七自由度串并混联防死点机械臂制造技术

本发明专利技术提供了一种七自由度串并混联防死点机械臂，包括依次连接的基座、第一关节、第一连杆、第二关节、连接支架、第三关节、第二连杆、第四关节、第六连杆、第五关节、第六关节、第七连杆、第七关节和末端执行器连接法兰；第三关节和第四关节之间还设有第三连杆、第四连杆和第五连杆；第四连杆和第五连杆的一端连接第四关节，第四连杆和第五连杆的另一端连接第三连杆；第三连杆与第四关节电机壳体连接；第三连杆、第四连杆、第四关节、第二连杆组成防死点并联结构的平行四杆传动机构。本发明专利技术的七自由度串并混联防死点机械臂，避免了机构卡死或出现运动的不确定性，在主运动平面内可更加快捷地到达指定工作点。

【技术实现步骤摘要】
七自由度串并混联防死点机械臂
本专利技术涉及机器人领域，具体地，涉及一种七自由度串并混联防死点机械臂。
技术介绍
以多自由度机械臂为代表的协作式机器人在近年迅速发展，在多个领域得到广泛应用。通常来讲，机械臂的自由度越多，可操作性越强，避障和避免奇异功能越强，灵活性越好。但机械臂随着自由度的增多会出现机器人机构的复杂化，刚度削弱，控制起来非常困难等问题。因此根据仿生学原理，关节型机械臂模拟动物和人类肢体，具有了优于其他类型机器人的动作能力。例如人的手臂具有7个自由度，是最灵活的生理结构，因此灵巧型机械臂的结构设计为具有7个七自由度，其中肩关节3个自由度，肘关节1个自由度，腕关节3个自由度。七自由度机械臂在空间中可以在保持末端机构三维位置不变的情况下，从一个构型变换到另一个构型，因此更多见于人机协作机械臂。通常七自由度机械臂构型是七个关节逐级串联并且关节轴线两两正交，并基于模块化设计的思想，每个关节结构和尺寸相同，降低了机械臂的制造和安装成本，但这种构型的缺点是构成主运动平面(垂直于基座的机械臂主要工作平面，或称铅垂面)的相互平行的三个关节轴线并不相邻，因此这三个关节距离较远，后两个关节距离基座远，位置较高，因此在主运动空间的常用可达范围处的操作灵活性变差。另外，由于关节内电机等驱动部件质量较大，随着关节逐级串联，距离基座较近的关节所需承受的扭矩和惯性力相应增加，机械臂的动力学特性变差。经过对现有技术的检索，申请号为201720994756.1的技术公开了一种五自由度机械臂，包括腰部、减速器、基座、腰部伺服电机、肩部伺服电机、第一大臂丝杠、第一大臂滑块、第一肘部推杆、第一肘部连杆、大臂连板、腕部伺服电机、末端执行器连接件、小臂、第二肘部连杆、第二大臂滑块、第二大臂丝杠、第二肘部推杆、大臂基座、第一大臂伺服电机、第二大臂伺服电机；第一肘部推杆一端和第二肘部推杆一端分别与第一大臂滑块可转动连接，第一肘部推杆另一端与第一肘部连杆一端相连，第一肘部连杆与第二大臂滑块可转动连接；第二肘部推杆另一端与第二肘部连杆一端相连，第二肘部连杆与第二大臂滑块可转动连接。该机械臂没有防止机械臂卡死的结构设计。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种七自由度串并混联防死点机械臂。根据本专利技术提供的一种七自由度串并混联防死点机械臂，包括依次连接的基座、第一关节、第一连杆、第二关节、连接支架、第三关节、第二连杆、第四关节、第六连杆、第五关节、第六关节、第七连杆、第七关节和末端执行器连接法兰；所述连接支架上连接有第四关节电机壳体；所述第三关节和所述第四关节之间还设有第三连杆、第四连杆和第五连杆，所述第四连杆的一端连接所述第四关节，另一端连接所述第三连杆；所述第五连杆的一端连接所述第四关节，另一端连接所述第三连杆，所述第三连杆与所述第四关节的电机壳体连接；所述第三连杆、第四连杆、第四关节、第二连杆构成平行四边形结构；所述第三连杆、第五连杆、第四关节、第二连杆也构成平行四边形结构；两个平行四边形的相位角差值为θ；所述第二连杆由第三关节内的电机驱动，所述第四连杆或第五连杆由第四关节电机壳体内的电机驱动，即平行四杆传动机构的两个连杆分别由两个独立的电机单独驱动，并构成封闭的运动链，因此，所述第三连杆、第四连杆、第四关节、第二连杆组成防死点并联结构的平行四杆传动机构。优选地，所述第三关节的轴线、第四关节的轴线、第五关节的轴线相互平行。优选地，所述连接支架为E形结构，后侧与所述第二关节连接，前侧依次为同轴设置的第一连接部、第二连接部以及第三连接部；所述第三关节输出连接法兰延长轴穿过第三连接部后与第二连接部固定；所述第四关节电机壳体的输出连接法兰延长轴穿过第一连接部后与第二连接部固定，所述第三连杆连接所述第四关节电机壳体的输出连接法兰延长轴；所述第一连接部的外侧与所述第四关节电机壳体固定，所述第三连接部的外侧与所述第三关节的外壳固定。优选地，所述第四关节电机壳体和所述第三关节位于所述第二连杆的两侧并且等高同轴，第四关节的电机壳体内安装所述第四关节的电机，所述第四关节的电机通过所述平行四杆传动机构将输出力矩传递给所述第四关节。优选地，所述第四连杆的一端通过第一铰链连接所述第四关节，另一端通过第二铰链与所述第三连杆连接；所述第五连杆的一端通过第三铰链连接所述第四关节，另一端通过第四铰链连接所述第三连杆；第一铰链的中心低于第三铰链的中心，第二铰链的中心低于第四铰链的中心。优选地，所述相位角差值θ，在机械臂工作的过程中，保持不变。优选地，所述第一关节的轴线与所述基座同轴心，所述第一关节的轴线、第二关节的轴线、第三关节的轴线在空间相交于一点。优选地，所述第五关节的轴线、第六关节的轴线、第七关节的轴线在空间相交于一点，所述第七关节的轴线与所述末端执行器连接法兰的轴线同轴心。优选地，所述第三关节和所述第四关节位于所述第二连杆的两侧；所述第五关节和所述第四关节位于所述第六连杆的同侧。优选地，所述第一关节、第二关节、第三关节、第五关节、第六关节以及第七关节的内部结构相同，均包括输入连接法兰、伺服电机驱动器、伺服电机、转轴、减速机、力矩传感器、输出连接法兰、电磁编码器和抱闸，所述输入连接法兰将上一关节的输出扭矩传递给所述伺服电机驱动器，所述伺服电机驱动器与伺服电机连接并提供控制电流和输入功率，所述伺服电机输出扭矩和转速，带动所连接的转轴转动，所述转轴带动减速机减速后通过力矩传感器测得本级关节的负载力矩，所述力矩传感器将力矩和转速传递至输出连接法兰，所述输出连接法兰将本关节的输出扭矩传递给下一关节；所述转轴上远离输出连接法兰的一端还安装电磁编码器和抱闸，所述电磁编码器用于检测关节的转角，所述抱闸用于在系统失电后锁死关节。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1、本专利技术的七自由度串并混联防死点机械臂，第三关节和第四关节设计成双连杆传动的结构形式，避免了平行四边形机构可能出现的运动奇异而导致的机构卡死或出现运动的不确定性，第四关节的电机位置下移到与第三关节等高并且同轴，达到了降低基座附近电机的负载扭矩和降低整个机械臂转动惯量的目的。2、本专利技术的七自由度串并混联机械臂，将第三、四、五关节设计为轴线相互平行且相互相邻的构型形式,相互平行的第三、四、五关节的转动构成了机械臂在位于铅垂面内的主运动平面，机械臂在主运动平面内可更加快捷地到达指定工作点。3、本专利技术的七自由度串并混联防死点机械臂，在保证第三、四、五关节设计为轴线相互平行且相互相邻的构型前提下，仍保证肩部的三关节即第一、二、三关节的轴线相交于一点，腕部的三关节即第五、六、七关节的轴线相交于一点，这样简化了机械臂的运动学计算模型，方便机械臂运动学解算。4、本专利技术的七自由度串并混联防死点机械臂，第三关节和第二关节等高，到机械臂末端的距离相等，这样第三、四、五关节转动构成的主运动平面运动范围更大，可更加快捷地到达指定工作点，机械臂末端的运动更灵活，即主运动空间的常用可达范围处的操作灵活性更好。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种七自由度串并混联防死点机械臂，其特征在于，包括依次连接的基座(19)、第一关节(1)、第一连杆(9)、第二关节(2)、连接支架(12)、第三关节(3)、第二连杆(15)、第四关节(4)、第六连杆(17)、第五关节(5)、第六关节(6)、第七连杆(18)、第七关节(7)和末端执行器连接法兰(8)；所述连接支架(12)上连接有第四关节电机壳体(10)；/n所述第三关节(3)和所述第四关节(4)之间还设有第三连杆(16)、第四连杆(13)和第五连杆(14)，所述第四连杆(13)的一端连接所述第四关节(4)，另一端连接所述第三连杆(16)；所述第五连杆(14)的一端连接所述第四关节(4)，另一端连接所述第三连杆(16)，所述第三连杆(16)与所述第四关节的电机壳体(10)连接；/n所述第三连杆(16)、第四连杆(13)、第四关节(4)、第二连杆(15)构成平行四边形结构；所述第三连杆(16)、第五连杆(14)、第四关节(4)、第二连杆(15)也构成平行四边形结构；两个平行四边形的相位角差值为θ；所述第二连杆(15)由第三关节(3)内的电机驱动，所述第四连杆(13)或第五连杆(14)由第四关节电机壳体(10)内的电机驱动，所述第三连杆(16)、第四连杆(13)、第四关节(4)、第二连杆(14)组成防死点并联结构的平行四杆传动机构。/n...

【技术特征摘要】
1.一种七自由度串并混联防死点机械臂，其特征在于，包括依次连接的基座(19)、第一关节(1)、第一连杆(9)、第二关节(2)、连接支架(12)、第三关节(3)、第二连杆(15)、第四关节(4)、第六连杆(17)、第五关节(5)、第六关节(6)、第七连杆(18)、第七关节(7)和末端执行器连接法兰(8)；所述连接支架(12)上连接有第四关节电机壳体(10)；
所述第三关节(3)和所述第四关节(4)之间还设有第三连杆(16)、第四连杆(13)和第五连杆(14)，所述第四连杆(13)的一端连接所述第四关节(4)，另一端连接所述第三连杆(16)；所述第五连杆(14)的一端连接所述第四关节(4)，另一端连接所述第三连杆(16)，所述第三连杆(16)与所述第四关节的电机壳体(10)连接；
所述第三连杆(16)、第四连杆(13)、第四关节(4)、第二连杆(15)构成平行四边形结构；所述第三连杆(16)、第五连杆(14)、第四关节(4)、第二连杆(15)也构成平行四边形结构；两个平行四边形的相位角差值为θ；所述第二连杆(15)由第三关节(3)内的电机驱动，所述第四连杆(13)或第五连杆(14)由第四关节电机壳体(10)内的电机驱动，所述第三连杆(16)、第四连杆(13)、第四关节(4)、第二连杆(14)组成防死点并联结构的平行四杆传动机构。


2.根据权利要求1所述的七自由度串并混联防死点机械臂，其特征在于，所述第三关节的轴线(31)、第四关节的轴线(41)、第五关节的轴线(51)相互平行。


3.根据权利要求1所述的七自由度串并混联防死点机械臂，其特征在于，所述连接支架(12)为E形结构，后侧与所述第二关节(2)连接，前侧依次为同轴设置的第一连接部(121)、第二连接部(122)以及第三连接部(123)；
所述第三关节(3)输出连接法兰延长轴(301)穿过第三连接部(123)后与第二连接部(122)固定；所述第四关节电机壳体(10)的输出连接法兰延长轴(101)穿过第一连接部(121)后与第二连接部(122)固定，所述第三连杆(16)连接所述第四关节电机壳体(10)的输出连接法兰延长轴(101)；
所述第一连接部(121)的外侧与所述第四关节电机壳体(10)固定，所述第三连接部(123)的外侧与所述第三关节(3)的外壳固定。


4.根据权利要求1所述的七自由度串并混联防死点机械臂，其特征在于，所述第四关节电机壳体(10)和所述第三关节(3)位于所述第二连杆(15)的两侧并且等高同轴，第四关节的电机壳体(10)内安装所述第四关节(4)的电机，所述第四关节(4)的电机通过所述平行四杆传动机构将输出力矩传递给所述第四关节(4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘仁强，孙竞，陈先宝，郑浩，高峰，孙乔，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31