一種多功能平面機械臂系統的制作方法

本發明涉及一種多功能、多自由度的平面機械臂系統，屬于機器人技術領域。

背景技術：

平面多連桿機械臂系統是一類非線性系統，它被廣泛應用于工業生產、太空探索、醫療救治與海洋探險等方面。根據系統原動件個數與系統自由度個數的之間的關系，可將平面多連桿機械臂系統劃分為全驅動系統與欠驅動系統。其中，平面多連桿欠驅動機械臂系統由于驅動裝置的減少，使得系統具有重量輕、低能耗等優點，并且當全驅動系統的部分驅動裝置出現故障，通過欠驅動控制策略，系統仍可正常運行。因此，對平面多連桿機械欠驅動臂系統的研究，具有重要的實際意義。

平面多連桿欠驅動機械臂系統含義一個被動關節是一類非完整系統。當欠驅動關節位于系統的第一關節時，該類系統是一類一階非完整系統；當欠驅動關節位于其它關節時，該類系統是一類二階非完整系統。當前，針對平面多連桿欠驅動機械臂系統研究主要集中于理論研究，相應的實驗研究成果較為匱乏。并且，少有的平面多連桿欠驅動機械臂系統實際設備也集中在二連桿或三連桿機械臂系統，它們的具體形式單一，難以實現同一設備囊括系統的兩種非完整特性。

技術實現要素：

針對上述研究現狀，本發明的目的是提供一種多功能平面機械臂系統，并且通過選擇電磁制動器是否開啟，以及可拆卸關節是否安裝，本發明可演變為多種類型的平面全驅動與欠驅動機械臂系統。

實現本發明目的所采用的技術方案為，一種多功能平面機械臂系統，至少包括基座，通過轉動副連接的第一、第二、第三和第四關節，以及用于支撐各關節的第一、第二、第三和第四機械臂，第一關節與基座通過轉動副連接，各關節采用電動機或制動器，所述第一、第三和第四關節均采用內置編碼器的伺服電機，第二關節采用制動器，第一、第二和第三關節上均安裝有外設的編碼器；所述第一機械臂為沿水平面設置的配重板，第一機械臂的寬度為制動器直徑的0.8～1.1倍、厚度為制動器高度的0.9～1.2倍，第二、第三和第四機械臂均為沿豎直面設置的配重板，配重板上設有配重塊；還包括線架，線架安裝于基座上，所述線架包括線管和固定組件，線管通過固定組件安裝于基座上，上述伺服電機、制動器和編碼器的導線匯集于線管中。

基座19上設有基座盤17，基座盤17上設有直徑不大于基座盤直徑的第一過渡盤16，基座19、基座盤17和第一過渡盤16通過螺釘順序固連；第一機械臂位于第一過渡盤16的上方，第一機械臂靠近基座19的端部的下表面上設有與基座盤17相配合的弧形凹面，弧形凹面的高度不大于第一機械臂厚度的1/10。

所述第一關節52包括從上至下順序安裝的第一編碼器1、第一聯軸盤38、第一聯軸座39、第一減速機41、第一減速機機座42和第一伺服電機43；第一伺服電機43與第一減速機機座42通過螺釘固連；第一減速機機座42與第一減速機41通過螺釘固連；第一減速機41與基座盤17通過螺釘固連并且二者之間安裝有墊圈40；第一聯軸座39與第一減速機的輸出軸鍵聯接；第一聯軸盤38與第一編碼器1通過第一聯軸器21同軸聯接；第一聯軸盤38與第一聯軸座39通過螺釘固連；第一編碼器1通過第一編碼器支架15與基座19固連，第一機械臂2與聯軸座39通過螺釘固連。

所述第二關節53包括從上至下順序安裝的第二編碼器3、第二聯軸盤44、第二連接座4、第二過渡盤A24、第二過渡盤B47和電磁制動器25，電磁制動器25置于第一機械臂2下方并通過螺釘與其固連；第二過渡盤B47與電磁制動器25固連；第二過渡盤A24置于第一機械臂2上方并通過螺釘與其固連；第二過渡盤A24與第二過渡盤B47之間安裝有墊圈46；電磁制動器25與軸45通過緊固盤26固連，軸45與第二連接座4固連；第二連接座4與第二聯軸盤44通過螺釘固連；第二聯軸盤44與第二編碼器3通過第二聯軸器23同軸聯接；第二編碼器3通過第二編碼器支架22與第一機械臂2固連；第二機械臂5與第二連接座4通過2個以上螺釘固連。

所述第三關節54包括從上至下順序安裝的第三編碼器7、第三聯軸盤48、第三連接座8、第三減速機50、第三減速機機座32、第三軸套28、第三過渡塊49和第三伺服電機33，第三伺服電機33與第三減速機機座32通過螺釘固定連接；第三減速機機座32與第三減速機50通過螺釘固定連接，第三減速機50與第三軸套28通過螺釘固連；第三減速機的轉軸與第三連接座8鍵聯接；第三過渡塊49嵌于第三連接座8中并與其固定連接；第三連軸盤48與第三連接座8通過螺釘固連；第三聯軸盤48與第三編碼器7通過第三聯軸器27同軸聯接；第三編碼器7通過第三編碼器支架6與第三軸套28固連；第三機械臂9與第三連接座8通過2個以上螺釘固連。

所述第四關節55包括從上至下順序安裝的第四連接座10、第四減速機51、第四減速機機座30、第四軸套29和第四伺服電機31，第四伺服電機31與第四減速機機座30通過螺釘固定連接；第四減速機機座30與第四減速機51通過螺釘固定連接，第四減速機51與第四軸套29通過螺釘固連；第四減速機的轉軸與第四連接座10過盈配合；第四機械臂11與第四連接座10通過2個以上螺釘固連。

所述第一、第三和第四關節均采用內置編碼器的交流伺服電機。

所述第二機械臂5與第三機械臂9上均開設有1個以上減重孔，配重塊的截面形狀與減重孔的形狀相匹配。

所述第二機械臂5與第三機械臂9的兩端以及第四機械臂11的固定端上均設有帶螺紋孔的安裝板，安裝板與機械臂固連為一體或焊接固定，安裝板與機械臂之間設有三角肋板。

所述線管為水平放置的彈簧，所述固定組件包括支管、支桿和兩個固定件，所述支桿呈倒置的L型，彈簧一端懸空、另一端與支桿的橫臂固連，兩個固定件從上至下焊接于支管外表面，支桿豎臂的下端固定于兩個固定件中，上述伺服電機、制動器和編碼器的導線匯集于彈簧和支管中。

由上述技術方案可知，本發明提供的多功能平面機械臂系統，設計特殊的四關節機械臂結構，其中所述第一、第三和第四關節均采用內置編碼器的伺服電機，第二關節采用制動器，即第一、第三和第四關節均為全驅動關節，第二關節為欠驅動關節，機械臂分為兩端可連接式和一端可連接式，兩端可連接式機械臂用于連接第二關節與第三關節(即第二機械臂)或連接第三關節與第四關節(即第三機械臂)，一端可連接式用于系統的末端機械臂(即第四機械臂)，通過改變機械臂的長度與寬度，可產生多種長度與寬度各不相同的機械臂，并且通過選擇電磁制動器是否開啟，以及可拆卸關節是否安裝，本發明可演變為多種類型的平面全驅動與欠驅動機械臂系統。

本發明的四個關節中，第一關節和第三關節均采用雙編碼器結構，一個是伺服電機的內置編碼器，一個是外置輔助編碼器，由于關節安裝減速機，而減速機或多或少的存在一定工作間隙，所以僅通過讀取伺服電機內置編碼器并乘以減速比的方式，求取機械臂的實際轉角是不準確的，因此加裝輔助編碼器加以修正，第二關節是欠驅動關節，僅含有輔助編碼器，第四關節僅含有伺服電機內置的編碼器，由于第四關節處于末端，因此它只負責帶動第四機械臂旋轉，而不需要像第三關節和第一關節一樣要帶動后續關節和機械臂轉動，所以由減速機間隙構成的誤差就相對較小，因此未安裝輔助編碼器，同時可減輕第四關節整體的重量。

本發明的四個機械臂均為配重板，配重板上設有配重塊，通過改變配重塊的安裝位置以及配重塊的重量可改變各機械臂的質心，因此本發明可模擬不同連桿質心位置的機械臂系統；由于第一機械臂承載后續三個關節的重量，因此第一機械臂設計為寬度為制動器直徑的0.8～1.1倍、厚度為制動器高度的0.9～1.2倍的結構，保證第一機械臂具有足夠的結構強度，不會產生撓度，從而保證該機械臂系統的動作精度；基座上設置基座盤和第一過渡盤，第一機械臂靠近基座的端部的下表面上設有與基座盤相配合的弧形凹面，弧形凹面不僅可減輕第一機械臂重量，而且可為已產生細微撓度的第一機械臂提供運動空間，弧形凹面的高度不大于第一機械臂厚度的1/10，不會影響第一機械臂的整體結構強度；各個關節內部均采用螺紋緊固件連接，便于拆裝。

實際操作中存在諸多影響機械臂運動準確性的因素，其一為導線，眾多伺服電機、制動器和編碼器的導線對運動本身以及運動觀測產生干擾，本發明在基座上設置線架，并且采用彈簧固定導線，合理利用彈簧的中間通腔，由于彈簧自身具有彈性、可彎曲，其懸臂端可根據自重和外力產生適應性彎曲，并且通過彈簧和支管匯聚導線，機械臂上不再設置導線安裝位，減小導線對運動的干擾，同時便于導線的梳理。

附圖說明

圖1為本發明提供的多功能平面機械臂系統的整體結構示意圖。

圖2為本發明提供的多功能平面機械臂系統的主視圖。

圖3為兩孔式兩端可聯接式機械臂的結構示意圖。

圖4為三孔式兩端可聯接式機械臂的結構示意圖。

圖5為四孔式兩端可聯接式機械臂的結構示意圖。

圖6為一端可聯接式機械臂的結構示意圖。

圖7為基座和線架的結構示意圖。

圖8為第一關節的剖視圖。

圖9為第二關節的剖視圖。

圖10為第三關節的剖視圖。

圖11為第四關節的剖視圖。

圖12為平面欠驅動結構Pendubot的結構圖。

圖13為平面欠驅動結構Acrobot的俯視圖。

圖14為平面兩連桿全驅動機械臂系統的俯視圖。

圖15為平面三連桿欠驅動機械臂系統APA的俯視圖。

圖16為平面三連桿欠驅動機械臂系統PAA的俯視圖。

圖17為平面三連桿全驅動機械臂系統的俯視圖。

圖18為系統控制流程圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細具體說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明，本發明的內容不局限于以下實施例。

本發明提供的多功能平面機械臂系統，其結構如圖1和圖2所示，包括基座19，通過轉動副連接的第一、第二、第三和第四關節，以及用于支撐各關節的第一、第二、第三和第四機械臂，第一關節與基座19通過轉動副連接，各關節采用電動機或制動器；所述第一、第三和第四關節均采用內置編碼器的交流伺服電機，第二關節采用制動器，第一、第二和第三關節上均安裝有外設的編碼器；所述第一關節的第一機械臂為沿水平面設置的配重板，第一機械臂的寬度為制動器直徑的0.8～1.1倍、厚度為制動器高度的0.9～1.2倍，第二、第三和第四關節的機械臂均為沿豎直面設置的配重板，配重板上設有配重塊；

所述第二機械臂5與第三機械臂9均為兩端可聯接式機械臂，其上均開設有2～4個減重孔61，參見圖3、圖4和圖5，兩端可聯接式機械臂的兩端均設有帶螺紋孔的安裝板，安裝板與機械臂固連為一體或焊接固定，安裝板與機械臂之間設有三角肋板62，配重塊的截面形狀與減重孔的形狀相匹配；所述第四機械臂11為如圖6所示的一端可聯接式機械臂，第四機械臂11的固定端上設有帶螺紋孔的安裝板63，安裝板與機械臂固連為一體或焊接固定；

基座19通過螺釘安裝于試驗臺20上，試驗臺20通過4個地腳螺釘37固定于地面上，基座19上設有基座盤17，基座盤17上設有直徑不大于基座盤直徑的第一過渡盤16，基座19、基座盤17和第一過渡盤16通過螺釘順序固連；第一機械臂位于第一過渡盤16的上方，第一機械臂靠近基座19的端部的下表面上設有與基座盤17相配合的弧形凹面，弧形凹面的高度不大于第一機械臂厚度的1/10；

如圖7所示，線架安裝于基座19上，所述線架包括線管和固定組件，所述線管為水平放置的彈簧12，彈簧12通過固定組件安裝于基座上；所述固定組件包括支管18、支桿13和兩個固定件14，所述支桿13呈倒置的L型，彈簧12一端懸空、另一端與支桿13的橫臂固連，兩個固定件14從上至下焊接于支管18外表面，支桿13豎臂的下端固定于兩個固定件14中，參見圖2，上述伺服電機、制動器和編碼器的導線匯集于彈簧和支管中，并且通過接線連接片34、電頭A35和電頭B36接入外接供電線路；

如圖8所示，所述第一關節52包括從上至下順序安裝的第一編碼器1、第一聯軸盤38、第一聯軸座39、第一減速機41、第一減速機機座42和第一伺服電機43；第一伺服電機43與第一減速機機座42通過螺釘固連；第一減速機機座42與第一減速機41通過螺釘固連；第一減速機41與基座盤17通過螺釘固連并且二者之間安裝有墊圈40；第一聯軸座39與第一減速機的輸出軸鍵聯接；第一聯軸盤38與第一編碼器1通過第一聯軸器21同軸連接；第一聯軸盤38與第一聯軸座39通過螺釘固連；第一編碼器1通過第一編碼器支架15與基座19固連，第一機械臂2與聯軸座39通過螺釘固連；

如圖9所示，所述第二關節53包括從上至下順序安裝的第二編碼器3、第二聯軸盤44、第二連接座4、第二過渡盤A24、第二過渡盤B47和電磁制動器25，電磁制動器25置于第一機械臂2下方并通過螺釘與其固連；第二過渡盤B47與電磁制動器25固連；第二過渡盤A24置于第一機械臂2上方并通過螺釘與其固連；第二過渡盤A24與第二過渡盤B47之間安裝有墊圈46；電磁制動器25與軸45通過緊固盤26固連，軸45與第二連接座4固連；第二連接座4與第二聯軸盤44通過螺釘固連；第二聯軸盤44與第二編碼器3通過第二聯軸器23同軸聯接；第二編碼器3通過第二編碼器支架22與第一機械臂2固連；第二機械臂5與第二連接座4通過2個以上螺釘固連；

如圖10所示，所述第三關節54包括從上至下順序安裝的第三編碼器7、第三聯軸盤48、第三連接座8、第三減速機50、第三減速機機座32、第三軸套28、第三過渡塊49和第三伺服電機33，第三伺服電機33與第三減速機機座32通過螺釘固定連接；第三減速機機座32與第三減速機50通過螺釘固定連接，第三減速機50與第三軸套28通過螺釘固連；第三減速機的轉軸與第三連接座8鍵聯接；第三過渡塊49嵌于第三連接座8中并與其固定連接；第三連軸盤48與第三連接座8通過螺釘固連；第三聯軸盤48與第三編碼器7通過第三聯軸器27同軸聯接；第三編碼器7通過第三編碼器支架6與第三軸套28固連；第三機械臂9與第三連接座8通過2個以上螺釘固連。

如圖11所示，所述第四關節55包括從上至下順序安裝的第四連接座10、第四減速機51、第四減速機機座30、第四軸套29和第四伺服電機31，第四伺服電機31與第四減速機機座30通過螺釘固定連接；第四減速機機座30與第四減速機51通過螺釘固定連接，第四減速機51與第四軸套29通過螺釘固連；第四減速機的轉軸與第四連接座10過盈配合；第四機械臂11與第四連接座10通過2個以上螺釘固連。

實際使用中，通過選擇電磁制動器是否開啟，以及可拆卸關節是否安裝，本發明可演變為多種類型的平面全驅動與欠驅動機械臂系統。具體演變方式如下：

如圖12所示，通過拆除第三關節54、第四關節55、第三機械臂9和第四機械臂11，并使電磁制動器25切離，多功能平面機械臂系統可演變為一個第二關節為欠驅動的平面兩連桿機械臂系統，即平面Pendubot系統，其中，第一關節為原系統的第一關節52，第二關節為原系統的第二關節53。

如圖13所示，通過拆除第四關節55和第四機械臂11，使電磁制動器25切離，并控制第一關節52靜止，多功能平面機械臂系統可演變為一個第一關節為欠驅動的平面兩連桿機械臂系統，即平面Acrobot系統。

如圖14所示，通過拆除第四關節55和第四機械臂11，使電磁制動器25制動，多功能平面機械臂系統可演變為一個平面兩連桿全驅動機械臂系統，其中，第一關節為原系統的第一關節52，第二關節為原系統的第三關節54。

如圖15所示，通過拆除第四關節55和第四機械臂11，并使電磁制動器25切離，多功能平面機械臂系統可演變為一個第二關節為欠驅動的平面三連桿機械臂系統，即APA系統。

參見圖16所示，通過控制第一關節52靜止，多功能平面機械臂系統可演變為一個第一關節為欠驅動的平面三連桿機械臂系統，即PAA系統，其中，第一關節為原系統的第二關節53，第二關節為原系統的第三關節54，第三關節為原系統的第四關節55。

如圖17所示，使電磁制動器25制動，多功能平面機械臂系統可演變為一個平面三連桿全驅動機械臂系統，其中，第一關節為原系統的第一關節52，第二關節為原系統的第三關節54，第三關節為原系統的第四關節55。

多功能平面機械臂與操作員之間的通信模式參見圖18，運動控制卡采用固高科技有限公司研制的GE-390-SV系列多軸運動控制卡。通過編寫人機交互界面，操作員可實現對控制器參數以及控制算法的設置，并實時監測各關節的運動狀態。通過交流伺服電機自帶的定位功能，結合編碼器信息加以修正，可獲取各關節的運動狀態，并經由運動控制卡將這些狀態信息傳遞至PC機，以供操作員編寫反饋控制程序；操作人員編寫控制程序與算法，并通過PC機將程序指令傳遞給運動控制卡，運動控制卡通過控制伺服驅動器可以分別控制各個交流伺服電機的運動。