一種平動半解耦服務機器人的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種平動半解耦服務機器人，包括驅動機械臂沿Z軸升降的升降機構、驅動機械臂繞Z軸擺動的腰轉機構、繞Z軸轉動的前臂擺動機構、繞X軸轉動的前臂回轉機構、繞Y軸轉動的腕部俯仰機構、繞Z軸轉動的腕部自轉機構。通過升降機構實現沿Z軸方向的升降運動，通過腰轉機構實現繞Z軸旋轉運動，通過前臂水平擺動機構實現二次繞Z軸旋轉運動，通過腕部自轉機構實現三次繞Z軸旋轉運動，通過腕部俯仰機構實現繞Y軸旋轉運動，通過前臂回轉機構實現繞X軸回轉運動，另外以上六個機構間結構布局合理緊湊，盡可能的減小了其占地面積。
【專利說明】一種平動半解耦服務機器人
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種平動半解耦服務機器人，尤其涉及一種可實現六個自由度的結構緊湊的平動半解耦服務機器人。
【背景技術】
[0002]服務機器人在老齡化加劇的21世紀，越來越受到關注。有關服務機器人機械臂的設計狀況主要借鑒了工業機器人的設計，國外比較經典的機械臂有1978年，日本山梨大學牧野洋發明SCARA，該機器人具有四個軸和四個運動自由度，(包括沿X，Y，Z方向的平移和繞Z軸的旋轉自由度)，在垂直方向的精度比較高，但由于自由度不夠，只能完成簡單的操作；國內近期的機械臂研究有2009年中國農業大學設計了組培苗移植機器人機械臂，確定組培苗移植機器人機械臂為具有兩個水平轉動關節和I個垂直移動關節的3自由度結構。2013年中國民航大學機場學院、河北工業大學機械工程學院和中國民航大學機器人研究所，根據飛機表面清洗機器人的非結構化特征，設計了一種帶平移自由度的六自由度機械臂。就目前機械臂的研究情況來看，仍存在一些問題，有的自由度少，運動功能有限；也有的自由度多，靈活度提高，但自身精度不能保證。
[0003]若各自由度的運動由各自的關節上的驅動電機單獨實現，相互之間理論上完全獨立，則是完全解耦。但設計完全解耦的機構一般比較困難或者占地面積大。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是提供一種平動半解耦服務機器人，具有能夠實現6個自由度和結構緊湊的特點。
[0005]為解決上述技術問題，本發明的技術方案為:一種平動半解耦服務機器人，其創新點在于包括:
[0006]驅動機械臂沿Z軸升降的升降機構，所述升降機構包括中心軸線豎直設置的絲桿、設置于所述絲桿上方且與所述絲桿直連的升降電機、螺紋連接在所述絲桿上的絲桿螺母，所述絲桿螺母固連在后臂上下板上，所述后臂上下板固連在上所述后臂左右板上，所述升降電機固連在上極限板上；
[0007]驅動機械臂繞Z軸擺動的腰轉機構，所述腰轉機構包括設置于所述絲桿下方的腰部轉動電機、位于所述腰部轉動電機與所述絲桿間的下軸承和腰轉法蘭，所述腰部轉動電機固連在下支撐板上，該下軸承外圈與所述下支撐板固連，該下軸承內圈與所述腰轉法蘭固連，所述腰轉法蘭固連在下極限板上，所述絲桿固定在所述下極限板上；
[0008]繞Z軸轉動的前臂擺動機構，所述前臂擺動機構固定連接在所述后臂上下板上，包括豎直設置且固定在后臂上下板上的前臂水平擺動電機、固定在所述前臂水平擺動電機的擺動軸上的前臂上下板，所述后臂上下板固連在所述后臂上下板上；
[0009]繞X軸轉動的前臂回轉機構，所述前臂回轉機構固連在所述前臂擺動機構中的所述前臂上下板上，包括水平設置且固定連接在前臂回轉連接座上的前臂回轉電機、前臂滾子軸承、前臂回轉法蘭、前臂U形回轉連接座，所述前臂回轉連接座固定連接在所述前臂上下板上，所述前臂滾子軸承外圈固定連接在所述前臂回轉連接座上，所述前臂滾子軸承內圈固定連接在所述前臂回轉法蘭上，所述前臂回轉法蘭連接在所述前臂U形回轉連接座上；
[0010]繞Y軸轉動的腕部俯仰機構，所述腕部俯仰機構固定連接在所述前臂回轉機構中的所述前臂U形回轉連接座上，包括水平設置且固定連接在前臂U形連接板上的腕部俯仰電機、腕部俯仰U形支座，所述前臂U形連接板固連在所述前臂U形回轉連接座上，所述腕部俯仰U形支座固定連接在所述腕部俯仰電機的回轉軸上；
[0011]繞Z軸轉動的腕部自轉機構，所述腕部自轉機構固定連接在所述腕部俯仰機構中的所述腕部俯仰U形支座上，包括垂直設置且固定設置在腕部L形座上的腕部自轉電機、腕部法蘭盤，所述腕部L形座固定連接在所述腕部俯仰U形支座上，所述腕部法蘭盤與所述腕部自轉電機直連。
[0012]優選的，所述升降機構上設置有垂直導向機構，所述垂直導向機構包括對稱于所述絲桿平行設置的2根導向柱、空套在所述導向柱上且固定設置在所述后臂上下板上的導套，所述導向柱穿過所述上極限板，該導向柱下端固定設置在所述下極限板上，該導向柱上端固定設置在上支撐板上，所述升降電機穿過所述上支撐板。
[0013]優選的，所述升降機構上設置有機座，所述機座由上底板、下底板以及設置與所述上底板與所述下底板間的支柱組成，所述上底板與所述上支撐板間設置有上軸承，該上軸承內圈固定連接所述上支撐板，該上軸承外圈固定連接所述上底板，所述下底板與所述下支撐板間固定設置有腰轉支撐柱。
[0014]優選的，所述上極限板上設置有用于限制所述升降機構上極限位置的限位傳感器A，所述下極限板上設置有用于限制所述升降機構下極限位置的限位傳感器B。
[0015]優選的，所述后臂上下板上分別設置有限制所述前臂擺動機構前極限位置和后極限位置的限位傳感器C和限位傳感器D。
[0016]優選的，所述前臂U形回轉連接座上分別設置有限制所述腕部俯仰機構上極限位置和下極限位置的限位傳感器E和限位傳感器F。
[0017]優選的，所述前臂U形連接板上分別設置有限制所述腕部自轉機構左極限位置和右極限位置的限位傳感器H和限位傳感器G。
[0018]本發明的優點在于:通過升降機構實現沿Z軸方向的升降運動，通過腰轉機構實現繞Z軸旋轉運動，通過前臂水平擺動機構實現二次繞Z軸旋轉運動，通過腕部自轉機構實現三次繞Z軸旋轉運動，通過腕部俯仰機構實現繞Y軸旋轉運動，通過前臂回轉機構實現繞X軸回轉運動，另外以上6個機構間結構布局合理緊湊，盡可能的減小了其占地面積。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步詳細的描述。
[0020]圖1是本發明一種平動半解耦服務機器人的自由度分布圖。
[0021]圖2是本發明一種平動半解耦服務機器人的主視圖。
[0022]圖3是本發明一種平動半解耦服務機器人的俯視圖。
[0023]圖4是本發明一種平動半解耦服務機器人中腰轉機構的結構示意圖。[0024]圖5是本發明一種平動半解耦服務機器人中升降機構的結構示意圖。
[0025]圖6是本發明一種平動半解耦服務機器人中前臂擺動機構的結構示意圖。
[0026]圖7是本發明一種平動半解耦服務機器人中前臂回轉機構的結構示意圖。
[0027]圖8是本發明一種平動半解耦服務機器人中腕部俯仰機構的結構示意圖。
[0028]圖9是本發明一種平動半解耦服務機器人中腕部自轉機構的結構示意圖。
[0029]圖中:1-下底板、2-腰轉支撐柱、3-腰部轉動電機、4-下支撐板、5-下軸承、6_下極限板、7-腰轉法蘭、8-導套、9-后臂左右板、10-絲桿螺母、11-支柱、12-導向柱、13-絲桿、14上極限板、15-上支撐板、16-上軸承、17-上底板、18-升降電機、19-后臂上下板、20-前臂水平擺動電機、21-擺動軸、22-前臂回轉電機、23-前臂上下板、24-前臂回轉連接座、25-前臂滾子軸承、26-前臂回轉法蘭、27-前臂U形回轉連接座、28-前臂U形連接板、29-腕部自轉電機、30-腕部L形座、31-腕部法蘭盤、32-腕部俯仰電機、33-回轉軸、34-腕部俯仰U形支座、35-限位傳感器A、36-限位傳感器B、37-限位傳感器C、38-限位傳感器D、39-限位傳感器E、40-限位傳感器F、41-限位傳感器G、42-限位傳感器H。
【具體實施方式】
[0030]本機器人包括機座以及實現六個自由度的相關機構，其中機座包括上底板17、下底板I和支柱11，上底板18和下底板I相互平行,支柱11分別與上底板17和下底板18相垂直且固連。六自由度相關機構有腰轉機構、絲桿機構、前臂水平擺動機構、前臂回轉機構、腕部俯仰機構和腕部自轉機構。
[0031]腰轉機構實現機器人腰部轉動工作，即:使機械臂繞絲桿13來回擺動，與前臂水平擺動機構配合實現機械臂末端在XOY平面的移動。如圖4所示，腰轉機構涉及到腰部轉動電機3、腰轉法蘭7、下軸承5、上軸承16、腰轉下支撐板4、上支撐板15和腰轉支撐柱2。其中，腰轉支撐柱2與腰轉下支撐板4固連且垂直，下軸承5內圈與腰轉下支撐板4固連，腰轉法蘭7與下軸承5外圈固連，腰轉法蘭7與下極限板6固連，上軸承16內圈與上支撐板15固連，上軸承16外圈與機器人上底板17固連。腰部轉動由腰部轉動電機3驅動腰轉法蘭7，再由腰轉法蘭帶動固定在其上的絲桿機構，通過絲桿機構帶動機械臂轉動。
[0032]升降機構實現機械臂的升降，涉及到升降電機18、絲桿13、絲桿螺母10、導向柱12、導套8、后臂上下板19、后臂左右板9、下極限板6和上極限板14。其中升降機構中包含垂直導向機構，該垂直導向機構包括對稱于絲桿13平行設置的2根導向柱12、空套在導向柱12上且固定設置在后臂上下板19上的導套8，導向柱12穿過上極限板14，該導向柱12下端固定設置在下極限板6上。升降電機18與上極限板14固連，后臂左右板9與后臂上下板19固連，導套8與導向柱12構成移動副，機械臂升降由升降電機18帶動絲桿13做旋轉運動，通過絲桿13與絲桿螺母10的配合將旋轉運動轉變為機械臂在上極限板和下極限板之間的直線運動。另外為了防止升降機構中絲桿螺母10超預設范圍運行，在上極限板14上設置有用于限制升降機構上極限位置的限位傳感器A35，下極限板6上設置有用于限制升降機構下極限位置的限位傳感器B36。
[0033]前臂擺動機構實現前臂在XOY平面內的水平擺動，與腰轉機構配合實現機械臂末端在XOY平面內的移動。前臂水平擺動機構涉及前臂水平擺動電機20、前臂水平擺動軸21和前臂上下板23。其中，前臂水平擺動電機20與后臂上板固連，后臂左右板9與后臂上下板19固連，前臂水平擺動軸21與后臂上下板19垂直且固連，通過軸承構成轉動副。前臂水平擺動電機20帶動前臂水平擺動軸21，前臂水平擺動軸21帶動前臂上下板23做旋轉運動。另外為了防止前臂擺動機構超預設范圍運行，在后臂上下板19上分別設置有限制前臂擺動機構前極限位置和后極限位置的限位傳感器C37和限位傳感器D38。
[0034]前臂回轉機構實現前臂單獨的回轉運動，涉及前臂回轉電機22、前臂回轉連接座
24、前臂回轉法蘭26、前臂回轉U型連接座27和前臂滾子軸承25。其中，前臂回轉電機22與前臂回轉法蘭26同軸線，并帶動法蘭旋轉，前臂回轉法蘭26與前臂滾子軸承25內圈固連，前臂回轉法蘭26與前臂回轉U型連接座27固連，前臂回轉U型連接座27與前臂U型聯接板28固連，前臂滾子軸承25外圈與前臂回轉連接座24固連，前臂回轉連接座24與前臂上下板23固連，前臂回轉連接座24、前臂回轉U型連接座27和前臂回轉法蘭26通過前臂滾子軸承25構成旋轉副。前臂回轉電機22驅動前臂回轉法蘭26，再由前臂回轉法蘭26帶動固定在其上的前臂回轉U型連接座27即整個前臂做回轉運動。
[0035]腕部俯仰機構實現腕部的俯仰動作，涉及腕部俯仰電機32、腕部回轉軸33和前臂U型聯接板28和腕部俯仰U型支座34。其中，腕部俯仰電機32與前臂U型聯接板28固連，腕部俯仰U型支座34與腕部回轉軸33固連。腕部俯仰電機32帶動腕部回轉軸33和腕部自轉機構旋轉，形成俯仰運動。另外為了防止腕部俯仰機構超預設范圍運行，在前臂U形回轉連接座27上分別設置有限制腕部俯仰機構上極限位置和下極限位置的限位傳感器E39和限位傳感器F40。
[0036]腕部自轉機構實現腕部單獨的旋轉運動，包括腕部自轉電機29、腕部L型座30和腕部法蘭盤31。其中，腕部自轉電機29與腕部L型座30固連，腕部L型座30與腕部俯仰U型支座34固連。腕部自轉電機29帶動腕部法蘭盤31做旋轉運動。另外為了防止腕部自轉機構超預設范圍運行，在前臂U形連接板30上分別設置有限制腕部自轉機構左極限位置和右極限位置的限位傳感器H42和限位傳感器G41。
[0037]以上對本發明創造的一個實施例進行了詳細說明，但所述內容僅為本發明創造的較佳實施例，不能被認為用于限定本發明創造的實施范圍。凡依本發明創造申請范圍所作的均等變化與改進等，均歸屬于本發明創造的專利涵蓋范圍之內。
【權利要求】
1.一種平動半解耦服務機器人，其特征在于包括: 驅動機械臂沿Z軸升降的升降機構，所述升降機構包括中心軸線豎直設置的絲桿、設置于所述絲桿上方且與所述絲桿直連的升降電機、螺紋連接在所述絲桿上的絲桿螺母，所述絲桿螺母固連在后臂上下板上，所述后臂上下板固連在上所述后臂左右板上，所述升降電機固連在上極限板上； 驅動機械臂繞Z軸擺動的腰轉機構，所述腰轉機構包括設置于所述絲桿下方的腰部轉動電機、位于所述腰部轉動電機與所述絲桿間的下軸承和腰轉法蘭，所述腰部轉動電機固連在下支撐板上，該下軸承外圈與所述下支撐板固連，該下軸承內圈與所述腰轉法蘭固連，所述腰轉法蘭固連在下極限板上，所述絲桿固定在所述下極限板上； 繞Z軸轉動的前臂擺動機構，所述前臂擺動機構固定連接在所述后臂上下板上，包括豎直設置且固定在后臂上下板上的前臂水平擺動電機、固定在所述前臂水平擺動電機的擺動軸上的前臂上下板，所述后臂上下板固連在所述后臂上下板上； 繞X軸轉動的前臂回轉機構，所述前臂回轉機構固連在所述前臂擺動機構中的所述前臂上下板上，包括水平設置且固定連接在前臂回轉連接座上的前臂回轉電機、前臂滾子軸承、前臂回轉法蘭、前臂U形回轉連接座，所述前臂回轉連接座固定連接在所述前臂上下板上，所述前臂滾子軸承外圈固定連接在所述前臂回轉連接座上，所述前臂滾子軸承內圈固定連接在所述前臂回轉法蘭上，所述前臂回轉法蘭連接在所述前臂U形回轉連接座上； 繞Y軸轉動的腕部俯仰機構，所述腕部俯仰機構固定連接在所述前臂回轉機構中的所述前臂U形回轉連接座上，包括水平設置且固定連接在前臂U形連接板上的腕部俯仰電機、腕部俯仰U形支座，所述前臂U形連接板固連在所述前臂U形回轉連接座上，所述腕部俯仰U形支座固定連接在所 述腕部俯仰電機的回轉軸上； 繞Z軸轉動的腕部自轉機構，所述腕部自轉機構固定連接在所述腕部俯仰機構中的所述腕部俯仰U形支座上，包括垂直設置且固定設置在腕部L形座上的腕部自轉電機、腕部法蘭盤，所述腕部L形座固定連接在所述腕部俯仰U形支座上，所述腕部法蘭盤與所述腕部自轉電機直連。
2.如權利要求1所述的一種平動半解耦服務機器人，其特征在于:所述升降機構上設置有垂直導向機構，所述垂直導向機構包括對稱于所述絲桿平行設置的2根導向柱、空套在所述導向柱上且固定設置在所述后臂上下板上的導套，所述導向柱穿過所述上極限板，該導向柱下端固定設置在所述下極限板上，該導向柱上端固定設置在上支撐板上，所述升降電機穿過所述上支撐板。
3.如權利要求1所述的一種平動半解耦服務機器人，其特征在于:所述升降機構上設置有機座，所述機座由上底板、下底板以及設置與所述上底板與所述下底板間的支柱組成，所述上底板與所述上支撐板間設置有上軸承，該上軸承內圈固定連接所述上支撐板，該上軸承外圈固定連接所述上底板，所述下底板與所述下支撐板間固定設置有腰轉支撐柱。
4.如權利要求1所述的一種平動半解耦服務機器人，其特征在于:所述上極限板上設置有用于限制所述升降機構上極限位置的限位傳感器A，所述下極限板上設置有用于限制所述升降機構下極限位置的限位傳感器B。
5.如權利要求1所述的一種平動半解耦服務機器人，其特征在于:所述后臂上下板上分別設置有限制所述前臂擺動機構前極限位置和后極限位置的限位傳感器C和限位傳感器D。
6.如權利要求1所述的一種平動半解耦服務機器人，其特征在于:所述前臂U形回轉連接座上分別設置有限制所述腕部俯仰機構上極限位置和下極限位置的限位傳感器E和限位傳感器F。
7.如權利要求1所述的一種平動半解耦服務機器人，其特征在于:所述前臂U形連接板上分別設置有限制所述腕部自轉機構左極限位置和右極限位置的限位傳感器H和限位傳感器G。
【文檔編號】B25J9/06GK104029199SQ201410247356
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月3日 優先權日:2014年6月3日
【發明者】姚興田, 徐丹, 張磊, 高磊, 帥立國, 張興國, 黃立平, 左駿秋, 郭旭, 李成浩 申請人:南通大學