一種可擴展的模塊化機械臂的製作方法

2023-05-18 05:52:56

本發明涉及機械臂，具體地說是一種可擴展的模塊化機械臂。

背景技術：

隨著人類對外太空的探索，空間機械臂作為輔助航天員艙外活動和空間站的建造和維護的主要工具，伴隨著面臨的空間任務的複雜性逐漸增加，對空間機械臂的功能可擴展性也提出了較高的要求。帶有冗餘特性的空間機械臂可以用來完成躲避奇異、躲避避障、關節力矩優化等任務，因此成為我國空間機械臂的首選。

在空間站的眾多設備中，空間機械臂作為一種多自由度艙外運動型設備，在其建造和運行過程中發揮著不可替代的作用。空間機械臂面臨著實現擴展性模塊化，高度冗餘性，超強避障能力，控制可靠穩定的任務目標，所以急需一種新型的可擴展的模塊化機械臂。

技術實現要素：

為了滿足空間機械臂的使用要求，本發明的目的在於提供一種可擴展的模塊化機械臂。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

本發明包括旋轉關節、正交關節及爪關節，其中旋轉關節位於機械臂的底端，所述正交關節為多個、依次相連，第一個所述正交關節與旋轉關節連接，最後一個所述正交關節連接有所述爪關節，所述機械臂整體通過移動副由安裝在步進導軌上的步進電機帶動運動；所述旋轉關節包括旋轉關節外殼、舵機a及分別容置於該旋轉關節外殼內的旋轉關節齒輪、外齒圈、齒輪套筒、軸承a、旋轉關節連接件、軸承內卡圈、軸承外卡圈，該舵機a與所述移動副相連，輸出端連接有所述旋轉關節齒輪，所述外齒圈安裝在旋轉關節外殼的內壁上、並與該旋轉關節齒輪嚙合傳動，所述旋轉關節連接件安裝在舵機a上，外部套設有所述軸承a，該軸承a的一側與所述外齒圈之間設有齒輪套筒，另一側設有套設在所述旋轉關節連接件上的軸承內卡圈及安裝在所述旋轉關節外殼內壁上的軸承外卡圈，所述軸承a的外圈通過齒輪套筒及軸承外卡圈限位，內圈通過所述軸承內卡圈限位；所述旋轉關節外殼通過舵機a驅動旋轉，進而帶動各所述正交關節及爪關節轉動。

其中：所述外齒圈、齒輪套筒及軸承a的外徑相同，該齒輪套筒的兩側分別與所述外齒圈和軸承a的外圈抵接。

所述爪關節位於機械臂的末端、作為機械臂的末端執行器，該爪關節包括舵機d、爪關節外殼、爪關節傳動機構、指部a、指部b及雙向螺杆，所述舵機d與最後一個所述正交關節相連，輸出端通過所述爪關節傳動機構與轉動安裝在爪關節外殼上的雙向螺杆相連，驅動所述雙向螺杆旋轉，所述指部a及指部b的一端為執行端，另一端分別與所述雙向螺杆兩端的螺紋段螺紋連接，通過所述雙向螺杆的旋轉帶動指部a及指部b夾持或放鬆；所述雙向螺杆兩端螺紋段的螺紋旋向相反，所述指部a和指部b分別通過逆時針螺母和順時針螺母連接在雙向螺杆兩端的螺紋段上；所述雙向螺杆兩端各連接一個軸承b，該軸承b分別固定在兩端的軸承支座內，兩端的所述軸承支座固定在爪關節外殼上；所述指關節小齒輪的外部罩有齒輪殼，該齒輪殼安裝在爪關節外殼上，該爪關節外殼通過支架連接在所述舵機d上；所述爪關節傳動機構為齒輪傳動機構，包括指關節大齒輪及指關節小齒輪，該指關節小齒輪通過聯軸器與所述舵機d的輸出端相連，所述指關節大齒輪安裝在雙向螺杆上、隨所述雙向螺杆旋轉，並與所述指關節小齒輪嚙合傳動；所述舵機d通過齒輪傳動機構帶動雙向螺杆旋轉從而實現指部a與指部b的開合；所述指部a及指部b另一端的兩側均設有滑塊b，該指部a及指部b另一端兩側的爪關節外殼上均設有導軌，所述指部a及指部b另一端兩側的滑塊b分別與兩側的所述導軌滑動連接，實現所述指部a及指部b沿導軌往復運動；

各所述正交關節結構相同，作為所述機械臂的臂身也即該機械臂的可擴展模塊；每個所述正交關節均包括一個舵機及一個正交連接件，該舵機的電機本體上設有電機外法蘭，第一個所述正交關節中舵機的電機本體通過正交關節連接件安裝在所述旋轉關節外殼上，第一個所述正交關節中正交連接件的一端與第一個所述正交關節中舵機上的電機外法蘭連接，另一端與相鄰正交關節中舵機的電機本體相連；最後一個所述正交關節中舵機的電機本體與相鄰正交關節中的正交連接件連接，最後一個所述正交關節中的正交連接件一端與最後一個所述正交關節中舵機的電機外法蘭連接，另一端與所述爪關節連接；各所述正交關節作為機械臂的可擴展模塊，每個所述正交關節具有一個轉動自由度，相鄰兩所述正交關節之間可相對轉動；相鄰兩所述正交關節中舵機的輸出軸相垂直；

所述步進導軌作為底部移動平臺，其上設有所述移動副，該移動副包括滑塊a及絲杆，所述旋轉關節中的舵機a安裝在滑塊a上，所 述絲杆的兩端轉動安裝在步進導軌上，任一端與所述步進電機的輸出端相連，所述步進電機驅動絲杆轉動，進而帶動所述滑塊a前進或後退，進而帶動所述機械臂運動。

本發明的優點與積極效果為：

1.本發明具有很好的可擴展性，可以通過增加正交關節模塊的數量來增加機械臂的長度和自由度。從而使系統具有高冗餘性。

2.本發明各個關節結構簡單，具有很強的靈活性，可以適應複雜的環境從而完成給定的任務。

3.本發明具有多個自由度，位置和姿態靈活多變，具有很高的活動能力，大大增加了活動空間。

4.本發明具有很強的冗餘性，可以大大提高系統的穩定性和可靠性。

附圖說明

圖1為本發明安裝完畢狀態的整體結構示意圖；

圖2為本發明旋轉關節的爆炸圖；

圖3為本發明正交關節的結構示意圖；

圖4為本發明爪關節的結構示意圖；

圖5為本發明爪關節的內部結構示意圖；

圖6為本發明避障功能示意圖；

其中：1為爪關節，2為正交關節，3為步進導軌，4為旋轉關節，5為滑塊a，6為絲杆，7為步進電機，8為旋轉關節外殼，9為旋轉關節小齒輪，10為外齒圈，11為連接軸，12為齒輪套筒，13為軸承a，14為旋轉關節連接件，15為軸承內卡圈，16為軸承外卡圈，17為舵機a，18為舵機b，19為正交連接件，20為舵機c，21為爪關節外殼，22為齒輪殼，23為舵機d，24為軸承b，25為指部a，26為逆時針螺母，27為指部b，28為順時針螺母，29為雙向螺杆，30為軸承支座，31為導軌，32為指關節大齒輪，33為聯軸器，34為指關節小齒輪，35為正交關節連接件，36為支架，37為滑塊b。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳述。

如圖1、圖2所示，本發明包括包括旋轉關節4、正交關節32及爪關節1，其中旋轉關節4位於機械臂的底端、作為整個機械臂的旋轉平臺，正交關節2為多個、依次相連，一端的正交關節2與旋轉關節連接，另一端的正交關節2連接有爪關節1。機械臂整體通過移動副由安裝在步進導軌3上的步進電機7帶動運動。步進導軌3作為底部移動平臺，其上設有移動副，該移動副包括滑塊a5及絲杆6，旋 轉關節4中的舵機a17安裝在滑塊a5上，絲杆6的兩端轉動安裝在步進導軌3上，任一端與步進電機7的輸出端相連，步進電機7驅動絲杆6轉動，根據不同的轉動方向帶動滑塊a5前進或後退，進而帶動機械臂運動。

旋轉關節4包括旋轉關節外殼8、舵機a17及分別容置於該旋轉關節外殼8內的旋轉關節齒輪9、外齒圈10、齒輪套筒12、軸承a13、旋轉關節連接件14、軸承內卡圈15、軸承外卡圈16，該舵機a17輸出端兩側開有相應的連接孔，旋轉關節4整體通過舵機a17上的連接孔連接到滑塊a5上。舵機a17的輸出端開有相應的連接孔，輸出端上通過連接軸11連接有旋轉關節齒輪9，旋轉關節齒輪9與外齒圈10內嚙合在一起，外齒圈10與軸承a13之間設有齒輪套筒12，並且外齒圈10通過外側的連接孔與旋轉關節外殼8的內壁連接在一起，舵機a17通過輸出端、連接軸11和旋轉關節齒輪9傳遞給外齒圈10從而帶動旋轉關節外殼8旋轉。旋轉關節連接件14通過連接孔連接在舵機a17上，外部套設有軸承a13，本實施例的軸承a13為6812zz軸承。軸承a13的一側與外齒圈10之間為齒輪套筒12，另一側設有套設在旋轉關節連接件14上的軸承內卡圈15及安裝在旋轉關節外殼8內壁上的軸承外卡圈16，外齒圈10、齒輪套筒12及軸承a13的外徑相同，齒輪套筒12的兩側分別與外齒圈10和軸承a13的外圈抵接；軸承a13的外圈通過齒輪套筒12及軸承外卡圈16限位，內圈通過軸承內卡圈15限位。旋轉關節外殼8通過舵機a17驅動旋轉，進而帶動各正交關節2及爪關節1轉動。

正交關節2結構相同，作為機械臂的臂身也即該機械臂的可擴展模塊；每個正交關節2均包括一個舵機及一個正交連接件19，該舵機的電機本體上設有電機外法蘭，第一個正交關節2中舵機的電機本體通過正交關節連接件35安裝在旋轉關節外殼8上，第一個正交關節2中正交連接件19的一端與第一個正交關節2中舵機上的電機外法蘭連接，另一端與相鄰正交關節2中舵機的電機本體相連；最後一個正交關節2中舵機的電機本體與相鄰正交關節2中的正交連接件19連接，最後一個正交關節2中的正交連接件19一端與最後一個正交關節2中舵機的電機外法蘭連接，另一端與爪關節1連接。各正交關節2作為機械臂的可擴展模塊，每個所述正交關節2具有一個轉動自由度，相鄰兩正交關節2之間可相對轉動，相鄰兩正交關節2中舵機的輸出軸相垂直。如圖3所示，以兩個正交關節2為例，第一個正交關節2的舵機為舵機b18，第二個正交關節2的舵機為舵機c20，舵機c20的電機本體安裝在旋轉關節外殼8上，第二個正交關節2中 的正交連接件19的一端與舵機c20的電機外法蘭連接，另一端與舵機b18的電機本體連接，舵機b18的輸出軸與舵機c20的輸出軸相垂直；第一個正交關節2中的正交連接件19的一端與舵機b18的電機外法蘭連接，另一端與下一個相鄰的正交關節2中舵機的電機本體連接。擴展即是在舵機b18上再連接一個正交連接件19，然後正交連接件19上就可以再連接下一個舵機，從而實現擴展。每增加一個正交關節2就相當於機械臂增加了一個自由度。

如圖4、圖5所示，爪關節1位於機械臂的末端、作為機械臂的末端執行器；爪關節1包括舵機d23、爪關節外殼21、爪關節傳動機構、指部a25、指部b27及雙向螺杆29，雙向螺杆29兩端各連接一個軸承b24，該軸承b24分別固定在兩端的軸承支座30內，兩端的軸承支座30固定在爪關節外殼21內部。雙向螺杆29的兩端分別通過軸承b24轉動安裝在軸承支座30上，雙向螺杆29的兩端為螺紋段，兩端螺紋段的螺紋旋向相反。爪關節外殼21通過支架36連接在舵機d23上，舵機d23的電機本體與最後一個正交關節2中的正交連接件19的另一端相連；舵機d23的輸出端通過爪關節傳動機構與雙向螺杆29相連，驅動雙向螺杆29旋轉；本發明的爪關節傳動機構為齒輪傳動機構，包括指關節大齒輪32及指關節小齒輪34，該指關節小齒輪34的d型槽通過聯軸器33與舵機d23的輸出端相連，指關節大齒輪32通過d型槽安裝在雙向螺杆29上、隨雙向螺杆29旋轉，並與指關節小齒輪34嚙合傳動。指關節小齒輪34的外部罩有齒輪殼22，該齒輪殼22安裝在爪關節外殼21上。指部a25及指部b27的一端為執行端，另一端分別通過逆時針螺母26和順時針螺母28連接在雙向螺杆29兩端的螺紋段上，通過雙向螺杆29的旋轉帶動指部a25及指部b27夾持或放鬆。指部a25及指部b27另一端的兩側均設有滑塊b37，該指部a25及指部b27另一端兩側的爪關節外殼21兩相對的內表面上均固接有導軌31，指部a25及指部b27另一端兩側的滑塊b37分別與兩側的導軌31滑動連接，實現指部a25及指部b27沿導軌31往復運動。

如圖6所示，圖中具有六個正交關節，即本發明的模塊化機械臂共有七個自由度，包括一個沿步進導軌3的左右移動自由度，以及每個正交關節都具有一個轉動自由度；並且，可以通過擴展模塊數目來增加自由度n，通過各個模塊之間的相互配合運動就可以實現靈活的避障功能，末端的爪關節1可以用於夾持目標物。

本發明的工作原理為：

旋轉關節4可以在步進導軌3上左右滑動，從而帶動機械臂整體 左右滑動，並且旋轉關節4通過舵機a的驅動自身可以旋轉，進而帶動機械臂實現旋轉運動。旋轉關節4上安裝的正交關節可以通過相互間的配合運動來改變姿態和末端爪關節1的位置，一旦爪關節1避開障礙物到達目標位置，爪關節1的指部a25和指部b27按照要求通過舵機d23的驅動，可以實現開合，用來釋放或者夾持目標物體。

本發明具有結構新穎、擴展性好、避障能力強、運動空間大和運動靈活的優點。本發明大大增強了機械臂完成複雜任務的能力，結構巧妙、控制可靠，為機械臂在空間中完成複雜任務提供了高效和高可靠性的技術方案。