仿生機械臂的製作方法

2023-12-12 13:15:52

本發明涉及工業機器人技術領域，具體涉及一種仿生機械臂。

背景技術：

隨著工業自動化的不斷發展，在工業生產中越來越多地使用機器人或者機械臂來完成生產活動，機器人、機械臂不僅能夠提供自動化程度、生產效率，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、有毒物質等危險環境下的工作，從而實現對工作人員的人生安全進行保護。

申請公布號為cn105619403a(申請號為201610184415.8)的中國發明專利申請《一種仿生機械臂》，公告號為cn103696711b(申請號為201310725153.8)的中國發明專利《一種鑽杆操作機器人》。其中公開的機械臂結構均包括有兩個相對轉動的臂杆結構。這些方案中的兩個臂杆結構的相對轉動角度受限於兩個臂杆間的轉軸設置方向，轉動自由度低，僅能按照固定的方向進行轉動。此外，還需要設置精確的控制參數以實現對臂杆的工位控制。

申請公布號為cn105171726a(申請號為201510607815.0)的中國發明專利《一種多關節仿生機械臂》，其中公開的機械臂結構通過多關節的設置可以實現多方向轉動，轉動自由度大，但是該結構中關節數量多，結構相對複雜，動作響應有延遲，累積誤差高，工作過程中相應故障率高。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術提供一種結構簡單、轉動自由度高無需參數精準控制且故障率低的仿生機械臂。

本發明解決上述問題所採用的技術方案為：一種仿生機械臂，包括大臂杆、小臂杆，其特徵在於：所述大臂杆上設置一安裝球窩，所述小臂杆的後端具有球狀體，所述球狀體能夠匹配容納在所述安裝球窩內並相對於所述安裝球窩自由轉動；

所述大臂杆的兩側與小臂杆之間分別連接有多根第一調節繩索，以用於調節所述小臂杆相對於所述大臂杆進行左右方向上的擺動，並且所述臂杆內設置有用於張緊所述第一調節繩索的第一張緊機構組；

所述大臂杆的上部與小臂杆之間連接有多根第二調節繩索，以用於調節所述小臂杆相對於所述大臂杆進行上下方向上的擺動，並且所述臂杆內設置有用於張緊所述第二調節繩索的第二張緊機構組。

作為改進，所述小臂杆包括第一臂杆和第二臂杆，所述球狀體位於所述第一臂杆的後端，所述第一臂杆的前端與所述第二臂杆的後端轉動連接。

為了方便調節第一臂杆與第二臂杆之間的相對轉動，所述第一臂杆的兩側和第二臂杆兩側之間分別對應連接有第三調節繩索，所述第一臂杆內設置有用於張緊所述第三調節繩索的第三張緊機構組。

簡單地，所述第一張緊機構組包括與所述第一調節繩索相同數量的張緊機構，所述第二張緊機構組包括與所述第二調節繩索相同數量的張緊機構，所述第三張緊機構組包括與所述第三調節繩索相同數量的張緊機構；

所述張緊機構包括電機、與所述電機驅動連接的絲杆組件、連接在所述絲杆組件上的滾輪、設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接收的拉力傳感器傳送的繩索的內部瞬間拉力信號控制電機動作，進而所述絲杆組件能夠在所述電機的驅動下調節包繞在所述滾輪上繩索的鬆緊度。

簡單地，所述絲杆組件包括基架、絲杆、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，所述第一臺板位於所述第一基板的上方，並且所述支撐柱穿設在所述第一基板內，所述第二臺板位於所述第一基板和第二基板之間，並且所述導向柱穿設在所述第二臺板內；

所述絲杆的一端與所述電機驅動連接，所述絲杆穿過所述第二基板，且所述絲杆的另一端與所述第一基板相連接，所述絲杆穿設在所述第二臺板內並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，所述絲杆的一端連接在電機的驅動軸上，所述絲杆的另一端與所述基架固定連接，所述絲杆穿設在所述安裝並與所述所述並能相對於所述基架上下移動；

所述滾輪安裝架通過一轉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沿軸向相對延伸設置的連接板，所述滾輪通過一轉軸轉動連接在兩個連接板之間。

為了方便裝配，所述大臂杆上凹陷設置有一凹腔，所述安裝球窩安裝在所述凹腔內；

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的內球殼，所述內球殼上開設有多個開孔，每個開孔內嵌設一滾珠，所述外球殼的內殼面上對應於所述滾珠設置有凹槽。

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，所述內球殼包括能夠相互對接的第一內球半殼和第二內球半殼。

為了方便該機械臂轉動到不同工位工作，所述大臂杆的下端轉動連接在一安裝座上。

簡單地，所述小臂杆的前端轉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動軸承連接在所述小臂杆的前端而以所述臂杆軸向為中心進行轉動，所述夾爪部通過一轉軸轉動連接在所述連接部上。

與現有技術相比，本發明的優點在於：該仿生機械臂設置了安裝球窩、球狀體、繩索和張緊機構。球狀體在安裝球窩內能夠進行多自由度的轉動，使得該機械臂的使用更加方便，動作位置不受轉軸的限制，轉動自由度高。另外通過張緊機構對設置在不同位置的繩索鬆緊調節即能實現該機械臂中小臂相對於大臂實現在左右方向和上下方向全空間範圍內的動作，在動作過程中無需進行精確的參數控制，只需要人工將機械臂拉到工作位置，，張緊機構即能對繩索進行適應性調節，從而保持當前機械臂的工作位置，調節簡單、方便、自由度高。

附圖說明

圖1為本發明實施例中仿生機械臂的立體圖。

圖2為本發明實施例中仿生機械臂另一個角度的立體圖。

圖3為本發明實施例中絲杆組件的立體圖。

圖4為如3的分解圖。

圖5為本發明實施例中小臂杆與安裝球窩的配合安裝圖。

圖6為本發明實施例中安裝球窩的立體分解圖。

具體實施方式

以下結合附圖實施例對本發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，大臂杆1、小臂杆2、安裝座10和工裝夾具9。

大臂杆1的下端轉動連接在安裝座10上，如此，通過大臂杆1相對於安裝座10的轉動可以將該仿生機械臂轉動到任意工位進行工作。

工裝夾具9轉動連接在小臂杆2的前端。工裝夾具9包括夾爪部91和連接部92，連接部92通過一轉動軸承連接在小臂杆2的前端，從而以所述臂杆軸向為中心進行轉動，夾爪部91通過一轉軸轉動連接在連接部92上。

大臂杆1上凹陷設置有一凹腔，凹腔內設置有一安裝球窩3，小臂杆2的後端具有球狀體201，球狀體201能夠匹配容納在安裝球窩3內並相對於安裝球窩3自由轉動，如此小臂杆2和大臂杆1之間能夠實現肩關節動作。球狀體201在安裝球窩3內的轉動自由度極高，可以實現各個方向的自由轉動，響應速度快，同時相對於現有技術中通過多個關節結構設置實現的多自由度的轉動，其累計誤差更小。

其中安裝球窩3包括外球殼31、內球殼32。

內球殼32嵌設在外球殼31內，小臂杆2的球狀體201嵌設在內球殼32內，內球殼32和外球殼31具有供小臂杆2的球狀體201多自由度活動所需的開口。

內球殼32上開設有多個開孔，多個開孔沿內球殼32的多個經度的經線方向排列設置，每個開孔內嵌設一滾珠33，從而使得滾珠33也沿內球殼32的經線方向排列。外球殼31的內殼面上對應於滾珠33設置有凹槽301。本實施例中，凹槽301對應於滾珠33的排列方向在外球殼31的內殼面上沿外球殼31的多個經度的經線方向貫通設置。

內球殼32包括能夠相互對接的第一內球半殼321和第二內球半殼322。本實施例中第一內球半殼321的下邊緣沿徑向向外延伸設置有第一翻邊，第二內球半殼322的上邊緣沿徑向向外延伸設置有第二翻邊，第一翻邊和第二翻邊的對合面上分別對應設置有卡槽和凸稜，本實施例中卡槽設置在第一翻邊上，凸稜設置在第二翻邊上，通過將凸稜插配在卡槽內，實現第一內球半殼321和第二內球半殼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置有第二連接邊。裝配時，將滾珠33裝配入第一內球半殼321上的開孔內後，將第一外球半殼311罩設在第一內球半殼321外，使得滾珠33抵在第一外球半殼311上的凹槽301內，此時第一連接邊恰好蓋設在第一翻邊外。按照相同的過程裝配好滾珠33、第二內球半殼322和第二外球半殼312，第二連接邊恰好蓋設在第二翻邊外，通過第一翻邊上的卡槽和第二翻邊上的凸稜的配合對接，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、第二連接邊以實現外球殼31、內球殼32的固定連接。

該仿生機械臂在使用時，小臂杆2的球狀體201能夠在滾珠33的作用下相對於內球殼32多自由度的進行轉動，在小臂杆2的球狀體201的轉動過程中，各滾珠33在固定的開孔位置內進行轉動，滾珠33的設置減小了小臂杆2的球狀體201相對於安裝球窩3之間的摩擦，有效保證了小臂杆2的球狀體201運動的穩定性。

大臂杆1的兩側與小臂杆2之間分別連接有多根第一調節繩索4，這些第一調節繩索4用於調節小臂杆2相對於大臂杆1進行左右方向上的擺動，並且臂杆內設置有用於張緊第一調節繩索4的第一張緊機構組。

大臂杆1的上部與小臂杆2之間連接有多根第二調節繩索5，第二調節繩索5用於調節所述小臂杆2相對於大臂杆1進行上下方向上的擺動，並且臂杆內設置有用於張緊第二調節繩索5的第二張緊機構組。

小臂杆2包括第一臂杆21和第二臂杆22，小臂杆2的球狀體201位於第一臂杆21的後端，第一臂杆21的前端與第二臂杆22的後端轉動連接，本實施例中第一臂杆21的前端與第二臂杆22的後端簡單的通過轉軸轉動連接，從而通過第一臂杆21和第二臂杆22的動作實現肘關節運動。

第一臂杆21的兩側和第二臂杆22兩側之間分別對應連接有第三調節繩索6，第一臂杆21內設置有用於張緊第三調節繩索6的第三張緊機構組。

為了實現精確的調節，第一張緊機構組包括與第一調節繩索4相同數量的張緊機構，第二張緊機構組包括與第二調節繩索5相同數量的張緊機構，第三張緊機構組包括與第三調節繩索6相同數量的張緊機構。即張緊機構與繩索一一對應設置，每個張緊機構對應實現一根繩索的鬆緊調節。

張緊機構的具體結構如下：張緊機構包括電機、與電機驅動連接的絲杆組件8、連接在絲杆組件8上的滾輪7、設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。

本實施例中的電機採用閉環步進電機，絲杆組件8能夠在電機的驅動下調節包繞在滾輪7上繩索的鬆緊度，從而小臂杆2相對於大臂杆1轉動方向和轉動角度的調節，以及第二臂杆22相對於第一臂杆21轉動方向和轉動角度的調節。在調節時，不同的張緊程度，對應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，即減小在張緊機構設置方向小臂杆2向大臂杆1轉動的距離。通過放鬆繩索來增加繩索兩端點之間直線距離，相應增加在張緊機構設置方向小臂杆2向大臂杆1轉動的距離。

絲杆組件8包括基架81、絲杆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位於第一基板811的上方，並且支撐柱833穿設在第一基板811內，第二臺板832位於第一基板811和第二基板812之間，並且導向柱813穿設在第二臺板832內。

絲杆82的一端與電機驅動連接，絲杆82穿過第二基板812，且絲杆82的另一端與第一基板811相連接，絲杆82穿設在第二臺板832內並與第二臺板832傳動連接。

安裝臺83限位安裝在基架81上，絲杆82的一端連接在電機的驅動軸上，絲杆82的另一端與基架81固定連接，絲杆82穿設在安裝並與並能相對於基架81上下移動。

滾輪安裝架84通過一轉動軸承連接在安裝臺83上，該軸承可以降低繩索不規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841兩側沿軸向相對延伸設置的連接板842，滾輪7通過一轉軸轉動連接在兩個連接板842之間。

在使用時，通過電機驅動絲杆82轉動，通過絲杆82的傳動作用帶動安裝臺83沿導向柱813方向上下運動，從而實現繩索的張緊和鬆弛調節，進而通過繩索帶動小臂杆2相對於大臂杆1進行各方向上轉動位置和轉動角度的調節，通過各繩索不同鬆緊度的配合，達到機械臂實現不同動作的目的。調節過程中繩索的鬆緊度可以通過設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，進而絲杆組件8能夠在電機的驅動下調節包繞在滾輪7上繩索的鬆緊度。

該仿生機械臂在使用時，可以通過電機內的參數設置控制電機動作，進而實現機械臂各種動作的控制。也可以通過人工引導的方式使用，即人工將小臂杆2拉動到工作工位，位於各繩索固定點的拉力傳感器100對應獲取各繩索的拉力數據，並傳送給控制器，控制器控制電機工作，進而通過絲杆調節各繩索的鬆緊度，進而使得拉力傳感器100檢測的各繩索的拉力數據保持在設定的拉力值範圍內，進而實現小臂杆相對於大臂杆位置的變化，並且記錄在此拉力範圍內各個閉環步進電機的編碼值，從而實現後續無人手牽引的重複定位，從而保持機械臂處於工作工位上，這種使用方法無需設置精確的控制參數，操作靈活度高，工人上手速度快。