一種機械手的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種機械手，機械手包括基座、機械臂和驅動機構，機械臂由至少兩個關節件串聯而成，每一關節件具有一轉動軸，相鄰關節件的轉動軸平行或正交，每一所述關節件對應配置有拉繩，拉繩在驅動機構的驅動下獨立拉動對應關節件使該關節件繞其自身的轉動軸正反轉動，本實用新型的機械手優點在于利用正交或平行關節件的連接及使用拉繩以控制關節件的擺動，增加了工作空間范圍，結構簡單而且易于控制。
【專利說明】
一種機械手
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種機械手。
【背景技術】
[0002]相比早期機器人只為替代單一的工種，或者在指定的環境下完成單一的動作而言，如今對于機器人的研究更多的是基于復雜乃至未知的環境下，多任務的結合。在這種非結構化的、未知的環境下作業的大趨勢下，以輪式或者履帶式作為移動方式的傳統的移動機器人，其運動穩定性差、在特殊環境中運動不靈活等弊病日益暴露出來。這就使得以新的運動方式代替傳統移動形式的機器人的研究成為了熱點。
[0003]與傳統的輪式或行走式機器人相比，蛇形機器臂由于其天生的多關節、多冗余自由度，可以有多種運動模式，這就為蛇形機器臂在不同領域的使用與推廣成為可能；同時，與目前使用廣泛的工業多軸機械臂相比(如六軸機械臂)，蛇形機器臂結構上更加靈活，更適用于空間狹小、情況復雜的工作環境。然而另一個現實是，鮮有研究機構對蛇形機器臂進行深入廣泛的研究，尤其是在國內，更遑論將蛇形機器臂與實際的工業作業相結合。
[0004]目前蛇形機器人(臂)的主要設計方式有以下幾種:一是關節平行連接，這樣的方式控制雖然簡單，但最大的問題在于不能實現三維空間的運動，極大限制了使用范圍；二是關節正交連接，這種方式可實現幾乎三維空間內的任意角度的運動，控制方式簡便，但按照現有的技術，使用這種方式需要的驅動機構較多;三是關節萬向節連接，能夠實現三維空間內的360度旋轉，但加工復雜，控制難度高。如何設計出加工難度低、運動范圍廣、控制簡單、驅動精簡的機械結構，是蛇形機械臂的熱點與難點
【發明內容】
[0005]本實用新型的目的在于針對現有機械手中普遍存在的驅動結構復雜、和控制復雜的不足，提出了一種機械手的結構，以達到簡單易控制，而且能夠實際運用于工業作業中的目的。
[0006]為實現上述目的，本實用新型采用以下技術方案:
[0007]—種機械手，包括基座、機械臂和驅動機構，其特征在于，機械臂由至少兩個關節件串聯而成，每一關節件具有一轉動軸，相鄰關節件的轉動軸平行或正交，機械臂第一端最末的關節件能夠以其轉動軸為轉動中心轉動的方式連結于所述基座，其余各關節件能夠以其轉動軸為轉動中心與相鄰的關節件相轉動連結，機械臂第二端最末的關節件安裝有終端執行器;每一所述關節件對應配置有拉繩，拉繩在驅動機構的驅動下獨立拉動對應關節件使該關節件繞其自身的轉動軸正反轉動。
[0008]本實用新型優點在于利用正交或平行關節件的連接及使用拉繩以控制關節件的擺動，增加了工作空間范圍，結構簡單而且易于控制。
[0009]本實用新型可通過如下方案進行改進:
[0010]所述的一種機械手，其特征在于，所述驅動機構由若干驅動單元組成，每一所述關節件對應配置有一驅動單元和兩根拉繩，所述驅動單元包括驅動支架、推動機構和驅動杠桿，所述驅動支架安裝在所述基座上，所述驅動杠桿具有兩個拉繩連接部，所述驅動杠桿鉸接在所述驅動支架上且其鉸接位置處于所述兩個拉繩連接部之間，所述推動機構鉸接于所述驅動支架上，推動機構具有可伸縮運動的輸出軸，輸出軸與所述驅動杠桿鉸接，輸出軸的伸縮運動使所述驅動杠桿繞其鉸接中心軸正反轉動，兩根所述拉繩的一端與關節件相連接且分列在對應關節件之轉動軸的兩側，另一端與對應的拉繩連接部連接。從理論上來說，當用直線型驅動結構來驅動一個萬向節連接關節時，至少需要三根驅動拉線、三個電機來驅動，因此，采用上述驅動機構，一個驅動單元即能驅動兩根拉線，也即兩個正交型關節件只需要用四根拉線來驅動，即所需推動機構數量僅為兩個，因此，相比平行連接方式而言，上述驅動機構增加了工作空間的范圍，又相比萬向節連接方式而方，述驅動機構減少了驅動機構的數量、降低了加工、控制難度。
[0011 ]所述的一種機械手，其特征在于，每一拉繩還配置有拉繩預緊裝置，拉繩預緊裝置包括設置在拉繩之與拉繩連接部連接的一端周壁上的外螺紋、可與所述外螺紋螺合的調節螺母，及調節彈簧，所述拉繩依次穿過所述拉繩連接部和調節彈簧后與調節螺母螺合，調節彈簧兩端分別抵頂調節螺母和拉繩連接部。拉繩預緊裝置可以在拉繩不緊的時候調節其松緊度。
[0012]所述的一種機械手，其特征在于，所述機械臂由至少兩種不同規格大小的關節件所組成，關節件依其尺寸由大到小從機械臂第一端排布到機械臂第二端，所述驅動機構根據所驅動的關節件的大小而具備有至少兩種不同規格的驅動單元，相同規格的驅動單元其驅動杠桿的鉸接中心分布在同一圓心的同一圓周上，并且在該圓周上呈等角分布，不同規格的驅動單元其驅動杠桿的鉸接中心分布在同一圓心的不同直徑的圓周上。機械臂采用至少兩種不同規格大小的關節件所組成可使拉繩之間擁有相對運動的空間，同時又為了盡量減輕機械臂本身重量。驅動杠桿采用長度不等的兩種形式，采用了短臂的杠桿可以提高了驅動單元的響應速度，從而提高機械手的靈活程度
[0013]所述的一種機械手，其特征在于，關節件包括有關節柱，關節柱的兩端分別設置上鉸接部和下鉸接部，所述下鉸接部形成有所述轉動軸，上鉸接部可與相鄰關節件的下鉸接部相鉸接。
[0014]所述的一種機械手，其特征在于，關節柱與上鉸接部之間設置有與關節柱同中心軸的上圓盤，上圓盤上設置若干供拉繩連接或拉繩通過上過孔，上過孔的中心軸分布在以上圓盤的中心軸為圓心的同一圓周上，并且在該圓周上呈等角分布。
[0015]所述的一種機械手，其特征在于，關節柱與下鉸接部之間設置有與關節柱同中心軸的下圓盤，下圓盤上設置若干供拉繩通過的下過孔，下過孔的中心分布在以下圓盤的中心為圓心的同一圓周上，并且在該圓周上呈等角分布。
[0016]所述的一種機械手，其特征在于，所述機械手還包括有控制器，每一所述關節件配置有用以實時檢測該關節件相對以該關節件之轉動軸為轉動中心相連接相鄰關節件的轉動角度的角度檢測裝置，所述角度檢測裝置將所檢測的轉動角度信息反饋至控制器，控制器做出停止或調節的驅動指令作用于所述驅動機構。
[0017]所述的一種機械手，其特征在于，角度檢測裝置包括角度檢測傳感器模塊和關節連接滾軸，所述角度檢測傳感器模塊安裝在對應的關節件上并具有一檢測孔，所述關節連接滾軸連接相鄰兩個關節件且其中心軸作為所述其對應的關節件的轉動軸，關節連接滾軸跟隨關節件相對以該關節件之轉動軸為轉動中心相連接相鄰關節件的轉動而轉動，關節連接滾軸的一端延伸設置有檢測頭，檢測頭伸進所述檢測通孔實時測量轉動角。
【附圖說明】
[0018]圖1是實施例之機械手的二維狀態不意圖；
[0019]圖2是只顯示一個驅動單元、兩個關節件及拉繩間相互關系的三維狀態示意圖；
[0020]圖3是顯示兩個關節件及角度檢測裝置安裝關系的三維狀態示意圖；
[0021 ]圖4是圖3所示結構的三維分解狀態示意圖；
[0022]圖5是圖3所示結構的一個縱向剖面結構示意圖(經過轉動軸)；
[0023]圖6是圖3所示結構的一個橫向剖面結構示意圖(經過轉動軸)；
[0024]圖7是只顯示一個驅動單元及拉繩間相互關系的三維狀態示意圖；
[0025]圖8是圖7所示結構的一個縱向剖面結構示意圖(經過拉繩的中心軸)；
[0026I圖9是驅動機構的三維狀態示意圖；
[0027]圖1O是圖9所示結構的俯視圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細的說明。
[0029]如附圖1所述的一種機械手，包括基座1、機械臂2和驅動機構3，機械臂2由至少兩個關節件4串聯而成，每一關節件4具有一轉動軸41，相鄰關節件4的轉動軸41平行或正交(本實施例只采用相鄰關節件4的轉動軸41正交的形式)。機械臂第一端21最末的關節件4能夠以其轉動軸41為轉動中心轉動的方式連結于所述基座1，其余各關節件4能夠以其轉動軸41為轉動中心與相鄰的關節件4相轉動連結，機械臂第二端22最末的關節件4安裝有終端執行器5;每一所述關節件4對應配置有拉繩6，拉繩6在驅動機構3的驅動下獨立拉動對應關節件4使該關節件4繞其自身的轉動軸41正反轉動。
[0030]所述關節件4如附圖4所示，其包括有關節柱42，關節柱42的兩端分別設置上鉸接部43a和下鉸接部43b，所述下鉸接部43b形成有所述轉動軸41，上鉸接部43a可與相鄰關節件4的下鉸接部43b相鉸接。關節柱42與上鉸接部43a之間設置有與關節柱42同中心軸的上圓盤44a，上圓盤44a上設置若干供拉繩6連接或拉繩6通過上過孔45a，上過孔45a的中心分布在以上圓盤44a的中心為圓心的同一圓周上，并且在該圓周上呈等角分布。關節柱42與下鉸接部43b之間設置有與關節柱42同中心軸的下圓盤44b，下圓盤44b上設置若干供拉繩6通過的下過孔45b，下過孔45b的中心分布在以下圓盤44b的中心為圓心的同一圓周上，并且在該圓周上呈等角分布。
[0031]具體而言，本實施中機械臂2采用了共20個關節件4，基座I具有一個結構類似關節件4的結構以供機械臂第一端21最末的關節件4與其鉸接，即該類似關節件4的結構只由關節柱42、上圓盤44a和上鉸接部43a所組成。
[0032]終端執行器5可采用諸如夾爪等一些可以執行任務的執行機構，在此不展開闡述。
[0033]如附圖2、附圖7和附圖8所示，所述驅動機構3由若干驅動單元31組成，每一所述關節件4對應配置有一驅動單元31和兩根拉繩6，所述驅動單元31包括驅動支架311、推動機構312和驅動杠桿313，所述驅動支架311安裝在所述基座I上，所述驅動杠桿313具有兩個拉繩連接部314，所述驅動杠桿313鉸接在所述驅動支架311上且其鉸接位置處于所述兩個拉繩連接部314之間，所述推動機構312鉸接于所述驅動支架311上，推動機構312具有可伸縮運動的輸出軸315，輸出軸315與所述驅動杠桿313鉸接，輸出軸315的伸縮運動使所述驅動杠桿313繞其鉸接中心軸正反轉動，兩根所述拉繩6的一端與關節件4相連接且分列在對應關節件4之轉動軸41的兩側，另一端與對應的拉繩連接部314連接。具體而言，拉繩6的一端設置有卡帽61，卡帽61可將拉繩6鉗住在對應關節件4上的其中一個上過孔45a中，每一關節件4供兩個拉繩6—端鉗住的兩個上過孔45a的中心連線與該關節件4的轉動軸41正交，以達到最省力的目的。
[0034]所述推動機構312可以是一種電推桿驅動機構，該電推桿驅動機構包括電機和減速齒輪組，電機的正反轉動帶動減速齒輪，最終實現推動機構312的輸出軸315的伸縮運動，所述推動機構312也可以是一種氣缸驅動機構3，氣缸的缸體鉸接在所述驅動支架311上，而氣缸的推動軸即為所述輸出軸315，也可以實現推動機構312的輸出軸315的伸縮運動。
[0035]由于前(即相對靠近機械臂第二端22—端位置)一個關節件4的所對應的拉繩6必定會穿過后(即相對遠離機械臂第二端22—端位置)一個關節件4的過孔(包括上過孔45a和下過孔45b)，因此越靠近機械臂第一端21的關節件4其穿過的拉繩6數量越多，為了使拉繩6之間擁有相對運動的空間，同時又為了盡量減輕機械臂2本身重量，所以所述機械臂2由至少兩種不同規格大小的關節件4所組成。關節件4依其尺寸由大到小從機械臂第一端21排布到機械臂第二端22，本實施中，機械臂2優選兩種不同規格大小的關節件4(分為46a和46b)所組成。同一關節件4的上圓盤44a和下圓盤44b采用相同直徑的圓盤，而兩種不同規格大小的關節件4的主要區別在于圓盤的直徑不同，當然，其關節柱42的直徑也是可以不同的。圓盤直徑較大的關節件4靠近機械臂第一端21，而圓盤直徑較小的關節件4遠離機械臂第一端
21ο
[0036]另外，雖然不同的關節件4因其位置決定了其為其它關節件4提供的過孔(包括上過孔45a和下過孔45b)的數量不同，因而各關節件4其過孔(包括上過孔45a和下過孔45b)的數量是可以不一樣的，不過為了便于生產，每一關節件4仍采用相同數量的過孔(包括上過孔45a和下過孔45b)。
[0037]如附圖9和附圖10所示，所述驅動機構3根據所驅動的關節件4的大小而具備有至少兩種不同規格的驅動單元31，相同規格的驅動單元31其驅動杠桿313的鉸接中心分布在同一圓心的同一圓周(如附圖10虛線圓圈所示)上，并且在該圓周上呈等角分布，不同規格的驅動單元31其驅動杠桿313的鉸接中心分布在同一圓心的不同直徑的圓周(如附圖10兩個虛線圓圈71、72所示)上。在本實施例中，對應上述所述兩種不同規格的關節件4配置兩種不同規格的驅動單元31，兩種不同規格的驅動單元31的區別主要在于各自的驅動杠桿313的尺寸不同。具體地而言是驅動杠桿313采用長度不等的兩種形式，采用了短臂的杠桿可以提高了驅動單元31的響應速度，從而提高機械手的靈活程度。
[0038]結合附圖2、附圖7、附圖8所示，每一拉繩6還配置有拉繩預緊裝置62，拉繩預緊裝置62包括設置在拉繩6之與拉繩連接部314連接的一端周壁上的外螺紋、可與所述外螺紋螺合的調節螺母621，及調節彈簧622，所述拉繩6依次穿過所述拉繩連接部314和調節彈簧622后與調節螺母621螺合，調節彈簧622兩端分別抵頂調節螺母621和拉繩連接部314。通過旋轉調節螺母621對拉繩6進行預緊設置。特別地，拉繩6還外套63設有外套63，外套63能夠有效的降低拉繩6運動時，對其他無關的關節件4造成的運動耦合影響。
[0039]如附圖3至附圖6所示，所述機械手還包括有控制器，每一所述關節件4配置有用以實時檢測該關節件4相對以該關節件4之轉動軸41為轉動中心相連接相鄰關節件4的轉動角度的角度檢測裝置8，所述角度檢測裝置8將所檢測的轉動角度信息反饋至控制器，控制器做出停止或調節的驅動指令作用于所述驅動機構3。角度檢測裝置8包括角度檢測傳感器模塊81和關節連接滾軸82，所述角度檢測傳感器模塊81安裝在對應的關節件4上并具有一檢測孔811，所述關節連接滾軸82連接相鄰兩個關節件4且其中心軸作為所述其對應的關節件4的轉動軸41，關節連接滾軸82跟隨關節件4相對以該關節件4之轉動軸41為轉動中心相連接相鄰關節件4的轉動而轉動，關節連接滾軸82的一端延伸設置有檢測頭821，檢測頭821伸進所述檢測通孔實時測量轉動角度。
[0040]另外，采用上述所機械手的一種蛇形機器臂系統裝置的實現方法包括以下步驟:
[0041]A:根據控制器設定的參數，驅動機構3工作，拉繩6在驅動機構3的驅動下獨立拉動對應關節件4使該關節件4繞其自身的轉動軸41正反轉動，從而帶動對應的關節件4能夠進行擺動；
[0042]B:關節件4運動時，角度檢測裝置8將所檢測的轉動角度是否到達預定位置信息反饋至控制器，控制器實時做出相應的停止指令或者調節控制驅動機構3的指令，以使最終控制終端執行器5到達指定位置執行任務。
[0043]對于執行上面步驟B的過程中，后一關節件4的動作是跟隨前一關節件4的動作的，即在前一關節件4動作的基礎上再做擺動角度的調整，這樣能大大降低控制上的難度。例如避障時，第一個關節件4向上抬起kl度，避開障礙物后再向下旋轉k2度，那么后面的每個關節件4中，與前一個關節件4有相同擺動方向的關節件4的動作都控制使其形成先向上抬起kl度，后向下低頭k2度的姿態，這樣機械手整體就能順利避開障礙物。一個簡單的動作是當機械手的預定動作為一個環狀動作時，此時第一個關節件4的俯仰方向旋轉一定角度，其余后面的每個關節件4中關于俯仰方向的關節件4均依次旋轉相同角度，即可實現預定動作。
【主權項】
1.一種機械手，包括基座、機械臂和驅動機構，其特征在于，機械臂由至少兩個關節件串聯而成，每一關節件具有一轉動軸，相鄰關節件的轉動軸平行或正交，機械臂第一端最末的關節件能夠以其轉動軸為轉動中心轉動的方式連結于所述基座，其余各關節件能夠以其轉動軸為轉動中心與相鄰的關節件相轉動連結，機械臂第二端最末的關節件安裝有終端執行器;每一所述關節件對應配置有拉繩，拉繩在驅動機構的驅動下獨立拉動對應關節件使該關節件繞其自身的轉動軸正反轉動。2.根據權利要求1所述的一種機械手，其特征在于，所述驅動機構由若干驅動單元組成，每一所述關節件對應配置有一驅動單元和兩根拉繩，所述驅動單元包括驅動支架、推動機構和驅動杠桿，所述驅動支架安裝在所述基座上，所述驅動杠桿具有兩個拉繩連接部，所述驅動杠桿鉸接在所述驅動支架上且其鉸接位置處于所述兩個拉繩連接部之間，所述推動機構鉸接于所述驅動支架上，推動機構具有可伸縮運動的輸出軸，輸出軸與所述驅動杠桿鉸接，輸出軸的伸縮運動使所述驅動杠桿繞其鉸接中心軸正反轉動，兩根所述拉繩的一端與關節件相連接且分列在對應關節件之轉動軸的兩側，另一端與對應的拉繩連接部連接。3.根據權利要求2所述的一種機械手，其特征在于，每一拉繩還配置有拉繩預緊裝置，拉繩預緊裝置包括設置在拉繩之與拉繩連接部連接的一端周壁上的外螺紋、可與所述外螺紋螺合的調節螺母，及調節彈簧，所述拉繩依次穿過所述拉繩連接部和調節彈簧后與調節螺母螺合，調節彈簧兩端分別抵頂調節螺母和拉繩連接部。4.根據權利要求1所述的一種機械手，其特征在于，所述機械臂由至少兩種不同規格大小的關節件所組成，關節件依其尺寸由大到小從機械臂第一端排布到機械臂第二端，所述驅動機構根據所驅動的關節件的大小而具備有至少兩種不同規格的驅動單元，相同規格的驅動單元其驅動杠桿的鉸接中心分布在同一圓心的同一圓周上，并且在該圓周上呈等角分布，不同規格的驅動單元其驅動杠桿的鉸接中心分布在同一圓心的不同直徑的圓周上。5.根據權利要求1所述的一種機械手，其特征在于，關節件包括有關節柱，關節柱的兩端分別設置上鉸接部和下鉸接部，所述下鉸接部形成有所述轉動軸，上鉸接部可與相鄰關節件的下鉸接部相鉸接。6.根據權利要求5所述的一種機械手，其特征在于，關節柱與上鉸接部之間設置有與關節柱同中心軸的上圓盤，上圓盤上設置若干供拉繩連接或拉繩通過上過孔，上過孔的中心軸分布在以上圓盤的中心軸為圓心的同一圓周上，并且在該圓周上呈等角分布。7.根據權利要求6所述的一種機械手，其特征在于，關節柱與下鉸接部之間設置有與關節柱同中心軸的下圓盤，下圓盤上設置若干供拉繩通過的下過孔，下過孔的中心分布在以下圓盤的中心為圓心的同一圓周上，并且在該圓周上呈等角分布。8.根據權利要求1至7任一權利要求所述的一種機械手，其特征在于，所述機械手還包括有控制器，每一所述關節件配置有用以實時檢測該關節件相對以該關節件之轉動軸為轉動中心相連接相鄰關節件的轉動角度的角度檢測裝置，所述角度檢測裝置將所檢測的轉動角度信息反饋至控制器，控制器做出停止或調節的驅動指令作用于所述驅動機構。9.根據權利要求8所述的一種機械手，其特征在于，角度檢測裝置包括角度檢測傳感器模塊和關節連接滾軸，所述角度檢測傳感器模塊安裝在對應的關節件上并具有一檢測孔，所述關節連接滾軸連接相鄰兩個關節件且其中心軸作為所述其對應的關節件的轉動軸，關節連接滾軸跟隨關節件相對以該關節件之轉動軸為轉動中心相連接相鄰關節件的轉動而轉動，關節連接滾軸的一端延伸設置有檢測頭，檢測頭伸進所述檢測通孔實時測量轉動角度。
【文檔編號】B25J13/08GK205466236SQ201620089457
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月29日
【發明人】龍曉斌, 冬雷, 焦大勇, 蘇雪
【申請人】中山市博奧控制技術有限公司