超冗餘全方位移動操作臂的製作方法

2023-06-10 04:00:36

專利名稱：超冗餘全方位移動操作臂的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種操作臂。
背景技術：
隨著機器人在人類生活領域的應用越來越廣泛，對機器人的操作靈活性、 作業範圍以及複雜作業的適應能力等各方面性能也提出了更高的要求。
目前傳統的操作機器人均為具有固定基座的機械臂，利用其操作性能完成 一些裝配、焊接等某一固定區域內(手爪可達空間)的作業。雖然控制起來比 較簡單，但其局限性也是非常明顯的。比如需要維護整條生產線或者多臺設備 時，由於固定基座限制了手爪只能在某一固定區域操作，因此只能通過布置多 臺操作臂來滿足作業需求，不但增加了成本，還造成了資源的浪費。此外，隨 著人類對於空間、深海、有毒、核輻射等危險與極限環境內作業需求的不斷提 升，由於工作環境的非結構化和不確定性，對機器人操作靈活性要求更高，需 要其具備行走能力。而這些都是當前傳統的機械臂所不能滿足的，作業範圍的 局限性使其不能滿足多任務以及複雜作業的需求。

發明內容
本發明為了解決現有的操作機器人存在操作靈活性較差、不具備全方位行 走的能力，致使其工作空間和作業範圍受到局限難以適應複雜工作環境的問題， 進而提供了一種超冗餘全方位移動操作臂。
本發明為解決上述技術問題採取的技術方案是本發明所述超冗餘全方位 移動操作臂由操作臂主體和全方位移動小車組成，操作臂主體安裝在全方位移 動小車的上端面上，所述全方位移動小車由至少三個車輪模塊和外殼體組成， 每個車輪模塊均由車輪體、機架、車輪轉向裝置和車輪滾動裝置構成，車輪轉 向裝置由轉向支架、第一轉向直齒輪、第二轉向直齒輪和轉向電機組成，所述 車輪滾動裝置由第一同步帶輪、同步帶、第二同步帶輪、轉軸、第一錐齒輪、
第二錐齒輪、第一滾動直齒輪、第二滾動直齒輪和滾動電機組成；轉向支架的
一端安裝在車輪體幾何中心處的軸的兩端上，轉向支架另一端穿過機架並與第
4一轉向直齒輪連接，第一轉向直齒輪與第二轉向直齒輪相嚙合，第二轉向直齒 輪與轉向電機的輸出軸連接；第一同步帶輪安裝在車輪體幾何中心處的軸的一 端上，第一同步帶輪通過同步帶與第二同步帶輪連接，轉軸安裝在轉向支架上， 第二同步帶輪通過轉軸與第一錐齒輪連接，第一錐齒輪和第二錐齒輪相嚙合， 第二錐齒輪設置在第一滾動直齒輪的下方且二者製成一體，第二錐齒輪和第一 滾動直齒輪均安裝在轉向支架上，第一滾動直齒輪與第二滾動直齒輪相嚙合， 第二滾動直齒輪與滾動電機的輸出軸連接；至少三個機架、車輪轉向裝置和車 輪滾動裝置均布安裝在外売體內，至少三個車輪體位於外殼體的下方。
本發明的有益效果是本發明具有較高可操作度、任務的適應性強、工作 空間大和靈活性好的優點，實現了操作臂的全方位移動功能。本發明與目前的 具有固定基座的操作臂相比，具有全局工作能力，在滿足時間不衝突的前提下 一個生產現場只需一臺操作臂，降低了成本、節省了資源；同時，高度的運動 冗餘性還可以大大提高其操作的靈活性。移動功能的賦予使操作臂的應用領域 更加廣泛，從而可以代替人類在危險或極限環境下完成一些複雜作業。另外， 本發明中的全方位移動小車的三個同心主動輪結構(車輪體上的軸位於車輪的 幾何中心處)可以實現車體的零半徑冋轉；每個車輪模塊採用差動補償輪系的 結構，既避免了轉向時繞線的問題，又便於電機拆裝，提高/互換性。每個車 輪模塊具有滾動和轉向兩個自由度，可以使車體實現零半徑迴轉。本發明的具 體優點表現在以下幾個方面1、具有全方位移動能力，不僅把工作空間擴大到 幾乎無限，而且由於可以零半徑迴轉，從而可以在較狹窄或擁擠的工作場所中 自如的操作；2、具有高度的運動冗餘性，操作靈活性高，躲避障礙、迴避奇異 性能好，負載能力較強；3、本發明同時具有移動和操作功能，而且工作範圍大、 操作靈活性好。


圖l是本發明的主體圖，圖2是本發明的操作臂主體的立體圖，圖3是全 方位移動小車的一個車輪模塊結構原理示意圖，圖4是操作臂主體上的一個關 節模塊的傳動原理示意圖(六個關節模塊的驅動原理示意圖相似)。
具體實施例方式
具體實施方式
一如圖1 3所示，本實施方式所述的超冗餘全方位移動操作臂由操作臂主體2和全方位移動小車1組成，操作臂主體2安裝在全方位移 動小車1的上端面上，所述全方位移動小車1由至少三個車輪模塊1-1和外殼 體卜2組成，每個車輪模塊1-1均由車輪體1-1-1、機架卜1-6、車輪轉向裝置 和車輪滾動裝置構成，車輪轉向裝置由轉向支架1-1-2、第一轉向直齒輪1-1-3、 第二轉向直齒輪1-1-4和轉向電機1-1-5組成，所述車輪滾動裝置由第一同步 帶輪1-1-7、同步帶1-1-8、第二同步帶輪l-卜9、轉軸1-1-10、第一錐齒輪 l-l-ll、第二錐齒輪1-1-12、第一滾動直齒輪1-1-13、第二滾動直齒輪1-1-14 和滾動電機1-1-15組成；轉向支架1-1-2的一端安裝在車輪體1-1-1幾何中心 處的軸的兩端上，轉向支架1-1-2另一端穿過機架l-l-6並與第一轉向直齒輪 l-l-3連接，第一轉向直齒輪l-l-3與第二轉向直齒輪1-1-4相嚙合，第二轉 向直齒輪1-1-4與轉向電機l-l-5的輸出軸連接；第一同歩帶輪l-l-7安裝在 車輪體1-1-1幾何中心處的軸的一端上，第一同步帶輪1-1-7通過同步帶1-1-8 與第二同步帶輪1-1-9連接，轉軸1-1-10安裝在轉向支架l-卜2上，第二同步 帶輪1-1-9通過轉軸1-1-10與第一錐齒輪卜l-ll連接，第一錐齒輪1-1-11 和第二錐齒輪1-1-12相嚙合，第二錐齒輪1-1-12設置在第一滾動直齒輪 1-1-13的下方且二者製成一體，第二錐齒輪1-1-12和第一滾動直齒輪1-1-13 均安裝在轉向支架1-1-2上，第一滾動直齒輪1-1-13與第二滾動直齒輪1-1-14 相嚙合，第二滾動直齒輪卜1-14與滾動電機1-1-15的輸出軸連接；至少三個 機架l-l-6、車輪轉向裝置和車輪滾動裝置均布安裝在外殼體1-2內，至少三 個車輪體1-1-1位於外殼體1-2的下方。本實施方式所述的超冗餘全方位移動 操作臂可實現有9個自由度(七個自由度為冗餘，七個以上的自由度稱為超冗 餘)，本實施方式所述操作臂主體2為現有技術，比如可選用美國imimation公 司推出的PUMA機器人。
本實施方式所述的全方位移動小車採用三個同心方向輪的模塊結構，每個 車輪模塊具有滾動和轉向兩個自由度，可以使車體實現零半徑迴轉。如圖3所 示，各模塊採用差動補償輪系的結構，通過齒輪機構進行傳動。滾動電機1-1-15 通過一級滾動直齒輪副(第一滾動直齒輪1-1-13和第二滾動直齒輪1_卜14)、 一級滾動錐齒輪副(第一錐齒輪1-1-11和第二錐齒輪1-1-12)和一級同步帶 結構(第一同步帶輪1-1-7、同步帶1-1-8和第二同步帶輪1-1-9)傳遞扭矩，
6實現車輪滾動；轉向電機1-1-5通過一級轉向直齒輪副(第一轉向直齒輪1-1-3 和第二轉向直齒輪1-1-4)進行減速增扭傳動，帶動轉向支架1-1-2轉動，從 而實現車輪轉向。這種結構可把轉向電機和滾動電機都置於外殼體1-2內的底 板之上，具有以下兩個優點l.布線方便，轉向時不會出現繞線問題；2.拆裝 電機方便，互換性好。
具體實施方式
二如圖1 4所示，本實施方式所述操作臂主體2包括腰關 節模塊2-1、肩關節模塊2-2、肘關節模塊2-3、腕關節一模塊2-4、腕關節二 模塊2-5和腕關節三模塊2-6六個關節模塊，所述腰關節模塊2-1、肩關節模 塊2-2、肘關節模塊2-3、腕關節一模塊2-4、腕關節二模塊2-5和腕關節三模 塊2-6依次連接。本實施方式所述的操作臂主體2為六自由度的操作臂，將六 自由度的操作臂安裝於三自由度的全方位移動小車1之上，實現了具有九自由 度的超冗餘全方位移動操作臂，使操作臂同時具有移動平臺的移動性和操作臂 的操作性，擁有幾乎無限大的工作空間和高度的運動冗餘性，從而大大地提高 了機器人的操作靈活性、作業範圍以及複雜作業的適應能力。其它組成及連接 關係與具體實施方式
一相同。
如圖2和圖4所示，腰關節模塊2-l (第一關節模塊)為迴轉關節；肩關 節模塊2-2 (第二關節模塊)為俯仰關節；肘關節模塊2-3 (第三關節模塊)為 俯仰關節；腕關節一模塊2-4 (第四關節模塊)、腕關節二模塊2-5 (第五關節 模塊)和腕關節三模塊2-6 (第六關節模塊)三個關節共同組成腕關節，分別 為迴轉、俯仰、迴轉關節，且三個關節的軸線交於一點(腕點)。以上所述六個 關節模塊的傳動原理相似，由直流伺服電機2-8 (直流伺服電機2-8上設有編 碼器2-12)輸出，經同步傳動帶2-9傳動給諧波減速器2-10，由諧波減速器 2-10輸出帶動相應的關節俯仰或迴轉。在同步傳動帶2-9和諧波減速器2-10 之間有制動器2-11，可實現制動功能。
具體實施方式
三如圖1 3所示，本實施方式所述操作臂主體2還包括夾 爪2-7，所述夾爪2-7與第三腕關節2-6的末端連接。其它組成及連接關係與具體實施方式
二相同。
權利要求
1、一種超冗餘全方位移動操作臂，所述移動操作臂由操作臂主體(2)和全方位移動小車(1)組成，操作臂主體(2)安裝在全方位移動小車(1)的上端面上，其特徵在於所述全方位移動小車(1)由至少三個車輪模塊(1-1)和外殼體(1-2)組成，每個車輪模塊(1-1)均由車輪體(1-1-1)、機架(1-1-6)、車輪轉向裝置和車輪滾動裝置構成，車輪轉向裝置由轉向支架(1-1-2)、第一轉向直齒輪(1-1-3)、第二轉向直齒輪(1-1-4)和轉向電機(1-1-5)組成，所述車輪滾動裝置由第一同步帶輪(1-1-7)、同步帶(1-1-8)、第二同步帶輪(1-1-9)、轉軸(1-1-10)、第一錐齒輪(1-1-11)、第二錐齒輪(1-1-12)、第一滾動直齒輪(1-1-13)、第二滾動直齒輪(1-1-14)和滾動電機(1-1-15)組成；轉向支架(1-1-2)的一端安裝在車輪體(1-1-1)幾何中心處的軸的兩端上，轉向支架(1-1-2)另一端穿過機架(1-1-6)並與第一轉向直齒輪(1-1-3)連接，第一轉向直齒輪(1-1-3)與第二轉向直齒輪(1-1-4)相嚙合，第二轉向直齒輪(1-1-4)與轉向電機(1-1-5)的輸出軸連接；第一同步帶輪(1-1-7)安裝在車輪體(1-1-1)幾何中心處的軸的一端上，第一同步帶輪(1-1-7)通過同步帶(1-1-8)與第二同步帶輪(1-1-9)連接，轉軸(1-1-10)安裝在轉向支架(1-1-2)上，第二同步帶輪(1-1-9)通過轉軸(1-1-10)與第一錐齒輪(1-1-11)連接，第一錐齒輪(1-1-11)和第二錐齒輪(1-1-12)相嚙合，第二錐齒輪(1-1-12)設置在第一滾動直齒輪(1-1-13)的下方且二者製成一體，第二錐齒輪(1-1-12)和第一滾動直齒輪(1-1-13)均安裝在轉向支架(1-1-2)上，第一滾動直齒輪(1-1-13)與第二滾動直齒輪(1-1-14)相嚙合，第二滾動直齒輪(1-1-14)與滾動電機(1-1-15)的輸出軸連接；至少三個機架(1-1-6)、車輪轉向裝置和車輪滾動裝置均布安裝在外殼體(1-2)內，至少三個車輪體(1-1-1)位於外殼體(1-2)的下方。
2、 根據權利要求l所述的超冗餘全方位移動操作臂，其特徵在於所述操 作臂主體(2)包括腰關節模塊(2-1)、肩關節模塊(2-2)、肘關節模塊(2-3)、 腕關節一模塊(2-4)、腕關節二模塊(2-5)和腕關節三模塊(2-6)六個關節 模塊，所述腰關節模塊(2-1)、肩關節模塊(2-2)、肘關節模塊(2-3)、腕關 節一模塊(2-4)、腕關節二模塊(2-5)和腕關節三模塊(2-6)依次連接。
3、根據權利要求2所述的超冗餘全方位移動操作臂，其特徵在於所述操作臂主體(2)還包括夾爪(2-7)，所述夾爪(2-7)與第三腕關節(2-6)的末 端連接。
全文摘要
超冗餘全方位移動操作臂，它涉及一種操作臂。本發明解決了現有的操作機器人存在操作靈活性較差、不具備全方位行走的能力，致使其工作空間和作業範圍受到局限難以適應複雜工作環境的問題。第一轉向直齒輪與第二轉向直齒輪相嚙合，第二轉向直齒輪與轉向電機的輸出軸連接；第一同步帶輪通過同步帶與第二同步帶輪連接，轉軸安裝在轉向支架上，第二同步帶輪通過轉軸與第一錐齒輪連接，第一錐齒輪和第二錐齒輪相嚙合，第二錐齒輪和第一滾動直齒輪均安裝在轉向支架上，第一滾動直齒輪與第二滾動直齒輪相嚙合，第二滾動直齒輪與滾動電機的輸出軸連接。本發明具有較高可操作度、任務的適應性強、工作空間大和靈活性好的優點，實現了操作臂的全方位移動功能。
文檔編號B25J17/00GK101428420SQ200810209728
公開日2009年5月13日 申請日期2008年12月17日 優先權日2008年12月17日
發明者劉剛峰, 唐術鋒, 樊繼壯, 傑 趙, 閆繼宏 申請人:哈爾濱工業大學