一种用于教学实训模拟的六关节机械手的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于机械手技术领域，尤其涉及一种具有六个关节的机械手。
【背景技术】
[0002]随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手的研发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑十分必要。因此，目前各大高校都设有相应的关于机械手方面的教学研究课程，以使学生更加深入地了解机械手并激发对机械手的研究改进热情，从而促进机械手的技术发展，一般常见的机械手都有2或3个关节，其种类按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手，其通常包括有设在机械手始端的首端转动关节，用于驱动机械手臂的转动，在末端设有尾端转动关节，该尾端转动关节与手掌相连，用于驱动手掌转动，首端转动关节与尾端转动关节直接相连或者在二者之间还设有若干其它关节，用于提高自由度，通常首端转动关节和尾端转动关节均采用舵机或者是微型脉冲电机驱动，再辅以相应的电器控制系统用于控制舵机或者是微型脉冲电机，达到控制机械手的目的。目前，教学研究用的电动式机械手主要采用舵机驱动控制机械手臂，由于手臂通常只具有两到三个自由度，机械手灵活性低，抓取空间范围十分有限，运动模拟研究没有多大意义，不能满足教学研究中对机械手运动编程等的教学要求，而现有少部分多自由度机械手虽然可以实现大范围内货物抓取，但是其机械手的结构十分复杂而笨重，重量与成本也随之增加，这对于一般轻型货物的抓取尤其是教学研究使用既不经济也不适用。为了进一步研究机械手的空间运动，使学生更加深入地了解机械手的设计安装以及编程使用，同时也便于日常工业生产应用，设计一种结构简单、自由度更高，可充分满足教学实训模拟研究需要，又具有一定的工业应用价值的机械手便显得十分必要。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型的目的在于解决上述技术问题，提供一种用于教学实训模拟的六关节机械手，该机械手结构简单、自由度更高，既可充分满足教学实训模拟研究需要，又能在日常工业生产中迅速准确实现货物抓取，尤其是轻型货物的抓取。
[0004]本实用新型的技术方案如下:
[0005]一种用于教学实训模拟的六关节机械手，包括底座、手掌、首端转动关节、中部活动关节、尾端转动关节及用于控制手掌和各关节动作的控制系统，其中，首端转动关节及控制系统均安装在底座上，中部活动关节可转动地安装在首端转动关节上，尾端转动关节可摆动地安装在中部活动关节上，手掌可转动地安装在尾端转动关节上，首端转动关节、中部活动关节及尾端转动关节以由下至上的方式排列，中部活动关节由四个依次从下至上的方式层叠连接的摆动关节组成，第一摆动关节可转动地安装在首端转动关节的转动输出端，尾端转动关节固定第四摆动关节上，第二至第四摆动关节在同一平面内摆动且与第一摆动关节的摆动平面相垂直。
[0006]进一步地，所述四个摆动关节均包括长方体结构的连接块、舵机和Π型支撑块，所述舵机设于所述连接块上，所述舵机的输出轴的两个驱动输出端分别与所述Π型支撑块的两竖直侧板固定连接。
[0007]进一步地，所述第二摆动关节的舵机输出轴、第三摆动关节的舵机输出轴与第四摆动关节的舵机输出轴均相互平行且第二摆动关节、第三摆动关节及第四摆动关节的舵机输出轴的两端端头朝向相同，所述第一摆动关节的舵机输出轴的端头朝向与其它三个摆动关节的舵机输出轴的端头朝向相垂直。
[0008]优先地，所述第一摆动关节的Π型支撑块的水平横板与所述第二摆动关节的连接块固定连接，所述第二摆动关节的Π型支撑块的水平横板与所述第三摆动关节的Π型支撑块的水平横板固定连接，所述第三摆动关节的连接块与所述第四摆动关节的连接块固定连接。
[0009]进一步地，所述手掌包括舵机、左手指和右手指，所述左手指与右手指分别与互相啮合的一对主动齿轮、从动齿轮相连，所述舵机的输出轴与所述主动齿轮相连，所述主动齿轮和从动齿轮的齿数、模数及压力角相同。
[0010]进一步地，所述π型支撑块的水平横板与连接块之间、Π型支撑块的水平横板与Π型支撑块的水平横板之间、连接块与连接块之间的连接均采用花键螺栓连接，所述连接孔为内花键孔，所述花键螺栓由彼此相连的螺帽和外花键构成。
[0011]进一步地，所述底座上设有按正六边形排列的连接孔。
[0012]本实用新型的有益效果:本实用新型通过在常规机械手的首端转动关节和尾端转动关节两个关节的基础上设置一个中部活动关节来实现机械手多关节自由度的拓展。该中部活动关节由四个依次从下至上的方式层叠连接的摆动关节组成，结构简单紧凑，而第二至第四摆动关节在同一平面内至下而上的三个位置处摆动，提高了摆动关节在所在平面内的摆动范围，另一方面，第一摆动关节的摆动平面与其它三个摆动关节相垂直，一起构成了一个立体三维坐标摆动系统，再在最底部的首端转动关节的转动作用下实现目标范围内的三维空间任一点上的货物抓取，具有较高的灵活度;此外采用舵机实现各个摆动关节的摆动，再通过相应控制系统的编程处理控制舵机，便可研究机械手多自由度的运动分析，大大提高了机械手教学模拟的可研究性和工业实用性，尤其适用于轻小型货物的准确抓取。
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型结构不意图。
[0014]图2为本实用新型摆动关节结构示意图。
[0015]图3为本实用新型局部立体结构图。
[0016]元件标号说明:底座1、控制系统2、首端转动关节3、第二连接块4、第一Π型支撑块
5、第三连接块6、第二 Π型支撑块7、第三Π型支撑块8、第四连接块9、第五连接块1、第四Π型支撑块11、尾端转动关节12、手掌13、连接座a、驱动部件b、摆动输出端bl、摆臂C。
【具体实施方式】
[0017]以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。
[0018]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明:
[0019]如图1所示，一种用于教学实训模拟的六关节机械手，包括底座1、手掌13、首端转动关节3、中部活动关节、尾端转动关节12及用于控制机械手及各关节动作的控制系统2，其中，首端转动关节3及控制系统2均安装在六边形的底座I上，首端转动关节3和尾端转动关节12的具体结构可以是将一驱动部件b固定在底座I，驱动部件b可以选择脉冲电机或是舵机。例如采用脉冲电机时，则脉冲电机的输出轴竖直向上设置，用以驱动手臂的旋转。该底座I为一块正六边形钢板，钢板上设有螺栓连接孔，脉冲电机便通过螺栓固定在地板上。对于采用舵机作为驱动部件的首端转动关节3，其控制系统2主要包括MultiFLEXTM2-PXA270控制器和一个UP—Debugger多功能调试器，用于与舵机相连，以控制机械手臂的运动。首端转动关节3的驱动部件b的输出端竖直设置且与中部活动关节相连，所述中部活动关节包括四个依次从下至上的方式层叠连接的摆动关节组成。如图2所示，该摆动关节同样包含一个上述驱动部件b，驱动部件b固定在连接座a上，至于连接座a则可以有多种形式，方形或矩形都可，此处不做具体限制，凡是可以用于支撑固定驱动部件b的结构都可使用；该摆动关节还包括两个对称的摆臂C，所述摆臂c为两块条状钢板，两块条状钢板的一端与连接座a上的驱动部件b的输出轴两端(即摆动输出端bl)固定连接。当驱动部件b是脉冲电机类动力部件时，则需要在连接座a上额外设置一定的传动机构与脉冲电机相连，例如在电机输出端设置一个锥形齿轮，该锥形齿轮正下方与另一锥形齿轮相啮合，另一锥形齿轮固定在一根转轴上且该转轴与电机输出轴垂直，该转轴的两端伸出所述连接座a的表面形成两个驱动输出端(即摆动输出端bl)，该摆动输出端bl分别与所述两块条形钢板的一端固定连接，当电机间歇性正、反转动时，带动所述转轴转动，从而带动两块条形钢板上下摆动，由此便形成了一个由脉冲电机驱动的摆动机构。上述第一摆动关节可转动地安装在上述首端转动关节3的转动输出端(即脉冲电机的输出轴端)，首端转动关节3的驱动输出轴插入第一摆动关节的连接座上并固定，从而带动第一摆动关节旋转，第一摆动关节的两块条形钢板与第二摆动关节的连接座固定相连且两摆动关节的摆动输出轴互相垂直，第二摆动关节的两块条形钢板分别与第三摆动关节的两块条形钢板相连且两摆动关节的摆动输出轴互相平行，第三摆动关节的连接座与第四摆动关节的连接座固定相连且两摆动关节的摆动输出轴互相平行，从而使第二至第四摆动关节能在同一平面内摆动且与第一摆动关节的摆动平面相垂直。所述尾端转动关节12的驱动部件则固定在第四摆动关节的两块条形钢板上，具体可将两块条形钢板的两端焊接或粘接在尾端转动关节12的驱动部件的底端，且尾端转动关节12的驱动部件的驱动输出轴与手掌13相连，以驱动手掌13转动。
[0020]进一步地，上述各个驱动部件若采用脉冲电机，通过PLC电器控制虽然一定程度上也可以实现对各个关节的驱动，但是其灵活性和结构的简单可行性却远不如直接采用舵机，比如采用脉冲电机会设置上述一系列带锥齿轮的传动机构，使整体结构变得复杂繁冗；另一方面，两块条形钢板作为摆臂c受力也不够稳定可靠，容易变形。因此，为简化安装制造，同时提高机械手的结构强度，上述四个摆动关节均由连接块、舵机和Π型支撑块构成，所述连接块为上述连接座a的一种具体结构形式，而Π型支撑块则是包含了上述两块条形钢板(对应Π型支撑块中的两竖直侧板)的一种具体结构形式。上述连接块为一长方体块状结构，其水平方向上设有垂直贯穿自身长方体结构两相对侧面的水平通孔，该水平通孔用于安装设置舵机，舵机上设有螺纹安装孔，与连接块之间螺纹联接固定。在安装时舵机的输出轴(即上述摆动输出轴)伸出各连接块的侧面，以便于与其他构件连接传动;所述连接块的竖直方向上还设有用于连接舵机输出轴的竖直连接孔，该竖直连接孔贯穿连接块长方体结构的上下两个面，以便连接块上下两个面与其他构件的连接固定。所采用的舵机为机器人领域常用控制元件，主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮、舵机输出轴与位置检测器所构成。其工作原理是由控制系统中的多功能调试器发出讯号给舵机，经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至与舵机输出轴相连的外接构件，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。上述四个Π型支撑块均为“Π”形状的结构，由两块用于左、右支撑的竖直侧板和一块顶端横置的水平横板构成，在左、右两个竖直侧板和顶端的水平横板上均设有连接孔，所述舵机的输出轴的两个驱动输出端分别插入所述左、右两个竖直侧板上的连接孔，以达到与Π型支撑块连接的目的，对于部分舵机的输出轴的其中一个输出端为螺纹孔的情况，只需将螺丝穿过竖直侧板上的连接孔与舵机输出轴拧紧即可。对于上述四个摆动关节各自包含的连接块和Π型支撑块，如图1和图3所示，分别为:第一摆动关节包括第二连接块4和第一 Π型支撑块5，第二摆动关节包括第三连接块6和第二 Π型支撑块7，第三摆动关节包括第三Π型支撑块8和第四连接块9，第四摆动关节包括第五连接块10和第四Π型支撑块11。
[0021 ]进一步地，为使摆动关节在空间内具有一个分层有序的摆动空间位置顺序，更好地通过控制相应舵机来控制摆动范围，第二摆动关节的舵机输出轴、第三摆动关节的舵机输出轴与第四摆动关节的舵机输出轴均相互平行且第二摆动关节、第三摆动关节及第四摆动关节的舵机输出轴的两端端头朝向相同，第一摆动关节的舵机输出轴的端头朝向与其它三个摆动关节的舵机输出轴的端头朝向相垂直。如此，第二至第四摆动关节在同一平面内至下而上的三个位置处摆动，合理地规划了各个摆动关节的摆动范围，提高了摆动关节的灵活机动性，另一方面，第一摆动关节的摆动平面与其它三个摆动关节相垂直，一起构成了一个立体三维坐标摆动系统，在最底部的首端转动关节的转动作用下实现三维空间内任一点内的货物抓取，具有较高的灵活度。
[0022]优先地，在实现上述摆动位置结构的基础上，更进一步使整体结构更加美观紧凑，在上述长方体连接块内安装固定舵机时，将舵机的输出轴与长方体连接块的两相对平行侧面垂直贯通安装。第二连接块4的舵机输出轴的两端分别通过第一 Π型支撑块5的左右两竖直侧板上的连接孔与第一 Π型支撑块5相连。第一 Π型支撑块5的水平横板与第三连接块6的下表面贴合并通过连接螺栓固定相连，且保证第三连接块6内的舵机输出轴与第二连接块4内的舵机输出轴互相垂直。第三连接块6内的舵机输出轴两端分别与第二Π型支撑块7的左右两竖直侧板固定相连;第二 Π型支撑块7的水平横板与第三Π型支撑块8的水平横板贴合并固定连接，第三Π型支撑块8的左右两竖直侧板分别与第四连接块9内的舵机输出轴两端固定相连，且第四连接块9内的舵机输出轴与第三连接块6内的舵机输出轴互相平行；第四连接块9与第五连接块10通过各自连接块上的竖直连接孔和连接螺栓固定贴面连接，且第五连接块10内的舵机输出轴与第四连接块9内的舵机输出轴互相平行;第五连接块10内的舵机输出轴两端分别与第四π型支撑块11的左右两竖直侧板固定相连。
[0023]在实际制作本机械手时，为统一零部件，提高设计制造的标准化程度，上述首端转动关节3和尾端转动关节12的驱动元件也均采用舵机和连接块制成，首端转动关节3包括第一连接块和一个舵机，尾端转动关节12包括第六连接块和一个舵机。上述首端转动关节3竖直固定设置于底座I上，即首端转动关节3的舵机输出轴竖直安装;将首端转动关节3中的第一连接块与两个一组、对称设置的4个L型块固定连接，具体是将L型块的竖直面板的外侧面与连接块上与底座I相垂直的两个较长侧面采用螺栓固定相连，L型块的水平面板与底座I采用螺栓固定连接，当然，如果不考虑拆卸，也可直接将第一连接块焊接在底板I上。然后，首端转动关节3的舵机输出轴插入第一摆动关节的第二连接块4上的竖直连接孔内，使第一摆动关节的输出轴与首端转动关节3的舵机输出轴互相垂直。
[0024]进一步地，现有机器人手掌技术已经十分成熟，市面上具有多种结构形式和控制方法的手掌可供挑选，为适应本实用新型的发明需求，实现结构简单紧凑、快速抓取货物尤其是轻型货物的目的，特设置了一种包括有舵机、左手指和右手指的手掌，所述舵机与控制系统2中UP—Debugger多功能调试器相连，所述左手指与右手指的指节始端均设有转轴，该转轴的一端分别与主动齿轮和从动齿轮的轮心相连，所述舵机的输出轴通过所述左手指的转轴与所述主动齿轮相连，出于变速需要，其中还可以设置微型齿轮箱，舵机的输出轴与齿轮箱相连，齿轮箱的输出端与左手指的转轴相连。为了提高左右手指运动精度，保证左右手指步调一致，所述主动齿轮和从动齿轮的啮合采用标准齿轮传动，其齿数、模数及压力角相同。为了便于舵机的控制协调，精简线路，在具体实施过程中，上述摆动关节、始端转动关节和尾端转动关节上的舵机串联之后与控制系统2相连。
[0025]进一步地，为了便于连接固定，同时鉴于舵机输出轴的输出端设有花键连接端，上述各连接块上设置的连接孔均为内花键孔，且在Π型支撑块的左右竖直侧板和横板上设置的连接块也均为内花键孔，相应的所采用的连接螺栓为外花键螺栓，该外花键螺栓包括传统螺帽和一段外花键，且螺帽与外花键之间相连，即其螺杆上设置的不是螺纹结构，而是一种外花键结构，其固定连接更加简单可靠。在安装时，连接块与连接块之间、连接块与Π型支撑块、Π型支撑块与Π型支撑块之间的连接均采用此外花键螺栓形式的连接结构。
[0026]进一步地，为了进一步地提高机械手的灵活度，提高工作机动性，特在底座I上设有若干沿六边形底座I周向布置的连接孔，该连接孔呈六边形排列，以便在使用时将机械手灵活地与外接设备紧固连接。
[0027]上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。
【主权项】
1.一种用于教学实训模拟的六关节机械手，包括底座、手掌、首端转动关节、中部活动关节、尾端转动关节及用于控制手掌和各关节动作的控制系统，其中，首端转动关节及控制系统均安装在底座上，中部活动关节可转动地安装在首端转动关节上，尾端转动关节可摆动地安装在中部活动关节上，手掌可转动地安装在尾端转动关节上，首端转动关节、中部活动关节及尾端转动关节以由下至上的方式排列，其特征在于:中部活动关节由四个依次从下至上的方式层叠连接的摆动关节组成，第一摆动关节可转动地安装在首端转动关节的转动输出端，尾端转动关节固定第四摆动关节上，第二至第四摆动关节在同一平面内摆动且与第一摆动关节的摆动平面相垂直。2.根据权利要求1所述用于教学实训模拟的六关节机械手，其特征在于:所述四个摆动关节均包括连接块、舵机和Π型支撑块，所述舵机设于所述连接块上，所述舵机的输出轴的两个驱动输出端分别与所述Π型支撑块的两竖直侧板固定连接。3.根据权利要求2所述用于教学实训模拟的六关节机械手，其特征在于:所述第二摆动关节的舵机输出轴、第三摆动关节的舵机输出轴与第四摆动关节的舵机输出轴均相互平行且第二摆动关节、第三摆动关节及第四摆动关节的舵机输出轴的两端端头朝向相同，所述第一摆动关节的舵机输出轴的端头朝向与其它三个摆动关节的舵机输出轴的端头朝向相垂直。4.根据权利要求3所述用于教学实训模拟的六关节机械手，其特征在于:所述第一摆动关节的Π型支撑块的水平横板与所述第二摆动关节的连接块固定连接，所述第二摆动关节的Π型支撑块的水平横板与所述第三摆动关节的Π型支撑块的水平横板固定连接，所述第三摆动关节的连接块与所述第四摆动关节的连接块固定连接。5.根据权利要求1所述用于教学实训模拟的六关节机械手，其特征在于:所述手掌包括舵机、左手指和右手指，所述左手指与右手指分别与互相啮合的一对主动齿轮、从动齿轮相连，所述舵机的输出轴与所述主动齿轮相连，所述主动齿轮和从动齿轮的齿数、模数及压力角相同。6.根据权利要求4所述用于教学实训模拟的六关节机械手，其特征在于:所述Π型支撑块的水平横板与连接块之间、Π型支撑块的水平横板与Π型支撑块的水平横板之间、连接块与连接块之间的连接均采用花键螺栓连接，所述连接孔为内花键孔，所述花键螺栓由彼此相连的螺帽和外花键构成。7.根据权利要求1所述用于教学实训模拟的六关节机械手，其特征在于:所述底座上设有按正六边形排列的连接孔。
【专利摘要】本实用新型公布了一种用于教学实训模拟的六关节机械手，包括底座、手掌、首端转动关节、中部活动关节、尾端转动关节及用于控制手掌和各关节动作的控制系统，其中，中部活动关节可转动地安装在首端转动关节上，尾端转动关节可摆动地安装在中部活动关节上，手掌可转动地安装在尾端转动关节上，首端转动关节、中部活动关节及尾端转动关节以由下至上的方式排列，中部活动关节由四个依次从下至上的方式层叠连接的摆动关节组成，第二至第四摆动关节在同一平面内摆动且与第一摆动关节的摆动平面相垂直。本实用新型不但结构简单、自由度更高，适合教学模拟研究使用，十分适于生产生活中轻小型货物的抓取。
【IPC分类】G09B25/02, B25J9/00
【公开号】CN205386812
【申请号】CN201620238754
【发明人】张元立, 马燕, 刘淑云, 兰晓红
【申请人】重庆师范大学
【公开日】2016年7月20日
【申请日】2016年3月24日