基于球齿轮传动的柔性机械臂论文和设计-张玉峰

全文摘要

本实用新型公开了基于球齿轮传动的柔性机械臂，包括末端执行器、展臂单元、执行器控制单元、展臂控制单元和支架，所述末端执行器轴连接在展臂单元一端，展臂单元另一端与执行器控制单元相连，所述展臂控制单元固定在展臂单元另一端的两侧，所述支架用于固定和支撑执行器控制单元和展臂控制单元；采用球齿轮传动，增加了机械臂的柔性，便于勘探，增加灵活度，减少关节复杂程度。

主设计要求

1.基于球齿轮传动的柔性机械臂，其特征在于，包括末端执行器、展臂单元、执行器控制单元、展臂控制单元和支架，所述末端执行器轴连接在展臂单元一端，展臂单元另一端与执行器控制单元相连，所述展臂控制单元固定在展臂单元另一端的两侧，所述支架用于固定和支撑执行器控制单元和展臂控制单元；所述展臂控制单元包括起始端球齿轮机构、末端球齿轮机构以及多组中间球齿轮机构，所述起始端球齿轮机构与执行器控制单元轴连接，所述末端球齿轮机构与末端执行器轴连接，所述多组中间球齿轮机构球齿轮与起始端球齿轮机构和末端球齿轮机构球齿轮啮合传动，所述起始端球齿轮机构和末端球齿轮机构结构相同包括轴承、球齿轮和一级连接件，球齿轮通过轴承固定在一级连接件上，所述中间球齿轮机构包括通过十字万向节相连接的凸球齿轮和凹球齿轮、Y轴壳体、Z轴壳体和带有Y轴和Z轴的长方体块，所述Y轴壳体一端通过轴承与凸球齿轮连接，另一端与长方体块的Y轴连接，所述Z轴壳体一端通过轴承与凹球齿轮连接，另一端与长方体块的Z轴连接，所述每两个中间球齿轮机构都通过二级连接件连接，所述二级连接件交替连接在每两个中间球齿轮机构的Y轴壳体和Z轴壳体上，所述起始端球齿轮机构和末端球齿轮机构的一级连接件与Y轴壳体或Z轴壳体相连。

设计方案

2.根据权利要求1所述的基于球齿轮传动的柔性机械臂，其特征在于，所述长方体块内部朝向凹球齿轮方向开有四棱柱形状的槽。

3.根据权利要求1所述的基于球齿轮传动的柔性机械臂，其特征在于，所述末端执行器包括固定在末端球齿轮机构的一级连接件端面的抓手、连接杆和圆锥形滑台，所述连接杆一端带有螺纹，一端带有花键，所述圆锥形滑台中心带有螺纹孔与连接杆带有螺纹端连接，所述连接杆带有花键端通过十字联轴器与末端球齿轮机构的球齿轮连接，所述圆锥形滑台包括等角度分布的滑槽，所述抓手包括铰接架、手指和滑轮，所述铰接架固定在一级连接件端面，所述手指铰接在铰接架上、所述滑轮连接在手指末端并防止在滑槽中。

4.根据权利要求1所述的基于球齿轮传动的柔性机械臂，其特征在于，展臂控制单元包括第一控制机构和第二控制机构，所述第一控制机构与第二控制机构带有夹角的固定在起始端球齿轮机构的一级连接件上，所述第一控制机构与第二控制机构结构相同，包括回转副、推力杆、丝杠和电机，所述丝杠一端固定在支架上，另一端与电机相连，所述回转副一端固定在一级连接杆上，另一端固定在推力杆上，所述推力杆贯穿支架通过带螺纹的联轴器与丝杠固定。

5.根据权利要求1所述的基于球齿轮传动的柔性机械臂，其特征在于，所述执行器控制单元包括轴承座、弹性联轴器和回转电机，所述起始端球齿轮机构的球齿轮所在的轴穿过轴承座通过弹性联轴器与回转电机相连。

6.根据权利要求1所述的基于球齿轮传动的柔性机械臂，其特征在于，所述中间球齿轮机构的球齿轮所在的轴与二级连接件所成的角度范围为0到25度。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及机械臂领域，特别是一种基于球齿轮传动的柔性机械臂。

背景技术

机械手臂是机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维(或二维)空间上的某一点进行作业。

近年来，随着机器人技术的发展，应用高速、高精度、高负载的机器人结构越来越受到工业和航空航天领域的关注。由于运动过程中关节和连杆的柔性效应的增加，使结构发生变形进而使任务执行的精度和执行效率降低，所以，机械臂结构柔性化是主要的趋势。

经过多年的研究与探索，国内外己经在机械臂领域取得了大量的研究成果，但是目前现有的机械臂都普遍存在一些共性问题：

1)腕关节过多，灵活性受限

目前的机械臂大多为刚性杆连接，为了更多的自由度的实现，相应的腕关节数量就会增加，使其在一定范围内更加灵活的摆动受到限制。

2)驱动系统复杂，集成度过高

由于采用刚性刚连接来实现机械臂的运动，这就要求在每处腕关节部位都需要单独的电机来进行驱动，而每一个电机都需要单独的驱动系统，从而造成驱动系统太过复杂，带来诸多不便。

3)机械运动耦合

在机械臂的运动过程中，由于变形运动与刚性运动的同时存在，两种运动相互影响、强烈耦合，造成机械臂的运动不能按其应有的运动方程进行。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决现有技术的不足，提供一种基于球齿轮传动的柔性机械臂。

为解决以上目的，提供以下技术方案：

基于球齿轮传动的柔性机械臂，包括末端执行器、展臂单元、执行器控制单元、展臂控制单元和支架，所述末端执行器轴连接在展臂单元一端，展臂单元另一端与执行器控制单元相连，所述展臂控制单元固定在展臂单元另一端的两侧，所述支架用于固定和支撑执行器控制单元和展臂控制单元；所述展臂控制单元包括起始端球齿轮机构、末端球齿轮机构以及多组中间球齿轮机构，所述起始端球齿轮机构与执行器控制单元轴连接，所述末端球齿轮机构与末端执行器轴连接，所述多组中间球齿轮机构球齿轮与起始端球齿轮机构和末端球齿轮机构球齿轮啮合传动，所述起始端球齿轮机构和末端球齿轮机构结构相同包括轴承、球齿轮和一级连接件，球齿轮通过轴承固定在一级连接件上，所述中间球齿轮机构包括通过十字万向节相连接的凸球齿轮和凹球齿轮、Y轴壳体、Z 轴壳体和带有Y轴和Z轴的长方体块，所述Y轴壳体一端通过轴承与凸球齿轮连接，另一端与长方体块的Y轴连接，所述Z轴壳体一端通过轴承与凹球齿轮连接，另一端与长方体块的Z轴连接，所述每两个中间球齿轮机构都通过二级连接件连接，所述二级连接件交替连接在每两个中间球齿轮机构的Y轴壳体和Z 轴壳体上，所述起始端球齿轮机构和末端球齿轮机构的一级连接件与Y轴壳体或Z轴壳体相连。

优选地，所述长方体块内部朝向凹球齿轮方向开有四棱柱形状的槽。

优选地，所述末端执行器包括固定在末端球齿轮机构的一级连接件端面的抓手、连接杆和圆锥形滑台，所述连接杆一端带有螺纹，一端带有花键，所述圆锥形滑台中心带有螺纹孔与连接杆带有螺纹端连接，所述连接杆带有花键端通过十字联轴器与末端球齿轮机构的球齿轮连接，所述圆锥形滑台包括等角度分布的滑槽，所述抓手包括铰接架、手指和滑轮，所述铰接架固定在一级连接件端面，所述手指铰接在铰接架上、所述滑轮连接在手指末端并防止在滑槽中。

优选地，展臂控制单元包括第一控制机构和第二控制机构，所述第一控制机构与第二控制机构带有夹角的固定在起始端球齿轮机构的一级连接件上，所述第一控制机构与第二控制机构结构相同，包括回转副、推力杆、丝杠和电机，所述丝杠一端固定在支架上，另一端与电机相连，所述回转副一端固定在一级连接杆上，另一端固定在推力杆上，所述推力杆贯穿支架通过带螺纹的联轴器与丝杠固定。

优选地，所述执行器控制单元包括轴承座、弹性联轴器和回转电机，所述起始端球齿轮机构的球齿轮所在的轴穿过轴承座通过弹性联轴器与回转电机相连。

优选地，所述中间球齿轮机构的球齿轮所在的轴与二级连接件所成的角度范围为0到25度。

本实用新型的有益效果为：

1、采用球齿轮传动，增加了机械臂的柔性，便于勘探，增加灵活度，减少关节复杂程度。

2、采用执行器控制单元和展臂控制单元分别对抓手和展臂单元进行控制，无需每个关节都有控制系统，减少了控制系统的复杂性，从而减少了系统出错率。

3、机械臂呈柔性且灵活可控，控制电机少，机械臂在空间任意位置偏转角可达±100°；

4、电机集中控制且可后置于操作装置内部，便于控制系统进行热控保护，减轻了机械臂前端的自重与负载；

附图说明

图1为基于球齿轮传动的柔性机械臂整体结构示意图；

图2为整体结构的半剖视图；

图3为末端球齿轮机构或起始端球齿轮机构示意图；

图4为中间球齿轮机构正视图；

图5为中间球齿轮机构的A-A剖视图；

图6为末端执行器结构示意图；

图7为整体结构示意图左视图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要注意的是，在本实用新型的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

另外，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1所示的基于球齿轮传动的柔性机械臂，包括末端执行器1、展臂单元 2、执行器控制单元3、展臂控制单元4和支架5，所述末端执行器1轴连接在展臂单元2一端，展臂单元2另一端与执行器控制单元3相连，所述展臂控制单元4固定在展臂单元2另一端的两侧，所述支架5用于固定和支撑执行器控制单元3和展臂控制单元4；如图2所示的展臂控制单元4包括起始端球齿轮机构41、末端球齿轮机构40以及多组中间球齿轮机构42，所述起始端球齿轮机构41与执行器控制单元3轴连接，所述末端球齿轮机构40与末端执行器1轴连接，所述多组中间球齿轮机构42的球齿轮与起始端球齿轮机构41和末端球齿轮机构40球齿轮啮合传动，如图3所示的起始端球齿轮机构41和末端球齿轮机构40结构相同包括轴承402、球齿轮401和一级连接件403，球齿轮401 通过轴承402固定在一级连接件403上，如图4和图5所示的中间球齿轮机构 42包括通过十字万向节409相连接的凸球齿轮405和凹球齿轮404、Y轴壳体 406、Z轴壳体407和带有Y轴和Z轴的长方体块408，所述Y轴壳体406一端通过轴承与凸球齿轮405连接，另一端与长方体块408的Y轴410连接，所述Z 轴壳体407一端通过轴承与凹球齿轮404连接，另一端与长方体块408的Z轴 (为示出)连接，所述每两个中间球齿轮机构42都通过二级连接件20连接，所述二级连接件20交替连接在每两个中间球齿轮机构42的Y轴壳体406和Z 轴壳体407上，所述起始端球齿轮机构41和末端球齿轮机构40的一级连接件 403与Y轴壳体406或Z轴壳体407相连。

其中，所述长方体块408内部朝向凹球齿轮404方向开有四棱柱形状的槽420。

其中，如图6所示的末端执行器1包括固定在末端球齿轮机构40的一级连接件403端面的抓手10、连接杆15和圆锥形滑台14，所述连接杆15一端带有螺纹，一端带有花键，所述圆锥形滑台14中心带有螺纹孔与连接杆15带有螺纹端连接，所述连接杆15带有花键端通过十字联轴器16与末端球齿轮机构40 的球齿轮连接，所述圆锥形滑台14包括等角度分布的滑槽17，所述抓手10包括铰接架13、手指11和滑轮12，所述铰接架13固定在一级连接件403端面，所述手指11铰接在铰接架13上、所述滑轮12连接在手指11末端并防止在滑槽17中。

其中，如图2所示展臂控制单元4包括第一控制机构20和第二控制机构21，所述第一控制机构20与第二控制机构21带有夹角的固定在起始端球齿轮机构 41的一级连接件403上，所述第一控制机构20与第二控制机构21结构相同，包括回转副201、推力杆202、丝杠203和电机204，所述丝杠203一端固定在支架5上，另一端与电机204相连，所述回转副201一端固定在一级连接杆403 上，另一端固定在推力杆202上，所述推力杆202贯穿支架5通过带螺纹的联轴器205与丝杠203固定。所述执行器控制单元3包括轴承座33、弹性联轴器 32和回转电机31，所述起始端球齿轮机构41的球齿轮所在的轴穿过轴承座33 通过弹性联轴器32与回转电机31相连。

其中，中间球齿轮机构42的球齿轮所在的轴与二级连接件20所成的角度范围为0到25度。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

设计图

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