模块化多关节线控机器人的制作方法

本发明属于机器人技术领域，更具体地说，是涉及一种模块化多关节线控机器人。

背景技术：

模块机器人是由标准的相互独立的制造模块组成，每个模块有驱动部分、动力源等。不同的模块组合在一起，由控制系统控制，构成具有特殊功能的机器人。

模块机器人的典型代表有蛇形软体机器人及并联机器人。蛇形软体机器人可以通过交叉关节的旋转运动模仿自然界中蛇类的蜿蜒运动、直线运动、侧向运动、伸缩运动，但是其控制方式比较复杂且关节结构也相对复杂，造价高。并联机器人因为其功能比较强大，有结构紧凑，刚度高，承载能力大，无累计误差，精度高等优势，在需要高刚度、高精度或者大载荷而无需很大的工作空间的领域内得到了广泛应用，然而并联机器人在狭小细长的环境中不能很好的发挥作用，在这种环境中就需要串联机器人去弥补并联机器人的缺陷。

串联机器人具备以下特点：1、工作空间广泛；2、运动分析比较容易；3、可避免驱动轴之间的耦合效应；4、机构中各关节运动轴必须独立控制，并且需搭配编码器与传感器用来提高机构运动时的精准度。串联机器人中有很大一部分是多关节机器人，其各个关节的运动相互独立，可以避免各轴之间的耦合效应，模块化的关节可以降低设计工作的工作量，所以模块化多关节串联机器人在机器人领域有重要的地位。

现有技术中的串联机器人在运动精度控制上难以达到较高的精度，由于串联机器人的机构中各关节运动轴是独立的，每个关节在运动时易产生动态误差，误差累计会降低机器人整体运动精度；多关节机器人多用直流伺服电机和减速传动装置作为各运动关节和执行机构的动力源，导致各关节之间的结构不紧凑；另外，市场上存在的机器人无法根据不同的工作要求增加或减少自身关节数量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种以线控为驱动方式的模块化多关节线控机器人，旨在解决现有技术中存在的串联机器人运动精度低、各关节连接不紧凑的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种模块化多关节线控机器人，包括：

工作台；

关节，设有依次串接的多个，其中底层关节设置在所述工作台上；每一所述关节包括壳体、设置于所述壳体内的连接机构；相邻两个关节的连接机构经转轴连接，所述转轴与其中一个连接机构固定连接；所述转轴上固定有牵引轮；所述牵引轮与所述壳体内壁之间设有复位扭簧；

夹爪，与顶层所述关节连接；

动力机构，与所述工作台连接，包括箱体、设置于所述箱体内的多个电动拉杆，以及与所述电动拉杆一一对应连接的牵引线；每一所述牵引轮均连接一条牵引线，所述夹爪连接一条牵引线。

进一步地，所述壳体上设有第一开口，以及与所述第一开口相对的第二开口；所述连接机构包括设置于所述第一开口内且中心线与所述第一开口的中心线平行的第一支撑座，以及与所述第一支撑座固定连接且中心线与所述第二开口的中心线平行的第二支撑座；所述第二支撑座的中心线与所述第一支撑座的中心线的夹角为135°；

所述转轴的一端位于前一所述关节的第二支撑座内，所述转轴的另一端固定于后一所述关节的第一支撑座内；前一所述关节的第二支撑座的中心线、后一所述关节的第一支撑座的中心线、以及连接两个所述关节的转轴的中心线共线；前一所述壳体的第二开口与后一所述壳体的第一开口对应。

进一步地，所述转轴的与所述第一支撑座连接的侧部设有多个通孔，每一所述通孔内均设有与所述第一支撑座相接的卡接块。

进一步地，所述第一开口处还设有截面为圆环形的固定块；所述固定块的内壁、外壁分别与所述转轴的外壁、所述第一支撑座的内壁相接；所述卡接块卡装于所述固定块、所述第一支撑座之间。

进一步地，所述固定块与所述第一支撑座经紧固螺钉固定，且所述紧固螺钉穿过所述壳体。

进一步地，所述转轴分别经第一轴承、第二轴承与所述第二开口、所述第二支撑座连接；所述转轴设有轴肩，所述牵引轮固定在所述轴肩与所述第二轴承之间。

进一步地所述第二支撑座上设有固定板，所述牵引线一端固连于所述固定板上，另一端绕过所述牵引轮并从所述转轴穿出。

进一步地，所述工作台上设有束线箱；所述牵引线设于束线管内，且所述牵引线的两端分别伸出所述束线管；所述束线管的一端固定连接于所述固定板上，所述束线管的另一端固定连接于所述箱体内。

进一步地，所述箱体内设有的安装板；所述安装板上间隔设有多个定位块及与所述定位块一一对应的固定架；所述电动拉杆由所述固定架固定，所述电动拉杆的伸缩杆穿过所述定位块。

进一步地，所述工作台包括：

第一移动平台；

第一丝杠机构，与所述第一移动平台连接用于带动所述第一移动平台移动；

第一驱动机构，与所述第一丝杠机构连接；

第一固定座，固定在所述箱体的顶面上，与所述第一移动平台相接且用于支撑所述第一丝杠机构及第一驱动机构；

第二固定座，固定连接于所述第一移动平台的顶面；

第二移动平台，与所述第二固定座相接；所述第二移动平台的移动方向与所述第一移动平台的移动方向垂直；

第二丝杠机构，与所述第二移动平台连接且位于所述第二固定座内部，用于带动所述第二移动平台移动；

第二驱动机构，与所述第二丝杠机构连接且位于所述第二固定座的侧部；

底座，固定连接于所述第二移动平台的顶面，用于固定底层关节；所述束线箱固定在所述底座上。

本发明提供的模块化多关节线控机器人的有益效果在于：与现有技术相比，本发明模块化多关节线控机器人，可根据工作要求增加或减少关节数量，关节数量可调，多个关节依次串联，相邻两个关节通过转轴连接，转轴可带动其中一个关节转动，并且可紧密对接另一个关节，使得各个关节之间结构紧凑；

各关节驱动方式为线控，转轴由牵引轮及动力机构带动转动，每个牵引轮均由一条牵引线及一个电动拉杆带动转动，电动拉杆可精确控制牵引线回拉长度，通过牵引线回拉精准控制牵引轮及转轴转动的角度，从而使由转轴带动的关节精准转动；由于各个关节分别由独立的牵引线控制旋转，各个关节独立运动，保证了该模块化多关节线控机器人具有良好的运动精度；

另外，由于各个关节采用线控方式驱动运动，使得关节的尺寸小，整个结构更加紧凑，可实现在狭小工作区间中的应用；

此外，模块化的关节设计也便于生产加工、装配、调试、拆卸以及后期维护。

附图说明

图1为本发明实施例提供的模块化多关节线控机器人的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图2的局部放大图；

图4为本发明实施例提供的模块化多关节线控机器人的相邻两关节的连接示意图；

图5为本发明实施例提供的模块化多关节线控机器人的壳体的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的模块化多关节线控机器人的动力机构的结构示意图；

图7为图6的俯视图；

图8为本发明实施例提供的模块化多关节线控机器人的第一移动平台、第一丝杠机构及第一驱动机构的连接示意图；

图9为图8的俯视图；

图10为本发明实施例提供的模块化多关节线控机器人的夹爪的结构示意图。

图中：10、关节；11、壳体；111、第一开口；112、第二开口；12、连接机构；121、第一支撑座；122、第二支撑座；13、转轴；131、轴肩；132、第一轴承；133、第二轴承；14、牵引轮；15、卡接块；16、固定块；17、紧固螺钉；18、固定板；19、复位扭簧；20、夹爪；21、夹爪外壳；22、转动销；23、夹臂；231、夹钳；232、第一连杆；233、第二连杆；24、弹簧；30、动力机构；31、箱体；32、电动拉杆；33、牵引线；34、安装板；35、定位块；36、固定架；40、束线箱；41、束线管；50、工作台；51、第一移动平台；52、第二移动平台；53、底座；54、第一固定座；55、第二固定座；56、第一丝杠机构；561、第一滚珠丝杠；562、第一丝杠螺母；563、第一螺母座；57、第二丝杠机构；58、第一驱动机构；581、第一电机；582、第一减速器；59、第二驱动机构。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1至图7，现对本发明提供的模块化多关节线控机器人进行说明。所述模块化多关节线控机器人，包括工作台50、多个依次串接的关节10、夹爪20及动力机构30。

底层关节10设置在工作台50上，顶层关节10与夹爪20连接。关节10的数量可根据工作要求调整，关节10包括壳体11及设置于壳体11内的连接机构12，如图4所示。相邻两个关节10的连接机构12经转轴13连接，且转轴13与其中一个连接机构12固定连接，转轴13为空心轴，转轴13上固定有牵引轮14。牵引轮14与壳体11内壁之间设有复位扭簧19。

动力机构30与工作台50连接，包括箱体31、设置于箱体31内的多个电动拉杆32，以及与电动拉杆32一一对应连接的牵引线33，每一个牵引轮14均连接一条牵引线33，牵引线33从空心的转轴13穿出，各牵引轮14的牵引线33独立设置。夹爪20连接一条牵引线33。

另外，本发明的模块化多关节线控机器人还包括控制系统，控制系统可读取抓取物的位置。

电动拉杆32伸缩的精确控制采用美国deltatau公司生产的pmac运动控制卡实现，运动控制卡的每个运动通道输出给定的脉冲个数，电动拉杆32的伸缩杆即可移动特定的位移。将运动控制卡级联，最多可控制128个电动拉杆32联动，故可以实现对关节机器人多个关节10的协同控制。

本发明提供的模块化多关节线控机器人的工作过程如下：

控制机构首先读取抓取物的位置，pmac运动控制卡控制各个电动拉杆32的伸缩杆回缩，牵引线33处于绷直状态，电动拉杆32带动与其连接的牵引线33向电动拉杆32的方向移动，牵引线33移动而拽动与其连接的牵引轮14转动，牵引轮14带动与其连接的转轴13转动，转轴13带动与其固定连接的关节10旋转，从而使关节10运动，各个电动拉杆32相互独立运动，带动各个关节10独立运动，通过各个关节10运动时相对角度的累计进而带动夹爪20至抓取物的位置，夹爪20由电动拉杆32及牵引线33控制完成夹取动作。抓取物被夹取后，控制机构继续向各个电动拉杆32发送指令，进而使夹爪20带动抓取物移动至设定位置。

抓取完成后，电动拉杆32的伸缩杆由pmac运动控制卡控制伸出，电动拉杆32的伸缩杆的前端与牵引轮14之间的距离缩短，牵引线33不在处于绷直状态，牵引轮14不受牵引线33的牵引，但是牵引轮14受到复位扭簧19扭力的作用，会转回至初始状态，转动过程中还会带动牵引线33缠绕在其上，以使牵引线33绷直。

具体地，夹爪20包括夹爪外壳21、两个夹臂23，以及一端固定在夹爪外壳21内另一端与两个夹臂23连接的弹簧24，如图10所示。夹臂23包括夹钳231、与夹钳231固定连接的第一连杆232及与第一连杆232经转动销22转动连接的第二连杆233。两个夹臂23的第一连杆232的中心部位也经转动销22转动连接，两个夹臂23的第二连杆233的自由端也经转动销22转动连接。牵引线33与弹簧24顶端及连接两个第二连杆233的转动销22连接。

牵引线33可拽动转动销22转动，及拽动弹簧24向下移动，从而带动第二连杆233、第一连杆232绕各自的铰接点转动，以使两个夹钳231相互靠拢，完成夹取动作。

本发明提供的模块化多关节线控机器人，与现有技术相比，

本发明模块化多关节线控机器人，多个关节10依次串联，相邻两个关节10通过转轴13连接，转轴13可带动其中一个关节10转动，并且可紧密对接另一个关节10，使得各个关节10之间结构紧凑；转轴13由牵引轮14及动力机构30带动转动，每个牵引轮14均由一条牵引线33及一个电动拉杆32带动转动，电动拉杆32可精确控制牵引线33回拉长度，通过牵引线33回拉精准控制牵引轮14及转轴13转动的角度，从而使由转轴13带动的关节10精准转动；由于各个关节10分别由独立的牵引线33控制旋转，各个关节10独立运动，保证了该模块化多关节线控机器人具有良好的运动精度。。另外，由于各个关节10采用线控方式驱动运动，使得关节10的尺寸小，整个结构更加紧凑，可实现在狭小工作区间中的应用。此外模块化的关节10设计也便于生产加工、装配、调试、拆卸以及后期维护。

请参阅图4与图5，作为本发明提供的模块化多关节线控机器人的一种具体实施方式，壳体11为球状结构，设有第一开口111，以及与第一开口111相对的第二开口112，参阅图5。第一开口111的内径大于第二开口112的内径，第一开口111的中心线与第二开口112的中心线不平行。

连接机构12包括第一支撑座121及第二支撑座122，第一支撑座121设置于第一开口111内，其中心线与第一开口111的中心线平行。第二支撑座122与第一支撑座121固定连接，其中心线与第二开口112的中心线平行，且与第一支撑座121的中心线的夹角为135°。具体地，第一支撑座121为圆柱体结构，其中心位置设有阶梯型的通孔；第二支撑座122为截面为直角梯形的回转体结构，其中心位置也设有阶梯型通孔。第二支撑座122的倾斜部卡装于第一支撑座121内。

相邻的两个关节10由转轴13连接，转轴13的一端位于前一关节10的第二支撑座122内，且该端与第二支撑座122转动连接。转轴13的另一端固定于后一关节10的第一支撑座121内，且该端与第一支撑座121固定连接。牵引轮14通过花键固定在转轴13上，牵引轮14带动转轴13转动，转轴13会带动与其固定连接的关节10即后一关节10转动，但是不会带动与其活动连接的关节10即前一关节10转动。

为了保证相邻的两个关节10装配时具备良好的紧密性，前一壳体11的第二开口112与后一壳体11的第一开口111对应，两个开口之间留有间隙，避免两壳体11独立运行时发生摩擦。且前一关节10的第二支撑座122的中心线、后一关节10的第一支撑座121的中心线、以及连接两个关节10的转轴13的中心线共线，这样设置两个壳体11，一方面保证相邻的两个壳体11紧密装配，另一方面保证转轴13平稳转动。

为了使转轴13与第一支撑座121固定良好，作为本发明提供的模块化多关节线控机器人的一种具体实施方式，转轴13的与第一支撑座121连接的侧部设有多个通孔，每一通孔内均设有卡接块15，卡接块15的一端穿过通孔，另一端面与第一支撑座121的内壁相接，参阅图4。卡接块15一方面用于连接转轴13与第一支撑座121，另一方面还用于传递扭矩，使转轴13带动第一支撑座121进而带动壳体11转动。

具体地，为了使卡接块15与第一支撑座121连接稳固，第一支撑座121的内壁上还可设有凹槽，卡接块15的端部嵌装于凹槽内。

请参阅图4，作为本发明提供的模块化多关节线控机器人的一种具体实施方式，第一开口111处还设有截面为圆环形的固定块16，固定块16的内壁、外壁分别与转轴13的外壁、第一支撑座121的内壁相接，固定块16与第一支撑座121经多个紧固螺钉17固定，紧固螺钉17穿过壳体11。卡接块15卡装于固定块16、第一支撑座121之间。设置固定块16连接第一支撑座121与壳体11，即保证了第一支撑座121与壳体11装配牢固，又可使装配便捷。

由于转轴13与第二支撑座122为转动连接，为了使转轴13平稳转动，作为本发明提供的模块化多关节线控机器人的一种具体实施方式，转轴13分别经第一轴承132、第二轴承133与第二开口112、第二支撑座122连接，请参阅图4。第一轴承132嵌装于第二开口112处的轴承座内，第二轴承133嵌装于第二支撑座122的轴承座内。第一轴承132、第二轴承133均位于同一个壳体11内。

转轴13上设有轴肩131，牵引轮14固定在轴肩131述第二轴承133之间，牵引轮14通过花键与转轴13固定。牵引轮14的外周面上设有用于缠绕牵引线33的凹槽。

第二支撑座122上设有固定板18，牵引线33一端固连于固定板18，另一端绕过牵引轮14并从转轴13穿出，并固定在电动拉杆32上。牵引轮14与壳体11之间还设有复位扭簧19，复位扭簧19用于使牵引轮14恢复至初始位置。

由于动力机构30设置有多跟牵引线33，为了使牵引线33整齐均匀排列，作为本发明提供的模块化多关节线控机器人的一种具体实施方式，工作台50上设有束线箱40；牵引线33设于束线管41内，且牵引线33的两端分别伸出束线管41；束线管41采用柔性材料制成，其一端固定连接于固定板18上，另一端固定连接于箱体31内。

每根牵引线33穿过一个束线管41，牵引线33之间不存在交叉，使得各个牵引线33能够独立回缩或伸出。

为了使电动拉杆32稳定固定在箱体31内，作为本发明提供模块化多关节线控机器人的一种具体实施方式，箱体31内设有的安装板34；安装板34上间隔设有多个定位块35及与定位块35一一对应的固定架36。电动拉杆32由固定架36固定，电动拉杆32的伸缩杆穿过定位块35，参阅图6与图7。

具体地，箱体31内设有至少两层安装板34，安装板34相对于箱体31的底面平行，安装板34上等间隔设有多个固定孔，定位块35嵌入固定孔内。固定架36与安装板34固定连接，固定架36包括依次连接的水平固定部、竖直部、水平连接部及圆弧部，水平连接部位于定位块35的上方，竖直部及圆弧部分别位于定位块35的两侧，电动拉杆32由竖直部、水平连接部及圆弧部卡接。定位块35上设有通孔，电动拉杆32的伸缩杆穿过通孔。

该模块化多关节线控机器人除了能够完成抓取工作外，还需具备在大空间灵活移动的能力，为了实现上述功能，作为本发明提供的模块化多关节线控机器人的一种具体实施方式，工作台50包括以下部件(参阅图1、图2、图8及图9)：

第一移动平台51；

第一丝杠机构56，与第一移动平台51连接用于带动第一移动平台51移动；

第一驱动机构58，与第一丝杠机构56连接；

第一固定座54，与第一移动平台51相接且用于支撑第一丝杠机构56及第一驱动机构58；第一丝杠机构56位于第一固定座54的内部，第一驱动机构58位于第一固定座54的侧部；

第二固定座55，固定连接于第一移动平台51的顶面；

第二移动平台52，与第二固定座55相接；第二移动平台52的移动方向与第一移动平台51的移动方向垂直；

第二丝杠机构57，与第二移动平台52连接且位于第二固定座55内部，用于带动第二移动平台52移动；

第二驱动机构59，与第二丝杠机构57连接且位于第二固定座55的侧部；

底座53，固定连接于第二移动平台52的顶面，用于固定底层的关节10。

第一驱动机构58带动第一丝杠机构56运转，第一丝杠机构56可带动第一移动平台51移动，而第一移动平台51可带动第二固定座55及底座53移动；第一移动平台51运动的同时，第二驱动机构59还可带动第二丝杠机构57运转，第二丝杠机构57可带动第二移动平台52移动，进而带动底座53移动。

由于第一移动平台51运动方向与第二移动平台52的运动方向垂直，使得底座53可以移动至由第一固定座54与第二固定座55围成的四边形的任意点处，进而使得该模块化多关节线控机器人能够在运动平面上完成两个自由度的运动。

作为本发明提供的模块化多关节线控机器人的一种具体实施方式，第一丝杠机构56包括第一滚珠丝杠561、套设在第一滚珠丝杠561上的第一丝杠螺母562，以及卡装第一丝杠螺母562的第一螺母座563；第一移动平台51固定在第一螺母座563上。

第一驱动机构58包括第一电机581以及输入轴与第一电机581的输出轴相接的第一减速器582。第一减速器582的输出轴与第一滚珠丝杠561连接。

第二丝杠机构57包括第二滚珠丝杠、套设在第二滚珠丝杠上的第二丝杠螺母，以及卡装第二丝杠螺母的第二螺母座；第二移动平台52固定在第一螺母座563上。第二丝杠机构57与第一丝杠机构56的结构相同，只是第二丝杠机构57的安装方向与第一丝杠机构56的安装方向垂直。

第二驱动机构59包括第二电机以及输入轴与第二电机的输出轴相接的第二减速器，第二减速器的输出轴与第二滚珠丝杠连接。第二驱动机构59与第一驱动机构58的结构相同，只是第二驱动机构59的安装方向与第一驱动机构58的安装方向垂直。

本实施方式中，使用滚珠丝杠与丝杠螺母的传动方式实现移动平台的移动，传动方式平稳且可保证移动位置精准。

参阅图1，作为本发明提供的模块化多关节线控机器人的一种具体实施方式，第一固定座54固定在箱体31的顶面上，束线箱40固定在底座53上。也就是说，箱体31为该模块化多关节线控机器人的支撑，箱体31内的牵引线33经过工作台50穿入束线箱40内。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。