一种机械臂终端姿态自保持装置的制作方法

本发明属于工业机械臂技术领域，具体涉及一种机械臂终端姿态自保持装置。

背景技术：

随着科技的发展和劳动力成本的不断提高，机器人在各行各业的应用越来越广泛，机器人的应用降低了人们的劳动强度，提高了生产效率，增强了企业的核心竞争力。

目前大部分操作机械臂基本上都有6个自由度，3个自由度控制终端坐标位置，腕关节的3个自由度控制终端指向姿态。但在分拣、码垛、装灌、贴标等众多工作场合中，操作机械臂的工作对象是在传输带、工作台或地面等明确平面上，这个平面与操作机械臂的空间关系是固定不变的。机械臂对这些平面上的对象进行操作，实际上只需要4个自由度就能满足要求，省掉两个自由度能大大降低机械臂的复杂程度和造价。

针对这种场景，scara机械臂在puma机械臂的基础上，将机械臂的大臂和小臂运动平面，从垂直于地面转动变为平行于地面转动，第三个自由度改为垂直于地面的平移结构，使得终端装置能够始终指向地面。但scara机械臂其有效荷载大幅降低，并且在高度方向上的空间利用不够充分；因此scara机械臂在水平层面上的布置密度不宜过高，机器之间需要高度的协调控制，否则将造成机械臂的相互干涉碰撞。

另一种解决方案是增加终端姿态自保持机构。目前所采用的终端姿态自保持机构为两组四连杆机构，这两组四连杆机构分别布置在大臂和小臂上，以此来保持机械臂稳定的终端姿态。由于四连杆机构有死点，因此要求大臂和小臂的转动角不能超过180°，这对机械臂的运动范围造成了限制，减少了机械臂的灵活性。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种机械臂终端姿态自保持装置，该装置在不限制机械臂关节运动范围的条件下，对于各关节的任何转动角度，机械臂终端均能够自动保持在初始姿态，并且无死点。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种机械臂终端姿态自保持装置，包括安装在机架上的大臂电机、始端安装在大臂电机轴上的大臂杆件、始端通过中空的臂连轴与大臂杆件末端铰接的小臂杆件、可转动地定位在小臂杆件末端的终端轴、固定在终端轴上的终端平台；其特征在于：该机械臂还包括固定在大臂电机法兰上或大臂电机机座上且与大臂电机轴同轴布置的第一传动轮、可转动地穿插定位在臂连轴内腔中且两端伸出内腔后分别与第二传动轮与第三传动轮固定的轮连轴、安装在终端轴上的第四传动轮、同时与第一传动轮和第二传动轮啮合配合的第一传动带以及同时与第三传动轮和第四传动轮啮合配合的第二传动带。

所述大臂电机轴、臂连轴以及终端轴相互平行布置。

所述第一传动轮通过其中心孔穿套在大臂电机轴上。

所述第四传动轮穿套并固定在终端轴上。

所述第一传动轮和第二传动轮具有相同的外径和齿数，并由第一传动带啮合连接。

所述第三传动轮和第四传动轮具有相同的外径和齿数，并由第二传动带啮合连接。

所述第一传动轮至第四传动轮均为同步轮或链轮，所述第一传动带、第二传动带均为与同步轮配合的同步带或与链轮配合的链条。

进一步的，所述小臂杆件与臂连轴固定；大臂杆件的末端安装有小臂电机，小臂电机轴上固定有驱动螺杆；臂连轴上固定有与驱动螺杆啮合的被动齿轮。

与现有技术比较，本发明具有以下有益效果：该机械臂的关节运动范围不构成限制；对各关节0-360°的任何转动角，均能够自动地将机械臂终端保持在初始姿态，并且无死点；本发明可以扩展到更多关节的机械臂，用于终端姿态自保持。

附图说明

图1是本发明实施例1的主视结构示意图。

图2是本发明实施例1中的大臂和链轮的工作状态示意图之一。

图3是本发明实施例1中的大臂和链轮的工作状态示意图之二。

图4是本发明实施例1中的臂连轴和轮连轴部位的分解结构示意图。

图5是本发明实施例1中的小臂和链轮的工作状态示意图之一。

图6是本发明实施例1中的臂和链轮的工作状态示意图之二。

图7是本发明实施例2中大臂与小臂之间的连接关系主视放大结构示意图。

图8是图7的左视方向放大结构示意图。

附图标记说明：

1—大臂电机；2—大臂杆件；3—小臂杆件；4—终端轴；5—终端平台；6—第一传动轮；7—臂连轴；8—第二传动轮；9—第三传动轮；10—轮连轴；11—第四传动轮；12—第一传动带；13—第二传动带。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例，对本发明作进一步详细描述。

实施例1如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，除了通过大臂电机机座安装在机架上的大臂电机1、大臂杆件2、小臂杆件3、终端轴4、终端平台5之外，本实施例提供的机械臂终端姿态自保持装置，还包括第一传动轮6、臂连轴7、第二传动轮8、第三传动轮9、轮连轴10、第四传动轮11、第一传动带12和第二传动带14。

第一传动轮的中心孔可转动地套在大臂电机轴上，并固定连接在大臂电机法兰面或者大臂电机机座上；当大臂电机轴转动时，第一传动轮保持静止不动，这为整个机械臂提供了一个基准点，或终端平台的初始姿态。

由于第一传动轮紧贴大臂电机，可以和大臂电机视为一体，所以第一传动轮的引入不对大臂杆件的转动构成干涉，大臂杆件的始端固定在大臂电机轴上并且可在大臂电机的带动下作360°无约束转动。第二传动轮8的中心孔可转动地套在臂连轴7上，并且由第一传动带12与和第一传动轮6啮合连接；由于第一传动轮静止不动，第一传动带不会转动，所以当大臂杆件转动时，第二传动轮将在第一传动带的制约下，相对臂连轴作旋转(如图2和图3所示；为了示意同步轮的转动情况，图中给第二传动轮加了标志点)。

由于第一传动轮和第二传动轮具有相同的外径和齿数，并由第一传动带紧密啮合连接，所以第二传动轮相对臂连轴的旋转角与大臂杆件的旋转角大小相同，但方向相反；以大臂电机作为参考点来看，无论大臂杆件转动何种角度，第二传动轮的标志点指向始终不变。

臂连轴为可相对于大臂杆件转动的空心轴，小臂杆件的始端穿套并固定在臂连轴上实现与大臂杆件末端的铰接；轮连轴10可转动地放置在臂连轴的空腔内(轮连轴的外径小于臂连轴的内径)，轮连轴的两端分别伸出在臂连轴两端端面的外部；第二传动轮和第三传动轮分别通过各自的中心孔套在轮连轴上且分别固定连接在轮连轴的两端(如图4所示；依靠轮连轴的台阶定位)，它们均可以相对臂连轴作旋转。

由于第二传动轮、第三传动轮和轮连轴三者是固定连接，它们三者可视为一体，因此第三传动轮相对臂连轴的旋转角与第二传动轮相对臂连轴的旋转角完全保持一致，从而第三传动轮的标志点指向也将始终不变(如图5所示；为了示意同步轮的转动情况，图5和图6中给第三传动轮加了标志点，由于图5和图6剖面视角与图3相反，因此图5和图6中第三传动轮的标志点呈现为图3中第二传动轮的标志点的水平镜像点)。

第四传动轮的中心孔固定连接在可转动的终端轴上；当小臂杆件转动时，第四传动轮和终端轴将相对小臂作旋转(如图6所示)；由于第三传动轮和第四传动轮具有相同的外径和齿数，并由第二传动带12紧密啮合连接，所以第四传动轮相对小臂的旋转角与小臂杆件的旋转角大小相同，但方向相反。

终端平台固定在终端轴上，与第四传动轮组成一体，因此终端平台的姿态始终保证不变。

第三传动轮、第四传动轮和第二传动带布置在小臂的侧面，它们的引入不对小臂杆件的转动构成干涉，小臂杆件仍可作360°无约束转动。

大臂杆件和小臂杆件无约束转动过程中，终端平台的姿态自保持是通过第一传动轮、第二传动轮、第三传动轮、第四传动轮以及第一传动带、第二传动带来实现的；不同于四连杆机构，同步轮和同步带在全圆周范围内工况恒定不变；因此本发明提供的机械臂，可在大臂杆件和小臂杆件转动角度360°情况下，实现机械臂终端姿态自保持而无死点。

本实施例中，第一传动轮、第二传动轮、第三传动轮、第四传动轮均优选采用具有相同外径和齿数的同步轮，第一传动带、第二传动带均优选采用同步带。

上述实施例1在使用过程中，小臂杆件在重力作用下总是呈下垂状态，因此终端平台的移动范围有限(局限于大臂杆件的移动范围内)。为此，实施例2做了相应的改动。

实施例2与实施例1基本相同，唯一区别是在大臂杆件的末端安装有小臂电机15，小臂电机轴上通过联轴器连接有驱动螺杆17；臂连轴上固定有与驱动螺杆啮合的被动齿轮16。小臂电机通电启动后，能够驱动小臂杆件绕臂连轴轴线转动；这样就能显著扩大终端平台的移动范围，从而扩大了本发明的作业范围。