仿生機械臂的制作方法

本發(fā)明涉及工業(yè)機器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種仿生機械臂。

背景技術(shù)：

隨著工業(yè)自動化的不斷發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中越來越多地使用機器人或者機械臂來完成生產(chǎn)活動，機器人、機械臂不僅能夠提供自動化程度、生產(chǎn)效率，同時還能夠降低勞動人員的工作強度，或者代替人工完成如高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒物質(zhì)等危險環(huán)境下的工作，從而實現(xiàn)對工作人員的人生安全進行保護。

申請公布號為cn105619403a(申請?zhí)枮?01610184415.8)的中國發(fā)明專利申請《一種仿生機械臂》，公告號為cn103696711b(申請?zhí)枮?01310725153.8)的中國發(fā)明專利《一種鉆桿操作機器人》。其中公開的機械臂結(jié)構(gòu)均包括有兩個相對轉(zhuǎn)動的臂桿結(jié)構(gòu)。這些方案中的兩個臂桿結(jié)構(gòu)的相對轉(zhuǎn)動角度受限于兩個臂桿間的轉(zhuǎn)軸設(shè)置方向，轉(zhuǎn)動自由度低，僅能按照固定的方向進行轉(zhuǎn)動。此外，還需要設(shè)置精確的控制參數(shù)以實現(xiàn)對臂桿的工位控制。

申請公布號為cn105171726a(申請?zhí)枮?01510607815.0)的中國發(fā)明專利《一種多關(guān)節(jié)仿生機械臂》，其中公開的機械臂結(jié)構(gòu)通過多關(guān)節(jié)的設(shè)置可以實現(xiàn)多方向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動自由度大，但是該結(jié)構(gòu)中關(guān)節(jié)數(shù)量多，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，動作響應(yīng)有延遲，累積誤差高，工作過程中相應(yīng)故障率高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)動自由度高無需參數(shù)精準控制且故障率低的仿生機械臂。

本發(fā)明解決上述問題所采用的技術(shù)方案為：一種仿生機械臂，包括大臂桿、小臂桿，其特征在于：所述大臂桿上設(shè)置一安裝球窩，所述小臂桿的后端具有球狀體，所述球狀體能夠匹配容納在所述安裝球窩內(nèi)并相對于所述安裝球窩自由轉(zhuǎn)動；

所述大臂桿的兩側(cè)與小臂桿之間分別連接有多根第一調(diào)節(jié)繩索，以用于調(diào)節(jié)所述小臂桿相對于所述大臂桿進行左右方向上的擺動，并且所述臂桿內(nèi)設(shè)置有用于張緊所述第一調(diào)節(jié)繩索的第一張緊機構(gòu)組；

所述大臂桿的上部與小臂桿之間連接有多根第二調(diào)節(jié)繩索，以用于調(diào)節(jié)所述小臂桿相對于所述大臂桿進行上下方向上的擺動，并且所述臂桿內(nèi)設(shè)置有用于張緊所述第二調(diào)節(jié)繩索的第二張緊機構(gòu)組。

作為改進，所述小臂桿包括第一臂桿和第二臂桿，所述球狀體位于所述第一臂桿的后端，所述第一臂桿的前端與所述第二臂桿的后端轉(zhuǎn)動連接。

為了方便調(diào)節(jié)第一臂桿與第二臂桿之間的相對轉(zhuǎn)動，所述第一臂桿的兩側(cè)和第二臂桿兩側(cè)之間分別對應(yīng)連接有第三調(diào)節(jié)繩索，所述第一臂桿內(nèi)設(shè)置有用于張緊所述第三調(diào)節(jié)繩索的第三張緊機構(gòu)組。

簡單地，所述第一張緊機構(gòu)組包括與所述第一調(diào)節(jié)繩索相同數(shù)量的張緊機構(gòu)，所述第二張緊機構(gòu)組包括與所述第二調(diào)節(jié)繩索相同數(shù)量的張緊機構(gòu)，所述第三張緊機構(gòu)組包括與所述第三調(diào)節(jié)繩索相同數(shù)量的張緊機構(gòu)；

所述張緊機構(gòu)包括電機、與所述電機驅(qū)動連接的絲桿組件、連接在所述絲桿組件上的滾輪、設(shè)置在各繩索固定點的拉力傳感器、控制器，所述電機、拉力傳感器分別與所述控制器電信號連接，所述控制器能夠根據(jù)接收的拉力傳感器傳送的繩索的內(nèi)部瞬間拉力信號控制電機動作，進而所述絲桿組件能夠在所述電機的驅(qū)動下調(diào)節(jié)包繞在所述滾輪上繩索的松緊度。

簡單地，所述絲桿組件包括基架、絲桿、安裝臺、滾輪安裝架；

所述基架包括第一基板、第二基板以及連接在第一基板和第二基板之間的導(dǎo)向柱；

所述安裝臺包括第一臺板、第二臺板以及連接在第一臺板和第二臺板之間的支撐柱，所述第一臺板位于所述第一基板的上方，并且所述支撐柱穿設(shè)在所述第一基板內(nèi)，所述第二臺板位于所述第一基板和第二基板之間，并且所述導(dǎo)向柱穿設(shè)在所述第二臺板內(nèi)；

所述絲桿的一端與所述電機驅(qū)動連接，所述絲桿穿過所述第二基板，且所述絲桿的另一端與所述第一基板相連接，所述絲桿穿設(shè)在所述第二臺板內(nèi)并與所述第二臺板傳動連接；

所述安裝臺限位安裝在所述基架上，所述絲桿的一端連接在電機的驅(qū)動軸上，所述絲桿的另一端與所述基架固定連接，所述絲桿穿設(shè)在所述安裝并與所述所述并能相對于所述基架上下移動；

所述滾輪安裝架通過一轉(zhuǎn)動軸承連接在所述安裝臺上，所述滾輪安裝架包括基座以及自所述基座兩側(cè)沿軸向相對延伸設(shè)置的連接板，所述滾輪通過一轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動連接在兩個連接板之間。

為了方便裝配，所述大臂桿上凹陷設(shè)置有一凹腔，所述安裝球窩安裝在所述凹腔內(nèi)；

所述安裝球窩包括具有開口的外球殼和嵌套在所述外球殼內(nèi)的內(nèi)球殼，所述內(nèi)球殼上開設(shè)有多個開孔，每個開孔內(nèi)嵌設(shè)一滾珠，所述外球殼的內(nèi)殼面上對應(yīng)于所述滾珠設(shè)置有凹槽。

簡單地，所述外球殼包括能夠相互對接的第一外球半殼和第二外球半殼，所述內(nèi)球殼包括能夠相互對接的第一內(nèi)球半殼和第二內(nèi)球半殼。

為了方便該機械臂轉(zhuǎn)動到不同工位工作，所述大臂桿的下端轉(zhuǎn)動連接在一安裝座上。

簡單地，所述小臂桿的前端轉(zhuǎn)動連接有一工裝夾具。

方便地，所述工裝夾具包括夾爪部和連接部，所述連接部通過一轉(zhuǎn)動軸承連接在所述小臂桿的前端而以所述臂桿軸向為中心進行轉(zhuǎn)動，所述夾爪部通過一轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動連接在所述連接部上。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：該仿生機械臂設(shè)置了安裝球窩、球狀體、繩索和張緊機構(gòu)。球狀體在安裝球窩內(nèi)能夠進行多自由度的轉(zhuǎn)動，使得該機械臂的使用更加方便，動作位置不受轉(zhuǎn)軸的限制，轉(zhuǎn)動自由度高。另外通過張緊機構(gòu)對設(shè)置在不同位置的繩索松緊調(diào)節(jié)即能實現(xiàn)該機械臂中小臂相對于大臂實現(xiàn)在左右方向和上下方向全空間范圍內(nèi)的動作，在動作過程中無需進行精確的參數(shù)控制，只需要人工將機械臂拉到工作位置，，張緊機構(gòu)即能對繩索進行適應(yīng)性調(diào)節(jié)，從而保持當(dāng)前機械臂的工作位置，調(diào)節(jié)簡單、方便、自由度高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例中仿生機械臂的立體圖。

圖2為本發(fā)明實施例中仿生機械臂另一個角度的立體圖。

圖3為本發(fā)明實施例中絲桿組件的立體圖。

圖4為如3的分解圖。

圖5為本發(fā)明實施例中小臂桿與安裝球窩的配合安裝圖。

圖6為本發(fā)明實施例中安裝球窩的立體分解圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。

如圖1至圖6所示，本實施例中的仿生機械臂，大臂桿1、小臂桿2、安裝座10和工裝夾具9。

大臂桿1的下端轉(zhuǎn)動連接在安裝座10上，如此，通過大臂桿1相對于安裝座10的轉(zhuǎn)動可以將該仿生機械臂轉(zhuǎn)動到任意工位進行工作。

工裝夾具9轉(zhuǎn)動連接在小臂桿2的前端。工裝夾具9包括夾爪部91和連接部92，連接部92通過一轉(zhuǎn)動軸承連接在小臂桿2的前端，從而以所述臂桿軸向為中心進行轉(zhuǎn)動，夾爪部91通過一轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動連接在連接部92上。

大臂桿1上凹陷設(shè)置有一凹腔，凹腔內(nèi)設(shè)置有一安裝球窩3，小臂桿2的后端具有球狀體201，球狀體201能夠匹配容納在安裝球窩3內(nèi)并相對于安裝球窩3自由轉(zhuǎn)動，如此小臂桿2和大臂桿1之間能夠?qū)崿F(xiàn)肩關(guān)節(jié)動作。球狀體201在安裝球窩3內(nèi)的轉(zhuǎn)動自由度極高，可以實現(xiàn)各個方向的自由轉(zhuǎn)動，響應(yīng)速度快，同時相對于現(xiàn)有技術(shù)中通過多個關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)置實現(xiàn)的多自由度的轉(zhuǎn)動，其累計誤差更小。

其中安裝球窩3包括外球殼31、內(nèi)球殼32。

內(nèi)球殼32嵌設(shè)在外球殼31內(nèi)，小臂桿2的球狀體201嵌設(shè)在內(nèi)球殼32內(nèi)，內(nèi)球殼32和外球殼31具有供小臂桿2的球狀體201多自由度活動所需的開口。

內(nèi)球殼32上開設(shè)有多個開孔，多個開孔沿內(nèi)球殼32的多個經(jīng)度的經(jīng)線方向排列設(shè)置，每個開孔內(nèi)嵌設(shè)一滾珠33，從而使得滾珠33也沿內(nèi)球殼32的經(jīng)線方向排列。外球殼31的內(nèi)殼面上對應(yīng)于滾珠33設(shè)置有凹槽301。本實施例中，凹槽301對應(yīng)于滾珠33的排列方向在外球殼31的內(nèi)殼面上沿外球殼31的多個經(jīng)度的經(jīng)線方向貫通設(shè)置。

內(nèi)球殼32包括能夠相互對接的第一內(nèi)球半殼321和第二內(nèi)球半殼322。本實施例中第一內(nèi)球半殼321的下邊緣沿徑向向外延伸設(shè)置有第一翻邊，第二內(nèi)球半殼322的上邊緣沿徑向向外延伸設(shè)置有第二翻邊，第一翻邊和第二翻邊的對合面上分別對應(yīng)設(shè)置有卡槽和凸棱，本實施例中卡槽設(shè)置在第一翻邊上，凸棱設(shè)置在第二翻邊上，通過將凸棱插配在卡槽內(nèi)，實現(xiàn)第一內(nèi)球半殼321和第二內(nèi)球半殼322的對合連接。

外球殼31包括能夠相互對接的第一外球半殼311和第二外球半殼312，第一外球半殼311的下邊緣沿徑向向外延伸設(shè)置有第一連接邊，第二外球半殼312的上邊緣沿徑向向外延伸設(shè)置有第二連接邊。裝配時，將滾珠33裝配入第一內(nèi)球半殼321上的開孔內(nèi)后，將第一外球半殼311罩設(shè)在第一內(nèi)球半殼321外，使得滾珠33抵在第一外球半殼311上的凹槽301內(nèi)，此時第一連接邊恰好蓋設(shè)在第一翻邊外。按照相同的過程裝配好滾珠33、第二內(nèi)球半殼322和第二外球半殼312，第二連接邊恰好蓋設(shè)在第二翻邊外，通過第一翻邊上的卡槽和第二翻邊上的凸棱的配合對接，第一連接邊、第一翻邊、第二翻邊、第二連接邊疊設(shè)在一起，通過固定件分別穿過第一連接邊、第一翻邊、第二翻邊、第二連接邊以實現(xiàn)外球殼31、內(nèi)球殼32的固定連接。

該仿生機械臂在使用時，小臂桿2的球狀體201能夠在滾珠33的作用下相對于內(nèi)球殼32多自由度的進行轉(zhuǎn)動，在小臂桿2的球狀體201的轉(zhuǎn)動過程中，各滾珠33在固定的開孔位置內(nèi)進行轉(zhuǎn)動，滾珠33的設(shè)置減小了小臂桿2的球狀體201相對于安裝球窩3之間的摩擦，有效保證了小臂桿2的球狀體201運動的穩(wěn)定性。

大臂桿1的兩側(cè)與小臂桿2之間分別連接有多根第一調(diào)節(jié)繩索4，這些第一調(diào)節(jié)繩索4用于調(diào)節(jié)小臂桿2相對于大臂桿1進行左右方向上的擺動，并且臂桿內(nèi)設(shè)置有用于張緊第一調(diào)節(jié)繩索4的第一張緊機構(gòu)組。

大臂桿1的上部與小臂桿2之間連接有多根第二調(diào)節(jié)繩索5，第二調(diào)節(jié)繩索5用于調(diào)節(jié)所述小臂桿2相對于大臂桿1進行上下方向上的擺動，并且臂桿內(nèi)設(shè)置有用于張緊第二調(diào)節(jié)繩索5的第二張緊機構(gòu)組。

小臂桿2包括第一臂桿21和第二臂桿22，小臂桿2的球狀體201位于第一臂桿21的后端，第一臂桿21的前端與第二臂桿22的后端轉(zhuǎn)動連接，本實施例中第一臂桿21的前端與第二臂桿22的后端簡單的通過轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動連接，從而通過第一臂桿21和第二臂桿22的動作實現(xiàn)肘關(guān)節(jié)運動。

第一臂桿21的兩側(cè)和第二臂桿22兩側(cè)之間分別對應(yīng)連接有第三調(diào)節(jié)繩索6，第一臂桿21內(nèi)設(shè)置有用于張緊第三調(diào)節(jié)繩索6的第三張緊機構(gòu)組。

為了實現(xiàn)精確的調(diào)節(jié)，第一張緊機構(gòu)組包括與第一調(diào)節(jié)繩索4相同數(shù)量的張緊機構(gòu)，第二張緊機構(gòu)組包括與第二調(diào)節(jié)繩索5相同數(shù)量的張緊機構(gòu)，第三張緊機構(gòu)組包括與第三調(diào)節(jié)繩索6相同數(shù)量的張緊機構(gòu)。即張緊機構(gòu)與繩索一一對應(yīng)設(shè)置，每個張緊機構(gòu)對應(yīng)實現(xiàn)一根繩索的松緊調(diào)節(jié)。

張緊機構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)如下：張緊機構(gòu)包括電機、與電機驅(qū)動連接的絲桿組件8、連接在絲桿組件8上的滾輪7、設(shè)置在各繩索固定點的拉力傳感器100、控制器，電機、拉力傳感器100分別與控制器電信號連接。

本實施例中的電機采用閉環(huán)步進電機，絲桿組件8能夠在電機的驅(qū)動下調(diào)節(jié)包繞在滾輪7上繩索的松緊度，從而小臂桿2相對于大臂桿1轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動角度的調(diào)節(jié)，以及第二臂桿22相對于第一臂桿21轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動角度的調(diào)節(jié)。在調(diào)節(jié)時，不同的張緊程度，對應(yīng)繩索兩端點之間直線距離的不同，如此可以通過張緊繩索來縮小繩索兩端點之間直線距離，即減小在張緊機構(gòu)設(shè)置方向小臂桿2向大臂桿1轉(zhuǎn)動的距離。通過放松繩索來增加繩索兩端點之間直線距離，相應(yīng)增加在張緊機構(gòu)設(shè)置方向小臂桿2向大臂桿1轉(zhuǎn)動的距離。

絲桿組件8包括基架81、絲桿82、安裝臺83、滾輪安裝架84。

基架81包括第一基板811、第二基板812以及連接在第一基板811和第二基板812之間的導(dǎo)向柱813；

安裝臺83包括第一臺板831、第二臺板832以及連接在第一臺板831和第二臺板832之間的支撐柱833，第一臺板831位于第一基板811的上方，并且支撐柱833穿設(shè)在第一基板811內(nèi)，第二臺板832位于第一基板811和第二基板812之間，并且導(dǎo)向柱813穿設(shè)在第二臺板832內(nèi)。

絲桿82的一端與電機驅(qū)動連接，絲桿82穿過第二基板812，且絲桿82的另一端與第一基板811相連接，絲桿82穿設(shè)在第二臺板832內(nèi)并與第二臺板832傳動連接。

安裝臺83限位安裝在基架81上，絲桿82的一端連接在電機的驅(qū)動軸上，絲桿82的另一端與基架81固定連接，絲桿82穿設(shè)在安裝并與并能相對于基架81上下移動。

滾輪安裝架84通過一轉(zhuǎn)動軸承連接在安裝臺83上，該軸承可以降低繩索不規(guī)則彎曲帶來的控制不確定性。滾輪安裝架84包括基座841以及自基座841兩側(cè)沿軸向相對延伸設(shè)置的連接板842，滾輪7通過一轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動連接在兩個連接板842之間。

在使用時，通過電機驅(qū)動絲桿82轉(zhuǎn)動，通過絲桿82的傳動作用帶動安裝臺83沿導(dǎo)向柱813方向上下運動，從而實現(xiàn)繩索的張緊和松弛調(diào)節(jié)，進而通過繩索帶動小臂桿2相對于大臂桿1進行各方向上轉(zhuǎn)動位置和轉(zhuǎn)動角度的調(diào)節(jié)，通過各繩索不同松緊度的配合，達到機械臂實現(xiàn)不同動作的目的。調(diào)節(jié)過程中繩索的松緊度可以通過設(shè)置在各繩索固定點的拉力傳感器100進行檢測，拉力傳感器100將檢測到的繩索的拉力信號傳送至控制器，控制器控制電機進行動作，進而絲桿組件8能夠在電機的驅(qū)動下調(diào)節(jié)包繞在滾輪7上繩索的松緊度。

該仿生機械臂在使用時，可以通過電機內(nèi)的參數(shù)設(shè)置控制電機動作，進而實現(xiàn)機械臂各種動作的控制。也可以通過人工引導(dǎo)的方式使用，即人工將小臂桿2拉動到工作工位，位于各繩索固定點的拉力傳感器100對應(yīng)獲取各繩索的拉力數(shù)據(jù)，并傳送給控制器，控制器控制電機工作，進而通過絲桿調(diào)節(jié)各繩索的松緊度，進而使得拉力傳感器100檢測的各繩索的拉力數(shù)據(jù)保持在設(shè)定的拉力值范圍內(nèi)，進而實現(xiàn)小臂桿相對于大臂桿位置的變化，并且記錄在此拉力范圍內(nèi)各個閉環(huán)步進電機的編碼值，從而實現(xiàn)后續(xù)無人手牽引的重復(fù)定位，從而保持機械臂處于工作工位上，這種使用方法無需設(shè)置精確的控制參數(shù)，操作靈活度高，工人上手速度快。