單電機三自由度機械手臂機構的制作方法
【專利摘要】單電機三自由度機械手臂機構，套筒9固定連接一固定電磁鐵23，前端部分固定連接一限位塊20；在電機軸7的一端通過膜片型聯軸器27與鑰匙塊26連接；電磁滑塊轉換接頭22、25內置于套筒9中且分別在固定電磁鐵23的兩側；蝸桿連接筒24插在電磁滑塊轉換接頭22、25以及固定電磁鐵23對應的軸孔里，蝸桿連接筒擋片21固連在蝸桿連接筒24的前端部；蝸桿軸16安裝在限位塊20的對應軸孔里以及蝸桿連接筒24、蝸桿連接筒擋片21的正三角形通孔中；在電磁滑塊轉換接頭22、25以及固定電磁鐵23的頂部安裝有電極塊33；在電機軸7的另一端安裝有45度的錐齒輪5，動力行星輪4的軸29上裝有可復位錐齒輪28，制動圓盤32套在動力行星輪4、行星輪2、行星輪2′的軸上。
【專利說明】單電機三自由度機械手臂機構
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種機器人結構，尤其涉及一種機械手臂。
【背景技術】
[0002]在實際的生產工作當中，有些工作的工作環境是在高危，高污染的條件下進行的，可能會對人體造成傷害，而有些工作又要求較高的精度和效率，故在此類工作中常使用機器人來代替人員操作。機械手臂是機器人實現各種操作動作必不可少的部件。現有的機械手臂，不論是國內的還是國外的，通常都是一個自由度對應安裝一個電機，即一臺電機只負責一個方向上的一個動作。因此常規的機械手臂為實現較多的動作要求往往需要多個電機，如題所示的的三自由度機械手臂就至少需要三臺電機，這不僅導致機械手臂的結構臃腫，體積龐大，而且制造成本高，易損壞及維修困難。此外，現有的機械手臂由于要同時控制多臺電機協同工作，其控制要求較高，技術難度較大，從而導致研發成本提高，更新率下降。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種單電機三自由度機械手臂機構。
[0004]本發明是單電機三自由度機械手臂機構，包括有殼體34，套筒9安裝在殼體34的兩個滾動軸承8上，套筒9的外表面固定安裝有電磁制動器11和電磁鐵供電裝置10，套筒9的內表面中間部分固定連接一固定電磁鐵23，前端部分固定連接一限位塊20 ;在電機軸7的一端通過膜片型聯軸器27與鑰匙塊26連接；第一電磁滑塊轉換接頭22和第二電磁滑塊轉換接頭25內置于套筒9中且分別在固定電磁鐵23的兩側；蝸桿連接筒24插在第一電磁滑塊轉換接頭22、第二電磁滑塊轉換接頭25以及固定電磁鐵23對應的軸孔里，蝸桿連接筒擋片21固連在蝸桿連接筒24的前端部；蝸桿軸16安裝在限位塊20的對應軸孔里以及蝸桿連接筒24、蝸桿連接筒擋片21的正三角形通孔中；在第一電磁滑塊轉換接頭22、第二電磁滑塊轉換接頭25以及固定電磁鐵23的頂部安裝有電極塊33 ;在電機軸7的另一端安裝有45度的錐齒輪5，動力行星輪4的軸29上裝有可復位錐齒輪28，制動圓盤32套在動力行星輪4、第一行星輪2、第二行星輪2'的軸上。
[0005]本發明實現了只用一臺電機完成三個不同自由度的動作，而常規的、現有的電機需要三臺電機才能完成這三個動作。因此減少了電機數量，降低了成本，使機械臂的結構更為緊湊，維護更為方便，控制更為簡單，降低了機械手臂的技術難度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006]圖1是機械手臂的主視圖，圖2是圖1中A-A向剖視圖，圖3是機械手臂的俯視圖，圖4是圖2中B-B向剖視圖，圖5是機械手臂的軸測圖，附圖標記及對應名稱為:外圈軌道輪1，第一行星輪2，第二行星輪2'，太陽輪3，動力行星輪4，錐齒輪5，雙軸型步進電機6，電機軸7，套筒滾動軸承8，套筒9，電刷環裝置10，電磁制動器11，前部爪手支架12，蝸輪13，曲柄14，爪手15，蝸桿軸16，套筒端蓋17，定距環18，蝸桿軸滾動軸承19，限位塊20，蝸桿連接筒擋片21，第一電磁滑塊轉換接頭22，固定電磁鐵23，蝸桿連接筒24，第二電磁滑塊轉換接頭25，鑰匙塊26，膜片型聯軸器27，可復位錐齒輪28，動力行星輪軸29，電磁剎車器30，太陽輪軸31，制動圓盤32，電極塊33，殼體34。
【具體實施方式】
[0007]如圖1、圖2、圖5所示，本發明的單電機三自由度機械手臂機構，包括有殼體34，套筒9安裝在殼體34的兩個滾動軸承8上，套筒9的外表面固定安裝有電磁制動器11和電磁鐵供電裝置10，套筒9的內表面中間部分固定連接一固定電磁鐵23，前端部分固定連接一限位塊20 ;在電機軸7的一端通過膜片型聯軸器27與鑰匙塊26連接；第一電磁滑塊轉換接頭22和第二電磁滑塊轉換接頭25內置于套筒9中且分別在固定電磁鐵23的兩側；蝸桿連接筒24插在第一電磁滑塊轉換接頭22、第二電磁滑塊轉換接頭25以及固定電磁鐵23對應的軸孔里，蝸桿連接筒擋片21固連在蝸桿連接筒24的前端部；蝸桿軸16安裝在限位塊20的對應軸孔里以及蝸桿連接筒24、蝸桿連接筒擋片21的正三角形通孔中；在第一電磁滑塊轉換接頭22、第二電磁滑塊轉換接頭25以及固定電磁鐵23的頂部安裝有電極塊33 ;在電機軸7的另一端安裝有45度的錐齒輪5，動力行星輪4的軸29上裝有可復位錐齒輪28，制動圓盤32套在動力行星輪4、第一行星輪2、第二行星輪2'的軸上。
[0008]本發明的工作原理是:如圖f圖5所示，雙軸型步進電機6的兩端各自連接一個錐齒輪5和負責傳輸電機動力的鑰匙塊26，雙軸型步進電機6帶動錐齒輪5轉動時，依靠可復位錐齒輪28與錐齒輪5的嚙合，將動力傳遞至與可復位錐齒輪28組合到一起的太陽輪系，利用太陽輪系中三個行星輪的公轉，將它們的三個軸與機械手臂的殼體I連接在一起，從而將此公轉轉化為整個機械手臂的轉動。在電機連有鑰匙塊的一端，利用第二電磁滑塊轉換接頭25與固定電磁鐵23之間的吸合及排斥實現與鑰匙塊26的斷開與接通，從而依靠第二電磁滑塊轉換接頭25與負責手臂在電機軸方向上旋轉的套筒9之間的連接實現手臂在電機主軸方向的旋轉動作。當需要轉換動作時，利用第一電磁滑塊轉換接頭22與固定電磁鐵23之間的吸合與排斥實現蝸桿連接筒24與鑰匙塊26之間的接通與斷開，從而帶動蝸桿軸16轉動，而蝸桿軸16的轉動進一步帶動四個渦輪13轉動使得固聯在渦輪13上的雙曲柄機構帶動前部爪手15完成開合動作。因此依據該發明完成了一臺電機控制三個不同自由度所要求的動作的設想，并且三個動作可以同時發生，也可單獨或組合發生且互不影響。
[0009]如圖2、圖5所示，膜片型聯軸器27、鑰匙塊26、第一電磁滑塊轉換接頭22、第二電磁滑塊轉換接頭25以及固定電磁鐵23、限位塊20、蝸桿連接筒24、蝸桿軸16都內置于套筒9內部。
[0010]如圖2所示，套筒9的內表面開有使第一電磁滑塊轉換接頭22、第二電磁滑塊轉換接頭25往復滑動的光滑槽，該光滑槽分別設有左、右兩個極限位置，在套筒9的外表面開有電極塊33連接導線的矩形孔。
[0011]如圖2、圖4、圖5所示，鑰匙塊26的形狀為十字形，且棱邊有以利于和其他裝置接通或斷開的倒角。
[0012]如圖2、圖4、圖5所示，第一電磁滑塊轉換接頭22上有一個光滑的圓孔，該圓孔的直徑與蝸桿連接筒24前部的直徑相同，蝸桿連接筒24插入上述圓孔之中并在其上固連以限制其左右移動的擋片21。
[0013]如圖2、圖4、圖5所示，蝸桿連接筒24的后部開有矩形接口，后部直徑大于前部直徑，整個零件內部開有正三角形通孔，且后部開有用于吸收震動的凹槽。
[0014]如圖2、圖3、圖4、圖5所示，蝸桿軸16的尾部為三角形，形狀大小與蝸桿連接筒24內部的三角形通孔相匹配，并且三條棱邊均倒圓角。
[0015]如圖2、圖3、圖4、圖5所示，第一電磁滑塊轉換接頭22、第二電磁滑塊轉換接頭25及固定電磁鐵23中都有內置電磁鐵，其上都有用來接線的電極塊33 ;固定電磁鐵23上開有直徑等于蝸桿連接筒24后部直徑的光滑圓孔，第二電磁滑塊轉換接頭25上開有直徑大于蝸桿連接筒24后部直徑的光滑圓孔。
[0016]如圖2、圖4、圖5所示，限位塊20的內部裝有兩個滾動軸承19。
[0017]如圖2、圖4、圖5所示，制動圓盤32上開有三個相差120度的光滑軸孔，軸孔直徑與行星輪的軸徑相同。
[0018]如圖廣圖5所示，以電機軸7為y軸，太陽輪3的軸為x軸，過這兩軸的交點并垂直于它們的軸為z軸，以此坐標系為該機械手臂的固定坐標系。雙軸型步進電機6沿y軸負方向的一端裝有一個45度的錐齒輪5，此錐齒輪與裝在動力行星輪4的軸上的可復位錐齒輪28成90度標準嚙合。太陽輪3、兩個行星輪2、2'、動力行星輪4以及外圈軌道輪I組成太陽輪系，該太陽輪系即可實現減速作用又可實現繞X軸的旋轉作用。當雙軸型步進電機6轉動時，帶動錐齒輪5、可復位錐齒輪28轉動，由于可復位錐齒輪28與動力行星輪4的軸是鍵銷連接，因而可以帶動動力行星輪4繞著自己的軸自轉。由于此太陽輪系中的太陽輪3的軸是固連在外加支撐臂或基座上的，因此太陽輪3相對于固定坐標系是靜止不動的，所以當動力行星輪4自轉時，它將同時圍繞太陽輪3的軸公轉，即圍繞X軸旋轉，另外兩個行星輪2、2'起虛約束作用且同樣圍繞X軸公轉。由于三個行星輪在公轉時的相對位置不變，因此在殼體34的后部的兩側相對應位置各開三個光滑軸孔，將三個行星輪的軸套進這三個軸孔，當兩個行星輪2、2'和動力行星輪4公轉時，將帶動殼體34隨之繞X軸旋轉。這樣便實現了第一個自由度所要求的動作，即繞X軸的旋轉。當第一個自由度所要求的動作到達指定位置時需要切換到下一個動作。此時可復位錐齒輪28的電磁鐵裝置接通外部直流電源帶電，從而將可復位錐齒輪28的錐齒輪部分吸附到電磁鐵上，使錐齒輪部分沿軸移動，斷開它與錐齒輪5的嚙合。同時套在三個行星輪軸上的制動圓盤32在電磁剎車器30的作用下被鎖緊，從而固定了殼體34的空間位置。此時在電機軸的另一端執行第二個自由度所要求的動作，即繞I軸的旋轉。在電機軸的另一端，即沿y軸正方向的一端，在軸上套有膜片型聯軸器27，膜片型聯軸器27又與鑰匙塊26相連。同時膜片型聯軸器27、第一電磁滑塊轉換接頭22、第二電磁滑塊轉換接頭25以及固定電磁鐵23、限位塊20、蝸桿連接筒24、蝸桿軸16都內置于套筒9中。
[0019]如圖1飛所示，套筒9內部開有可沿固定坐標系y軸往復滑動的槽。當電機接通時，首先轉至與第二電磁滑塊轉換接頭25的接口相對應的地方完成接口校對動作，然后利用電刷環裝置10接通電刷環裝置10的外部直流電源，借助電刷環的接線柱用導線連接第一電磁滑塊轉換接頭22、第二電磁滑塊轉換接頭25以及固定電磁鐵23上的電極塊33，讓固定電磁鐵23、第二電磁滑塊轉換接頭25帶電，并且所通電流使它們各自的電磁鐵相互排斥，第二電磁滑塊轉換接頭25將向y軸負方向移動，靠排斥力將第二電磁滑塊轉換接頭25頂死在套筒9內的沿y軸負方向的極限位置，此時第二電磁滑塊轉換接頭25恰好與鑰匙塊26的連接部分安全配合。同時也讓第一電磁滑塊轉換接頭22帶電，同樣靠排斥力將其推動至限位塊20處，使與其固聯的蝸桿連接筒24的矩形接口與鑰匙塊26斷開，避免在執行第二個動作時讓蝸桿轉動。然后啟動電機，在聯軸器27的帶動下，鑰匙塊26隨之轉動，進而與其接通的第二電磁滑塊轉換接頭25轉動，進而在套筒9內的槽的作用下使得套筒9也隨之轉動。
[0020]如圖廣圖5所示，由于爪手支架12固聯在套筒9上，因此整個爪手部分，包含前部爪手支架12，蝸輪13，曲柄14，爪手15，蝸桿軸16也隨之轉動。這樣就實現了第二個自由度所要求的動作，即繞I軸的旋轉。當再次進行自由度切換，執行第三個自由度所要求的動作，即沿X軸或z軸的平移，也即前部爪手15的開合時，首先接通負責鎖緊套筒9的電磁制動器11的電源，使其帶電從而鎖緊套筒9固定它的空間位置。然后改變第二電磁滑塊轉換接頭25、固定電磁鐵23中電流的方向，使第二電磁滑塊轉換接頭25與固定電磁鐵23相吸引，第二電磁滑塊轉換接頭25沿y軸正向移動，斷開第二電磁滑塊轉換接頭25與鑰匙塊26的連接，然后讓雙軸型步進電機6帶電，校對位置，使鑰匙塊26與蝸桿連接筒24的矩形接口對齊。然后改變第一電磁滑塊轉換接頭22中的電流方向，使第一電磁滑塊轉換接頭22與固定電磁鐵23相吸引，第一電磁滑塊轉換接頭22沿y軸負方向移動，使得與第一電磁滑塊轉換接頭22連接在一起的蝸桿連接筒24的矩形接口與鑰匙塊26接通。此時，啟動電機，鑰匙塊26隨之轉動，進而使蝸桿連接筒24轉動，由于蝸桿連接筒24與第一電磁滑塊轉換接頭22連接時只限制左右的移動而不限制旋轉，且蝸桿連接筒24的后部為三角形通孔，所以蝸桿連接筒24轉動時可帶動蝸桿軸16轉動，進而帶動與之標準嚙合的四個蝸輪13轉動，在兩側的兩個蝸輪上分別固聯有雙曲柄機構的兩個曲柄14，在雙曲柄機構的連桿上固聯有爪手15。蝸輪13轉動時，帶動曲柄14轉動，進而帶動爪手15完成開合動作。這樣便完成了第三個自由度所要求的動作，即爪手的開合。
[0021]以上動作流程中，每次只做一個動作，電機軸只接通負責某個動作的那部分裝置，其余部分依靠電磁鐵與電機軸斷開并鎖緊。也可以任意兩兩組合或同時執行三個動作，只需改變電流方向以控制接通與斷開即可。
【權利要求】
1.單電機三自由度機械手臂機構，包括有殼體(34)，其特征是:套筒(9)安裝在殼體(34)的兩個滾動軸承(8)上，套筒(9)的外表面固定安裝有電磁制動器(11)和電磁鐵供電裝置(10)，套筒(9)的內表面中間部分固定連接一固定電磁鐵(23)，前端部分固定連接一限位塊(20);在電機軸(7)的一端通過膜片型聯軸器(27)與鑰匙塊(26)連接；第一電磁滑塊轉換接頭(22)和第二電磁滑塊轉換接頭(25)內置于套筒(9)中且分別在固定電磁鐵(23)的兩側；蝸桿連接筒(24)插在第一電磁滑塊轉換接頭(22)、第二電磁滑塊轉換接頭(25)以及固定電磁鐵(23)對應的軸孔里，蝸桿連接筒擋片(21)固連在蝸桿連接筒(24)的前端部；蝸桿軸(16)安裝在限位塊(20)的對應軸孔里以及蝸桿連接筒(24)、蝸桿連接筒擋片(21)的正三角形通孔中；在第一電磁滑塊轉換接頭(22)、第二電磁滑塊轉換接頭(25)以及固定電磁鐵(23)的頂部安裝有電極塊(33);在電機軸(7)的另一端安裝有45度的錐齒輪(5)，動力行星輪(4)的軸(29)上裝有可復位錐齒輪(28)，制動圓盤(32)套在動力行星輪(4)、第一行星輪(2)、第二行星輪(2')的軸上。
2.根據權利要求1所述的單電機三自由度機械手臂機構，其特征在于膜片型聯軸器(27)、鑰匙塊(26)、第一電磁滑塊轉換接頭(22)、第二電磁滑塊轉換接頭(25)以及固定電磁鐵(23)、限位塊(20)、蝸桿連接筒(24)、蝸桿軸(16)都內置于套筒(9)內部。
3.根據權利要求1所述的單電機三自由度機械手臂機構，其特征在于套筒(9)的內表面開有使第一電磁滑塊轉換接頭(22)、第二電磁滑塊轉換接頭(25)往復滑動的光滑槽，該光滑槽分別設有左、右兩個極限位置，在套筒(09)的外表面開有電極塊(33)連接導線的矩形孔。
4.根據權利要求1所述的單電機三自由度機械手臂機構，其特征在于鑰匙塊(26)的形狀為十字形，且棱邊有以利于和其他裝置接通或斷開的倒角。
5.根據權利要求1所述的單電機三自由度機械手臂機構，其特征在于第一電磁滑塊轉換接頭(22)上有一個光滑的圓孔，該圓孔的直徑與蝸桿連接筒(24)前部的直徑相同，蝸桿連接筒(24)插入上述圓孔之中并在其上固連以限制其左右移動的擋片(21)。
6.根據權利要求1所述的單電機三自由度機械手臂機構，其特征在于蝸桿連接筒(24)的后部開有矩形接口，后部直徑大于前部直徑，整個零件內部開有正三角形通孔，且后部開有用于吸收震動的凹槽。
7.根據權利要求1所述的單電機三自由度機械手臂機構，其特征在于蝸桿軸(16)的尾部為三角形，形狀大小與蝸桿連接筒(24)內部的三角形通孔相匹配，并且三條棱邊均倒圓角。
8.根據權利要求1所述的單電機三自由度機械手臂機構，其特征在于第一電磁滑塊轉換接頭(22 )、第二電磁滑塊轉換接頭(25 )及固定電磁鐵(23 )中都有內置電磁鐵，其上都有用來接線的電極塊(33);固定電磁鐵(23)上開有直徑等于蝸桿連接筒(24)后部直徑的光滑圓孔，第二電磁滑塊轉換接頭(25)上開有直徑大于蝸桿連接筒(24)后部直徑的光滑圓孔。
9.根據權利要求1所述的單電機三自由度機械手臂機構，其特征在于限位塊(20)的內部裝有兩個滾動軸承(19)。
10.根據權利要求1所述的單電機三自由度機械手臂機構，其特征在于制動圓盤(32)上開有三個相差120度的光滑軸孔，軸孔直徑與行星輪的軸徑相同。
【文檔編號】B25J11/00GK104385276SQ201410524405
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月9日 優先權日:2014年10月9日
【發明者】段紅燕, 錢偉, 李朝暉, 楊萍, 張淑珍, 劉麗娜 申請人:蘭州理工大學