基于耦合钢丝绳传动的三自由度机械臂的制作方法

本发明涉及一种机械臂，特别涉及基于耦合钢丝绳传动的三自由度机械臂。

背景技术：

目前，对于机械臂的设计来说，现有的并联结构，多为连杆铰链形式，虽然具有高强度、大负载特点，但运动范围也受到了很大限制，大多说设计是以串联结构设计为主，这种结构运动范围大，但相对于并联结构末端承载较小，而且每个自由度都有单独电机驱动，使得电机负担大，从而导致电机尺寸增加。一般机械臂的关节驱动大多数为直接驱动或常规齿轮、带传动驱动，并且将驱动电机和减速器直接安装在关节处或通过传动安装在大臂小臂上，一方面大大增加了机械臂的重量，另一方面大大增加了关节转动处的驱动力矩。

技术实现要素：

本发明是为克服现有技术的不足，提供一种基于耦合钢丝绳传动的三自由度机械臂。该机械臂传动方式均采取钢丝绳驱动并且将驱动电机均布置在靠近基座处，大大减轻了机械臂的重量以及大大减少了关节转动处的驱动力矩。针对串联结构每个自由度都有单独电机驱动、电机负担变大、末端最大承载小问题，而提出基于并联驱动双自由度耦合臂，使得在每个自由度运动时都有两个电机承担，分担了电机的负担，从而减小电机的体积，增加了紧凑性，根据工作情况、两个电机对两个关节进行扭矩分配，末端最大承载能力加大。

本发明的技术方案是：

基于耦合钢丝绳传动的三自由度机械臂，它包括驱动装置和双自由度耦合臂；

所述驱动装置的输出端连接有由所述驱动装置驱动可作旋转运动的双自由度耦合臂；

所述双自由度耦合臂包含由钢丝绳驱动旋转的大臂及由钢丝绳驱动旋转的小臂。

进一步地，所述驱动装置包括驱动电机、电机支撑架、钢丝绳小绕线轮一、钢丝绳大绕线轮一和输出轴；驱动电机固定在电机支撑架上，钢丝绳小绕线轮一侧与驱动电机输出轴连接，钢丝绳小绕线轮另一侧由支撑架支撑并能相对旋转，钢丝绳大绕线轮固装在输出轴上，输出轴转动安装在支撑架上，钢丝绳小绕线轮与钢丝绳大绕线轮的轴向平行设置，钢丝绳小绕线轮一和钢丝绳大绕线轮一上绕有“8”字形钢丝绳。

进一步地，所述双自由度耦合臂还包括连接架、电机、钢丝绳小绕线轮二、钢丝绳大绕线轮二、钢丝绳大绕线轮三和肘关节绕线轮；连接架上安装相对设置的两个电机，两个电机的输出轴上各固装有一个钢丝绳小绕线轮二，连接架上还安装有可转动的大臂轴，大臂一端固装在大臂轴上，大臂轴上安装有可转动的钢丝绳大绕线轮二和钢丝绳大绕线轮三，大臂的另一端安装有可转动的肘关节轴，肘关节绕线轮固装在肘关节轴上，小臂固装在肘关节绕线轮上；其中一个钢丝绳小绕线轮二与钢丝绳大绕线轮二上绕有“8“字形钢丝绳，钢丝绳大绕线轮二与肘关节绕线轮上绕有钢丝绳；另一个钢丝绳小绕线轮二与钢丝绳大绕线轮三上绕有“8”字形钢丝绳，钢丝绳大绕线轮三与肘关节绕线轮上绕有“8“字形钢丝绳。

进一步地，所述钢丝绳大绕线轮二上开设有一个轮槽二和两个大臂轮槽二；所述钢丝绳大绕线轮三上开设有两个大臂轮槽三和两个轮槽三；所述肘关节绕线轮上开设有一个轮槽四和两个肘关节轮槽四；两条钢丝绳以“8”字形缠绕在一个钢丝绳小绕线轮二的轮槽和两个大臂轮槽二上；两条钢丝绳以“8”字形缠绕在另一个钢丝绳小绕线轮二的轮槽和两个大臂轮槽三上，钢丝绳平行缠绕在轮槽二和轮槽四；两条钢丝绳以“8”字形缠绕在两个轮槽三与两个肘关节轮槽四上。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、大臂轴和肘关节轴的转动采用并联耦合驱动的方法，使得在每个自由度运动时都有两个电机承担，分担了电机的负担，某种程度上使电机所需的额定功率减小，从而减小电机的体积和重量，增加了紧凑性。

2、所有传动方式均采用钢丝绳传动方式，大大减轻了单臂的总重量。

3、考虑到机械臂面临不同的作业工况，设计末端快速换接装置，可实现末端执行器可快速拆装的目的，增加了机械臂作业场景的普遍性以及换接的方便性。

4、驱动电机以及减速装置均设计在靠近底座的位置，使得运动部分质量较轻，装置进行加减速时惯性力较小，有利于控制效果的改善，同时负载能力也得到了提升。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

附图说明

图1为本发明的立体图；

图2为驱动装置的结构图；

图3为双自由度耦合驱动装置的结构图；

图4为双自由度耦合驱动装置的连接架和大臂连接关系局部放大图；

图5为双自由度耦合驱动装置的肘关节绕线轮与小臂连接关系局部放大图；

图6为末端执行器快速换接装置的立体图；

图7为末端执行器快速换接装置的主视图；

图8为图7中沿a-a线的剖视图；

图9为其中一种末端执行器的立体图；

图10为其中一种末端执行器的主剖视图；

图11为本发明双自由度耦合臂的工作原理图；

图12为两个电机同力矩反向旋转时钢丝绳作用力示意图；

图13为两个电机同力矩同向旋转时钢丝绳作用力示意图。

具体实施方式

参见图1-图5说明，基于耦合钢丝绳传动的三自由度机械臂，它包括驱动装置1和双自由度耦合臂2；

所述驱动装置1的输出端连接有由所述驱动装置1驱动可作旋转运动的双自由度耦合臂2；所述双自由度耦合臂2包含由钢丝绳驱动旋转的大臂2-7及由钢丝绳驱动旋转的小臂2-12。

所述驱动装置1包括驱动电机1-1、电机支撑架1-2、钢丝绳小绕线轮一1-3、钢丝绳大绕线轮一1-4和输出轴1-7；驱动电机1-1固定在电机支撑架1-2上，钢丝绳小绕线轮1-3一侧与驱动电机1-1输出轴连接，钢丝绳小绕线轮1-3另一侧由支撑架1-2支撑并能相对旋转，钢丝绳大绕线轮1-4固装在输出轴7上，输出轴7转动安装在支撑架1-2上，钢丝绳小绕线轮1-3与钢丝绳大绕线轮1-4的轴向平行设置，钢丝绳小绕线轮一1-3和钢丝绳大绕线轮一1-4上绕有“8”字形钢丝绳。

如图2所示，为了适应或改变传动比，两条钢丝绳以“8”字形缠绕在钢丝绳小绕线轮一1-3的轮槽和钢丝绳大绕线轮一1-4的两个轮槽上；所述钢丝绳小绕线轮一1-3上的轮槽为螺旋式轮槽，如此设置，钢丝绳小绕线轮一1-3和钢丝绳大绕线轮一1-4转速不相同，

另外，为了保证结构稳定可靠，钢丝绳大绕线轮一1-4与输出轴1-7进行周向定位固定，通过套筒和轴肩进行轴向定位固定。输出轴1-7两端穿过电机支撑架1-2，电机支撑架1-2为槽状板式结构，与电机支撑架1-2通过轴承连接，轴承端盖1-5和轴承透盖1-6与电机支撑架1-2通过螺钉连接固定，挡住连接电机支撑架1-2和输出轴1-7的轴承外圈。作为一种优选方案，大臂2-7采用碳纤维材料，小臂2-12采用碳纤维空心管结构，电机支撑架1-2采用铝合金材料。连接架2-1采用铝合金材料。如此设置，质轻操作灵活可靠。机械臂的大臂侧板采用碳纤维材料、小臂采用碳纤维空心管的结构及支撑部件多采用铝合金材料，不仅大幅降低了整个机械臂的整体质量，也使的臂部转动惯量降低，传动轮更易带动臂部摆动，提升了单臂的灵活性。钢丝绳绕制具体为：一条钢丝绳一端固定在该螺旋式轮槽的上端，该条钢丝绳从上至下绕至螺旋式轮槽的中部，从螺旋式轮槽上端交错进入钢丝绳绕线轮一1-4的两个螺旋槽位于上侧的螺旋槽中，该条钢丝绳另一端固定在钢丝绳大绕线轮一1-4的上侧螺旋槽结束端，呈现近似半个8字形状；另一条钢丝绳一端固定在该螺旋式轮槽的下端，该钢丝绳从下至上与所述一条钢丝绳以相同绕向绕在螺旋式轮槽的中部，从螺旋式轮槽下端交错进入钢丝绳绕线轮一1-4的两个螺旋槽位于下侧的螺旋槽中，该条钢丝绳另一端固定在钢丝绳大绕线轮一1-4下侧螺旋槽结束端，呈现近似半个8字形状。两条钢丝绳组合呈“8”字形缠绕，利用“8”字形钢丝绳缠绕方式，驱动双自由度耦合臂2转动，质轻结构紧凑。

较佳地，如图2-图5所示，所述双自由度耦合臂2还包括连接架2-1、电机2-3、钢丝绳小绕线轮二2-4、钢丝绳大绕线轮二2-5、钢丝绳大绕线轮三2-6和肘关节绕线轮2-10；

连接架2-1上安装相对设置的两个电机2-3，两个电机2-3的输出轴上各固装有一个钢丝绳小绕线轮二2-4，连接架2-1上还安装有可转动的大臂轴2-9，大臂2-7一端固装在大臂轴2-9上，大臂轴2-9上安装有可转动的钢丝绳大绕线轮二2-5和钢丝绳大绕线轮三2-6，大臂2-7的另一端安装有可转动的肘关节轴2-13，肘关节绕线轮2-10固装在肘关节轴2-13上，小臂2-12固装在肘关节绕线轮2-10上；

其中一个钢丝绳小绕线轮二2-4与钢丝绳大绕线轮二2-5上绕有“8”字形钢丝绳，该“8”字形钢丝绳的绕制方式与钢丝绳小绕线轮一1-3和钢丝绳大绕线轮一1-4的“8”字形钢丝绳缠绕方式相同。

如图12和图13所示，钢丝绳大绕线轮二2-5与肘关节绕线轮2-10上绕有钢丝绳，为平行绕制的钢丝绳。一条钢丝绳布置在上部且包绕钢丝绳大绕线轮二2-5与肘关节绕线轮2-10的四分之一半圆后两端分别固定在钢丝绳大绕线轮二2-5与肘关节绕线轮2-10上，另一条钢丝绳布置在下部且包绕钢丝绳大绕线轮二2-5与肘关节绕线轮2-10的四分之一半圆后两端分别固定在钢丝绳大绕线轮二2-5与肘关节绕线轮2-10上。

另一个钢丝绳小绕线轮二2-4与钢丝绳大绕线轮三2-6上绕有“8”字形钢丝绳，该种“8”字形钢丝绳的缠绕方式与钢丝绳小绕线轮一1-3和钢丝绳大绕线轮一1-4的“8”字形钢丝绳缠绕方式相同。

钢丝绳大绕线轮三2-6与肘关节绕线轮2-10上绕有“8“字形钢丝绳。

上述具体方案的有益技术效果是：当两侧电机2-3相同力矩同向转动时，“8“字形钢丝绳和平行钢丝绳绕制会出现两个电机2-3加在肘关节轴2-13处的力矩为0，实现大臂2-7旋转，而小臂2-12不旋转。

或两侧电机2-3相同力矩相反转动时，“8“字形钢丝绳和平行钢丝绳绕制会出现两个电机2-3加在大臂轴2-9处的力矩为0，实现大臂2-7不旋转，而小臂2-12旋转。

作为上述方式的一个优选方案，如图3、图4和图5所示，所述钢丝绳大绕线轮二2-5上开设有一个轮槽二2-5-1和两个大臂轮槽二2-5-2；所述钢丝绳大绕线轮三2-6上开设有两个大臂轮槽三2-6-1和两个轮槽三2-6-2；所述肘关节绕线轮2-10上开设有一个轮槽四2-10-1和两个肘关节轮槽四2-10-2；两条钢丝绳以“8”字形缠绕在一个钢丝绳小绕线轮二2-4的轮槽和两个大臂轮槽二2-5-2上，该“8”字形钢丝绳的绕制方式与钢丝绳小绕线轮一1-3和钢丝绳大绕线轮一1-4的“8”字形钢丝绳缠绕方式相同；

如图12和图13所示，两条钢丝绳以“8”字形缠绕在另一个钢丝绳小绕线轮二2-4的轮槽和两个大臂轮槽三2-6-1上；该“8”字形钢丝绳的绕制方式与钢丝绳小绕线轮一1-3和钢丝绳大绕线轮一1-4的“8”字形钢丝绳缠绕方式相同；

如图12和图13所示，钢丝绳平行缠绕在轮槽二2-5-1和轮槽四2-10-1；一条钢丝绳5布置在上部且包绕轮槽二2-5-1和轮槽四2-10-1的四分之一半圆后两端分别固定在轮槽二2-5-1和轮槽四2-10-1上，另一条钢丝绳5布置在下部且包绕轮槽二2-5-1和轮槽四2-10-1的四分之一半圆后两端分别固定在轮槽二2-5-1和轮槽四2-10-1上；

如图12和图13所示，两条钢丝绳以“8”字形缠绕在两个轮槽三2-6-2与两个肘关节轮槽四2-10-2上。一条钢丝绳5包绕外侧的轮槽三2-6-2与肘关节轮槽四2-10-2呈半“8”字形钢丝绳，另一条钢丝绳5包绕内侧的轮槽三2-6-2与肘关节轮槽四2-10-2呈半“8”字形钢丝绳，二者组合成“8”字形钢丝绳。如此设置，轮槽的结构稳定可靠，有利于实现大臂2-7和小臂2-12并联双耦合运动。图12和图13中轮槽二2-5-1、轮槽四2-10-1、轮槽三2-6-2和肘关节轮槽四2-10-2上的黑点表示钢丝绳固定端。

如上所述，如图4所示，为了适应不同的传动比，每个钢丝绳小绕线轮二2-4上的轮槽为螺旋式轮槽。这样钢丝绳小绕线轮二2-4和钢丝绳大绕线轮二2-5的转速不相同。

参见图6-图8所示，所述双自由度耦合臂2还包括末端执行器快速换接装置3；所述末端执行器快速换接装置3包括锁紧卡扣3-1、脱开卡扣3-2和末端换接套筒3-3；所述锁紧卡扣3-1为筒式结构，锁紧卡扣3-1与小臂2-12可拆卸连接，末端换接套筒3-3卡接在锁紧卡扣3-1上，末端换接套筒3-3上滑动套接有用于打开锁紧卡扣3-1的脱开卡扣3-2。进一步地，作为一种优选方案，所述锁紧卡扣3-1的外筒上开有卡槽3-10，位于卡槽3-10位置处的锁紧卡扣3-1的卡接段为弹性卡接段，该弹性卡接段端部具有卡棱3-11，末端换接套筒3-3上开有卡口3-31，末端换接套筒3-3与锁紧卡扣3-1连接后，卡槽3-10与卡口3-31对应设置，所述卡棱3-11卡接在卡口3-31内，脱开卡扣3-2端部具有卡托3-21，该卡托3-21布置于卡口3-31内，卡棱3-11与卡托3-21呈楔形布置。具体操作时：锁紧卡扣3-1与小臂2-12通过螺栓连接在一起，锁紧卡扣3-1通过加力向右挤压，靠自身形变，使右端卡棱3-11挤入末端换接套筒3-3相应矩形卡口3-31内，完成与末端换接套筒3-3的固定。同理，脱开卡扣3-2通过加力也是向右挤压，靠自身形变，使左端卡托3-21挤入末端换接套筒3-3相应矩形卡口3-31内，脱开卡扣3-2与末端换接套筒3-3间隙配合连接，这样可保证两者可在轴向进行相对移动。快换时，推动脱开卡扣3-2向左移动，由于卡棱3-11与卡托3-21呈楔形布置，卡托3-21顶压卡棱3-11，使得卡棱3-11移出卡口3-31，完成锁紧卡扣3-1和末端换接套筒3-3的脱离。

参见图9和图10所示，末端执行器快速换接装置3还连接有末端执行器4，末端执行器4包括连接筒4-1、两个工作钳4-2、驱动杆4-4和两个连接杆4-3；连接筒4-1与末端换接套筒3-3连接，两个工作钳4-2分别与连接筒4-1转动连接，驱动杆4-4设置在连接筒4-1内，每个连接杆4-3两端分别与工作钳4-2和驱动杆4-4转动连接，两个工作钳4-2的开合由动力机构驱动驱动杆4-4水平往复运动实现。如此设计，连接杆4-3、驱动杆4-4和工作钳4-2三者之间可发生相对转动。作为一种优选的方案，该动力机构包含动力电机、螺母和丝杆；动力电机的输出轴连接丝杆，螺母旋拧在丝杆上，螺母的外侧与驱动杆4-4固接，进而丝杆的旋转运动变为螺母的直线移动，实现驱动杆4-4的直线运动，进而转化为工作钳4-2的转动，变为开合，从而达到夹持物体的目的。

较佳地，如图3-图5所示，所述连接架2-1包括连接底板2-1-1和支撑侧板2-1-2；大臂2-7包括两个大臂侧板2-7-1和多个侧板连接柱2-7-2；连接底板2-1-1两侧各连接有一个支撑侧板2-1-2，输出轴1-7与连接底板2-1-1固接，每个支撑侧板2-1-2上安装有一个电机2-3，大臂轴2-9通过轴承转动安装在两个支撑侧板2-1-2上，两个大臂侧板2-7-1并排设置且固装在大臂轴2-9上，两个大臂侧板2-7-1之间设置有与二者固接的多个侧板连接柱2-7-2，小臂2-12与小臂连接套2-11连接，小臂连接套2-11与肘关节绕线轮2-10固接。如此设置，结构简单，连接可靠，运行稳定。

工作原理

结合图1-图11所示，驱动电机1-1转动，通过8字钢丝绳5缠绕方式，驱动整个双自由度耦合臂2的自转，完成1个自由度；当两侧电机2-3相同力矩同向转动时，即“8”字形钢丝绳的钢丝绳5大绕线轮三2-6和平行钢丝绳5绕制的钢丝绳大绕线轮二2-5作同向转动，两条钢丝绳5对肘关节轴2-13施加力所产生的扭矩方向相反，相互抵消，所以两个电机2-3加在肘关节轴2-13处的力矩为0，两条钢丝绳5对大臂轴2-9施加力所产生的扭矩方向相同，相互累加，所以两个电机2-3加在大臂轴2-9处的力矩为两个力产生力矩之和，此时大臂2-7旋转，小臂2-12不转。当两侧电机2-3相同力矩反向向转动时，即“8”字形钢丝绳5的钢丝绳大绕线轮二2-5和平行缠绕钢丝绳5的钢丝绳大绕线轮三2-6作反向转动，两条钢丝绳5对大臂轴2-9施加力所产生的扭矩方向相反，相互抵消，所以两个电机2-3加在大臂轴2-9处的力矩为0，两条钢丝绳5对肘关节轴2-13施加力所产生的扭矩方向相同，相互累加，所以两个电机2-3加在肘关节轴2-13处的力矩为两个力产生力矩之和，此时，小臂2-12旋转，大臂2-7不转。

在机械手带负载运动过程中，可根据各个关节实际所出力矩的大小，合理将两个电机2-3减速后的输出力矩在两个关节处进行分配，最大为两个电机减速后的输出力矩之和，最小为0。

快速换接原理：锁紧卡扣3-1通过加力向右挤压，靠自身形变，使右端卡扣挤入末端换接套筒3-3相应矩形卡口内，实现末端执行器的快速安装，脱开卡扣3-2通过施加力使左端卡托与锁紧卡扣3-1的右端卡棱进行挤压，使锁紧卡扣3-1的右端卡棱挤出末端换接套筒3-3相应矩形卡口内，然后靠施加相应力，实现末端执行器的快速拆卸，综上，即可达到面对不同工况，末端执行器可实现快速拆装的目的。

末端执行器原理：动力机构驱动驱动杆4-4左右移动，通过连接杆4-3传递运动，进而转化为工作钳4-2的转动，从而达到夹持物体的目的。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。