CN220162460U - 一种基于齿轮齿条电机控制的小范围高精度机械臂结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于齿轮齿条电机控制的小范围高精度机械臂结构，涉及机械臂结构技术领域，包括机架、至少三个并联设置的驱动单元及夹持机构，驱动单元包括提供三向转动自由度的连杆机构及线性驱动机构；连杆机构的输入端和输出端分别与对应的线性驱动机构的输出端及夹持机构安装连接。本实用新型通过三个并联设置的驱动单元控制夹持机构，能够基于较低的控制成本实现夹持机构小范围运动的高精度控制，同时相对较小的运动区域结构限制性强，能从结构层面对机械臂前方待加工或处理的物体实现较好的保护；以各连杆机构和线性驱动机构分担驱动力，提高电机运行效率，减少电能和热能损耗，使机械臂整体能耗更低，并有效缓解机械臂的发热问题。

Description

一种基于齿轮齿条电机控制的小范围高精度机械臂结构

技术领域

本实用新型涉及机械臂结构技术领域，具体涉及一种用于小范围控制末端执行器位移及姿态的机械臂结构。

背景技术

机械臂是一种高精度、多输入多输出、高度非线性且强耦合的复杂系统，其以独特的操作灵活性，在工业装配、安全防爆等领域得到广泛应用。

现有的机械臂多为级联结构，该结构能通过较少的控制结构单元完成较大幅度的机械运动控制，但受传统级联结构弊端的影响，以及受级联结构导致的外部噪波等干扰效果放大的影响，该结构的机械臂不可避免地存在动作精度较低或制造成本过高的问题。

通过现有技术检索，存在以下已知的技术方案：

现有技术1：

申请号：CN202222822229.6，申请日：2022.10.26，公开(公告)日：2023.02.17，该现有技术提供一种机械臂结构，涉及机械臂技术领域，包括安装板，所述安装板的顶面固定安装有电动推杆，所述电动推杆的输出端安装有马达A，所述马达A的输出端安装有前关节臂，所述前关节臂的一端固定安装有马达B，所述马达B的输出端装有后关节臂，所述后关节臂的一端固定安装有竖杆，所述竖杆的底端固装有电磁铁，所述安装板的顶面开设有螺孔，所述螺孔的内壁插设有螺栓，所述安装板的顶面靠近边缘位置处固定安装有立块，所述立块的侧面贯穿设置有限位杆。本实用新型通过设置的限位杆能够对螺栓进行卡合，从而避免螺栓脱位，这样可以有效避免螺栓松动，保证了本实用新型的安装稳固，降低了维护人员的工作效率，实用性较高。

但上述现有技术通过舵机-机械臂结构级联控制，容易产生机械臂运动时受干扰产生小抖动等问题。

现有技术2：

申请号：CN202123261686.4，申请日：2021.12.23，公开(公告)日：2022.12.23，该现有技术公开了一种轻量型高强度液压机械臂结构，包括支撑机构，所述支撑机构的上侧设置有机械臂机构，所述机械臂机构包括横支撑臂和竖支撑臂，所述横支撑臂的下侧设置有连接杆，所述横支撑臂的两侧均开设有定位孔，所述连接杆的下侧设置有连接底座，所述竖支撑臂包括竖支撑臂本体和液压缸。本实用新型通过打开真空泵可使得真空吸盘将物料进行吸附，通过打开液压缸可使得液压缸带动连接块移动，从而使得竖支撑臂本体移动，避免液压缸受到拉力而发生损坏，通过定位板可以对液压缸起到固定作用，通过转动轴可以对限位孔以及定位孔起到限位作用从而使得竖支撑臂本体可以方便的绕着转动轴转动。

但上述现有技术中采用高强度液压控制机械臂结构，虽能较大程度保证结构的运行精度，但不可避免地大大增加了制造成本。

通过以上的检索发现，以上技术方案没有影响本实用新型的新颖性。

实用新型内容

本实用新型正是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种基于齿轮齿条电机控制的小范围高精度机械臂结构。

本实用新型为解决技术问题采用如下技术方案：一种基于齿轮齿条电机控制的小范围高精度机械臂结构，包括机架、至少三个并联设置的驱动单元及夹持机构；

所述驱动单元包括线性驱动机构和连杆机构；

所述连杆机构包括第一连杆、第二连杆和第三连杆；所述第一连杆的前端作为所述连杆机构的输入端，与对应的线性驱动机构的输出端转动安装连接；所述第一连杆的末端与所述第二连杆的前端转动安装连接，两者间构成第一转动副；所述第二连杆的末端与所述第三连杆的前端转动安装连接，两者间构成第二转动副；所述第三连杆的末端作为所述连杆机构的输出端，与所述夹持机构转动安装连接，两者间构成第三转动副；

所述第一转动副、第二转动副和第三转动副的转轴两两空间垂直设置；

所述线性驱动机构安装固定至机架上，各所述线性驱动机构沿所述夹持机构的周向布设，且各所述线性驱动机构输出的直线运动均平行。

进一步的，所述线性驱动机构包括套条、活动条、齿条结构、电机和齿轮；

所述套条的末端安装固定至所述机架上，所述活动条与所述套条配合安装，两者间形成与所述线性驱动机构输出的直线运动方向一致的移动副；所述活动条的顶沿处设有齿条结构，所述电机安装固定至所述套条上，其输出端安装固定有与所述齿条结构啮合的齿轮；

所述活动条作为所述驱动机构的输出端，与所述连杆机构的输入端安装连接，两者相对转动的转轴与所述齿轮的转轴平行。

进一步的，所述套条上沿移动副方向通长开设槽口，所述活动条上相应转动安装各限位轮；各所述限位轮配合安装至所述槽口内。

进一步的，所述活动条与套条可拆卸配合安装。

进一步的，所述夹持机构包括中心杆套筒、中心杆及夹爪结构；所述中心杆插设固定至所述中心杆套筒内，其前端伸出至所述中心杆套筒外，与所述夹爪结构安装固定。

进一步的，所述驱动单元的数量为三个，且三个所述驱动单元沿所述夹持机构的周向均布设置。

进一步的，还包括限制板；所述限制板位于所述夹持机构前方，安装固定至所述机架上。

进行物件加工时，可将待加工物件贴靠置于限制板前方，以初步限制待加工物件与夹持机构的相对位置，实现待加工物件的粗定位。

本实用新型提供了一种基于齿轮齿条电机控制的小范围高精度机械臂结构，具有以下有益效果：

1、本实用新型通过三个并联设置的驱动单元控制夹持机构，能够基于较低的控制成本实现夹持机构小范围运动的高精度控制，同时相对较小的运动区域结构限制性强，能从结构层面对机械臂前方待加工或处理的物体实现较好的保护；

2、本实用新型以各连杆机构和线性驱动机构分担驱动力，相较于级联结构的机械臂，有效降低了每个电机的轴外力矩，使电机转子在旋转过程中获得更大动能，从而提高电机运行效率，减少电能和热能损耗，使机械臂整体能耗更低，并有效缓解机械臂的发热问题；

3、本实用新型的结构对称性强，部件拆装便捷、换装成本低。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型线性驱动机构的结构示意图；

图3为本实用新型的局部结构示意图；

图4为本实用新型的连杆机构的爆炸结构示意图。

图中：

1、机架；2、线性驱动机构，21、套条，22、活动条，23、齿条结构，24、电机，25、齿轮，26、限位轮；3、连杆机构，31、第一连杆，32、第二连杆，33、第三连杆；4、夹持机构，41、中心杆套筒，42、中心杆，43、夹爪结构；5、限制板。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1～图4所示，其结构关系为：包括机架1、至少三个并联设置的驱动单元及夹持机构4；

驱动单元包括线性驱动机构2和连杆机构3；

连杆机构3包括第一连杆31、第二连杆32和第三连杆33；第一连杆31的前端作为连杆机构3的输入端，与对应的线性驱动机构2的输出端转动安装连接；第一连杆31的末端与第二连杆32的前端转动安装连接，两者间构成第一转动副；第二连杆32的末端与第三连杆33的前端转动安装连接，两者间构成第二转动副；第三连杆33的末端作为连杆机构3的输出端，与夹持机构4转动安装连接，两者间构成第三转动副；

第一转动副、第二转动副和第三转动副的转轴两两空间垂直设置；

线性驱动机构2安装固定至机架1上，各线性驱动机构2沿夹持机构4的周向布设，且各线性驱动机构2输出的直线运动均平行。

优选的，线性驱动机构2包括套条21、活动条22、齿条结构23、电机24和齿轮25；

套条21的末端安装固定至机架1上，活动条22与套条21配合安装，两者间形成与线性驱动机构2输出的直线运动方向一致的移动副；活动条22的顶沿处设有齿条结构23，电机24安装固定至套条21上，其输出端安装固定有与齿条结构23啮合的齿轮25；

活动条22作为驱动机构2的输出端，与连杆机构3的输入端安装连接，两者相对转动的转轴与齿轮25的转轴平行。

优选的，套条21上沿移动副方向通长开设槽口，活动条22上相应转动安装各限位轮26；各限位轮26配合安装至槽口内。各限位轮26于槽口内与套条22间形成滚动副，在保证活动条22相对套条21运动的一维性的同时，相较滑动连接有效降低了两者间的摩擦力，使两者间的相对运动更顺畅、稳定，同时利于电机负担、能耗的降低，及各部件使用寿命的延长。

优选的，活动条22与套条21可拆卸配合安装，以期在活动条22磨损后，便捷地进行其更换。

优选的，夹持机构4包括中心杆套筒41、中心杆42及夹爪结构43；中心杆42插设固定至中心杆套筒41内，其前端伸出至中心杆套筒41外，与夹爪结构43安装固定。

优选的，驱动单元的数量为三个，且三个驱动单元沿夹持机构4的周向均布设置。

优选的，还包括限制板5；限制板5位于夹持机构4前方，安装固定至机架1上。

进行物件加工时，可将待加工物件贴靠置于限制板5前方，以初步限制待加工物件与夹持机构4的相对位置，实现待加工物件的粗定位。

具体使用时，三个驱动单元共同实现夹持机构4小范围内位移状态和旋转姿态的控制。具体地，三个驱动单元中，各线性驱动机构2输出端的绝对位置决定夹持机构4的位移状态，各线性驱动机构2输出端的相对位置决定夹持机构4的旋转姿态。

并联控制的驱动形式相较于级联控制的驱动形式对电机动力性能的要求相对较低，在相同驱动力及驱动精度要求下，并联控制的驱动形式可选用价格相对较低的电机24，利于机械臂整体制造成本的控制。

线性驱动机构2输出端的位置信息由对应的连杆机构3唯一地反应至夹持机构4。单个线性驱动机构2的动作过程为：

齿轮25在电机24的驱动作用下正向或反向转动，与齿轮25啮合的齿条结构23在齿轮25的转动作用下，带动活动条22于套条21的相对限位作用下，沿移动副方向向前或向后平移；

上述过程中，各限位轮26于套条21的槽口内滚动，以在滚动摩擦的条件下支持活动条22相对于套条21更为顺畅、平稳的线性移动。

上述机械臂结构除了人工控制，也可与现有技术中的操作系统及控制程序配合使用，以实现更精准简洁地控制动作。

具体控制方法可参见《六自由度并联平台控制研究与实现》(古秋翔.六自由度并联平台控制研究与实现[D].电子科技大学,2022.DOI:10.27005/d.cnki.gdzku.2022.005041)。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于齿轮齿条电机控制的小范围高精度机械臂结构，其特征在于：包括机架(1)、至少三个并联设置的驱动单元及夹持机构(4)；

所述驱动单元包括线性驱动机构(2)和连杆机构(3)；

所述连杆机构(3)包括第一连杆(31)、第二连杆(32)和第三连杆(33)；所述第一连杆(31)的前端作为所述连杆机构(3)的输入端，与对应的线性驱动机构(2)的输出端转动安装连接；所述第一连杆(31)的末端与所述第二连杆(32)的前端转动安装连接，两者间构成第一转动副；所述第二连杆(32)的末端与所述第三连杆(33)的前端转动安装连接，两者间构成第二转动副；所述第三连杆(33)的末端作为所述连杆机构(3)的输出端，与所述夹持机构(4)转动安装连接，两者间构成第三转动副；

所述第一转动副、第二转动副和第三转动副的转轴两两空间垂直设置；

所述线性驱动机构(2)安装固定至机架(1)上，各所述线性驱动机构(2)沿所述夹持机构(4)的周向布设，且各所述线性驱动机构(2)输出的直线运动均平行。

2.根据权利要求1所述的一种基于齿轮齿条电机控制的小范围高精度机械臂结构，其特征在于：所述线性驱动机构(2)包括套条(21)、活动条(22)、齿条结构(23)、电机(24)和齿轮(25)；

所述套条(21)的末端安装固定至所述机架(1)上，所述活动条(22)与所述套条(21)配合安装，两者间形成与所述线性驱动机构(2)输出的直线运动方向一致的移动副；所述活动条(22)的顶沿处设有齿条结构(23)，所述电机(24)安装固定至所述套条(21)上，其输出端安装固定有与所述齿条结构(23)啮合的齿轮(25)；

所述活动条(22)作为所述驱动机构(2)的输出端，与所述连杆机构(3)的输入端安装连接，两者相对转动的转轴与所述齿轮(25)的转轴平行。

3.根据权利要求2所述的一种基于齿轮齿条电机控制的小范围高精度机械臂结构，其特征在于：所述套条(21)上沿移动副方向通长开设槽口，所述活动条(22)上相应转动安装各限位轮(26)；各所述限位轮(26)配合安装至所述槽口内。

4.根据权利要求2所述的一种基于齿轮齿条电机控制的小范围高精度机械臂结构，其特征在于：所述活动条(22)与套条(21)可拆卸配合安装。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于齿轮齿条电机控制的小范围高精度机械臂结构，其特征在于：所述夹持机构(4)包括中心杆套筒(41)、中心杆(42)及夹爪结构(43)；所述中心杆(42)插设固定至所述中心杆套筒(41)内，其前端伸出至所述中心杆套筒(41)外，与所述夹爪结构(43)安装固定。

6.根据权利要求1～3中任一项所述的一种基于齿轮齿条电机控制的小范围高精度机械臂结构，其特征在于：所述驱动单元的数量为三个，且三个所述驱动单元沿所述夹持机构(4)的周向均布设置。

7.根据权利要求1～3中任一项所述的一种基于齿轮齿条电机控制的小范围高精度机械臂结构，其特征在于：还包括限制板(5)；所述限制板(5)位于所述夹持机构(4)前方，安装固定至所述机架(1)上。