一種用於機械臂的驅動裝置製造方法
2024-02-04 12:27:15 1
一種用於機械臂的驅動裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及機械臂的【技術領域】，公開了一種用於機械臂的驅動裝置，包括用於驅動機械臂運動的驅動組件和用於控制驅動組件運動的電路氣動組件；驅動組件包括支撐板和多個驅動單元，各驅動單元固定於支撐板的上表面且呈均勻布置，驅動單元包括具有輸出法蘭的微型電機，與輸出法蘭固定連接的驅動輪，以及用於執行帶動機械臂運動的拉索裝置，拉索裝置包括拉索，拉索的一端與所述驅動輪固定連接，另一端與所述機械臂固定連接。上述的驅動裝置與機械臂分離設計，降低了機械臂的重量；通過微型電機帶動拉索進而驅動機械臂運動，實現了遠程驅動；採用電路氣動組件實現了對機械臂運動的精準控制，且驅動裝置的結構緊湊，所需安裝空間小，提高了適用範圍。
【專利說明】—種用於機械臂的驅動裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及機械臂的【技術領域】，尤其涉及一種用於機械臂的驅動裝置。【背景技術】
[0002]機械臂是具有模仿人類手臂功能並可完成各種作業的自動控制設備，由這種機械臂構成的機器人系統由多關節連接，並且允許其在二維或者三維空間進行運動或者使用線性位移移動。
[0003]常規現有技術中，傳統的機械臂一般使用一些剛度很強的材料製造，比如採用金屬製造，而且驅動裝置都直接安裝在機械臂上，因此機械臂整體重量較大，其運動時的慣量會很大，而且在開環控制的情況下缺乏順應性，使得在設計過程中對機械臂的控制增加了難度，難以達到精確控制的要求，另外，驅動裝置在機械臂中的安裝空間受限制，導致驅動裝置的適應性偏低。
實用新型內容
[0004]本實用新型的目的在於提供一種用於機械臂的驅動裝置，旨在解決現有技術中，傳統的機械臂與驅動裝置一體設置，導致其結構笨重，而且難以精確控制，同時，驅動裝置的安裝空間受限制，並且適應性偏低的缺陷。
[0005]本實用新型是這樣實現的，一種用於機械臂的驅動裝置，包括用於驅動所述機械臂運動的驅動組件和用於控制所述驅動組件運動的電路氣動組件；所述驅動組件包括支撐板和多個驅動單元，各所述驅動單元固定於所述支撐板的上表面且呈均勻布置，所述驅動單元包括具有輸出法蘭的微型電機，與所述輸出法蘭固定連接的驅動輪，以及用於執行帶動所述機械臂運動的拉索裝置，所述拉索裝置包括拉索，所述拉索的一端與所述驅動輪固定連接，另一端與所述機械臂固定連接。
[0006]優選地，所述驅動輪上設有環繞其外周面的V型環槽，所述V型環槽用於纏繞並容置所述拉索。
[0007]優選地，所述驅動單元還包括與所述支撐板固定連接的支撐座，所述微型電機上固定連接有電機法蘭，所述微型電機通過所述電機法蘭固定連接於所述支撐座中。
[0008]進一步地，所述驅動輪的外周套設有防護罩，所述防護罩通過緊固件與所述支撐座固定連接。
[0009]優選地，所述拉索裝置還包括用於防護和支撐所述拉索運動的彈簧套管，用於支撐所述彈簧套管、並套設於其外壁上的塑膠套管，以及分別設置於所述塑膠套管兩端的具有貫通的內孔的連接頭，各所述連接頭分別與所述彈簧套管的兩端相抵接，且所述拉索穿過所述連接頭的內孔和所述彈簧套管。
[0010]進一步地，所述彈簧套管的直徑大於所述連接頭的內孔的孔徑。
[0011]優選地，所述連接頭上朝外伸出連接端，所述連接端外壁上環設有與所述塑膠套管內壁緊貼的倒鉤狀凸起，所述連接端插設於所述塑膠套管內並與所述彈簧套管抵緊。
[0012]優選地，所述電路氣動組件包括用於控制所述驅動組件運動的主控電路，用於與外部通信的通信模塊，以及用於供電的外部供電端子，所述主控電路包括控制板。
[0013]進一步地，所述電路氣動組件還包括用於驅動柔性充氣手臂運動的氣動模塊。
[0014]進一步地，所述氣動模塊包括用於採集所述柔性充氣手臂內氣壓的氣壓傳感器模塊、用於給所述氣壓傳感器模塊提供基準電壓的穩壓模塊、用於給所述柔性充氣手臂充放氣的氣泵組、用於控制所述氣泵組開關的繼電器模塊、以及用於控制所述氣泵組氣路的電磁閥組。
[0015]與現有技術相比，本實用新型提出的驅動裝置與機械臂分離設計，從而降低了機械臂的整體重量；通過微型電機帶動拉索進而驅動機械臂運動，實現了遠程驅動；採用電路氣動組件實現了對機械臂運動的精準控制，且驅動裝置的結構緊湊，所需安裝空間小，提聞了適用範圍。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本實用新型實施例提供的驅動裝置的分解示意圖；
[0017]圖2為本實用新型實施例提供的驅動裝置中的驅動單元的分解示意圖；
[0018]圖3為本實用新型實施例提供的驅動裝置中的拉索裝置的分解示意圖；
[0019]圖4為本實用新型實施例提供的驅動裝置中的拉索裝置的剖面示意圖；
[0020]圖5為本實用新型實施例提供的驅動裝置的充氣連接及控制框圖。
【具體實施方式】
[0021]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。
[0022]以下結合具體實施例對本實用新型的實現進行詳細的描述。
[0023]如圖1、圖2所示,本實施例提供的驅動裝置,包括驅動組件I和電路氣動組件2,其中，驅動組件I用於驅動機械臂運動，電路氣動組件2主要用於控制驅動組件I運動，且電路氣動組件2設置在驅動組件I的下方；具體地，驅動組件I包括支撐板11和多個固定安裝在該支撐板11上的驅動單元12，此處，包含有均勻陣列布置的十二個驅動單元12，各個驅動單元12分別對應於機械臂的一個自由度，當然，數量並不做限定，單個驅動單元12則包括微型電機121，固定連接在微型電機121的輸出軸上的輸出法蘭122，以及固定連接在該輸出法蘭122上的驅動輪123，另外，在驅動單元12上還設置有用於執行帶動機械臂運動的拉索裝置124，該拉索裝置124包括拉索1241，拉索1241的一端與驅動輪123固定連接，另一端與機械臂固定連接，此處，可以根據實際需要更換不同長度的拉索1241 ;本驅動裝置中，電路氣動組件2固定安裝在基板3上，驅動組件I固定安裝在支撐板11上，並且，基板3和支撐板11通過支撐住4進行固定；工作中，通過電路氣動組件2控制驅動組件I中的微型電機121運動，微型電機121通過輸出軸上的輸出法蘭122帶動驅動輪123轉動，驅動輪123帶動拉索裝置124中的拉索1241運動，進而通過該拉索1241的運動來實現帶動機械臂的運動。
[0024]採用上述驅動裝置運用於需要輕巧驅動的機械臂中，具有如下特點:
[0025]I)上述驅動裝置與機械臂分離設計，相對來說，就降低了機械臂的整體重量，減小了機械臂的運動慣量，從而提升了機械臂的靈敏性；
[0026]2)採用了可以更換拉索1241長度的拉索裝置124，並通過微型電機121帶動拉索裝置124中的拉索1241運動，進而帶動機械臂運動，實現了對機械臂的遠程驅動；
[0027]3)採用了電路氣動組件2控制驅動組件I中微型電機121的運動，再通過微型電機121帶動拉索裝置124中的拉索1241運動，進而帶動機械臂運動，實現了對機械臂運動的精準控制；
[0028]如圖2所示，本實施例中，上述驅動輪123的輪轂外周面上環設有V型環槽1231，在驅動輪123轉動時，上述拉索1241纏繞在該V型環槽1231的底部，並且，拉索1241的末端通過螺釘固定在驅動輪123上，這樣，通過該V型環槽1231有效防止了驅動輪123轉動時，拉索1241滑落出驅動輪123的現象。
[0029]如圖1、圖2所示，上述驅動單元12還包括支撐座125和電機法蘭126，其中，支撐座125為一板狀構件折彎形成的三折邊結構，該支撐座125通過其一端的折邊採用螺釘與上述支撐板11緊固連接，此處，支撐座125也可以為其他形式的結構，並且，該支撐座125和支撐板11也可以採用其他方式進行固定連接，比如焊接等等；另外，電機法蘭126上開設有多個螺孔，上述微型電機121的側壁和上述支撐座125的內側壁上對應地開設有螺孔，該電機法蘭126採用螺釘與上述螺孔配合，從而分別與微型電機121和支撐座125形成固定連接，這樣，微型電機121通過該電機法蘭126也就固定在支撐座125中了，當然，在其他實施例中，根據實際情況和需求，微型電機121也可以採用其他方式與支撐板11固定連接，並不限於本實施例中的方式。
[0030]如圖2所示，上述驅動輪123的外周套設有方形的防護罩127，其設置的目的是，為了進一步防止在驅動輪123轉動時，上述拉索1241發生側滑而從驅動輪123上滑落，同時可滿足防塵要求。另外，防護罩127中心具有圓孔1271，驅動輪123容置在該圓孔1271內，並且，該防護罩127通過螺釘固定連接在上述支撐座125上，此處，也可以採用其他的緊固件，並不限於螺釘；當然，在其他實施例中，根據實際情況和具體需求，也可以採用其他的方式防止上述拉索1241滑落出上述驅動輪123。
[0031]如圖2、圖3、圖4所示，本實施例中，上述拉索裝置124還包括彈簧套管1242、塑膠套管1243和連接頭1244，該拉索裝置124通過設於其上的連接頭1244固定在上述支撐座125上，此處，連接頭1244用於實現上述拉索1241的定位，並承受其軸向力，以及防止拉索裝置124整體的滑動；詳細地，塑膠套管1243套設於彈簧套管1242的外壁上，兩個連接頭1244則分別插設在塑膠套管1243的兩端，並分別與彈簧套管1242的兩端相抵接，另外，連接頭1244中還具有與彈簧套管1242連通並貫通連接頭1244本身的內孔，上述拉索1241穿過彈簧套管1242和連接頭1244的內孔，且其一端與微型電機121固定連接，另一端與機械臂上需要傳動的位置固定連接；當然，在其他實施例中，根據實際情況和具體需求，拉索裝置124也可以為其他形式的結構。對於上述拉索裝置124，塑膠套管1243用於支撐彈簧套管1242，而彈簧套管1242可以任意彎曲，其可以實現任意方向力的傳遞，故該彈簧套管1242對拉索1241的運動起到了防護和支撐作用，並且，通過調整塑膠套管1243和彈簧套管1242的長度，可以實現長距離力的傳遞。
[0032]由於上述彈簧套管1242設置於上述塑膠套管1243內，為了防止該彈簧套管1242從上述連接頭1244的內孔中滑出，因而，在尺寸設計上，彈簧套管1242的直徑大於連接頭1244的內孔的孔徑，並且，彈簧套管1242的外壁緊貼於塑膠套管1243的內壁。
[0033]本實施例中，上述連接頭1244上具有朝外伸出的連接端，該連接端上環設有倒鉤狀凸起，該倒鉤狀凸起與塑膠套管1243的內壁緊貼，在連接頭1244的連接端上設置該鉤狀凸起的目的是，便於上述連接頭1244插入上述塑膠套管1243內且不宜滑出，同時，該連接端與穿設於塑膠套管1243內的彈簧套管1242相抵緊。
[0034]如圖1所示,本實施例中，上述電路氣動組件2通過串口控制上述驅動組件I,該電路氣動組件2包括主控電路、通信模塊22以及外部供電端子23，其中，主控電路包括控制板211，其用於精準控制上述驅動組件I中微型電機121的運動，這裡，控制板211採用的是ARM控制板，即ARM處理器控制板；通信模塊22用於與外部通信，此處，通信模塊22採用的是藍牙模塊，當然，也可以採用其他的模塊來通信，比如CAN模塊，即控制區域網模塊，控制板211通過串口連接通信模塊22實現了與外部系統的通信，這樣就提供了有線控制和無線控制兩種選擇；另外，外部供電端子23用於給整個電路氣動組件2進行供電。
[0035]本實施例中，上述驅動裝置除了可以驅動需要輕巧驅動的機械臂以外，還可以驅動柔性充氣手臂。這裡，上述電路氣動組件2還包括氣動模塊24和氣管25，該氣動模塊24用於驅動柔性充氣手臂運動。
[0036]如圖1所示，上述氣動模塊24包括氣壓傳感器模塊241、穩壓模塊242、氣泵組243、繼電器模塊244以及電磁閥組245，其中，氣壓傳感器模塊241用於採集柔性充氣手臂內的氣壓值，而穩壓模塊242則用於給氣壓傳感器模塊241提供基準電壓，此處，穩壓模塊242採用的是5伏特的穩壓模塊，其為氣壓傳感器模塊241提供5伏特的基礎電壓；氣泵組243用於給柔性充氣手臂進行充放氣，而繼電器模塊244則用於控制氣泵組243的開啟或者關閉，另外，電磁閥組245用於控制氣泵組243的氣路。
[0037]為了保證柔性充氣手臂或者其它需要輕巧驅動的機械臂內的壓力保持在預設定的壓力範圍之內，上述氣壓傳感器模塊241採集柔性充氣手臂或者其它需要輕巧驅動的機械臂內的氣體壓力值，並將該壓力值反饋給上述控制板211，該控制板211對測試壓力值和預設壓力值進行比較，當測試壓力值小於預設壓力值的最小壓力設定值時，控制板211通過I/O埠發送高電平給上述繼電器模塊244，接著該繼電器模塊244輸出高電平給上述氣泵組243，進而，氣泵組243開啟充氣；當測試壓力值大於預設壓力值的的最大值時，控制板211通過I/O埠發送低電平給繼電器模塊244，接著繼電器模塊244輸出低電平給氣泵組243，進而，氣泵組243關閉充氣。
[0038]為了防止柔性充氣手臂或者其它需要輕巧驅動的機械臂內的壓力過高，可以設置最大安全壓力值，這個值大於預設定的正常壓力的最大值，當測試壓力大於設定的安全值時，上述控制板211通過I/O埠發送低電平給繼電器模塊244，接著繼電器模塊244輸出低電平而關閉上述氣泵組243，同時控制電磁閥組245開啟放氣，直至測試壓力之小於設定的正常壓力的最大值時，再控制電磁閥組245關閉放氣，當然，這一動態壓力調整可以通過PID或F1D控制算法來實現,此處，P為比例proportion、I為積分integral、D微分derivative,這裡不做詳述。
[0039]本實施例中，當驅動組件I停止工作時，上述電路氣動組件2也能起到保持機械臂內的壓力穩定的作用，可以很好的實現省電功能，更加環保。
[0040]如圖5所示，對於柔性充氣手臂的氣路連接，通過上述電磁閥組245可以實現同時給雙柔性充氣手臂和一雙充氣手掌進行充放氣，這裡，電磁閥組245包括四個兩位三通氣閥，分別是A閥、B閥、C閥以及D閥，其中A閥上具有氣孔al、氣孔a2和氣孔a3，B閥上具有氣孔bl、氣孔b2和氣孔b3，C閥上具有氣孔Cl、氣孔c2和氣孔c3，D閥上具有氣孔dl、氣孔d2和氣孔d3 ;具體實現原理是:當輸入為低電平給A閥時，氣孔al和氣孔a2導通，同時氣孔al和氣孔a3不導通；當輸入為高電平給A閥時,氣孔al和氣孔a2不導通，同時氣孔al和氣孔a3導通；同理，B閥、C閥以及D閥和A閥完全相同。
[0041]上述氣泵組243通過氣管25同時和氣孔al、氣孔cl和氣孔dl相連，並為這些氣閥提供氣源，另外，氣孔a2通過氣管25和氣孔b2相連，氣孔bl為接口，通過氣管25與充氣雙臂連接，並為其提供充氣、放氣，同時還可以實現既不充氣又不放氣的功能，這一點很好地滿足柔性充氣手臂或其它需要輕巧驅動的機械臂充滿氣體時，氣泵即使關閉也可以保持其內部的氣體壓力不變；氣孔c2作為接口，通過氣管25與需要充氣的左手臂提供充氣和放氣；氣孔d2作為接口，通過氣管25與需要充氣的右手臂提供充氣和放氣。
[0042]結合上述氣閥的工作原理，上述氣泵組243作為氣源開始工作時，其控制方法為:
[0043]當輸入高電平給A閥並輸入高電平給B閥時，則通過氣孔bl將氣體輸出給雙手臂進行充氣；
[0044]當輸入低電平給A閥並輸入低電平給B閥時，則通過氣孔bl既不輸出氣體給雙手臂進行充氣，也不會放掉雙手臂內的氣體，同時，低電平意味著沒有工作，這樣可以很好的實現省電功能；
[0045]當輸入低電平給A閥並輸入高電平給B閥時，則通過氣孔bl將給雙手臂進行放氣，但此時又不影響C閥和D閥工作；
[0046]當輸入高電平給C閥時，則通過氣孔c2將給左手臂進行充氣；
[0047]當輸入低電平給C閥時，則通過氣孔c2將給左手臂進行放氣；
[0048]當輸入高電平給D閥時，則通過氣孔d2將給右手臂進行充氣；
[0049]當輸入低電平給D閥時，則通過氣孔d2將給右手臂進行放氣。
[0050]本實施例中，運用上述驅動裝置對柔性充氣雙臂進行運動控制，其具體過程為:首先對系統進行初始化，在系統初始化時，上述控制板211上的軟體初始化，包括必要的變量和函數初始化；當系統接受到啟動命令時，雙臂開始充氣，當雙臂壓力在運行的安全範圍內時，雙臂維持在這個氣體壓力範圍內，等待輸入運動指令；當雙臂內的氣壓小於設定的氣壓範圍內時，會繼續充氣直到雙臂內的氣壓達到運行的範圍內；當有左右手的索引和目標位置輸入時，此處，左右手的索引指的是左右手區分的標識，如O代表左手、I代表右手；左右手的索引對應相應手臂末端位置的坐標值，具體指的是笛卡爾坐標系系的位置，X方向、I方向和z方向的坐標值，這時控制板211根據輸入的坐標值，通過逆運動學計算每根上述拉索1241的長度；逆運動解可能有多解，解析出來的所有組拉索長度解與拉索長度的有效範圍進行比較和解的篩選，篩選出在拉索長度的有效範圍內的解，通過最優解的提取算法，這種算法如與當前位置最近的一組解，通過軌跡規劃和平滑，如基於5次多項式點的差補算法平滑運動到期望的目標；當所有解都超出拉索長度的有效範圍時，將不會進行後續的運動，會繼續等待下一個可達的目標位置輸入；當到達期望目標後，如果有新的目標位置輸入，則會繼續返回到輸入左右手索引和目標位置繼續進行運動學求解，如果沒有則會繼續等待新的指令，如果收到手臂放氣的指令，則會手臂首先回到初始位置，然後再放氣，如果收到手臂放氣的指令可以在任意階段，既可以作為中斷處理，另外，在手臂軌跡規劃的運動過程中，如果收到新的目標位置，則會跳變到新的目標位置求解，所產生的效果就是，當在當前目標還未到達期望目標，如果收到新的目標，則會通過反饋的當前位置規劃並運動到新的目標位置。
[0051]另外，本實施例中的驅動裝置不僅運用在充氣手臂或其它需要輕巧驅動的機械臂上，還可以使用與任何需要微型驅動裝置的地方，具有更寬泛的用途。
[0052]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種用於機械臂的驅動裝置，其特徵在於，包括用於驅動所述機械臂運動的驅動組件和用於控制所述驅動組件運動的電路氣動組件；所述驅動組件包括支撐板和多個驅動單元，各所述驅動單元固定於所述支撐板的上表面且呈均勻布置，所述驅動單元包括具有輸出法蘭的微型電機，與所述輸出法蘭固定連接的驅動輪，以及用於執行帶動所述機械臂運動的拉索裝置，所述拉索裝置包括拉索，所述拉索的一端與所述驅動輪固定連接，另一端與所述機械臂固定連接。
2.如權利要求1所述的用於機械臂的驅動裝置，其特徵在於，所述驅動輪上設有環繞其外周面的V型環槽，所述V型環槽用於纏繞並容置所述拉索。
3.如權利要求1所述的用於機械臂的驅動裝置，其特徵在於，所述驅動單元還包括與所述支撐板固定連接的支撐座，所述微型電機上固定連接有電機法蘭，所述微型電機通過所述電機法蘭固定連接於所述支撐座中。
4.如權利要求3所述的用於機械臂的驅動裝置，其特徵在於，所述驅動輪的外周套設有防護罩，所述防護罩通過緊固件與所述支撐座固定連接。
5.如權利要求1所述的用於機械臂的驅動裝置，其特徵在於，所述拉索裝置還包括用於防護和支撐所述拉索運動的彈簧套管，用於支撐所述彈簧套管、並套設於其外壁上的塑膠套管，以及分別設置於所述塑膠套管兩端的具有貫通的內孔的連接頭，各所述連接頭分別與所述彈簧套管的兩端相抵接，且所述拉索穿過所述連接頭的內孔和所述彈簧套管。
6.如權利要求5所述的用於機械臂的驅動裝置，其特徵在於，所述彈簧套管的直徑大於所述連接頭的內孔的孔徑。
7.如權利要求6所述的用於機械臂的驅動裝置，其特徵在於，所述連接頭上朝外伸出連接端，所述連接端外壁上環設有與所述塑膠套管內壁緊貼的倒鉤狀凸起，所述連接端插設於所述塑膠套管內並與所述彈簧套管抵緊。
8.如權利要求1?7任一項所述的用於機械臂的驅動裝置，其特徵在於，所述電路氣動組件包括用於控制所述驅動組件運動的主控電路，用於與外部通信的通信模塊，以及用於供電的外部供電端子，所述主控電路包括控制板。
9.如權利要求8所述的用於機械臂的驅動裝置，其特徵在於，所述電路氣動組件還包括用於驅動柔性充氣手臂運動的氣動模塊。
10.如權利要求9所述的用於機械臂的驅動裝置，其特徵在於，所述氣動模塊包括用於採集所述柔性充氣手臂內氣壓的氣壓傳感器模塊、用於給所述氣壓傳感器模塊提供基準電壓的穩壓模塊、用於給所述柔性充氣手臂充放氣的氣泵組、用於控制所述氣泵組開關的繼電器模塊、以及用於控制所述氣泵組氣路的電磁閥組。
【文檔編號】B25J9/12GK203665521SQ201320829640
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2013年12月13日 優先權日:2013年12月13日
【發明者】齊榮懷, 林天麟 申請人:智慧城市系統服務（中國）有限公司