專利名稱：一種輕量化的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)電一體化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及可供水下機(jī)器人等機(jī)器人系統(tǒng)使用的輕量化的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，海洋資源的開(kāi)發(fā)備受關(guān)注，海洋擁有豐富的礦物質(zhì)、石油和天然氣等能源，海洋資源的開(kāi)發(fā)是解決能源短缺的重要措施。水下機(jī)器人是海洋資源開(kāi)發(fā)最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，利用水下機(jī)器人能夠完成大量人類無(wú)法完成的工作，為了完成抓取任務(wù)，水下機(jī)器人一般都會(huì)配備作業(yè)臂來(lái)抓取目標(biāo)?！禜UST 8F自動(dòng)更換工具作業(yè)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)及計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)研究》(機(jī)械與電子，2003(3):67-71)中的HUST-8F水下作業(yè)臂，具有六個(gè)自由度，采用液壓驅(qū)動(dòng)；《基于能源消耗最下的自治水下機(jī)器人-機(jī)械手系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)研究》(機(jī)器人，2006:28(4) =444-452)提到的三自由度水下機(jī)械手采用連桿機(jī)構(gòu)，由內(nèi)藏的直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；《水下機(jī)械手控制系統(tǒng)研究》(機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009:185-187)中的水下機(jī)械手采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，具有四個(gè)自由度，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，水下機(jī)械手各關(guān)節(jié)都采用電機(jī)內(nèi)置式結(jié)構(gòu)。上述提到的水下作業(yè)臂采用的電機(jī)或者液壓缸都安置在每個(gè)關(guān)節(jié)處，比較笨重，與本申請(qǐng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種具有臂身重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、作業(yè)穩(wěn)定的機(jī)械臂，可配備在各類機(jī)器人系統(tǒng)上使用。本發(fā)明將電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器集成在防水基座內(nèi)，通過(guò)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的各軸，從而有效降低了大臂、小臂等各連桿和關(guān)節(jié)的重量，并能保證機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的抓取。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種輕量化的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)，其包括大臂、小臂、抓手、防水基座、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電源裝置和控制裝置；所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括分別用于驅(qū)動(dòng)大臂、小臂和抓手的同步帶輪式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述同步帶輪式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)通過(guò)同步帶傳動(dòng)的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)大臂、小臂和抓手的運(yùn)動(dòng)；所述防水基座、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電源裝置和控制裝置集中裝配在防水基座內(nèi)；所述電源裝置用于向電機(jī)和控制裝置供電，所述控制裝置用于控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。所述防水基座:位于臂身的下方，內(nèi)部放置大臂電機(jī)、小臂電機(jī)、抓手電機(jī)、電源裝置、控制裝置，采用ABS材料制作，通過(guò)密封圈進(jìn)行密封，具有防水功能。所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu):包括電機(jī)、同步帶輪機(jī)構(gòu)。其中，所述電機(jī)放置在所述防水基座中，每個(gè)所述電機(jī)再進(jìn)行軸密封對(duì)其進(jìn)行防水，所述同步帶輪包括電機(jī)輸出端的主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、以及連接所述主動(dòng)輪與從動(dòng)輪之間同步帶。所述電機(jī)通過(guò)同步帶輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)所述臂身來(lái)進(jìn)行水下作業(yè)。所述控制裝置:包括PC104工控機(jī)、基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的驅(qū)動(dòng)模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。由PC104工控機(jī)運(yùn)行機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算、閉環(huán)控制等算法并將結(jié)果輸出至基于FPGA的驅(qū)動(dòng)模塊，由基于FPGA的驅(qū)動(dòng)模塊將PC104工控機(jī)的輸入轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)輸出至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)所述電機(jī)運(yùn)動(dòng)。所述電源裝置:放置在防水基座中，是對(duì)所述電機(jī)和對(duì)所述控制裝置供電的充電電池組。本發(fā)明可供水下機(jī)器人等機(jī)器人系統(tǒng)使用，采用以上技術(shù)方案，具有結(jié)構(gòu)緊湊，防水易實(shí)現(xiàn)，臂身重量輕等特點(diǎn)，將帶動(dòng)機(jī)械臂的電機(jī)、所述電源裝置、所述控制裝置放置在一起，密封在所述防水基座中，進(jìn)行統(tǒng)一的防水，每個(gè)電機(jī)再進(jìn)行軸密封，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。大臂、小臂、抓手采用鋁制材料制作，其電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器都放置在防水基座中，臂身部分只有連桿，并在連桿上開(kāi)槽以減輕臂身的重量，在作業(yè)時(shí)整個(gè)機(jī)械臂的質(zhì)量集中在防水基座中，使機(jī)械臂能更穩(wěn)定的完成水下作業(yè)。


圖1示出了本發(fā)明中輕量化的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2示出了本發(fā)明中輕量化的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的俯視裝配示意圖；圖3示出了本發(fā)明中輕量化的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的左視裝配示意圖；圖4示出了本發(fā)明中輕量化的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的右視裝配示意圖；圖5示出了本發(fā)明中輕量式的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的臂身結(jié)構(gòu)示意6給出了本發(fā)明中輕量化三維機(jī)械臂機(jī)構(gòu)中的控制裝置結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。圖1示出了本發(fā)明公開(kāi)的一種輕量化的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2示出了本發(fā)明公開(kāi)的輕量化的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的俯視裝配示意圖；圖3示出了本發(fā)明公開(kāi)的輕量化的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的左視裝配示意圖；圖4示出了本發(fā)明公開(kāi)的輕量化的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的右視裝配示意圖；圖5示出了本發(fā)明公開(kāi)的輕量式的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)臂身結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示，所述機(jī)械臂機(jī)構(gòu)包括:大臂1、小臂2、抓手3、電源裝置6、控制裝置7、基座軸8、防水基座9和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為同步帶輪式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其包括大臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、小臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和抓手驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)三種，其分別用于帶動(dòng)大臂1、小臂2和抓手3運(yùn)動(dòng)。所述同步帶輪包括電機(jī)輸出端的主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、以及連接所述主動(dòng)輪與從動(dòng)輪之間同步帶。所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的電機(jī)通過(guò)同步帶輪傳動(dòng)的方式帶動(dòng)連桿式機(jī)械臂。所述防水基座9位于臂身的下方，采用ABS材料制作，其利用防水密封圈進(jìn)行防水，內(nèi)部放置有帶動(dòng)機(jī)械臂的大臂電機(jī)1.1、小臂電機(jī)2.1、抓手電機(jī)3.1、電源裝置6和控制裝置7，其中大臂電機(jī)1.1、小臂電機(jī)2.1、抓手電機(jī)3.1分別利用防水密封圈在相應(yīng)的電機(jī)軸上實(shí)現(xiàn)軸密封防水。所述電源裝置是用于對(duì)所述電機(jī)和對(duì)所述控制裝置供電的充電電池組。大臂I由大臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，通過(guò)軸承安裝在大臂軸4上。所述大臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括大臂電機(jī)1.1、大臂主動(dòng)輪1.2、大臂電機(jī)同步輪1.4以及大臂同步帶1.3。其中，大臂電機(jī)主動(dòng)輪1.2安裝在大臂電機(jī)1.1的輸出軸上,大臂同步輪1.4安裝大臂軸4上，大臂電機(jī)主動(dòng)輪1.2與大臂同步輪1.4通過(guò)同步帶1.3連接,則大臂電機(jī)1.1轉(zhuǎn)動(dòng)可帶動(dòng)大臂軸4旋轉(zhuǎn)，大臂I繞著所述大臂軸做上下運(yùn)動(dòng)。小臂2由小臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，通過(guò)軸承安裝在小臂軸5上。所述小臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括小臂電機(jī)2.1、小臂電機(jī)主動(dòng)輪2.2、第一小臂電機(jī)大同步輪2.4、第二小臂電機(jī)小同步輪2.5、第三小臂電機(jī)同步輪2.7、第一小臂大同步帶2.3和第二小臂小同步帶2.6 ;其中，所述小臂電機(jī)主動(dòng)輪2.2安裝在小臂電機(jī)2.1的輸出軸上，第一小臂電機(jī)大同步輪2.4和第二小臂電機(jī)小同步輪2.5構(gòu)成具有減速功能的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)軸承安裝在大臂軸4上，小臂電機(jī)主動(dòng)輪2.2與第一小臂電機(jī)大同步輪2.4通過(guò)同步帶2.3連接，第三小臂電機(jī)同步輪2.7安裝在小臂軸5上，第二小臂電機(jī)小同步輪2.5與第三小臂電機(jī)同步輪2.7通過(guò)同步帶2.6連接,貝U小臂電機(jī)2.1的轉(zhuǎn)動(dòng)可帶動(dòng)小臂軸5旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而轉(zhuǎn)動(dòng)小臂2上下運(yùn)動(dòng)。抓手3由抓手驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，其包括:抓手電機(jī)3.1、抓手電機(jī)主動(dòng)輪3.2、第一抓手電機(jī)大同步輪3.4、第二抓手電機(jī)小同步輪3.5、第三抓手電機(jī)大同步輪3.7、第四抓手電機(jī)小同步輪3.8、第五抓手電機(jī)同步輪3.10、第一抓手電機(jī)同步帶3.3、第二抓手電機(jī)同步帶3.6和第三電機(jī)同步帶3.9。其中，所述抓手電機(jī)主動(dòng)輪3.2安裝在抓手電機(jī)3.1的輸出軸上，第一抓手電機(jī)大同步輪3.4和第二抓手電機(jī)小同步輪3.5、第三抓手電機(jī)大同步輪
3.7和第四抓手電機(jī)小同步輪3.8分別構(gòu)成具有減速功能的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，第一抓手電機(jī)大同步輪3.4和第二抓手電機(jī)小同步輪3.5通過(guò)軸承安裝大臂軸4上，抓手電機(jī)主動(dòng)輪3.2與第一抓手電機(jī)大同步輪3.4通過(guò)第一同步帶3.3連接，第三抓手電機(jī)大同步輪3.7和第四抓手電機(jī)小同步輪3.8 通過(guò)軸承安裝大臂軸5上，第二抓手電機(jī)小同步輪3.5與第三抓手電機(jī)大同步輪3.7通過(guò)第二同步帶3.6連接，第五抓手電機(jī)同步輪3.10位于小臂2上，所述第四抓手電機(jī)小同步輪3.8與第五抓手電機(jī)同步輪3.10通過(guò)第三同步帶3.9連接，連接器件3.11固定在第三同步帶3.9上，桿件3.13通過(guò)螺釘3.12連接到連接器件3.11，抓手3通過(guò)螺釘3.14連接到桿件3.13上，則小臂電機(jī)3.1轉(zhuǎn)動(dòng)可帶動(dòng)抓手3進(jìn)行抓取任務(wù)。其中，大臂、小臂和抓手由鋁制材料構(gòu)成，采用連桿方式連接，大臂I通過(guò)孔1.5利用軸承連接到大臂軸4上，通過(guò)孔1.6利用軸承連接到小臂軸5上，小臂2通過(guò)孔2.8利用軸承連接到小臂軸5上，桿件3.13和抓手3分布在小臂2上下側(cè)，用螺釘3.14固定。，其中，在大臂和小臂的連桿上開(kāi)槽以降低其重量。圖6給出了本發(fā)明公開(kāi)的輕量化三維機(jī)械臂機(jī)構(gòu)中的控制裝置結(jié)構(gòu)圖。如圖6所示，該控制裝置包括現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的驅(qū)動(dòng)模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。外部的PC104工控機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的控制算法，算法包括逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算、閉環(huán)控制，并實(shí)時(shí)生成機(jī)械臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制命令，控制命令由PC104工控機(jī)發(fā)送給基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的驅(qū)動(dòng)模塊，F(xiàn)PGA驅(qū)動(dòng)模塊接收控制命令，將產(chǎn)生控制電機(jī)的脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM信號(hào))，PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器放大之后輸出給各電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的抓取任務(wù)。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種輕量化的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)，其包括大臂、小臂、抓手、防水基座、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電源裝置和控制裝置；所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括分別用于驅(qū)動(dòng)大臂、小臂和抓手的同步帶輪式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述同步帶輪式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)通過(guò)同步帶傳動(dòng)的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)大臂、小臂和抓手的運(yùn)動(dòng)；所述防水基座、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電源裝置和控制裝置集中裝配在防水基座內(nèi)；所述電源裝置用于向電機(jī)和控制裝置供電，所述控制裝置用于控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械臂，其特征在于:所述防水基座利用防水密封圈進(jìn)行防水。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械臂，其特征在于:所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電機(jī)和同步帶輪機(jī)構(gòu)，所述同步帶輪機(jī)構(gòu)包括電機(jī)輸出端的主動(dòng)輪、從動(dòng)輪以及連接所述主動(dòng)輪與從動(dòng)輪之間同步帶；其中，所述從動(dòng)輪位于帶動(dòng)大臂、小臂和抓手運(yùn)動(dòng)的軸上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的機(jī)械臂，其特征在于:所述大臂經(jīng)I個(gè)同步帶實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，小臂經(jīng)2個(gè)同步帶實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，抓手經(jīng)3個(gè)同步帶實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)械臂，其特征在于，大臂的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)、大臂主動(dòng)輪、大臂從動(dòng)輪和大臂同步帶，所述大臂主動(dòng)輪安裝在大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸上，所述大臂從動(dòng)輪安裝在帶動(dòng)大臂運(yùn)動(dòng)的大臂軸上，所述大臂主動(dòng)輪和大臂從動(dòng)輪通過(guò)大臂同步帶連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)械臂，其特征在于，小臂的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括:小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)、小臂主動(dòng)輪、第一小臂從動(dòng)輪、第二小臂從動(dòng)輪、第三小臂從動(dòng)輪、第一小臂同步帶和第二小臂同步帶；所述小臂主動(dòng)輪安裝在所述小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸上，所述第一從動(dòng)輪和第二從動(dòng)輪安裝在帶動(dòng)大臂運(yùn)動(dòng)的大臂軸上，所述小臂主動(dòng)輪與所述第一從動(dòng)輪通過(guò)第一小臂同步帶連接；所述第三從動(dòng)輪安裝在帶動(dòng)所述小臂運(yùn)動(dòng)的小臂軸上，第二從動(dòng)輪與所述第三從動(dòng)輪通過(guò)第二小臂同步帶連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)械臂，其特征在于:抓手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括:抓手驅(qū)動(dòng)電機(jī)、抓手主動(dòng)輪、第一抓手從動(dòng)輪、第二抓手從動(dòng)輪、第三抓手從動(dòng)輪、第四抓手從動(dòng)輪、第五抓手從動(dòng)輪、第一抓手同步帶、第二抓手同步帶和第三抓手同步帶；其中，所述抓手主動(dòng)輪安裝在所述抓手驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸上，第一抓手從動(dòng)輪和第二抓手從動(dòng)輪安裝在帶動(dòng)所述大臂運(yùn)動(dòng)的大臂軸上，第三抓手從動(dòng)輪和第四抓手從動(dòng)輪安裝在帶動(dòng)所述小臂運(yùn)動(dòng)的小臂軸上，第五抓手從動(dòng)輪位于小臂上；所述抓手主動(dòng)輪和第一抓手從動(dòng)輪通過(guò)第一抓手同步帶連接，第二抓手從動(dòng)輪和第三抓手從動(dòng)輪通過(guò)第二抓手同步帶連接，第四抓手從動(dòng)輪和第五抓手從動(dòng)輪通過(guò)第三抓手同步帶連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的機(jī)械臂，其特征在于:所述機(jī)械臂為連桿式機(jī)械臂通過(guò)在各臂連桿上開(kāi)槽的方式來(lái)降低重量。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的機(jī)械臂，其特征在于:所述控制裝置包括基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的驅(qū)動(dòng)模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；所述基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的驅(qū)動(dòng)模塊用于從外部接收控制命令，并根據(jù)控制命令產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)傳送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的機(jī)械臂，其特征在于:所述大臂、小臂和抓手由鋁制材料構(gòu)成，所述防水基座采用ABS材料制作。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種輕量化的機(jī)械臂，包括大臂、小臂、抓手、防水基座、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電源裝置和控制裝置；所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括分別用于驅(qū)動(dòng)大臂、小臂和抓手的同步帶輪式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述同步帶輪式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)通過(guò)同步帶傳動(dòng)的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)大臂、小臂和抓手的運(yùn)動(dòng)；所述防水基座、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電源裝置和控制裝置集中裝配在防水基座內(nèi)；所述電源裝置用于向電機(jī)和控制裝置供電，所述控制裝置用于控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所述大臂和所述小臂采用鋁質(zhì)材料，臂的質(zhì)量輕，整個(gè)機(jī)械臂的質(zhì)量集中在所述防水基座上。本發(fā)明可為移動(dòng)機(jī)器人增加作業(yè)臂，具有一定的實(shí)用性。
文檔編號(hào)B25J9/12GK103223669SQ20131017677
公開(kāi)日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2013年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月14日
發(fā)明者王碩, 譚民, 王宇, 周超 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所