CN118906087B

CN118906087B - 重载高精度多自由度机械臂

Info

Publication number: CN118906087B
Application number: CN202411417057.1A
Authority: CN
Inventors: 杨利伟; 郭疆; 李元鹏; 田富湘; 王浩; 周龙加
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2024-10-11
Filing date: 2024-10-11
Publication date: 2025-01-14
Anticipated expiration: 2044-10-11
Also published as: CN118906087A

Abstract

本发明涉及机械臂技术领域，尤其涉及一种重载高精度多自由度机械臂，包括基座、末端执行器、关节和斜楔转接件，关节的数量为至少两个，斜楔转接件的数量比关节的数量少一个，位于机械臂首端的关节与基座连接，位于机械臂末端的关节与末端执行器连接，位于中间的关节通过对应的斜楔转接件依次连接；斜楔转接件包括水平连接板、斜向连接板和弧形圆筒，弧形圆筒连接在水平连接板和斜向连接板之间，水平连接板与斜向连接板之间的扭转角为60°～70°。与传统的悬臂式机械臂相比，本发明提供的旋转斜楔式机械臂具有更高的载重能力和精度。

Description

重载高精度多自由度机械臂

技术领域

本发明属于机械臂技术领域，尤其涉及一种重载高精度多自由度机械臂。

背景技术

随着工业自动化水平的提高，对于多自由度机械臂的需求日益增长。现有的多自由度机械臂多为悬臂式构型，每个关节只能绕法线方向旋转，关节主要承受扭转力矩，从而导致关节扭转变形，降低了悬臂式机械臂的载重能力和精度。当悬臂式机械臂用于精密制造、精密装配等场合时，上述问题尤其突出。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在提供一种重载高精度多自由度机械臂，以解决目前悬臂式机械臂载重低、精度低的技术问题。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种重载高精度多自由度机械臂，包括基座、末端执行器、关节和斜楔转接件，关节的数量为至少两个，斜楔转接件的数量比关节的数量少一个，位于机械臂首端的关节与基座连接，位于机械臂末端的关节与末端执行器连接，位于中间的关节通过对应的斜楔转接件依次连接；斜楔转接件包括水平连接板、斜向连接板和弧形圆筒，弧形圆筒连接在水平连接板和斜向连接板之间，水平连接板与斜向连接板之间的扭转角为60°～70°。

进一步的，关节包括驱动电机、电机法兰、减速器、电机定子、旋转轴环、轴环外圈压盖、轴环内圈压盖和电机转子，减速器与电机法兰安装在电机定子上，驱动电机安装在电机法兰上，驱动电机的输出轴与减速器的输入端连接，旋转轴环的外圈安装在电机定子上并通过轴环外圈压盖固定，旋转轴环的内圈安装在电机转子上并通过轴环内圈压盖固定，减速器的输出端与电机转子连接，通过驱动电机驱动减速器带动电机转子绕旋转轴环的轴线旋转。

进一步的，对应于机械臂末端的斜楔转接件，水平连接板与距离最近的关节的电机转子连接，斜向连接板与末端执行器连接；对应于其它的斜楔转接件，水平连接板与距离最近的关节的电机转子连接，斜向连接板与距离最近的关节的电机定子连接。

进一步的，关节的数量为五个或六个。

与现有技术相比，本发明创造能够取得如下有益效果：

由于机械臂采用了旋转斜楔式构型，代替了传统的悬臂式构型，由此改善了关节的受力状态，使得机械臂在工作时，各关节主要承受倾覆力矩，而非扭转力矩，倾覆力矩主要引起关节弯曲变形，而扭转力矩主要引起关节扭转变形。当倾覆力矩与扭转力矩相等时，倾覆力矩产生的弯曲变形远小于扭转力矩产生的扭转变形。因此，与传统的悬臂式机械臂相比，旋转斜楔式机械臂具有更高的载重能力和精度。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明创造实施例所述的重载高精度多自由度机械臂的结构示意图；

图2是根据本发明创造实施例所述的重载高精度多自由度机械臂的剖视结构示意图；

图3是根据本发明创造实施例所述的第一关节的剖视结构示意图；

图4是根据本发明创造实施例所述的第一斜楔转接件的剖视结构示意图；

图5是根据本发明创造实施例所述的扭转角与平移可操作度均值的关系示意图。

其中的附图标记包括：1、基座；2、第一关节；3、第一斜楔转接件；4、第二关节；5、第二斜楔转接件；6、第三关节；7、第三斜楔转接件；8、第四关节；9、第四斜楔转接件；10、第五关节；11、第五斜楔转接件；12、第六关节；13、末端执行器；2-1、驱动电机；2-2、电机法兰；2-3、减速器；2-4、电机定子；2-5、旋转轴环；2-6、轴环外圈压盖；2-7、电机转子；2-8、轴环内圈压盖；3-1、水平连接板；3-2、斜向连接板；3-3、弧形圆筒。

具体实施方式

为了使本发明创造的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明创造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用以解释本发明创造，而不构成对本发明创造的限制。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。

本发明创造实施例提供一种重载高精度多自由度机械臂，以六自由度机械臂为例进行说明，对于其它自由度的机械臂同理可得。

如图1-图4所示，基座1、第一关节2、第一斜楔转接件3、第二关节4、第二斜楔转接件5、第三关节6、第三斜楔转接件7、第四关节8、第四斜楔转接件9、第五关节10、第五斜楔转接件11、第六关节12和末端执行器13。

基座1为整个机械臂的支撑和固定部分，为中空结构。

第一关节2位于基座1之上，用于实现第一斜楔转接件3绕基座1中心轴线的旋转运动，即实现机械臂的第一自由度。

第一关节2包括驱动电机2-1、电机法兰2-2、减速器2-3、电机定子2-4、旋转轴环2-5、轴环外圈压盖2-6、电机转子2-7、轴环内圈压盖2-8，减速器2-3与电机法兰2-2分别安装在电机定子2-4上，驱动电机2-1安装在电机法兰2-2上，并且驱动电机2-1的输出轴与减速器2-3的输入端连接；旋转轴环2-5的外圈安装在电机定子2-4上，并通过轴环外圈压盖2-6固定，旋转轴环2-5的内圈安装在电机转子2-7上，并通过轴环内圈压盖2-8固定；电机转子2-7与减速器2-3的输出端连接；通过驱动电机2-1驱动减速器2-3带动电机转子2-7绕旋转轴环2-5的轴线旋转，实现第一关节2绕基座1中心轴线的旋转运动。

第一斜楔转接件3位于第一关节2之上，第一斜楔转接件3为中空的弧形筒状结构，第一斜楔转接件3包括水平连接板3-1、斜向连接板3-2和弧形圆筒3-3，弧形圆筒3-3的一端与水平连接板3-1连接，弧形圆筒3-3的另一端与斜向连接板3-2之间，水平连接板3-1与斜向连接板3-2之间的扭转角也就是弧形圆筒3-3所对应的圆心角，扭转角优选成60°～70°设置。

扭转角的选择由多个位姿下平移可操作度均值确定，多个位姿下平移可操作度均值m _T的计算公式为：

(1)；

式（1）中，n表示机械臂位姿的个数，J表示机械臂的雅克比矩阵，JT表示雅克比矩阵的转置，det表示矩阵行列式的值，J的表达式为：

(2)；

式（2）中，表示偏导符号，~表示关节角向，~表示关节角向量的函数。

扭转角与平移可操作度均值的关系如图5所示，即当扭转角在60°～70°之间时，机械臂的平移可操作度更大，意味着机械臂的关节更灵活，故扭转角优选为60°～70°。

第一斜楔转接件3的一端通过水平连接板3-1与第一关节2的电机转子2-7连接，第一斜楔转接件3的另一端通过斜向连接板3-2与第二关节4的电机定子连接。第一关节2的旋转带动第一斜楔转接件3旋转，改变斜向连接板3-2的法线方向，从而改变机械臂的姿态。

第二斜楔转接件5位于第二关节4之上，第三斜楔转接件7位于第三关节6之上，第四斜楔转接件9位于第四关节8之上，第五斜楔转接件11位于第五关节10之上，第六关节12与末端执行器13连接。

第二关节4、第三关节6、第四关节8、第五关节10、第六关节12的结构与第一关节2的结构相同，在此不再赘述，分别用于实现机械臂的第二自由度、第三自由度、第四自由度、第五自由度、第六自由度。

第二斜楔转接件5、第三斜楔转接件7、第四斜楔转接件9、第五斜楔转接件11的结构与第一斜楔转接件3的结构相同，在此不再赘述，用于改变各自斜向连接板的法线方向。

末端执行器13位于第六关节12之上，用于执行具体的作业任务，如抓取、搬运、移动等任务。

当机械臂需要调整位姿时，通过控制系统向各关节的驱动电机发送指令。各驱动电机收到来自控制系统的指令后，按照预设的角速度和角度进行旋转，各减速器将各电机的高速低转矩输出转化为关节所需的低速高转矩输出，实现各关节的转动。各关节的转动改变各斜向连接板的法线方向，则每个斜楔转接件上方的关节的姿态随之改变。各关节共同作用，最终使末端执行器达到指定位姿。

对于某个关节承受力矩的形式及大小，取决于该关节负载的重心及转轴组成的平面和重力方向的关系，若重力方向位于该平面内，则该关节只承受倾覆力矩，若重力方向与该平面成一定夹角，则关节承受倾覆力矩和扭转力矩；夹角越小，倾覆力矩越大，扭转力矩越小；夹角越大，倾覆力矩越小，扭转力矩越大。

与普通机械臂一样，本发明提供的重载高精度多自由度机械臂的运动学逆解存在多个解，每个解中，各关节承受的力矩形式和大小都不一样，有的关节主要承受倾覆力矩，有的关节主要承受扭转力矩，本发明可以从多个解中选取一个解，使得各关节主要承受倾覆力矩而非扭转力矩。

当倾覆力矩施加在关节上时，会导致关节结构件发生变形，不会导致关节转动，变形量的大小取决于关节结构件的刚度，通常关节结构件的刚度比较高；当扭转力矩施加在关节上时，会导致关节发生微小的转动，由于关节是由减速机、轴环、电机等组成的旋转机构，各旋转部件内部存在一定间隙，且大多数情况下无法自锁，因此，关节的扭转刚度比较低，当扭转力矩施加在关节上时，产生的关节变形要远大于倾覆力矩产生的变形。

本发明通过斜楔转接件的设置，使得各关节主要承受引起关节弯曲变形的倾覆力矩，而非引起关节扭转变形的扭转力矩。当倾覆力矩与扭转力矩相等时，倾覆力矩产生的弯曲变形远小于扭转力矩产生的扭转变形。因此，与传统的悬臂式机械臂相比，旋转斜楔式机械臂具有更高的载重能力和精度。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims

1.一种重载高精度多自由度机械臂，包括基座和末端执行器，其特征在于，还包括关节和斜楔转接件，关节的数量为至少两个，斜楔转接件的数量比关节的数量少一个，位于机械臂首端的关节与基座连接，位于机械臂末端的关节与末端执行器连接，位于中间的关节通过对应的斜楔转接件依次连接；斜楔转接件包括水平连接板、斜向连接板和弧形圆筒，弧形圆筒连接在水平连接板和斜向连接板之间，水平连接板与斜向连接板之间的扭转角为60°～70°，水平连接板与距离最近的关节的电机转子连接，斜向连接板与距离最近的关节的电机定子连接；关节包括驱动电机、电机法兰、减速器、电机定子、旋转轴环、轴环外圈压盖、轴环内圈压盖和电机转子，减速器与电机法兰安装在电机定子上，驱动电机安装在电机法兰上，驱动电机的输出轴与减速器的输入端连接，旋转轴环的外圈安装在电机定子上并通过轴环外圈压盖固定，旋转轴环的内圈安装在电机转子上并通过轴环内圈压盖固定，减速器的输出端与电机转子连接，通过驱动电机驱动减速器带动电机转子绕旋转轴环的轴线旋转。

2.根据权利要求1所述的重载高精度多自由度机械臂，其特征在于，关节的数量为五个或六个。