一种大行程且可快速替换的四自由度刚柔耦合机械臂制造技术

本发明专利技术公开了一种大行程且可快速替换的四自由度刚柔耦合机械臂，包括线性滑台、电动旋转台、刚性臂和柔性臂，电动旋转台下端固定连接在线性滑台上的滑板上，上部通过刚性臂关节电机传动机构旋转连接到刚性臂一端，刚性臂另一端通过柔性臂关节电机传动机构旋转连接到柔性臂。本发明专利技术中采用拼接构成刚性臂，更易于降低刚性臂重量，惯量减小，更便于平衡刚性臂重量以及整个四自由度机械臂的控制，沿受力方向不容易变形，同时也会使关节结构更易于设计、制造和安装，在智能制造研究中的柔性机构运动规划与振动主动抑制中，关节结构可替换性更高，而且拼接式的机械臂使得关节结构设计简化，增加了传动效率和降低重量。

【技术实现步骤摘要】
一种大行程且可快速替换的四自由度刚柔耦合机械臂
本专利技术属于智能制造研究中的柔性机构运动规划与振动主动抑制领域，涉及一种大行程且可快速替换的四自由度刚柔耦合机械臂。
技术介绍
柔性机械臂相较于刚性机械臂展现出了巨大的优势。重量轻、体积小、响应快等优势使柔性机械臂在工业生产的应用中获得很好的应用，但柔性机械臂存在的变形和微振动特性，使其在高精度作业中展现了一些问题，需要严苛的环境条件和有效的控制手段。有效的控制方法是柔性机械臂实现高精度操作的必要条件。柔性机械臂具有高的负载重量比，能以很快的速度进行作业，运行能量效率高，作动器的规格要求低，基于其柔性特质使其与环境的交互更加安全可靠。但轻型的设计带来的问题也限制着柔性机械臂的应用，柔性机械臂对环境的干扰过滤效果较差，会导致更加灵敏的、振幅更大的振动响应。这些振动响应造成操作过程中位置的偏移和很长的响应迟滞时间。新一代机器手以其高的负载重量比带来了生产效率的提高，但同时，柔性化、轻型化也决定了机械臂的操作精度，柔性臂在某一确切的操作中总是存在无法预料的偏差。机械结构的柔性化降低了机械手的操作精度，增加了操作的不确定性。因此，对相对简单的刚体臂控制问题的研究按实际情况应需转到对难以定性的柔性臂控制问题的研究。现有的四自由度刚柔耦合柔性机械臂由平动和旋转构成，柔性臂的加入增加了系统的响应速度和安全性，能较好满足空间的位置操作要求。四个自由度分别为：（1）直线滑台带来的平动自由度；（2）CKD电机带来的在水平面转动的自由度；（3）刚臂伺服电机带来的垂直于水平面的旋转自由度；（4）柔臂伺服电机带来的垂直于水平面的旋转自由度。四个自由度可使机械臂执行端以不同的姿态运动到范围内的任何位置。机械臂的作动器为直线滑台、CKD电机和伺服电机，控制它们实现机械臂的运动。反馈方式为编码反馈，各作动器具有自锁能力。刚柔耦合机械臂执行任务的响应速度和精度还基于机械结构的设计，现有的刚柔耦合机械臂的设计思路，除选用更轻、驱动力更大的电机以外，主要通过设计刚性臂和关节传动结构来降低系统惯量，增加响应速度。刚性臂方面可以选择完整的一根臂，但在大跨度大行程的前提下，这样的臂保证刚度会需要比较大的截面积，重量不易于得到降低。从四自由度刚柔耦合机械臂要实现的目的和意义来看，能准确快速定位目标点的同时将由干扰引发的柔性臂振动很好地消除，即是达到了目的。导致柔性臂振动的内部或外部的因素很多，这些扰动因素最终会叠加到柔性臂端部，使其难以实现操作目的。因此，关心的主要是其端部的定位效果和振动抑制效果。振动主动控制中，动力吸振器可以吸收柔性机械臂端部的振动，主动动力吸振器其内部质量弹簧阻尼系统参数可调，或可直接提供主动力用于振动抑制，四自由度刚柔耦合机械臂，一个主动动力吸振器将会置于柔性臂端部来有效地减少因空间跨度大、柔度大带来的端部扰动振动问题，主动动力吸振器由于其具有主动的力或手段，效用时间更短，可以更快地吸收和抑制振动。因此，更快速的机械臂执行速度才能体现主动动力吸振器的意义。现有的多自由度柔性机械臂视其工作场合、使用目的的不同，其空间跨度、柔性材料的性质尺寸等都不尽相同，现有的四自由度机器人的各个部件难以实现替换。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种大行程且可快速替换的四自由度刚柔耦合机械臂，以解决现有技术中存在的问题。本专利技术采取的技术方案为：一种大行程且可快速替换的四自由度刚柔耦合机械臂，包括线性滑台、电动旋转台、刚性臂和柔性臂，电动旋转台下端固定连接在线性滑台上的滑板上，上部通过刚性臂关节电机传动机构旋转连接到刚性臂一端，刚性臂另一端通过柔性臂关节电机传动机构旋转连接到柔性臂；刚性臂包括两块侧板，两块侧板之间通过支撑柱固定连接，构成框架结构。优选的，上述支撑柱为螺纹杆结构，两端插入两块侧板后分别采用两个螺母夹击一个侧板锁紧。优选的，上述刚性臂关节电机传动机构包括电机上底板、两块竖直壁板、两个轴承座、电机安装架、伺服电机一、电机间接安装板一、主轴一和法兰联轴器一，电机上底板固定连接在电动旋转台的输出端，两块竖直壁板对称垂直固定连接在电机上底板且保持间距，两个轴承座分别对称固定连接在两块竖直壁板上，主轴一与两个轴承座旋转连接，主轴一一端伸出后通过联轴器一连接到伺服电机一的电机轴，伺服电机一通过电机安装架固定连接在电机间接安装板一上，电机间接安装板一固定连接在两块竖直壁板中一块竖直壁板上，主轴一通过法兰联轴器一与刚性臂固定连接且刚性臂位于两块竖直壁板中间。优选的，上述柔性臂关节电机传动机构包括法兰轴承、调节螺杆、伺服电机二、电机间接安装板二、主轴二、法兰联轴器二，法兰轴承固定连接在两块侧板中一块侧板上，主轴二一端与法兰轴承旋转连接，另一端伸出刚性臂后通过联轴器二连接到伺服电机二的电机轴，伺服电机二固定连接在电机间接安装板二上，电机间接安装板二通过四根调节螺杆固定连接在两块侧板中另一块侧板外部并采用双螺母锁紧，主轴二通过法兰联轴器二固定连接柔性臂安装板上，柔性臂安装板通过角码固定件固定连接柔性臂。优选的，上述两块竖直壁板均是通过角码固定件固定连接在电机上底板上。优选的，上述主轴一上套接有轴套，轴套位于刚性臂与电机相对的另一侧的一个轴承座之间。优选的，上述电动旋转台采用CKD电机。优选的，上述柔性臂采用塑料管棒。刚性臂关节电机传动机构的伺服电机一与柔性臂关节电机传动机构的伺服电机二位于刚性臂两侧。本专利技术的有益效果：与现有技术相比，本专利技术的效果如下：（1）本专利技术中采用拼接构成刚性臂，更易于降低刚性臂重量，惯量减小，更便于平衡刚性臂重量以及整个四自由度机械臂的控制，沿受力方向不容易变形，同时也会使关节结构更易于设计、制造和安装，在智能制造研究中的柔性机构运动规划与振动主动抑制中，关节结构可替换性更高，而且拼接式的机械臂使得关节结构设计简化，增加了传动效率和降低重量；（2）机械臂惯量小和直接传动，机械臂具有快速准确的定位性能，可以较好地体现主动动力吸振器的应用意义。动力吸振器在接受到移动的命令后，机械臂端部开始移动，在向终点定位的快速过程中，主动动力吸振器不断发挥着吸振抑振的作用，直到准确定位至设定位置时，端部的振动已被很好地消除，这个过程要求较短时间完成，因此给主动动力吸振提出了要求。另外，当机械臂的定位执行速度更快后，振动的能量幅值必然也会增加，这将提高振动控制的难度，但这亦能更好地反映多自由空间柔性机械臂的实际运作要求，体现主动动力吸振器的实际应用意义；（3）本专利技术采用的柔性臂易于替换，可以采用一定范围内材料性质、形状尺寸各不同的柔性材料作为柔性臂，研究动力吸振器在不同条件的多自由度柔性机械臂下的吸振抑振效果，增加主动动力吸振器的适用性；（4）采用的刚性臂结构简单，重量轻，刚度和强度高，惯量小，便于旋转台承载和机械臂的运动控制和平衡控制；（5）采用螺纹杆结构的支撑柱并采用双螺母锁紧，能够实现侧板之间间距可调，适应性更好，调节方便快捷；（6）刚性臂关节电机传动机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大行程且可快速替换的四自由度刚柔耦合机械臂，其特征在于：包括线性滑台（1）、电动旋转台（2）、刚性臂（3）和柔性臂（4），电动旋转台（2）下端固定连接在线性滑台（1）上的滑板上，上部通过刚性臂关节电机传动机构旋转连接到刚性臂（3）一端，刚性臂（3）另一端通过柔性臂关节电机传动机构旋转连接到柔性臂（4）；刚性臂（3）包括两块侧板（301），两块侧板（301）之间通过支撑柱（302）固定连接，构成框架结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种大行程且可快速替换的四自由度刚柔耦合机械臂，其特征在于：包括线性滑台（1）、电动旋转台（2）、刚性臂（3）和柔性臂（4），电动旋转台（2）下端固定连接在线性滑台（1）上的滑板上，上部通过刚性臂关节电机传动机构旋转连接到刚性臂（3）一端，刚性臂（3）另一端通过柔性臂关节电机传动机构旋转连接到柔性臂（4）；刚性臂（3）包括两块侧板（301），两块侧板（301）之间通过支撑柱（302）固定连接，构成框架结构。


2.根据权利要求1所述的一种大行程且可快速替换的四自由度刚柔耦合机械臂，其特征在于：支撑柱（302）为螺纹杆结构，两端插入两块侧板后分别采用两个螺母夹击一个侧板锁紧。


3.根据权利要求1所述的一种大行程且可快速替换的四自由度刚柔耦合机械臂，其特征在于：刚性臂关节电机传动机构包括电机上底板（5）、两块竖直壁板（6）、两个轴承座（7）、电机安装架（8）、伺服电机一（9）、电机间接安装板一（10）、主轴一（11）和法兰联轴器一（12），电机上底板（5）固定连接在电动旋转台（2）的输出端，两块竖直壁板（6）对称垂直固定连接在电机上底板（5）且保持间距，两个轴承座（7）分别对称固定连接在两块竖直壁板（6）上，主轴一（11）与两个轴承座（7）旋转连接，主轴一（11）一端伸出后通过联轴器一（13）连接到伺服电机一（9）的电机轴，伺服电机一（9）通过电机安装架（8）固定连接在电机间接安装板一（10）上，电机间接安装板一（10）固定连接在两块竖直壁板（6）中一块竖直壁板上，主轴一（11）通过法兰联轴器一（12）与刚性臂（3）固定连接且刚性臂（3）位于两块竖直壁板（6）中间。


4.根据权利要求1所述的一种大行程且可快速替换的四自由...

【专利技术属性】
技术研发人员：张泽，朱泳廷，杜昊，
申请(专利权)人：贵州大学，
类型：发明
国别省市：贵州;52