CN212265837U - 一种万能机械臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种万能机械臂，本实用新型的机械臂包括通过关节相连的支臂，机械臂可对作业范围内任何点任何角度进行作业，并且可自由切换作业所需工具的机械电力接头，还可以通过可编辑和执行相关指令和逻辑的控制软件控制机械臂进行执行，用以高质量的替代各种各样的手工作业。

Description

一种万能机械臂

技术领域

本实用新型涉及机械技术领域，具体涉及一种万能机械臂。

背景技术

机械臂本用来代手工作业，但在伺服电机和图像定位等相关技术趋于成熟的今天，机械臂却存在功能单一，设计运用成本昂贵的缺点，严重的限制了机械臂的大规模使用。所以一款能适用于不同环境，能完成各种工作并且又能方便操作的机械臂就显的非常有必要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种万能机械臂，用以高质量的替代各种各样的手工作业。

为实现上述目的，本实用新型提供一种万能机械臂，通过六关节设计使机械臂可以对作业范围内任何点任何角度进行作业，并通过可自由切换的机械电力接头满足不同作业对作业工具的需求。

可选的，所述万能机械臂包括第一横关节、第一支臂、第一竖关节、第二支臂、第二竖关节、第三支臂、第二横关节、第四支臂、第三竖关节、第五支臂、第三横关节和第六支臂，所述第一横关节用于连接固定台和第一支臂的一端且第一横关节的旋转轴线与第一支臂轴线同轴，所述第一竖关节用于连接第一支臂的另一端和第二支臂的一端且第一竖关节的旋转轴线与第一支臂和第二支臂的轴线垂直，所述第二竖关节用于连接第二支臂的另一端和第三支臂的一端且第二竖关节的旋转轴线与第二支臂和第三支臂的轴线垂直，所述第二横关节用于连接第三支臂的另一端和第四支臂的一端且第二横关节的旋转轴线与第三支臂和第四支臂的轴线同轴，所述第三竖关节用于连接第四支臂的另一端和第五支臂的一端且第三竖关节的旋转轴线与第四支臂和第五支臂的轴线垂直，所述第三横关节用于连接第五支臂的另一端和第六支臂的一端且所述第三横关节的旋转轴线与第五支臂和第六支臂的轴线同轴。

可选的，所述第六支臂的另一端连接有作业工具。

可选的，所述作业工具与所述第六支臂的另一端通过切换接头相连，所述切换接头包括与第六支臂的另一端相连的旋转平台和与旋转平台相连的多个机械接头，所述机械接头的延伸方向与所述旋转平台的旋转轴呈角度。

可选的，所述作业工具与所述第六支臂的另一端通过电力接头相连，所述电力接头包括与所述第六支臂的另一端相连的第一固定端和与所述第一固定端可拆卸连接的第二固定端，所述第二固定端与作业工具相连，所述第一固定端中设置有第一正极和第一负极，所述第二固定端中设有与第一正极和第一负极相连的第二正极和第二负极。

可选的，所述第一正极和第一负极间隔设置，所述第二正极和第二负极间隔设置，所述第一负极通过伸缩机构相反或相向所述第二负极移动。

本实用新型还提供所提供的万能机械臂的控制系统，所述控制系统包括空间信息获取模块、作业力度获取模块、人体感应单元、以及与所述空间信息获取模块、作业力度获取模块、人体感应单元数据连接的控制器；

所述控制器被配置为根据空间信息获取模块、作业力度获取模块、人体感应单元所传输的数据控制所述万能机械臂作业。

可选的，所述控制器被配置为：根据空间信息获取模块所获取作业空间中任意不在一条直线的三点，控制所述万能机械臂虚拟作业的三点与作业空间中三点重合以进行万能机械臂的定位和作业角度。

可选的，所述空间信息获取模块为摄像头，所述作业力度获取模块为设置于所述作业工具上的压敏传感器，所述人体感应单元为红外感应器。

本实用新型具有如下优点：

本实用新型的万能机械臂可以实现在空间内任何点和任何角度的作业，且可以切换作业工具和电力接头，方便切换各种工具，实现不同作业的需要。

附图说明

图1是本实用新型万能机械臂一种具体实施方式的结构示意图。

图2是本实用新型切换接头一种具体实施方式的结构示意图。

图3是本实用新型电力接头一种具体实施方式的结构示意图。

图4是本实用新型概念指令中“点A”的确认示意图。

图5是本实用新型概念指令中“点B”的确认示意图。

图6是本实用新型概念指令中“点C”的确认示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

如图1所示，本实用新型提供一种万能机械臂，所述万能机械臂包括第一横关节1、第一支臂2、第一竖关节3、第二支臂4、第二竖关节5、第三支臂6、第二横关节7、第四支臂8、第三竖关节9、第五支臂10、第三横关节11和第六支臂12，所述第一横关节1用于连接固定台100和第一支臂2的一端且第一横关节1的旋转轴线与第一支臂2轴线同轴，所述第一竖关节3用于连接第一支臂2的另一端和第二支臂4的一端且第一竖关节3的旋转轴线与第一支臂2和第二支臂4的轴线垂直，所述第二竖关节5用于连接第二支臂4的另一端和第三支臂6的一端且第二竖关节5的旋转轴线与第二支臂4和第三支臂6的轴线垂直，所述第二横关节7用于连接第三支臂6的另一端和第四支臂8的一端且第二横关节7的旋转轴线与第三支臂6和第四支臂8的轴线同轴，所述第三竖关节9用于连接第四支臂8的另一端和第五支臂10的一端且第三竖关节9的旋转轴线与第四支臂8和第五支臂10的轴线垂直，所述第三横关节11用于连接第五支臂10的另一端和第六支臂12的一端且所述第三横关节11的旋转轴线与第五支臂10和第六支臂12的轴线同轴。本实用新型的万能机械臂可以实现在空间内任何点和任何角度的作业，且可以连接作业工具和电力接头，方便切换各种工具，实现不同作业的需要。

本实用新型中各横关节和竖关节可以采用旋转电机实现旋转功能，旋转电机的一端可以连接在一支臂上，而旋转电机的转轴可以连接在另一支臂上，通过旋转电机转轴的输出轴线与两支臂的角度可以控制连接支臂的相对运动方向，例如竖关节中，旋转电机的输出轴线与两支臂的轴线平行，而横关节中，旋转电机的输出轴线与两支臂的轴线均垂直。

为了方便作业，如图3所示，所述第六支臂12的另一端连接有作业工具21，作业工具可以根据作业场景进行选择，例如可以为螺丝、扳手、台钻、电钻、锉刀、虎钳和刮刀等。

一种实施方式，如图2所示，所述作业工具21与所述第六支臂12的另一端通过切换接头相连，所述切换接头包括与第六支臂12的另一端相连的旋转平台221和与旋转平台221相连的多个机械接头222，所述机械接头222的延伸方向与所述旋转平台221的旋转轴呈角度。通过旋转平台的旋转可以带动机械接头旋转，进而使作业工具根据作业对象进行调整。

一种具体实施方式，如图3所示，所述作业工具21与所述第六支臂12的另一端通过电力接头相连，所述电力接头包括与所述第六支臂12的另一端相连的第一固定端231和与所述第一固定端231可拆卸连接的第二固定端232，所述第二固定端232与作业工具21相连，所述第一固定端231中设置有第一正极2311和第一负极2312，所述第二固定端232中设有与第一正极2311和第一负极2312相连的第二正极2321和第二负极2322。由于部分作业工具例如电钻等，操作时需要通电，通过第一负极和第二正极连接市电，而第二负极和第二正极连接作业工具，可以使作业工具通电操作。

为了方便通过电力接头控制作业工具通断电，如图3所示，所述第一正极2311和第一负极2312可以间隔设置，所述第二正极2321和第二负极2322可以间隔设置，所述第一负极2312可以通过伸缩机构相反或相向所述第二负极2322移动。具体原理如下：第一正极和第一负极，第二正极与第一正极相接触的一侧可以导电，而与第一负极相接触的一侧可以设置有绝缘材料绝缘，而第二负极与第一负极接触一侧可以导电，当第一负极伸缩时可以与第二负极接触或不接触，伸缩结构可以使伸缩电机。

本实用新型还提供所提供的万能机械臂的控制系统，所述控制系统包括空间信息获取模块、作业力度获取模块、人体感应单元、以及与所述空间信息获取模块、作业力度获取模块、人体感应单元数据连接的控制器；所述控制器被配置为根据空间信息获取模块、作业力度获取模块、人体感应单元所传输的数据控制所述万能机械臂作业。

本实用新型中，所述控制器可以被配置为：根据空间信息获取模块所获取作业空间中任意不在一条直线的三点，控制所述万能机械臂虚拟作业的三点与作业空间中三点重合以进行万能机械臂的定位和作业角度，所述空间信息获取模块可以为摄像头，所述作业力度获取模块可以为设置于所述作业工具上的压敏传感器，所述人体感应单元可以为红外感应器。本实用新型通过可自由更换作业工具的方法满足不同作业对作业工具的需求，通过对三个点的确认来确定作业的位置。

下面通过具体实施方式来进一步说明本实用新型，但是本实用新型并不因此而受到任何限制。

如图4-6所示，假设作业空间中存在三点A、B和C，而对应该三点机械臂存在虚拟作业的三点A’、B’和C’，当点A、B和C与点A’、B’和C’各自对应重合时，机械臂即达到作业位置，如图4所示，第一横关节1用来保证沿X轴的移动，第一竖关节3用来保证沿Y轴的移动，第一竖关节3和第二横关节5来保证沿Z轴的移动。如图5所示，在点A与点A’已重合的前提下，通过第一横关节1、第一、二、三竖关节3、5、9以点A为圆心来重合点B和点B’。如图6所示，在点A与点A’和点B与点B’已重合的前提下，只需调节第三横关节7即可重合点C和点C’，而第四横关节10则在作业角度调整时使用。

本实用新型具体操作逻辑如下：

(1)首先控制软件使用的逻辑模式非常符合的逻辑思维，并且有固定格式，用起来可以根据逻辑思维按格式套上去就可以了，这样会让人更容易的学习使用。其次由于使用专业软件控制专业机械臂，这样相比现有的控制系统会有更大的优化空间，因为他不需要考虑其他各式各样机械臂的情况，甚至可以插入概念指令，都可以大幅度的提高作业效率和质量。(2)对于机械臂主体部分本实用新型的技术方案是可以实现作业范围内任何点任何角度的最简便实用新型的技术方案。第二节和第三节就如同一个可以更换角度的三角形，可伸至平面内最长距离内的任何点，而第一节的旋转让它不只在一个平面，而是立体空间。另外最后的小节辅助第三节的旋转可以实现单点的任何角度。这样就以最简便的方式实现了任何点任何角度的作业。(3)首先使用一种工具去高质量的完成各种各样的作业是不现实的，本实用新型的技术方案通过自由更换作业工具的方法使其可以实现。事实上这个地方比较重要，因为即要能自由的更换作业工具还要注重对作业精度的影响。并且本设计实用新型的技术方案的实施离不开大量的作业工具，所以也一定要注重对作业工具的开发。(4)本实用新型的技术方案在作业方面使用信息反馈和作业调整的方法确保作业的优质。信息反馈方面通过摄像头反应空间信息，压敏传感器时刻感知作业的力度，而红外感应器是为了在作业过程中不会误伤到人。本实用新型降低机械臂的设计运用成本，并运用方便，摆脱机械臂作业严格的环境限制。通过切换不同作业工具的方式实现相关作业。通过对控制软件、机械臂主体和接头部分的统一使其具备大规模生产和运用的能力，并且使用方便，可以用于依靠手工作业的工厂，厨房等重复性工作。为了大规模的替代重复性的手工作业。这个目的实际上是很伟大的，从科技造福人类的角度来说他可以很大程度的解放人类的双手，因为在很多人所不知的工厂里，无数的同胞在被迫夜以继日的做着着机械性的工作。如果万能机械臂能很好的替代重复性手工作业，很多很多的人就可以把时间和精力用来做更有价值更有意义的事情，也不必担心生产力的问题，这是本机械臂设计的初衷。

在科技造福人类的今天，机械臂开始渐渐使用，但使用的范围并不理想，深思并去了解过这个情况，主要因为机械臂控制系统使用的是示教模式，导致一个可以具体使用的机械臂设计和运用成本非常昂贵，并且环境条件限制苛刻而且功能单一，这样就形成了本来设计一款实用性机械臂就非常麻烦，而使用范围又非常的小，这是现有机械臂无法大规模使用的直接原因。对于这样的处境，本实用新型从几个方面进行了改进或打破原有方式而得以实现。并具有运用范围广泛，成本低，使用方便的优点。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案涉及以下几个重要概念：

可以编辑和执行相关逻辑和指令的控制软件，涉及内容有执行逻辑，概念指令，图像和压感识别，红外识别。

可以对作业范围内任何点任何角度进行移动和作业的机械臂主体。本机械臂会用到五或六个伺服电机，详见图解，这很大程度上仿生人的手臂，是多次探讨后最简便的方式。

可自由切换作业工具的机械电力接头，尝试过使用一个多功能接头，但后想人类的手臂尚不可完成还需要借助各种作业工具来完成，这样的要求是否过于不现实，也是因为本机械臂绝大部分使用的还是仿生原理，当然也不否定可以通过解决动力学的重要问题得以实现，但眼下暂时使用多工具的方式，并且还需要根据具体作业设计相关的作业工具。

执行逻辑是总结并在生活中运用非常广泛的一种思维方式，也就是说任何一件具体的工作时都会涉及两个重要步骤，一是状态确认，二是执行操作。当把一件具体事情的每个工作依次按这种逻辑完成的时候这件事情就可以完成了。这是本机械臂最重要的执行单位，称其为执行逻辑。

概念指令主要是针对现有机械臂对作业环境要求苛刻而设计的，它的作用在于通过对物体在作业范围内进行定位，之后转换成机械臂的扭动数据进行执行，直至状态吻合。运用于示例中①的移动到步骤。

图像识别是本机械臂进行状态判定的主要工具，虽然把立体和图像关联需要一定的技术支持，但发现如今的电子巡航，二维码识别技术等已经可以确定这不会使其成为瓶颈，即使有困难也可以通过图像扭曲的方法使其得以实现。压敏传感器主要用来转递压强值作为判定的，因为有些作业的需要例如压相关的。另外还建议使用红外传感器防止误伤到人，因为本机械臂对环境要求不是很高，难免不会有人的存在。

下面就以最常见的安装一颗螺丝为例，详细介绍下本机械臂的使用：

安装一颗螺丝需要分为三个步骤来完成，及取螺丝，戴螺丝，紧固螺丝。例如(也可能一个就够了，方便介绍)需要两个工具头，一个用于抓取和戴螺丝，一个用来紧固。

安装螺丝脚本：

1(取螺丝)。>这个只是名字用来标记，其实什么名字都可以

a、寻找(螺丝)并调用(一号)工具并移动到(可以抓取螺丝的位置状态)>表示状态正确可以抓取螺丝了。

b、执行(抓取螺丝)指令>这个可以预先设置电力接头可以用来完成抓取动作。

2(戴螺丝)。

a、寻找(螺丝杆)并移动到(可以戴螺丝的位置状态)>表示状态正确可以戴螺丝了还用是一号工具。

b、执行(戴螺丝)指令>这个也是预先设置电力接头可以用来完成戴的动作。

3(紧固螺丝)。

a、调用(二号)工具并移动到(可以紧固螺丝的位置状态)>表示状态正确可以紧固螺丝了调用可以预先设置指令。

b、执行(紧固螺丝)指令>这个也是预先设置电力接头可以用来紧固螺丝动作。

这是一个本机械臂具体使用时编辑的脚本指令，主要目的是示例，方便区分功能。如果第二步难以用一个工具完成也可以选择使用二号工具，第三步使用三号工具就好了。不难看出使用非常方便，很容易掌握。并且所有①都只涉及寻找图像，调用工具，移动到三类内容。所有的②也是只需要涉及一个固定的可以预先设置的移动和一个电力指令就可以完成。而且可以无视物体图像在作业范围内的位置。整个过程可以设置成循环，也可以设置长时间找不到报警，只需要一些简单的辅助设置即可。

根据上述示例解释整个机械臂的运转：

1、载入脚本；

2、开始执行脚本；

3、控制软件总控系统开始运行脚本；

4、总控系统载入(取螺丝)；

5、总控系统调用物体寻找模块寻找(螺丝)；

6、物体寻找模块载入(螺丝)图像；

7、物体寻找模块在作业范围内找到(螺丝)物体并上报总控系统；

8、如果物体寻找模块未找到(螺丝)图像将持续寻找，如果长时间未找到(螺丝)图像将反馈给总控系统；

9、总控系统启动报警模块启动报警；

10、总控系统收到找到(螺丝)信息；

11、总控系统调用机械臂控制模块执行(一号)指令；

12、机械臂控制模块执行(一号)指令；

13、(一号)指令执行完毕并上报总控系统；

14、总控系统收到(一号)指令执行完毕；

15、总控系统调用物体寻找模块，机械臂控制模块，概念指令模块执行(可以抓取螺丝的位置状态)指令；

16、物体寻找模块在作业范围内找到(可以抓取螺丝的位置状态)并上报总控系统；

17、总控系统收到找到(可以抓取螺丝的位置状态)信息；

18、总控系统结束(可以抓取螺丝的位置状态)指令；

19、总控系统调用机械臂控制模块执行(抓取螺丝)指令；

20、机械臂控制模块执行(抓取螺丝)指令；

21、(抓取螺丝)指令执行完毕并上报总控系统；

22、总控系统收到(抓取螺丝)指令执行完毕；

23、总控系统释放(取螺丝)；

24、……依次执行(戴螺丝)(紧固螺丝)；

25、执行完毕。

如果需要循环设置循环即可。所有①中“寻找”表示调用物体寻找模块，“调用”表示调用机械臂控制模块，“移动到”表示调用物体寻找模块、机械臂控制模块、概念指令模块。所有②中“执行()指令”表示调用机械臂控制模块。

本实用新型整个机械臂的运作也使用的是执行逻辑，执行逻辑的运用范围非常广泛。另外由于工厂因为要求保密，可以由自己的技术员自己编辑指令。而普通的日常生活中则可以通过云分享做具体事情的指令，也因为工具相似度高保密要求低。后期可以把做好的脚本放入逻辑控制模块以摆脱对电脑的依赖。要有抓取点并移动到点的能力。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种万能机械臂，其特征在于，所述万能机械臂包括第一横关节(1)、第一支臂(2)、第一竖关节(3)、第二支臂(4)、第二竖关节(5)、第三支臂(6)、第二横关节(7)、第四支臂(8)、第三竖关节(9)、第五支臂(10)、第三横关节(11)和第六支臂(12)，所述第一横关节(1)用于连接固定台(100)和第一支臂(2)的一端且第一横关节(1)的旋转轴线与第一支臂(2)轴线同轴，所述第一竖关节(3)用于连接第一支臂(2)的另一端和第二支臂(4)的一端且第一竖关节(3)的旋转轴线与第一支臂(2)和第二支臂(4)的轴线垂直，所述第二竖关节(5)用于连接第二支臂(4)的另一端和第三支臂(6)的一端且第二竖关节(5)的旋转轴线与第二支臂(4)和第三支臂(6)的轴线垂直，所述第二横关节(7)用于连接第三支臂(6)的另一端和第四支臂(8)的一端且第二横关节(7)的旋转轴线与第三支臂(6)和第四支臂(8)的轴线同轴，所述第三竖关节(9)用于连接第四支臂(8)的另一端和第五支臂(10)的一端且第三竖关节(9)的旋转轴线与第四支臂(8)和第五支臂(10)的轴线垂直，所述第三横关节(11)用于连接第五支臂(10)的另一端和第六支臂(12)的一端且所述第三横关节(11)的旋转轴线与第五支臂(10)和第六支臂(12)的轴线同轴；

所述第六支臂(12)的另一端可切换连接作业工具(21)；

所述作业工具(21)与所述第六支臂(12)的另一端通过切换接头或者电力接头相连。

2.根据权利要求1所述的万能机械臂，其特征在于，所述作业工具(21)与所述第六支臂(12)的另一端通过切换接头相连，所述切换接头包括与第六支臂(12)的另一端相连的旋转平台(221)和与旋转平台(221)相连的多个机械接头(222)，所述机械接头(222)的延伸方向与所述旋转平台(221)的旋转轴呈角度。

3.根据权利要求1所述的万能机械臂，其特征在于，所述作业工具(21)与所述第六支臂(12)的另一端通过电力接头相连，所述电力接头包括与所述第六支臂(12)的另一端相连的第一固定端(231)和与所述第一固定端(231)可拆卸连接的第二固定端(232)，所述第二固定端(232)与作业工具(21)相连，所述第一固定端(231)中设置有第一正极(2311)和第一负极(2312)，所述第二固定端(232)中设有与第一正极(2311)和第一负极(2312)相连的第二正极(2321)和第二负极(2322)。

4.根据权利要求3所述的万能机械臂，其特征在于，所述第一正极(2311)和第一负极(2312)间隔设置，所述第二正极(2321)和第二负极(2322)间隔设置，所述第一负极(2312)通过伸缩机构相反或相向所述第二负极(2322)移动。

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