一种四轴机械臂及其控制方法与流程

1.本发明涉及技术领域，尤其是指一种四轴机械臂及其控制方法。


背景技术：

2.随着制造业的发展，自动化设备在越来越多的领域得到应用。其中，机械臂的出现不仅可以提高效率和产品质量，还可以降低芳动力成本。因此，机械臂已经成为制造业的核心竞争力。
3.目前的标准四轴机械臂中，控制器采用工控电脑，相应驱动电机功率大、对应机构的尺寸也大，从而导致整个设备机构尺寸庞大、安装放置空间也相应要求为大空间，同时设备整体耗材及价格明显较高。此外，大尺寸机构的四轴机械臂，其操作时间长、反应速度慢，且稳定性低、工作时作用力大。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题的至少之一，本发明提供一种四轴机械臂及其控制方法，所述四轴机械臂用于解决现有技术中四轴机械臂转动反应速度慢、结构材料成本高的问题。
5.为实现上述发明目的，本发明提供了一种四轴机械臂，包括：
6.竖直设置的第一轴臂机构；
7.水平设置的第二轴臂机构，可移动地连接于所述第一轴臂机构上，用于沿着竖直方向向上或向下位移；
8.水平设置的第三轴臂机构，包括第三轴臂、第三轴臂连接轴、第三轴臂驱动电机、第一同步轮、第一同步带、第一滚珠轴承机构；所述第三轴臂通过所述第三轴臂连接轴连接于所述第二轴臂机构上；所述第一同步轮固定套接于所述第三轴臂连接轴的外周，所述第三轴臂驱动电机设于所述第二轴臂机构中，所述第一同步带将所述第三轴臂驱动电机的转轴与所述第一同步轮相互连接，用于带动所述第三轴臂连接轴、所述第三轴臂沿着水平方向顺时针或逆时针转动；所述第一滚珠轴承机构的内圈套接于所述第三轴臂连接轴的外周、而外圈固定连接于所述第二轴臂机构上；
9.以及水平设置的第四轴臂机构，转动连接于所述第三轴臂机构上；所述第四轴臂机构包括旋转夹爪，设于所述第四轴臂机构的下表面，用于夹取待搬运产品。
10.进一步的，所述第四轴臂机构还包括第四轴臂、第四轴臂连接轴、第四轴臂驱动电机、第二同步轮、第二同步带、第二滚珠轴承机构；
11.所述第四轴臂通过所述第四轴臂连接轴连接于所述第三轴臂机构上；所述第二同步轮固定套接于所述第四轴臂连接轴的外周，所述第四轴臂驱动电机设于所述第三轴臂机构上，所述第二同步带将所述第四轴臂驱动电机的转轴与所述第二同步轮相互连接，用于带动所述第四轴臂连接轴、所述第四轴臂沿着水平方向顺时针或逆时针转动；
12.所述第二滚珠轴承机构的内圈套接于所述第四轴臂连接轴的外周、而外圈固定连接于所述第三轴臂机构上。
13.进一步的，所述第一轴臂机构包括传动丝杠、丝杆驱动电机，所述传动丝杠的第一端与所述丝杆驱动电机的转轴连接；所述第二轴臂机构通过所述传动丝杠可竖直移动地连接于所述第一轴臂机构上。
14.进一步的，所述第一轴臂机构还包括轴承座，所述传动丝杠的第二端固定连接于所述轴承座上。
15.进一步的，所述第二轴臂机构包括u型支撑架，所述u型支撑架水平设置、开口朝向所述第三轴臂机构；所述第三轴臂驱动电机设于所述u型支撑架的中空部分；所述u型支撑架两侧开设有对称的第三轴臂安装孔，所述第三轴臂连接轴的两端穿过所述第三轴臂安装孔；所述第一滚珠轴承机构包括两个滚珠轴承，分别连接于所述第三轴臂连接轴的两端。
16.进一步的，所述四轴机械臂还包括底座，所述第一轴臂机构竖直连接于所述底座上；所述底座包括锁紧件，用于与工作台固定连接。
17.进一步的，所述四轴机械臂还包括梯形支架，设于所述第一轴臂机构的后侧、且连接于所述底座上。
18.进一步的，所述四轴机械臂还包括控制集成电路机台；所述底座还包括机台底座，用于安装所述控制集成电路机台。
19.本发明还提供了一种四轴机械臂的控制方法，基于如上任一项所述的四轴机械臂，所述方法包括步骤：
20.设置所述旋转夹爪的夹料位置点；
21.同时发送脉冲控制指令给所述第一轴臂机构、所述第二轴臂机构、所述第三轴臂机构、所述第四轴臂机构，使四者同时进行矢量运动，以带动所述旋转夹爪到达所述夹料位置点。
22.进一步的，所述方法还包括步骤：
23.通过单片机主控装置、外接显示屏界面按钮对各个电机进行点动控制。
24.本发明的上述技术方案，与现有技术相比具有如下有益效果：
25.四轴机械臂包括依次连接的第一轴臂机构、第二轴臂机构、第三轴臂机构、第四轴臂机构；其中，第一轴臂机构竖直设置，第二轴臂机构、第三轴臂机构、第四轴臂机构均水平设置；
26.当四轴机械臂设置完成夹料位置点后，第二轴臂机构可沿着第一轴臂机构竖直移动，用于带动第四轴臂机构上的旋转夹爪到达夹料位置点所在高度，即带动旋转夹爪、相对于夹料位置点实现z轴方向的位移；
27.第三轴臂机构中，第三轴臂、第三轴臂连接轴、第一同步轮、第一同步带、第三轴臂驱动电机的转轴依次连接，第三轴臂驱动电机设于第二轴臂机构中，从而通过电机带动第三轴臂机构沿着水平方向顺时针或逆时针转动，即带动旋转夹爪、相对于夹料位置点实现x轴与y轴方向的位移；
28.同时，第三轴臂连接轴上还套接有第一滚珠轴承机构；第一滚珠轴承机构可包括一个或多个滚珠轴承；第三轴臂连接轴、第二轴臂机构通过第一滚珠轴承机构连接，从而第三轴臂连接轴可灵活快速转动、转动摩擦力较小；
29.第四轴臂机构也转动连接于第三轴臂机构上，同样也可沿着水平方向顺时针或逆时针转动，即带动旋转夹爪、相对于夹料位置点实现x轴与y轴方向的位移，从而便于旋转夹
爪夹取待搬运产品；
30.由此，通过电机、滚珠轴承等机构，四轴机械臂可灵活快速地进行转动操作，其反应速度快、结构简单、稳定性强、工作时作用力小，从而可极大提升四轴机械臂的工作效率、降低设备成本。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
32.图1是本发明一实施例中四轴机械臂俯视角度的结构示意图；
33.图2是本发明一实施例中四轴机械臂的俯视图；
34.图3是本发明一实施例中四轴机械臂的结构示意图；
35.图4是本发明一实施例中第二轴臂机构、第三轴臂机构的连接结构示意图；
36.图5是本发明一实施例中第三轴臂机构、第四轴臂机构的连接结构示意图。
37.说明书附图标记说明：
38.1、第一轴臂机构；11、传动丝杠；2、第二轴臂机构；3、第三轴臂机构；31、第三轴臂；32、第三轴臂连接轴；33、第三轴臂驱动电机；34、第一同步轮；35、第一同步带；36、第一滚珠轴承机构；4、第四轴臂机构；41、第四轴臂；42、第四轴臂连接轴；43、第四轴臂驱动电机；44、第二同步轮；45、第二同步带；46、第二滚珠轴承机构；47、旋转夹爪；5、底座；6、梯形支架；7、控制集成电路机台。
具体实施方式
39.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
40.实施例一：
41.如图1至图5所示，本发明一实施例提供了一种四轴机械臂，包括：
42.竖直设置的第一轴臂机构1；
43.水平设置的第二轴臂机构2，可移动地连接于第一轴臂机构1上，用于沿着竖直方向向上或向下位移；
44.水平设置的第三轴臂机构3，包括第三轴臂31、第三轴臂连接轴32、第三轴臂驱动电机33、第一同步轮34、第一同步带35、第一滚珠轴承机构36；第三轴臂31通过第三轴臂连接轴32连接于第二轴臂机构2上；第一同步轮34固定套接于第三轴臂连接轴32的外周，第三轴臂驱动电机33设于第二轴臂机构2中，第一同步带35将第三轴臂驱动电机33的转轴与第一同步轮34相互连接，用于带动第三轴臂连接轴32、第三轴臂31沿着水平方向顺时针或逆时针转动；第一滚珠轴承机构36的内圈套接于第三轴臂连接轴32的外周、而外圈固定连接于第二轴臂机构2上；
45.以及水平设置的第四轴臂机构4，转动连接于第三轴臂机构3上；第四轴臂机构4包括旋转夹爪47，设于第四轴臂机构4下表面，用于夹取待搬运产品。
46.在具体实施例中，四轴机械臂包括依次连接的第一轴臂机构1、第二轴臂机构2、第三轴臂机构3、第四轴臂机构4；其中，第一轴臂机构1竖直设置，第二轴臂机构2、第三轴臂机构3、第四轴臂机构4均水平设置；
47.当四轴机械臂设置完成夹料位置点后，第二轴臂机构2可沿着第一轴臂机构1竖直移动，用于带动第四轴臂机构4上的旋转夹爪47到达夹料位置点所在高度，即带动旋转夹爪47、相对于夹料位置点实现z轴方向的位移；
48.第三轴臂机构3中，第三轴臂31、第三轴臂连接轴32、第一同步轮34、第一同步带35、第三轴臂驱动电机33的转轴依次连接，第三轴臂驱动电机33设于第二轴臂机构2中，从而通过电机带动第三轴臂机构3沿着水平方向顺时针或逆时针转动，即带动旋转夹爪47、相对于夹料位置点实现x轴与y轴方向的位移；
49.同时，第三轴臂连接轴32上还套接有第一滚珠轴承机构36；第一滚珠轴承机构36可包括一个或多个滚珠轴承；第三轴臂连接轴32、第二轴臂机构2通过第一滚珠轴承机构36连接，从而第三轴臂连接轴32可灵活快速转动、转动摩擦力较小；
50.第四轴臂机构4也转动连接于第三轴臂机构3上，同样也可沿着水平方向顺时针或逆时针转动，即带动旋转夹爪47、相对于夹料位置点实现x轴与y轴方向的位移，从而便于旋转夹爪47夹取待搬运产品；
51.由此，通过电机、滚珠轴承等机构，四轴机械臂可灵活快速地进行转动操作，其反应速度快、结构简单、稳定性强、工作时作用力小，从而可极大提升四轴机械臂的工作效率、降低设备成本。
52.在实际使用中，上述四轴简易机械臂的使用范围广泛，其操作时间、机械臂的伸展过程少，反应速度和操作效率更快，可进行三维空间内任意位置点的移动搬运作业；
53.另外，其稳定性高、作用力小，可以长时间、无故障安全运行，成本较低，可满足企业成本核算要求。
54.作为本发明一实施方式的进一步改进，第四轴臂机构4还包括第四轴臂41、第四轴臂连接轴42、第四轴臂驱动电机43、第二同步轮44、第二同步带45、第二滚珠轴承机构46；
55.第四轴臂41通过第四轴臂连接轴42连接于第三轴臂机构3上；第二同步轮44固定套接于第四轴臂连接轴42的外周，第四轴臂驱动电机43设于第三轴臂机构3上，第二同步带45将第四轴臂驱动电机43的转轴与第二同步轮44相互连接，用于带动第四轴臂连接轴42、第四轴臂41沿着水平方向顺时针或逆时针转动；
56.第二滚珠轴承机构46的内圈套接于第四轴臂连接轴42的外周、而外圈固定连接于第三轴臂机构3上。
57.如图5所示，在优选的实施例中，第四轴臂机构4、第三轴臂机构3两者的连接方式，可与第三轴臂机构3、第二轴臂机构2两者的连接方式相同；
58.即，第四轴臂41、第四轴臂连接轴42、第二同步轮44、第二同步带45、第四轴臂驱动电机43的转轴依次连接，第四轴臂驱动电机43设于第三轴臂机构3上，从而通过电机带动第四轴臂机构4沿着水平方向顺时针或逆时针转动，即带动旋转夹爪47、相对于夹料位置点实现x轴与y轴方向的位移；
59.同时，第四轴臂连接轴42上还套接有第二滚珠轴承机构46；第二滚珠轴承机构46可包括一个或多个滚珠轴承；第四轴臂连接轴42、第三轴臂机构3通过第二滚珠轴承机构46连接，从而第四轴臂连接轴42可灵活快速转动、转动摩擦力较小；
60.由此，第四轴臂机构4、第三轴臂机构3两者均可灵活快速转动，以带动旋转夹爪47、相对于夹料位置点实现x轴与y轴方向位移，旋转夹爪47可快速到达夹料位置点进行夹取作业；
61.同时，各机构结构简单、稳定性强、工作时作用力小，从而可极大提升四轴机械臂的工作效率、降低设备成本。
62.作为本发明一实施方式的进一步改进，第一轴臂机构1包括传动丝杠11、丝杆驱动电机，传动丝杠11的第一端与丝杆驱动电机的转轴连接；第二轴臂机构2通过传动丝杠可竖直移动地连接于第一轴臂机构1上。
63.作为本发明一实施方式的进一步改进，第一轴臂机构1还包括轴承座，传动丝杠11的第二端固定连接于轴承座上。
64.如图3所示，在优选的实施例中，通过传动丝杠11的带动作用，第二轴臂机构2可沿着竖直方向移动，从而带动旋转夹爪47、相对于夹料位置点实现z轴方向位移。
65.其中，传动丝杠11的一端与电机相连，另一端则固定在轴承座上，从而传动丝杠11可灵活转动，以提升整体运转速度。
66.作为本发明一实施方式的进一步改进，第二轴臂机构2包括u型支撑架，u型支撑架水平设置、开口朝向第三轴臂机构3；第三轴臂驱动电机33设于u型支撑架的中空部分；u型支撑架两侧开设有对称的第三轴臂安装孔，第三轴臂连接轴32的两端穿过第三轴臂安装孔；第一滚珠轴承机构36包括两个滚珠轴承，分别连接于第三轴臂连接轴32的两端。
67.如图4所示，在优选的实施例中，第二轴臂机构2的本体结构为水平设置的u型支撑架，u型支撑架的底部与传动丝杠11连接、开口则用于连接第三轴臂机构3；
68.由此，第三轴臂机构3夹设并连接于u型支撑架中，在第一滚珠轴承机构36的协助下，第三轴臂机构3可灵活快速转动，从而提升整体运转速度。
69.作为本发明一实施方式的进一步改进，四轴机械臂还包括底座5，第一轴臂机构1竖直连接于底座5上；底座5包括锁紧件，用于与工作台固定连接。
70.作为本发明一实施方式的进一步改进，四轴机械臂还包括梯形支架6，设于第一轴臂机构1的后侧、且连接于底座5上。
71.在优选的实施例中，四轴机械臂整体固定在一块底座厚板上，厚板可以固定锁附在工作台一侧，从而确保夹取搬运产品时四轴机械臂的加工位置固定精确、不易偏移。
72.较佳的，四轴机械臂的设备整体结构形状为梯形设计，第一轴臂机构1后侧可设置梯形支架6，用于稳定连接并支撑四轴机械臂整体，防止重心偏移。
73.作为本发明一实施方式的进一步改进，四轴机械臂还包括控制集成电路机台7；底座5还包括机台底座，用于安装控制集成电路机台7。
74.在优选的实施例中，四轴机械臂设备内部可由集成电路装置或单片机进行控制，可设置简单逻辑电路配合标准的电气控制元件，通过电机来控制各轴臂的动作和行进距离；
75.其中，控制集成电路机台7可并列设于四个轴臂的一侧，以方便作业人员进行调
控。
76.综上，本发明一实施例提供的四轴机械臂，使用夹爪、电机转轴、皮带、丝杆等结构，可极大地降低整个设备的制造成本；
77.同时，控制夹爪位移的各关节驱动电机功率小、扭力小，不足以将物料损坏、不会出现撞件和飞件等情况，设备整体安全性较高；并且，在快速运动过程中即使人手动触碰也不会对人体造成生产伤害，可极大程度上保证生产安全。
78.此外，为避免四轴机械臂撞件导致待搬运产品损坏或人为损伤，还可在四轴机械臂上安装相关感应装置或报警装置；例如通过电机感应装置来监测扭矩状态，或安装应力传感器测量应力状态，从而监测是否存在撞件或撞击等不良动作；如有，则可通过报警装置发出警报，及时通知作业人员进行控制，以避免不良生产事件。
79.在实际使用中，各机械臂的可移动范围并不受限；将四轴机械臂中的各导轨工件预留出足够长度、或长度灵活可调时，机械臂前方可形成足够的伸展立体空间，用于对不同尺寸的待搬运产品进行搬运作业，从而可极大提升设备通用性、扩大使用范围。
80.实施例二：
81.本发明另一实施例还提供了一种四轴机械臂的控制方法，基于如上任一项的四轴机械臂，方法包括步骤：
82.设置旋转夹爪47的夹料位置点；
83.同时发送脉冲控制指令给第一轴臂机构1、第二轴臂机构2、第三轴臂机构3、第四轴臂机构4，使四者同时进行矢量运动，以带动旋转夹爪47到达夹料位置点。
84.在具体实施例中，当设置完成机械臂末端点的到达位置点信息(即夹爪夹料点信息)时，四轴机械臂的四个轴臂可在脉冲控制方式下、同时运行进行矢量运动，从而以最短、最快路径到达夹料位置点，以便旋转夹爪47尽快抓取、搬运产品。
85.作为本发明另一实施方式的进一步改进，方法还包括步骤：
86.通过单片机主控装置、外接显示屏界面按钮对各个电机进行点动控制。
87.在优选的实施例中，上述四轴机械臂中，各电机转轴执行部分可通过点动控制来单独运行，电机转动精准、人员操控便捷。
88.注意上述表述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其它等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。