一种五自由度模块化扬琴演奏机械臂的制作方法

本实用新型涉及音乐机器人技术领域，尤其涉及一种五自由度模块化扬琴演奏机械臂。

背景技术：

由于国外对中国传统乐器有关的音乐机器人的研究很少涉及。而国内对音乐机器人相关领域的研究尚处于技术起步阶段，机器人演奏效果不佳，整体智能化程度较低，存在着很多问题。目前现有的扬琴演奏机械臂多为三自由度，由于机械结构的限制，导致机械臂不能全面覆盖杨琴敲击点，因而演奏曲目受到了限制；对扬琴的演奏效果产生影响。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的实施例提供了一种五自由度模块化扬琴演奏机械臂。

本实用新型的实施例提供一种五自由度模块化扬琴演奏机械臂，包括依次连接的五关节模块，五所述关节模块分别为肩部模块、大臂模块、大臂旋转模块、肘部模块和小臂模块，每一所述关节模块均包括套筒和电机，所述电机设置于所述套筒内部，相邻两所述关节模块通过谐波减速器连接，所述谐波减速器设置于一所述关节模块的套筒一端，该关节模块的电机输出轴连接所述谐波减速器，且所述谐波减速器连接另一相邻关节模块的套筒，任意相邻两所述关节模块的所述电机的输出轴轴线垂直，所述小臂模块连接腕部模块，所述腕部模块用于连接敲击装置。

进一步地，所述肩部模块包括肩部套筒，以及设置于所述肩部套筒内的肩部谐波减速器、肩部电机、肩部编码器和肩部制动器，所述肩部套筒为直线形套筒，所述肩部谐波减速器设置于所述肩部套筒的一端，所述肩部谐波减速器连接所述肩部电机的输出轴，所述肩部编码器和所述肩部制动器套设于所述肩部电机的输出轴上；

所述大臂模块包括大臂套筒，以及设置于所述大臂套筒内的大臂谐波减速器、大臂电机、大臂编码器和大臂制动器，所述大臂套筒为倒置的t形套筒，所述大臂套筒上端连接所述肩部谐波减速器，所述大臂谐波减速器设置于所述大臂套筒的横向一端，所述大臂谐波减速器连接所述大臂电机的输出轴，所述大臂编码器和所述大臂制动器套设于所述大臂电机的输出轴上；

所述大臂旋转模块与所述肩部模块结构相同，包括大臂旋转套筒，以及设置于所述肩部套筒内的大臂旋转谐波减速器、大臂旋转电机、大臂旋转编码器和大臂旋转制动器，所述大臂旋转套筒远离所述大臂旋转谐波减速器的一端连接所述大臂谐波减速器；

所述肘部模块与所述大臂模块结构相同，包括肘部套筒，以及设置于所述肘部套筒内的肘部谐波减速器、肘部电机、肘部编码器和肘部制动器，所述肘部套筒远离所述肘部谐波减速器的一端连接所述大臂旋转谐波减速器；

所述小臂模块包括小臂套筒，以及设置于所述肩部套筒内的小臂电机和小臂编码器，所述小臂套筒一端连接所述肘部谐波减速器，所述小臂编码器套设于所述小臂电机的输出轴上；

所述腕部模块包括腕部套筒，以及设置于所述腕部套筒内的腕部电机和腕部编码器，所述腕部套筒连接所述小臂套筒，所述腕部编码器套设于所述腕部电机的输出轴上，所述腕部电机的输出轴伸出所述腕部套筒连接所述敲击装置。

进一步地，所述电机为力矩电机，包括力矩电机定子、力矩电机转子和所述电机输出轴，所述力矩电机定子固定于所述套筒内壁，所述力矩电机转子套设于所述输出轴中部，所述力矩电机转子设置于所述力矩电机定子的内部，所述输出轴一端连接所述谐波减速器。

进一步地，所述肩部编码器包括编码器静盘和编码器动盘，所述编码器静盘固定于所述肩部编码器内壁，所述编码器动盘套设于所述肩部电机的输出轴上，所述编码器动盘和所述编码器静盘相对设置，所述大臂编码器、大臂旋转编码器、肘部编码器、小臂编码器与所述肩部编码器结构相同。

进一步地，所述肩部模块和所述大臂模块、所述大臂旋转模块、所述肘部模块、所述小臂模块和所述腕部模块均设有电机驱动器，所述电机驱动器连接所述肩部电机的输出轴，所述电机驱动器连接所述肩部编码器，所述电机驱动器驱动所述肩部电机输出轴的转动角度。

进一步地，所述肩部制动器为断电制动器，所述肩部制动器电连接所述肩部电机，所述肩部制动器用于所述电机断电后抱死所述肩部电机输出轴，所述大臂制动器、大臂旋转制动器、肘部制动器与所述肩部制动器结构相同。

进一步地，所述套筒内部固定有交叉滚子轴承，所述电机的输出轴穿过所述交叉滚子轴承。

进一步地，每一所述关节模块的电机的输出轴为空心轴，所述输出轴内部用于布设与所述电机连接的线路。

本实用新型的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本实用新型的一种五自由度模块化扬琴演奏机械臂，具有五个关节模块，实现五个自由度调节，活动范围大，全面覆盖扬琴敲击点，并且关节模块采用力矩电机驱动，单只机械臂敲击两个音符的间隔时间更短，相邻关节模块采用谐波减速器连接，增大力矩，提高了发声质量，解除了演奏曲目的限制，演奏更接近真人演奏；采用模块化的设计，在某个模块出现问题时，只需要拆除出现问题的模块，替换上备用模块即可继续演奏，方便维修与安装；通过空心轴内部走线，美化外观；采用电机驱动敲击装置，改善了由舵机驱动敲击装置而产生的噪音问题。

附图说明

图1是本实用新型一种五自由度模块化扬琴演奏机械臂的示意图；

图2是图1中肩部模块1的示意图；

图3是图1中大臂模块2的示意图；

图4是图1中大臂旋转模块3的示意图；

图5是图1中小臂模块5的示意图；

图6是图1中腕部模块6的示意图。

图中：1-肩部模块、101-肩部套筒端盖、102-肩部谐波减速器、103-肩部电机端盖、104-轴套、105-肩部力矩电机定子、106-肩部力矩电机转子、107-肩部电机输出轴、108-肩部套筒、109-肩部交叉滚子轴承、110-肩部编码器动盘、111-肩部编码器静盘、111-肩部制动器、113-肩部驱动器支撑板、114-肩部电机驱动器、2-大臂模块、201-大臂谐波减速器、202-大臂套筒、3-大臂旋转模块、301-大臂旋转谐波减速器、302-大臂旋转套筒、4-肘部模块、5-小臂模块、501-小臂连接法兰、502-小臂电机端盖、503-角接触球轴承、504-套环、505-小臂力矩电机定子、506-小臂力矩电机转子、507-小臂电机输出轴、508-小臂电机套筒、509-小臂交叉滚子轴承、510-小臂编码器动盘、511-小臂编码器静盘、512-小臂电机驱动器支撑板、513-小臂电机驱动器、514-小臂连接套筒、6-腕部模块、601-腕部套筒、602-腕部端盖、603-腕部电机输出轴、7-敲击装置、8-支撑底座。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本实用新型的实施例提供了一种五自由度模块化扬琴演奏机械臂，包括依次连接的五关节模块、敲击装置7和支撑底座8。

五所述关节模块分别为肩部模块1、大臂模块2、大臂旋转模块3、肘部模块4和小臂模块5，每一所述关节模块均包括套筒和电机，相邻两所述关节模块通过谐波减速器连接，任意相邻两所述关节模块的所述电机的输出轴轴线垂直。

具体的，请参考图2，所述肩部模块1包括肩部套筒108，以及设置于所述肩部套筒108内的肩部谐波减速器102、肩部电机、肩部编码器、肩部制动器112和肩部电机驱动器114，所述肩部套筒108为直线形套筒，所述肩部谐波减速器102设置于所述肩部套筒108的一端，所述肩部套筒108的另一端固定于所述支撑底座8上，所述肩部电机为力矩电机，包括肩部力矩电机定子105、肩部力矩电机转子106和肩部电机输出轴107，所述肩部力矩电机转子106套设于所述输出轴107中部且二者工业胶粘接为一体，所述肩部力矩电机定子105固定于所述肩部套筒108内壁，所述肩部电机输出轴107通过交叉滚子轴承109固定于所述肩部套筒108内部，所述交叉滚子轴109用工业胶粘接于所述肩部套筒108内壁，所述力矩电机转子106设置于所述力矩电机定子105的内部，且所述肩部电机输出轴107穿过所述交叉滚子轴109，二者为过盈配合。

所述肩部编码器包括编码器静盘111和编码器动盘110，所述编码器静盘111固定于所述肩部套筒108内壁，所述编码器动盘110套设于所述肩部电机的输出轴107上，这里所述肩部编码器111和所述编码器动盘110均采用螺栓固定，使所述编码器动盘110和所述编码器静盘111相对设置。

所述肩部制动器112为断电制动器，所述肩部制动器112电连接所述肩部电机，所述肩部制动器112外壁通过螺栓固定于所述肩部套筒108内壁，所述肩部电机输出轴107穿过所述肩部制动器112内圈，这里所述肩部制动器112内圈通过平键连接，且所述肩部制动器112与所述肩部电机的供电电路连接，检测该供电电路上手否断电，在断电时所述肩部制动器112抱死所述肩部电机输出轴107。

所述肩部电机驱动器114通过肩部驱动器支撑板113固定于所述肩部套筒108上，所述肩部驱动器支撑板113固定于所述肩部套筒108的一端，所述肩部电机驱动器114固定于所述肩部驱动器支撑板113外侧面，且所述肩部电机驱动器114连接所述肩部电机输出轴107，所述肩部电机驱动器114连接所述肩部编码器，所述肩部电机驱动器114驱动所述肩部电机输出轴107的转动角度。

所述肩部谐波减速器102设置于所述肩部套筒108另一端，所述肩部套筒108该端连接肩部电机端盖103，所述肩部谐波减速器102设置于所述肩部电机端盖103内，所述肩部电机输出轴107靠近所述肩部谐波减速器102一端设有肩部电机轴套104，所述肩部电机轴套104连接所述肩部谐波减速器102，所述肩部电机端盖103外侧设有肩部套筒端盖101，所述肩部套筒端盖101用于固定所述肩部谐波减速器102。

请参考图3，所述大臂模块包括大臂套筒202，以及设置于所述大臂套筒内的大臂谐波减速器201、大臂电机、大臂编码器、大臂制动器和大臂电机驱动器，所述大臂套筒为倒置的t形套筒，所述大臂套筒202上端连接所述肩部谐波减速器102，所述大臂谐波减速器201设置于所述大臂套筒202的横向一端，所述大臂电机驱动器设置于所述大臂套筒202的横向另一端，所述大臂谐波减速器201连接所述大臂电机的输出轴一端，所述大臂电机输出轴的另一端连接所述大臂电机驱动器，所述大臂编码器和所述大臂制动器套设于所述大臂电机的输出轴上，所述大臂谐波减速器201与所述肩部谐波减速器102相同，所述大臂电机和所述肩部电机相同，所述大臂编码器和所述肩部编码器相同，所述大臂制动器和所述肩部制动器相同，所述大臂电机驱动器和所述肩部驱动器相同，即所述大臂模块2的内部结构和所述肩部模块1的内部结构相同。

请参考图4，所述大臂旋转模块3包括大臂旋转套筒302，以及设置于所述大臂旋转套筒302内的大臂旋转谐波减速器301、大臂旋转电机、大臂旋转编码器、大臂旋转制动器和大臂旋转电机驱动器，所述大臂旋转套筒302远离所述大臂旋转谐波减速器301的一端连接所述大臂谐波减速器201，所述大臂旋转谐波减速器301与所述肩部谐波减速器102相同，所述大臂旋转电机和所述肩部电机相同，所述大臂旋转编码器和所述肩部编码器相同，所述大臂旋转制动器和所述肩部制动器相同，所述大臂旋转电机驱动器和所述肩部驱动器114相同，即所述大臂旋转模块3的内部结构和所述肩部模块1的内部结构相同，区别在于本实施例中所述大臂旋转套筒302设有连接件，并通过所述连接件连接所述大臂谐波减速器201。

所述肘部模块4包括肘部套筒，以及设置于所述肘部套筒内的肘部谐波减速器、肘部电机、肘部编码器、肘部制动器和肘部电机驱动器，所述肘部套筒远离所述肘部谐波减速器的一端连接所述大臂旋转谐波减速器，所述肘部谐波减速器与所述肩部谐波减速器相同，所述肘部电机和所述肩部电机相同，所述肘部编码器和所述肩部编码器相同，所述肘部制动器和所述肩部制动器相同，所述肘部电机驱动器和所述肩部驱动器114相同，即所述肘部模块4的内部结构和所述肩部模块1的内部结构相同。

请参考图5，所述小臂模块5包括小臂套筒508，以及设置于所述肩部套筒508内的小臂连接法兰501、小臂电机、小臂编码器和小臂电机驱动器513，所述小臂连接法兰501设置于所述小臂套筒508一端，所述小臂套筒508另一端连接所述肘部谐波减速器，所述小臂电机和所述肩部电机相同，通过小臂交叉滚子轴承509固定于所述小臂套筒508内，所述小臂电机包括小臂力矩电机定子505和小臂力矩电机转子506，所述小臂编码器和所述肩部编码器相同，包括小臂编码器动盘510和小臂编码器静盘511，所述小臂电机驱动器513和所述肩部电机驱动器114相同，且这些部件安装连接方式也相同，所述小臂电机驱动器513通过小臂电机驱动器支撑板512固定于所述小臂套筒508远离所述小臂连接法兰501一端，且该端还设有连接套环514，所述连接套环514用于连接所述肘部谐波减速器。

所述连接法兰501通过角接触球轴承503连接所述小臂电机的输出轴507，所述小臂套筒508靠近所述连接法兰501一端连接小臂电机端盖502，所述角接触球轴503设置于所述小臂电机端盖502内，所述小臂电机的输出轴507一端穿过套环504和所述角接触球轴承503，所述连接法兰501一端所述可转动嵌入所述小臂电机端盖502并连接所述小臂电机的输出轴507该端。

请参考图6，所述腕部模块6包括腕部套筒601，以及设置于所述腕部套筒601内的腕部连接法兰603、腕部电机、腕部编码器和腕部电机驱动器，，所述腕部套筒601为t形套筒，所述连接法兰603设置于所述腕部套筒601一端，所述腕部套筒601另一端设有腕部端盖，由于所述腕部模块6和所述小臂模块5的内部结构完全相同，这里就不进行一一介绍了。所述腕部模块6的腕部连接法兰603连接所述敲击装置。

本实施例中可将每一所述关节模块的电机的输出轴为空心轴，所述输出轴内部用于布设与所述电机连接的线路，保证外部美观。

本实用新型一种五自由度模块化扬琴演奏机械臂，具有五个关节模块，实现五个自由度调节，活动范围大，全面覆盖杨琴敲击点，解除了演奏曲目的限制，演奏更接近真人演奏，并且关节模块采用电机驱动，相邻关节模块采用谐波减速器连接，增大力矩，提高了发声质量，降低各关节模块之间转动的噪音。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。