專利名稱:超冗余全方位移動操作臂的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及一種操作臂。
背景技術:
隨著機器人在人類生活領域的應用越來越廣泛,對機器人的操作靈活性、 作業(yè)范圍以及復雜作業(yè)的適應能力等各方面性能也提出了更高的要求。
目前傳統(tǒng)的操作機器人均為具有固定基座的機械臂,利用其操作性能完成 一些裝配、焊接等某一固定區(qū)域內(nèi)(手爪可達空間)的作業(yè)。雖然控制起來比 較簡單,但其局限性也是非常明顯的。比如需要維護整條生產(chǎn)線或者多臺設備 時,由于固定基座限制了手爪只能在某一固定區(qū)域操作,因此只能通過布置多 臺操作臂來滿足作業(yè)需求,不但增加了成本,還造成了資源的浪費。此外,隨 著人類對于空間、深海、有毒、核輻射等危險與極限環(huán)境內(nèi)作業(yè)需求的不斷提 升,由于工作環(huán)境的非結構化和不確定性,對機器人操作靈活性要求更高,需 要其具備行走能力。而這些都是當前傳統(tǒng)的機械臂所不能滿足的,作業(yè)范圍的 局限性使其不能滿足多任務以及復雜作業(yè)的需求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的操作機器人存在操作靈活性較差、不具備全方位行 走的能力,致使其工作空間和作業(yè)范圍受到局限難以適應復雜工作環(huán)境的問題, 進而提供了一種超冗余全方位移動操作臂。
本發(fā)明為解決上述技術問題采取的技術方案是本發(fā)明所述超冗余全方位 移動操作臂由操作臂主體和全方位移動小車組成,操作臂主體安裝在全方位移 動小車的上端面上,所述全方位移動小車由至少三個車輪模塊和外殼體組成, 每個車輪模塊均由車輪體、機架、車輪轉向裝置和車輪滾動裝置構成,車輪轉 向裝置由轉向支架、第一轉向直齒輪、第二轉向直齒輪和轉向電機組成,所述 車輪滾動裝置由第一同步帶輪、同步帶、第二同步帶輪、轉軸、第一錐齒輪、
第二錐齒輪、第一滾動直齒輪、第二滾動直齒輪和滾動電機組成;轉向支架的
一端安裝在車輪體幾何中心處的軸的兩端上,轉向支架另一端穿過機架并與第
4一轉向直齒輪連接,第一轉向直齒輪與第二轉向直齒輪相嚙合,第二轉向直齒 輪與轉向電機的輸出軸連接;第一同步帶輪安裝在車輪體幾何中心處的軸的一 端上,第一同步帶輪通過同步帶與第二同步帶輪連接,轉軸安裝在轉向支架上, 第二同步帶輪通過轉軸與第一錐齒輪連接,第一錐齒輪和第二錐齒輪相嚙合, 第二錐齒輪設置在第一滾動直齒輪的下方且二者制成一體,第二錐齒輪和第一 滾動直齒輪均安裝在轉向支架上,第一滾動直齒輪與第二滾動直齒輪相嚙合, 第二滾動直齒輪與滾動電機的輸出軸連接;至少三個機架、車輪轉向裝置和車 輪滾動裝置均布安裝在外売體內(nèi),至少三個車輪體位于外殼體的下方。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明具有較高可操作度、任務的適應性強、工作 空間大和靈活性好的優(yōu)點,實現(xiàn)了操作臂的全方位移動功能。本發(fā)明與目前的 具有固定基座的操作臂相比,具有全局工作能力,在滿足時間不沖突的前提下 一個生產(chǎn)現(xiàn)場只需一臺操作臂,降低了成本、節(jié)省了資源;同時,高度的運動 冗余性還可以大大提高其操作的靈活性。移動功能的賦予使操作臂的應用領域 更加廣泛,從而可以代替人類在危險或極限環(huán)境下完成一些復雜作業(yè)。另外, 本發(fā)明中的全方位移動小車的三個同心主動輪結構(車輪體上的軸位于車輪的 幾何中心處)可以實現(xiàn)車體的零半徑冋轉;每個車輪模塊采用差動補償輪系的 結構,既避免了轉向時繞線的問題,又便于電機拆裝,提高/互換性。每個車 輪模塊具有滾動和轉向兩個自由度,可以使車體實現(xiàn)零半徑回轉。本發(fā)明的具 體優(yōu)點表現(xiàn)在以下幾個方面1、具有全方位移動能力,不僅把工作空間擴大到 幾乎無限,而且由于可以零半徑回轉,從而可以在較狹窄或擁擠的工作場所中 自如的操作;2、具有高度的運動冗余性,操作靈活性高,躲避障礙、回避奇異 性能好,負載能力較強;3、本發(fā)明同時具有移動和操作功能,而且工作范圍大、 操作靈活性好。
圖l是本發(fā)明的主體圖,圖2是本發(fā)明的操作臂主體的立體圖,圖3是全 方位移動小車的一個車輪模塊結構原理示意圖,圖4是操作臂主體上的一個關 節(jié)模塊的傳動原理示意圖(六個關節(jié)模塊的驅動原理示意圖相似)。
具體實施例方式
具體實施方式
一如圖1 3所示,本實施方式所述的超冗余全方位移動操作臂由操作臂主體2和全方位移動小車1組成,操作臂主體2安裝在全方位移 動小車1的上端面上,所述全方位移動小車1由至少三個車輪模塊1-1和外殼 體卜2組成,每個車輪模塊1-1均由車輪體1-1-1、機架卜1-6、車輪轉向裝置 和車輪滾動裝置構成,車輪轉向裝置由轉向支架1-1-2、第一轉向直齒輪1-1-3、 第二轉向直齒輪1-1-4和轉向電機1-1-5組成,所述車輪滾動裝置由第一同步 帶輪1-1-7、同步帶1-1-8、第二同步帶輪l-卜9、轉軸1-1-10、第一錐齒輪 l-l-ll、第二錐齒輪1-1-12、第一滾動直齒輪1-1-13、第二滾動直齒輪1-1-14 和滾動電機1-1-15組成;轉向支架1-1-2的一端安裝在車輪體1-1-1幾何中心 處的軸的兩端上,轉向支架1-1-2另一端穿過機架l-l-6并與第一轉向直齒輪 l-l-3連接,第一轉向直齒輪l-l-3與第二轉向直齒輪1-1-4相嚙合,第二轉 向直齒輪1-1-4與轉向電機l-l-5的輸出軸連接;第一同歩帶輪l-l-7安裝在 車輪體1-1-1幾何中心處的軸的一端上,第一同步帶輪1-1-7通過同步帶1-1-8 與第二同步帶輪1-1-9連接,轉軸1-1-10安裝在轉向支架l-卜2上,第二同步 帶輪1-1-9通過轉軸1-1-10與第一錐齒輪卜l-ll連接,第一錐齒輪1-1-11 和第二錐齒輪1-1-12相嚙合,第二錐齒輪1-1-12設置在第一滾動直齒輪 1-1-13的下方且二者制成一體,第二錐齒輪1-1-12和第一滾動直齒輪1-1-13 均安裝在轉向支架1-1-2上,第一滾動直齒輪1-1-13與第二滾動直齒輪1-1-14 相嚙合,第二滾動直齒輪卜1-14與滾動電機1-1-15的輸出軸連接;至少三個 機架l-l-6、車輪轉向裝置和車輪滾動裝置均布安裝在外殼體1-2內(nèi),至少三 個車輪體1-1-1位于外殼體1-2的下方。本實施方式所述的超冗余全方位移動 操作臂可實現(xiàn)有9個自由度(七個自由度為冗余,七個以上的自由度稱為超冗 余),本實施方式所述操作臂主體2為現(xiàn)有技術,比如可選用美國imimation公 司推出的PUMA機器人。
本實施方式所述的全方位移動小車采用三個同心方向輪的模塊結構,每個 車輪模塊具有滾動和轉向兩個自由度,可以使車體實現(xiàn)零半徑回轉。如圖3所 示,各模塊采用差動補償輪系的結構,通過齒輪機構進行傳動。滾動電機1-1-15 通過一級滾動直齒輪副(第一滾動直齒輪1-1-13和第二滾動直齒輪1_卜14)、 一級滾動錐齒輪副(第一錐齒輪1-1-11和第二錐齒輪1-1-12)和一級同步帶 結構(第一同步帶輪1-1-7、同步帶1-1-8和第二同步帶輪1-1-9)傳遞扭矩,
6實現(xiàn)車輪滾動;轉向電機1-1-5通過一級轉向直齒輪副(第一轉向直齒輪1-1-3 和第二轉向直齒輪1-1-4)進行減速增扭傳動,帶動轉向支架1-1-2轉動,從 而實現(xiàn)車輪轉向。這種結構可把轉向電機和滾動電機都置于外殼體1-2內(nèi)的底 板之上,具有以下兩個優(yōu)點l.布線方便,轉向時不會出現(xiàn)繞線問題;2.拆裝 電機方便,互換性好。
具體實施方式
二如圖1 4所示,本實施方式所述操作臂主體2包括腰關 節(jié)模塊2-1、肩關節(jié)模塊2-2、肘關節(jié)模塊2-3、腕關節(jié)一模塊2-4、腕關節(jié)二 模塊2-5和腕關節(jié)三模塊2-6六個關節(jié)模塊,所述腰關節(jié)模塊2-1、肩關節(jié)模 塊2-2、肘關節(jié)模塊2-3、腕關節(jié)一模塊2-4、腕關節(jié)二模塊2-5和腕關節(jié)三模 塊2-6依次連接。本實施方式所述的操作臂主體2為六自由度的操作臂,將六 自由度的操作臂安裝于三自由度的全方位移動小車1之上,實現(xiàn)了具有九自由 度的超冗余全方位移動操作臂,使操作臂同時具有移動平臺的移動性和操作臂 的操作性,擁有幾乎無限大的工作空間和高度的運動冗余性,從而大大地提高 了機器人的操作靈活性、作業(yè)范圍以及復雜作業(yè)的適應能力。其它組成及連接 關系與具體實施方式
一相同。
如圖2和圖4所示,腰關節(jié)模塊2-l (第一關節(jié)模塊)為回轉關節(jié);肩關 節(jié)模塊2-2 (第二關節(jié)模塊)為俯仰關節(jié);肘關節(jié)模塊2-3 (第三關節(jié)模塊)為 俯仰關節(jié);腕關節(jié)一模塊2-4 (第四關節(jié)模塊)、腕關節(jié)二模塊2-5 (第五關節(jié) 模塊)和腕關節(jié)三模塊2-6 (第六關節(jié)模塊)三個關節(jié)共同組成腕關節(jié),分別 為回轉、俯仰、回轉關節(jié),且三個關節(jié)的軸線交于一點(腕點)。以上所述六個 關節(jié)模塊的傳動原理相似,由直流伺服電機2-8 (直流伺服電機2-8上設有編 碼器2-12)輸出,經(jīng)同步傳動帶2-9傳動給諧波減速器2-10,由諧波減速器 2-10輸出帶動相應的關節(jié)俯仰或回轉。在同步傳動帶2-9和諧波減速器2-10 之間有制動器2-11,可實現(xiàn)制動功能。
具體實施方式
三如圖1 3所示,本實施方式所述操作臂主體2還包括夾 爪2-7,所述夾爪2-7與第三腕關節(jié)2-6的末端連接。其它組成及連接關系與具體實施方式
二相同。
權利要求
1、一種超冗余全方位移動操作臂,所述移動操作臂由操作臂主體(2)和全方位移動小車(1)組成,操作臂主體(2)安裝在全方位移動小車(1)的上端面上,其特征在于所述全方位移動小車(1)由至少三個車輪模塊(1-1)和外殼體(1-2)組成,每個車輪模塊(1-1)均由車輪體(1-1-1)、機架(1-1-6)、車輪轉向裝置和車輪滾動裝置構成,車輪轉向裝置由轉向支架(1-1-2)、第一轉向直齒輪(1-1-3)、第二轉向直齒輪(1-1-4)和轉向電機(1-1-5)組成,所述車輪滾動裝置由第一同步帶輪(1-1-7)、同步帶(1-1-8)、第二同步帶輪(1-1-9)、轉軸(1-1-10)、第一錐齒輪(1-1-11)、第二錐齒輪(1-1-12)、第一滾動直齒輪(1-1-13)、第二滾動直齒輪(1-1-14)和滾動電機(1-1-15)組成;轉向支架(1-1-2)的一端安裝在車輪體(1-1-1)幾何中心處的軸的兩端上,轉向支架(1-1-2)另一端穿過機架(1-1-6)并與第一轉向直齒輪(1-1-3)連接,第一轉向直齒輪(1-1-3)與第二轉向直齒輪(1-1-4)相嚙合,第二轉向直齒輪(1-1-4)與轉向電機(1-1-5)的輸出軸連接;第一同步帶輪(1-1-7)安裝在車輪體(1-1-1)幾何中心處的軸的一端上,第一同步帶輪(1-1-7)通過同步帶(1-1-8)與第二同步帶輪(1-1-9)連接,轉軸(1-1-10)安裝在轉向支架(1-1-2)上,第二同步帶輪(1-1-9)通過轉軸(1-1-10)與第一錐齒輪(1-1-11)連接,第一錐齒輪(1-1-11)和第二錐齒輪(1-1-12)相嚙合,第二錐齒輪(1-1-12)設置在第一滾動直齒輪(1-1-13)的下方且二者制成一體,第二錐齒輪(1-1-12)和第一滾動直齒輪(1-1-13)均安裝在轉向支架(1-1-2)上,第一滾動直齒輪(1-1-13)與第二滾動直齒輪(1-1-14)相嚙合,第二滾動直齒輪(1-1-14)與滾動電機(1-1-15)的輸出軸連接;至少三個機架(1-1-6)、車輪轉向裝置和車輪滾動裝置均布安裝在外殼體(1-2)內(nèi),至少三個車輪體(1-1-1)位于外殼體(1-2)的下方。
2、 根據(jù)權利要求l所述的超冗余全方位移動操作臂,其特征在于所述操 作臂主體(2)包括腰關節(jié)模塊(2-1)、肩關節(jié)模塊(2-2)、肘關節(jié)模塊(2-3)、 腕關節(jié)一模塊(2-4)、腕關節(jié)二模塊(2-5)和腕關節(jié)三模塊(2-6)六個關節(jié) 模塊,所述腰關節(jié)模塊(2-1)、肩關節(jié)模塊(2-2)、肘關節(jié)模塊(2-3)、腕關 節(jié)一模塊(2-4)、腕關節(jié)二模塊(2-5)和腕關節(jié)三模塊(2-6)依次連接。
3、根據(jù)權利要求2所述的超冗余全方位移動操作臂,其特征在于所述操作臂主體(2)還包括夾爪(2-7),所述夾爪(2-7)與第三腕關節(jié)(2-6)的末 端連接。
全文摘要
超冗余全方位移動操作臂,它涉及一種操作臂。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的操作機器人存在操作靈活性較差、不具備全方位行走的能力,致使其工作空間和作業(yè)范圍受到局限難以適應復雜工作環(huán)境的問題。第一轉向直齒輪與第二轉向直齒輪相嚙合,第二轉向直齒輪與轉向電機的輸出軸連接;第一同步帶輪通過同步帶與第二同步帶輪連接,轉軸安裝在轉向支架上,第二同步帶輪通過轉軸與第一錐齒輪連接,第一錐齒輪和第二錐齒輪相嚙合,第二錐齒輪和第一滾動直齒輪均安裝在轉向支架上,第一滾動直齒輪與第二滾動直齒輪相嚙合,第二滾動直齒輪與滾動電機的輸出軸連接。本發(fā)明具有較高可操作度、任務的適應性強、工作空間大和靈活性好的優(yōu)點,實現(xiàn)了操作臂的全方位移動功能。
文檔編號B25J17/00GK101428420SQ200810209728
公開日2009年5月13日 申請日期2008年12月17日 優(yōu)先權日2008年12月17日
發(fā)明者劉剛峰, 唐術鋒, 樊繼壯, 杰 趙, 閆繼宏 申請人:哈爾濱工業(yè)大學