CN110142736A - 一种主从同构机械臂系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主从同构机械臂系统，包括主动机械臂：包括多个主动机械臂部，相邻的两个主动机械臂部转动连接，其中一个主动机械臂部铰接有第一安装板，第一安装板与第一丝杠转动连接，第一丝杠连接有第一丝杠套，第一丝杠套与另一个主动机械臂部铰接，第一安装板连接有第一测量机构，第一测量机构用于测量第一丝杠的角位移；从动机械臂：包括多个从动机械臂部，相邻的两个从动机械臂部转动连接并利用第一驱动机构驱动其相对转动；控制系统：与第一测量机构及第一驱动机构连接，能够接收第一测量机构采集的角位移信息，并控制第一驱动机构工作，使从动机械臂模拟主动机械臂的动作，本发明的机械臂系统能够在剧烈振动的环境中精准的工作。

Description

一种主从同构机械臂系统

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，具体涉及一种主从同构机械臂系统。

背景技术

传统的机械臂采用操作人员利用摇杆远程控制的方法，由于操作人员距离机械臂位置较远，导致机械臂的动作精度无法保证，降低了机械臂的工作效率，目前出现了同构机械臂系统，通过操作人员手动操作主动机械臂，然后从动机械臂来模拟主动机械臂的动作，这样操作人员可以近距离的控制机械臂的动作，保证了机械臂的动作精度，但是发明人发现，现有的同构机械臂系统如果处于振动剧烈的环境下，容易由于剧烈振动造成测量的数据波动不稳定，进而造成了从动机械臂的动作不稳定，影响了工作效率。发明人还发现，传统采用位移传感器采集主动机械手数据的精度受位移传感器的精度限制，并不能实现高精度的数据采集；传统采用编码器直接采集机械臂旋转角度的方式受环境影响很大，极易被周围震动噪音等因素影响，产生较大的误差，造成采集的数据波动不准确。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种主从同构机械臂系统，能够在剧烈振动环境下有效保证机械臂的动作精度。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种主从同构机械臂系统，包括

主动机械臂：包括多个主动机械臂部，相邻的两个主动机械臂部转动连接，其中一个主动机械臂部铰接有第一安装板，第一安装板与第一丝杠转动连接，第一丝杠连接有第一丝杠套，第一丝杠套与另一个主动机械臂部铰接，第一安装板连接有第一测量机构，第一测量机构用于测量第一丝杠的角位移。

从动机械臂：包括多个从动机械臂部，相邻的两个从动机械臂部转动连接并利用第一驱动机构驱动其相对转动。

控制系统：与第一测量机构及第一驱动机构连接，能够接收第一测量机构采集的角位移信息，并控制第一驱动机构工作，使从动机械臂模拟主动机械臂的动作。

进一步的，所述第一测量机构包括安装在第一安装板的与第一丝杠连接的第一齿轮传动机构，所述第一齿轮传动机构与测量轴连接，测量轴与第一安装板转动连接，第一丝杠能够通过第一齿轮传动机构带动第一测量轴转动，所述第一测量轴与第一编码器连接，第一编码器能够检测第一测量轴的角位移。

进一步的，所述第一齿轮传动机构采用增速齿轮传动机构。

进一步的，所述主动机械臂一端与第一旋转平台连接，第一旋转平台的旋转部能够带动主动机械臂绕旋转部轴线的转动，所述第一旋转平台的动力输入轴与第二编码器连接，第二编码器能够检测旋转平台输入轴的角位移。

进一步的，所述主动机械臂端部与第一连接架转动连接，第一连接架与第一旋转平台的旋转部固定连接，所述第一连接架铰接有第二安装板，所述第二安装板转动连接有第二丝杠，所述第二丝杠连接有第二丝杠套，所述第二丝杠套铰接与第一连接架连接的主机械臂部，所述第二安装板安装有第二测量机构，第二测量机构用于检测第二丝杠的角位移。

进一步的，所述第二测量机构包括安装在第二安装板的与第二丝杠连接的第二齿轮传动机构，所述第二齿轮传动机构与第二测量轴连接，第二测量轴与第二安装板转动连接，第二丝杠能够通过第二齿轮传动机构带动第二测量轴转动，所述第二测量轴与第三编码器连接，第三编码器能够测量第二测量轴的角位移。

进一步的，所述第二齿轮传动机构采用增速齿轮传动机构。

进一步的，所述主机械臂的另一端端部转动连接有手柄，所述手柄与第四编码器连接，第四编码器能够检测手柄的角位移。

进一步的，相邻的两个从动机械臂部中，其中一个从动机械臂部与第一驱动机构的一端铰接，第一驱动机构另一端与另一个从动机械臂部铰接。

进一步的，所第一驱动机构采用电动推杆或液压缸。

进一步的，所述从动机械臂一端端部与第二旋转平台连接，第二旋转平台的旋转部能够带动从动机械臂绕旋转部中心的转动，所述第二旋转平台的动力输入轴与第一电机连接，第一电机能够带动第二旋转平台的工作。

进一步的，所述从动机械臂端部与第二连接架转动连接，第二连接架与第二旋转平台的旋转部固定连接，第二连接架与第二驱动机构的一端铰接，第二驱动机构的另一端铰接与第二连接架连接的从动机械臂部。

进一步的，所述第二驱动机构采用电动推杆或液压缸。

进一步的，所述从动机械臂的另一端端部固定有第二电机，所述第二电机作为从动机械臂末端执行机构的动力输入装置。

本发明的有益效果：

1.本发明的同构机械臂系统，具有主动机械臂、从动机械臂及控制系统，操作人员可操作主动机械臂，从动机械臂能够准确模拟主动机械臂的动作，操作人员可以通过主动机械臂近距离控制从动机械臂的动作，保证了从动机械臂动作的精确程度，提高了工作效率。

2.本发明的同构机械臂系统，主动机械臂具有第一丝杠、第一丝杠套、第二丝杠及第二丝杠套，只有操作人员对丝杠套施加足够大的沿丝杠套轴线作用力时，才能够实现主动机械臂相对于第一旋转平台的运动，相邻两个机械臂部的运动，在剧烈振动的环境系，由于齿轮传动机构和丝杠、丝杠套摩擦力阻尼的存在，主动机械臂不会发生测量数据波动不稳定的情况，保证了从动机械臂的动作稳定性和编码器测量数据的稳定性。

3.本发明的同构机械臂系统采用编码器、增速齿轮机构、丝杠机构组成的机构共同采集主动机械臂的运动信息，实现比位移传感器或单一编码器更高的测量精度。

4.本发明的同构机械臂系统的从动机械臂，利用电动推杆或液压缸驱动，速度稳定，扭矩大，成本低，可实现比传动电机驱动机械臂更大的扭矩，适用范围更广。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1整体结构示意图；

图2为本发明实施例1主动机械臂结构示意图；

图3为本发明实施例1第一丝杠、第一编码器及第一齿轮传动机构装配示意图；

图4为本发明实施例1第二丝杠与第二安装板装配示意图；

图5为本发明实施例1第四编码器与手柄装配示意图；

图6为本发明实施例1从动机械臂结构示意图；

其中，1.主动机械臂，1-1.第一主动机械臂部，1-2.第二主动机械臂部，1-3.第一铰接座，1-4.第一安装板，1-5.第一丝杠，1-6.第一丝杠套，1-7.第一齿轮传动机构，1-8.第一测量轴，1-9.第一编码器，1-10.第二安装板，1-11.第二丝杠，1-12.第二丝杠套，1-13.第二齿轮传动机构，1-14.第三编码器，2.从动机械臂，2-1.第一从动机械臂部，2-2.第二从动机械臂部，2-3.第一电动推杆，2-4.第二电动推杆，3.控制系统，4.保护壳体，5.第二铰接座，6.U型座，7.耳板，8.输出轴，9.第一旋转平台，10.第二编码器，11.手柄，12.弹性联轴器，13.回转轴承，14.第四编码器，15.第三铰接座，16.第四铰接座，17.第二连接架，18.第二旋转平台，19.第一电机，20.第二电机，21.侧部盖板，22.上盖板，23.下盖板，24.连接板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有的同构机械臂系统如果处于振动剧烈的环境下，容易由于剧烈振动造成测量的数据波动不稳定，进而造成了从动机械臂的动作不稳定，针对上述问题，本申请提出了一种主从同构臂系统。

本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1-6所示，一种主从同构机械臂系统，包括主动机械臂1、从动机械臂2及控制系统3，操作人员可手动操作主动机械臂，主动机械臂的动作信息能够传输给控制系统，控制系统根据采集的信息向从动机械臂发送指令，控制从动机械臂模拟主动机械臂的动作。

所述主动机械臂包括转动连接的第一主动机械臂部1-1及第二主动机械臂部1-2。

所述第一主动机械臂部用于与第二主动机械臂部连接的端部固定有第一铰接座1-3，所述第一铰接座铰接第一安装板1-4，所述第一安装板通过轴承与第一丝杠1-5的一端端部转动连接，所述第一丝杠上连接有第一丝杠套1-6，所述第一丝杠套通过固定在第二主动机械臂部的第二铰接座5与第二主动机械臂部铰接，所述第一安装板上安装有第一测量机构，所述第一测量机构包括由多个相啮合齿轮构成的第一齿轮传动机构1-7，其中一个齿轮与第一丝杠端部设置的轮齿相啮合，其中的另一个齿轮与第一测量轴1-8固定连接，所述的第一测量轴通过轴承与第一安装板转动连接，所述第一测量轴与设置在第一安装板的第一编码器1-9连接，所述第一编码器与控制系统连接，第一编码器能够采集第一测量轴的角位移，通过第一齿轮传动机构的传动比得到第一丝杠的角位移，然后将采集的角位移信息传输给控制系统，所述第一齿轮传动机构的齿轮均通过轴和轴承与第一安装板转动连接。

本实施例中，所述第一齿轮传动机构采用增速齿轮传动机构，即第一齿轮传动机构的传动比使第一测量轴的转动角速度要大于第一丝杠的转动角速度，可以实现比位移传感器或单一编码器更高的测量精度。

所述第一丝杠的外周设置圆柱状的保护壳体4，所述保护壳体与第一安装板固定连接，第一丝杠套能够相对于保护壳体做沿保护壳体轴线方向的运动。

所述第一主动机械臂部一端与第一连接架转动连接，另一端与第二主动机械臂部转动连接，所述第一连接架包括U型座6及与U型座固定连接的耳板7，第一机械臂部通过轴和自润滑轴承与耳板转动连接，所述U型座通过输出轴8与第一旋转平台9的旋转部固定连接，第一旋转平台采用现有的旋转平台设备，旋转部能够带动主动机械臂绕旋转部中心的转动，所述第一旋转平台的动力输入轴连接有第二编码器10，所述第二编码器能够采集第一旋转平台动力输入轴的角位移，所述第二编码器与控制系统连接，能够将采集的角位移信息传输给控制系统。

所述耳板还铰接有第二安装板1-10，所述第二安装板通过轴承与第二丝杠1-11的一端转动连接，所述第二丝杠上连接有第二丝杠套1-12，所述第二丝杠套与第一铰接座铰接，所述铰接座与第一主动机械臂部固定连接，所述第二安装板上安装有第二测量机构，所述第二测量机构包括由多个相啮合的齿轮构成的第二齿轮传动机构1-13，第二齿轮传动机构其中的一个齿轮与第二丝杠端部设置的轮齿相啮合，其中的另一个齿轮固定连接有第二测量轴，所述第二测量轴通过轴承与第二安装板转动连接，所述第二测量轴与固定连接在第二安装板上的第三编码器1-14连接，所述第三编码器能够采集第二测量轴的角位移，并且与控制系统连接，第三编码器利用第二齿轮传动机构的传动比得到第二丝杠的角位移，然后将采集的信息传输给控制系统，所述第二齿轮传动机构的齿轮均通过轴和轴承与第二安装板转动连接。

所述第二齿轮传动机构采用增速齿轮传动机构，即第二齿轮传动机构的传动比使第二测量轴的转动角速度要大于第二丝杠的转动角速度。

所述第二丝杠的外周设置圆柱状的保护壳体4，所述保护壳体与第二安装板固定连接，第二丝杠套能够相对于保护壳体做沿保护壳体轴线方向的运动。

所述第二主动机械臂部的端部通过回转轴承13转动连接有手柄11，所述手柄通过弹性联轴器12与固定在编码器支架的第四编码器14连接，第四编码器与控制系统连接，第四编码器能够采集手柄的角位移，并将采集的信息传输给控制系统。

本实施例的主动机械臂，只有操作人员对第一主动机械臂部或第二主动机械臂部施加足够的作用力时，才能够使丝杠套沿其轴线做运动，进而带动丝杠的转动，从而利用编码器完成第一主动机械臂部或第二主动机械臂部动作信息的采集，在剧烈的振动环境中，由于丝杠与丝杠套具有较大的摩擦阻尼作用，周围的振动不会使第一主动机械臂部和第二主动机械臂部产生相对运动，保证了测量结构的稳定性。

所述从动机械臂包括转动连接的第一从动机械臂部2-1和第二从动机械臂部2-2，所述第一从动机械臂部用于与第二从动机械臂部连接的端部固定有第三铰接座15，所送第三铰接座与第一驱动机构的一端铰接，所述第一驱动机构采用第一电动推杆2-3，所述第一电动推杆的一端与第三铰接座铰接，另一端通过固定在第二从动臂部的第四铰接座16与第二从动臂部铰接，所述第一从动机械臂部端部转动连接有第二连接架17，所述第二连接架与第二旋转平台18的旋转部固定连接，所述第二连接架与第一连接架结构相同，其与第二旋转平台及第一从动臂部的连接方式与第一连接架同第一旋转平台、第一主动机械臂部的连接方式相同，在此不进行详细叙述，所述第二旋转平台的动力输入轴与第一电机19连接，第一电机能够驱动第二旋转平台旋转部的转动。所述第二连接架与第二驱动机构的一端铰接，所述第二驱动机构采用第二电动推杆2-4，所述第二电动推杆的另一端与第三铰接座铰接。

所述第二从动机械臂部的端部固定有第二电机20，所述第二电机作为从动机械臂末端执行机构的动力输入装置。

所述第一主动机械臂部、第二主动机械臂部、第一从动机械臂部及第二从动机械臂部均包括两个平行设置的侧部盖板21及设置在侧部盖板之间的上盖板22和下盖板23，所述上盖板和下盖板均设置有开口，有利于减轻机械臂部的重量，本实施例中，所述第一铰接座固定在第一主动机械臂部的下盖板上，第二铰接座固定在第二主动机械臂部的下盖板上，所述第三铰接座固定在第一从动机械臂部的下盖板上，第四铰接座固定在第二从动机械臂部的下盖板上。

两个主动机械臂部及两个从动机械臂部用于连接的端部设置有连接板24，所述连接板通过螺钉固定在侧部盖板上，两个主动机械臂部的连接板通过轴和轴承转动连接。

主动机械臂部和从动机械臂部均可采用钣金工艺制成，制造工艺简单快速，装配效率高，对损坏的零件进行更替容易，从动机械臂采用电动推杆提供动作驱动力，相比传统的电机驱动能够提供更大的扭矩，因此适用范围更广，尤其是在环境恶劣，零件容易损坏的条件下适用。

本实施例中的从动机械臂数量可以设置为多个，即可同时实现多个从动机械臂同时即时模仿主动机械臂的位姿形态。

实施例2：

本实施例公开了一种主从同构机械臂系统的工作方法：操作人员调节主动机械臂，使主动机械臂产生需要的执行动作，主动机械臂上安装的四个编码器采集动作信息，然后传输给控制系统，控制系统根据接收的编码器采集的信息，向从动机械臂发送指令，从动机械臂模拟主动机械臂的动作。

具体的：当操作人员操作第一主动机械臂部和第二主动机械臂部产生相对运动时，第一丝杠套带动第一丝杠转动，第一编码器采集第一丝杠的角位移信息，传输给控制系统，控制系统接收采集的信息，进行分析处理后向从动机械臂的第一电动推杆发送指令，控制第一电动推杆做出相应动作，使第一从动机械臂部和第二从动机械臂部模拟第一主动机械臂部和第二主动机械臂部的相对运动。

采用相同的方式，第一主动机械臂部相对于第一旋转平台做俯仰运动时，第三编码器能够采集第二丝杠的角位移，传输给控制系统，控制系统向第二电动推杆发送指令，第二电动推杆驱动第一从动机械臂部做出相同的相对于第二旋转平台的俯仰运动。

第一旋转平台的旋转部工作时，第二编码器可采集第一旋转平台动力输入轴的角位移信息，并传输给控制系统，控制系统向第一电机发送指令，控制第二旋转平台，使第二旋转平台做出相同的动作。

采用相同的方法，可利用第四编码器采集手柄的角位移，并使第二电机输出轴做出相同的动作。

本实施例的同构机械臂系统，采用编码器采集信息，将直线位移信息转化为采集角位移信息，测量精度更高，主动机械臂也可根据实际需要设定补偿机制，以弥补丝杠与丝杠套，齿轮传动机构的传动误差，从而实现高精度的位移数据采集。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种主从同构机械臂系统，其特征在于，包括

主动机械臂：包括多个主动机械臂部，相邻的两个主动机械臂部转动连接，其中一个主动机械臂部铰接有第一安装板，第一安装板与第一丝杠转动连接，第一丝杠连接有第一丝杠套，第一丝杠套与另一个主动机械臂部铰接，第一安装板连接有第一测量机构，第一测量机构用于测量第一丝杠的角位移；

从动机械臂：包括多个从动机械臂部，相邻的两个从动机械臂部转动连接并利用第一驱动机构驱动其相对转动；

控制系统：与第一测量机构及第一驱动机构连接，能够接收第一测量机构采集的角位移信息，并控制第一驱动机构工作，使从动机械臂模拟主动机械臂的动作。

2.如权利要求1所述的一种主从同构机械臂系统，其特征在于，所述第一测量机构包括安装在第一安装板的与第一丝杠连接的第一齿轮传动机构，所述第一齿轮传动机构与测量轴连接，测量轴与第一安装板转动连接，第一丝杠能够通过第一齿轮传动机构带动第一测量轴转动，所述第一测量轴与第一编码器连接，第一编码器能够检测第一测量轴的角位移；

进一步的，所述第一齿轮传动机构采用增速齿轮传动机构。

3.如权利要求1所述的一种主从同构机械臂系统，其特征在于，所述主机械臂一端与第一旋转平台连接，第一旋转平台的旋转部能够带动主机械臂绕旋转部轴线的转动，所述第一旋转平台的动力输入轴与第二编码器连接，第二编码器能够检测旋转平台输入轴的角位移。

4.如权利要求3所述的一种主从同构机械臂系统，其特征在于，所述主机械臂端部与第一连接架转动连接，第一连接架与第一旋转平台的旋转部固定连接，所述第一连接架铰接有第二安装板，所述第二安装板转动连接有第二丝杠，所述第二丝杠连接有第二丝杠套，所述第二丝杠套铰接与第一连接架连接的主机械臂部，所述第二安装板安装有第二测量机构，第二测量机构用于检测第二丝杠的角位移。

5.如权利要求4所述的一种主从同构机械臂系统，其特征在于，所述第二测量机构包括安装在第二安装板的与第二丝杠连接的第二齿轮传动机构，所述第二齿轮传动机构与第二测量轴连接，第二测量轴与第二安装板转动连接，第二丝杠能够通过第二齿轮传动机构带动第二测量轴转动，所述第二测量轴与第三编码器连接，第三编码器能够测量第二测量轴的角位移；

进一步的，所述第二齿轮传动机构采用增速齿轮传动机构。

6.如权利要求1所述的一种主从同构机械臂系统，其特征在于，所述主机械臂的另一端端部转动连接有手柄，所述手柄与第四编码器连接，第四编码器能够检测手柄的角位移。

7.如权利要求1所述的一种主从同构机械臂系统，其特征在于，相邻的两个从动机械臂部中，其中一个从动机械臂部与第一驱动机构的一端铰接，第一驱动机构另一端与另一个从动机械臂部铰接；

进一步的，所第一驱动机构采用电动推杆或液压缸。

8.如权利要求3所述的一种主从同构机械臂系统，其特征在于，所述从动机械臂一端端部与第二旋转平台连接，第二旋转平台的旋转部能够带动从动机械臂绕旋转部中心的转动，所述第二旋转平台的动力输入轴与第一电机连接，第一电机能够带动第二旋转平台的工作。

9.如权利要求8所述的一种主从同构机械臂系统，其特征在于，所述从动机械臂端部与第二连接架转动连接，第二连接架与第二旋转平台的旋转部固定连接，第二连接架与第二驱动机构的一端铰接，第二驱动机构的另一端铰接与第二连接架连接的从动机械臂部；

进一步的，所述第二驱动机构采用电动推杆或液压缸。

10.如权利要求6所述的一种主从同构机械臂系统，其特征在于，所述从动机械臂的另一端端部固定有第二电机，所述第二电机作为从动机械臂末端执行机构的动力输入装置。