一種可變自由度的模塊化機(jī)械臂的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機(jī)械臂，具體來(lái)說(shuō)，是一種可變自由度的模塊化機(jī)械臂，通過(guò)多個(gè)獨(dú)立的模塊單體和連接件組成的，具有典型的模塊化特點(diǎn)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)產(chǎn)品朝著智能化、系統(tǒng)化、微型化與模塊化的方向發(fā)展。尤其是在輕型機(jī)械臂領(lǐng)域，機(jī)械臂有著高精化、模塊化、輕量化和多軸化的發(fā)展趨勢(shì)。而對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械臂來(lái)說(shuō)，由于其構(gòu)型的較為固定，各個(gè)自由度之間結(jié)構(gòu)形式都不相同，不具有可替換性，組成方式較為單一，受到自身結(jié)構(gòu)的限制，決定了其功能的單一化，無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境和任務(wù)。
[0003]現(xiàn)有的傳統(tǒng)機(jī)械臂是模擬人的上臂構(gòu)成的，為了保證機(jī)械臂具有六個(gè)空間自由度，其主動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)目一般為6，一般情況下全為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，而且其前三個(gè)關(guān)節(jié)集中在腕部，每個(gè)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式都不大相同，這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對(duì)工作空間大。但是由于其各個(gè)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)形式都不大相同，各個(gè)關(guān)節(jié)無(wú)法完成任意組合和替換，靈活性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種可變自由度的模塊化機(jī)械臂，采用一個(gè)或多個(gè)模塊化設(shè)計(jì)的機(jī)械臂關(guān)節(jié)進(jìn)行拼接，組成任意自由度的機(jī)械臂，具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，具有強(qiáng)大的功能可擴(kuò)展性、靈活性和適應(yīng)性。
[0005]一種可變自由度的模塊化機(jī)械臂，包括基座、機(jī)械臂連桿與機(jī)械臂關(guān)節(jié)；基座用來(lái)支撐機(jī)械臂，并實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的設(shè)置與安裝；機(jī)械臂連桿之間、機(jī)械臂連桿與基座間以及機(jī)械臂連桿與末端執(zhí)行器間均通過(guò)機(jī)械臂關(guān)節(jié)進(jìn)行連接。
[0006]所述機(jī)械臂關(guān)節(jié)包括輸出法蘭軸、諧波減速器、中空軸電機(jī)、剎車(chē)裝置與雙碼盤(pán)定位機(jī)構(gòu)。所述輸出法蘭軸為輸出法蘭和輸出軸兩部分構(gòu)成的一體結(jié)構(gòu)；輸出法蘭與輸出軸前端同軸相接。其中，輸出軸上由前至后依次同軸套有諧波減速器、中空軸電機(jī)、剎車(chē)裝置與雙碼盤(pán)定位機(jī)構(gòu)；諧波減速器、中空軸電機(jī)、剎車(chē)裝置、雙碼盤(pán)定位機(jī)構(gòu)均位于外殼內(nèi)。
[0007]上述諧波減速器通過(guò)螺釘固定于輸出法蘭上；中空軸電機(jī)的中空軸前端通過(guò)螺釘連接在諧波減速器的輸入端；中空軸電機(jī)工作，中空軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)諧波減速器減速后，帶動(dòng)輸出法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)。剎車(chē)裝置安裝在中空軸電機(jī)的中空軸后端套有的后端蓋上，后端蓋與外殼固定；剎車(chē)裝置用來(lái)實(shí)現(xiàn)中空軸電機(jī)中空軸的制動(dòng)。
[0008]所述雙碼盤(pán)定位機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電路板、速度增量編碼器和位置增量編碼器。其中，速度增量編碼器與位置增量編碼器均為中空結(jié)構(gòu)的光柵編碼器；速度增量編碼器具有一個(gè)停止位，輸出信號(hào)為A、B、Z三相差分信號(hào)。速度增量編碼器固定于中空軸后端端部，需保證速度增量編碼器的Z相停止位與電機(jī)轉(zhuǎn)子的一相對(duì)齊；位置增量編碼器固定在輸出軸后端端部。驅(qū)動(dòng)電路板設(shè)置于速度增量編碼器與位置增量編碼器之間，通過(guò)的銅柱固定支撐在后端蓋上。驅(qū)動(dòng)電路板的前后端面上分別安裝有速度增量編碼器讀頭與位置增量編碼器讀頭，用來(lái)實(shí)時(shí)讀取速度增量編碼器與位置增量編碼器產(chǎn)生的差分信號(hào)，進(jìn)而確定得到中空軸的速度信息與輸出軸的位置信息；驅(qū)動(dòng)電路板上設(shè)計(jì)有伺服驅(qū)動(dòng)電路，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)中空軸電機(jī)、剎車(chē)裝置的控制，以及速度增量編碼器讀頭與位置增量編碼器讀頭獲取數(shù)據(jù)的處理。
[0009]在連接時(shí)，將一個(gè)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的輸出法蘭連接到另一個(gè)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的連接法蘭或機(jī)械臂連桿端部上，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂連桿間的連接，具體為:
[0010]在輸出法蘭面的外緣周向上均勻設(shè)計(jì)由η個(gè)通孔，n ^ 2 ;通孔為由圓形螺帽穿孔與相連通的條形鎖孔構(gòu)成的一體通孔結(jié)構(gòu)，條形鎖孔的寬度小于螺帽穿孔的直徑；連接法蘭面的外緣周向上均勻螺紋連接有η個(gè)螺釘，使螺釘?shù)穆菝迸c連接法蘭面間具有大于連接法蘭厚度的距離；在兩個(gè)機(jī)械臂關(guān)節(jié)連接時(shí)，將連接法蘭面上的η個(gè)螺釘分別對(duì)應(yīng)連接法蘭面上的η通孔，將螺釘?shù)穆菝庇蓤A形螺帽孔穿過(guò)后，經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械臂關(guān)節(jié)，使η個(gè)螺釘?shù)穆輻U分別沿η個(gè)通孔的條形鎖孔移動(dòng)；此時(shí)，將η個(gè)螺釘分別擰緊，使環(huán)形定位凸起和定位塊分別插入環(huán)形定位槽與定位孔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)機(jī)械臂間的固定；同樣，在機(jī)械臂關(guān)節(jié)的輸出法蘭與連桿端部相連時(shí)，將連桿端部設(shè)計(jì)為上述連接法蘭的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂關(guān)節(jié)與連桿間的連接。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0012]1、本發(fā)明可變自由度的模塊化機(jī)械臂，將模塊化設(shè)計(jì)思想引入到輕型機(jī)械臂的設(shè)計(jì)中，通過(guò)多個(gè)機(jī)械臂關(guān)節(jié)能夠任意拼接成不同自由度的模塊化機(jī)械臂；
[0013]2、本發(fā)明可變自由度的模塊化機(jī)械臂，整體設(shè)計(jì)采用中空結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便內(nèi)部布線，便于與減速器等其他部件集成；
[0014]3、本發(fā)明可變自由度的模塊化機(jī)械臂，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，模塊的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境和應(yīng)用要求都有較強(qiáng)的適應(yīng)性和擴(kuò)展性；
[0015]4、本發(fā)明可變自由度的模塊化機(jī)械臂，速度增量編碼器和中空電機(jī)軸的相對(duì)位置具有唯一確定的關(guān)系，使得編碼器具有霍爾傳感器的作用，省去了無(wú)刷直流電機(jī)的霍爾傳感器，節(jié)省空間、減少成本、提高使用壽命；
[0016]5、本發(fā)明可變自由度的模塊化機(jī)械臂，獨(dú)特的剎車(chē)裝置設(shè)計(jì)，原理簡(jiǎn)單，保證了整體機(jī)械臂的安全性；
[0017]6、本發(fā)明可變自由度的模塊化機(jī)械臂，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，全鋁合金的外殼，質(zhì)量和體積都比較??；
[0018]7、本發(fā)明模塊化機(jī)械臂關(guān)節(jié)中，兩個(gè)機(jī)械臂關(guān)節(jié)間，以及機(jī)械臂關(guān)節(jié)與機(jī)械臂連桿間采用內(nèi)部連接的方案，連接完成后所有的連接點(diǎn)都安裝在內(nèi)部，不影響整體外觀的美觀；
[0019]8、本發(fā)明模塊化機(jī)械臂關(guān)節(jié)中，兩個(gè)機(jī)械臂關(guān)節(jié)間，以及機(jī)械臂關(guān)節(jié)與機(jī)械臂連桿間采用螺釘陣列鎖死結(jié)構(gòu)，多個(gè)螺釘均布在整個(gè)圓周上，每個(gè)螺釘?shù)氖芰鶆?，連接完成后具有很高的強(qiáng)度和剛度；使機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性和可靠性。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本發(fā)明機(jī)械臂(四自由度)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2為本發(fā)明機(jī)械臂中機(jī)械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3為機(jī)械臂關(guān)節(jié)中輸出法蘭軸結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖4為機(jī)械臂關(guān)節(jié)中空心軸電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖5為機(jī)械臂關(guān)節(jié)中剎車(chē)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖6為剎車(chē)裝置中三波峰墊片、剎車(chē)擋片、定位卡環(huán)三者安裝方式示意圖；
[0026]圖7為機(jī)械臂關(guān)節(jié)中雙碼盤(pán)定位機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)示意圖；
[0027]圖8為機(jī)械臂關(guān)節(jié)中伺服驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)框圖；
[0028]圖9為利用機(jī)械臂關(guān)節(jié)拼接成的四自由度機(jī)械臂示意圖；
[0029]圖10為利用機(jī)械臂關(guān)節(jié)拼接成的五自由度機(jī)械臂示意圖；
[0030]圖11為利用機(jī)械臂關(guān)節(jié)拼接成的六自由度機(jī)械臂示意圖；
[0031]圖12為利用機(jī)械臂關(guān)節(jié)拼接成的七自由度機(jī)械臂示意圖；
[0032]圖13為機(jī)械臂關(guān)節(jié)的輸出法蘭面連接結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖14為機(jī)械臂關(guān)節(jié)的連接法蘭面連接結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖15為兩個(gè)機(jī)械臂關(guān)節(jié)間連接方式示意圖。
[0035]圖中:
[0036]1-基座2-機(jī)械臂連桿3-機(jī)械臂關(guān)節(jié)
[0037]301-輸出法蘭軸302-諧波減速器303-中空軸電機(jī)
[0038]304-剎車(chē)裝置305-雙碼盤(pán)定位機(jī)構(gòu) 306-外殼
[0039]307-連接法蘭308-伺服驅(qū)動(dòng)電路309-通孔
[0040]310-環(huán)形定位槽311-定位孔312-螺釘
[0041]313-環(huán)形定位凸起 314-定位塊301a_輸出法蘭
[0042]301b-輸出軸303a-電機(jī)定子303b_電機(jī)轉(zhuǎn)子
[0043]303c-中空軸303d-前端蓋303e_后端蓋
[0044]304a_電磁鐵304b_剎車(chē)擋片304c_定位卡環(huán)
[0045]304d-三波峰墊片 304e_遮擋片305a_驅(qū)動(dòng)電路板
[0046]305b-速度增量編碼器305c-位置增量編碼器 305d_編碼器安裝座
[0047]305e_銅柱305f-速度增量編碼器讀頭305g-位置增量編碼器讀頭
[0048]308a-主控模塊308b_信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊308c_剎車(chē)控制模塊
[0049]308d-電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 308e-電源模塊308f-溫度傳感器
[0050]308g_霍爾電流傳感器308h_輸入電壓檢測(cè)模塊 309a_螺帽穿孔
[0051]309b-條形鎖孔