一种机械臂外置角度反馈装置及机械臂的制作方法

1.本发明涉及到机械臂领域，具体涉及到一种机械臂外置角度反馈装置及机械臂。


背景技术：

2.在串联式机械臂中，串联式机械臂中的每一级机械臂关节臂依次连接，在现有技术下，对串联式机械臂中的机械臂关节臂的姿态控制以及姿态监控主要依赖于高精度的伺服电机组件实现。
3.具体的，伺服电机组件中的伺服电机的运动精度由对应的编码器决定，编码器的分度精度是根据对信号的细分实现的，然而实际实施中，因为信号的细分会引入误差和扩大误差，过度的细分将无法保证编码器的运行精度；相应的，编码器的码盘质量越高，刻线越好，信号质量信号越好，细分后产生的误差就越小，编码器出厂时会有最佳的预设分度精度。
4.按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类，增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小；绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码。
5.在串联式机械臂中，对于增量式编码器而言，增量式编码器计数脉冲丢失会导致其所对应的机械臂关节臂的运动动作错误，从而导致串联式机械臂的工作末端的位置错误，因此，有必要对机械臂关节臂的摆动角度进行进一步的监测。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种机械臂外置角度反馈装置及机械臂，通过结构较为简单的外置设备对机械臂关节臂的摆动角度进行实时监测，具有良好的易用性。
7.相应的，本发明提供了一种机械臂外置角度反馈装置，包括第一连杆、第二连杆和球状装置：所述第一连杆具有第一外部连接端和第一内部连接端，所述第一内部连接端具有磁性；所述第二连杆具有第二外部连接端和第二内部连接端，所述第二内部连接端具有磁性；所述球状装置包括铁质壳体和全向磁性感应装置，所述全向磁性感应装置内置在所述铁质壳体中；所述第一内部连接端基于磁性可拆卸地吸附在所述铁质壳体外壁上，所述第二内部连接端基于磁性可拆卸地吸附在所述铁质壳体的外壁上；所述全向磁性感应装置用于获取所述铁质壳体上任一位置的磁场状态。
8.可选的实施方式，所述第一连杆的第一内部连接端的端面上沿圆周方向设置有若干磁性牛眼滚珠。
9.可选的实施方式，所述第二连杆的第二内部连接端的端面上沿圆周方向设置有若
干个磁性牛眼滚珠。
10.可选的实施方式，所述全向磁性感应装置包括柔性电路板，所述柔性电路板上阵列设置有磁电元件；所述柔性电路板贴合在所述铁质壳体的内壁上。
11.可选的实施方式，在所述第一连杆的第一外部连接端上设置有第一连接装置。
12.可选的实施方式，所述第一连接装置包括第一连接件、第一驱动滚筒和第一夹板；所述第一连接件的一端设置有第一连接筒，所述第一连接筒固定在所述第一外部连接端上，且所述第一连接筒与所述第一连杆同轴设置；所述第一连接件在相对于所述第一连接筒的另一端设置有第一卡接端，所述第一卡接端上设置有第一圆孔，所述第一圆孔的轴线与所述第一连接筒的轴线垂直；所述第一驱动滚筒同轴转动配合在所述第一圆孔中，且所述第一驱动滚筒关于所述第一卡接端对称分布；所述第一驱动滚筒的两个端面上分别设置有第一沉孔，每一个所述第一沉孔上分别配合设置有一片所述第一夹板；所述第一夹板包括第一夹板主体、第一导向杆和第一弹性件；所述第一导向杆的第一端固定在所述第一夹板主体上，所述第一导向杆的第二端与所述第一弹性件的第一端连接；所述第一导向杆滑动配合在对应的第一沉孔内；所述第一弹性件的第二端固定连接在对应的第一沉孔内部，且所述第一弹性件保持拉伸状态。
13.可选的实施方式，在所述第二连杆的第二外部连接端上设置有第二连接装置。
14.可选的实施方式，所述第二连接装置包括第二连接件、第二驱动滚筒和第二夹板；所述第二连接件的一端设置有第二连接筒，所述第二连接筒固定在所述第二外部连接端上，且所述第二连接筒与所述第二连杆同轴设置；所述第二连接件在相对于所述第二连接筒的另一端设置有第二卡接端，所述第二卡接端上设置有第二圆孔，所述第二圆孔的轴线与所述第二连接筒的轴线垂直；所述第二驱动滚筒同轴转动配合在所述第二圆孔中，且所述第二驱动滚筒关于所述第二卡接端对称分布；所述第二驱动滚筒的两个端面上分别设置有第二沉孔，每一个所述第二沉孔上分别配合设置有一片所述第二夹板；所述第二夹板包括第二夹板主体、第二导向杆和第二弹性件；所述第二导向杆的第一端固定在所述第二夹板主体上，所述第二导向杆的第二端与所述第二弹性件的第一端连接；所述第二导向杆滑动配合在对应的第二沉孔内；所述第二弹性件的第二端固定连接在对应的第二沉孔内部，且所述第二弹性件保持拉伸状态。
15.相应的，本发明还提供了一种机械臂，包括所述的机械臂外置角度反馈装置。
16.本发明提供了一种机械臂外置角度反馈装置及机械臂，该机械臂外置角度反馈装置的主要构件为第一连杆、第二连杆和球状装置，构件组成简单；球状装置与第一连杆和第
二连杆的连接方式为磁吸方式，装配较为便利；球状装置利用全向磁性感应装置捕抓铁质壳体的表面磁场变化，从而获取第一内部连接端与第二内部连接端与球状装置的接触位置，进而获取到第一连杆和第二连杆的夹角大小；第一内部连接端和第二内部连接端分别利用多个接触点与球状装置形成圆环接触，保证了第一内部连接端和第二内部连接端与球状装置的连接结构相对姿态的固定，保证了第一连杆的轴线和第二连杆的轴线能够穿过球状装置的中心；该机械臂外置角度反馈装置与对应的两根机械臂关节臂之间组合形成已知杆长的四连杆机构，通过第一连杆和第二连杆之间的夹角角度，倒推出对应的两根机械臂关节臂之间的夹角角度，以实时监控对应的两根机械臂关节臂之间的夹角变化情况。
附图说明
17.图1示出了本发明实施例的机械臂外置角度反馈装置的三维结构示意图。
18.图2示出了本发明实施例的第一连杆三维结构示意图。
19.图3示出了本发明实施例的第一连接装置的剖面结构示意图。
20.图4示出了本发明实施例的机械臂外置角度反馈装置夹持在第一机械臂关节臂和第二机械臂关节臂上时的三维结构示意图。
21.图5示出了本发明实施例的机械臂外置角度反馈装置夹持在第一机械臂关节臂和第二机械臂关节臂上时的俯视结构示意图。
22.图6示出了本发明实施例的机械臂外置角度反馈装置夹持在第一机械臂关节臂和第二机械臂关节臂上时的正视结构示意图。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
24.图1示出了本发明实施例的机械臂外置角度反馈装置的三维结构示意图，图2示出了本发明实施例的第一连杆三维结构示意图，图3示出了本发明实施例的第一连接装置的剖面结构示意图。
25.本发明实施例提供了一种机械臂外置角度反馈装置，包括第一连杆1、第二连杆2和球状装置3。
26.所述第一连杆1具有第一外部连接端102和第一内部连接端101，所述第一内部连接端101具有磁性。
27.所述第二连杆2具有第二外部连接端和第二内部连接端，所述第二内部连接端具有磁性。
28.在本发明实施例中，第一连杆1和第二连杆2的结构相同。在具体实施中，结构相同的第一连杆1和第二连杆2可提高该机械臂外置角度反馈装置的零件互换性，能够提高其使用便利性和降低其维修成本。
29.所述球状装置3包括铁质壳体和全向磁性感应装置，所述全向磁性感应装置内置在所述铁质壳体中；所述第一内部连接端101基于磁性可拆卸地吸附在所述铁质壳体外壁
上，所述第二内部连接端基于磁性可拆卸地吸附在所述铁质壳体的外壁上；所述全向磁性感应装置用于获取所述铁质壳体上任一位置的磁场状态。
30.具体的，本发明实施例所提供的机械臂外置角度反馈装置，主要用途是通过外部安装的方式，对串联式机械臂中的两根机械臂关节臂之间的角度进行实时监测。
31.该机械臂外置角度反馈装置的实现原理为，将第一连杆1的第一外部连接端102以及第二连杆2的第二外部连接端分别连接至需要监测的两根机械臂关节臂上，然后将第一连杆1的第一内部连接端101和第二连杆2的第二内部连接端分别连接在球状装置3上；具体的，第一内部连接端101和第二内部连接端与球状装置3的连接方式为磁吸方式，具体的，球状装置3的壳体为铁质壳体，第一内部连接端101和第二内部连接端分别带有磁性。由于球状装置3的外表面为球状，就连接结构而言，球状装置3相当于形成了第一连杆1和第二连杆2之间的铰链。从结构上进行分析，第一连杆1的第一外部连接端102以及第二连杆2的第二外部连接端分别铰接在对应的机械臂关节臂上，第一连杆1的第一内部连接端101和第二连杆2的第二内部连接端基于球状装置3铰接，此时，第一连杆1、第二连杆2以及两个对应的机械臂关节臂之间形成一个四连杆结构。
32.具体的，从计算原理上可知，在四连杆结构中，已知四边长度，仅需确定其中一个内角角度，即可确立该四连杆结构的实时姿态。具体的，在本发明实施例中，所需要测定的内角为第一连杆1和第二连杆2之间的夹角，具体的，测定夹角的方式为通过全向磁性感应装置实现。
33.具体的，该全向磁性感应装置的功能为用于获取所述铁质壳体上任一位置的磁场状态。具体的，第一内部连接端101和第二内部连接端分别连接与球状的铁质壳体表面上，通过对铁质壳体上的磁场状态的监控，可以获知第一内部连接端101和第二内部连接端在铁质壳体上的位置，具体的，将第一内部连接端101和第二内部连接端在铁质壳体上的位置假设为空间点，为了通过空间点即可判断第一连杆1和第二连杆2的轴线空间姿态，需要保证第一连杆1的轴线和第二连杆2的轴线始终穿过球状壳体的中心点。
34.为了保证第一连杆1的轴线和第二连杆2的轴线始终穿过球状壳体的中心点，在本发明实施例中，在所述第一连杆1的第一内部连接端101的端面上沿圆周方向设置有若干磁性牛眼滚珠103；所述第二连杆2的第二内部连接端的端面上沿圆周方向设置有若干个磁性牛眼滚珠。 具体的，现实连接结构中，不存在绝对的点接触，因此，本发明实施例将第一内部连接端101和第二内部连接端与所述球状壳体的连接方式替换为圆环接触。
35.具体的，以第一连杆1为例，圆环结构是指在第一内部连接端101上设置三个以上的设置在同一圆周上的接触点，所有接触点位于同一圆周上，该圆周与球状表面接触时，圆周上的所有接触点贴合在球状的铁质壳体上，所有接触点在铁质壳体的表面上形成一个圆环状的接触结构；具体的，本发明实施例以若干磁性牛眼滚珠103构成所需的接触点；具体的，在实际实施中，第一连杆1的轴线应穿过其上的若干磁性牛眼滚珠103所在的圆周的中心，通过该实施方式，从连接结构上而言，在若干磁性牛眼滚珠103所在的圆周直径不大于所述铁质壳体的球状表面的直径时，在磁性的作用下，若干磁性牛眼滚珠103始终保持贴合在所述铁质壳体的球状表面上，同时，第一连杆1通过磁性牛眼滚珠103与铁质壳体发生配合，相互间的运行阻力较小，可保证所形成的铰链结构的活动灵活性，同时，可保证第一连杆1轴线始终穿过铁质壳体的中心；通过若干磁性牛眼滚珠103沿圆周方向的设置方式，全
向磁性感应装置通过所有磁性牛眼滚珠103所确立的圆周轨迹确定其圆周中心，再以过该圆周中心的半径方向作为第一连杆1的轴线方向即可实现获取第一连杆1的轴线方向的目的。同理，第二连杆2的轴线方向基于相同的手段进行获取。通过第一连杆1和第二连杆2之间的空间夹角（实质为平面夹角）的计算，可获取第一连杆1和第二连杆2之间的角度，在此基础上，结合四连杆结构中每一根连杆的杆长数据，即可确立四连杆结构的实时形态，从而可得到所需测定两根机械臂之间的夹角角度。
36.具体的，关于全向磁性感应装置的实施方式，可选的，所述全向磁性感应装置包括柔性电路板，所述柔性电路板上阵列设置有磁电元件；所述柔性电路板贴合在所述铁质壳体的内壁上。具体的，磁电元件是指将磁场信号转换为电信号的电子元器件，具体分类中，磁电元件可分为磁电开关元件和磁电感应元件，具体的，磁电开关元件的反馈信号为0和1，磁电感应元件则可以反馈具体的磁场大小；具体的，在本发明实施例中，由于磁电元件的布置是具有间距的，若采用磁电开关元件，需要合理设置磁电开关元件的触发阈值，以避免漏测；若采用磁电感应元件，则可以根据磁场的分布情况，倒推出磁性牛眼滚珠103的准确接触位置（所述准确接触位置还包括两个磁电元件之间的间隔区域），以更准确的获取到磁性牛眼滚珠103的接触位置。
37.进一步的，关于第一外部连接端和第二外部连接端与对应的机械臂关节臂之间的连接方式，本发明实施例提供了其中一种可行的实施方式。
38.具体的，对于第一连杆，在所述第一连杆的第一外部连接端上设置有第一连接装置。第一连接装置用于供第一连杆的第一外部连接端连接在对应的机械臂关节臂上。
39.具体的，在本发明实施例中，参考附图图3，所述第一连接装置包括第一连接件130、第一驱动滚筒150和第一夹板135。
40.所述第一连接件130的一端设置有第一连接筒131，所述第一连接筒固定在所述第一外部连接端上，且所述第一连接筒与所述第一连杆同轴设置；具体的，所述第一连接筒131用于配合在所述第一外部连接端102上，所述第一连接筒131上设置有固定孔132，所述固定孔132用于供第一连接筒131固定在所述第一外部连接端102上。
41.所述第一连接件130在相对于所述第一连接筒131的另一端设置有第一卡接端133，所述第一卡接端133上设置有第一圆孔136，所述第一圆孔136的轴线与所述第一连接筒131的轴线垂直；具体的，在本发明实施例中，为了保证第一驱动滚筒与第一圆孔136的配合稳定性，第一卡接端133的数量为两个，两个所述第一卡接端133关于所述第一连接筒131的轴线对称设置。
42.所述第一驱动滚筒150同轴转动配合在所述第一圆孔136中，且所述第一驱动滚筒150关于所述第一卡接端133对称分布。参照图3所示结构，具体实施中，第一驱动滚筒150外侧壁的最下端需要低于所述第一卡接端133的最下端。
43.所述第一驱动滚筒150的两个端面上分别设置有第一沉孔140，每一个所述第一沉孔140上分别配合设置有一片所述第一夹板135。
44.所述第一夹板135包括第一夹板主体138、第一导向杆137和第一弹性件139。
45.具体的，所述第一导向杆137的第一端固定在所述第一夹板主体138上，所述第一导向杆137的第二端与所述第一弹性件139的第一端连接固定。
46.具体的，所述第一导向杆137滑动配合在对应的第一沉孔140内，第一导向杆137能
够沿所述第一沉孔140的轴线方向相对于所述第一沉孔140滑动。
47.具体的，所述第一弹性件的第二端固定连接在对应的第一沉孔内部，且所述第一弹性件保持拉伸状态。具体的，保持拉伸状态的第一弹性件具有恢复原状的收缩力，相应的，由于第一驱动滚筒150是固定的，第一弹性件139通过第一导向杆137带动第一夹板主体138朝所述第一驱动滚筒运动。
48.在本发明实施例中，针对第一连接装置的具体实施结构，第一驱动滚筒150拆分为两截结构，以满足装配需求；第一弹性件139可采用弹性拉绳，附图中的弹簧标记符号仅用于标识第一弹性件139的设置位置，并不限定第一弹性件139的实施方式为弹簧；在具体实施中，需要保证整个第一连接装置的结构对称性，以便于安装。
49.需要说明的是，为了准确对第一驱动滚筒150的轴线进行外部观察定位，在对应的第一夹板主体138的外侧设置有与第一驱动滚筒150同轴的标记凹孔134。
50.相应的，在本发明实施例中，在所述第二连杆的第二外部连接端上设置有第二连接装置。
51.所述第二连接装置包括第二连接件、第二驱动滚筒和第二夹板；所述第二连接件的一端设置有第二连接筒，所述第二连接筒固定在所述第二外部连接端上，且所述第二连接筒与所述第二连杆同轴设置；；所述第二连接件在相对于所述第二连接筒的另一端设置有第二卡接端，所述第二卡接端上设置有第二圆孔，所述第二圆孔的轴线与所述第二连接筒的轴线垂直；所述第二驱动滚筒同轴转动配合在所述第二圆孔中，且所述第二驱动滚筒的轴向两侧关于所述第二卡接端对称分布；所述第二驱动滚筒的两个端面上分别设置有第二沉孔，每一个所述第二沉孔上分别配合设置有一片所述第二夹板；所述第二夹板包括第二夹板主体、第二导向杆和第二弹性件；所述第二导向杆的第一端固定在所述第二夹板主体上，所述第二导向杆的第二端与所述第二弹性件的第一端连接；所述第二导向杆滑动配合在对应的第二沉孔内；所述第二弹性件的第二端固定连接在对应的第二沉孔内部，且所述第二弹性件保持拉伸状态。
52.第二连接装置的结构与第一连接装置的结构相同，本发明实施例不进行重复说明。
53.图4示出了本发明实施例的机械臂外置角度反馈装置夹持在第一机械臂关节臂和第二机械臂关节臂上时的三维结构示意图，图5示出了本发明实施例的机械臂外置角度反馈装置夹持在第一机械臂关节臂和第二机械臂关节臂上时的俯视结构示意图，图6示出了本发明实施例的机械臂外置角度反馈装置夹持在第一机械臂关节臂和第二机械臂关节臂上时的正视结构示意图。
54.为了对本发明实施例的机械臂外置角度反馈装置实际使用方式进行说明，本发明实施例以机械臂中的第一机械臂关节臂和第二机械臂关节臂为例进行说明。
55.具体的，第一机械臂关节臂501和第二机械臂关节臂502之间为铰接关系，铰接轴位于图6的a点示意位置，二者之间基于驱动电机503进行转动驱动；结合附图图4示意，第一
机械臂关节臂501和第二机械臂关节臂502分别关于中截面g
‑
g’对称设置。
56.具体的，第一连接装置用于对第一机械臂关节臂501进行夹持，第二连接装置用于对第二机械臂关节臂502进行夹持，由于二者的夹持结构相同，本发明实施例以第一连接装置对第一机械臂关节臂501的夹持结构进行说明。
57.具体实施中，结合附图图3和图4示意结构，手动掰开第一连接装置的两片第一夹板主体138并使两片第一夹板主体138夹在对应的第一机械臂关节臂501的侧面（即第一机械臂关节臂501在图5所示视图中的顶面和底面），然后通过按压等方式将第一驱动滚筒150压在第一机械臂关节臂501的顶面（即第一机械臂关节臂501在图6所示视图中的顶面）；由于第一驱动滚筒150为圆柱结构，第一驱动滚筒150的旋转不会影响第一驱动滚筒150的滚轴与第一机械臂关节臂501顶面的距离bf；如果需要调节第一驱动滚筒150与第一机械臂关节臂501顶面的接触位置，仅需通过转动第一驱动滚筒150即可（需要对第一驱动滚筒150给与一定的下压力，以保证第一驱动滚筒150紧贴在第一机械臂关节臂501的顶面上），具体的，调节第一驱动滚筒150与第一机械臂关节臂501顶面的接触位置，实质为调节af的长度。在第一机械臂关节臂和第二机械臂关节臂相对运动的过程中，在无其他外力作用下，两片第一夹板主体138夹紧在第一机械臂关节臂的侧面上，对于第一驱动滚筒150而言，第一驱动滚筒150会绕所述第一导向杆转动（自转）；第一驱动滚筒150在自转过程中，第一驱动滚筒150的转轴与第一机械臂关节臂的距离是固定不变的。
58.需要说明的是，在本发明实施例中，所述第一驱动滚筒150关于所述第一卡接端133对称分布，两个第一夹板主体所采用的第一弹性件是相同的，在第一连接装置对第一机械臂关节臂进行夹持时，两个第一弹性件的作用力保持相等，第一连接装置会具有自动对中的效果，以保证第一连杆的轴线位于第一机械臂关节臂的g
‑
g’截面上；相应的，第二连接装置对第二机械臂关节臂进行夹持时，也会产生自动对中的效果，以使第二连杆的轴线位于第二机械臂关节臂的g
‑
g’截面上；针对于本发明实施例所提供的类似结构的机械臂而言，第一连接装置和第二连接装置所具有的自动对中效果，可保证第一连杆、第二连杆、第一机械臂关节臂和第二机械臂关节臂始终处于同一平面上，以实现对第一机械臂关节臂和第二机械臂关节臂进行实时角度监控的功能。
59.具体的，参照附图图6，在第一连接装置和第二连接装置安装完成后，通过图6的视角方向，可以通过外部设备进行位置的标定和测定，从而获取四连杆结构中的每根连杆的长度。其中，针对于第一驱动滚筒的轴线，需要通过对标记凹孔134的观察获取。
60.具体的，机械臂外置角度反馈装置与第一机械臂关节臂、第二机械臂关节臂之间所组成的四连杆结构中的四根连杆分别为ab连杆、bc连杆、cd连杆、da连杆，因此，需要对相关的连杆长度进行测定，其中，cd连杆和bc连杆的长度对于特定的机械臂外置角度反馈装置而言是已知的；ad连杆可通过直接测定的方式测定，也可以通过对ae和ed的长度测定进行换算；相应的，ab连杆可通过直接测定的方式测定，也可以通过对af和fb的长度测定进行换算。在已知ab连杆、bc连杆、cd连杆、da连杆的条件下，通过球状装置获取bc连杆和cd连杆之间的夹角，即可确定该四连杆机构的姿态，后续再结合ed、ae、fb、af的长度进行换算，可得到第一机械臂关节臂和第二机械臂关节臂之间的夹角情况。
61.综上，该机械臂外置角度反馈装置的主要构件为第一连杆、第二连杆和球状装置，构件组成简单；球状装置与第一连杆和第二连杆的连接方式为磁吸方式，装配较为便利；球
状装置利用全向磁性感应装置捕抓铁质壳体的表面磁场变化，从而获取第一内部连接端与第二内部连接端与球状装置的接触位置，进而获取到第一连杆和第二连杆的夹角大小；第一内部连接端和第二内部连接端分别利用接触点与球状装置形成圆环接触，保证了第一内部连接端和第二内部连接端与球状装置的连接结构相对姿态的固定，保证了第一连杆的轴线和第二连杆的轴线能够穿过球状装置中心；该机械臂外置角度反馈装置与对应的两根机械臂关节臂之间组合形成已知杆长的四连杆机构，通过第一连杆和第二连杆之间的夹角角度，倒推出对应的两根机械臂关节臂之间的夹角角度，以实时监控对应的两根机械臂关节臂之间的夹角变化情况。
62.相应的，本发明提供了一种机械臂，包括以上所述的机械臂外置角度反馈装置。
63.以上对本发明实施例所提供的一种机械臂外置角度反馈装置及机械臂进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。