是其中必不可少的一项过程，其直接影响着物流效率与速度。这项工作本身其实并不具有太大难度，但要求工作者有足够的耐心和细心。既然如此，如果我们使用更加准确且稳定可靠的机械臂进行快递分拣，那么既可以大幅节约人力成本，更加快速高效地分拣，也可以减少人为粗心、失误带来的隐患，同时机械爪的柔和设计也可以确保快递件的安全放拿。随着机械自由化程度的逐渐提高，利用多传感器如深度摄像头，红外传感器等实时获取外部环境并基于此来对机械臂的运动进行运动轨迹规划并且完成避障，再利用图像识别技术识别物体进行精确抓取、完成分拣任务已经变得切实可行。在制造业中以中大型机械臂为主体的工业机器人已经得到广泛应用，将工业级机械臂的相关技术和经验运用到物流服务业的服务机械臂上大有可为。

国内机械臂的研究起步与上世纪70年代，1972年我国第一台机械手臂在上海开发成功。此后，广州机床研究所合作设计出电焊机器人，沈阳工业大学设计制造卸载机器人等。我国于20世纪80年代开始研制仿人机械手臂，最具代表性的是北京航空航天大学机器人研究所研究的三指机器人手BUAA1、BUAA2、BUAA3以及四指机械手BUAA4，以及哈尔滨工业大学研制的三代仿人机器人拟人手臂等。相对于国外，柔性机械手的研究还处与初级阶段，哈尔滨工业大学、上海交通大学都对柔性机器人进行了设计和制作。在并联机械臂方面，国内一些学者也进行了大量的研究并发表了其相应的研究成果。目前国内的机械臂主要应用于机床加工、铸造、热处理等方面，有条件的还要研制示教式机械手，而关于机械臂自主阶段的普通的工业大厂一般并没有涉及，而使用机械臂解算多为新型机器人创业公司，如阿丘科技、蓝胖子等。

而在国外，20世纪60年代是机械手臂发展的初级阶段，这时的机械手臂功能比较单一。60年代后期，机械臂开始应用与工业之上，如电焊、喷漆等。70年代后开始进行仿人机械臂的研究，如日本的Okada手、通用公司的Handyman手等。80年代一批著名的拟人机械臂问世，如Stanford手等。 90年代开发出更加灵活的机械手，同时感知功能也更加丰富，如NAS手。 21世纪后灵巧手较少，主要是前期灵巧手的基础上进行改进。

目前国内外研发的工业机械臂，其结构已经基本定型为6自由度，不管从精确度、灵活度还是可承载负荷方面都已经日臻完善，对机械臂的控制也从过去的汽车流水线上只能完成指定动作，到现在可以实时的通过软件或者 APP来控制。

然而对于，既需要提供足够的有效负载，又需要轻便灵活使其能够适应更小的工作环境的轻型机械臂的设计，依旧是各大高校研究的热点问题。最常规的有直连式单悬臂，其中电动气缸结构逐渐被采用。

而双悬臂结构虽然具有较低重心以及轻便灵活等特点，却因为有效负载小，悬臂空间利用率低等原因，一般只用于教育与娱乐场所，故不予采用。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种六自由度自主分拣机械臂，能够灵活用于较小工作环境下作业。

本实用新型采用的技术方案是，一种六自由度自主分拣机械臂，包括依次相连的旋转驱动平台、中臂、大臂，旋转驱动平台与中臂之间通过第一抬升驱动结构连接，中臂与大臂之间通过第二抬升驱动结构连接，大臂远离中臂的一端依次连接第一左右驱动结构、俯仰驱动结构、第二左右驱动机构，第二左右驱动机构连接三爪结构，旋转驱动平台、第一抬升驱动结构、第二抬升驱动结构、第一左右驱动结构、俯仰驱动结构、第二左右驱动机构、三爪结构均连接电路控制板。

本实用新型的特点还在于：

旋转驱动平台包括XRU2012回转支承轴承，XRU2012回转支承轴承连接控制XRU2012回转支承轴承旋转的舵机a，XRU2012回转支承轴承的旋转部分上连接相互平行的XRU1008回转支承轴承外圆环和f63800ZZ轴承的外圆环，XRU1008回转支承轴承的内圆环和f63800ZZ轴承的内圆环之间连接中臂，舵机a连接电路控制板。

第一抬升驱动结构、第二抬升驱动结构均包括减速电机，减速电机连接调速器，减速电机输出端连接小齿轮，还包括大齿轮，小齿轮、大齿轮通过同步带连接，两个减速电机分别通过调速器连接一个电路控制板。

中臂包括框架状的碳纤维板a，碳纤维板a一端套接碳纤维管a，另一端固定连接于第一抬升驱动结构的XRU1008回转支承轴承的内圆环与f63800ZZ轴承内圆环之间，减速电机固定碳纤维板a内部，小齿轮的穿过碳纤维板a的外壁，且与大齿轮位于同一面，大齿轮同轴固定连接XRU1008 回转支承轴承外圆环，减速电机通过调速器连接电路控制板，还包括连接在碳纤维板a上的光轴涨紧轮，小齿轮、大齿轮、光轴涨紧轮连接同一同步带。

大臂包括框架状的碳纤维板b、框架状的碳纤维板c和碳纤维管b，碳纤维板b上连接KFL菱形轴承座，碳纤维板c上连接法兰联轴器，还包括 M8D型轴，M8D型轴一端依次穿过法兰联轴器、碳纤维板c连接至KFL菱形轴承座内圆环，M8D型轴另一端固定连接大齿轮，碳纤维板b内固定连接第二抬升驱动结构的减速电机，碳纤维管b一端套接于碳纤维板c上，碳纤维管b另一端连接第一左右驱动结构。

第一左右驱动结构、俯仰驱动结构、第二左右驱动机构均包括舵机支架，每个舵机支架内均连接控制舵机支架旋转的舵机，第一左右驱动结构的转动轴为纵向，俯仰驱动结构的转动轴为横向，第二左右驱动机构的转动轴为纵向，第一左右驱动结构的舵机支架连接碳纤维管b上，第二左右驱动机构的舵机支架连接三爪结构上，三个舵机均连接电路控制板。

三爪结构包括连接第二左右驱动机构的舵机支架底架，底架上通过铜柱连接三角碳纤维板，底架上连接舵机b，舵机b的输出端穿过三角碳纤维板连接三角转盘，三角转盘的每个角的位置处连接一个M3RC球头扣拉杆一端，底架上还等角度铰接三个爪手，每个M3RC球头扣拉杆连接一个爪手，舵机 b连接电路控制板。

三角碳纤维板和第二左右驱动机构舵机支架上均连接一个720P免驱 UVC摄像头。

碳纤维板a、碳纤维板b、碳纤维板c内均连接能够固定碳纤维管的碳管管夹。

电路控制板为STM32F4芯片的电路板。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型一种六自由度自主分拣机械臂，轻便、灵活，在狭小的空间中抓取目标物。

附图说明

图1是本实用新型一种六自由度自主分拣机械臂结构示意图；

图2是本实用新型中旋转驱动平台结构示意图；

图3是本实用新型中中臂、大臂结构示意图；

图4是本实用新型中第一左右驱动结构、俯仰驱动结构、第二左右驱动机构、三爪结构连接结构示意图；

图5是本实用新型中三爪结构的结构示意图。

图中，1.XRU2012回转支承轴承，2.舵机a，3.XRU1008回转支承轴承， 4.大齿轮，5.f63800ZZ轴承，6.碳纤维管a，7.碳纤维板a，8.碳管管夹，9.M8D 型轴，10.法兰联轴器，11.KFL菱形轴承座，12.碳纤维板b，13.三角转盘， 14.减速电机，15.小齿轮，16.碳纤维管b，17.电路控制板，18.调速器，19.M3RC 球头扣拉杆，20.舵机b，21.铜柱，22.720P免驱UVC摄像头，23.爪手，24. 碳纤维板c，25.底架，26.三角碳纤维板，27.第一左右驱动结构，28.俯仰驱动结构，29.第二左右驱动机构，30.机械臂支撑架，31.光轴涨紧轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型提供一种六自由度自主分拣机械臂，如图1所示，包括依次相连的旋转驱动平台、中臂、大臂，旋转驱动平台与中臂之间通过第一抬升驱动结构连接，中臂与大臂之间通过第二抬升驱动结构连接，大臂远离中臂的一端依次连接第一左右驱动结构27、俯仰驱动结构28、第二左右驱动机构29，第二左右驱动机构29连接三爪结构，旋转驱动平台、第一抬升驱动结构、第二抬升驱动结构、第一左右驱动结构27、俯仰驱动结构28、第二左右驱动机构29、三爪结构均连接电路控制板17。

如图2所示，旋转驱动平台包括XRU2012回转支承轴承1，XRU2012 回转支承轴承1连接控制XRU2012回转支承轴承1旋转的舵机a2，XRU2012 回转支承轴承1的旋转部分上连接相互平行的XRU1008回转支承轴承3外圆环和f63800ZZ轴承5的外圆环，XRU1008回转支承轴承3的内圆环和 f63800ZZ轴承5的内圆环之间连接中臂，舵机a2连接电路控制板17。

第一抬升驱动结构、第二抬升驱动结构均包括减速电机14，减速电机 14连接调速器18，减速电机14输出端连接小齿轮15，还包括大齿轮4，小齿轮15、大齿轮4通过同步带连接，两个减速电机14分别通过调速器18 连接一个电路控制板17，能够对机械臂实现精准控制。

如图3所示，中臂包括框架状的碳纤维板a7，碳纤维板a7一端套接碳纤维管a6，另一端固定连接于第一抬升驱动结构的XRU1008回转支承轴承 3的内圆环与f63800ZZ轴承5内圆环之间，减速电机14固定碳纤维板a7 内部，小齿轮15的穿过碳纤维板a7的外壁，且与大齿轮4位于同一面，大齿轮4同轴固定连接XRU1008回转支承轴承3外圆环，实现抬升自由度， f63800ZZ轴承5支撑臂身旋转，降低其运动过程中的摩擦系数，减速电机 14通过调速器18连接电路控制板17，还包括通过6-35塞打螺栓连接在碳纤维板a7上的光轴涨紧轮31，小齿轮15、大齿轮4、光轴涨紧轮31连接同一同步带。

还包括能够支撑碳纤维管a6的机械臂支撑架30。

大臂包括框架状的碳纤维板b12、框架状的碳纤维板c24和碳纤维管b16，碳纤维板b12上连接8mmKFL菱形轴承座11，碳纤维板c24上连接法兰联轴器10，还包括M8D型轴9，M8D型轴9一端依次穿过法兰联轴器10、碳纤维板c24连接至KFL菱形轴承座11内圆环，M8D型轴9另一端固定连接大齿轮4，碳纤维板b12内固定连接第二抬升驱动结构的减速电机14，碳纤维管b16一端套接于碳纤维板c24上，碳纤维管b16另一端连接第一左右驱动结构。

如图4所示，第一左右驱动结构27、俯仰驱动结构28、第二左右驱动机构29均包括舵机支架，每个舵机支架内均连接控制舵机支架旋转的舵机，第一左右驱动结构27的转动轴为纵向，俯仰驱动结构28的转动轴为横向，第二左右驱动机构29的转动轴为纵向，第一左右驱动结构27的舵机支架连接碳纤维管b16上，第二左右驱动机构29的舵机支架连接三爪结构上，三个舵机均连接电路控制板17。

每个舵机支架包括两个开口相对的U型支架，还包括转动轴，其中一个 U型支架上固定连接舵机，该U型支架开口端连接两个轴承外圆，转动轴穿过两个U型支架，舵机的输出端转动能够带动转动轴转动，进而使另一个U 型支架围绕转动轴转动。

如图5所示，三爪结构包括连接第二左右驱动机构29舵机支架的底架 25，底架25上通过铜柱21连接三角碳纤维板26，底架25上连接舵机b20，舵机b20的输出端穿过三角碳纤维板26连接三角转盘13，三角转盘13的每个角的位置处连接一个M3RC球头扣拉杆19一端，底架25上还等角度铰接三个爪手23，每个M3RC球头扣拉杆19连接一个爪手23，舵机b20连接电路控制板17。

三角碳纤维板26和第二左右驱动机构29舵机支架上均连接一个720P 免驱UVC摄像头22，通过图像识别技术对物品进行识别，并结合RRT搜素算法实现机械臂自主运动的空间轨迹规划。

碳纤维板a7、碳纤维板b12、碳纤维板c24内均连接能够固定碳纤维管的碳管管夹8。

电路控制板17为STM32F4芯片的电路板。

本实用新型一种六自由度自主分拣机械臂中：

减速电机14可采用大疆3508直流无刷减速电机。

大齿轮4采用3M40齿大齿轮。

调速器18采用C620无刷电机调速器，受电路控制板17的控制，对减速电机14起到转速控制的作用。

一种六自由度自主分拣机械臂的六个关节及每个关节的工作原理为：

第一关节为XRU2012回转支承轴承1的中心轴，XRU2012回转支承轴承1在舵机a2的转动下，带动机械臂的其余部分转动。

第二关节为XRU1008回转支承轴承3的内圆和f63800ZZ轴承5的内圆轴线，第一抬升驱动结构的减速电机14受调速器18的控制转动，进而带动小齿轮15转动，小齿轮15与大齿轮4之间连接同步带，且大齿轮4与 XRU1008回转支承轴承3的外圆环固定连接，XRU1008回转支承轴承3的内圆环与碳纤维板a7固定连接，因此小齿轮15转动带动碳纤维板a7围绕第二关节转动，以此实现中臂的抬升。

第三关节为M8D型轴，第二抬升驱动结构的减速电机14受调速器18 的控制转动，进而带动小齿轮15转动，由于小齿轮15与大齿轮4之间连接同步带，因此大齿轮4跟随转动，大齿轮4固定连接M8D型轴9，M8D型轴9一端依次穿过法兰联轴器10、碳纤维板c24连接至KFL菱形轴承座11 内圆环，当大齿轮4转动时，法兰联轴器10带动碳纤维板c24转动，实现大臂的抬升。

第四关节为第一左右驱动结构27的舵机支架的轴承轴线，舵机支架能在舵机的控制下进行转动，第一左右驱动结构27的舵机支架的轴承轴向为纵向，因此能够在舵机的控制下使俯仰驱动结构28左右转动。

第五关节为俯仰驱动结构28的舵机支架的轴承轴线，俯仰驱动结构28 的舵机支架的轴承轴向为横向，因此能够在舵机的控制下使第二左右驱动机构29上下转动。

第六关节为第二左右驱动机构29的舵机支架的轴承轴线，第二左右驱动机构29的舵机支架的轴承轴向为纵向，因此能够在舵机的控制下使三爪结构左右转动。

其中的第四关节、第五关节、第六关节的的长度较小，可以用于小范围的作业。

而本实用新型六自由度分拣机械臂的灵活运用主要体现在以下方面：

安装灵活：目前工业机器人因为体型较大，需要专门预留出一块空地来安装固定底座。而本实用新型六自由度分拣机械臂只需要在一块夹板上按照位置对应打孔，即可在任意位置进行安装，特别适合在空间较为狭小的小型仓库使用。

抓取灵活：机械爪的三爪柔和设计结构，可以抓取形状更为复杂多变的物品，对物品外形的自适应性能高，更加稳固的完成抓取任务。

操作灵活：而本实用新型六自由度分拣机械臂具有六自由度，理论上可以在有效距离范围内达到空间中任意一点。结合RRT搜索算法实现机械臂自主运动的空间轨迹规划。

通过上述方式，本实用新型本实用新型一种六自由度自主分拣机械臂，轻便、灵活，在狭小的空间中抓取目标物。

Claims (10)

1.一种六自由度自主分拣机械臂，其特征在于，包括依次相连的旋转驱动平台、中臂、大臂，所述旋转驱动平台与中臂之间通过第一抬升驱动结构连接，所述中臂与大臂之间通过第二抬升驱动结构连接，所述大臂远离中臂的一端依次连接第一左右驱动结构(27)、俯仰驱动结构(28)、第二左右驱动机构(29)，所述第二左右驱动机构(29)连接三爪结构，所述旋转驱动平台、第一抬升驱动结构、第二抬升驱动结构、第一左右驱动结构(27)、俯仰驱动结构(28)、第二左右驱动机构(29)、三爪结构均连接电路控制板(17)。

2.根据权利要求1所述一种六自由度自主分拣机械臂，其特征在于，所述旋转驱动平台包括XRU2012回转支承轴承(1)，所述XRU2012回转支承轴承(1)连接控制XRU2012回转支承轴承(1)旋转的舵机a(2)，所述XRU2012回转支承轴承(1)的旋转部分上连接相互平行的XRU1008回转支承轴承(3)外圆环和f63800ZZ轴承(5)的外圆环，所述XRU1008回转支承轴承(3)的内圆环和f63800ZZ轴承(5)的内圆环之间连接中臂，所述舵机a(2)连接电路控制板(17)。

3.根据权利要求2所述一种六自由度自主分拣机械臂，其特征在于，所述第一抬升驱动结构、第二抬升驱动结构均包括减速电机(14)，所述减速电机(14)连接调速器(18)，所述减速电机(14)输出端连接小齿轮(15)，还包括大齿轮(4)，所述小齿轮(15)、大齿轮(4)通过同步带连接，两个所述减速电机(14)分别通过调速器(18)连接一个电路控制板(17)。

4.根据权利要求3所述一种六自由度自主分拣机械臂，其特征在于，所述中臂包括框架状的碳纤维板a(7)，所述碳纤维板a(7)一端套接碳纤维管a(6)，另一端固定连接于第一抬升驱动结构的XRU1008回转支承轴承(3)的内圆环与f63800ZZ轴承(5)内圆环之间，所述减速电机(14)固定在碳纤维板a(7)内部，所述小齿轮(15)的穿过碳纤维板a(7)的外壁，且与大齿轮(4)位于同一面，所述大齿轮(4)同轴固定连接XRU1008回转支承轴承(3)外圆环，所述减速电机(14)通过调速器(18)连接电路控制板(17)，还包括连接在碳纤维板a(7)上的光轴涨紧轮(31)，所述小齿轮(15)、大齿轮(4)、光轴涨紧轮(31)连接同一同步带。

5.根据权利要求4所述一种六自由度自主分拣机械臂，其特征在于，所述大臂包括框架状的碳纤维板b(12)、框架状的碳纤维板c(24)和碳纤维管b(16)，所述碳纤维板b(12)上连接KFL菱形轴承座(11)，所述碳纤维板c(24)上连接法兰联轴器(10)，还包括M8D型轴(9)，所述M8D型轴(9)一端依次穿过法兰联轴器(10)、碳纤维板c(24)连接至KFL菱形轴承座(11)内圆环，所述M8D型轴(9)另一端固定连接大齿轮(4)，所述碳纤维板b(12)内固定连接第二抬升驱动结构的减速电机(14)，所述碳纤维管b(16)一端套接于碳纤维板c(24)上，所述碳纤维管b(16)另一端连接第一左右驱动结构(27)。

6.根据权利要求5所述一种六自由度自主分拣机械臂，其特征在于，所述第一左右驱动结构(27)、俯仰驱动结构(28)、第二左右驱动机构(29)均包括舵机支架，每个所述舵机支架内均连接控制舵机支架旋转的舵机，所述第一左右驱动结构(27)的转动轴为纵向，所述俯仰驱动结构(28)的转动轴为横向，所述第二左右驱动机构(29)的转动轴为纵向，所述第一左右驱动结构(27)的舵机支架连接碳纤维管b(16)上，所述第二左右驱动机构(29)的舵机支架连接三爪结构上，三个所述舵机均连接电路控制板(17)。

7.根据权利要求5所述一种六自由度自主分拣机械臂，其特征在于，所述三爪结构包括连接第二左右驱动机构(29)舵机支架的底架(25)，所述底架(25)上通过铜柱(21)连接三角碳纤维板(26)，所述底架(25)上连接舵机b(20)，所述舵机b(20)的输出端穿过三角碳纤维板(26)连接三角转盘(13)，所述三角转盘(13)的每个角的位置处连接一个M3RC球头扣拉杆(19)一端，所述底架(25)上还等角度铰接三个爪手(23)，每个所述M3RC球头扣拉杆(19)连接一个爪手(23)，所述舵机b(20)连接电路控制板(17)。

8.根据权利要求7所述一种六自由度自主分拣机械臂，其特征在于，所述三角碳纤维板(26)和第二左右驱动机构(29)舵机支架上均连接一个720P免驱UVC摄像头(22)。

9.根据权利要求5所述一种六自由度自主分拣机械臂，其特征在于，所述碳纤维板a(7)、碳纤维板b(12)、碳纤维板c(24)内均连接能够固定碳纤维管的碳管管夹(8)。

10.根据权利要求5所述一种六自由度自主分拣机械臂，其特征在于，所述电路控制板(17)为STM32F4芯片的电路板。

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