一种弹簧配重重心后置式曲柄滑杆机械臂及其电机转动角度算法的制作方法

本发明涉及电动缸驱动机械臂关节领域，特别涉及一种弹簧配重重心后置式曲柄滑杆机械臂及其电机转动角度算法。

背景技术：

机械臂是指高精度，多输入多输出、高度非线性、强耦合的复杂系统。因其独特的操作灵活性,已在工业装配,安全防爆等领域得到广泛应用,机械臂是一个复杂系统,存在着参数摄动、外界干扰及未建模动态等不确定性。因而机械臂的建模模型也存在着不确定性，对于不同的任务,需要规划机械臂关节空间的运动轨迹，从而级联构成末端位姿,机械臂在工业生产中发挥着重要的作用。

传统机械臂应用最多的驱动方式为电机加减速器的形式，而这种形式的机械臂臂展和自身的重量比很小，导致臂展加长后整体机械臂重量和体积增加，负载能力也增加，在一些轻载荷、长臂展的工况下很不匹配。

本发明为了解决上述问题，为了能在重载荷、长臂展等复杂工况环境下稳定、高效工作设计了一种弹簧配重重心后置式曲柄滑杆机械臂。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种弹簧配重重心后置式曲柄滑杆机械臂，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种弹簧配重重心后置式曲柄滑杆机械臂，包括底座、安装于所述底座顶部的腰部、安装于所述腰部顶端的大臂和安装于所述大臂一端的小臂，所述大臂和所述腰部之间通过两个弹簧弹性连接，所述底座的顶部滑动连接有连接件，所述底座和腰部之间通过连接件滑动连接，所述腰部的一侧安装有第一电动缸，所述第一电动缸和所述腰部之间通过轴承转动连接，所述轴承的外侧套设有轴套，所述轴套上安装有卡环，所述弹簧的两端分别固定连接于所述大臂和所述连接件，所述腰部的顶端和所述大臂之间通过第一深沟球轴承转动连接，所述腰部顶端的外侧安装有第一外置式轴承座，所述腰部顶端的内侧安装有两个推力轴承，所述大臂的内侧安装有两个第一卧式光轴支座。

作为本发明的一种优选技术方案，所述大臂底端的外侧设置第二外置式轴承座，所述大臂底端的内侧设置有第四深沟球轴承，所述第四深沟球轴承安装有第二电动缸，所述第二电动缸的伸缩端与所述小臂之间通过鱼眼轴承转动连接，所述小臂一端的内侧安装两个第二卧式光轴支座。

作为本发明的一种优选技术方案，所述大臂的顶端与所述小臂之间通过第三深沟球轴承转动连接，所述大臂顶端的外侧安装有两个第三外置式轴承座，所述小臂的内侧安装有两个第三卧式光轴支座，所述小臂的外侧安装有推力轴承。

作为本发明的一种优选技术方案，所述第一电动缸的伸缩端与所述大臂的底端之间通过第二深沟球轴承转动连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述腰部为闭合方管管材，所述腰部的两侧设置有侧板，两个所述侧板之间通过连接光轴固定连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述底座的一侧设置有坦克链，所述坦克链的一端与所述第一电动缸固定连接，所述坦克链的内部穿有电线，所述第一电动缸通过所述电线与外部电源电性连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述小臂的末端腕关节处设置有用于连接夹持设备的腕关节电机座，所述腕关节电机座与所述大臂之间通过螺栓固定连接。

作为本一种弹簧配重重心后置式曲柄滑杆机械臂的电机转动角度算法，电机转动角度和机器人关节的转动角度之间对应关系的算法如下：步骤1：将整体的机构运动集成在一个三角形中；

步骤2：通过余弦定理求得电动缸的长度和机械臂的关节角度之间的联系；

步骤3；通过微分求得电动缸推杆的速度和关节角速度之间的关系；

步骤4；以实际关节角的补角的速度和电动缸杆总长的关系，从而推导出电动缸推杆速度与实际关节角速度之间的关系；

步骤5；最后通过电动缸的初始长度和导程，可以求得电动缸电机转动的圈数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明一种弹簧配重重心后置式曲柄滑杆机械臂，本设计结构模块化，由电机、电动缸等输出作为驱动力，做工快且易于精细操作，在关节处安装了推力轴承、深沟球轴承以及外置式轴承座有效防止了轴向与径向窜动，并减轻了摩擦损耗，而且弹簧配重式设计有效降低了电机功率消耗，因此该机器人手臂整体耗能更低，同时该弹性连接件能有效地把驱动力缓冲，让关节间受力均衡，实现高效精细抓取作业。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中腰部的结构示意图；

图3为本发明中大臂的结构示意图；

图4为本发明中小臂的结构示意图；

图5为本发明中腰部顶端的结构示意图；

图6为本发明中解算算法机械臂结构附图。

图中：1、底座；2、连接件；3、腰部；4、轴套；5、连接光轴；6、第一电动缸；7、坦克链；8、第一外置式轴承座；9、第一卧式光轴支座；10、第一深沟球轴承；11、第二外置式轴承座；12、第二电动缸；13、鱼眼轴承；14、第二卧式光轴支座；15、小臂；16、第三外置式轴承座；17、推力轴承；18、第三卧式光轴支座；19、腕关节电机座；20、弹簧；21、大臂。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，本发明提供了一种弹簧配重重心后置式曲柄滑杆机械臂，包括底座1、安装于底座1顶部的腰部3、安装于腰部3顶端的大臂21和安装于大臂21一端的小臂15，大臂21和腰部3之间通过两个弹簧20弹性连接。

优选的，底座1的顶部滑动连接有连接件2，底座1和腰部3之间通过连接件2滑动连接，腰部3的一侧安装有第一电动缸6，第一电动缸6和腰部3之间通过轴承转动连接，轴承的外侧套设有轴套4，轴套4上安装有卡环，弹簧20的两端分别固定连接于大臂21和连接件2，弹簧配重式设计，减小电机功率。

优选的，腰部3的顶端和大臂21之间通过第一深沟球轴承10转动连接，腰部3顶端的外侧安装有第一外置式轴承座8，腰部3顶端的内侧两个推力轴承17，大臂21的内侧安装有两个第一卧式光轴支座9，大臂21底端的外侧设置第二外置式轴承座11，大臂21底端的内侧设置有第四深沟球轴承，第四深沟球轴承安装有第二电动缸12，第二电动缸12的伸缩端与小臂15之间通过鱼眼轴承13转动连接，小臂15一端的内侧安装两个第二卧式光轴支座14，大臂21的顶端与小臂15之间通过第三深沟球轴承转动连接，大臂21顶端的外侧安装有两个第三外置式轴承座16，小臂15的内侧安装有两个第三卧式光轴支座18，小臂15的外侧安装有推力轴承17，第一电动缸6的伸缩端与大臂21的底端之间通过第二深沟球轴承转动连接，直线电动缸驱动，大臂21结构设计中上面负载重心后置，减小了机器人手臂运行过程中的转动惯量，关节处了推力轴承、深沟球轴承以及外置式轴承座有效防止了轴向与径向窜动，并减轻了摩擦损耗。

优选的，腰部3为闭合方管管材，腰部3的两侧设置有侧板，两个侧板之间通过连接光轴5固定连接，两个侧板起到支撑作用，中间矩形管材起到抵抗扭转变形作用。

优选的，底座1的一侧设置有坦克链7，坦克链7的一端与第一电动缸6固定连接，第一电动缸6坦克链7的内部穿有电线，第一电动缸6通过电线与外部电源电性连接，坦克链7起到穿线耐磨、高韧性、可高速运行等作用。

优选的，小臂15另一端安装有腕关节电机座19，腕关节电机座19与大臂21之间通过螺栓固定连接，本发明末端抓手与节臂的分离设计，可根据不同精细度、环境等工况的不同需求安装不同工用的末端抓手，使得成本大大降低。

电动缸电机角度和机器人关节角度之间的关系解算的算法如下：

机器人手臂图1及对应解算算法附图6中，本发明的目的在于解算出电动缸驱动的机械臂中电机的转动角度和关节角度之间的对应关系。当已知机器人的正、逆运动学需要达到的机械臂关节角度时，可以通过算法解算出对应的电机转动角度；当已知机器人的需要的关节角速度的时候，可以通过算法解算出对应的电机的转速。

电动缸驱动机器人关节的机构原理为曲柄滑杆机构，电动缸推杆既有绕着固定点的旋转，又有沿着推杆方向的直线移动，所以电动缸推杆的运动是既有定轴转动，又有平动的平面复合运动；机器人关节的运动是绕着固定轴转动的定轴转动运动。电动缸电机的转动会使推杆产生直线运动，从而使电动缸的整体长度变化，也会产生绕定轴的转动，而引起角度的变化。整体的机构运动集成在一个三角形中，三角形的三条边分别为：电动缸、关节杆和固定连接杆，通过调节电动缸的长度，引起三角形内部的角度变化，关节杆和固定连接杆之间的角度变化，从而使机械臂关节发生定轴转动的运动。

在变化的三角形内，通过余弦定理我们可以求得其中的联系，即电动缸的长度和机械臂的关节角度之间的联系，通过关节角度的可以求得三角形中关节杆和固定连接杆之间的角度，而且关节杆和固定连接杆的长度已知，通过余弦定理可以求得电动缸的长度，最后通过电动缸的初始长度和导程，可以求得电动缸电机转动的圈数。

电动缸推杆的速度和关节角速度之间的关系可以由微分求得，在变化的三角形内部可以得知电动缸推杆和关节角度之间的关系，然后进行微分，可以得知速度之间的关系，结果表明关节角速度和推杆速度之间的关系由一个以电动缸长度为变量的系数决定。

具体实施方式：

以下结合附图，详细说明具体的算法实现过程。如图1机械臂结构简图，电动缸为驱动装置，关节臂为执行装置，通过电动缸的伸缩来驱动关节臂的旋转，根据电动缸的伸缩量可以驱动关节臂到达不同的角度。以下内容中，第一电动缸6简称为电动缸1，第二电动缸12简称为电动缸2。

具体解算过程：

电动缸1和关节角θ1之间的关系是通过中间角度β1建立起来的。首先，想要建立起电动缸和关节角度的关系，要先建立起β1和θ1之间的关系，为连杆与外壳间夹角图中φ：如上图在关节1处可以得知：

α1-theta1-φ+β1+ψ1＝180°

所以：

theta1＝180°-α1+φ-β1-ψ1

β1＝180°-α1+φ-theta1-ψ1

在解算三角形1中，根据余弦定理可知：

cos(β1)＝(b1^2+c1^2–m1^2)/2*b1*c1

得出：

m1＝[b1^2+c1^2-2*b1*c1*cos(β1)]^1/2

将β1代入得：

m1＝[b1^2+c1^2-2*b1*c1*cos(180°-α1+φ-theta1-ψ1)]^1/2

由于电动缸1的初始长度已知，则可以求得电机1的运动长度，由电机1的运动长度和导程可以求得电机的转动角度，由此建立起电机1的转动角度和机器人关节1角度之间的关系。

电动缸2和关节角θ2之间的关系是通过中间角度β2建立起来的。首先，想要建立起电动缸和关节角度的关系，要先建立起β2和θ2之间的关系：如上图在关节2处可以得知：

α2-theta2+β2+ψ2＝180°

所以：

theta2＝180°-α2-φ-β2-ψ2

β2＝180°-α2-φ-theta2-ψ2

在解算三角形2中，根据余弦定理可知：

cos(β2)＝(b2^2+c2^2–m2^2)/2*b2*c2

得出：

m2＝[b2^2+c2^2-2*b2*c2*cos(β2)]^1/2

将β2代入得：

m2＝[b2^2+c2^2-2*b2*c2*cos(180°-α2-φ-theta2-ψ2)]^1/2

由于电动缸2的初始长度已知，则可以求得电机2的运动长度，由电机2的运动长度和导程可以求得电机2的转动角度，由此建立起电机2的转动角度和机器人关节2角度之间的关系。

以实际关节角的补角的速度和电动缸杆总长的关系，从而推导出电动缸推杆速度与实际关节角速度之间的关系：

1.根据余弦定理：

2.求出速度关系：

3.化简得：

由上式可以看出可以看出关节角度和电动推杆的速度关系主要由系数决定：

4.当x为不同值时，由关节角速度和电动杠推杆的速度之间的系数图可知，当关节角为90°时，系数为最小值，当关节角从90°增加或减小时，系数都程上升趋势，并在极限位置取得两个极限值。

具体使用时，本发明一种弹簧配重重心后置式曲柄滑杆机械臂，第一电动缸6的伸缩端在伸长时，大臂21的一端向下运动，第一电动缸6的伸缩端缩短时，大臂21的一端向上运动，第二电动缸12的伸缩端在伸长时，小臂15向内收紧，第二电动缸12的伸缩端在缩短时，小臂15向外打开，在关节处了推力轴承、深沟球轴承以及外置式轴承座有效防止了轴向与径向窜动，并减轻了摩擦损耗，而且弹簧配重式设计有效减轻了电机功率消耗，因此该机器人手臂整体耗能更低，同时该弹性连接件能有效地把驱动力缓冲，让关节间受力均衡，实现高效精细抓取作业，本发明既简化了工作流程、提高工作效率，又可以在较大的工作空间内，进行较大负载的操作，同时保证运动精度，针对电动缸驱动的机械臂关节旋转时，电动缸的电机转动角度和机器人关节的转动角度之间非线性的的关系，设计了用以解决二者之间对应关系的解算算法。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于中附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。