一种四轴机械臂的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种四轴机械臂。

背景技术：

目前，大多数机械臂结构都是通过在各关节安装舵机直接驱动或舵机带动连杆机构来驱动机械臂转动的四轴机械臂，虽然这些机构减少了机械结构的复杂性，降低了机械臂成本，但是却存在许多缺点：

一方面，教学机器人的各关节都是通过舵机直接驱动机械臂进行摆动和旋转，由于舵机安装在各个关节的转动处，这会导致机械臂的重量增大。驱动第一轴的舵机承受的负载加大，致使在机械臂末端的承载能力非常小，而且舵机位置精度低。舵机带动连杆机构不能向后方旋转，并且在可旋转的空间范围内存在死点，导致机械臂不能够到达指定的空间位置，使得机械臂精度低、运动范围局限。

另一方面，通过安装在机械臂两侧的舵机带动连杆机构来驱动机械臂的二、三、四轴进行运动，这会导致没有单独的驱动结构让机械臂第四轴独立运动，这不符合目前市场上所有机械臂各关节可以独立运动的形式，同时伴随着第四轴机械臂不能完全的到达指定的位置，致使机械臂精度较差。

技术实现要素：

为解决上述技术问题中至少之一，减轻重量，提高移动精度，本发明所采用的技术方案如下：

本发明提供一种四轴机械臂，其包括底座、一轴组件、二轴组件、三轴组件和四轴组件，一轴组件安装在底座，一轴组件包括一轴转盘和一轴驱动器，一轴驱动器带动一轴转盘转动；二轴组件包括二轴驱动器、二轴一臂、二轴二臂和二轴从动轮，二轴驱动器安装在一轴转盘，二轴一臂的两端分别为二三输入端和二三输出端，二轴二臂的两端分别为二四输入端和二四输出端，二三输入端和二四输入端分别安装在二轴从动轮所在转轴的两端，二轴驱动器通过驱动二轴从动轮带动二轴一臂和二轴二臂同步摆动；三轴组件包括三轴驱动器、三轴臂和三轴从动轮，三轴驱动器安装在一轴转盘，三轴驱动器的输出端布置在二轴一臂的二三输入端，三轴臂的两端分别为三四输入端和三四输出端，三轴从动轮所在转轴安装在三四输入端，三轴从动轮所在转轴的另一端通过滚动轴承安装在二三输出端，三轴驱动器通过驱动三轴从动轮带动三轴臂摆动；四轴组件包括四轴驱动器、四轴臂和四轴从动轮，四轴驱动器安装在一轴转盘，四轴驱动器的输出端布置在二轴二臂的二四输入端，二四输出端布置有二四从动轮，三四输入端布置有三四从动轮，三四从动轮与二四从动轮安装在同一个转轴上，四轴臂的两端分别为四轴输入端和工作端，四轴输入端安装在四轴从动轮所在转轴的端部，四轴驱动器通过二四从动轮、三四从动轮和四轴从动轮的传动带动四轴臂摆动。

进一步，二轴从动轮所在转轴的两端分别布置有二轴连接件，二轴从动轮所在转轴通过二轴连接件分别带动二轴一臂和二轴二臂摆动。

进一步，二轴一臂包括一臂盖和一臂板，二轴从动轮所在转轴带动一臂盖摆动，一臂盖和一臂板之间安装后形成的腔体为一臂内腔，三轴驱动器的输出端布置有三轴主动轮，三轴主动轮和三轴从动轮安装在一臂内腔中，三轴从动轮所在转轴的两端分别通过滚动轴承安装在一臂盖和一臂板。

进一步，二轴二臂包括二臂盖和二臂板，二轴从动轮所在转轴带动二臂盖摆动，二臂盖和二臂板之间安装后形成的腔体为二臂内腔，四轴驱动器的输出端布置有四轴主动轮，四轴主动轮和二四从动轮安装在二臂内腔中，二四从动轮所在转轴通过滚动轴承安装在二臂盖和二臂板。

进一步，三轴主动轮所在转轴的一端通过滚动轴承与一臂盖安装，四轴主动轮所在转轴的一端通过滚动轴承与二臂盖安装。

进一步，三轴从动轮所在转轴上布置有三轴连接件，三轴从动轮所在转轴通过三轴连接件带动三轴臂摆动。

进一步，三轴臂包括第第三臂板和第三臂盖，三轴从动轮所在转轴带动第三臂板摆动，第三臂板与第三臂盖之间安装后形成的腔体为第三内腔，三四从动轮和四轴从动轮安装在第三内腔中，三四从动轮所在转轴通过滚动轴承安装在第三臂盖，四轴从动轮所在转轴的两端分别通过滚动轴承安装在第三臂板和第三臂盖。

进一步，二轴驱动器的输出端布置有支撑组件，支撑组件安装在一轴转盘的上侧，支撑组件包括两个第一端盖，两个第一端盖之间安装后形成的腔体为第一内腔，二轴驱动器的输出端布置有二轴主动轮，二轴主动轮和二轴从动轮安装在第一内腔，二三输入端和二四输入端分别位于二轴从动轮所在转轴的两端。

进一步，一轴驱动器安装有第一编码器，二轴驱动器安装有第二编码器，三轴驱动器安装有第三编码器，四轴驱动器安装有第四编码器。

进一步，二轴一臂或二轴二臂上安装有第二惯性测量单元，三轴臂上安装有第三惯性测量单元，四轴臂上安装有第四惯性测量单元。

进一步，一轴转盘沿旋转轴线成型有中心孔。

有益效果：设计二轴驱动器、三轴驱动器和四轴驱动器均安装在一轴转盘上，从而降低四轴机械臂的重心，减轻四轴机械臂中二轴一臂、二轴二臂、三轴臂和四轴臂的重量；设计一轴驱动器驱动一轴转盘转动，二轴驱动器驱动二轴一臂和二轴二臂摆动，三轴驱动器驱动三轴臂摆动，四轴驱动器驱动四轴臂摆动，从而使四轴机械臂各关节独立运动，提高四轴机械臂的移动精度。本发明结构合理，可广泛应用于机器人技术领域。

附图说明

图1为四轴机械臂的结构图；

图2为底座、一轴组件、二轴驱动器、三轴驱动器、四轴驱动器和支撑组件的结构图；

图3为二轴从动轮、三轴主动轮、三轴从动轮、四轴主动轮、二四从动轮、三四从动轮和四轴从动轮的结构图，图中显示有各处的传动关系；

图4为二轴一臂中一臂盖和一臂板分解后的结构图；

图5为二轴二臂中二臂盖和二臂板分解后的结构图；

图6为三轴臂中第三臂盖和第三臂板分解后的结构图。

附图标记：11、底座；12、一轴转盘；13、一轴驱动器；14、二轴驱动器；15、二轴一臂；16、二轴二臂；17、二轴从动轮；18、三轴驱动器；19、三轴臂；20、三轴从动轮；21、四轴驱动器；22、四轴臂；23、四轴从动轮；24、二四从动轮；25、三四从动轮；26、二轴连接件；27、一臂盖；28、一臂板；29、三轴主动轮；30、二臂盖；31、二臂板；32、四轴主动轮；33、三轴连接件；34、第三臂板；35、第三臂盖；36、第一端盖；37、第一编码器；38、第二编码器；39、第三编码器；40、第四编码器。

具体实施方式

下面结合图1至图6对本发明做进一步的说明。

本发明涉及一种四轴机械臂，其包括底座11、一轴组件、二轴组件、三轴组件和四轴组件。

一轴组件安装在底座11，一轴组件包括一轴转盘12和一轴驱动器13，一轴驱动器13选用电机，一轴驱动器13带动一轴转盘12转动，一轴驱动器13通过齿形带或平皮带驱动一轴转盘12。

二轴组件包括二轴驱动器14、二轴一臂15、二轴二臂16和二轴从动轮17，二轴驱动器14选用电机，二轴驱动器14安装在一轴转盘12。二轴一臂15的两端分别为二三输入端和二三输出端，二轴二臂16的两端分别为二四输入端和二四输出端，二轴一臂15的中部与二轴二臂16的中部通过螺钉固定。二三输入端和二四输入端分别安装在二轴从动轮17所在转轴的两端，二轴驱动器14通过驱动二轴从动轮17带动二轴一臂15和二轴二臂16同步摆动，二轴驱动器14通过齿形带或平皮带驱动二轴从动轮17。

三轴组件包括三轴驱动器18、三轴臂19和三轴从动轮20，三轴驱动器18选用电机，三轴驱动器18安装在一轴转盘12。三轴驱动器18的输出端布置在二轴一臂15的二三输入端，三轴臂19的两端分别为三四输入端和三四输出端，三轴从动轮20所在转轴安装在三四输入端，三轴从动轮20所在转轴的另一端通过滚动轴承安装在二三输出端。三轴驱动器18通过驱动三轴从动轮20带动三轴臂19摆动，三轴驱动器18通过齿形带或平皮带驱动三轴从动轮20。

四轴组件包括四轴驱动器21、四轴臂22和四轴从动轮23，四轴驱动器21选用电机，四轴驱动器21安装在一轴转盘12。四轴驱动器21的输出端布置在二轴二臂16的二四输入端，二四输出端布置有二四从动轮24，三四输入端布置有三四从动轮25，三四从动轮25与二四从动轮24安装在同一个转轴上。四轴臂22的两端分别为四轴输入端和工作端，工作端安装有夹爪，四轴输入端安装在四轴从动轮23所在转轴的端部。四轴输入端成型有两个第四安装部，两个第四安装部分别与四轴从动轮23所在转轴的两端通过螺栓紧固。四轴驱动器21通过二四从动轮24、三四从动轮25和四轴从动轮23的传动带动四轴臂22摆动，四轴驱动器21通过齿形带或平皮带驱动二四从动轮24，三四从动轮25与四轴从动轮23之间通过齿形带或平皮带传动。

一轴转盘12沿旋转轴线成型有中心孔，可将一轴转盘12上各驱动器的外接线通过中空走线的方式连接至底座11中，有效的解决了四轴机械臂在旋转过程中外接线和四轴机械臂发生缠绕导致扯断外接线的现象。

将二轴驱动器14、三轴驱动器18和四轴驱动器21均安装在一轴转盘12上，有效减小了四轴机械臂的整体尺寸，减轻了四轴机械臂上二轴一臂15、二轴二臂16、三轴臂19和四轴臂22的重量，从而降低四轴机械臂的重心，增强其稳定性。

二轴驱动器14的输出端布置有支撑组件，支撑组件安装在一轴转盘12的上侧。支撑组件包括两个第一端盖36，两个第一端盖36之间安装后形成的腔体为第一内腔，二轴驱动器14的输出端布置有二轴主动轮，二轴主动轮和二轴从动轮17安装在第一内腔，二三输入端和二四输入端分别位于二轴从动轮17所在转轴的两端。

二轴从动轮17所在转轴的两端分别布置有二轴连接件26，二轴从动轮17所在转轴通过二轴连接件26分别带动二轴一臂15和二轴二臂16摆动。

二轴一臂15包括一臂盖27和一臂板28，二轴一臂15所对应的二轴连接件26通过螺栓安装在一臂盖27的外侧，二轴从动轮17所在转轴带动一臂盖27摆动，一臂盖27和一臂板28之间安装后形成的腔体为一臂内腔。

三轴驱动器18的输出端布置有三轴主动轮29，三轴主动轮29和三轴从动轮20安装在一臂内腔中，三轴从动轮20所在转轴的两端分别通过滚动轴承安装在一臂盖27和一臂板28。三轴主动轮29所在转轴的一端通过滚动轴承与一臂盖27安装，因此三轴主动轮29所在转轴起到支撑二轴一臂15的作用。

二轴二臂16包括二臂盖30和二臂板31，二轴二臂16所对应的二轴连接件26通过螺栓安装在二臂盖30的外侧，二轴从动轮17所在转轴带动二臂盖30摆动，二臂盖30和二臂板31之间安装后形成的腔体为二臂内腔。

二臂盖30外侧的中部成型有用于与一臂盖27安装的凸出部，从而将二轴一臂15和二轴二臂16安装为同步摆动的结构。

四轴驱动器21的输出端布置有四轴主动轮32，四轴主动轮32和二四从动轮24安装在二臂内腔中，二四从动轮24所在转轴通过滚动轴承安装在二臂盖30和二臂板31。四轴主动轮32所在转轴的一端通过滚动轴承与二臂盖30安装，因此四轴主动轮32所在转轴起到支撑二轴二臂16的作用。

三轴从动轮20所在转轴上布置有三轴连接件33，三轴从动轮20所在转轴通过三轴连接件33带动三轴臂19摆动。

三轴臂19包括第第三臂板34和第三臂盖35，三轴连接件33通过螺栓安装在第三臂板34的外侧，三轴从动轮20所在转轴带动第三臂板34摆动，第三臂板34与第三臂盖35之间安装后形成的腔体为第三内腔。

三四从动轮25和四轴从动轮23安装在第三内腔中，三四从动轮25所在转轴通过滚动轴承安装在第三臂盖35，四轴从动轮23所在转轴的两端分别通过滚动轴承安装在第三臂板34和第三臂盖35。

根据上述结构可知，一轴驱动器13通过一轴转盘12带动二轴组件、三轴组件和四轴组件转动，二轴驱动器14通过二轴从动轮17使二轴一臂15和二轴二臂16同步摆动，三轴驱动器18通过三轴从动轮20使三轴臂19摆动，四轴驱动器21通过二四从动轮24、三四从动轮25和四轴从动轮23使四轴臂22摆动。上述各处传动优选为齿形带，实现同步传动。

一轴驱动器13安装有第一编码器37，二轴驱动器14安装有第二编码器38，三轴驱动器18安装有第三编码器39，四轴驱动器21安装有第四编码器40。各编码器分别用来检测对应驱动器执行了电机多少脉冲，从而达到精确定位的功能。

二轴一臂15或二轴二臂16上安装有第二惯性测量单元，三轴臂19上安装有第三惯性测量单元，四轴臂22上安装有第四惯性测量单元，各惯性测量单元均采用imu惯性测量单元，其与编码器起到双重检测的作用。imu惯性测量单元是测量物体三轴姿态角、角速度和加速度的装置，imu惯性测量单元包括三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，通过测量物体在三维空间中的角速度和加速度计算出物体的姿态。

以三轴臂19为例说明各惯性测量单元的功能：当三轴臂19转到某个角度后，第三惯性测量单元测量此时三轴臂19在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。

四轴机械臂通过采用电机驱动、齿形带传动以及imu惯性测量等方式，结合一轴转盘12中空走线的设计，能够使教学机器人与实际工业机器人在四轴机械臂结构和运动控制上具有相通之处，使用该四轴机械臂的教学机器人可以实现全方位转动、各关节独立运动。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。