CN214520290U - 一种五自由度折叠机械臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种五自由度折叠机械臂，包括电机、底部旋转机构、机械臂、曲柄连杆机构、折叠臂和夹爪；本实用新型折叠臂通过设置前后布置的定子支架和转子支架，并配合定子支架安装在小臂之间，从而使得折叠臂串口舵机可带动折叠臂完全收拢于小臂的间隙之中，缩小占用空间；进一步地，安装在右侧基座上的小臂电机通过曲柄连杆机构间接驱动安装在大臂之间的小臂转动，通过该种设置方式可以让电机的重量集中在侧基座上，从而减轻关节处的负重，提升稳定性，同时可以使小臂能围绕大臂末端转动使小臂收拢于大臂的间隙之中，达到再一次的折叠，从而加大机械臂的折叠范围。

Description

一种五自由度折叠机械臂

技术领域

本实用新型涉及一种五自由度折叠机械臂，属于机械臂技术领域。

背景技术

机械臂是具有模仿人类手臂功能并可完成各种作业的自动控制设备，这种机器人系统由多关节连接并允许在平面或三维空间进行运动或者线性移动，由于其能根据程式按照作业需求完成一定的指定动作，所以机械臂被广泛用于组装、喷漆、焊接等工业生产中。

现有的机械臂结构大多折叠范围有限或伸缩范围有限，限制了机械臂的空间利用率和工作范围，而部分机械臂为了满足伸缩、旋转和升降功能，其结构设计复杂，体积庞大，不仅增大了机械臂所占空间，也加大了各功能部件或连接处的受力。因此，需要提供一种新的技术方案以解决此类问题。

发明内容

本实用新型提供了一种五自由度折叠机械臂，通过合理的构成及连接搭建了五自度机械臂进行折叠的平台。

本实用新型的技术方案是：一种五自由度折叠机械臂，包括电机、底部旋转机构、机械臂、曲柄连杆机构、折叠臂17和夹爪14；所述电机包括底部电机1、大臂电机26、小臂电机13、折叠臂串口舵机19、串口舵机16和夹爪电机15，所述机械臂包括小臂和大臂，所述小臂包括右小臂21和左小臂22，所述大臂包括右大臂23和左大臂24；所述底部旋转机构通过底部电机1提供动力，底部电机1驱动旋转盘5关节处自由度的转动，从而带动旋转盘5上安装的机械臂、夹爪、曲柄连杆机构、折叠臂17共同转动；所述大臂通过大臂电机26提供动力，大臂电机26驱动左大臂24转动，左大臂24带动右大臂23共同转动；所述小臂通过小臂电机13提供动力，小臂电机13通过曲柄连杆机构间接驱动小臂转动，实现小臂关节处自由度的转动，将小臂收拢于右大臂23和左大臂24之间；所述折叠臂通过折叠臂串口舵机19提供动力，折叠臂串口舵机19驱动折叠臂17的旋转，实现折叠臂关节处自由度的转动，将折叠臂17收拢于左小臂22和右小臂21之间；所述夹爪14通过串口舵机16提供动力，串口舵机16驱动夹爪14整体的转动；通过夹爪电机15提供动力，实现夹爪14的开合。

所述底部旋转机构包括底座2、法兰盘3、支撑板4、旋转盘5、止推球轴承6、基座7、圆锥滚子轴承8和阶梯式法兰9；所述旋转盘5由底部电机1驱动，安装在底座2中的底部电机1的定子端与法兰盘3固定连接，法兰盘3与安装在法兰盘3上的支撑板4固定连接，支撑板4与底座2顶部开口端固定连接，底部电机1的转子端通过阶梯式法兰9与旋转盘5固定连接，阶梯式法兰9与其上方的旋转盘5连接，上下布置的止推球轴承6和圆锥滚子轴承8的内圈分别与阶梯式法兰9不同轴径的阶梯轴过渡配合，止推球轴承6和圆锥滚子轴承8的外圈分别与基座7内不同孔径的阶梯孔过盈配合，基座7底部与支撑板4顶部固定连接。

所述左大臂24和右大臂23固定连接；大臂电机26的定子端通过大臂电机法兰盘25与左侧基座27连接，左侧基座27连接到旋转盘5上，大臂电机26的转子端通过法兰28与左大臂24固定连接。

所述曲柄连杆机构包括曲柄11和连杆12；所述左小臂22和右小臂21固定连接；小臂电机13的定子端与小臂电机法兰盘34固定连接，小臂电机法兰盘34与右侧基座10固定连接，右侧基座10连接到旋转盘5上，小臂电机13的转子端与法兰轴31一端固定连接，法兰轴31的另一端依次穿过右侧基座10、支撑座32、深沟球轴承30、弹性挡圈33、右大臂23、定位挡圈29后与曲柄11一端固定连接，曲柄11另一端与连杆12一端通过滚动轴承39和限位螺栓40形成转动副，连杆12末端与右小臂21一端通过无油衬套、滚动轴承和限位螺栓形成转动副，右小臂21中端通过滚动轴承和限位螺栓与右大臂23末端形成转动副，左小臂22中端通过滚动轴承和限位螺栓与左大臂24末端形成转动副。

所述右侧基座10和支撑座32固定连接，深沟球轴承30的内圈与支撑座32的内轴间隙配合，深沟球轴承30的外半圈与右大臂23的前端孔间隙配合，支撑座32内轴末端设有槽，深沟球轴承30相对于支撑座32的轴向固定通过安装在槽上的弹性挡圈33实现，右大臂23相对于深沟球轴承30的轴向固定通过与右大臂23固连的定位挡圈29实现。

所述折叠臂串口舵机19的定子端与定子支架20固定连接，定子支架20分别与右小臂21和左小臂22的末端固定连接，折叠臂串口舵机19的转子端通过转子支架18与折叠臂17连接，实现折叠臂串口舵机19驱动折叠臂17的旋转。

所述串口舵机16的定子端固定在折叠臂17的末端，串口舵机16的转子端与夹爪固定座38固定连接。

所述夹爪14包括从动齿轮爪35、主动齿轮爪36、舵轮37和夹爪固定座38；所述夹爪舵机15连接在夹爪固定座38上，夹爪电机15的转子端安装舵轮37，舵轮37与主动齿轮爪36固定连接，主动齿轮爪36通过齿轮啮合传动，从而实现从动齿轮爪35的转动，进而实现夹爪14的开合。

本实用新型的有益效果是：本实用新型折叠臂通过设置前后布置的定子支架和转子支架，并配合定子支架安装在小臂之间，从而使得折叠臂串口舵机可带动折叠臂完全收拢于小臂的间隙之中，缩小占用空间；进一步地，安装在右侧基座上的小臂电机通过曲柄连杆机构间接驱动安装在大臂之间的小臂转动，通过该种设置方式可以让电机的重量集中在侧基座上，从而减轻关节处的负重，提升稳定性，同时可以使小臂能围绕大臂末端转动使小臂收拢于大臂的间隙之中，达到再一次的折叠，从而加大机械臂的折叠范围。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构图；

图2是本实用新型的底部旋转机构的剖视图；

图3是本实用新型的折叠效果图；

图4是本实用新型的上半部分的剖视图；

图5是本实用新型右侧基座处的爆炸图；

图6是本实用新型的夹爪的结构图；

附图标记：1、底部电机；2、底座；3、法兰盘；4、支撑板；5、旋转盘；6、止推球轴承；7、基座；8、圆锥滚子轴承；9、阶梯式法兰；10、右侧基座；11、曲柄；12、连杆；13、小臂电机；14、夹爪；15、夹爪电机；16、串口舵机；17、折叠臂；18、转子支架；19、折叠臂串口舵机；20、定子支架；21、右小臂；22、左小臂；23、右大臂；24、左大臂；25、大臂电机法兰盘；26、大臂电机；27、左侧基座；28、法兰；29、定位挡圈；30、深沟球轴承；31、法兰轴；32、支撑座；33、弹性挡圈；34、小臂电机法兰盘；35、从动齿轮爪；36、主动齿轮爪；37、舵轮；38、夹爪固定座；39、滚动轴承；40、限位螺栓。

具体实施方式

实施例1：如图1-6所示，一种五自由度折叠机械臂，包括电机、底部旋转机构、机械臂、曲柄连杆机构、折叠臂17和夹爪14；所述电机包括底部电机1、大臂电机26、小臂电机13、折叠臂串口舵机19、串口舵机16和夹爪电机15，所述机械臂包括小臂和大臂，所述小臂包括右小臂21和左小臂22，所述大臂包括右大臂23和左大臂24；所述底部旋转机构通过底部电机1提供动力，底部电机1驱动旋转盘5关节处自由度的转动，从而带动旋转盘5上安装的机械臂、夹爪、曲柄连杆机构、折叠臂17共同转动；所述大臂通过大臂电机26提供动力，大臂电机26驱动左大臂24转动，左大臂24带动右大臂23共同转动；所述小臂通过小臂电机13提供动力，小臂电机13通过曲柄连杆机构间接驱动小臂转动，实现小臂关节处自由度的转动，将小臂收拢于右大臂23和左大臂24之间；所述折叠臂通过折叠臂串口舵机19提供动力，折叠臂串口舵机19驱动折叠臂17的旋转，实现折叠臂关节处自由度的转动，将折叠臂17收拢于左小臂22和右小臂21之间；所述夹爪14通过串口舵机16提供动力，串口舵机16驱动夹爪14整体的转动；通过夹爪电机15提供动力，实现夹爪14的开合。

进一步地，可以设置所述底部旋转机构包括底座2、法兰盘3、支撑板4、旋转盘5、止推球轴承6、基座7、圆锥滚子轴承8和阶梯式法兰9；所述旋转盘5由底部电机1驱动，安装在底座2中的底部电机1的定子端与法兰盘3螺栓固定连接，法兰盘3与安装在法兰盘3上的支撑板4螺栓固定连接，支撑板4通过沉头螺栓与底座2顶部开口端固定连接，底部电机1的转子端通过阶梯式法兰9与旋转盘5螺栓固定连接，阶梯式法兰9与其上方的旋转盘5螺栓连接，上下布置的止推球轴承6和圆锥滚子轴承8的内圈分别与阶梯式法兰9不同轴径的阶梯轴过渡配合，止推球轴承6和圆锥滚子轴承8的外圈分别与基座7内不同孔径的阶梯孔过盈配合，基座7底部通过螺栓与支撑板4顶部固定连接。止推球轴承6与圆锥滚子轴承8的轴向约束由基座7实现，由此实现底部电机1驱动旋转盘5关节处自由度的转动。

其中，通过采用止推球轴承6、圆锥滚子轴承8与基座7的配合，使底座2承受整体的轴向力和径向力，从而保证底部电机1的运转性能。

进一步地，可以设置所述左大臂24和右大臂23通过双通螺柱实现固定连接，从而保证整个大臂转动的一致性；大臂电机26的定子端通过大臂电机法兰盘25与左侧基座27连接，左侧基座27通过沉头螺栓连接到旋转盘5上，大臂电机26的转子端通过法兰28与左大臂24固定连接。从而实现由大臂电机26驱动大臂关节处自由度的转动。

进一步地，可以设置所述曲柄连杆机构包括曲柄11和连杆12；所述左小臂22和右小臂21通过双通螺柱实现固定连接，通过双通螺柱从而保证整个小臂转动的一致性；小臂电机13的定子端通过螺栓与小臂电机法兰盘34固定连接，小臂电机法兰盘34通过螺栓与右侧基座10固定连接，右侧基座10通过沉头螺栓连接到旋转盘5上，小臂电机13的转子端与法兰轴31一端通过螺栓固定连接，法兰轴31的另一端依次穿过右侧基座10、支撑座32、深沟球轴承30、弹性挡圈33、右大臂23、定位挡圈29后与曲柄11一端通过螺纹胶固定连接，曲柄11另一端与连杆12一端通过滚动轴承39和限位螺栓40形成转动副，连杆12末端与右小臂21一端通过无油衬套、滚动轴承和限位螺栓形成转动副，右小臂21中端通过滚动轴承和限位螺栓与右大臂23末端形成转动副，左小臂22中端通过滚动轴承和限位螺栓与左大臂24末端形成转动副。实现小臂电机13通过曲柄连杆机构间接驱动小臂转动，实现小臂关节处自由度的转动，从而小臂可收拢于右大臂23和左大臂24之间，达到折叠效果。

进一步地，可以设置所述右侧基座10和支撑座32通过螺栓固定连接，深沟球轴承30的内圈与支撑座32的内轴间隙配合，深沟球轴承30的外半圈与右大臂23的前端孔间隙配合，支撑座32内轴末端设有槽，深沟球轴承30相对于支撑座32的轴向固定通过安装在槽上的弹性挡圈33实现，右大臂23相对于深沟球轴承30的轴向固定通过与右大臂23螺栓固连的定位挡圈29实现。由此实现右大臂23关节处的从动转动。在大臂电机26驱动整个大臂转动的过程中，右大臂关节处通过支撑座32和深沟球轴承30的配合，保证了大臂整体转动的平滑性。

进一步地，可以设置所述折叠臂串口舵机19的定子端与定子支架20通过螺栓固定连接，定子支架20分别与右小臂21和左小臂22的末端通过螺栓固定连接，折叠臂串口舵机19的转子端通过转子支架18与折叠臂17螺栓连接，实现折叠臂串口舵机19驱动折叠臂17的旋转。其中，折叠状态下，折叠臂串口舵机19的定子端安装孔中心线与转子端轴线呈前后布置，实现折叠臂关节处自由度的转动，从而折叠臂17可完全收拢于左小臂22和右小臂21之间，达到折叠效果。

进一步地，可以设置所述串口舵机16的定子端通过螺栓固定在折叠臂17的末端，串口舵机16的转子端与夹爪固定座38通过螺栓固定连接。从而实现由串口舵机16驱动机械臂末端处自由度即夹爪14整体的转动。

进一步地，可以设置所述夹爪14包括从动齿轮爪35、主动齿轮爪36、舵轮37和夹爪固定座38；所述夹爪舵机15通过螺栓连接在夹爪固定座38上，夹爪电机15的转子端安装舵轮37，舵轮37与主动齿轮爪36固定连接，主动齿轮爪36通过齿轮啮合传动，从而实现从动齿轮爪35的转动，进而实现夹爪14的开合。在机械臂末端夹爪处，通过主动齿轮爪36和从动齿轮爪35的齿轮啮合配合，实现由夹爪电机15控制夹爪的开合，从而实现抓取功能。

进一步地，可以设置所述电机包括底部电机1、大臂电机26、小臂电机13、夹爪电机15采用无刷直流电机，也可采用舵机等，其对应壳体作为定子端。折叠臂串口舵机19采用串口舵机，通过特定的安装方式(折叠状态下，即图3所示状态，折叠臂串口舵机19的定子端安装孔中心线与转子端轴线呈前后布置)，可以确保更好地折叠。

本实用新型的工作原理：本实用新型通过底部电机1、大臂电机26、小臂电机13、折叠臂串口舵机19和串口舵机16分别驱动底部旋转盘关节、大臂关节、小臂关节、折叠臂关节和机械臂末端关节这五个自由度的旋转，夹爪电机15通过爪上的齿轮啮合实现夹爪14的开合。

具体的：所述底部旋转机构通过底部电机1提供动力，底部电机1驱动阶梯式法兰9带动旋转盘5转动，进而带动旋转盘5上安装的机械臂、夹爪、曲柄连杆机构、折叠臂17共同转动；大臂通过大臂电机26提供动力，大臂电机26带动工字型法兰28运动，法兰28带动左大臂24转动，左大臂24和右大臂23通过双通螺柱实现固定连接，左大臂24带动右大臂23共同转动，同时整个大臂转动趋于一致；小臂通过小臂电机13提供动力，小臂电机13通过曲柄连杆机构间接驱动小臂转动，实现小臂关节处自由度的转动，将小臂收拢于右大臂23和左大臂24之间；折叠臂通过折叠臂串口舵机19提供动力，通过折叠臂串口舵机特有的位置模式功能，使得控制简单、负载轻，同时折叠臂串口舵机19驱动折叠臂17的旋转，实现折叠臂关节处自由度的转动，将折叠臂17收拢于左小臂22和右小臂21之间；夹爪14通过串口舵机16提供动力，串口舵机16驱动夹爪14整体的转动；通过夹爪电机15提供动力，实现夹爪14的开合。

上面结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (8)

1.一种五自由度折叠机械臂，其特征在于：包括电机、底部旋转机构、机械臂、曲柄连杆机构、折叠臂（17）和夹爪（14）；所述电机包括底部电机（1）、大臂电机（26）、小臂电机（13）、折叠臂串口舵机（19）、串口舵机（16）和夹爪电机（15），所述机械臂包括小臂和大臂，所述小臂包括右小臂（21）和左小臂（22），所述大臂包括右大臂（23）和左大臂（24）；

所述底部旋转机构通过底部电机（1）提供动力，底部电机（1）驱动旋转盘（5）关节处自由度的转动，从而带动旋转盘（5）上安装的机械臂、夹爪、曲柄连杆机构、折叠臂（17）共同转动；

所述大臂通过大臂电机（26）提供动力，大臂电机（26）驱动左大臂（24）转动，左大臂（24）带动右大臂（23）共同转动；

所述小臂通过小臂电机（13）提供动力，小臂电机（13）通过曲柄连杆机构间接驱动小臂转动，实现小臂关节处自由度的转动，将小臂收拢于右大臂（23）和左大臂（24）之间；

所述折叠臂通过折叠臂串口舵机（19）提供动力，折叠臂串口舵机（19）驱动折叠臂（17）的旋转，实现折叠臂关节处自由度的转动，将折叠臂（17）收拢于左小臂（22）和右小臂（21）之间；

所述夹爪（14）通过串口舵机（16）提供动力，串口舵机（16）驱动夹爪（14）整体的转动；通过夹爪电机（15）提供动力，实现夹爪（14）的开合。

2.根据权利要求1所述的五自由度折叠机械臂，其特征在于：所述底部旋转机构包括底座（2）、法兰盘（3）、支撑板（4）、旋转盘（5）、止推球轴承（6）、基座（7）、圆锥滚子轴承（8）和阶梯式法兰（9）；所述旋转盘（5）由底部电机（1）驱动，安装在底座（2）中的底部电机（1）的定子端与法兰盘（3）固定连接，法兰盘（3）与安装在法兰盘（3）上的支撑板（4）固定连接，支撑板（4）与底座（2）顶部开口端固定连接，底部电机（1）的转子端通过阶梯式法兰（9）与旋转盘（5）固定连接，阶梯式法兰（9）与其上方的旋转盘（5）连接，上下布置的止推球轴承（6）和圆锥滚子轴承（8）的内圈分别与阶梯式法兰（9）不同轴径的阶梯轴过渡配合，止推球轴承（6）和圆锥滚子轴承（8）的外圈分别与基座（7）内不同孔径的阶梯孔过盈配合，基座（7）底部与支撑板（4）顶部固定连接。

3.根据权利要求1所述的五自由度折叠机械臂，其特征在于：所述左大臂（24）和右大臂（23）固定连接；大臂电机（26）的定子端通过大臂电机法兰盘（25）与左侧基座（27）连接，左侧基座（27）连接到旋转盘（5）上，大臂电机（26）的转子端通过法兰（28）与左大臂（24）固定连接。

4.根据权利要求1所述的五自由度折叠机械臂，其特征在于：所述曲柄连杆机构包括曲柄（11）和连杆（12）；所述左小臂（22）和右小臂（21）固定连接；小臂电机（13）的定子端与小臂电机法兰盘（34）固定连接，小臂电机法兰盘（34）与右侧基座（10）固定连接，右侧基座（10）连接到旋转盘（5）上，小臂电机（13）的转子端与法兰轴（31）一端固定连接，法兰轴（31）的另一端依次穿过右侧基座（10）、支撑座（32）、深沟球轴承（30）、弹性挡圈（33）、右大臂（23）、定位挡圈（29）后与曲柄（11）一端固定连接，曲柄（11）另一端与连杆（12）一端通过滚动轴承（39）和限位螺栓（40）形成转动副，连杆（12）末端与右小臂（21）一端通过无油衬套、滚动轴承和限位螺栓形成转动副，右小臂（21）中端通过滚动轴承和限位螺栓与右大臂（23）末端形成转动副，左小臂（22）中端通过滚动轴承和限位螺栓与左大臂（24）末端形成转动副。

5.根据权利要求4所述的五自由度折叠机械臂，其特征在于：所述右侧基座（10）和支撑座（32）固定连接，深沟球轴承（30）的内圈与支撑座（32）的内轴间隙配合，深沟球轴承（30）的外半圈与右大臂（23）的前端孔间隙配合，支撑座（32）内轴末端设有槽，深沟球轴承（30）相对于支撑座（32）的轴向固定通过安装在槽上的弹性挡圈（33）实现，右大臂（23）相对于深沟球轴承（30）的轴向固定通过与右大臂（23）固连的定位挡圈（29）实现。

6.根据权利要求1所述的五自由度折叠机械臂，其特征在于：所述折叠臂串口舵机（19）的定子端与定子支架（20）固定连接，定子支架（20）分别与右小臂（21）和左小臂（22）的末端固定连接，折叠臂串口舵机（19）的转子端通过转子支架（18）与折叠臂（17）连接，实现折叠臂串口舵机（19）驱动折叠臂（17）的旋转。

7.根据权利要求1所述的五自由度折叠机械臂，其特征在于：所述串口舵机（16）的定子端固定在折叠臂（17）的末端，串口舵机（16）的转子端与夹爪固定座（38）固定连接。

8.根据权利要求1所述的五自由度折叠机械臂，其特征在于：所述夹爪（14）包括从动齿轮爪（35）、主动齿轮爪（36）、舵轮（37）和夹爪固定座（38）；所述夹爪电机（15）连接在夹爪固定座（38）上，夹爪电机（15）的转子端安装舵轮（37），舵轮（37）与主动齿轮爪（36）固定连接，主动齿轮爪（36）通过齿轮啮合传动，从而实现从动齿轮爪（35）的转动，进而实现夹爪（14）的开合。

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