一种用于机械臂的驱动装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及机械臂的【技术领域】，公开了一种用于机械臂的驱动装置，包括用于驱动机械臂运动的驱动组件和用于控制驱动组件运动的电路气动组件；驱动组件包括支撑板和多个驱动单元，各驱动单元固定于支撑板的上表面且呈均匀布置，驱动单元包括具有输出法兰的微型电机，与输出法兰固定连接的驱动轮，以及用于执行带动机械臂运动的拉索装置，拉索装置包括拉索，拉索的一端与所述驱动轮固定连接，另一端与所述机械臂固定连接。上述的驱动装置与机械臂分离设计，降低了机械臂的重量；通过微型电机带动拉索进而驱动机械臂运动，实现了远程驱动；采用电路气动组件实现了对机械臂运动的精准控制，且驱动装置的结构紧凑，所需安装空间小，提高了适用范围。
【专利说明】—种用于机械臂的驱动装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及机械臂的【技术领域】，尤其涉及一种用于机械臂的驱动装置。【背景技术】
[0002]机械臂是具有模仿人类手臂功能并可完成各种作业的自动控制设备，由这种机械臂构成的机器人系统由多关节连接，并且允许其在二维或者三维空间进行运动或者使用线性位移移动。
[0003]常规现有技术中，传统的机械臂一般使用一些刚度很强的材料制造，比如采用金属制造，而且驱动装置都直接安装在机械臂上，因此机械臂整体重量较大，其运动时的惯量会很大，而且在开环控制的情况下缺乏顺应性，使得在设计过程中对机械臂的控制增加了难度，难以达到精确控制的要求，另外，驱动装置在机械臂中的安装空间受限制，导致驱动装置的适应性偏低。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的在于提供一种用于机械臂的驱动装置，旨在解决现有技术中，传统的机械臂与驱动装置一体设置，导致其结构笨重，而且难以精确控制，同时，驱动装置的安装空间受限制，并且适应性偏低的缺陷。
[0005]本实用新型是这样实现的，一种用于机械臂的驱动装置，包括用于驱动所述机械臂运动的驱动组件和用于控制所述驱动组件运动的电路气动组件；所述驱动组件包括支撑板和多个驱动单元，各所述驱动单元固定于所述支撑板的上表面且呈均匀布置，所述驱动单元包括具有输出法兰的微型电机，与所述输出法兰固定连接的驱动轮，以及用于执行带动所述机械臂运动的拉索装置，所述拉索装置包括拉索，所述拉索的一端与所述驱动轮固定连接，另一端与所述机械臂固定连接。
[0006]优选地，所述驱动轮上设有环绕其外周面的V型环槽，所述V型环槽用于缠绕并容置所述拉索。
[0007]优选地，所述驱动单元还包括与所述支撑板固定连接的支撑座，所述微型电机上固定连接有电机法兰，所述微型电机通过所述电机法兰固定连接于所述支撑座中。
[0008]进一步地，所述驱动轮的外周套设有防护罩，所述防护罩通过紧固件与所述支撑座固定连接。
[0009]优选地，所述拉索装置还包括用于防护和支撑所述拉索运动的弹簧套管，用于支撑所述弹簧套管、并套设于其外壁上的塑胶套管，以及分别设置于所述塑胶套管两端的具有贯通的内孔的连接头，各所述连接头分别与所述弹簧套管的两端相抵接，且所述拉索穿过所述连接头的内孔和所述弹簧套管。
[0010]进一步地，所述弹簧套管的直径大于所述连接头的内孔的孔径。
[0011]优选地，所述连接头上朝外伸出连接端，所述连接端外壁上环设有与所述塑胶套管内壁紧贴的倒钩状凸起，所述连接端插设于所述塑胶套管内并与所述弹簧套管抵紧。
[0012]优选地，所述电路气动组件包括用于控制所述驱动组件运动的主控电路，用于与外部通信的通信模块，以及用于供电的外部供电端子，所述主控电路包括控制板。
[0013]进一步地，所述电路气动组件还包括用于驱动柔性充气手臂运动的气动模块。
[0014]进一步地，所述气动模块包括用于采集所述柔性充气手臂内气压的气压传感器模块、用于给所述气压传感器模块提供基准电压的稳压模块、用于给所述柔性充气手臂充放气的气泵组、用于控制所述气泵组开关的继电器模块、以及用于控制所述气泵组气路的电磁阀组。
[0015]与现有技术相比，本实用新型提出的驱动装置与机械臂分离设计，从而降低了机械臂的整体重量；通过微型电机带动拉索进而驱动机械臂运动，实现了远程驱动；采用电路气动组件实现了对机械臂运动的精准控制，且驱动装置的结构紧凑，所需安装空间小，提闻了适用范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型实施例提供的驱动装置的分解示意图；
[0017]图2为本实用新型实施例提供的驱动装置中的驱动单元的分解示意图；
[0018]图3为本实用新型实施例提供的驱动装置中的拉索装置的分解示意图；
[0019]图4为本实用新型实施例提供的驱动装置中的拉索装置的剖面示意图；
[0020]图5为本实用新型实施例提供的驱动装置的充气连接及控制框图。
【具体实施方式】
[0021]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0022]以下结合具体实施例对本实用新型的实现进行详细的描述。
[0023]如图1、图2所示,本实施例提供的驱动装置,包括驱动组件I和电路气动组件2,其中，驱动组件I用于驱动机械臂运动，电路气动组件2主要用于控制驱动组件I运动，且电路气动组件2设置在驱动组件I的下方；具体地，驱动组件I包括支撑板11和多个固定安装在该支撑板11上的驱动单元12，此处，包含有均匀阵列布置的十二个驱动单元12，各个驱动单元12分别对应于机械臂的一个自由度，当然，数量并不做限定，单个驱动单元12则包括微型电机121，固定连接在微型电机121的输出轴上的输出法兰122，以及固定连接在该输出法兰122上的驱动轮123，另外，在驱动单元12上还设置有用于执行带动机械臂运动的拉索装置124，该拉索装置124包括拉索1241，拉索1241的一端与驱动轮123固定连接，另一端与机械臂固定连接，此处，可以根据实际需要更换不同长度的拉索1241 ;本驱动装置中，电路气动组件2固定安装在基板3上，驱动组件I固定安装在支撑板11上，并且，基板3和支撑板11通过支撑住4进行固定；工作中，通过电路气动组件2控制驱动组件I中的微型电机121运动，微型电机121通过输出轴上的输出法兰122带动驱动轮123转动，驱动轮123带动拉索装置124中的拉索1241运动，进而通过该拉索1241的运动来实现带动机械臂的运动。
[0024]采用上述驱动装置运用于需要轻巧驱动的机械臂中，具有如下特点:
[0025]I)上述驱动装置与机械臂分离设计，相对来说，就降低了机械臂的整体重量，减小了机械臂的运动惯量，从而提升了机械臂的灵敏性；
[0026]2)采用了可以更换拉索1241长度的拉索装置124，并通过微型电机121带动拉索装置124中的拉索1241运动，进而带动机械臂运动，实现了对机械臂的远程驱动；
[0027]3)采用了电路气动组件2控制驱动组件I中微型电机121的运动，再通过微型电机121带动拉索装置124中的拉索1241运动，进而带动机械臂运动，实现了对机械臂运动的精准控制；
[0028]如图2所示，本实施例中，上述驱动轮123的轮毂外周面上环设有V型环槽1231，在驱动轮123转动时，上述拉索1241缠绕在该V型环槽1231的底部，并且，拉索1241的末端通过螺钉固定在驱动轮123上，这样，通过该V型环槽1231有效防止了驱动轮123转动时，拉索1241滑落出驱动轮123的现象。
[0029]如图1、图2所示，上述驱动单元12还包括支撑座125和电机法兰126，其中，支撑座125为一板状构件折弯形成的三折边结构，该支撑座125通过其一端的折边采用螺钉与上述支撑板11紧固连接，此处，支撑座125也可以为其他形式的结构，并且，该支撑座125和支撑板11也可以采用其他方式进行固定连接，比如焊接等等；另外，电机法兰126上开设有多个螺孔，上述微型电机121的侧壁和上述支撑座125的内侧壁上对应地开设有螺孔，该电机法兰126采用螺钉与上述螺孔配合，从而分别与微型电机121和支撑座125形成固定连接，这样，微型电机121通过该电机法兰126也就固定在支撑座125中了，当然，在其他实施例中，根据实际情况和需求，微型电机121也可以采用其他方式与支撑板11固定连接，并不限于本实施例中的方式。
[0030]如图2所示，上述驱动轮123的外周套设有方形的防护罩127，其设置的目的是，为了进一步防止在驱动轮123转动时，上述拉索1241发生侧滑而从驱动轮123上滑落，同时可满足防尘要求。另外，防护罩127中心具有圆孔1271，驱动轮123容置在该圆孔1271内，并且，该防护罩127通过螺钉固定连接在上述支撑座125上，此处，也可以采用其他的紧固件，并不限于螺钉；当然，在其他实施例中，根据实际情况和具体需求，也可以采用其他的方式防止上述拉索1241滑落出上述驱动轮123。
[0031]如图2、图3、图4所示，本实施例中，上述拉索装置124还包括弹簧套管1242、塑胶套管1243和连接头1244，该拉索装置124通过设于其上的连接头1244固定在上述支撑座125上，此处，连接头1244用于实现上述拉索1241的定位，并承受其轴向力，以及防止拉索装置124整体的滑动；详细地，塑胶套管1243套设于弹簧套管1242的外壁上，两个连接头1244则分别插设在塑胶套管1243的两端，并分别与弹簧套管1242的两端相抵接，另外，连接头1244中还具有与弹簧套管1242连通并贯通连接头1244本身的内孔，上述拉索1241穿过弹簧套管1242和连接头1244的内孔，且其一端与微型电机121固定连接，另一端与机械臂上需要传动的位置固定连接；当然，在其他实施例中，根据实际情况和具体需求，拉索装置124也可以为其他形式的结构。对于上述拉索装置124，塑胶套管1243用于支撑弹簧套管1242，而弹簧套管1242可以任意弯曲，其可以实现任意方向力的传递，故该弹簧套管1242对拉索1241的运动起到了防护和支撑作用，并且，通过调整塑胶套管1243和弹簧套管1242的长度，可以实现长距离力的传递。
[0032]由于上述弹簧套管1242设置于上述塑胶套管1243内，为了防止该弹簧套管1242从上述连接头1244的内孔中滑出，因而，在尺寸设计上，弹簧套管1242的直径大于连接头1244的内孔的孔径，并且，弹簧套管1242的外壁紧贴于塑胶套管1243的内壁。
[0033]本实施例中，上述连接头1244上具有朝外伸出的连接端，该连接端上环设有倒钩状凸起，该倒钩状凸起与塑胶套管1243的内壁紧贴，在连接头1244的连接端上设置该钩状凸起的目的是，便于上述连接头1244插入上述塑胶套管1243内且不宜滑出，同时，该连接端与穿设于塑胶套管1243内的弹簧套管1242相抵紧。
[0034]如图1所示,本实施例中，上述电路气动组件2通过串口控制上述驱动组件I,该电路气动组件2包括主控电路、通信模块22以及外部供电端子23，其中，主控电路包括控制板211，其用于精准控制上述驱动组件I中微型电机121的运动，这里，控制板211采用的是ARM控制板，即ARM处理器控制板；通信模块22用于与外部通信，此处，通信模块22采用的是蓝牙模块，当然，也可以采用其他的模块来通信，比如CAN模块，即控制局域网模块，控制板211通过串口连接通信模块22实现了与外部系统的通信，这样就提供了有线控制和无线控制两种选择；另外，外部供电端子23用于给整个电路气动组件2进行供电。
[0035]本实施例中，上述驱动装置除了可以驱动需要轻巧驱动的机械臂以外，还可以驱动柔性充气手臂。这里，上述电路气动组件2还包括气动模块24和气管25，该气动模块24用于驱动柔性充气手臂运动。
[0036]如图1所示，上述气动模块24包括气压传感器模块241、稳压模块242、气泵组243、继电器模块244以及电磁阀组245，其中，气压传感器模块241用于采集柔性充气手臂内的气压值，而稳压模块242则用于给气压传感器模块241提供基准电压，此处，稳压模块242采用的是5伏特的稳压模块，其为气压传感器模块241提供5伏特的基础电压；气泵组243用于给柔性充气手臂进行充放气，而继电器模块244则用于控制气泵组243的开启或者关闭，另外，电磁阀组245用于控制气泵组243的气路。
[0037]为了保证柔性充气手臂或者其它需要轻巧驱动的机械臂内的压力保持在预设定的压力范围之内，上述气压传感器模块241采集柔性充气手臂或者其它需要轻巧驱动的机械臂内的气体压力值，并将该压力值反馈给上述控制板211，该控制板211对测试压力值和预设压力值进行比较，当测试压力值小于预设压力值的最小压力设定值时，控制板211通过I/O端口发送高电平给上述继电器模块244，接着该继电器模块244输出高电平给上述气泵组243，进而，气泵组243开启充气；当测试压力值大于预设压力值的的最大值时，控制板211通过I/O端口发送低电平给继电器模块244，接着继电器模块244输出低电平给气泵组243，进而，气泵组243关闭充气。
[0038]为了防止柔性充气手臂或者其它需要轻巧驱动的机械臂内的压力过高，可以设置最大安全压力值，这个值大于预设定的正常压力的最大值，当测试压力大于设定的安全值时，上述控制板211通过I/O端口发送低电平给继电器模块244，接着继电器模块244输出低电平而关闭上述气泵组243，同时控制电磁阀组245开启放气，直至测试压力之小于设定的正常压力的最大值时，再控制电磁阀组245关闭放气，当然，这一动态压力调整可以通过PID或F1D控制算法来实现,此处，P为比例proportion、I为积分integral、D微分derivative,这里不做详述。
[0039]本实施例中，当驱动组件I停止工作时，上述电路气动组件2也能起到保持机械臂内的压力稳定的作用，可以很好的实现省电功能，更加环保。
[0040]如图5所示，对于柔性充气手臂的气路连接，通过上述电磁阀组245可以实现同时给双柔性充气手臂和一双充气手掌进行充放气，这里，电磁阀组245包括四个两位三通气阀，分别是A阀、B阀、C阀以及D阀，其中A阀上具有气孔al、气孔a2和气孔a3，B阀上具有气孔bl、气孔b2和气孔b3，C阀上具有气孔Cl、气孔c2和气孔c3，D阀上具有气孔dl、气孔d2和气孔d3 ;具体实现原理是:当输入为低电平给A阀时，气孔al和气孔a2导通，同时气孔al和气孔a3不导通；当输入为高电平给A阀时,气孔al和气孔a2不导通，同时气孔al和气孔a3导通；同理，B阀、C阀以及D阀和A阀完全相同。
[0041]上述气泵组243通过气管25同时和气孔al、气孔cl和气孔dl相连，并为这些气阀提供气源，另外，气孔a2通过气管25和气孔b2相连，气孔bl为接口，通过气管25与充气双臂连接，并为其提供充气、放气，同时还可以实现既不充气又不放气的功能，这一点很好地满足柔性充气手臂或其它需要轻巧驱动的机械臂充满气体时，气泵即使关闭也可以保持其内部的气体压力不变；气孔c2作为接口，通过气管25与需要充气的左手臂提供充气和放气；气孔d2作为接口，通过气管25与需要充气的右手臂提供充气和放气。
[0042]结合上述气阀的工作原理，上述气泵组243作为气源开始工作时，其控制方法为:
[0043]当输入高电平给A阀并输入高电平给B阀时，则通过气孔bl将气体输出给双手臂进行充气；
[0044]当输入低电平给A阀并输入低电平给B阀时，则通过气孔bl既不输出气体给双手臂进行充气，也不会放掉双手臂内的气体，同时，低电平意味着没有工作，这样可以很好的实现省电功能；
[0045]当输入低电平给A阀并输入高电平给B阀时，则通过气孔bl将给双手臂进行放气，但此时又不影响C阀和D阀工作；
[0046]当输入高电平给C阀时，则通过气孔c2将给左手臂进行充气；
[0047]当输入低电平给C阀时，则通过气孔c2将给左手臂进行放气；
[0048]当输入高电平给D阀时，则通过气孔d2将给右手臂进行充气；
[0049]当输入低电平给D阀时，则通过气孔d2将给右手臂进行放气。
[0050]本实施例中，运用上述驱动装置对柔性充气双臂进行运动控制，其具体过程为:首先对系统进行初始化，在系统初始化时，上述控制板211上的软件初始化，包括必要的变量和函数初始化；当系统接受到启动命令时，双臂开始充气，当双臂压力在运行的安全范围内时，双臂维持在这个气体压力范围内，等待输入运动指令；当双臂内的气压小于设定的气压范围内时，会继续充气直到双臂内的气压达到运行的范围内；当有左右手的索引和目标位置输入时，此处，左右手的索引指的是左右手区分的标识，如O代表左手、I代表右手；左右手的索引对应相应手臂末端位置的坐标值，具体指的是笛卡尔坐标系系的位置，X方向、I方向和z方向的坐标值，这时控制板211根据输入的坐标值，通过逆运动学计算每根上述拉索1241的长度；逆运动解可能有多解，解析出来的所有组拉索长度解与拉索长度的有效范围进行比较和解的筛选，筛选出在拉索长度的有效范围内的解，通过最优解的提取算法，这种算法如与当前位置最近的一组解，通过轨迹规划和平滑，如基于5次多项式点的差补算法平滑运动到期望的目标；当所有解都超出拉索长度的有效范围时，将不会进行后续的运动，会继续等待下一个可达的目标位置输入；当到达期望目标后，如果有新的目标位置输入，则会继续返回到输入左右手索引和目标位置继续进行运动学求解，如果没有则会继续等待新的指令，如果收到手臂放气的指令，则会手臂首先回到初始位置，然后再放气，如果收到手臂放气的指令可以在任意阶段，既可以作为中断处理，另外，在手臂轨迹规划的运动过程中，如果收到新的目标位置，则会跳变到新的目标位置求解，所产生的效果就是，当在当前目标还未到达期望目标，如果收到新的目标，则会通过反馈的当前位置规划并运动到新的目标位置。
[0051]另外，本实施例中的驱动装置不仅运用在充气手臂或其它需要轻巧驱动的机械臂上，还可以使用与任何需要微型驱动装置的地方，具有更宽泛的用途。
[0052]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种用于机械臂的驱动装置，其特征在于，包括用于驱动所述机械臂运动的驱动组件和用于控制所述驱动组件运动的电路气动组件；所述驱动组件包括支撑板和多个驱动单元，各所述驱动单元固定于所述支撑板的上表面且呈均匀布置，所述驱动单元包括具有输出法兰的微型电机，与所述输出法兰固定连接的驱动轮，以及用于执行带动所述机械臂运动的拉索装置，所述拉索装置包括拉索，所述拉索的一端与所述驱动轮固定连接，另一端与所述机械臂固定连接。
2.如权利要求1所述的用于机械臂的驱动装置，其特征在于，所述驱动轮上设有环绕其外周面的V型环槽，所述V型环槽用于缠绕并容置所述拉索。
3.如权利要求1所述的用于机械臂的驱动装置，其特征在于，所述驱动单元还包括与所述支撑板固定连接的支撑座，所述微型电机上固定连接有电机法兰，所述微型电机通过所述电机法兰固定连接于所述支撑座中。
4.如权利要求3所述的用于机械臂的驱动装置，其特征在于，所述驱动轮的外周套设有防护罩，所述防护罩通过紧固件与所述支撑座固定连接。
5.如权利要求1所述的用于机械臂的驱动装置，其特征在于，所述拉索装置还包括用于防护和支撑所述拉索运动的弹簧套管，用于支撑所述弹簧套管、并套设于其外壁上的塑胶套管，以及分别设置于所述塑胶套管两端的具有贯通的内孔的连接头，各所述连接头分别与所述弹簧套管的两端相抵接，且所述拉索穿过所述连接头的内孔和所述弹簧套管。
6.如权利要求5所述的用于机械臂的驱动装置，其特征在于，所述弹簧套管的直径大于所述连接头的内孔的孔径。
7.如权利要求6所述的用于机械臂的驱动装置，其特征在于，所述连接头上朝外伸出连接端，所述连接端外壁上环设有与所述塑胶套管内壁紧贴的倒钩状凸起，所述连接端插设于所述塑胶套管内并与所述弹簧套管抵紧。
8.如权利要求1?7任一项所述的用于机械臂的驱动装置，其特征在于，所述电路气动组件包括用于控制所述驱动组件运动的主控电路，用于与外部通信的通信模块，以及用于供电的外部供电端子，所述主控电路包括控制板。
9.如权利要求8所述的用于机械臂的驱动装置，其特征在于，所述电路气动组件还包括用于驱动柔性充气手臂运动的气动模块。
10.如权利要求9所述的用于机械臂的驱动装置，其特征在于，所述气动模块包括用于采集所述柔性充气手臂内气压的气压传感器模块、用于给所述气压传感器模块提供基准电压的稳压模块、用于给所述柔性充气手臂充放气的气泵组、用于控制所述气泵组开关的继电器模块、以及用于控制所述气泵组气路的电磁阀组。
【文档编号】B25J9/12GK203665521SQ201320829640
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年12月13日
【发明者】齐荣怀, 林天麟 申请人:智慧城市系统服务（中国）有限公司