CN216577838U - 轻量型六自由度自主机械臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及机械臂技术领域，具体是指轻量型六自由度自主机械臂。包括碳板，碳板内有电机B，电机B的输出端有回转法兰盘，碳板一侧有碳管A、电机A，电机A的输出轴有小带轮，支撑板一侧有大带轮，大带轮一侧有碳管B，碳管B一端有舵机A，碳管B另一端有连接法兰，连接法兰一侧设有舵机B、舵机C、机械手、舵机D，机械爪固定转盘边缘有三个机械爪固定支撑架、机械爪，机械爪固定转盘一侧有连杆、球头扣、球头，碳板下方有机械臂底座，机械臂底座底部有回转轴承、从动链轮，大扭力舵机的输出端有舵机固定板、主动链轮、轴承座、挡边轴承。本实用新型要解决的技术问题是提供灵活抓取与拆装方便的轻量型六自由度自主机械臂。

Description

轻量型六自由度自主机械臂

技术领域

本实用新型涉及机械臂技术领域，具体是指轻量型六自由度自主机械臂。

背景技术

机械臂是指能模仿人手和臂的某些动作功能，用以固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。通过对市场上现有的机器人平台进行调查，我们发现现有的机械臂主要分为串联式机械臂和并联式机械臂，其中串联式机械臂更为常见，串联式机械臂的适用性更为广泛，且灵活性更高，并联式机械臂则常见于工厂流水线以及3D打印行业，普适性较低。而目前市场上常见的串联式机械臂大部分用于大型的工厂生产线以及医疗与科研的前端领域，且大多数造价昂贵，体型较大，缺少一种轻量型的机械臂。同时市面上的机械臂一般操作难度较高，或者由固定的操作路径，无法对其自由设计操作，缺少对机械臂自主操作的开发。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供灵活抓取与拆装方便的轻量型六自由度自主机械臂。

本实用新型提供的技术方案为：轻量型六自由度自主机械臂，其特征在于：包括碳板，所述碳板内设有电机B，所述电机B的输出端设有回转法兰盘，所述碳板一侧设有碳管A，所述碳管A远离碳板一端设有支撑板，所述支撑板一侧设有电机A，所述电机A的输出轴贯穿通过支撑板且设有小带轮，所述支撑板上位于小带轮同侧设有光面紧定轮，所述支撑板一端位于小带轮和光面紧定轮同侧设有大带轮，所述大带轮远离支撑板一侧设有转动板，所述转动板一侧设有碳管B，所述碳管B内部设有碳棒，所述碳管B一端设有舵机A，所述舵机A的输出端设有转动法兰，所述转动法兰与碳管B一端连接，所述碳管B远离转动法兰一端设有连接法兰，所述连接法兰远离碳管B一侧设有舵机B，所述舵机B远离来连接法兰一侧设有舵机C，所述舵机C一侧设有机械手，所述舵机C远离舵机B一侧设有舵机D，所述舵机D的输出端设有机械爪固定转盘，所述机械爪固定转盘边缘设有三个机械爪固定支撑架，三个所述机械爪固定支撑架上均设有机械爪，所述机械爪固定转盘一侧设有多个连杆，多个所述连杆上均设有球头扣，所述球头扣上设有球头，所述碳板下方设有机械臂底座，所述碳板与机械臂底座之间通过旋转法兰连接，所述机械臂底座底部设有回转轴承，所述回转轴承底部设有从动链轮，三个所述机械爪下方设有大扭力舵机，所述大扭力舵机的输出端设有舵机固定板，所述舵机固定板上设有主动链轮，所述主动链轮上设有轴承座，所述轴承座上设有挡边轴承。

所述碳管A与碳板和支撑板之间分别通过连接件A和连接件B连接。

所述碳棒一端套设有碳管管夹，所述碳管管夹与转动板固定连接。

所述舵机B的输出端与连接法兰一侧内壁连接，所述舵机C的输出端与舵机D连接。

所述主动链轮与从动链轮之间通过链条连接。

所述主动链轮、轴承座、挡边轴承均套设在大扭力舵机的输出轴上。

所述支撑板上靠近大带轮一侧内壁上设有空心电位计，所述大带轮与空心电位计通过轴连接。

本实用新型与现有技术相比的优点在于：本实用新型可以实现机械臂六自由度，保证机械臂的灵活性；实现较高的抓取能力，选用电机和舵机的组合来为机械臂提供动力，底部需要扭力较大的部位采用合理的传动方式来实现稳定的扭力输出；实现较高的机械臂负载自重比，机械臂有较好的抓取能力的同时，使用轻质的材料和结构，减小机械臂的自重，实现较高的机械臂负载自重比；实现较好的智能化，通过机械臂上搭载的摄像头，实现远程操纵和图像识别；实现1米的臂展，机械臂完全展开长度约1米；减小在抓取时机械臂自身带来的负担，合理布置各关节动力和结构部件，使其质心靠近底部，有效减少机械臂抓取时自身带来的阻力。

附图说明

图1是本实用新型轻量型六自由度自主机械臂的整体结构俯视图；

图2是本实用新型轻量型六自由度自主机械臂的整体结构主视图；

图3是本实用新型轻量型六自由度自主机械臂的整体结构侧视图；

图4是本实用新型轻量型六自由度自主机械臂的整体结构立体图；

图5是本实用新型轻量型六自由度自主机械臂的局部立体图；

图6是本实用新型轻量型六自由度自主机械臂的局部俯视图；

图7是本实用新型轻量型六自由度自主机械臂图局部侧视图；

图8是本实用新型轻量型六自由度自主机械臂的主动链轮和从动链轮主视图；

图9是本实用新型轻量型六自由度自主机械臂的主动链轮和从动链轮立体图。

如图所示：1、碳板；2、碳管A；3、电机A；4、小带轮；5、舵机A；6、舵机B；7、舵机C；8、舵机D；9、转动法兰；10、碳棒；11、碳管管夹；12、连接法兰；13、大带轮；14、机械爪固定支撑架；15、球头；16、连杆；17、机械爪；18、光面紧定轮；19、电机B；20、回转法兰盘；21、空心电位计；22、挡边轴承；23、轴承座；24、大扭力舵机；25、回转轴承；26、旋转法兰；27、从动链轮；28、舵机固定板；29、主动链轮；30、机械臂底座；31、碳管B；32、球头扣；33、机械爪固定转盘；34、支撑板；35、连接件A；36、连接件B；37、转动板；38、机械手。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型轻量型六自由度自主机械臂做进一步的详细说明。

轻量型六自由度自主机械臂，其特征在于：包括碳板1，所述碳板1内设有电机B19，所述电机B19的输出端设有回转法兰盘20，所述碳板1一侧设有碳管A2，所述碳管A2远离碳板1一端设有支撑板34，所述支撑板34一侧设有电机A3，所述电机A3的输出轴贯穿通过支撑板34且设有小带轮4，所述支撑板34上位于小带轮4同侧设有光面紧定轮18，所述支撑板34一端位于小带轮4和光面紧定轮18同侧设有大带轮13，所述大带轮13远离支撑板34一侧设有转动板37，所述转动板37一侧设有碳管B31，所述碳管B31内部设有碳棒10，所述碳管B31一端设有舵机A5，所述舵机A5的输出端设有转动法兰9，所述转动法兰9与碳管B31一端连接，所述碳管B31远离转动法兰9一端设有连接法兰12，所述连接法兰12远离碳管B31一侧设有舵机B6，所述舵机B6远离来连接法兰12一侧设有舵机C7，所述舵机C7一侧设有机械手38，所述舵机C7远离舵机B6一侧设有舵机D8，所述舵机D8的输出端设有机械爪固定转盘33，所述机械爪固定转盘33边缘设有三个机械爪固定支撑架14，三个所述机械爪固定支撑架14上均设有机械爪17，所述机械爪固定转盘33一侧设有多个连杆16，多个所述连杆16上均设有球头扣32，所述球头扣32上设有球头15，所述碳板1下方设有机械臂底座30，所述碳板1与机械臂底座30之间通过旋转法兰26连接，所述机械臂底座30底部设有回转轴承25，所述回转轴承25底部设有从动链轮27，三个所述机械爪17下方设有大扭力舵机24，所述大扭力舵机24的输出端设有舵机固定板28，所述舵机固定板28上设有主动链轮29，所述主动链轮29上设有轴承座23，所述轴承座23上设有挡边轴承22。

所述碳管A2与碳板1和支撑板34之间分别通过连接件A35和连接件B36连接。

所述碳棒10一端套设有碳管管夹11，所述碳管管夹11与转动板37固定连接。

所述舵机B6的输出端与连接法兰12一侧内壁连接，所述舵机C7的输出端与舵机D8连接。

所述主动链轮29与从动链轮27之间通过链条连接。

所述主动链轮29、轴承座23、挡边轴承22均套设在大扭力舵机24的输出轴上。

所述支撑板34上靠近大带轮13一侧内壁上设有空心电位计21，所述大带轮13与空心电位计21通过轴连接。

本实用新型在具体实施时，机械爪开合由电机提供动力，机械爪的自由度动力由多个舵机与多个电机共同提供，一级臂由电机B驱动，二级臂的动力由电机A提供，机械臂底座旋转动力由大扭力舵机搭配主动链轮和从动链轮与链条机构提供动力，电机通过主动链轮和从动链轮与链条机构降低输出转速提高输出扭矩，使得机械臂底座的旋转更加稳定，此外机械臂底座部分由回转轴承支撑，可以承受各向应力。一级臂与二级臂均由碳管与碳板搭建而成，重量轻盈，并由电机A和电机B搭配同步带进行动力输出，同步带的减速比进一步放大了抬升的动力，此外同步带的涨紧采用丝杠搭配顶块来实现涨紧，且涨紧杆穿过两侧碳板，避免了悬臂梁式涨紧的缺陷。机械爪拥有一个旋转的自由度，但若将提供动力的舵机D放于机械爪部分，则其重心太过靠上，在抓取物品时对一级臂及二级臂的动力输出负载太大，故将该旋转自由度的动力输出舵机D进行后移，移动至二级臂与一级臂的关节处，并通过实心碳管进行动力传递，同时由轴承座搭配轴承来保证碳管旋转中心不偏移。机械手的拥有左右、上下、旋转三个自由度，其中左右和上下自由度由大扭力舵机提供动力，旋转自由度则是为拧瓶盖拧螺丝等功能所加，为二级旋转单元，该自由度由小型电机提供动力，并加装电位器，进行角度测量，此外外端连接机械爪的部分为避免机械爪对小型电机输出轴的径向弯矩对电机造成太大负荷，在其连接处加装直推轴承，来消除对电机的径向弯矩，机械手的开合由电机通过球头丝杠机构提供动力，且爪数可调整。

机械臂控制系统主要由CAN通信模块、底座控制模块、一级臂电机控制模块、二级臂电机控制模块、多自由度舵机机械爪控制模块五部分构成，其主要控制过程为：上位机利用moveit的多自由度自主规划功能，进行机械臂的各自由度运动学结算，结算完成后经由上位机通信模块利用串口通信发送至电控层，电控层将串口协议转为CAN协议发送给底层控制模块进行各自由度舵机和电机控制，即依次控制六自由度的电机与舵机。其中上位机发送数据主要包括：底座目标角度值、一级臂二级臂目标角度值，四自由度机械爪舵机目标角度值，爪子开合指令，以及快速自动旋转指令。电控层MCU在二级臂部分结合角度电位器值计算当前角度，并利用PID算法进行控制；而一级臂的电机需要使用CAN通信协议发送目标的角度，内置驱动板完成操作；对于机械爪的舵机而言，电控层MCU将角度值转化为相应的PWM发送给舵机进行机械爪姿态控制，从而完成六自由度机械臂的操作要求。

机械臂是独立设计的一款带有三爪式机械手的六自由度机械臂，通过电子的机械臂模块和软件的ROS系统进行控制。软件正运动学部分通过对手柄的按钮和摇杆的解析，指定了控制机械臂各个自由度的转动命令。逆运动学自主部分通过快速扩展随机树算法，进行运动学解算与避障规划，通过GUI指定机械臂末端位置后，机械臂可以自主规划出一条路径来到达目标位置。最后通过ros controller作为中间件，控制真实机械臂。电子层由电子的机械臂模块对命令进行解封装和运动结算，转换为机械臂各个自由度的转动速度或角度，完成对机械臂的准确控制。

以上对本实用新型及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.轻量型六自由度自主机械臂，其特征在于：包括碳板(1)，所述碳板(1)内设有电机B(19)，所述电机B(19)的输出端设有回转法兰盘(20)，所述碳板(1)一侧设有碳管A(2)，所述碳管A(2)远离碳板(1)一端设有支撑板(34)，所述支撑板(34)一侧设有电机A(3)，所述电机A(3)的输出轴贯穿通过支撑板(34)且设有小带轮(4)，所述支撑板(34)上位于小带轮(4)同侧设有光面紧定轮(18)，所述支撑板(34)一端位于小带轮(4)和光面紧定轮(18)同侧设有大带轮(13)，所述大带轮(13)远离支撑板(34)一侧设有转动板(37)，所述转动板(37)一侧设有碳管B(31)，所述碳管B(31)内部设有碳棒(10)，所述碳管B(31)一端设有舵机A(5)，所述舵机A(5)的输出端设有转动法兰(9)，所述转动法兰(9)与碳管B(31)一端连接，所述碳管B(31)远离转动法兰(9)一端设有连接法兰(12)，所述连接法兰(12)远离碳管B(31)一侧设有舵机B(6)，所述舵机B(6)远离来连接法兰(12)一侧设有舵机C(7)，所述舵机C(7)一侧设有机械手(38)，所述舵机C(7)远离舵机B(6)一侧设有舵机D(8)，所述舵机D(8)的输出端设有机械爪固定转盘(33)，所述机械爪固定转盘(33)边缘设有三个机械爪固定支撑架(14)，三个所述机械爪固定支撑架(14)上均设有机械爪(17)，所述机械爪固定转盘(33)一侧设有多个连杆(16)，多个所述连杆(16)上均设有球头扣(32)，所述球头扣(32)上设有球头(15)，所述碳板(1)下方设有机械臂底座(30)，所述碳板(1)与机械臂底座(30)之间通过旋转法兰(26)连接，所述机械臂底座(30)底部设有回转轴承(25)，所述回转轴承(25)底部设有从动链轮(27)，三个所述机械爪(17)下方设有大扭力舵机(24)，所述大扭力舵机(24)的输出端设有舵机固定板(28)，所述舵机固定板(28)上设有主动链轮(29)，所述主动链轮(29)上设有轴承座(23)，所述轴承座(23)上设有挡边轴承(22)。

2.根据权利要求1所述的轻量型六自由度自主机械臂，其特征在于：所述碳管A(2)与碳板(1)和支撑板(34)之间分别通过连接件A(35)和连接件B(36)连接。

3.根据权利要求1所述的轻量型六自由度自主机械臂，其特征在于：所述碳棒(10)一端套设有碳管管夹(11)，所述碳管管夹(11)与转动板(37)固定连接。

4.根据权利要求1所述的轻量型六自由度自主机械臂，其特征在于：所述舵机B(6)的输出端与连接法兰(12)一侧内壁连接，所述舵机C(7)的输出端与舵机D(8)连接。

5.根据权利要求1所述的轻量型六自由度自主机械臂，其特征在于：所述主动链轮(29)与从动链轮(27)之间通过链条连接。

6.根据权利要求1所述的轻量型六自由度自主机械臂，其特征在于：所述主动链轮(29)、轴承座(23)、挡边轴承(22)均套设在大扭力舵机(24)的输出轴上。

7.根据权利要求1所述的轻量型六自由度自主机械臂，其特征在于：所述支撑板(34)上靠近大带轮(13)一侧内壁上设有空心电位计(21)，所述大带轮(13)与空心电位计(21)通过轴连接。

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