一种超冗余机械臂的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及超冗余机械臂的设计，该机械臂能支持至少Ξ个运动冗余自由度。
【背景技术】
[0002] 超冗余机械臂是指具有运动冗余自由度的机械臂。与普通机械臂相比，超冗余机 械臂具有更加灵活的运动特性，可W在完成上下伸展任务的同时完成机械臂旋转角度的变 换等附加任务。其应用范围十分广泛，大到深海和宇宙空间的探索，小到产品加工和家庭服 务等不同领域都可W发现其身影。由于具备冗余的自由度，即保证机械臂末端在完成所要 求任务的同时，还能根据不同的任务要求和工作环境选择不同的优化指标。
[0003] 超冗余机械臂运动轨迹的控制和角度变换是超冗余机械臂的核屯、研究内容，而之 前的超冗余机械臂不能更好的扩展其运动轨迹及变换的角度，使之在应用上具有一定的局 限性。
【发明内容】
[0004] 本发明公开了一种机械臂的结构，至少具有Ξ个W上的运动冗余自由度，通过加 载多个自由度使机械臂能够实现多角度的旋转；机械臂的末端可加载多种爪机，并在该超 冗余机械臂搭载控制模块，既能够控制机械臂自身的伸展和旋转，也能够控制末端爪机的 收缩与释放，提升机械臂的适用性和实用性。
[0005] 通过本发明的超冗余机械臂，拓展了机械臂的可操作范围，增加机械臂的伸缩性 及变换角度，增加机械臂对末端爪机的支持，增加通信模块使机械臂的操控更加灵活，因此 具有较强的适用性、稳定性和实用性。
【附图说明】
[0006] 图1:本发明机械臂的整体结构。 阳007] 图2 :本发明的机械爪的结构。
【具体实施方式】
[0008] 参见图1，本发明的机械臂包括上臂、中臂、下臂和机械爪，所述上臂一端通过旋转 关节和中臂连接，另一端也具有旋转关节，可与安装该机械臂的装置（例如机床）连接，所 述中臂一端通过旋转关节和上臂连接，另一端通过旋转关节和下臂连接，下臂上还具有安 装机械爪的接口，可W安装任意一种匹配该接口的机械爪。每个旋转关节都由相应的电机 控制，可W进行任意角度和方向的旋转，每个电机都由机械臂上安装的电控模块控制，从而 使得该机械臂至少具有Ξ个运动冗余自由度。所述电控模块根据控制信号，控制各个电机 带动旋转关节，从而控制机械臂的动作。
[0009] 为了使得机械臂具有更好的灵活性，本发明引入关节最佳柔顺性准则，得出用优 化算法求机械臂运动学逆解的目标函数，即：
[0010]
W11]上式中，F(z)是机械臂逆解的目标函数，z为所述机械臂，η是关节数目，Qi(z)是 第i个关节的目标位置，Qi。是第i个关节的当前位置。当求Qi(z)时，Qi。是已知量。因此， 求逆解可W归结为求解目标函数F(z)最小值的优化问题。本发明使用遗传信赖域方法求 解此最优化问题，利用二次逼近，可W构造信赖域子问题为：
[0012]
阳01引S. t. I|d| |2《Δ k ZkG r2 [0014]其中，qk(d)是信赖域子问题； 阳〇1引Zk是迭代点；
[0016] 各'4=▽巧Z;');
[0017]A k是信赖域半径； 阳0化]=72巧若4);即求解Gk用拟牛顿法的BFGS公式构造化ssion矩阵来近似。
[0019] d为试探步变量；R为实数域。
[0020] 通过上述目标函数的逼近，除了关节最佳柔顺性外，我们还可W得到一个机械臂 长度的优选解，即上臂、中臂、下臂的长度比例为1:j:
[0021] 根据本发明的一个优选实施例，本发明采用的机械爪如图2所示，机械抓取部分 采用平面四杆机构，主要由四个刚性构件低福链接组成，具有左右两个平面机构，各转接部 分安装小轴承；连架杆部分等距，使左右两个平面机构连杆运动轨迹对称，达到相对的平行 抓取；对称的两个连架杆各由一个齿轮带动，其中一个为主动齿轮依靠舱机提供旋距，一个 为从动齿轮，由主动齿轮带动；扭矩最大可提供13kg·cm,增加压力传感器安装在爪子前 端，使在抓取过程中防止受力大导致物体抓取力度变大，通过Ξ个灵活自由度的自动控制， 减少抓取过程中的外在冲击，使抓取过程中平稳。
[0022] W上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明 的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范 围之内。
【主权项】
1. 一种超冗余机械臂，其特征在于，包括上臂、中臂、下臂、机械爪和电控模块，所述上 臂一端通过旋转关节和中臂连接，另一端也具有旋转关节，可与安装该机械臂的装置连接， 所述中臂一端通过旋转关节和上臂连接，另一端通过旋转关节和下臂连接，下臂上还具有 安装机械爪的接口，可以安装任意一种匹配该接口的机械爪。每个旋转关节都由相应的电 机控制，可以进行任意角度和方向的旋转，每个电机都由所述电控模块控制；所述电控模块 根据控制信号，控制各个电机带动旋转关节，从而控制机械臂的动作。2. 根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述电控模块遵循关节最佳柔顺性准 贝1J，控制所述机械臂的运动，该准则通过下述公式求机械臂运动学逆解，即：其中，F(z)是机械臂逆解的目标函数，z为所述机械臂，η是关节数目，qi (z)是第i个 关节的目标位置，。是第i个关节的当前位置。3. 根据权利要求1-2任意一项所述的机械臂，其特征在于，所述上臂、中臂、下臂的长 度比例为1 :4. 根据权利要求1-3任意一项所述的机械臂，其特征在于，所述机械爪的机械抓取部 分采用平面四杆机构，由四个刚性构件低福链接组成，各转接部分安装小轴承；所述机械爪 的连架杆部分等距，使左右两个平面机构连杆运动轨迹对称，达到相对的平行抓取；对称 的两个连架杆各由一个齿轮带动，其中一个为主动齿轮，依靠舵机提供旋距，一个为从动齿 轮，由主动齿轮带动。
【专利摘要】本发明公开了一种超冗余机械臂，该机械臂包括上臂、中臂、下臂和机械爪，提供了多个自由度，使机械臂的伸展性、旋转角度范围得到提升，其增加的电控模块也使该超冗余机械臂更加的易于控制，同时该超冗余机械臂能够加载其他爪机模块，提升了该超冗余机械臂的适用性。
【IPC分类】B25J18/00
【公开号】CN105291135
【申请号】CN201510888985
【发明人】蒋再男
【申请人】哈尔滨云控机器人科技有限公司
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年12月4日