專利名稱：輕型機械臂的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種機械技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種輕型機械臂。
背景技術(shù)：
機械臂關(guān)節(jié)普遍采用電機、齒輪減速器、關(guān)節(jié)軸三者直接串聯(lián)的傳動機構(gòu)， 這種傳動機構(gòu)要求電機與齒輪減速器安裝在機械臂關(guān)節(jié)附近，機構(gòu)簡單但是結(jié)構(gòu) 不緊湊，外觀不整潔。尤其突出的缺點是，在多關(guān)節(jié)機械臂中，下一級關(guān)節(jié)的電 機與齒輪減速器等傳動裝置成為上一級關(guān)節(jié)的負(fù)載，提高了對機械臂動力和傳動 元件的要求，由此造成整體重量和內(nèi)部消耗的增加，降低了機械臂對外做功能力 和效率。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，楊汝清等人的中國發(fā)明專利ZL02112485.X 《多功能雙臂教育機器人》提出了一種多關(guān)節(jié)機器臂結(jié)構(gòu)。其中雙臂機器人的左 臂和右臂的大臂均用螺釘固定在機器人的肩部。大臂電機減速器組、小臂電機減 速器組均安裝在肩上，小臂電機減速器組的輸出軸通過鍵與平行四邊形的擺桿連 接，帶動小臂運動。該機構(gòu)的不足之處在于大臂和小臂均采用電機減速器串聯(lián) 傳動的形式，機械臂的精度受減速器的精度制約；由于減速器的存在，導(dǎo)致機械 臂總質(zhì)量增加，在使用高端減速器以保證機械臂的精度的情況下，導(dǎo)致整體成本 偏高；另一方面，帶動小臂從動軸運動的平行四邊形擺桿位于大臂的外側(cè)，加工 成本高，結(jié)構(gòu)不整潔。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在與針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種輕型機械臂，具有結(jié)構(gòu) 簡單重量輕，不使用高端減速器而是直接通過鋼絲繩傳動獲得減速，傳動鏈短精 度高剛度大，鋼絲繩張緊裝置簡單等特征，且成本低、動態(tài)性能好。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的，本發(fā)明包括肩部、小臂驅(qū)動軸、大 臂驅(qū)動軸、小臂空心軸、大臂空心軸、中心軸、大臂、小臂、平行四邊形連桿機 構(gòu)、小臂從動軸，大臂驅(qū)動軸和小臂驅(qū)動軸設(shè)置在肩部的U形槽中，兩軸的軸線 平行，中心軸設(shè)置在肩部和大臂根部的U形槽中，大臂空心軸套在中心軸的上部，小臂空心軸套在中心軸的下部，大臂空心軸與大臂固連，小臂從動軸設(shè)置在大臂 末端的U形槽中，同時位于小臂的中空部分，小臂空心軸和小臂從動軸借助平行
四邊形連桿機構(gòu)連接，大臂鋼絲繩穿過大臂空心軸一側(cè)的通 L，逆時針繞大臂空
心軸半圈，順時針繞大臂驅(qū)動軸六圈，再逆時針繞大臂空心軸半圈，穿過大臂空 心軸另一側(cè)的螺紋孔，穿過鋼絲繩張緊螺栓的中心通孔固定，小臂鋼絲繩穿過小 臂空心軸一側(cè)的通孔，逆時針繞小臂空心軸半圈，再順時針繞小臂驅(qū)動軸六圈， 逆時針繞小臂空心軸半圈，穿過小臂空心軸另一側(cè)的螺紋孔，再穿過鋼絲繩張緊 螺栓的中心通孔固定。
所述的大臂驅(qū)動軸和大臂空心軸，小臂驅(qū)動軸和小臂空心軸螺旋旋向相反，
導(dǎo)程相同，軸徑比均為l: 6，能實現(xiàn)6: l的減速比傳動。
所述的大臂驅(qū)動軸和小臂驅(qū)動軸到中心軸軸線的距離相等，大小臂驅(qū)動軸和
大小臂空心軸之間的距離為90. 5-92. 5mm。
所述的平行四邊形連桿機構(gòu)由第一連桿銷，小臂支架，連桿，第二連桿銷組 成，小臂支架固定在小臂上，第一連桿銷固定在小臂支架上，第二連桿銷固定在 小臂空心軸上，連桿連接在第一連桿銷和第二連桿銷之間。第一連桿銷的軸線、 第二連桿銷的軸線、小臂從動軸的軸線、小臂空心軸的軸線均平行，第一連桿銷 的軸線到小臂從動軸的軸線的距離和第二連桿銷的軸線到小臂空心軸的軸線距 離相等。第一連桿銷的軸線到第二連桿銷的軸線的距離和小臂從動軸的軸線到小 臂空心軸的軸線的距離相等。連接小臂空心軸和小臂的平行四邊形連桿機構(gòu)主體 位于大臂的空心內(nèi)部，從而結(jié)構(gòu)更加簡潔美觀。
大臂驅(qū)動軸正反轉(zhuǎn)動時，通過鋼絲繩的正反牽引帶動大臂空心軸以及大臂正 反轉(zhuǎn)動。小臂驅(qū)動軸正反轉(zhuǎn)動時，通過鋼絲繩的正反牽引帶動小臂空心軸正反轉(zhuǎn) 動，并通過小臂空心軸和小臂之間的平行四邊形連桿機構(gòu)帶動小臂正反轉(zhuǎn)動。在 需要調(diào)整鋼絲繩張緊力以增加傳動剛度時，只需旋轉(zhuǎn)鋼絲繩張緊螺栓，使其朝螺 紋孔的外側(cè)方向運動。
鋼絲繩的張緊是通過在大小臂空心軸鋼絲繩穿出一側(cè)的通孔末端加工螺紋 孔，在與螺紋孔配合的張緊螺栓中鉆通孔，鋼絲繩從螺栓通孔中穿出后固定，旋 出螺栓即實現(xiàn)鋼絲繩的張緊。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下的有益效果不使用傳統(tǒng)減速器，而采用 鋼絲繩減速傳動的形式，具有零間隙的特征，保證了準(zhǔn)確的減速比，提高了大小臂的運動精度，同時使機械臂的總體結(jié)構(gòu)更加簡單，質(zhì)量減輕，成本降低；內(nèi)置 平行四邊形連桿機構(gòu)使空間結(jié)構(gòu)更加簡潔。


圖1為本發(fā)明輕型機械臂的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明輕型機械臂的俯視圖。
圖3為平行四邊形連桿機構(gòu)原理示意圖。
圖4為鋼絲繩纏繞方式及鋼絲繩張緊螺栓工作原理圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例是在以本發(fā)明技術(shù)方 案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保 護范圍不限于下述的實施例。
如圖l、 2、 4所示，本實施例包括肩部l、小臂驅(qū)動軸14、大臂驅(qū)動軸2、 小臂空心軸7、大臂空心軸4、中心軸5、大臂8、小臂13、平行四邊形連桿機 構(gòu)9、小臂從動軸11，大臂驅(qū)動軸2和小臂驅(qū)動軸14設(shè)置在肩部1的U形槽中， 兩軸的軸線平行，中心軸5設(shè)置在肩部1和大臂8根部的U形槽中，大臂空心軸 4套在中心軸5的上部，小臂空心軸7套在中心軸5的下部，大臂空心軸7與大 臂8固連，小臂從動軸11設(shè)置在大臂8末端的U形槽中，同時位于小臂13的中 空部分，小臂空心軸7和小臂從動軸11借助平行四邊形連桿機構(gòu)9連接，大臂 鋼絲繩3穿過大臂空心軸7 —側(cè)的通 L，逆時針繞大臂空心軸4半圈，順時針繞 大臂驅(qū)動軸14六圈，再逆時針繞大臂空心軸4半圈，穿過大臂空心軸4另一側(cè) 的螺紋孔，穿過鋼絲繩張緊螺栓15的中心通孔固定，小臂鋼絲繩6穿過小臂空 心軸7 —側(cè)的通孔，逆時針繞小臂空心軸7半圈，再順時針繞小臂驅(qū)動軸14六 圈，逆時針繞小臂空心軸7半圈，穿過小臂空心軸7另一側(cè)的螺紋孔，再穿過鋼 絲繩張緊螺栓的中心通孔固定。由于大臂驅(qū)動軸2和大臂空心軸4，小臂驅(qū)動軸 14和小臂空心軸7之間的鋼絲繩纏繞是相互獨立的，故當(dāng)小臂驅(qū)動軸14帶動小 臂13運動時，大臂8的運動不受干擾。
所述的大臂驅(qū)動軸2和大臂空心軸4，小臂驅(qū)動軸14和小臂空心軸7螺旋 旋向相反，導(dǎo)程相同，軸徑比均為l: 6，能實現(xiàn)6: l的減速比傳動。
所述的大臂驅(qū)動軸2和小臂驅(qū)動軸14到中心軸軸線的距離相等，大小臂驅(qū) 動軸和大小臂空心軸之間的距離為90. 5-92. 5腿。如圖3所示，所述的平行四邊形連桿機構(gòu)9由第一連桿銷16，小臂支架17， 連桿18，第二連桿銷19組成，小臂支架17固定在小臂13上，第一連桿銷16 固定在小臂支架17上，第二連桿銷19固定在小臂空心軸7上，連桿18連接在 第一連桿銷16和第二連桿銷19之間。第一連桿銷16的軸線、第二連桿銷19 的軸線、小臂從動軸11的軸線、小臂空心軸7的軸線均平行，第一連桿銷16 的軸線到小臂從動軸11的軸線的距離和第二連桿銷19的軸線到小臂空心軸7 的軸線距離相等。第一連桿銷16的軸線到第二連桿銷19的軸線的距離和小臂從 動軸11的軸線到小臂空心軸7的軸線的距離相等。當(dāng)小臂驅(qū)動軸14帶動小臂空 心軸7運動時，小臂空心軸7通過第二連桿銷19帶動連桿18運動，連桿18通 過第一連桿銷16使小臂支架17運動，從而帶動小臂13運動。連接小臂空心軸 7和小臂13的平行四邊形連桿機構(gòu)9主體位于大臂8的空心內(nèi)部，從而使結(jié)構(gòu) 更加簡潔美觀。
機器人肩部1及大臂8兩端均為U形結(jié)構(gòu)以方便連接，大臂8中部的橫截面 和小臂13的橫截面都為中空筒狀。大臂驅(qū)動軸2和小臂驅(qū)動軸14都安裝在肩部 1，都可相對于肩部l自由轉(zhuǎn)動，中心軸5固定安裝在肩部1。大臂驅(qū)動軸2和 小臂驅(qū)動軸14和中心軸5三者并排并且軸線平行，中心軸5到大臂驅(qū)動軸2的 距離和中心軸5到小臂驅(qū)動軸7的距離相等。大臂空心軸4和大臂8 —端固定之 后安裝在中心軸5上，與大臂8 —起可以相對于中心軸5自由轉(zhuǎn)動。小臂空心軸 7安裝在中心軸5上，可以相對于中心軸5自由轉(zhuǎn)動。大臂空心軸4和小臂空心 軸7都位于肩部1和大臂8 —端的U形槽中。大臂驅(qū)動軸2和大臂空心軸4之間 纏繞鋼絲繩3，小臂驅(qū)動軸14和小臂空心軸4之間纏繞鋼絲繩6。小臂從動軸 11固定在大臂8的另一端U形槽內(nèi)部，小臂13安裝在小臂從動軸11上，可相 對于小臂從動軸11自由轉(zhuǎn)動。小臂空心軸7和小臂13之間通過平行四邊形連桿 機構(gòu)9連接。
大臂驅(qū)動軸2正反轉(zhuǎn)動時，通過鋼絲繩3的正反牽引帶動大臂空心軸4以及 大臂8正反轉(zhuǎn)動。小臂驅(qū)動軸14正反轉(zhuǎn)動時，通過鋼絲繩6的正反牽引帶動小 臂空心軸14正反轉(zhuǎn)動，并通過小臂空心軸14和小臂13之間的平行四邊形連桿 機構(gòu)9帶動小臂13正反轉(zhuǎn)動。在需要調(diào)整鋼絲繩張緊力以增加傳動剛度時，只 需旋轉(zhuǎn)鋼絲繩張緊螺栓，使其朝螺紋孔的外側(cè)方向運動。
鋼絲繩的張緊是通過在大小臂空心軸鋼絲繩穿出一側(cè)的通孔末端加工螺紋
6孔，在與螺紋孔配合的張緊15螺栓中鉆通 L，鋼絲繩從15螺栓通孔中穿出后固 定，旋出15螺栓即實現(xiàn)鋼絲繩的張緊。
該輕型機械臂結(jié)構(gòu)能夠通過大小臂的旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)對大小臂位置的準(zhǔn)確控
制和精確定位。其整個的運動過程可概述如下為控制大臂8的運動位置，可通
過跟大臂驅(qū)動軸2同軸安裝的電機驅(qū)動大臂驅(qū)動軸2旋轉(zhuǎn)，大臂驅(qū)動軸2通過大 臂鋼絲繩3帶動大臂空心軸4旋轉(zhuǎn)，而大臂空心軸4與大臂8固連，故當(dāng)大臂空 心軸4旋轉(zhuǎn)時，大臂8隨之轉(zhuǎn)動，小臂13安裝在大臂8上，故此時小臂13也跟 著旋轉(zhuǎn)。當(dāng)大臂8旋轉(zhuǎn)到所需的角度時，使電機停止轉(zhuǎn)動，此時大臂8以及與大 臂8末端相連的小臂13均停止運動，大臂8運動到所需的位置，而小臂13也旋 轉(zhuǎn)到一定的角度。為了使小臂13也運動到所需的位置，需對小臂13的位置進行 進一步的調(diào)整。此時可以通過與小臂驅(qū)動軸14同軸安裝的電機驅(qū)動小臂驅(qū)動軸 ll轉(zhuǎn)動，小臂驅(qū)動軸11通過小臂鋼絲繩6帶動小臂空心軸7轉(zhuǎn)動，小臂空心軸 7又通過平行四邊形連桿機構(gòu)9驅(qū)動小臂從動軸11轉(zhuǎn)動，當(dāng)小臂13運動到所需 位置時，電機制停，小臂13停止運動，從而實現(xiàn)對小臂13位置的進一步控制和 調(diào)整。在此過程中，大臂8不運動，仍停留在所需的位置。其中小臂空心軸7 到小臂從動軸11之間的運動傳遞是通過安裝在小臂空心軸7內(nèi)連接小臂空心軸 7和小臂驅(qū)動軸14的平行四邊形連桿機構(gòu)9實現(xiàn)的。
由于電機轉(zhuǎn)速很高，故通過電機驅(qū)動大小臂運動時，由大小臂驅(qū)動軸和大小 臂空心軸以及大臂鋼絲繩3、小臂鋼絲繩6組成的減速系統(tǒng)實現(xiàn)6: l的減速比。
大小臂的運動精度以及準(zhǔn)確減速比的實現(xiàn)通過大臂鋼絲繩3、小臂鋼絲繩6 的張緊裝置實現(xiàn)，通過對大臂鋼絲繩3和小臂鋼絲繩6的張緊，保證了準(zhǔn)確的減 速比，從而保證了大小臂運動位置的準(zhǔn)確控制。
權(quán)利要求
1、一種輕型機械臂，包括肩部、大臂、大臂驅(qū)動軸、大臂空心軸、小臂、小臂驅(qū)動軸、小臂空心軸、小臂從動軸、中心軸、平行四邊形連桿機構(gòu)，大臂驅(qū)動軸和小臂驅(qū)動軸設(shè)置在肩部的U形槽中，兩軸的軸線平行，中心軸設(shè)置在肩部和大臂根部的U形槽中，大臂空心軸套在中心軸的上部，小臂空心軸套在中心軸的下部，大臂空心軸與大臂固連，小臂從動軸設(shè)置在大臂末端的U形槽中，同時位于小臂的中空部分，小臂空心軸和小臂從動軸借助平行四邊形連桿機構(gòu)連接，其特征在于大臂鋼絲繩穿過大臂空心軸一側(cè)的通孔，逆時針繞大臂空心軸半圈，順時針繞大臂驅(qū)動軸六圈，再逆時針繞大臂空心軸半圈，穿過大臂空心軸另一側(cè)的螺紋孔，穿過鋼絲繩張緊螺栓的中心通孔固定，小臂鋼絲繩穿過小臂空心軸一側(cè)的通孔，逆時針繞小臂空心軸半圈，再順時針繞小臂驅(qū)動軸六圈，逆時針繞小臂空心軸半圈，穿過小臂空心軸另一側(cè)的螺紋孔，再穿過鋼絲繩張緊螺栓的中心通孔固定。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輕型機械臂，其特征是，所述的大臂驅(qū)動軸和大 臂空心軸，小臂驅(qū)動軸和小臂空心軸螺旋旋向相反，導(dǎo)程相同，軸徑比均為1: 6。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輕型機械臂，其特征是，所述的大臂驅(qū)動軸和小 臂驅(qū)動軸到中心軸軸線的距離相等，大臂驅(qū)動軸、小臂驅(qū)動軸間的距離及大臂空 心軸、小臂空心軸間的距離為90. 5-92. 5隱。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輕型機械臂，其特征是，所述的平行四邊形連桿 機構(gòu)包括第一連桿銷、小臂支架、連桿、第二連桿銷，小臂支架固定在小臂上， 第一連桿銷固定在小臂支架上，第二連桿銷固定在小臂空心軸上，連桿連接在第 一連桿銷和第二連桿銷之間，平行四邊形連桿機構(gòu)位于大臂的空心內(nèi)部。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的輕型機械臂，其特征是，所述第一連桿銷的軸線、 第二連桿銷的軸線、小臂從動軸的軸線、小臂空心軸的軸線均平行，第一連桿銷 的軸線到小臂從動軸的軸線的距離和第二連桿銷的軸線到小臂空心軸的軸線距 離相等，第一連桿銷的軸線到第二連桿銷的軸線的距離和小臂從動軸的軸線到小 臂空心軸的軸線的距離相等。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種輕型機械臂，包括肩部、小臂驅(qū)動軸、大臂驅(qū)動軸、小臂空心軸、大臂空心軸、中心軸、大臂、小臂、平行四邊形連桿機構(gòu)，通過鋼絲繩以6∶1的圈數(shù)比在大臂驅(qū)動軸和大臂空心軸、小臂驅(qū)動軸和小臂空心軸之間繞行，并保持張緊狀態(tài)。不使用傳統(tǒng)減速器，而采用鋼絲繩減速傳動的形式，具有零間隙的特征，保證了準(zhǔn)確的減速比，提高了大小臂的運動精度，同時使機械臂的總體結(jié)構(gòu)更加簡單，質(zhì)量減輕，成本降低；內(nèi)置平行四邊形連桿機構(gòu)使空間結(jié)構(gòu)更加簡潔。
文檔編號B25J18/00GK101549497SQ20091005118
公開日2009年10月7日 申請日期2009年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月14日
發(fā)明者呂萬明, 葦 張, 張偉軍, 袁建軍, 魏周蕊 申請人:上海交通大學(xué)