適用于狹小空間的輕質模塊化機械臂的制作方法
【專利說明】適用于狹小空間的輕質模塊化機械臂 所屬技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于機械臂技術領域，具體設及一種適用于狹小空間的輕質模塊化機械 臂。
【背景技術】
[0002] 近年來，機器人技術取得了長足的進展，機械臂在機器人領域中得到最廣泛實際 的應用，已應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等各種生產領域中，它的應用加快了 生產的自動化和現代化，大幅度的提高了生產效率。
[0003] 然而現有機械臂多數功能單一，例如輕工業(yè)流水線上的機械臂僅能重復同一動 作，焊接機器人只能執(zhí)行焊接功能，誘注機器人只能執(zhí)行誘注功能，無法滿足一機多用的效 果且對工作空間有一定的要求。現階段的機械臂通常具有多個轉動的關節(jié)，每個關節(jié)的轉 動均是通過步進電機或伺服電機實現，由于步進電機或伺服電機的體積通常較大，運就需 要機械臂每個關節(jié)部分具有較大的體積，W便于安裝步進電機或伺服電機，而且機械臂自 由度越多，其結構也越復雜，因而常規(guī)的工業(yè)機械臂存在W下缺點：結構賄腫、占用空間大、 功能單一。由于運些缺點，使得普通工業(yè)機器人不能或者不適于對機器人體積和功能有嚴 格控制的場合比如教學實驗、娛樂及家庭服務等特殊行業(yè)。造成上述缺陷的基本原因是：其 機械臂沒有采用模塊化設計思想、機械臂的機械機構沒有進行優(yōu)化設計、驅動和位置檢測 單元是相互獨立的，機械臂機械結構相似，不同功能的實現嚴重依賴軟件，使得傳統(tǒng)工業(yè)機 器人關節(jié)存在體積大、質量大W及結構單一等問題，為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種 適用于狹小空間的輕質模塊化機械臂，它采用模塊化的設計思想，具有將機械臂的伸長運 動和旋轉運動集成在一個關節(jié)中的集成關節(jié)W及旋轉關節(jié)、俯仰關節(jié)，可W根據任務的需 要靈活選擇關節(jié)模塊，進行連接，增加了機械臂通用性與靈活性，降低了對機械臂工作空間 的要求。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明提出的適用于狹小空間的輕質模塊化機械臂采用模塊化設計思想，將各個 關節(jié)進行分離，設計成具有不同功能的模塊，可W選擇不同模塊任意組裝，得到可實現不同 功能的機械臂，具有適應性強、易于實現和維護、體積小、質量小與運動靈活等特點。 陽0化]本發(fā)明的技術方案：
[0006] 適用于狹小空間的輕質模塊化機械臂包括底座、集成關節(jié)模塊、旋轉模塊與俯仰 模塊，底座為一旋轉關節(jié)，可帶動安裝在其上的模塊做旋轉運動；集成關節(jié)模塊將旋轉和伸 縮兩個自由度巧妙結合在一起，利用構成伸縮自由度的導軌作為旋轉自由度的傳動裝置， 提高了模塊的集成程度與靈活性；旋轉模塊的結構與底座關節(jié)相似，可帶動安裝在其上的 結構轉動；俯仰模塊采用同步帶進行傳動，減小了模塊質量。 陽007]所述底座包括底座連接板、第一驅動控制器、第一驅動控制連接線、底座電路外接 端、底座直驅電機連接線、底座直驅電機、底座箱體、底座軸承與底座法蘭，底座直驅電機安 裝在底座箱體上，底座箱體的上端安裝有底座軸承，底座軸承內圈固定有底座法蘭，底座直 驅電機的電機軸與底座法蘭連接，在底座軸承的支撐下，底座法蘭可隨底座直驅電機的電 機軸轉動，底座直驅電機連接線連接到安裝在底座連接板上的第一驅動控制器上，第一驅 動控制器的信號由第一驅動控制連接線連接到底座電路外接端，用W和其他模塊通信，底 座連接板安裝到底座箱體上，其可與外界裝置連接用W固定機械臂。
[0008] 進一步，所述集成關節(jié)模塊包括同步輪、同步輪軸、同步輪支撐板、箱體、同步帶、 伸長桿、卡黃、同步帶固定板、第一滾動軸承、滾珠花鍵、第一直驅電機、第二直驅電機接線、 第一支撐板、第二驅動控制器、第二直驅電機、第二直驅電機固定板、軸齒輪、同步帶軸、電 路外接端、電路外接連線、第一直驅電機連線、第二支撐板、第二滾動軸承、導軌、軸承支撐 件、支撐軸承軸、支撐軸承、第=支撐板、外接法蘭、電機齒輪與箱體蓋。第一直驅電機安裝 在第二支撐板上，第二支撐板設有同步帶孔與第二滾動軸承固定孔，其中同步帶孔允許同 步帶無摩擦穿過，即不影響同步帶的運動，第二滾動軸承固定孔用W固定第二滾動軸承，第 二滾動軸承內圈固定有導軌，導軌另一端固定有軸承支撐件，軸承支撐件通過支撐軸承軸 固定有支撐軸承，伸長桿的一端設有螺紋孔用W連接外接法蘭，另一端通過滾珠花鍵固定 孔固定有滾珠花鍵，通過第一滾動軸承軸肩固定第一滾動軸承的內圈，第一滾動軸承的外 圈通過安裝在卡黃槽的卡黃固定在同步帶固定板的第一滾動軸承外圈固定端上，同步帶固 定板還設有同步帶固定孔用W和同步帶固連，同步帶由分別安裝在同步輪支撐板與同步帶 軸上的同步輪固定及支撐，其中同步輪通過同步輪軸安裝在同步輪支撐板上，同步輪支撐 板安裝在第=支撐板上，第=支撐板安裝在箱體的長方形槽內，下端兩同步輪分別安裝在 同步帶軸的兩端，同步帶軸靠近兩同步輪的兩端連接有同步帶軸軸承板，用W將同步帶軸 固定到第一支撐板上，同步帶軸的中間位置安裝有軸齒輪，軸齒輪與電機齒輪曬合，電機齒 輪安裝在第二直驅電機上，第二直驅電機通過第二直驅電機固定板連接到第一支撐板上， 第一支撐板上還固定有第二驅動控制器，第二驅動控制器上連接有第一直驅電機連接線、 第二直驅電機連接線與電路外接連線，=組連線的另一端分別連接到第一直驅電機、第二 直驅電機與電路外接端上，第一支撐板固定在箱體的長方形槽內，箱體蓋固定在箱體上， 防止第一支撐板、第二支撐板與第=支撐板在箱體對應的長方形槽內滑動。在第一直驅電 機轉動帶動下，導軌、軸承支撐件、支撐軸承及與導軌配合的滾珠花鍵做旋轉運動，從而帶 動伸長桿做旋轉運動，在第二直驅電機的作用下，通過電機齒輪、軸齒輪與同步帶軸將第二 直驅電機的旋轉運動傳遞給同步輪，在同步輪的帶動下，安裝在同步輪上的同步帶做直線 運動，從而帶動與同步帶固連的同步帶固定板及伸長桿在電機導軌單元的支撐下做直線運 動，與伸長桿通過螺紋孔固連的外界法蘭可同時完成旋轉與直線運動。
[0009] 進一步所述旋轉模塊包括旋轉關節(jié)底板、第=驅動控制器、第=驅動控制器連接 線、旋轉關節(jié)電路外接端、旋轉直驅電機連接線、旋轉直驅電機、旋轉關節(jié)箱體、旋轉關節(jié)軸 承與旋轉關節(jié)法蘭。旋轉直驅電機安裝在旋轉關節(jié)箱體上，旋轉關節(jié)箱體上端安裝有旋轉 關節(jié)軸承，旋轉關節(jié)軸承內圈固定有旋轉關節(jié)法蘭，旋轉關節(jié)法蘭與旋轉直驅電機的電機 軸固連，在旋轉關節(jié)軸承的支撐下，旋轉關節(jié)法蘭隨旋轉直驅電機轉動，從而帶動安裝在其 上的模塊轉動，旋轉直驅電機連接線連接到安裝在旋轉關節(jié)底板上的第=驅動控制器上， 第=驅動控制器連接線連接到安裝在旋轉關節(jié)箱體側面的旋轉關節(jié)電路外接端，用W和其 他模塊通信。
[0010] 進一步所述俯仰模塊包括俯仰底板、俯仰電機連接線、俯仰關節(jié)電路外接端、第 四驅動控制器連接線、第四驅動控制器、俯仰直驅電機、俯仰箱體、俯仰支撐軸承、俯仰軸、 俯仰連接法蘭、俯仰同步帶輪、俯仰同步帶、俯仰同步輪蓋、俯仰箱體側端蓋、俯仰電機連接 軸、軸同步輪、軸支撐軸承、軸承第一支撐板與軸承第二支撐板。俯仰直驅電機安裝在軸承 第二支撐板上，其電機軸與俯仰電機連接軸固連，俯仰電機連接軸由分別安裝在軸承第二 支撐板與軸承第一支撐板上的兩個軸支撐軸承支撐，軸承第二支撐板與軸承第一支撐板都 安裝在俯仰箱體上，俯仰箱體固定軸承第一支撐板的一側還安裝有俯仰箱體側端蓋。俯仰 電機連接軸側伸出端安裝有軸同步輪，軸同步輪上安裝有俯仰同步帶，俯仰同步帶另一端 安裝在俯仰同步帶輪上，俯仰同步帶輪安裝在俯仰軸上，俯仰軸由安裝在俯仰箱體上的俯 仰支撐軸承支撐，俯仰軸上還安裝有俯仰連接法蘭，用W和其他模塊連接，俯仰箱體安裝俯 仰同步帶的一側還安裝有俯仰同步輪蓋。俯仰電機連接線連接到安裝在俯仰箱體上的第四 驅動控制器上，第四驅動控制器連接線連接到安裝在俯仰箱體上的俯仰關節(jié)電路外接端， 用W和其他模塊通信。
[0011] 進一步所述俯仰模塊同步帶選取步驟為：
[0012] a、根據設計的尺寸初步確定同步輪的傳動比，傳動比由俯仰模塊的整體尺寸及可 選同步輪標準件尺寸確定；
[0013]b、根據設計尺寸初步選定兩同步輪的中屯、距a。； 陽014]C、根據初步選定的中屯、距由L〇= 2a。+1. 5"7(d2+di) + (d2-di)2/4a。，初步確定同步帶 的長度，其中di，d2分別為同步輪的節(jié)圓直徑，查表選定與L。相近的同步帶長度LP; 陽〇1引d、由Lp根據
M二咕-6.28的+成）;，反算出同步輪間 距a。
[0016] 根據上述的結構和控制器，直驅電機經過傳動裝置帶動相關外接法蘭運動，外接 法蘭與其他模塊的底部連接組裝成機械臂，相同的關節(jié)模塊連接順序不同可組裝成具有不 同功能的機械臂，在實際應用試驗中可W選擇不同的關節(jié)模塊構成質量或者體積或路徑最 優(yōu)的機械臂。
[0017] 本發(fā)明對比已有技術具有如下特點：模塊化設計便于不同的組裝可滿足不同任務 需求，特別適用于教育和娛樂，集成度高、占用空間小。
【附圖說明】
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