一種用于教學實訓模擬的六關節機械手的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于機械手技術領域，尤其涉及一種具有六個關節的機械手。
【背景技術】
[0002]隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產力。機械手是在自動化生產過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產過程中發展起來的一種新型裝置。機械手的研發直接影響到我國自動化生產水平的提高，從經濟上、技術上考慮十分必要。因此，目前各大高校都設有相應的關于機械手方面的教學研究課程，以使學生更加深入地了解機械手并激發對機械手的研究改進熱情，從而促進機械手的技術發展，一般常見的機械手都有2或3個關節，其種類按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手，其通常包括有設在機械手始端的首端轉動關節，用于驅動機械手臂的轉動，在末端設有尾端轉動關節，該尾端轉動關節與手掌相連，用于驅動手掌轉動，首端轉動關節與尾端轉動關節直接相連或者在二者之間還設有若干其它關節，用于提高自由度，通常首端轉動關節和尾端轉動關節均采用舵機或者是微型脈沖電機驅動，再輔以相應的電器控制系統用于控制舵機或者是微型脈沖電機，達到控制機械手的目的。目前，教學研究用的電動式機械手主要采用舵機驅動控制機械手臂，由于手臂通常只具有兩到三個自由度，機械手靈活性低，抓取空間范圍十分有限，運動模擬研究沒有多大意義，不能滿足教學研究中對機械手運動編程等的教學要求，而現有少部分多自由度機械手雖然可以實現大范圍內貨物抓取，但是其機械手的結構十分復雜而笨重，重量與成本也隨之增加，這對于一般輕型貨物的抓取尤其是教學研究使用既不經濟也不適用。為了進一步研究機械手的空間運動，使學生更加深入地了解機械手的設計安裝以及編程使用，同時也便于日常工業生產應用，設計一種結構簡單、自由度更高，可充分滿足教學實訓模擬研究需要，又具有一定的工業應用價值的機械手便顯得十分必要。
【實用新型內容】
[0003]本實用新型的目的在于解決上述技術問題，提供一種用于教學實訓模擬的六關節機械手，該機械手結構簡單、自由度更高，既可充分滿足教學實訓模擬研究需要，又能在日常工業生產中迅速準確實現貨物抓取，尤其是輕型貨物的抓取。
[0004]本實用新型的技術方案如下:
[0005]一種用于教學實訓模擬的六關節機械手，包括底座、手掌、首端轉動關節、中部活動關節、尾端轉動關節及用于控制手掌和各關節動作的控制系統，其中，首端轉動關節及控制系統均安裝在底座上，中部活動關節可轉動地安裝在首端轉動關節上，尾端轉動關節可擺動地安裝在中部活動關節上，手掌可轉動地安裝在尾端轉動關節上，首端轉動關節、中部活動關節及尾端轉動關節以由下至上的方式排列，中部活動關節由四個依次從下至上的方式層疊連接的擺動關節組成，第一擺動關節可轉動地安裝在首端轉動關節的轉動輸出端，尾端轉動關節固定第四擺動關節上，第二至第四擺動關節在同一平面內擺動且與第一擺動關節的擺動平面相垂直。
[0006]進一步地，所述四個擺動關節均包括長方體結構的連接塊、舵機和Π型支撐塊，所述舵機設于所述連接塊上，所述舵機的輸出軸的兩個驅動輸出端分別與所述Π型支撐塊的兩豎直側板固定連接。
[0007]進一步地，所述第二擺動關節的舵機輸出軸、第三擺動關節的舵機輸出軸與第四擺動關節的舵機輸出軸均相互平行且第二擺動關節、第三擺動關節及第四擺動關節的舵機輸出軸的兩端端頭朝向相同，所述第一擺動關節的舵機輸出軸的端頭朝向與其它三個擺動關節的舵機輸出軸的端頭朝向相垂直。
[0008]優先地，所述第一擺動關節的Π型支撐塊的水平橫板與所述第二擺動關節的連接塊固定連接，所述第二擺動關節的Π型支撐塊的水平橫板與所述第三擺動關節的Π型支撐塊的水平橫板固定連接，所述第三擺動關節的連接塊與所述第四擺動關節的連接塊固定連接。
[0009]進一步地，所述手掌包括舵機、左手指和右手指，所述左手指與右手指分別與互相嚙合的一對主動齒輪、從動齒輪相連，所述舵機的輸出軸與所述主動齒輪相連，所述主動齒輪和從動齒輪的齒數、模數及壓力角相同。
[0010]進一步地，所述π型支撐塊的水平橫板與連接塊之間、Π型支撐塊的水平橫板與Π型支撐塊的水平橫板之間、連接塊與連接塊之間的連接均采用花鍵螺栓連接，所述連接孔為內花鍵孔，所述花鍵螺栓由彼此相連的螺帽和外花鍵構成。
[0011]進一步地，所述底座上設有按正六邊形排列的連接孔。
[0012]本實用新型的有益效果:本實用新型通過在常規機械手的首端轉動關節和尾端轉動關節兩個關節的基礎上設置一個中部活動關節來實現機械手多關節自由度的拓展。該中部活動關節由四個依次從下至上的方式層疊連接的擺動關節組成，結構簡單緊湊，而第二至第四擺動關節在同一平面內至下而上的三個位置處擺動，提高了擺動關節在所在平面內的擺動范圍，另一方面，第一擺動關節的擺動平面與其它三個擺動關節相垂直，一起構成了一個立體三維坐標擺動系統，再在最底部的首端轉動關節的轉動作用下實現目標范圍內的三維空間任一點上的貨物抓取，具有較高的靈活度;此外采用舵機實現各個擺動關節的擺動，再通過相應控制系統的編程處理控制舵機，便可研究機械手多自由度的運動分析，大大提高了機械手教學模擬的可研究性和工業實用性，尤其適用于輕小型貨物的準確抓取。
【附圖說明】
[0013]圖1為本實用新型結構不意圖。
[0014]圖2為本實用新型擺動關節結構示意圖。
[0015]圖3為本實用新型局部立體結構圖。
[0016]元件標號說明:底座1、控制系統2、首端轉動關節3、第二連接塊4、第一Π型支撐塊
5、第三連接塊6、第二 Π型支撐塊7、第三Π型支撐塊8、第四連接塊9、第五連接塊1、第四Π型支撐塊11、尾端轉動關節12、手掌13、連接座a、驅動部件b、擺動輸出端bl、擺臂C。
【具體實施方式】
[0017]以下由特定的具體實施例說明本實用新型的實施方式，熟悉此技術的人士可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本實用新型的其他優點及功效。
[0018]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明:
[0019]如圖1所示，一種用于教學實訓模擬的六關節機械手，包括底座1、手掌13、首端轉動關節3、中部活動關節、尾端轉動關節12及用于控制機械手及各關節動作的控制系統2，其中，首端轉動關節3及控制系統2均安裝在六邊形的底座I上，首端轉動關節3和尾端轉動關節12的具體結構可以是將一驅動部件b固定在底座I，驅動部件b可以選擇脈沖電機或是舵機。例如采用脈沖電機時，則脈沖電機的輸出軸豎直向上設置，用以驅動手臂的旋轉。該底座I為一塊正六邊形鋼板，鋼板上設有螺栓連接孔，脈沖電機便通過螺栓固定在地板上。對于采用舵機作為驅動部件的首端轉動關節3，其控制系統2主要包括MultiFLEXTM2-PXA270控制器和一個UP—Debugger多功能調試器，用于與舵機相連，以控制機械手臂的運動。首端轉動關節3的驅動部件b的輸出端豎直設置且與中部活動關節相連，所述中部活動關節包括四個依次從下至上的方式層疊連接的擺動關節組成。如圖2所示，該擺動關節同樣包含一個上述驅動部件b，驅動部件b固定在連接座a上，至于連接座a則可以有多種形式，方形或矩形都可，此處不做具體限制，凡是可以用于支撐固定驅動部件b的結構都可使用；該擺動關節還包括兩個對稱的擺臂C，所述擺臂c為兩塊條狀鋼板，兩塊條狀鋼板的一端與連接座a上的驅動部件b的輸出軸兩端(即擺動輸出端bl)固定連接。當驅動部件b是脈沖電機類動力部件時，則需要在連接座a上額外設置一定的傳動機構與脈沖電機相連，例如在電機輸出端設置一個錐形齒輪，該錐形齒輪正下方與另一錐形齒輪相嚙合，另一錐形齒輪固定在一根轉軸上且該轉軸與電機輸出軸垂直，該轉軸的兩端伸出所述連接座a的表面形成兩個驅動輸出端(即擺動輸出端bl)，該擺動輸出端bl分別與所述兩塊條形鋼板的一端固定連接，當電機間歇性正、反轉動時，帶動所述轉軸轉動，從而帶動兩塊條形鋼板上下擺動，由此便形成了一個由脈沖電機驅動的擺動機構。上述第一擺動關節可轉動地安裝在上述首端轉動關節3的轉動輸出端(即脈沖電機的輸出軸端)，首端轉動關節3的驅動輸出軸插入第一擺動關節的連接座上并固定，從而帶動第一擺動關節旋轉，第一擺動關節的兩塊條形鋼板與第二擺動關節的連接座固定相連且兩擺動關節的擺動輸出軸互相垂直，第二擺動關節的兩塊條形鋼板分別與第三擺動關節的兩塊條形鋼板相連且兩擺動關節的擺動輸出軸互相平行，第三擺動關節的連接座與第四擺動關節的連接座固定相連且兩擺動關節的擺動輸出軸互相平行，從而使第二至第四擺動關節能在同一平面內擺動且與第一擺動關節的擺動平面相垂直。所述尾端轉動關節12的驅動部件則固定在第四擺動關節的兩塊條形鋼板上，具體可將兩塊條形鋼板的兩端焊接或粘接在尾端轉動關節12的驅動部件的底端，且尾端轉動關節12的驅動部件的驅動輸出軸與手掌13相連，以驅動手掌13轉動。
[0020]進一步地，上述各個驅動部件若采用脈沖電機，通過PLC電器控制雖然一定程度上也可以實現對各個關節的驅動，但是其靈活性和結構的簡單可行性卻遠不如直接采用舵機，比如采用脈沖電機會設置上述一系列帶錐齒輪的傳動機構，使整體結構變得復雜繁冗；另一方面，兩塊條形鋼板作為擺臂c受力也不夠穩定可靠，容易變形。因此，為簡化安裝制造，同時提高機械手的結構強度，上述四個擺動關節均由連接塊、舵機和Π型支撐塊構成，所述連接塊為上述連接座a的一種具體結構形式，而Π型支撐塊則是包含了上述兩塊條形鋼板(對應Π型支撐塊中的兩豎直側板)的一種具體結構形式。上述連接塊為一長方體塊狀結構，其水平方向上設有垂直貫穿自身長方體結構兩相對側面的水平通孔，該水平通孔用于安裝設置舵機，舵機上設有螺紋安裝孔，與連接塊之間螺紋聯接固定。在安裝時舵機的輸出軸(即上述擺動輸出軸)伸出各連接塊的側面，以便于與其他構件連接傳動;所述連接塊的豎直方向上還設有用于連接舵機輸出軸的豎直連接孔，該豎直連接孔貫穿連接塊長方體結構的上下兩個面，以便連接塊上下兩個面與其他構件的連接固定。所采用的舵機為機器人領域常用控制元件，主要是由外殼、電路板、無核心馬達、齒輪、舵機輸出軸與位置檢測器所構成。其工作原理是由控制系統中的多功能調試器發出訊號給舵機，經由電路板上的IC判斷轉動方向，再驅動無核心馬達開始轉動，透過減速齒輪將動力傳至與舵機輸出軸相連的外接構件，同時由位置檢測器送回訊號，判斷是否已經到達定位。上述四個Π型支撐塊均為“Π”形狀的結構，由兩塊用于左、右支撐的豎直側板和一塊頂端橫置的水平橫板構成，在左、右兩個豎直側板和頂端的水平橫板上均設有連接孔，所述舵機的輸出軸的兩個驅動輸出端分別插入所述左、右兩個豎直側板上的連接孔，以達到與Π型支撐塊連接的目的，對于部分舵機的輸出軸的其中一個輸出端為螺紋孔的情況，只需將螺絲穿過豎直側板上的連接孔與舵機輸出軸擰緊即可。對于上述四個擺動關節各自包含的連接塊和Π型支撐塊，如圖1和圖3所示，分別為:第一擺動關節包括第二連接塊4和第一 Π型支撐塊5，第二擺動關節包括第三連接塊6和第二 Π型支撐塊7，第三擺動關節包括第三Π型支撐塊8和第四連接塊9，第四擺動關節包括第五連接塊10和第四Π型支撐塊11。
[0021 ]進一步地，為使擺動關節在空間內具有一個分層有序的擺動空間位置順序，更好地通過控制相應舵機來控制擺動范圍，第二擺動關節的舵機輸出軸、第三擺動關節的舵機輸出軸與第四擺動關節的舵機輸出軸均相互平行且第二擺動關節、第三擺動關節及第四擺動關節的舵機輸出軸的兩端端頭朝向相同，第一擺動關節的舵機輸出軸的端頭朝向與其它三個擺動關節的舵機輸出軸的端頭朝向相垂直。如此，第二至第四擺動關節在同一平面內至下而上的三個位置處擺動，合理地規劃了各個擺動關節的擺動范圍，提高了擺動關節的靈活機動性，另一方面，第一擺動關節的擺動平面與其它三個擺動關節相垂直，一起構成了一個立體三維坐標擺動系統，在最底部的首端轉動關節的轉動作用下實現三維空間內任一點內的貨物抓取，具有較高的靈活度。
[0022]優先地，在實現上述擺動位置結構的基礎上，更進一步使整體結構更加美觀緊湊，在上述長方體連接塊內安裝固定舵機時，將舵機的輸出軸與長方體連接塊的兩相對平行側面垂直貫通安裝。第二連接塊4的舵機輸出軸的兩端分別通過第一 Π型支撐塊5的左右兩豎直側板上的連接孔與第一 Π型支撐塊5相連。第一 Π型支撐塊5的水平橫板與第三連接塊6的下表面貼合并通過連接螺栓固定相連，且保證第三連接塊6內的舵機輸出軸與第二連接塊4內的舵機輸出軸互相垂直。第三連接塊6內的舵機輸出軸兩端分別與第二Π型支撐塊7的左右兩豎直側板固定相連;第二 Π型支撐塊7的水平橫板與第三Π型支撐塊8的水平橫板貼合并固定連接，第三Π型支撐塊8的左右兩豎直側板分別與第四連接塊9內的舵機輸出軸兩端固定相連，且第四連接塊9內的舵機輸出軸與第三連接塊6內的舵機輸出軸互相平行；第四連接塊9與第五連接塊10通過各自連接塊上的豎直連接孔和連接螺栓固定貼面連接，且第五連接塊10內的舵機輸出軸與第四連接塊9內的舵機輸出軸互相平行;第五連接塊10內的舵機輸出軸兩端分別與第四π型支撐塊11的左右兩豎直側板固定相連。
[0023]在實際制作本機械手時，為統一零部件，提高設計制造的標準化程度，上述首端轉動關節3和尾端轉動關節12的驅動元件也均采用舵機和連接塊制成，首端轉動關節3包括第一連接塊和一個舵機，尾端轉動關節12包括第六連接塊和一個舵機。上述首端轉動關節3豎直固定設置于底座I上，即首端轉動關節3的舵機輸出軸豎直安裝;將首端轉動關節3中的第一連接塊與兩個一組、對稱設置的4個L型塊固定連接，具體是將L型塊的豎直面板的外側面與連接塊上與底座I相垂直的兩個較長側面采用螺栓固定相連，L型塊的水平面板與底座I采用螺栓固定連接，當然，如果不考慮拆卸，也可直接將第一連接塊焊接在底板I上。然后，首端轉動關節3的舵機輸出軸插入第一擺動關節的第二連接塊4上的豎直連接孔內，使第一擺動關節的輸出軸與首端轉動關節3的舵機輸出軸互相垂直。
[0024]進一步地，現有機器人手掌技術已經十分成熟，市面上具有多種結構形式和控制方法的手掌可供挑選，為適應本實用新型的發明需求，實現結構簡單緊湊、快速抓取貨物尤其是輕型貨物的目的，特設置了一種包括有舵機、左手指和右手指的手掌，所述舵機與控制系統2中UP—Debugger多功能調試器相連，所述左手指與右手指的指節始端均設有轉軸，該轉軸的一端分別與主動齒輪和從動齒輪的輪心相連，所述舵機的輸出軸通過所述左手指的轉軸與所述主動齒輪相連，出于變速需要，其中還可以設置微型齒輪箱，舵機的輸出軸與齒輪箱相連，齒輪箱的輸出端與左手指的轉軸相連。為了提高左右手指運動精度，保證左右手指步調一致，所述主動齒輪和從動齒輪的嚙合采用標準齒輪傳動，其齒數、模數及壓力角相同。為了便于舵機的控制協調，精簡線路，在具體實施過程中，上述擺動關節、始端轉動關節和尾端轉動關節上的舵機串聯之后與控制系統2相連。
[0025]進一步地，為了便于連接固定，同時鑒于舵機輸出軸的輸出端設有花鍵連接端，上述各連接塊上設置的連接孔均為內花鍵孔，且在Π型支撐塊的左右豎直側板和橫板上設置的連接塊也均為內花鍵孔，相應的所采用的連接螺栓為外花鍵螺栓，該外花鍵螺栓包括傳統螺帽和一段外花鍵，且螺帽與外花鍵之間相連，即其螺桿上設置的不是螺紋結構，而是一種外花鍵結構，其固定連接更加簡單可靠。在安裝時，連接塊與連接塊之間、連接塊與Π型支撐塊、Π型支撐塊與Π型支撐塊之間的連接均采用此外花鍵螺栓形式的連接結構。
[0026]進一步地，為了進一步地提高機械手的靈活度，提高工作機動性，特在底座I上設有若干沿六邊形底座I周向布置的連接孔，該連接孔呈六邊形排列，以便在使用時將機械手靈活地與外接設備緊固連接。
[0027]上述實施例僅例示性說明本實用新型的原理及其功效，而非用于限制本實用新型。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本實用新型的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本實用新型所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本實用新型的權利要求所涵蓋。
【主權項】
1.一種用于教學實訓模擬的六關節機械手，包括底座、手掌、首端轉動關節、中部活動關節、尾端轉動關節及用于控制手掌和各關節動作的控制系統，其中，首端轉動關節及控制系統均安裝在底座上，中部活動關節可轉動地安裝在首端轉動關節上，尾端轉動關節可擺動地安裝在中部活動關節上，手掌可轉動地安裝在尾端轉動關節上，首端轉動關節、中部活動關節及尾端轉動關節以由下至上的方式排列，其特征在于:中部活動關節由四個依次從下至上的方式層疊連接的擺動關節組成，第一擺動關節可轉動地安裝在首端轉動關節的轉動輸出端，尾端轉動關節固定第四擺動關節上，第二至第四擺動關節在同一平面內擺動且與第一擺動關節的擺動平面相垂直。2.根據權利要求1所述用于教學實訓模擬的六關節機械手，其特征在于:所述四個擺動關節均包括連接塊、舵機和Π型支撐塊，所述舵機設于所述連接塊上，所述舵機的輸出軸的兩個驅動輸出端分別與所述Π型支撐塊的兩豎直側板固定連接。3.根據權利要求2所述用于教學實訓模擬的六關節機械手，其特征在于:所述第二擺動關節的舵機輸出軸、第三擺動關節的舵機輸出軸與第四擺動關節的舵機輸出軸均相互平行且第二擺動關節、第三擺動關節及第四擺動關節的舵機輸出軸的兩端端頭朝向相同，所述第一擺動關節的舵機輸出軸的端頭朝向與其它三個擺動關節的舵機輸出軸的端頭朝向相垂直。4.根據權利要求3所述用于教學實訓模擬的六關節機械手，其特征在于:所述第一擺動關節的Π型支撐塊的水平橫板與所述第二擺動關節的連接塊固定連接，所述第二擺動關節的Π型支撐塊的水平橫板與所述第三擺動關節的Π型支撐塊的水平橫板固定連接，所述第三擺動關節的連接塊與所述第四擺動關節的連接塊固定連接。5.根據權利要求1所述用于教學實訓模擬的六關節機械手，其特征在于:所述手掌包括舵機、左手指和右手指，所述左手指與右手指分別與互相嚙合的一對主動齒輪、從動齒輪相連，所述舵機的輸出軸與所述主動齒輪相連，所述主動齒輪和從動齒輪的齒數、模數及壓力角相同。6.根據權利要求4所述用于教學實訓模擬的六關節機械手，其特征在于:所述Π型支撐塊的水平橫板與連接塊之間、Π型支撐塊的水平橫板與Π型支撐塊的水平橫板之間、連接塊與連接塊之間的連接均采用花鍵螺栓連接，所述連接孔為內花鍵孔，所述花鍵螺栓由彼此相連的螺帽和外花鍵構成。7.根據權利要求1所述用于教學實訓模擬的六關節機械手，其特征在于:所述底座上設有按正六邊形排列的連接孔。
【專利摘要】本實用新型公布了一種用于教學實訓模擬的六關節機械手，包括底座、手掌、首端轉動關節、中部活動關節、尾端轉動關節及用于控制手掌和各關節動作的控制系統，其中，中部活動關節可轉動地安裝在首端轉動關節上，尾端轉動關節可擺動地安裝在中部活動關節上，手掌可轉動地安裝在尾端轉動關節上，首端轉動關節、中部活動關節及尾端轉動關節以由下至上的方式排列，中部活動關節由四個依次從下至上的方式層疊連接的擺動關節組成，第二至第四擺動關節在同一平面內擺動且與第一擺動關節的擺動平面相垂直。本實用新型不但結構簡單、自由度更高，適合教學模擬研究使用，十分適于生產生活中輕小型貨物的抓取。
【IPC分類】G09B25/02, B25J9/00
【公開號】CN205386812
【申請號】CN201620238754
【發明人】張元立, 馬燕, 劉淑云, 蘭曉紅
【申請人】重慶師范大學
【公開日】2016年7月20日
【申請日】2016年3月24日