一种七自由度索杆复合驱动的混联机械臂制造技术

本发明专利技术为克服现有技术存在的不足之处，提供一种七自由度索杆复合驱动的混联机械臂及其搬运方法；所述的混联机械臂，包括：基座、大臂、传动齿轮箱、小臂、末端执行器、柔索驱动器。所述搬运方法包括7个操作步骤。有益的技术效果：本发明专利技术避免纯粹串联机械臂重量、惯量大和纯粹并联机械臂工作空间相对较小两类问题的出现。本发明专利技术除腕部驱动电机外，其余所有电机都通过柔索或传动机构转移至基座上，减轻了机械臂运动部件的负载，提高了其运动快速性。本发明专利技术具有自锁功能的传动机构和具有缓冲作用的弹簧，提高了机构安全性、可靠性；具有七个自由度，机械臂动作灵活、轨迹多变且工作空间大。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及工业机械臂领域，具体是一种七自由度索杆复合驱动的混联机械臂及其搬运方法。
技术介绍
机械臂是各种工程机械设备的关键部件，在工、农业等领域中有着广泛的应用。机械臂作为机器人的主要执行机构，直接影响到的是末端执行器的位置，故其结构的优化设计工作至关重要。现有市场上可实现重物搬运的机械臂多为纯粹的刚性结构，其中又以关节型机械臂此类串联型机械臂为代表性产品。关节型机械臂虽具有动作较灵活、占用空间小的优势，但由于其每个关节都安装有驱动电机，而这些电机在机械臂作业时会成为传动负载，所以关节型机械臂具有惯量大、关节误差累积的缺点，无法实现高速重载作业。并联机构作为一种新兴构型，凭借高刚度、高承载能力的优点，向人类社会证明了自己的潜力，在工业领域内拥有良好的应用前景。中国专利CN20141083584900涉及一种索杆复合驱动的并联码垛机器人，拥有柔索并联机构，适用于高速重载场合，但仍有不足之处：第一，柔索只能提供单向的驱动力，该机构小臂在放下时只能依靠自重，减弱了定位准确性；第二，机构不具备自锁功能，安全性、可靠性不强；第三，机构自由度的数量限制了其工作空间的拓展。国际专利PCT/CA2003/000987公开了一系列采用柔索的轻型并联机械臂，由于其过度追求快速性，机构无法实现重载作业；同时该系列机械臂也存在工作空间小的缺点。由此看来，纯粹的串联或并联机构已经渐渐无法适应机械高精度化、高速化的发展趋势。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术存在的不足之处，提供一种七自由度索杆复合驱动的混联机械臂及其搬运方法；基于现有的索杆复合驱动的并联码垛机器人，进行了机械臂的优化设计工作，旨在整合纯粹的串联或并联机械臂各自的优点，避免纯粹串联机械臂重量、惯量大和纯粹并联机械臂工作空间相对较小两类问题的出现。除腕部驱动电机外，其余所有电机都通过柔索或传动机构转移至基座(即机架)上，减轻了机械臂运动部件的负载，提高了其运动快速性。所述机械臂采用具有自锁功能的传动机构(如蜗轮蜗杆)和具有缓冲作用的弹簧，提高了机构安全性、可靠性；具有七个自由度，机械臂动作灵活、轨迹多变且工作空间大。本专利技术通过以下技术方案达到上述目的：一种七自由度索杆复合驱动的混联机械臂，包括基座1000、大臂2000、传动齿轮箱3000、小臂4000、末端执行器5000、和柔索驱动器6000。其中，基座1000安装在地基上。在基座(1000)内设有驱动电机；大臂2000呈长杆状。大臂2000的一端与基座1000活动连接。大臂2000的另一端与传动齿轮箱3000的一侧端面活动连接。通过大臂2000将由基座1000内驱动电机产生的转矩传输到传动齿轮箱3000中。传动齿轮箱3000的另一侧端面与小臂4000的一端活动连接。传动齿轮箱3000起传递转矩的作用，将基座1000、大臂2000传输来的转矩传递到小臂4000。小臂4000的另一端与末端执行器5000活动连接。在基座1000周围地基上设有2个以上的柔索驱动器6000。在传动齿轮箱3000与每个柔索驱动器6000之间配有柔索。通过传动齿轮箱3000与柔索驱动器6000之间的柔索、大臂2000、柔索驱动器6000带动传动齿轮箱3000运动及协同定位。在传动齿轮箱3000与基座1000间配有柔索。在传动齿轮箱3000与小臂4000上配有一根柔索。通过传动齿轮箱3000与小臂4000之间的柔索、传动齿轮箱3000与基座1000之间的柔索、大臂2000、传动齿轮箱3000、小臂4000、柔索驱动器6000带动末端执行器5000运动及协同定位。换言之，所述基座1000安装在机架或地面上，通过虎克铰链结构与大臂2000一端相连，故大臂2000能相对于基座1000做两个自由度的旋转运动，所述虎克铰链结构为从动结构。大臂2000另一端通过另一虎克铰链结构与传动齿轮箱3000相连，所述虎克铰链结构为主动结构，大臂2000相对于基座1000的旋转自由度由其提供。所述大臂2000具有伸缩结构，故其还拥有一个移动自由度。所述小臂4000安装在传动齿轮箱3000上，具有两个旋转自由度。所述末端执行器5000在本专利技术中采用吸附式结构，安装在小臂4000上，其上安装的腕部电机提供一个旋转自由度。所述传动齿轮箱3000还通过三根外部驱动柔索分别与三个柔索驱动器6000相连，具有一个旋转自由度。所述柔索驱动器呈品字型分布安装在机架(或地面)上。采用本专利技术进行高速重载物料搬运作业的步骤如下：步骤1：“初始化”步骤，对驱动电机进行初始化，确保驱动电机处于初始位置。步骤2：“粗定位”步骤，下分为步骤2.1和步骤2.2两个并列步骤。步骤2.1：三个柔索驱动器通过三根外部驱动柔索对传动齿轮箱实现联动定位控制。步骤2.2：驱动电机通过正反转控制大臂的伸/缩动作。步骤3：“精定位”步骤，下分为步骤3.1和步骤3.2两个并列步骤。步骤3.1：驱动电机控制小臂空载平移。步骤3.2：驱动电机控制小臂空载提升/放下。步骤4：“重物抓取”步骤，末端执行器吸附住操作对象。步骤5：“重物搬运”步骤，下分为步骤5.1和步骤5.2两个并列步骤。步骤5.1：驱动电机控制小臂带动操作对象平移。步骤5.2：驱动电机控制小臂带动操作对象提升/放下。步骤6：“重物放下”步骤，吸附式末端执行器停止工作，重物落在目标位置，单次作业结束。步骤7：“循环”步骤，返回第2步。本专利技术的有益技术效果在于：1.机构为七自由度的混联机械臂，工作空间大而轨迹灵活多变。机构模块化，分为基座、大臂、传动齿轮箱、小臂和柔索驱动器五个模块。空间位置微调时采用单独控制，正常作业时采用联动控制，提高了机构的可操作性。2.采用了具有自锁功能的传动机构，如蜗轮蜗杆传动，提高了机构的安全性。采用了圆柱螺旋扭转弹簧，安装于小臂与旋转轴之间，既可以在小臂空载时协助小臂快速复位，也可以在小臂提升重物时起到缓冲作用，提高机构的定位准确性和工作安全性、可靠性。3.灵活利用了柔索、力的转向机构(如滑轮)和转矩传输机构(如齿轮组)将驱动电机转移至基座和机架，减小了机构运动部位的运动惯量，提高了快速性，适用于高速重载、高速轻载等多类场合，应用范围广。附图说明图1是七自由度索杆复合驱动的混联机械臂作业时的等轴测视图。图2是七自由度索杆复合驱动的混联机械臂作业时的正视图。图3是七自由度索杆复合驱动的混联机械臂作业时的侧视图。图4是七自由度索杆复合驱动的混联机械臂作业时的俯视图。图5基座机构爆炸视图的局部视图。图6基座机构爆炸视图的局部视图。图7基座结构的爆炸视图。图8是回转平台内部结构示意图。图9是大臂结构示意图。图10是传动齿轮箱内部结构示意图。图11是传动齿轮箱内部结构示意图。图12是传动齿轮箱内部结构示意图。图13是小臂结构示意图。图14是柔索驱动器结构示意图。图15是图5整体结构的立体示意图。图16是图5内部结构的剖视图。图17是图6所示结构组装在一起后的内部结构剖视图。图18是图9中第一大臂分臂2004与第二大臂分臂2007连接关系的细节图。图19是图12所示结构组装在一起后的内部结构剖视图。图中：基座1000、大臂2000、传动齿轮箱3000、小臂4000、末端执行器5000、柔索驱动器6000、机架700本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种七自由度索杆复合驱动的混联机械臂，其特征在于：包括基座(1000)、大臂(2000)、传动齿轮箱(3000)、小臂(4000)、末端执行器(5000)、和柔索驱动器(6000)；其中，基座(1000)安装在地基上；在基座(1000)内设有驱动电机；大臂(2000)的一端与基座(1000)活动连接；大臂(2000)的另一端与传动齿轮箱(3000)的一侧端面活动连接；通过大臂(2000)将由基座(1000)内驱动电机产生的转矩传输到传动齿轮箱(3000)中；传动齿轮箱(3000)的另一侧端面与小臂(4000)的一端活动连接；传动齿轮箱(3000)起传递转矩的作用，将基座(1000)、大臂(2000)传输来的转矩传递到小臂(4000)；小臂(4000)的另一端与末端执行器(5000)活动连接；在基座(1000)周围地基上设有2个以上的柔索驱动器(6000)；在传动齿轮箱(3000)与每个柔索驱动器(6000)之间配有柔索；通过传动齿轮箱(3000)与柔索驱动器(6000)之间的柔索、大臂(2000)、柔索驱动器(6000)带动传动齿轮箱(3000)运动及协同定位；在传动齿轮箱(3000)与基座(1000)间配有柔索；在传动齿轮箱(3000)与小臂(4000)上配有一根柔索；通过传动齿轮箱(3000)与小臂(4000)之间的柔索、传动齿轮箱(3000)与基座(1000)之间的柔索、大臂(2000)、传动齿轮箱(3000)、小臂(4000)、柔索驱动器(6000)带动末端执行器(5000)运动及协同定位。...

【技术特征摘要】
1.一种七自由度索杆复合驱动的混联机械臂，其特征在于：包括基座(1000)、大臂(2000)、传动齿轮箱(3000)、小臂(4000)、末端执行器(5000)、和柔索驱动器(6000)；其中，基座(1000)安装在地基上；在基座(1000)内设有驱动电机；大臂(2000)的一端与基座(1000)活动连接；大臂(2000)的另一端与传动齿轮箱(3000)的一侧端面活动连接；通过大臂(2000)将由基座(1000)内驱动电机产生的转矩传输到传动齿轮箱(3000)中；传动齿轮箱(3000)的另一侧端面与小臂(4000)的一端活动连接；传动齿轮箱(3000)起传递转矩的作用，将基座(1000)、大臂(2000)传输来的转矩传递到小臂(4000)；小臂(4000)的另一端与末端执行器(5000)活动连接；在基座(1000)周围地基上设有2个以上的柔索驱动器(6000)；在传动齿轮箱(3000)与每个柔索驱动器(6000)之间配有柔索；通过传动齿轮箱(3000)与柔索驱动器(6000)之间的柔索、大臂(2000)、柔索驱动器(6000)带动传动齿轮箱(3000)运动及协同定位；在传动齿轮箱(3000)与基座(1000)间配有柔索；在传动齿轮箱(3000)与小臂(4000)上配有一根柔索；通过传动齿轮箱(3000)与小臂(4000)之间的柔索、传动齿轮箱(3000)与基座(1000)之间的柔索、大臂(2000)、传动齿轮箱(3000)、小臂(4000)、柔索驱动器(6000)带动末端执行器(5000)运动及协同定位。2.根据权利要求1所述的一种七自由度索杆复合驱动的混联机械臂，其特征在于：通过虎克铰链结构将基座(1000)与大臂(2000)的一端相连，且大臂(2000)自身能沿其长度方向伸长或缩短；大臂(2000)的另一端与传动齿轮箱(3000)相连；第三连接筒(2006)与第二大臂分臂(2007)固结；所述小臂(4000)安装在传动齿轮箱(3000)上；末端执行器(5000)安装在小臂(4000)上；在末端执行器(5000)上安装的腕部电机，即其具有一个旋转自由度；传动齿轮箱(3000)通过三根柔索分别与三个柔索驱动器(6000)相连；在基座(1000)周围设有3个柔索驱动器(6000)；柔索驱动器(6000)呈品字型分布。3.根据权利要求2所述的一种七自由度索杆复合驱动的混联机械臂，其特征在于：基座(1000)包括第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块、第四驱动模块、支承模块、转矩导向模块；其中，第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块、第四驱动模块、转矩导向模块分别与支承模块相连接，其中第一驱动模块还与转矩导向模块相连接；第一驱动模块负责收放柔索，使柔索在大臂(2000)进行伸缩动作时保持拉紧的状态；第二驱动模块负责驱动小臂(4000)的平移动作；第三驱动模块负责驱动大臂(2000)的伸缩动作；第四驱动模块负责驱动小臂(4000)在竖直平面内的转动；转矩导向模块负责将第四驱动模块的转矩转换成牵引力传输到小臂(4000)；支承模块负责保持基座(1000)内第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块、第四驱动模块之间的相对位置关系。4.根据权利要求1或2所述的一种七自由度索杆复合驱动的混联机械臂，其特征在于：大臂(2000)包括第一十字轴(2001)、第三传动轴(2002)、第二连接筒(2003)、第一大臂分臂(2004)、第二十字轴(2005)、第三连接筒(2006)、第二大臂分臂(2007)、防尘透明罩(2008)、螺旋杆(2009)；第二连接筒(2003)的一端与第一大臂分臂(2004)的一端相连；在第二连接筒(2003)的另一端连接有第一十字轴(2001)；所述第一大臂分臂(2004)、第二连接筒(2003)、第一十字轴(2001)皆为空心结构，第三传动轴(2002)分别穿过第一十字轴(2001)、第二连接筒(2003)、第一大臂分臂(2004)内部与位于第一大臂分臂(2004)内部的螺旋杆(2009)相连接；所述第三传动轴(2002)通过球铰链与基座(1000)的第一传动轴(1010)相连接将基座(1000)传输来的转矩传递到螺旋杆(2009)；第一大臂分臂(2004)的另一端经直线型导轨与第二大臂分臂(2007)的一端相连，在直线型导轨外设有防尘透明罩(2008)；防尘透明罩(2008)的两端分别与第一大臂分臂(2004)、第二大臂分臂(2007)的一端相连；在第二大臂分臂(2007)朝向螺旋杆(2009)一侧端面上设有螺纹孔，第二大臂分臂(2007)与螺旋杆(2009)螺纹连接；基座(1000)的转矩传输到螺旋杆(2009)，驱动螺旋杆(2009)、第二大臂分臂(2007)间的相对转动，带动由直线型导轨引导的第一大臂分臂(2004)、第二大臂分臂(2007)间的轴向前后移动，即大臂(2000)能够伸缩；第二大臂分臂(2007)的另一端与第三连接筒(2006)的一端相连接；在第三连接筒(2006)的另一端设有第二十字轴(2005)。5.根据权利要求1或2所述的一种七自由度索杆复合驱动的混联机械臂，其特征在于：传动齿轮箱(3000)内部的具体连接关系为：基础箱体(3003)呈圆筒状；基础箱体(3003)的底部与顶部回转平台(3002)相连；所述顶部回转平台(3002)呈阶梯形圆筒状，在顶部回转平台(3002)的底部设有第四连接筒(3001)；所述第四连接筒(3001)用于与大臂(2000)相连接；在基础箱体(3003)底部设有空腔，基础箱体(3003)的空腔的顶部与外圈无齿式回转支承(3031)相连接；外圈无齿式回转支承(3031)通过回转支承滚动体与内圈无齿式回转支承(3032)组合成一回转支承，外圈无齿式回转支承(3031)与内圈无齿式回转支承(3032)间能够相互转动；所述顶部回转平台(3002)包括3级圆台：顶部圆台、中部圆台、底部圆台；在底部圆台的底部设有底部圆环；所述顶部圆台、中部圆台、底部圆台、底部圆环的半径逐个增大；所述底部圆环的底面上等角度设有六个圆孔，柔索套(3028)通过关节轴承(3029)安装在圆孔内；柔索套(3028)、关...

【专利技术属性】
技术研发人员：訾斌，谢彬，钱森，王炳尧，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34