一种多功能平面机械臂系统技术方案

本发明专利技术涉及一种多功能平面机械臂系统，主要包括机械臂、电机、编码器、减速机和电磁制动器；机械臂之间以及第一机械臂与基座之间均以转动副的形式链接；系统工作在水平面内；第一关节及第二关节为固定关节，第三关节及第四关节为可拆卸关节；第一关节及第三关节安装电机、编码器与减速器；第二关节安装编码器与电磁制动器；第四关节安装电机与减速器；通过选择电磁制动器是否开启，以及可拆卸关节与相应的机械臂是否安装，本发明专利技术可演变为多种类型的平面全驱动与欠驱动机械臂系统；通过替换不同长度与质量的机械臂，可改变机械臂的参数；通过编写人机交互界面，可完成对控制器参数的设置以及控制算法的实现，并实时监测各关节的运动状态。

Multifunctional plane mechanical arm system

The invention relates to a multifunctional planar manipulator system, including mechanical arm, motor, encoder, speed reducer and electromagnetic brake; and the first arm between the manipulator and the base are in the form of a link revolute; system working in a horizontal plane; the first joint and two joint fixed joints, third joints and four the joint is a detachable joint; the first joint and three joint installation of motor, encoder and reducer; second joint installed encoder and electromagnetic brake; fourth joint installation of the motor and the speed reducer; by choosing whether to open the solenoid actuator, and a detachable joint and the corresponding mechanical arm is installed, the invention can evolve into various types of plane the whole drive and underactuated manipulator system; through the arm to replace the length and quality of the parameters can change the mechanical arm; Through the preparation of human-computer interaction interface, the controller parameters can be set up and the implementation of the control algorithm, and real-time monitoring of the movement of the joints.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多功能、多自由度的平面机械臂系统，属于机器人

技术介绍
平面多连杆机械臂系统是一类非线性系统，它被广泛应用于工业生产、太空探索、医疗救治与海洋探险等方面。根据系统原动件个数与系统自由度个数的之间的关系，可将平面多连杆机械臂系统划分为全驱动系统与欠驱动系统。其中，平面多连杆欠驱动机械臂系统由于驱动装置的减少，使得系统具有重量轻、低能耗等优点，并且当全驱动系统的部分驱动装置出现故障，通过欠驱动控制策略，系统仍可正常运行。因此，对平面多连杆机械欠驱动臂系统的研究，具有重要的实际意义。平面多连杆欠驱动机械臂系统含义一个被动关节是一类非完整系统。当欠驱动关节位于系统的第一关节时，该类系统是一类一阶非完整系统；当欠驱动关节位于其它关节时，该类系统是一类二阶非完整系统。当前，针对平面多连杆欠驱动机械臂系统研究主要集中于理论研究，相应的实验研究成果较为匮乏。并且，少有的平面多连杆欠驱动机械臂系统实际设备也集中在二连杆或三连杆机械臂系统，它们的具体形式单一，难以实现同一设备囊括系统的两种非完整特性。
技术实现思路
针对上述研究现状，本专利技术的目的是提供一种多功能平面机械臂系统，并且通过选择电磁制动器是否开启，以及可拆卸关节是否安装，本专利技术可演变为多种类型的平面全驱动与欠驱动机械臂系统。实现本专利技术目的所采用的技术方案为，一种多功能平面机械臂系统，至少包括基座，通过转动副连接的第一、第二、第三和第四关节，以及用于支撑各关节的第一、第二、第三和第四机械臂，第一关节与基座通过转动副连接，各关节采用电动机或制动器，所述第一、第三和第四关节均采用内置编码器的伺服电机，第二关节采用制动器，第一、第二和第三关节上均安装有外设的编码器；所述第一机械臂为沿水平面设置的配重板，第一机械臂的宽度为制动器直径的0.8～1.1倍、厚度为制动器高度的0.9～1.2倍，第二、第三和第四机械臂均为沿竖直面设置的配重板，配重板上设有配重块；还包括线架，线架安装于基座上，所述线架包括线管和固定组件，线管通过固定组件安装于基座上，上述伺服电机、制动器和编码器的导线汇集于线管中。基座19上设有基座盘17，基座盘17上设有直径不大于基座盘直径的第一过渡盘16，基座19、基座盘17和第一过渡盘16通过螺钉顺序固连；第一机械臂位于第一过渡盘16的上方，第一机械臂靠近基座19的端部的下表面上设有与基座盘17相配合的弧形凹面，弧形凹面的高度不大于第一机械臂厚度的1/10。所述第一关节52包括从上至下顺序安装的第一编码器1、第一联轴盘38、第一联轴座39、第一减速机41、第一减速机机座42和第一伺服电机43；第一伺服电机43与第一减速机机座42通过螺钉固连；第一减速机机座42与第一减速机41通过螺钉固连；第一减速机41与基座盘17通过螺钉固连并且二者之间安装有垫圈40；第一联轴座39与第一减速机的输出轴键联接；第一联轴盘38与第一编码器1通过第一联轴器21同轴联接；第一联轴盘38与第一联轴座39通过螺钉固连；第一编码器1通过第一编码器支架15与基座19固连，第一机械臂2与联轴座39通过螺钉固连。所述第二关节53包括从上至下顺序安装的第二编码器3、第二联轴盘44、第二连接座4、第二过渡盘A24、第二过渡盘B47和电磁制动器25，电磁制动器25置于第一机械臂2下方并通过螺钉与其固连；第二过渡盘B47与电磁制动器25固连；第二过渡盘A24置于第一机械臂2上方并通过螺钉与其固连；第二过渡盘A24与第二过渡盘B47之间安装有垫圈46；电磁制动器25与轴45通过紧固盘26固连，轴45与第二连接座4固连；第二连接座4与第二联轴盘44通过螺钉固连；第二联轴盘44与第二编码器3通过第二联轴器23同轴联接；第二编码器3通过第二编码器支架22与第一机械臂2固连；第二机械臂5与第二连接座4通过2个以上螺钉固连。所述第三关节54包括从上至下顺序安装的第三编码器7、第三联轴盘48、第三连接座8、第三减速机50、第三减速机机座32、第三轴套28、第三过渡块49和第三伺服电机33，第三伺服电机33与第三减速机机座32通过螺钉固定连接；第三减速机机座32与第三减速机50通过螺钉固定连接，第三减速机50与第三轴套28通过螺钉固连；第三减速机的转轴与第三连接座8键联接；第三过渡块49嵌于第三连接座8中并与其固定连接；第三连轴盘48与第三连接座8通过螺钉固连；第三联轴盘48与第三编码器7通过第三联轴器27同轴联接；第三编码器7通过第三编码器支架6与第三轴套28固连；第三机械臂9与第三连接座8通过2个以上螺钉固连。所述第四关节55包括从上至下顺序安装的第四连接座10、第四减速机51、第四减速机机座30、第四轴套29和第四伺服电机31，第四伺服电机31与第四减速机机座30通过螺钉固定连接；第四减速机机座30与第四减速机51通过螺钉固定连接，第四减速机51与第四轴套29通过螺钉固连；第四减速机的转轴与第四连接座10过盈配合；第四机械臂11与第四连接座10通过2个以上螺钉固连。所述第一、第三和第四关节均采用内置编码器的交流伺服电机。所述第二机械臂5与第三机械臂9上均开设有1个以上减重孔，配重块的截面形状与减重孔的形状相匹配。所述第二机械臂5与第三机械臂9的两端以及第四机械臂11的固定端上均设有带螺纹孔的安装板，安装板与机械臂固连为一体或焊接固定，安装板与机械臂之间设有三角肋板。所述线管为水平放置的弹簧，所述固定组件包括支管、支杆和两个固定件，所述支杆呈倒置的L型，弹簧一端悬空、另一端与支杆的横臂固连，两个固定件从上至下焊接于支管外表面，支杆竖臂的下端固定于两个固定件中，上述伺服电机、制动器和编码器的导线汇集于弹簧和支管中。由上述技术方案可知，本专利技术提供的多功能平面机械臂系统，设计特殊的四关节机械臂结构，其中所述第一、第三和第四关节均采用内置编码器的伺服电机，第二关节采用制动器，即第一、第三和第四关节均为全驱动关节，第二关节为欠驱动关节，机械臂分为两端可连接式和一端可连接式，两端可连接式机械臂用于连接第二关节与第三关节(即第二机械臂)或连接第三关节与第四关节(即第三机械臂)，一端可连接式用于系统的末端机械臂(即第四机械臂)，通过改变机械臂的长度与宽度，可产生多种长度与宽度各不相同的机械臂，并且通过选择电磁制动器是否开启，以及可拆卸关节是否安装，本专利技术可演变为多种类型的平面全驱动与欠驱动机械臂系统。本专利技术的四个关节中，第一关节和第三关节均采用双编码器结构，一个是伺服电机的内置编码器，一个是外置辅助编码器，由于关节安装减速机，而减速机或多或少的存在一定工作间隙，所以仅通过读取伺服电机内置编码器并乘以减速比的方式，求取机械臂的实际转角是不准确的，因此加装辅助编码器加以修正，第二关节是欠驱动关节，仅含有辅助编码器，第四关节仅含有伺服电机内置的编码器，由于第四关节处于末端，因此它只负责带动第四机械臂旋转，而不需要像第三关节和第一关节一样要带动后续关节和机械臂转动，所以由减速机间隙构成的误差就相对较小，因此未安装辅助编码器，同时可减轻第四关节整体的重量。本专利技术的四个机械臂均为配重板，配重板上设有配重块，通过改变配重块的安装位置以及配重块的重量可改变各机械臂的质心，因此本专利技术可模拟不同连杆质心位置的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多功能平面机械臂系统，至少包括基座，通过转动副连接的第一、第二、第三和第四关节，以及用于支撑各关节的第一、第二、第三和第四机械臂，第一关节与基座通过转动副连接，各关节采用电动机或制动器，其特征在于：所述第一、第三和第四关节均采用内置编码器的伺服电机，第二关节采用制动器，第一、第二和第三关节上均安装有外设的编码器；所述第一机械臂为沿水平面设置的配重板，第一机械臂的宽度为制动器直径的0.8～1.1倍、厚度为制动器高度的0.9～1.2倍，第二、第三和第四机械臂均为沿竖直面设置的配重板，配重板上设有配重块；还包括线架，线架安装于基座上，所述线架包括线管和固定组件，线管通过固定组件安装于基座上，上述伺服电机、制动器和编码器的导线汇集于线管中。

【技术特征摘要】
1.一种多功能平面机械臂系统，至少包括基座，通过转动副连接的第一、第二、第三和第四关节，以及用于支撑各关节的第一、第二、第三和第四机械臂，第一关节与基座通过转动副连接，各关节采用电动机或制动器，其特征在于：所述第一、第三和第四关节均采用内置编码器的伺服电机，第二关节采用制动器，第一、第二和第三关节上均安装有外设的编码器；所述第一机械臂为沿水平面设置的配重板，第一机械臂的宽度为制动器直径的0.8～1.1倍、厚度为制动器高度的0.9～1.2倍，第二、第三和第四机械臂均为沿竖直面设置的配重板，配重板上设有配重块；还包括线架，线架安装于基座上，所述线架包括线管和固定组件，线管通过固定组件安装于基座上，上述伺服电机、制动器和编码器的导线汇集于线管中。2.根据权利要求1所述的多功能平面机械臂系统，其特征在于：基座(19)上设有基座盘(17)，基座盘(17)上设有直径不大于基座盘直径的第一过渡盘(16)，基座(19)、基座盘(17)和第一过渡盘(16)通过螺钉顺序固连；第一机械臂位于第一过渡盘(16)的上方，第一机械臂靠近基座(19)的端部的下表面上设有与基座盘(17)相配合的弧形凹面，弧形凹面的高度不大于第一机械臂厚度的1/10。3.根据权利要求2所述的多功能平面机械臂系统，其特征在于：所述第一关节(52)包括从上至下顺序安装的第一编码器(1)、第一联轴盘(38)、第一联轴座(39)、第一减速机(41)、第一减速机机座(42)和第一伺服电机(43)；第一伺服电机(43)与第一减速机机座(42)通过螺钉固连；第一减速机机座(42)与第一减速机(41)通过螺钉固连；第一减速机(41)与基座盘(17)通过螺钉固连并且二者之间安装有垫圈(40)；第一联轴座(39)与第一减速机的输出轴键联接；第一联轴盘(38)与第一编码器(1)通过第一联轴器(21)同轴联接；第一联轴盘(38)与第一联轴座(39)通过螺钉固连；第一编码器(1)通过第一编码器支架(15)与基座(19)固连，第一机械臂(2)与联轴座(39)通过螺钉固连。4.根据权利要求1所述的多功能平面机械臂系统，其特征在于：所述第二关节(53)包括从上至下顺序安装的第二编码器(3)、第二联轴盘(44)、第二连接座(4)、第二过渡盘A(24)、第二过渡盘B(47)和电磁制动器(25)，电磁制动器(25)置于第一机械臂(2)下方并通过螺钉与其固连；第二过渡盘B(47)与电磁制动器(25)固连；第二过渡盘A(24)置于第一机械臂(2)上方并通过螺钉与其固连；第二过渡盘A(24)与第二过渡盘B(47)之间安装有垫圈(46)；电磁制动器(25)与轴(45)通过紧固盘(26)固连，轴(45)与第二连接座(4)固连；第二连接座(4...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖旭芝，王亚午，张盼，吴敏，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北;42