一种多自由度机械臂的制作方法

1.本发明属于机器人领域，更具体地，涉及一种多自由度机械臂。


背景技术：

2.众所周知，机器人设备在帮助人类生产生活方面发挥着越来越多的作用，随着科技的发展，机器人的种类和所用于的行业也越来越多，在机械制造、冶金、电子、轻工等行业，很多都已经用机器人来代替人类的繁重劳动。
3.而机械臂是机器人上最为重要的组成部分，抓取、搬运、夹持等工作全部靠机械臂上的机械夹爪来完成，而多自由度的机械臂意味着机械臂的工作范围更广，适用性也更为广泛，因此，研发具有高自由度的机械臂成为重中之重。目前使用的机械臂自由度不多，一般只具有上下移动的自由度和旋转的自由度，不能满足精确定位的要求；或者自由度太多，譬如目前广泛使用的六轴机器人，其可以代替人完成更为复杂的工序，但是价格昂贵，而且出厂前编程和计算机模仿进程的时间消耗长，控制比较繁琐。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多自由度机械臂，可结构简单、控制方便，可让电动夹爪旋转、水平移动以及竖直移动，而且电动夹爪自身也能运动来夹取和松开物品，使得电动夹爪具有多个的自由度。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多自由度机械臂，其特征在于，包括支架、旋转台、夹爪竖直调整机构、移动臂、夹爪水平调整机构和电动夹爪，其中：
6.所述旋转台上安装所述支架，以用于带动所述支架绕竖直线旋转；
7.所述夹爪竖直调整机构包括第一减速电机和第一丝杠机构，所述第一减速电机安装在所述支架上，所述第一丝杠机构包括第一丝杠及穿装在所述第一丝杠上的第一传动螺母，所述第一丝杠竖直设置，所述第一减速电机的输出轴与所述第一丝杠的上端连接，所述第一丝杠的下端可转动安装在所述旋转台上，所述第一传动螺母与所述移动臂固定连接，所述第一传动螺母上设置有水平的导向轨；
8.所述夹爪水平调整机构包括第二减速电机、第二丝杠机构和滑动杆，所述第二减速电机安装在所述移动臂上，所述第二丝杠机构包括第二丝杠及穿装在所述第二丝杠上的第二传动螺母，所述第二丝杠水平设置并且通过轴承安装在所述第一传动螺母上，所述滑动杆的一端固定连接在所述第二传动螺母上，所述滑动杆的另一端安装所述电动夹爪，所述滑动杆滑动安装在所述导向轨上。
9.优选地，所述滑动杆有两根，相应地，所述导向轨也设置有两条；
10.对于每根所述滑动杆而言，其包括固定连接在一起的推杆和连杆，所述推杆固定连接在所述第二传动螺母上，所述连杆上安装所述电动夹爪。
11.优选地，所述滑动杆从所述第一传动螺母上的通孔处穿过所述第一传动螺母。
12.优选地，所述旋转台包括机壳、第三减速电机、蜗轮蜗杆机构、传动轴、承重台和旋
转圆盘，所述第三减速电机设置在机壳内，所述蜗轮蜗杆机构包括相互啮合的蜗杆和蜗轮，所述蜗杆连接所述第三减速电机，所述蜗轮的中心线竖直设置并且所述蜗轮与所述传动轴同轴连接，所述机壳的顶端设置所述承重台，所述旋转圆盘水平设置并且通过所述承重台承接，所述传动轴的上端穿过所述承重台后连接所述旋转圆盘，并且所述传动轴与所述承重台可转动连接，所述旋转圆盘上安装所述支架的下端和所述丝杠机构的丝杠的下端，以用于带动所述支架和所述丝杠机构转动。
13.优选地，所述传动轴与所述承重台间隙配合，所述承重台的顶端设置有环形凹槽a，所述环形凹槽a内安装有多颗滚珠a，所述旋转圆盘的底端在对应于所述环形凹槽a的位置设置有用于防止这些滚珠a掉落的环形凹槽b，所有的滚珠a全都伸入所述环形凹槽b内。
14.优选地，所述机壳上安装有保护盖；
15.所述旋转圆盘的顶端设置有环形凹槽c，所述环形凹槽c内安装有多颗滚珠b，所述保护盖的底端在对应于所述环形凹槽c的位置设置有用于防止这些滚珠b掉落的环形凹槽d，所有的滚珠b全都伸入所述环形凹槽d内。
16.优选地，所述移动臂远离丝杠的一端通过安装台安装所述电动夹爪，所述电动夹爪与所述安装台可拆卸连接。
17.优选地，还包括多根导杆，每根导杆均竖直设置在所述支架上，所述移动臂包括臂体和设置在臂体上的多个耳部，每个所述耳部分别活动穿装在一根所述导杆上。
18.优选地，所述导向轨与所述第一传动螺母一体成型。
19.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
20.1)本发明提供机械臂，移动臂和电动夹爪可以通过旋转台带动进行旋转，且可以通过第一减速电机和第一丝杠机构上下调整高度，通过第二减速电机和第二丝杠机构左右调整长度，而且电动夹爪自身也可以通过动作来夹取和松开物品，通过这些自由度的组合，电动夹爪可以适用于整体操作空间内物品的夹取和搬运。
21.2)本发明的移动臂的竖直移动和水平移动均是通过丝杠机构来带动，使得电动夹爪在工作时定位精确。
22.3)本发明的电动夹爪和移动臂通过安装块可拆卸安装，可以根据所夹取物品的不同而更换不同的机械夹爪，拆卸、更换十分便捷。
23.4)本发明的传动机构采用了丝杠机构的丝杠和传动螺母相互配合，能实现自锁功能，使得移动臂可得到自锁，可以保护减速电机，增加了机械臂整体结构的使用寿命。
24.4)本发明的多个自由度之间单独控制，既能单独开启又能随意组合，为机械臂的运动提供了多样性。
25.5)本发明的移动臂的传动螺母与两个耳部之间呈三角形，使移动臂和电动夹爪在运动过程中更加稳定。
附图说明
26.图1为本发明的外部结构示意图；
27.图2为本发明的移动臂和支架后的结构示意图；
28.图3为本发明的剖面图；
29.图4为本发明中驱动器的爆炸图。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
31.参照图1～图4，一种多自由度机械臂，包括支架13、旋转台、夹爪竖直调整机构、移动臂、夹爪水平调整机构和电动夹爪42，所述移动臂包括电机安装架24和安装盖板23，电机安装架24和安装盖板23固定连接，其中：
32.所述旋转台上安装所述支架13，以用于带动所述支架13绕竖直线旋转；旋转台可以采用现有的结构，只要能带动支架13进行360
°
旋转即可。
33.所述夹爪竖直调整机构包括第一减速电机和第一丝杠机构，所述第一减速电机安装在所述支架13上，所述第一丝杠机构包括第一丝杠15及穿装在所述第一丝杠15上的第一传动螺母16，所述第一丝杠15竖直设置，所述第一减速电机的输出轴与所述第一丝杠15的上端连接，所述第一丝杠15的下端可转动安装在所述旋转台上，所述第一传动螺母16与所述移动臂固定连接，所述第一传动螺母16上设置有水平的导向轨16-1，所述导向轨16-1与所述第一传动螺母16优选一体成型；具体地，所述第一减速电机包括第一驱动电机11和第一齿轮箱12，所述第一齿轮箱12的输入轴与所述第一驱动电机11的输出轴连接的，所述第一齿轮箱12的输出轴与所述第一丝杠机构的第一丝杠15连接。第一齿轮箱12通过法兰安装在支架13上，第一传动螺母16的内牙与第一丝杠15的外牙互相啮合，可将第一丝杠15的旋转转化为第一传动螺母16的移动。第一驱动电机11使移动臂整体得到上下移动的自由度。所述支架13上还设置了多根导杆14，每根导杆14均竖直设置在所述支架13上，所述移动臂包括臂体和设置在臂体上的多个耳部17，每个所述耳部17分别活动穿装在一根所述导杆14上，导杆14可对移动臂的上下移动进行导向。移动臂、第一传动螺母16和导向轨16-1优选一体成型。
34.所述夹爪水平调整机构包括第二减速电机、第二丝杠机构和滑动杆，所述第二减速电机安装在所述移动臂的电机安装架24上，安装盖板23盖在电机安装架24上，将第二减速电机封闭在内，所述第二丝杠机构包括第二丝杠25及穿装在所述第二丝杠25上的第二传动螺母26，所述第二丝杠25水平设置并且通过轴承15-1安装在所述第一传动螺母16上，所述滑动杆的一端固定连接在所述第二传动螺母26上，所述滑动杆的另一端安装所述电动夹爪42，所述滑动杆滑动安装在所述导向轨16-1上。具体地，所述第二减速电机包括第二驱动电机21和第二齿轮箱22，所述第二齿轮箱22的输入轴与所述第二动电机的输出轴连接的，所述第二齿轮箱22的输出轴与所述第二丝杠机构的第二丝杠25连接。第二传动螺母26的内牙与第二丝杠25的外牙互相啮合，可将第二丝杠25的旋转转化为第二传动螺母26的移动。第二驱动电机21使第二传动螺母26和滑动杆得到水平移动的自由度，滑动杆可在导向轨16-1上左右滑动，从而可有效扩展机械臂在水平方向的工作范围。
35.进一步，所述滑动杆有两根，相应地，所述导向轨16-1也设置有两条；
36.对于每根所述滑动杆而言，其包括固定连接在一起的推杆26和连杆43，推杆26和
连杆43优选通过螺母固定连接在一起，所述推杆26固定连接在所述第二传动螺母26上，所述连杆43上安装所述电动夹爪42。通过前后设置的两条导向轨16-1和两根滑动杆，使得电动夹爪42的移动更加平稳。
37.进一步，所述滑动杆从所述第一传动螺母16上的通孔处穿过所述第一传动螺母16，然后再通过第一传动螺母16外的导向轨16-1承接。
38.进一步，所述旋转台包括机壳、第三减速电机、蜗轮33蜗杆32机构、传动轴34、承重台38-2和旋转圆盘36，所述第三减速电机设置在机壳内，所述蜗轮33蜗杆32机构包括相互啮合的蜗杆32和蜗轮33，所述蜗杆32连接所述第三减速电机，所述第三减速电机设置在机壳内，所述第三减速电机包括第三驱动电机39和第三齿轮箱39-1，所述机壳内设置有的安装板a，所述第三齿轮箱39-1安装在所述安装板a上。所述第三齿轮箱39-1的输入轴与所述第三驱动电机39的输出轴连接的，所述第三齿轮箱39-1的输出轴与所述蜗杆32连接。所述蜗轮33的中心线竖直设置并且所述蜗轮33与所述传动轴34同轴连接，所述机壳的顶端设置所述承重台38-2，所述旋转圆盘36水平设置并且通过所述承重台38-2承接，所述传动轴34的上端穿过所述承重台38-2后连接所述旋转圆盘36，并且所述传动轴34与所述承重台38-2可转动连接，所述旋转圆盘36的顶端安装所述支架13，以用于带动所述支架13转动。所述第三驱动电机39横向设置在机壳的内部，且第三驱动电机39后端带有编码器，前端安装第三齿轮箱39-1，第三齿轮箱39-1固定安装在机壳内部的安装板a上，且通过螺丝固定。蜗杆32从安装板a的通孔中伸出，且水平设置在机壳内。所述蜗轮33蜗杆32机构带自锁功能，与丝杠机构的自锁功能相配合，有效防止不可控因素导致的电动夹爪移位。第三减速电机通过蜗轮33与蜗杆32互相啮合，传递交错运动，带动旋转圆盘36转动，使机械臂整体拥有旋转的自由度。旋转圆盘36的转动又可带动支架13和支架13上的第一减速电机、传动螺母上的移动臂转动。
39.所述传动轴34与所述承重台38-2间隙配合，所述承重台38-2的顶端设置有环形凹槽a，所述环形凹槽a内安装有多颗滚珠a35-1，所述旋转圆盘36的底端在对应于所述环形凹槽a的位置设置有用于防止这些滚珠a35-1掉落的环形凹槽b，所有的滚珠a35-1全都伸入所述环形凹槽b内，通过滚珠a35-1，可减小旋转圆盘36与承重台38-2之间的摩擦力。采用滚珠a35-1，可不用在传动轴34与承重台38-2之间设置轴承，方便拆装传动轴34、旋转圆盘36等部件。
40.进一步，所述机壳上安装有保护盖38-1，所述旋转圆盘36的顶端设置有环形凹槽c，所述环形凹槽c内安装有多颗滚珠b35-2，所述保护盖38-1的底端在对应于所述环形凹槽c的位置设置有用于防止这些滚珠b35-2掉落的环形凹槽d，所有的滚珠b35-2全都伸入所述环形凹槽d内。通过保护盖38-1，可对旋转圆盘36进行保护，而且滚珠b35-2也可减小保护盖38-1与旋转圆盘36之间的摩擦力。所述机壳包括外壳38、底盖37和顶盖31，所述底盖37承接所述外壳38和所述顶盖31。外壳38和底盖37一起把第三减速电机封闭在内。保护盖38-1优选通过螺丝固定安装在外壳38上，顶盖31同样优选通过螺丝固定安装在外壳38上，保护盖38-1、外壳38、底盖37、顶盖31等把旋转圆盘36和第三减速电机等驱动结构整体包裹在里面，使旋转台成为一个独立的模块。
41.进一步，所述移动臂通过安装块安装所述电动夹爪42，所述电动夹爪42与所述安装块41可拆卸连接。电动夹爪42通过螺丝固定安装在安装块41上，通过滑动杆带动安装块
41在水平方向上移动，使电动夹爪42的抓取移动更加灵活。
42.本发明的第一驱动电机11、第二驱动电机21、第三驱动电机39和用于电动夹爪42的夹指移动的夹指驱动电机都带有编码器，采用的齿轮箱不但可以降低转速，还能增大扭力，提高机械臂的搬运能力且能使机械臂运行更加平稳。第一驱动电机11、第二驱动电机21、第三驱动电机39和电动夹爪42均为单独驱动，单独控制，互不干涉，既能独立控制机械臂运动，使机械臂能夹持、夹取、松开物品，又能随意组合，为机械臂的运动提供多样性。
43.本发明独立设计的驱动器，用于驱动所述第一减速电机、第二减速电机、第三减速电机转动和夹爪驱动电机工作，驱动器包括驱动器上盖51、pcb板52和安装板53，所述驱动器上盖51和pcb板52均安装在所述安装板53上，并且所述驱动器上盖51围住所述pcb板52上，从而使pcb板52位于所述驱动器上盖51内。所述pcb板52通过四个螺丝a50-2固定安装在所述安装板53上，所述驱动器上盖51与安装板53通过四颗螺丝b50-1固定安装，把pcb板52包裹在驱动器上盖51里面，整体成为驱动器，驱动器的位置设置可以比较灵活。驱动器整体可设置在顶盖的内部也可设置在机械臂的外部，用于驱动和控制机械臂的运动。底盖37和顶盖31一起把驱动器封闭在内。
44.本发明的工作过程如下：
45.第一驱动电机11通电后，带动第一丝杠15旋转，如果第一丝杠15为右旋丝杠，则从上往下看，当第一丝杠15逆时针旋转时，第一传动螺母16往下运动，带动整个移动臂往下运动，通过给电动夹爪42通电，使电动夹爪42的夹指开合，可以夹取低处的物品，也可以把高处的物品搬运到低处。当第一丝杠15顺时针旋转时，第一传动螺母16往上运动，带动移动臂整体往上运动，可以把低处的物品搬运到高处，也可以夹取高处的物品，形成竖直方向的自由度。导杆14和支架13为传动螺母提供的上下的限位点，使机械臂只能在限位点内自由的上下移动。
46.第二驱动电机21通电后，带动第二丝杠25旋转，如果所述第二丝杠25为右旋丝杠，从右往左看，第二丝杠25逆时针旋转时，第二传动螺母26往左运动，带动与第二传动螺母26连接的推杆26往左运动，进而推动与推杆26连接的连杆43往左运动，使电动夹爪42在水平方向的伸出。同理，当第二丝杠25顺时针旋转时，第二传动螺母26往右运动，带动推杆26往右运动，使电动夹爪42缩回。通过电机的正反转控制收缩，使移动臂能在水平面内搬运物品。由第二丝杠25、推杆26和以及连杆43的整体长度组成了水平面的限位点，使电动夹爪42只能在限位点的范围内移动。
47.第三驱动电机39通电后，带动蜗杆32旋转，蜗杆32旋转带动与它啮合的蜗轮33旋转，蜗轮33的旋转带动与蜗轮33固定安装的传动轴34旋转，进而带动安装在传动轴34上端的旋转圆盘36旋转，旋转圆盘36的旋转带动移动臂整体旋转，由此可以使电动夹爪42夹取限位空间内的物品，并且搬运到限位空间内的任意一处。
48.如果第一丝杠15和第二丝杠25为左旋丝杠，则第一传动螺母16与第二传动螺母26的运动情况与上述相反。
49.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。