多關節撓性機械手臂的製作方法
2023-09-22 08:16:55
本發明涉及機器人領域，具體地說，涉及一種多關節撓性機械手臂。
背景技術：
機械手臂為工業最為常用的機器人之一，隨著工業水平以及要求不斷提高，對於機械手臂機器人的要求也隨著提高，自由度多的機器人具有靈活性，進而提升應用範圍和工作空間，遠程處理能力，能夠進入狹小曲路空間進行探傷，同時具備避障能力，這是常規機器人不易達到的。另外，不需要拆裝箱體，通過窺視孔進入其內部檢查機器運行情況或關鍵件清洗、維護等動作，曲線型管道連接處密封、檢測、微創技術。蛇形多關節撓性手臂通常安裝在移動小車或者自動線上進行作業，在其末端裝配著各種工具，例如：相機、探照燈、切割裝置以及刷子，可執行密封性檢查，並在飛機艙內有限空間中進行伸縮鑽探式安檢。
目前的機械手臂多數是採用關節電機來驅動各個關節的運動，因此，每個關節都需要一個關節電機，其安裝結構複雜，故障率高；並且，多電機協同控制也是極其複雜。對於以上問題，目前還未有較好的解決方案。
技術實現要素：
本發明提供了一種多關節撓性機械手臂，以至少解決現有技術中多電機協同控制機械手臂具有安裝結構複雜、耗能大、控制系統複雜等問題。
根據本發明的一個方面，提供一種多關節撓性機械手臂，所述多關節撓性機械手臂包括：驅動部，所述驅動部驅動多個推桿做往復直線運動；轉動關節，所述轉動關節包括正交交錯連接的縱向轉動關節和橫向轉動關節，縱向轉動關節的樞軸與橫向轉動關節的樞軸垂直，並且，縱向轉動關節、橫向轉動關節能夠繞各自的樞軸旋轉以及停止；拉線，多根拉線從轉動關節的四周依次穿過每個轉動關節，並且，每根拉線都單獨與其對應的推桿連接，拉線的另一端穿出最前端的轉動關節並固定；制動器，每個轉動關節上都安裝有制動器；其中，結合制動器的功用，利用推桿的往復直線運動收緊或放鬆拉線，從而控制轉動關節的轉動。
優選地，所述制動器是電磁失電式制動器。
優選地，同一控制時刻，縱向轉動關節或者橫向轉動關節中都至多僅有一個轉動。
優選地，在最前端的轉動關節上安裝有環境感知傳感器。
優選地，所述推桿上還設置有位置傳感器。
優選地，所述推桿上設置有檢測推桿的電機轉數的編碼器。
根據本發明的另一個方面，提供一種多關節撓性機械手臂用制動器，應用於以上所述的多關節撓性機械手臂上，所述制動器包括：定環，所述定環與轉動關節同軸地固定連接，定環的兩個端面為齒面；動環，兩個動環通過花鍵與樞軸可滑動地連接在所述定環的兩端，動環靠近定環的端面也為齒面，在所述動環的軸向外側具有多個彈簧擠壓動環與定環齒面嚙合；電磁線圈，所述電磁線圈設置在動環的軸向外側；其中，當電磁線圈得電時，吸引動環滑動到與定環分離的狀態，轉動關節處於非制動狀態，當電磁線圈失電時，動環在彈簧力的作用下滑動到與定環齒面嚙合的狀態，轉動關節處於制動狀態。
優選地，採用預緊螺釘調節彈簧的壓縮量，從而調整動環和定環的預緊程度。
根據本發明的再一個方面，提供一種多關節撓性機械手臂的操作方法，利用以上所述的多關節撓性機械手臂進行以下操作：制動所有轉動關節，然後，解除待轉動的轉動關節的制動；利用推桿控制在轉動平面內的兩根拉線，使未制動的轉動關節旋轉；當轉動關節轉到所需角度後，制動該轉動關節；依次控制縱向和/或橫向的各個轉動關節轉動，即可完成多關節撓性機械手臂的空間動作。
優選地，利用推桿上的位置傳感器檢測推桿的伸縮量，從而控制轉動關節的轉角。
本發明設計的多關節撓性機械手臂採用推桿帶動拉線，結合制動器來驅動各關節轉動，並且在推桿上設置位置傳感器來感知推桿的位移量，來精確控制各關節的轉角。較傳統工業機器人比，具有模塊化設計單一性，結構緊湊、互換性好，降低了製造和維護成本；自由度多靈活性強，提升應用範圍和工作空間，通過改變自身的關節角度變化達到最佳姿態適應不同工作任務和周圍的環境的變化。諸如能夠完成機艙、車廂、曲線管道等非結構狹小空間進行檢測任務，這是常規機器人不易達到的；在手臂末端裝備環境感知傳感器，利用自身記憶功能完成避障，如果更換末端執行件，能對飛機內腔的塗膠、排屑、多餘物取出等；此外，在未知、危險、等環境下進行遠程操控作業具備更大的優勢。採用拉線式多關節手臂能夠提高剛度性。
附圖說明
通過結合下面附圖對其實施例進行描述，本發明的上述特徵和技術優點將會變得更加清楚和容易理解。
圖1是表示本發明實施例涉及的多關節撓性機械手臂的立體示意圖；
圖2是表示本發明實施例涉及的驅動部的立體示意圖；
圖3是表示本發明實施例涉及的轉動關節的立體示意圖；
圖4是表示本發明實施例涉及的轉動關節的剖面圖；
圖5是表示本發明實施例涉及的多關節撓性機械手臂的動作示意圖。
具體實施方式
下面將參考附圖來描述本發明所述的多關節撓性機械手臂的實施例。本領域的普通技術人員可以認識到，在不偏離本發明的精神和範圍的情況下，可以用各種不同的方式或其組合對所描述的實施例進行修正。因此，附圖和描述在本質上是說明性的，而不是用於限制權利要求的保護範圍。此外，在本說明書中，附圖未按比例畫出，並且相同的附圖標記表示相同的部分。
多關節機械手臂多數是採用關節電機來驅動各個關節的運動，因此，每個關節都需要一個關節電機，其安裝結構複雜，並且消耗的電能大。而本發明是提供一種能夠使用電動推桿驅動的機械手臂，其動力源集中布置，且數量少，可帶動整個機械手臂完成空間運動。圖1是本發明的實施例涉及的多關節撓性機械手臂的立體示意圖。該機械手臂是安裝在小車或自動化生產線上的，實現整個手臂前進移動和後退，到達指定工作範圍。機械手臂的縱橫關節提供轉動，變換成最佳姿態，在前進方向進行避障，進而進入非結構性的狹小空間。其運動模式類似於象鼻，機械手臂後端安裝在小車上，而機械手臂則可以像象鼻一樣做空間動作。小車類似於大象的腿部，而電動推桿則類似於大象的頭部，驅動機械手臂擺動。
圖1所示為正交交錯連接的縱向轉動關節2和橫向轉動關節3。在本實施例中，設定從驅動部沿著依次連接延伸的轉動關節的方向為前端，與前端相反的為後端。縱向轉動關節2通過關節底座4和後端的橫向轉動關節3連接，並通過另一關節底座4和其前端的橫向轉動關節3連接。關節底座4為平板狀，具體地說，是外圓內方孔的平板狀，關節控制電線從內方孔中通過。轉動關節和關節底座4可以通過螺栓連接。所述縱向轉動關節2能夠繞其縱向樞軸21旋轉及被制動，所述橫向轉動關節3能夠繞其橫向樞軸31旋轉及被制動。關於制動器的結構在後面會描述。本實施例是以4根拉線為例，但可以使用更多的拉線，例如8根、12根等。根數越多其功率越大，轉動力矩也越大。相應地，在關節底座4上，加工有和拉線數量對應的拉線孔。4個拉線孔沿關節底座的周向均勻布置，並且，對稱設置的拉線孔的圓心連線分別與樞軸的軸線平行。從4個拉線孔分別穿入4根拉線，依次穿過對應的拉線孔，直到拉線將這些縱向轉動關節和橫向轉動關節串在一起。通過以上結構連接，組成了機械手臂的動作部分，還需要驅動部來驅動拉線，即可驅動機械手臂動作。拉線穿過所有的縱向轉動關節和橫向轉動關節後，本實施例採用12個縱向轉動關節，11個橫向轉動關節，使得手臂可以做S形彎曲，也就能夠完成多數複雜動作了。拉線的後端通過連接頭12和推桿11連接，而驅動部1的輸出端和推桿11連接，為推桿11提供動力，使得推桿11能夠做往復直線運動。在推桿11的前端設置有電路板14、定位環13，定位環13用於精確定位4個電動推桿的軸線位置和關節底座4個拉線孔的位置，使的電動推桿軸線位置和拉線孔的位置精確對準。4個電動推桿的前端和拉線通過連接頭12連接。拉線的前端，也就是在最前端的轉動關節的關節底座4上，使用鎖緊頭8固定拉線，在驅動部1的推桿11的帶動下，即可通過控制拉線的鬆緊來控制縱向轉動關節2或者橫向轉動關節3轉動。
下面詳細說明其控制過程，拉線分別為上拉線5、下拉線6、左拉線7、右拉線8。如圖2所示，推桿11包括上推桿111、下推桿112、左推桿113、右推桿114分別和拉線對應。上拉線5和下拉線6控制縱向轉動關節實現繞著關節上下轉動。前拉線7和後拉線8控制橫向轉動關節前後擺動。而拉線由推桿11提供動力，實現拉伸運動，電動推桿前推和後拉的移動量控制上下拉線拉緊和放鬆，進而利用關節底座上的拉線孔，轉換成所需關節的轉動角度。例如，若要實現機械手臂在豎直平面內的向上擺動，先制動所有的縱向轉動關節和橫向轉動關節，然後，解除需要轉動的關節的制動，此時，推桿111控制上拉線5向後拉，也就是推桿11向後收緊，下拉線6向前松，也就是推桿112向前推出。而左拉線7和右拉線8保持不動。由於拉線5被向後拉緊，因此拉線5會通過拉線孔帶動關節底座4向上拉起；同時，拉線6會向前放鬆，從而在拉線5和拉線6的配合動作下，將轉動關節向上拉起。通過拉線拉緊和放鬆來控制擺動的角度，當擺動的角度達到要求時，再次制動該轉動關節，即可使機械手臂完成在豎直平面內向上擺動的動作。而要向下擺動時，就是放鬆拉線5，收緊拉線6，左拉線7和右拉線8保持不動，即可使機械手臂完成在豎直平面內向下擺動的動作。通常的多關節機械手臂會在各關節上設置角度檢測裝置，其結構複雜，控制設計複雜。而本實施例的多關節機械手臂的電動推桿是由伺服電機、減速器、絲槓螺母組成，在電動推桿上還設置有位置傳感器15，能夠檢測出推桿的伸縮量，即推桿前推或後拉的移動量，上下兩個電動推桿後拉量和前推量大致相等。此外，電動推桿上還可以設置編碼器，能夠檢測伺服電機的轉數，用於檢測推桿伸縮的精度。能夠精確地控制推桿的伸縮量，進而精確地控制轉動關節的轉動角度。採用帶有位置傳感器的電動推桿驅動拉線動作，能夠節省大量的關節傳感器。
再例如，若要機械手臂在水平平面內向左擺動(圖中的紙面內方向)，先制動所有的縱向轉動關節和橫向轉動關節，然後，解除需要轉動的轉動關節的制動。保持拉線5和拉線6的鬆緊度不變，驅動部1的推桿113拉緊拉線7，推桿114將拉線8放鬆，也就使得機械手臂在水平平面內向左擺動。
每個控制時刻，同一個旋轉方向的轉動關節，只有一個可以旋轉動作，其他同一旋轉方向的轉動關節都被制動器鎖死。但縱向轉動關節和橫向轉動關節是可以同時動作的，也就是說，以上所述的向上擺動和向左擺動是可以同時動作的，先制動所有的縱向轉動關節和橫向轉動關節，然後，解除一個縱向轉動關節和一個橫向轉動關節的制動。同時將拉線5、拉線7拉緊，拉線6、拉線8放鬆，即可完成向上擺動和向左擺動的動作。
通過本發明的機械手臂，取消了關節電機，採用電動推桿控制拉線，帶動轉動關節轉動，再配合制動器，能夠驅動機械手臂完成空間動作。本發明設計的多關節機械手臂較傳統工業機器人比，具有模塊化設計單一性，結構緊湊、互換性好，降低了製造和維護成本；自由度多靈活性強，提升應用範圍和工作空間，通過改變自身的關節角度變化達到最佳姿態適應不同工作任務和周圍的環境的變化。諸如能夠完成機艙、車廂、曲線管道等非結構狹小空間進行檢測任務，這是常規機器人不能達到的；在手臂末端裝備環境感知傳感器，利用自身記憶功能完成避障，如果更換末端執行件，能對飛機內腔的塗膠、排屑、多餘物取出等；此外，在未知、危險、等環境下進行遠程操控作業具備更大的優勢。採用拉線式多關節手臂能夠提高剛度性。
縱向轉動關節和橫向轉動關節的結構可以是相同的，只要其安裝的軸線相互垂直。圖3是轉動關節的結構圖，兩個關節底座4分別通過連接件與樞軸100連接起來，連接件由薄鋼板在與關節底座4連接處垂直彎曲而成，具體地說，上關節底座41與上連接件411為螺栓連接，上連接件411通過軸承108安裝在樞軸100上，形成轉動副，軸承108主要承受徑向力。在樞軸100的軸向中心處，套有定環103，制動器的外殼107通過鉚釘105和定環103、上連接件411連接為一體，即定環103和上連接件411無相對轉動。定環103的內徑大於樞軸100的外徑，因此定環103和樞軸100沒有連接定位關係。
下關節底座42與下連接件421為螺栓連接。下連接件421通過連接件102、圓錐銷101與樞軸100固定連接。因此，樞軸100與下關節底座沒有相對轉動，固連一起。關節內部制動結構以定環103為基準兩側對稱，兩個動環104與樞軸100中段花鍵滑移連接，並布置在定環103兩側。即動環和樞軸為周向定位，兩者沒有相對轉動。
在定環103的兩個側端面上設置有齒1031。動環104具有和定環103配合的齒1041，動環和定環通過齒面的齒嚙合實現關節制動。在外殼107的圓周方向均勻布置有多個階梯狀的孔，在孔內安裝有頂杆1073、彈簧1072、以及預緊螺釘1071。動環104的軸向兩側，還分別設置有線圈106，線圈106和外部電路連接。
制動時，線圈106斷電，在彈簧1072的預緊螺釘1071壓力下，動環104沿著樞軸100軸線方向向定環103端面移動，進而實現其端面齒嚙合，促使動環、定環無相對旋轉，因此轉動關節不能轉動，處於制動狀態。
解除制動時，線圈106得電，線圈吸引動環104沿著樞軸100軸線方向背離定環103滑動，使得齒1031和齒1041脫離嚙合，通過穿過拉線孔412的拉線拉動上關節底座41，則與上關節底座41連接為一體的上連接件411以及定環103會一同轉動。
區別於常用的制動器，本實施例的電磁製動器採用斷電制動，因為轉動關節較多，而同一轉動方向(橫向或縱向)僅有一個轉動關節轉動，其他都是制動狀態，因此，本實施例採用斷電制動，可以節約電能消耗。以上僅是一種制動器的結構，制動器可以採用多種形式，例如盤式制動、鼓式制動，都能夠和本發明的拉線式多關節的機械手臂配合使用。
此外，在前端的轉動關節上，還設置有環境感知傳感器9，通過環境感知傳感器反饋物體的位置信息。再利用手臂控制系統使各個關節轉動與機械手臂整體移動協同進入狹小空間。以機械手臂在豎直平面內繞兩點穿越運動過程為例，圖4中的點B和點A在同一豎直平面內，圖4顯示的是機械手臂繞過點B和點A後的狀態圖，機械手臂從點B右下方繞過點B，通過點B和點A之間，從點B左上方繞過點A，並從點A的上方穿出。安裝在小車上面的機械手臂初始狀態是縱向轉動關節水平伸直且全部制動。小車起點始於點B的左下方，且機械手臂的最前端處於點B的左下方。環境感知傳感器9將點B位置信息反饋給手臂控制系統，承載機械手臂的小車沿水平方向開始向右移動，當第一個縱向轉動關節201經過點B時(經過點B的正下方)小車靜止，關節201停止制動，拉線控制該關節逆時針向後轉動45°後制動；小車開始繼續水平向前運動，當第二個縱向轉動關節202經過點B時，小車靜止，關節202停止制動，拉線控制該關節逆時針向後轉動45°後制動；小車開始繼續水平向前運動，依次重複以上運動，直到關節204逆時針向後轉動45°後制動，小車靜止，此時，機械手臂前端處於點B和點A之間，且前端指向為水平向左；在繞過點B的過程中，小車靜止一次，轉動一個縱向轉動關節。
接下來，機械手臂的後端將要繼續繞點B運動，而已經穿入點B和點A之間的前端則要繞點A運動。
小車開始繼續水平向右運動，當第五個縱向轉動關節205經過點B時，小車靜止，關節205停止制動，控制關節205逆時針轉45°並制動，然後，關節201停止制動，拉線控制關節201順時針轉動90°後制動；小車開始繼續水平向右運動，依次類推……，直至機械手臂前端水平向右伸出；
手臂的後端繞點B運動和手臂的前端繞點A的運動是依次連續動作的，也就是說，小車靜止一次，依次轉動兩個關節。
為具體清楚描述關節控制流程，小車運動採用間歇運動；在實際此多關節手臂操作過程中，只要滿足小車直線運動和非制動關節轉動協同性，在小車適當勻速行進情況下，關節也能夠同時完成轉動去越障。
以上是機械手臂在豎直平面內繞兩點穿越運動過程。可以看出，後一個關節和小車的協同運動重複前一個關節和小車的協同運動，由此可以利用關節程序記憶功能，實現控制簡單，且可靠。根據傅立葉級數可知，任何複雜周期的波形軌跡都可由簡單的餘弦或正弦波形疊加而成，圖5多關節手臂可變換成S形(橫向看類餘弦波形)，即可以滿足絕大部分的軌跡或者姿態生成，完成多種作業對狹小曲路穿越要求。
此外，本發明並不限制縱向轉動關節和橫向轉動關節的連接順序，例如，可以依次連接一個以上的縱向轉動關節，然後再和橫向轉動關節連接。可以根據空間限制和動作要求任意組合轉動關節，例如，如果僅需要平面運動，則可以僅連接多個縱向轉動關節或多個橫向轉動關節。
根據本發明的另一個方面，提供一種機械手臂用制動器，上關節底座41與上連接件411為螺栓連接，上連接件411通過軸承108安裝在樞軸100上，形成轉動副，軸承108主要承受徑向力。在樞軸100的軸向中心處，套有定環103，制動器的外殼107通過鉚釘105和定環103、上連接件411連接為一體。定環103的內徑大於樞軸100的外徑，因此定環103和樞軸100沒有連接定位關係。
下關節底座42與下連接件421為螺栓連接。下連接件421通過連接件102、圓錐銷101與樞軸100固定連接。因此，樞軸100與下關節底座沒有相對轉動，固連一起。在定環103兩側的樞軸上，還分別套有動環104，並且，動環104與樞軸100採用花鍵滑移連接。即動環和樞軸為周向定位，兩者沒有相對轉動。
在定環103的兩個側面上設置有齒1031。動環104具有和定環103配合的齒1041，動環和定環通過齒面的嚙合控制制動。在外殼107的圓周方向均勻布置有多個階梯狀的孔，在孔內安裝有頂杆1073、彈簧1072、以及預緊螺栓1071。動環104的軸向兩側，還分別設置有線圈106，線圈106和外部電路連接。
制動時，線圈106斷電，在彈簧1072的壓力下，動環104的齒1041與定環103的齒1031為嚙合狀態，因樞軸100無法轉動，從而限制了動環、定環的旋轉，因此轉動關節不能轉動，處於制動狀態。
解除制動時，線圈106得電，線圈吸引動環104向軸向兩側滑動，使得齒1031和齒1041脫離嚙合，通過穿過拉線孔412的拉線拉動上關節底座41，則與上關節底座41連接為一體的上連接件411以及定環103會一同轉動。
根據本發明的再一個方面，提供一種機械手臂操作方法，包括以下步驟：
首先，制動所有轉動關節，由於本實施例採用電磁線圈失電制動，因此，在初始狀態，所有關節都是被制動的。然後，解除待轉動的轉動關節的制動，同一控制時刻，縱向轉動關節中僅有一個可以轉動，橫向轉動關節中也僅有一個可以轉動，但可以有一個縱向轉動關節和一個橫向轉動關節同時轉動。
使用驅動部驅動推桿做往復直線運動，具體地說，是利用推桿控制在轉動平面內的兩根拉線使未制動的轉動關節旋轉。
當轉動關節轉動了所需角度後，給其電磁線圈斷電，使得動環和定環的齒嚙合，從而制動轉動關節。
依次給縱向和/或橫向的轉動關節的電磁線圈通電，依次控制縱向和/或橫向的各個轉動關節轉動，即可完成機械手臂的空間動作。
本發明的多關節機械手臂較傳統工業機器人比，具有模塊化設計單一性，結構緊湊、互換性好降低了製造和維護成本；自由度多靈活性強，提升應用範圍和工作空間，通過改變自身的關節角度變化達到最佳姿態適應不同工作任務和周圍的環境的變化。諸如能夠完成機艙、車廂、曲線管道等非結構狹小空間進行檢測任務，這是常規機器人不能達到的；在手臂末端裝備環境感知傳感器，利用自身記憶功能完成避障，如果更換末端執行件，能對飛機內腔的塗膠、排屑、多餘物取出等；此外，在未知、危險、等環境下進行遠程操控作業具備更大的優勢。採用拉線式多關節手臂能夠提高剛度性。由於該多關節柔性機械手臂取消了關節電機，採用電動推桿驅動拉線帶動轉動關節轉動，拉線與制動器相結合代替關節電機，降低了關節結構複雜性和消耗的功率，且控制設計簡單、容易實現。通過電動推桿的位置傳感器檢測推桿輸出量，精確控制轉動關節的轉動角度。相較於以往所有關節都設置轉角傳感器，大幅度降低成本和結構。
以上所述僅為本發明的優選實施例，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。