一种开放式自由度教学用机器人制造技术

本实用新型专利技术公开了一种开放式自由度教学机器人，包括腰关节、肩关节、肘关节和腕关节，腰关节的腰部回转体通过滚动球轴承和推力球轴承的组合体与底座相连；肩关节通过输出轴与腰关节相连；肘关节通过大臂与肩关节相连；腕关节通过小臂与肘关节相连，腕关节的末端设置有末端执行器。本使用新型由腰、肩、肘、腕四关节组成，各关节可以自由拆卸组合，分别拆分用于教学，内部结构明细，及机械设计和电气化于一体，形象直观，非常适合教学用。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种机器人，尤其涉及一种开放式自由度教学用机器人，属于机器人自动化

技术介绍
随着科学技术的发展，上世纪60年代诞生于美国的机器人技术越来越被世界各国所重视。为了培养机器人开发、设计、生产等方面的人才，我国很多高校开设了有关机器人方面的课程。教学机器人可以帮助学生理解机器人的下作原理、工作过程以及设计思路，激发专业学习兴趣。另外，由于机器人技术涉及机械结构、控制技术、信息处理技术等多方面的学科领域知识，教学机器人还是“机械设计”、“电气控制”等课程的综合教学设备，其设计开发具有重要意义。现今还没有出现适合教学用的机器人。
技术实现思路
为了解决上述技术所存在的不足之处，本技术公开了一种开放式自由度教学用机器人。为了解决以上技术问题，本技术采用的技术方案是:一种开放式自由度教学机器人，包括腰关节、肩关节、肘关节和腕关节，腰关节的腰部回转体通过滚动球轴承和推力球轴承的组合体与底座相连；肩关节通过输出轴与腰关节相连；肘关节通过大臂与肩关节相连；腕关节通过小臂与肘关节相连，腕关节的末端设置有末端执行器。本使用新型由腰、肩、肘、腕四关节组成，各关节可以自由拆卸组合，分别拆分用于教学，内部结构明细，及机械设计和电气化于一体，形象直观，非常适合教学用。以下结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。附图说明图1为本技术的腰关节结构示意图。图2为本技术的肩关节结构不意图。图3为本技术的肘关节结构示意图。图4为本技术的腕关节结构示意图。图5为本技术的硬件结构组成框图。图6为本技术的系统软件运作顺序框图。图7为本技术的总体结构示意图。图中:1、底座；2、第一直齿网柱齿轮；3、第二直齿网柱齿轮；4、滚动球轴承；5、推力球轴承；6、输出轴；7、腰关节交流伺服电动机；8、腰关节谐波减速器；9、大臂；10、外啮合齿轮；11、涡轮；12、蜗杆；13、传动电机；14、箱体；15、肩关节交流伺服电动机；16、小臂；17、肘关节交流伺服电动机；18、肘关节锥齿轮；19、肘关节谐波减速器；20、腕关节交流伺服电动机；21、腕关节谐波减速器；22、腕关节锥齿轮；23、腰关节；24、肩关节；25、肘关节；26、腕关节；27、末端执行器。具体实施方式如图1、图7所示，腰关节23的主要作用是支撑整个手臂，使采摘机器人腰部以上整个部分以底座I为参照作回转运动。为了减小体积，增加结构的美观性，方便安装维护，将腰关节交流伺服电动机7和腰关节谐波减速器8串接垂直安装于底座I之上。输出轴6连接第一直齿圆柱齿轮2,同时第一直齿圆柱齿轮2与第二直齿圆柱齿轮3通过外哨合相连安装于底座I的下方。腰关节23的腰部回转体通过滚动球轴承4和推力球轴承5的组合体与底座I相连，这种结构既能承受轴向力、径向力，又能承受倾覆力矩。交流伺服电动机7转矩的输出先经腰关节谐波减速器8减速，再经第一直齿圆柱齿轮2与第二二直齿圆柱齿轮3传递，通过滚动球轴承4，腰部绕推力球轴承5相对于底座I实现回转。由于腰部的回转运动是在推力球轴承5上的转动，回转体各部分对回转中心产生的负载转矩比较小。图2、图7所示，肩关节24通过输出轴6与腰关节23相连，肩关节用来对大臂9进行支撑，使大臂9以图1所示的腰关节为参照进行俯仰运动。由于肩关节是主要的承载关节，为了避免掉电时大臂9失去控制下坠，应具有自锁功能，因此本设计采用一对外啮合齿轮10、涡轮11和蜗杆12组成二级减速机构。传动电机13安装在肩关节的箱体14中。肩关节的传动电机13的输出转矩通过一对外啮合齿轮10传递给蜗轮11和蜗杆12，近而驱动大臂9转动。选择肩关节交流伺服电动机15时，必须考虑负载的静转矩，须具有足够的转矩克服负载转矩。图3、图7所示，肘关节25通过大臂9与肩关节24相连，通过伸展小臂16来控制末端执行器27所能达到的工作位置。肘关节处于空间运动部位，关节自身重量直接影响到机械手的整个活动空间和使用性能，本新型充分考虑到减小肘关节重量和合理分布重量。肘关节谐波减速器19和肘关节交流伺服电动机17沿大臂9的轴线分布，以减小回转中心产生的负载转矩。动力通过肘关节交流伺服电动机17输出，肘关节谐波减速器19传递给肘关节锥齿轮18，肘关节锥齿轮18输出转矩带动小臂16伸展的传动机构。图4、图7所示，腕关节26通过小臂16与肘关节25相连，腕关节26的末端设置有末端执行器27，腕关节与末端执行器的姿态调整及保持正确的作业姿态有密切关系，本设计考虑到腕关节处于机械手的最末端，关节自身重量对机械手的活动空间和使用性能影响比肘关节更大，设计时更应考虑自身重量及其分布，采用和肘关节图3—样的传动装置即腕关节交流伺服电动机20和腕关节谐波减速器21及一对腕关节锥齿轮22的传动方式。本技术通过上述四个关节的组合，可以拆卸自由组合，内部硬件便于观察。通过这四个关节的有效连接和末端执行器的选择整机运行表明各关节传动方式工作可靠满足采摘机器人要求。图5控制系统硬件结构采用上、下位机二级结构和互联模块组合，PC机作为主控制器，其上运行机器人控制主程序，提供用户界面并进行作业任务规划、运动学正反解和坐标变换等，并将规划得到的机器人关节目标任务下达给DMC运动控制器。本系统选用PCM9575嵌入式工控机。下位机完成机器人底层运动控制，解决一般性的运动控制问题，规划运动过程中的位置、速度、加速度等参数选择经济和性能满足要求的下位机DMC2280。互联模块用来实现开关量输入输出、A/D、D/A转换、光电隔离以及电流电压放大等功能。PICM-3900互联模块通过一个100针信号电缆与DMC2280数字运动控制器相连接，用户可以通过4个15Pin的D型连接器与伺服驱动器或步进驱动器相连接来控制4个轴，I个37Pin的D型连接器与外部输入信号相连接，其中包括8个输入点，8个模拟输入信号，4个轴的正、负限位，回零输入信号以及控制器复位和急停输入信号；1个12Pin的Phoenix连接端子为输出口连接器，与外部信号相连接，控制8个输出点和控制器的报警输出信号。同时，对所有TTL电平输入/输出信号进行光电隔离电路处理，提高了整个系统的抗干扰能力。图6控制系统软件结构根据开放式机器人控制系统的特点，采用模块化和面向对象的设计方法，分为前台人机交互操作和后台运动控制函数库两部分。前台软件在人们熟悉的Windows操作系统下，利用Visual C++应用软件开发；后台则应用C++语言应用面向对象编程方法编写运动控制库函数，前台指令通过调用后台的库函数来完成相应任务，软件系统易于使用。本技术便于维护和修改，具有良好的柔性和开放性。上述实施方式并非是对本技术的限制，本技术也并不仅限于上述举例，本
的技术人员在本技术的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本技术的保护范围。`权利要求1.一种开放式自由度教学用机器人，包括腰关节、肩关节、肘关节和腕关节，其特征在于:所述腰关节的腰部回转体通过滚动球轴承和推力球轴承的组合体与底座相连；所述肩关节通过输出轴与腰关节相连；所述肘关节通过大臂与肩关节相连；所述腕关节通过小臂与肘关节相连，腕关 节的末端设置有末端执行器。专利摘要本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开放式自由度教学用机器人，包括腰关节、肩关节、肘关节和腕关节，其特征在于：所述腰关节的腰部回转体通过滚动球轴承和推力球轴承的组合体与底座相连；所述肩关节通过输出轴与腰关节相连；所述肘关节通过大臂与肩关节相连；所述腕关节通过小臂与肘关节相连，腕关节的末端设置有末端执行器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宋健，巩胜磊，苏春建，刘会祥，
申请(专利权)人：潍坊学院，
类型：实用新型
国别省市：