CN101804638A

CN101804638A - 一种多关节机械臂机构

Info

Publication number: CN101804638A
Application number: CN 201010127067
Authority: CN
Inventors: 梁利华; 史洪宇; 吉明; 张松涛; 王经甫; 宋吉广; 杨生
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2010-08-18

Abstract

本发明提供的是一种多关节机械臂机构。两子臂间通过特定关节相连，且相邻两关节结构不完全相同。关节与关节之间除了臂之外，还有连杆连接，连杆与子臂及其关节之间构成平行四边形。另外，关节与臂之间采用油缸连接。驱动某节油缸伸出到位，则该节子臂可以伸直，反之则驱动该节子臂折叠。本发明可以根据需要，对机械臂进行任意变形，满足不同作业任务的需要。该机构既能实现臂的超长需要，同时方便折叠，使运输、存储空间大大缩小。另外该机构可以摆脱基于多节伸缩油缸的长度限制，关节及折臂可以根据需要增减，便于长臂、超长臂的灵活设计。

Description

一种多关节机械臂机构

技术领域

本发明专利涉及一种多关节机械臂。

背景技术

在工程实践中，机械长臂、超长机械臂的设计一直是工程设计中的一个难点，这类机械臂不仅需要在长度上能够满足作业需求，同时还需要考虑机械臂的安装、运输及其存放场地要求。当前，机械长臂的设计多采用多节伸缩式机械臂，并通过多节可伸缩油缸实现机械臂的伸缩，例如高空作业吊机。另外在许多特殊作业环境下，受到空间、位置等限制条件，要完成特定任务，机械臂还需要具有任意折叠变形的能力，能够根据实际情况进行变形。申请号为200810040451.2，名称为“机械臂的大角度回转式关节机构”等公开文件中虽然有关于机械臂的公开报道，但是并不能满足上述要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不仅满足超长机械臂的需求，同时具有任意边形能力的多关节机械臂机构。

本发明的目的是这样实现的：

包括一个起始关节和至少两个活动关节，第一活动关节上有两个连杆轴销孔、两个臂轴销孔和一个油缸根部轴销孔，第二活动关节上有两个臂轴销孔、一个连杆和油缸根部轴销孔；起始关节上连接起始臂的一端、起始油缸底部和起始连杆的一端，起始臂的另一端连接在第一活动关节的一个臂轴销孔上，起始油缸的伸出杆与起始臂上的耳朵相连，起始连杆的另一端连接在第一活动关节的一个连杆轴销孔上；第一活动关节上的另一个连杆轴销孔处连接第一活动连杆的一端，第一活动关节上的另一臂轴销孔处连接第一活动臂的一端，第一活动关节上的油缸根部轴销孔出连接第一活动关节油缸根部；第一活动连杆的另一端连接于第二活动关节的连杆和油缸根部轴销孔处，第一活动臂的另一端连接于第二活动关节上有臂轴销孔处，第一活动关节油缸伸出杆与第一活动臂上的耳朵相连；第二活动关节上的另一个臂轴销孔处连接第二活动臂的一端，第二活动关节上的连杆和油缸根部轴销孔处连接第二活动连杆的一端和第二活动关节油缸根部；第二活动臂的另一端、第二活动连杆的另一端以及第二活动关节油缸伸出杆一下一级。

在每个活动关节的臂轴销孔出的轴销上安装有同步齿轮，两同步齿轮相互啮合。

本发明是为了解决多关节机械臂的设计机理，同时解决多关节机械臂的结构设计为题，主要包括机械臂关节设计、机械臂折叠/伸展机构设计及其子臂的折叠/伸展同步性问题，使该结构不仅满足超长机械臂的需求，同时具有任意边形能力，满足机械臂的运输、存放等实际需求，使本发明提出的多关节机械臂能够广泛应用于高空作业吊机、超长作业装置及其吊艇架等臂架的设计。

本发明的多关节机械臂的整体结构为具有四节四节臂的机械臂结构，其活动关节还可以根据需要继续添加机械臂。该臂具有任意折叠变形功能，能满足多种作业需求。两子臂间通过特定关节相连，且相邻两关节结构不完全相同。关节与关节之间除了臂之外，还有连杆连接，连杆与子臂及其关节之间构成平行四边形。另外，关节与臂之间采用油缸连接。驱动某节油缸伸出到位，则该节子臂可以伸直，反之则驱动该节子臂折叠。另外，各关节上还安装了两同步齿轮，各齿轮分别与相邻两臂相连，且两齿轮的齿相互啮合，可确保关节相邻臂的同步动作。如果不需要，关节上可以不安装这两同步齿轮。

采用本发明提出的多关节机械臂机构，可以根据需要，对机械臂进行任意变形，满足不同作业任务的需要；如果需要关节的同步性，也可以通过同步齿轮实现子臂的同步驱动。该机构既能实现臂的超长需要，同时方便折叠，使运输、存储空间大大缩小。另外该机构可以摆脱基于多节伸缩油缸的长度限制，关节及折臂可以根据需要增减，便于长臂、超长臂的灵活设计。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3本发明的折叠示意图；

图4是第一活动关节的结构示意图；

图5是第二活动关节的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1和2，本实施方式是一个4节机械臂机构。其中关节1为起始关节，主要用于多关节机械臂的起始端，一方面便于臂与其它机构固定连接；另一方面用于连接机械臂6和液压油缸2及其连杆3与第一活动关节4的相连。第一活动关节4是另一种关节，同时结合图4，该关节主要用于臂6和臂10的连接。第一活动关节4呈飞机形状，连杆3和连杆9利用轴销通过轴孔4a-1、4a-2与关节4相连；臂6和臂10则利用轴销通过轴孔4b-1、4b-2与关节4相连。如果臂6和臂10需要同步，则在穿过轴孔4a1-1、4a-2的固定轴销上在如图1和2所示位置安装相应的同步齿轮5、7，并使两齿轮相互啮合即可。油缸2根部与起始关节1相连，其伸出杆与焊接在臂6上的耳朵14相连。另外油缸11根部通过孔4c与关节4连接，伸出杆与焊接在臂10上的耳朵15相连。关节12与关节4稍有不同，同时结合图5。关节12与臂10、16及其与连杆18、9的连接与关节4的连接方式类似，另外关节同时利用轴销与油缸17根部相连。依此类推，交替利用关节4和关节12可实现3级以上的机械臂机构。关节12与关节13相同。如果还需要再对该臂加长，可通过关节13参照关节12连接固定对应的同步齿轮、连杆、油缸和臂。如果该多关节臂已经满足需要，可参照关节1和该臂的用途，设计相应的操作机构代替关节13即可。另外该机械臂中，如果没有同步需求，同步齿轮5，7可以不装。整个多关节机械臂中，每个连接点均采用轴销连接，可转动自如。

机械臂的折叠/伸展原理

在该机械臂中，相邻关节及其这两关节之间相连的连杆、臂构成平行四边形，其中的液压油缸作为驱动机构，可以通过油缸的伸缩，带动平行四边形变形转动，进而带动活动关节4或关节12绕臂转动。在关节转动过程中，同样根据平行四边形的变形法则，通过下一级臂中的油缸驱动，实现对应臂的折叠/伸展，如此类推，再带动对应的关节转动，进而实现整个机械臂的折叠/伸展。

在机械臂的折叠/伸展过程中，为了保证各臂的折叠/伸展的同步性，在每个关节固定臂的轴销上，再安装两弧形齿轮，且两齿轮啮合。如果不需要各臂的同步性，或各臂可自由折叠，对应的关节上可以不安装弧形同步齿轮。另外，若机械臂需要任意变形，则不能安装弧形同步齿轮，同时各关节上的油缸可以根据相应的控制策略进行控制，实现机械臂的任意折叠变形。折叠伸展变形过程中的机械臂如图3所示。

机械臂的伸展过程

如图1、2所示，当油缸2伸长时，根据平行四边形法则，臂6绕关节1逆时针转动，同时通过连杆3带动关节4绕臂6顺时针转动。关节4顺时针转动的同时，通过同步齿轮6、7及其油缸11伸出动作，带动臂10绕关节4顺时针转动。臂10转动过程中，在由关节4，12及其相连的臂10、连杆9构成的平行四边形的作用下，带动关节12绕轴10逆时针转动，转动过程中，由该关节上的同步齿轮及其油缸17的伸出，带动臂16绕关节12逆时针转动。这样，当油缸2、11、17伸出到位后，关节1，4、12及其折臂6、10、16形成一条直线。依此类推，再带动下一关节及其相应的臂类似关节4、臂10一样动作。直至子臂与两相邻关节形成直线。这样就可以完成该多关节折叠机械臂的伸展。

机械臂的折叠过程

如图1、2所示，当油缸2收缩时，根据平行四边形法则，臂6绕关节1顺时针转动，同时通过连杆3带动关节4绕臂6逆时针转动。关节4逆时针转动的同时，通过同步齿轮6、7及其油缸11收缩动作，带动臂10绕关节4逆时针转动。臂10转动过程中，在由关节4，12及其相连的臂10、连杆9构成的平行四边形的作用下，带动关节12绕轴10顺时针转动，转动过程中，由该关节上的同步齿轮及其油缸17的收缩，带动臂16绕关节12顺时针转动。这样，当油缸2、11、17收缩到位后，关节1，4与臂6成直角关系，关节4、12与臂10成直角关系。

当关节没有同步齿轮机构时，各油缸可以单独控制，实现对应臂的折叠、伸展，便于臂的灵活控制。

该结构中，如果相邻两臂在关节连接处无接触，且没有同步齿轮，适当加长驱动油缸，那么关节间的臂可以绕相应关节实现更大范围内的折叠操控，实现更复杂的操控。

本实施方式的特点

1.机械臂关节数目不受限制，可以根据需要确定，因此可以实现超长臂；

2.各子臂可以独立控制，也可同时控制，可根据不同装置的需要，对子臂伸展油缸选择恰当的操控策略；

3.折臂灵活，可实现多种结构形式，满足特定任务需要；

4.通过同步齿轮，便于实现子臂的同步控制；

5.便于操作，运输和存放。

Claims

1.一种多关节机械臂机构，包括一个起始关节和至少两个活动关节，其特征是：第一活动关节上有两个连杆轴销孔、两个臂轴销孔和一个油缸根部轴销孔，第二活动关节上有两个臂轴销孔、一个连杆和油缸根部轴销孔；起始关节上连接起始臂的一端、起始油缸底部和起始连杆的一端，起始臂的另一端连接在第一活动关节的一个臂轴销孔上，起始油缸的伸出杆与起始臂上的耳朵相连，起始连杆的另一端连接在第一活动关节的一个连杆轴销孔上；第一活动关节上的另一个连杆轴销孔处连接第一活动连杆的一端，第一活动关节上的另一臂轴销孔处连接第一活动臂的一端，第一活动关节上的油缸根部轴销孔出连接第一活动关节油缸根部；第一活动连杆的另一端连接于第二活动关节的连杆和油缸根部轴销孔处，第一活动臂的另一端连接于第二活动关节上有臂轴销孔处，第一活动关节油缸伸出杆与第一活动臂上的耳朵相连；第二活动关节上的另一个臂轴销孔处连接第二活动臂的一端，第二活动关节上的连杆和油缸根部轴销孔处连接第二活动连杆的一端和第二活动关节油缸根部；第二活动臂的另一端、第二活动连杆的另一端以及第二活动关节油缸伸出杆一下一级。

2.根据权利要求1所述的一种多关节机械臂机构，其特征是：在每个活动关节的臂轴销孔出的轴销上安装有同步齿轮，两同步齿轮相互啮合。