一种用于实验教学的机械手臂的制作方法

本实用新型属于自动控制的技术领域，具体涉及一种用于实验教学的机械手臂。

背景技术：

随着工业自动化的迅猛发展，机器代替人工变得越来越普遍，工业机械臂已经开始运用于多种工业生产的场景之中。所以市场对了解和掌握机械臂运动控制的人才需求也是日益增加，但是工业机械臂造价高，体积大，不可能用于培养相关人才而为教学，实验之用，而现有教学用机械臂运动方向变化少，灵活性差，因此，需要一款灵活多变的用于教学和实验的机械臂，让学生更好的认识和学习机械臂的运行轨迹，各主要关节结构和机械臂控制。同时，无论是高校，科研类公司，机构进行机械臂相关的科研项目时，也需要一款轻量级的机械手臂从事相关的科研项目的开发，测试和模拟等工作。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种用于实验教学的机械手臂，解决了现有工业机械臂造价高，体积大，不可能用于培养相关人才而为教学，实验之用，而现有教学用机械臂运动方向变化少，灵活性差等问题。

本实用新型可通过以下技术方案实现：

一种用于实验教学的机械手臂，包括底座，设置在所述底座上的第一旋转机构，与所述第一旋转机构相连的主臂，所述主臂通过第二旋转机构与中臂相连，所述中臂通过第三旋转机构与机械爪相连，所述第一旋转机构用于带动底座在水平面上做旋转运动，带动主臂在垂直面上做上下运动，所述第二旋转机构用于带动中臂绕其轴向中心线旋转，所述第三旋转机构用于带动机械爪在垂直面上做上下运动以及绕其轴向中心线做旋转运动。

进一步，所述第一旋转机构包括第一U型座，所述第一U型座的底面通过水平旋转机构与底座相连，其侧壁通过上下移动机构与主臂的一端相连，所述水平旋转机构用于带动底座水平面内旋转，所述上下移动机构用于带动主臂在竖直面内上下移动。

进一步，所述水平旋转机构包括设置在第一U型座的底面上的第一舵机，所述第一舵机的输出轴与第一舵盘通过齿轮啮合，所述第一舵盘通过上限位片、下限位片与底座相连，所述上限位片和下限位片对称设置在轴承的内圈上，所述轴承的外圈通过环形限位片与第一U型座的底面相连；

所述上下移动机构包括两个第二舵机，分别设置在第一U型座的两个侧壁上，每个所述第二舵机的输出轴均与对应的第二舵盘通过齿轮啮合，每个所述第二舵盘均与对应的主臂的一端相连。

进一步，所述第二旋转机构包括第二U型座，所述第二U型座的底面上设置有第三舵机，所述第三舵机的输出轴与第三舵盘通过齿轮啮合，所述第三舵盘通过多个铜柱与辅舵盘相连，所述辅舵盘的中心与中臂一端的中心相连，所述第二U型座的两个侧壁与对应的主臂的另一端相连，两个侧壁与主臂的连接部位对应横穿设置有第一销轴和第二销轴。

进一步，所述第二U型座的一个侧壁还通过微调机构与对应的主臂相连，所述微调机构用于调整中臂在竖直面上的移动高度。

进一步，所述微调机构包括设置在所述对应的主臂上的第四舵机，所述第四舵机的输出轴与第四舵盘通过齿轮啮合，所述第四舵盘与第一连接件的一端相连，所述第一连接件的另一端通过第三销轴与第二连接件的一端相连，所述第二连接件的另一端通过第四销轴与所述一个侧壁相连。

进一步，所述第三旋转机构包括第三U型座，所述第三U型座的底面与中臂的另一端相连，两个侧壁与第四U型座的两个侧壁对应连接，其中一个侧壁上设置有第五舵机，所述第五舵机的输出轴与第五舵盘通过齿轮啮合，所述第五舵盘与第四U型座的一个侧壁相连，所述第四U型座的另一个侧壁通过第五销轴与第三U型座的另一个侧壁相连，所述第四U型座的底面上设置有第六舵机，所述第六舵机与机械爪相连，用于带动所述机械爪绕其轴向中心线做旋转运动。

本实用新型有益的技术效果如下：

利用第一舵机通过轴承传动结构带动第一U型座及其上设置的所有部件在水平面内做旋转运动，利用第二舵机通过齿轮传动结构带动主臂及其与之相连的所有的部件在竖直面内做上下运动，利用第三舵机通过齿轮传动结构带动中臂及其与之相连的所有的部件绕中臂的轴向中心线做旋转运动，利用第五舵机通过齿轮传动结构带动机械爪绕与中臂的轴向中心线垂直的直线做旋转运动，利用第六舵机带动机械爪绕其轴向中心线做旋转运动，利用第四舵机通过连接杆传动结构调整中臂在竖直面内的移动高度，从而实现对机械爪在X、Y、Z轴方向的运动控制及其自身的旋转控制，通过上述六个舵机的协同工作，使整个机械手臂的空间运行范围更广更精确，满足更多不同实验和教学场景的需求，应用范围更广，同时，本实用新型结构简单，成本低廉，操作方便，便于推广应用。

附图说明

图1为本实用新型的总体结构示意图；

图2为本实用新型的第一旋转机构的正面结构示意图；

图3为本实用新型的第一旋转机构的底面结构示意图；

图4为本实用新型的第二旋转机构的结构示意图；

图5为本实用新型的微调机构的结构示意图；

图6为本实用新型的第三旋转机构的结构示意图；

其中，1-底座，2-第一旋转机构，21-第一U型座，22-第一舵机，23-第一舵盘，24-上限位片，25-下限位片，26-轴承，27-环形限位片，28-第二舵机，29-第二舵盘，3-主臂，4-第二旋转机构，41-第二U型座，42-第三舵机，43-第三舵盘，44-铜柱，45-辅舵盘，5-中臂，6-第三旋转机构，61-第三U型座，62-第四U型座，63-第五舵机，64-第五舵盘，65-第六舵机，7-微调机构，71-第四舵机，72-第四舵盘，73-第一连接件，74-第二连接件。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本实用新型的具体实施方式。

参照附图1，本实用新型提供一种用于实验教学的机械手臂，包括底座1，设置在底座1上的第一旋转机构2，与第一旋转机构2相连的主臂3，该主臂3通过第二旋转机构4与中臂5相连，该中臂5通过第三旋转机构6与机械爪相连，该第一旋转机构2用于带动底座1在水平面上做旋转运动，带动主臂3在垂直面上做上下运动，该第二旋转机构4用于带动中臂5绕其轴向中心线旋转，该第三旋转机构6用于带动机械爪绕其轴向中心线做旋转运动，以及带动机械爪在垂直面上做上下运动。

如图2和3所示，该第一旋转机构2包括第一U型座21，该第一U型座21的底面通过水平旋转机构与底座1相连，其侧壁通过上下移动机构与主臂3的一端相连，该水平旋转机构用于带动底座1在水平面内旋转，该上下移动机构用于带动主臂3在竖直面内上下移动。

该水平旋转机构包括设置在第一U型座21的底面上的第一舵机22，该第一舵机22的输出轴与第一舵盘23通过齿轮啮合，该第一舵盘23通过上限位片24、下限位片25与底座1相连，该上限位片24和下限位片25对称设置在轴承26的内圈上，该轴承26的外圈通过环形限位片27与第一U型座21的底面相连；该上下移动机构包括两个第二舵机27，分别设置在第一U型座21的两个侧壁上，每个第二舵机27的输出轴均与对应的第二舵盘29通过齿轮啮合，而每个第二舵盘29也与对应的主臂3的一端相连。该第一舵盘23和第二舵盘29均采用现有的圆形舵盘，其自带齿轮，与舵机的连接采用现有的齿轮啮合，该上限位片24和下限位片25设计为圆盘结构，其直径略小于轴承26的内圈，这样可以将轴承26的内圈卡在两者之间，通过螺栓将该第一舵盘23、上限位片24、下限位片25与底座1固定连接在一起，环形限位片27设置轴承26的底面，与其外圈相接触，借助螺栓将其与与第一U型座21的底面固定连接，这样，当第一舵机22带动第一舵盘23旋转时，即可通过与之相连的上限位片24、轴承26、下限位片25，带动底座1旋转，由于采用轴承26连接底座1和第一U型座21，当底座1固定时，第一U型座21将会相对旋转，从而带动其上设置的所有部件在水平面内的旋转运动，即完成对机械爪在XOY平面内的旋转运动。同理，第一U型座21的两个侧壁均设置有第二舵机27和第二舵盘29，主臂3采用扁平片状结构，与第二舵盘29通过螺栓固定连接，当第二舵机27旋转时，带动主臂3绕第二舵机27的输出轴做圆周运动，从而带动与主臂3相连的所有部件在竖直面内上下移动，即完成对机械爪在XOZ平面内的运动。

如图4所示，该第二旋转机构4包括第二U型座41，该第二U型座41的底面上设置有第三舵机42，该第三舵机42的输出轴与第三舵盘43通过齿轮啮合，该第三舵盘43通过多个铜柱44与辅舵盘45相连，该辅舵盘45的中心与中臂5一端的中心相连，该第二U型座41的两个侧壁与对应的主臂3的另一端相连，两个侧壁与主臂3的连接部位对应横穿设置有第一销轴和第二销轴，为了保证侧壁与主臂3连接部分的润滑性，第一销轴和第二销轴均通过轴承等类似部件将两者连接起来。由于现有的舵盘没有对外连接的接口，为了设计需要，本实用新型自主设计了辅舵盘45，第三舵盘43和辅舵盘45的周边对应开设多个通孔，铜柱44采用空心结构，用螺栓穿过铜柱44将第三舵盘43和辅舵盘45固定连接在一起，在辅舵盘45的中心也开设有通孔，通过螺栓将辅舵盘45的中心与圆柱结构的中臂5一端的中心固定连接在一起。这样，第三舵机42带动第三舵盘43旋转时，即可带动与之连接的中臂5及其上的所有部件绕其轴向中心线旋转，从而实现对机械爪绕中臂5的轴向中心线的旋转控制。

考虑到各个部件的配合状况，舵机的旋转角度不能完成到达360度，为了增加中臂5在竖直面内的移动高度，在第二U型座41的一个侧壁还通过微调机构7与对应的主臂3相连，该微调机构7用于调整中臂5在竖直面上的移动高度。

如图5所示，该微调机构7包括设置在上述对应的主臂上的第四舵机71，该第四舵机71的输出轴与第四舵盘72通过齿轮啮合，该第四舵盘72与第一连接件73的一端相连，该第一连接件73的另一端通过第三销轴与第二连接件74的一端相连，该第二连接件74的另一端通过第四销轴与上述一个侧壁相连。为了减少第一连接件73与第二连接件74、第二连接件74与侧壁之间的摩擦力，在连接部分增设了轴承，第三销轴、第四销轴均通过轴承等类似部件将对应的部分连接在一起，也可以增加第四舵机71带动其运动的灵活性，这样，当第四舵机71带动第四舵盘72转动时，即可通过第一连接件73和第二连接件74，带动第二U型座41向上转动，从而带动与之相连的中臂5以及与中臂5相连的所有部件向上转动，增加其在竖直面内的移动高度。

如图6所示，该第三旋转机构6包括第三U型座61，该第三U型座61的底面与中臂5另一端的中心相连，两个侧壁与第四U型座62的两个侧壁对应连接，该第三U型座61的一个侧壁上设置有第五舵机63，该第五舵机63的输出轴与第五舵盘64通过齿轮啮合，该第五舵盘64与第四U型座62的一个侧壁相连，该第四U型座62的另一个侧壁通过第五销轴与第三U型座61的另一个侧壁相连，该第四U型座62的底面上设置有第六舵机65，该第六舵机65与机械爪相连，用于带动机械爪绕其轴向中心线做旋转运动，当然也可以连接起其他控制器件比如吸盘。当第五舵机63带动第五舵盘64旋转时，即可带动第四U型座62旋转，从而带动第四U型座62上的机械爪旋转，由于第三U型座61和第四U型座62的侧壁对应相连，其底面与中臂5垂直相连，即第四U型座62的底面也与中臂5垂直，因此，此时机械爪的旋转运动就是绕与中臂5的轴向中心线垂直的直线进行的，从而实现对机械爪在YOZ平面内的旋转运动，由于其旋转幅度不是很大，从大视角看起来，就是机械爪本身在垂直面上的上下运动。另外，第五销轴也是通过轴承等类似部件将第四U型座62的另一个侧壁与第三U型座61的另一个侧壁连接在一起，也可以增加第五舵机63带动其运动的灵活性。

本实用新型利用第一舵机通过轴承传动结构带动第一U型座及其上设置的所有部件在水平面内做旋转运动，利用第二舵机通过齿轮传动结构带动主臂及其与之相连的所有的部件在竖直面内做上下运动，利用第三舵机通过齿轮传动结构带动中臂及其与之相连的所有的部件绕中臂的轴向中心线做旋转运动，利用第五舵机通过齿轮传动结构带动机械爪绕与中臂的轴向中心线垂直的直线做旋转运动，利用第六舵机带动机械爪绕其轴向中心线旋转，利用第四舵机通过连接杆传动结构调整中臂在竖直面内的移动高度，从而实现对机械爪在X、Y、Z轴方向的运动控制及其自身的旋转控制，通过上述六个舵机的协同工作，使整个机械手臂的空间运行范围更广更精确，满足更多不同实验和教学场景的需求，应用范围更广，同时，本实用新型结构简单，成本低廉，操作方便，便于推广应用。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本实用新型的保护范围由所附权利要求书限定。