一种可重构的轻型模块化机械臂的制作方法

本发明涉及一种模块化机械臂，具体来说，是一种可重构轻型模块化机械臂。

背景技术：

机器人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，具备一些与人手臂相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，实质上是一种具有高度灵活性的自动化机器人。市场上，现有的机械臂多是以定制为主，每制造出一种机械臂都需要经过专门的设计，机械臂种类多批量少，通用性差，成本高，同时，对于普通的机械臂而言，其应用领域受到了其自身的机械结构的极大限制。机器人的柔性越来越不能满足市场变化的要求。而模块化机械臂的应用可以扭转这样的情况，提高机器人研制的效率，从而大大推动机器人技术的发展。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种质量轻、体积小，外型美观，具有极强的灵活性和适应性的可重构轻型模块化机械臂。

为了实现上述发明目的，采用的技术方案如下：

一种可重构的轻型模块化机械臂，包括工控pc机、底座、若干机械臂连杆与若干输出转矩的机械臂关节，所述底座为固定底座，用于整个轻型模块化机械臂的固定与安装；所述机械臂连杆之间通过可拆装式机械臂关节相互连接，各个机械臂关节的两端及机械臂连杆两端均设置有实现任意连接的统一化机械接口；所述工控pc机通过控制机械臂关节的转动带动机械臂连杆的运动。

进一步地，所述的机械臂关节采用直线叠加中空式结构，包括用于分别连接前后机械臂连杆的圆柱状关节输出端和关节输入端，所述关节输出端内设置有控制器、相连接的直流无刷力矩电机和谐波减速器，所述关节输出端由谐波减速器柔轮引出，以关节输出轴作为连接件，通过力矩传感器后输出；所述的机械臂关节内还分别设置用于检测直流无刷力矩电机及谐波减速器转角的编码器。

进一步地，所述关节输出端和关节输入端的外周壁上沿周向均匀设置有若干螺钉孔。

进一步地，所述的机械臂连杆采用中空结构，其两端设置分别设置有可连接机械臂关节或底座的圆孔形接口。

进一步地，所述圆孔形接口的外周壁沿周向均匀设置有若干螺钉孔。

进一步地，所述的机械臂连杆的整体外形为中空的流线型结构。

进一步地，所述工控pc机通过usb-can模块连接各个机械臂关节的控制器，各个机械臂关节按can总线分布式的要求相连接，通过canopen通讯协议形成一个互通的整体。

进一步地，所述的机械臂连杆、机械臂关节均采用铝合金材料。

相比现有技术，本发明的优点在于：

1、本发明可重构轻型模块化机械臂的设计方法，将在机械臂设计中应用模块化思想，是机械臂能根据任务和环境的不同而选择自身模块的连接方式，从而达到与所需功能所适应的结构，因而具有良好的自组织、自适应能力。

2、本发明可重构轻型模块化机械臂的设计方法，在机械臂中应用流线型的机械臂连杆设计，保证了其外形美观。

3、本发明可重构轻型模块化机械臂的设计方法，采用中通式外壳，减轻机械臂整体的重量。

4、本发明可重构轻型模块化机械臂的设计方法，连杆与关节的接口设计在侧面，便于安装，拆卸方便。

5、本发明可重构轻型模块化机械臂的设计方法，当需要设计不同类型的机械臂时，只需要在使用模块化关节机械接口的基础上，设计模块化机械臂连杆的基本外形，大大缩短了一款机械臂的研制周期。

6、本发明可重构轻型模块化机械臂的设计方法，在机械臂设计中主要使用铝合金作为材料，结构紧凑，质量轻、体积小。

附图说明

图1为本发明实施例的模块化机械臂整体结构示意图。

图2为本发明实施例的机械臂关节剖面示意图。

图3为本发明实施例的机械臂关节外观示意图。

图4为本发明实施例中连接于底座和第一机械臂关节之间的机械臂连杆结构示意图。

图5为本发明实施例中连接于第一机械臂关节和第二机械臂关节之间的机械臂连杆结构示意图。

图中所示：1-第一机械臂关节；2-第二机械臂关节；3-第三机械臂关节；4-第四机械臂关节；5-第五机械臂关节；6-第六机械臂关节；7-机械臂连杆；8-底座；9-第一编码器；10-谐波减速器；11-第二编码器；12-直流无刷力矩电机；13-力矩传感器；14-关节输出端；15-关节输入端；16-螺钉孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

如图1所述，一种可重构的轻型模块化机械臂，包括工控pc机、底座8、输出转矩的第一机械臂关节1、第二机械臂关节2、第三机械臂关节3、第四机械臂关节4、第五机械臂关节5、第六机械臂关节6、若干连接于各机械臂关节之间的机械臂连杆7，所述底座8为固定底座，用于整个轻型模块化机械臂的固定与安装；所述机械臂连杆7之间通过可拆装式机械臂关节相互连接，各个机械臂关节的两端及机械臂连杆两端均设置有实现任意连接的统一化机械接口；所述工控pc机通过控制各机械臂关节的转动带动机械臂连杆的运动。各机械臂连杆与机械臂关节采用统一的机械接口，结构上各机械臂连杆与机械臂关节可以以不同的方式自由组合，由此获得不同的机械臂构型和自由度。

具体而言，如图2和图3所示，各机械臂关节采用直线叠加中空式结构，主要采用铝合金材料，包括用于分别连接前后机械臂连杆的圆柱状关节输出端14和关节输入端15，所述关节输出端14内设置有控制器、相连接的直流无刷力矩电机12和谐波减速器10，所述关节输出端14由谐波减速器10柔轮引出，以关节输出轴作为连接件，通过力矩传感器13后输出；各机械臂关节内还分别设置用于检测直流无刷力矩电机12及谐波减速器10转角的第一编码器9和第二编码器11，控制器通过电路分别连接直流无刷力矩电机12、力矩传感器13、第一编码器9和第二编码器11，另外，所述关节输出端14和关节输入端15的外周壁上沿周向均匀设置有若干螺钉孔16，达到节省空间、方便安装的目的。

所述关节输出端14为运动端，由谐波减速器10的柔轮驱动，通过力矩传感器13后输出，驱动下个机械臂连杆7的运动；输入端为固定端，连接上一个机械臂连杆7，所述直流无刷力矩电机12转动产生力矩，经过谐波减速器10后，产生较大的力矩控制关节输出端14运动，通过对直流无刷力矩电机12转动的控制即可实现对关节运动的控制。

如图4和图5所示，各个机械臂连杆的整体外形为中空的流线型结构，采用铝合金材料，外形美观，且通过有限元分析优化结构，外壳薄、结构紧凑、质量轻，符合流体力学特点。其两端设置分别设置有可连接机械臂关节或底座的圆孔形接口，同时，所述圆孔形接口的外周壁沿周向均匀设置有若干螺钉孔16，在连接机械臂连杆与机械臂关节时，通过在圆周上均布的螺钉孔16内旋入螺钉连接两者，达到节省空间、方便安装的目的。

本实施例在整个机械臂中采用中通孔走线的走线方式，包括在机械臂关节结构和机械臂连杆结构中都采用中空走线的设计思想，降低机械臂重量的同时，还能优化机械臂的结构，防止线路外露可能带来的不便和风险。

所述工控pc机通过usb-can模块连接各个机械臂关节的控制器，各个机械臂关节按can总线分布式的要求相连接，通过canopen通讯协议形成一个互通的整体，进而由上位机软件综合管理调度。

本实施例在机械臂中引入模块化思想，每个模块化的机械臂关节都是集机械结构、驱动、控制和通信等于一体的相对完整且独立的单元实体，而每个机械臂连杆都具有相同的机械接口，结构上每个模块化机械臂关节都可以与任意机械臂连杆相接，由此可以按照不同的组合方式与安装顺序连接模块化机械臂关节与连杆，以获得不同构型甚至不同自由度的机械臂，突破机械臂结构对其功能的限制，满足不同市场变化的要求，提高机械臂的通用性，降低成本，从而大大推动机器人技术的发展。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。