一种大行程且可快速替换的四自由度刚柔耦合机械臂的制作方法

本发明属于智能制造研究中的柔性机构运动规划与振动主动抑制领域，涉及一种大行程且可快速替换的四自由度刚柔耦合机械臂。

背景技术：

柔性机械臂相较于刚性机械臂展现出了巨大的优势。重量轻、体积小、响应快等优势使柔性机械臂在工业生产的应用中获得很好的应用，但柔性机械臂存在的变形和微振动特性，使其在高精度作业中展现了一些问题，需要严苛的环境条件和有效的控制手段。有效的控制方法是柔性机械臂实现高精度操作的必要条件。柔性机械臂具有高的负载重量比，能以很快的速度进行作业，运行能量效率高，作动器的规格要求低，基于其柔性特质使其与环境的交互更加安全可靠。但轻型的设计带来的问题也限制着柔性机械臂的应用，柔性机械臂对环境的干扰过滤效果较差，会导致更加灵敏的、振幅更大的振动响应。这些振动响应造成操作过程中位置的偏移和很长的响应迟滞时间。新一代机器手以其高的负载重量比带来了生产效率的提高，但同时，柔性化、轻型化也决定了机械臂的操作精度，柔性臂在某一确切的操作中总是存在无法预料的偏差。机械结构的柔性化降低了机械手的操作精度，增加了操作的不确定性。因此，对相对简单的刚体臂控制问题的研究按实际情况应需转到对难以定性的柔性臂控制问题的研究。

现有的四自由度刚柔耦合柔性机械臂由平动和旋转构成，柔性臂的加入增加了系统的响应速度和安全性，能较好满足空间的位置操作要求。四个自由度分别为：（1）直线滑台带来的平动自由度；（2）ckd电机带来的在水平面转动的自由度；（3）刚臂伺服电机带来的垂直于水平面的旋转自由度；（4）柔臂伺服电机带来的垂直于水平面的旋转自由度。四个自由度可使机械臂执行端以不同的姿态运动到范围内的任何位置。机械臂的作动器为直线滑台、ckd电机和伺服电机，控制它们实现机械臂的运动。反馈方式为编码反馈，各作动器具有自锁能力。

刚柔耦合机械臂执行任务的响应速度和精度还基于机械结构的设计，现有的刚柔耦合机械臂的设计思路，除选用更轻、驱动力更大的电机以外，主要通过设计刚性臂和关节传动结构来降低系统惯量，增加响应速度。刚性臂方面可以选择完整的一根臂，但在大跨度大行程的前提下，这样的臂保证刚度会需要比较大的截面积，重量不易于得到降低。

从四自由度刚柔耦合机械臂要实现的目的和意义来看，能准确快速定位目标点的同时将由干扰引发的柔性臂振动很好地消除，即是达到了目的。导致柔性臂振动的内部或外部的因素很多，这些扰动因素最终会叠加到柔性臂端部，使其难以实现操作目的。因此，关心的主要是其端部的定位效果和振动抑制效果。振动主动控制中，动力吸振器可以吸收柔性机械臂端部的振动，主动动力吸振器其内部质量弹簧阻尼系统参数可调，或可直接提供主动力用于振动抑制，四自由度刚柔耦合机械臂，一个主动动力吸振器将会置于柔性臂端部来有效地减少因空间跨度大、柔度大带来的端部扰动振动问题，主动动力吸振器由于其具有主动的力或手段，效用时间更短，可以更快地吸收和抑制振动。因此，更快速的机械臂执行速度才能体现主动动力吸振器的意义。

现有的多自由度柔性机械臂视其工作场合、使用目的的不同，其空间跨度、柔性材料的性质尺寸等都不尽相同，现有的四自由度机器人的各个部件难以实现替换。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种大行程且可快速替换的四自由度刚柔耦合机械臂，以解决现有技术中存在的问题。

本发明采取的技术方案为：一种大行程且可快速替换的四自由度刚柔耦合机械臂，包括线性滑台、电动旋转台、刚性臂和柔性臂，电动旋转台下端固定连接在线性滑台上的滑板上，上部通过刚性臂关节电机传动机构旋转连接到刚性臂一端，刚性臂另一端通过柔性臂关节电机传动机构旋转连接到柔性臂；刚性臂包括两块侧板，两块侧板之间通过支撑柱固定连接，构成框架结构。

优选的，上述支撑柱为螺纹杆结构，两端插入两块侧板后分别采用两个螺母夹击一个侧板锁紧。

优选的，上述刚性臂关节电机传动机构包括电机上底板、两块竖直壁板、两个轴承座、电机安装架、伺服电机一、电机间接安装板一、主轴一和法兰联轴器一，电机上底板固定连接在电动旋转台的输出端，两块竖直壁板对称垂直固定连接在电机上底板且保持间距，两个轴承座分别对称固定连接在两块竖直壁板上，主轴一与两个轴承座旋转连接，主轴一一端伸出后通过联轴器一连接到伺服电机一的电机轴，伺服电机一通过电机安装架固定连接在电机间接安装板一上，电机间接安装板一固定连接在两块竖直壁板中一块竖直壁板上，主轴一通过法兰联轴器一与刚性臂固定连接且刚性臂位于两块竖直壁板中间。

优选的，上述柔性臂关节电机传动机构包括法兰轴承、调节螺杆、伺服电机二、电机间接安装板二、主轴二、法兰联轴器二，法兰轴承固定连接在两块侧板中一块侧板上，主轴二一端与法兰轴承旋转连接，另一端伸出刚性臂后通过联轴器二连接到伺服电机二的电机轴，伺服电机二固定连接在电机间接安装板二上，电机间接安装板二通过四根调节螺杆固定连接在两块侧板中另一块侧板外部并采用双螺母锁紧，主轴二通过法兰联轴器二固定连接柔性臂安装板上，柔性臂安装板通过角码固定件固定连接柔性臂。

优选的，上述两块竖直壁板均是通过角码固定件固定连接在电机上底板上。

优选的，上述主轴一上套接有轴套，轴套位于刚性臂与电机相对的另一侧的一个轴承座之间。

优选的，上述电动旋转台采用ckd电机。

优选的，上述柔性臂采用塑料管棒。

刚性臂关节电机传动机构的伺服电机一与柔性臂关节电机传动机构的伺服电机二位于刚性臂两侧。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：

（1）本发明中采用拼接构成刚性臂，更易于降低刚性臂重量，惯量减小，更便于平衡刚性臂重量以及整个四自由度机械臂的控制，沿受力方向不容易变形，同时也会使关节结构更易于设计、制造和安装，在智能制造研究中的柔性机构运动规划与振动主动抑制中，关节结构可替换性更高，而且拼接式的机械臂使得关节结构设计简化，增加了传动效率和降低重量；

（2）机械臂惯量小和直接传动，机械臂具有快速准确的定位性能，可以较好地体现主动动力吸振器的应用意义。动力吸振器在接受到移动的命令后，机械臂端部开始移动，在向终点定位的快速过程中，主动动力吸振器不断发挥着吸振抑振的作用，直到准确定位至设定位置时，端部的振动已被很好地消除，这个过程要求较短时间完成，因此给主动动力吸振提出了要求。另外，当机械臂的定位执行速度更快后，振动的能量幅值必然也会增加，这将提高振动控制的难度，但这亦能更好地反映多自由空间柔性机械臂的实际运作要求，体现主动动力吸振器的实际应用意义；

（3）本发明采用的柔性臂易于替换，可以采用一定范围内材料性质、形状尺寸各不同的柔性材料作为柔性臂，研究动力吸振器在不同条件的多自由度柔性机械臂下的吸振抑振效果，增加主动动力吸振器的适用性；

（4）采用的刚性臂结构简单，重量轻，刚度和强度高，惯量小，便于旋转台承载和机械臂的运动控制和平衡控制；

（5）采用螺纹杆结构的支撑柱并采用双螺母锁紧，能够实现侧板之间间距可调，适应性更好，调节方便快捷；

（6）刚性臂关节电机传动机构，结构相对对称，空间结构紧凑，便于利用电机架间接安装板和电机安装架让出空间，保证螺钉螺栓以及联轴器一等标准件的安装空间，支撑平衡性相对较好，传动精确稳定，连接稳定可靠，采用伺服电机直接驱动，惯性小，简单易替换，增加传动效率和降低重量，有效解决了加入减速器的间接传动方式存在的间隙会导致机械臂的定位重复性不高，关节结构复杂，且使整体平添传动机构的重量的问题；

（7）柔性臂关节电机传动机构，结构相对对称，空间结构紧凑，便于利用调节螺杆和法兰联轴器让出空间，保证联轴器和联轴器二等标准件的安装空间，支撑平衡性相对较好，传动精确稳定，连接稳定可靠，而且采用调节螺杆和双螺母的连接方式，能够实现伺服电机二的悬臂长度调节，从而实现与伺服电机一或整个刚性臂的平衡调节，柔性臂能够实现可拆卸安装，便于更换不同类型的柔性臂进行测试，找出最佳的平衡和减震效果最好的柔性臂；

（8）采用角码固定件连接，连接稳定可靠，配合竖直侧板的定位销，定位精度高，连接方便快捷，采用轴套，便于实现不同长度轴套的安装，从而配合不同厚度的刚性臂安装；

（9）ckd电机（ax2012t型号）能提供最大12n•m的转矩，可360°连续回转，具有瞬间定位功能，每转定位脉冲个数达数十万，内嵌高精度绝对脉冲编码器用于位置反馈；

（10）柔性臂采用塑料管棒，能够实现各个方向的柔性；

（11）伺服电机一和伺服电机二安装方向相反，可一定程度上平衡刚性臂的侧向力矩。

附图说明

图1为四自由度刚柔耦合机械臂装配体的等轴视图；

图2为四自由度刚柔耦合机械臂装配体的前视图；

图3为四自由度刚柔耦合机械臂装配体的左视图；

图4为四自由度刚柔耦合机械臂装配体的右视图；

图5为四自由度刚柔耦合机械臂全局爆炸视图；

图6为四自由度刚柔耦合机械臂刚性臂关节处爆炸视图；

图7为四自由度刚柔耦合机械臂柔性臂关节处爆炸视图；

图8为四自由度刚柔耦合机械臂刚性臂关节处主轴及其配合零件剖视图；

图9为四自由度刚柔耦合机械臂柔性臂关节处主轴及其配合零件剖视图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对发明进行进一步介绍。

实施例1：如图1-9所示，一种大行程且可快速替换的四自由度刚柔耦合机械臂，包括线性滑台1、电动旋转台2、刚性臂3和柔性臂4。电动旋转台2采用ckd电机；柔性臂4采用塑料管棒，该四自由度刚柔耦合机械臂具有直线位移的线性滑块模组、ckd电机平台、提供旋转副的大扭矩ckd伺服电机模块、刚性臂传动关节伺服电机模块、板材拼接刚性臂、柔性臂传动关节伺服电机模块、沿各方向均有柔性的管状柔性臂。

线性滑块台的滑板25平面上有8个螺纹安装孔和两个定位销孔，与厚度为8mm的电机安装底板24上的两个定位销孔对应，电机安装底板的受力情况校核类比简支梁，承载机械臂的主要重量，电机安装底板采用的8mm厚度的铝合金板，提供足够的强度与刚度，ckd电机上平面和下平面均分布有固定用螺纹孔和定位销孔，下底面的定位销孔与电机安装底板的定位销孔与销均为过盈配合。ckd电机上平面安装承载机械臂的底板即电机上底板5，厚度为8mm，承载整个机械臂机械结构。电机上底板5除分布电机安装孔外，主要还有定位销孔a和定位销孔b。定位销孔a与ckd电机上平面定位销孔过盈配合。

电动旋转台2下端固定连接在线性滑台1上的滑板上，上部通过刚性臂关节电机传动机构旋转连接到刚性臂3一端，刚性臂3另一端通过柔性臂关节电机传动机构旋转连接到柔性臂4。

优选的，上述刚性臂3包括两块侧板301，两块侧板301之间通过支撑柱302固定连接，构成框架结构，支撑柱302为螺纹杆结构，两端插入两块侧板301后分别采用两个螺母303夹击一个侧板锁紧。刚性臂3主体为两块侧板和螺纹杆拼接构成刚性机械臂。关节处是非对称的，两块刚臂侧板301在关节处的安装孔不一致。其中一个侧板作为基准，一般是相对不动的；而另一块则设计可沿着轴向进行小范围的调整。两刚性侧板之间的距离可调便于关节处零件的拆卸、替换、安装，同时可针对其它构件重量和尺寸的不同，更改刚臂板间的距离来适应，获得较好的刚度和紧凑性。

本发明中机械臂惯量小和直接传动，机械臂具有快速准确的定位性能，可以较好地体现主动动力吸振器的应用意义。动力吸振器在接受到移动的命令后，机械臂端部开始移动，在向终点定位的快速过程中，主动动力吸振器不断发挥着吸振抑振的作用，直到准确定位至设定位置时，端部的振动已被很好地消除，这个过程要求较短时间完成，因此给主动动力吸振提出了要求。另外，当机械臂的定位执行速度更快后，振动的能量幅值必然也会增加，这将提高振动控制的难度，但这亦能更好地反映多自由空间柔性机械臂的实际运作要求，体现主动动力吸振器的实际应用意义。

优选的，上述刚性臂关节电机传动机构包括电机上底板5、两块竖直壁板6、两个轴承座7、电机安装架8、400w（200w）伺服电机一9、电机间接安装板一10、主轴一11、法兰联轴器一12、轴套15和角码固定件14，电机上底板5固定连接在电动旋转台2的输出端，两块竖直壁板6对称垂直固定连接在电机上底板5且保持间距，两个轴承座7分别对称固定连接在两块竖直壁板6上，主轴一11与两个轴承座7旋转连接，主轴一11一端伸出后通过联轴器一13连接到伺服电机一9的电机轴，伺服电机一9通过电机安装架8固定连接在电机间接安装板一10上，电机间接安装板一10固定连接在两块竖直壁板6中一块竖直壁板上，主轴一11通过法兰联轴器一12与刚性臂3固定连接且刚性臂3位于两块竖直壁板6中间，两块竖直壁板6均是通过角码固定件14固定连接在电机上底板5上，主轴一11上套接有轴套15，轴套15位于刚性臂3与电机相对的另一侧的一个轴承座之间。

电机上底板5的定位销孔b有4个，直径φ6，两两以中心线对称分布，用于保证竖直壁板6的定位精度。竖直壁板6两块完全相同，对称分布于电机上底板5之上，与电机上底板5垂直装配且有一定的垂直精度要求。竖直壁板5上分布加工有轴承座安装孔、伺服电机架安装孔以及角码固定件固定孔。角码固定件14固定连接竖直壁板6与电机上底板5，与定位销孔一起保证它们之间的装配稳定和垂直精度。伺服电机架安装孔和轴承座安装孔均需求一定的加工精度，以此保证轴承和电机的安装精度。左侧的竖直壁板6安装400w（200w）伺服电机一9及电机安装架8，由于空间较为紧凑，利用电机架间接安装板10和电机安装架8让出空间，保证螺钉螺栓以及联轴器一13等标准件的安装空间。电机间接安装板10厚度8mm，其上加工有电机架螺纹安装孔和用于连接竖直壁板的螺栓通孔，均具有一定的加工精度要求。主轴一采用铝合金材料定制加工，轴直径范围14mm~18mm，支撑跨度50mm~100mm，轴上加工有a、c型标准平键键槽。主轴一支撑采用强度高、刚度好、低噪、耐用的不锈钢一体轴承座，轴承座安装孔与竖直壁板对应孔相配合。铝合金的法兰联轴器一12是主轴向刚性臂传递运动的关键零件，内径d18带键槽，与主轴一的a型平键过盈配合，在外径上分布两个紧定螺钉保证轴向固定。刚性臂由两块平行的铝合金板构成，采用螺杆螺母固结，刚臂壁板采用的切割条形孔，在保证刚强度的前提下尽可能地减少重量，以便降低惯量和电机负载。联轴器一13采用弹性膜片联轴器，用于连接伺服电机轴和主轴传动。

优选的，上述柔性臂关节电机传动机构包括法兰轴承16、调节螺杆17、伺服电机二18、电机间接安装板二19、主轴二20、法兰联轴器二21，法兰轴承16固定连接在两块侧板301中一块侧板上，主轴二20一端与法兰轴承16旋转连接，另一端伸出刚性臂3后通过联轴器二22连接到伺服电机二18的电机轴，伺服电机二18固定连接在电机间接安装板二19上，电机间接安装板二19通过调节螺杆17固定连接在两块侧板301中另一块侧板外部并采用双螺母锁紧，主轴二20通过法兰联轴器二21固定连接柔性臂安装板23上，柔性臂安装板23通过角码固定件固定连接柔性臂4。

柔性臂关节处采用单端轴承设计思路，100w伺服电机二18安装端不设轴承而另一端装配法兰轴承16分担主轴受力。伺服电机二18安装方向与刚性臂关节处400w伺服电机一9相反，可一定程度上平衡侧向力矩。柔性臂关节处轴承采用非标的法兰轴承，轴承内径d15，具有高精度、低噪音等特点。柔性臂关节处主轴二20直径范围12mm~17mm，支承跨度约为50mm。轴承端直径15mm与法兰轴承16过盈配合，轴上有a、c型标准平键键槽。柔性臂关节处传动关键零件法兰联轴器二21采用铝合金材质tf4020法兰联轴器，外径上装有紧钉螺钉，内径d12带键槽，与轴上平键过盈配合。

柔性臂安装板23与tf4020法兰联轴器相配合，端部有两个螺纹孔用于柔性塑管的安装，利用端部螺纹孔可有效设计替换不同规格尺寸的柔性臂。

本发明的主要特点有：

（1）线性滑块模组具有减速器、带轮传动机构，能为机械臂基座直线位移提供较大的力和足够的位移控制精度；

（2）ckd电机专用于载荷较大、高精度的旋转机械结构，较大的体积和内部特殊结构使其力矩特性上限高，而其以脉冲为单位控制量并内嵌绝对编码器为基础，角度控制精度较高；

（3）刚性臂实现基于板材拼接，刚性臂的两块形状制定的壁板为其提供沿重力方向足够的刚性；

（4）柔性臂位于顶端，可采用具有一定强度和柔度的塑料管棒（pvc、abs、金属塑料复合材料等）用作柔性臂主体，通过机械加工或者3d打印构造连接件而进行快速替换，实现不同柔性振动效果；

（5）电机传动结构围绕主轴的设计而设计，保证传动精度的同时稳定且易于实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。