專利名稱：一種開放式自由度教學用機器人的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種機器人，尤其涉及一種開放式自由度教學用機器人，屬于機器人自動化技術領域。
背景技術：
隨著科學技術的發展，上世紀60年代誕生于美國的機器人技術越來越被世界各國所重視。為了培養機器人開發、設計、生產等方面的人才，我國很多高校開設了有關機器人方面的課程。教學機器人可以幫助學生理解機器人的下作原理、工作過程以及設計思路，激發專業學習興趣。另外，由于機器人技術涉及機械結構、控制技術、信息處理技術等多方面的學科領域知識，教學機器人還是“機械設計”、“電氣控制”等課程的綜合教學設備，其設計開發具有重要意義。現今還沒有出現適合教學用的機器人。

實用新型內容為了解決上述技術所存在的不足之處，本實用新型公開了一種開放式自由度教學用機器人。
為了解決以上技術問題，本實用新型采用的技術方案是:一種開放式自由度教學機器人，包括腰關節、肩關節、肘關節和腕關節，腰關節的腰部回轉體通過滾動球軸承和推力球軸承的組合體與底座相連；肩關節通過輸出軸與腰關節相連；肘關節通過大臂與肩關節相連；腕關節通過小臂與肘關節相連，腕關節的末端設置有末端執行器。本使用新型由腰、肩、肘、腕四關節組成，各關節可以自由拆卸組合，分別拆分用于教學，內部結構明細，及機械設計和電氣化于一體，形象直觀，非常適合教學用。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細的說明。


圖1為本實用新型的腰關節結構示意圖。圖2為本實用新型的肩關節結構不意圖。圖3為本實用新型的肘關節結構示意圖。圖4為本實用新型的腕關節結構示意圖。圖5為本實用新型的硬件結構組成框圖。圖6為本實用新型的系統軟件運作順序框圖。圖7為本實用新型的總體結構示意圖。圖中:1、底座；2、第一直齒網柱齒輪；3、第二直齒網柱齒輪；4、滾動球軸承；5、推力球軸承；6、輸出軸；7、腰關節交流伺服電動機；8、腰關節諧波減速器；9、大臂；10、外嚙合齒輪；11、渦輪；12、蝸桿；13、傳動電機；14、箱體；15、肩關節交流伺服電動機；16、小臂；17、肘關節交流伺服電動機；18、肘關節錐齒輪；19、肘關節諧波減速器；20、腕關節交流伺服電動機；21、腕關節諧波減速器；22、腕關節錐齒輪；23、腰關節；24、肩關節；25、肘關節；26、腕關節；27、末端執行器。
具體實施方式
如
圖1、圖7所示，腰關節23的主要作用是支撐整個手臂，使采摘機器人腰部以上整個部分以底座I為參照作回轉運動。為了減小體積，增加結構的美觀性，方便安裝維護，將腰關節交流伺服電動機7和腰關節諧波減速器8串接垂直安裝于底座I之上。輸出軸6連接第一直齒圓柱齒輪2,同時第一直齒圓柱齒輪2與第二直齒圓柱齒輪3通過外哨合相連安裝于底座I的下方。腰關節23的腰部回轉體通過滾動球軸承4和推力球軸承5的組合體與底座I相連，這種結構既能承受軸向力、徑向力，又能承受傾覆力矩。交流伺服電動機7轉矩的輸出先經腰關節諧波減速器8減速，再經第一直齒圓柱齒輪2與第二二直齒圓柱齒輪3傳遞，通過滾動球軸承4，腰部繞推力球軸承5相對于底座I實現回轉。由于腰部的回轉運動是在推力球軸承5上的轉動，回轉體各部分對回轉中心產生的負載轉矩比較小。圖2、圖7所示，肩關節24通過輸出軸6與腰關節23相連，肩關節用來對大臂9進行支撐，使大臂9以
圖1所示的腰關節為參照進行俯仰運動。由于肩關節是主要的承載關節，為了避免掉電時大臂9失去控制下墜，應具有自鎖功能，因此本設計采用一對外嚙合齒輪10、渦輪11和蝸桿12組成二級減速機構。傳動電機13安裝在肩關節的箱體14中。肩關節的傳動電機13的輸出轉矩通過一對外嚙合齒輪10傳遞給蝸輪11和蝸桿12，近而驅動大臂9轉動。選擇肩關節交流伺服電動機15時，必須考慮負載的靜轉矩，須具有足夠的轉矩克服負載轉矩。圖3、圖7所示，肘關節25通過大臂9與肩關節24相連，通過伸展小臂16來控制末端執行器27所能達到的工作位置。肘關節處于空間運動部位，關節自身重量直接影響到機械手的整個活動空間和使用性能，本新型充分考慮到減小肘關節重量和合理分布重量。肘關節諧波減速器19和肘關節交流伺服電動機17沿大臂9的軸線分布，以減小回轉中心產生的負載轉矩。動力通過肘關節交流伺服電動機17輸出，肘關節諧波減速器19傳遞給肘關節錐齒輪18，肘關節錐齒輪18輸出轉矩帶動小臂16伸展的傳動機構。
圖4、圖7所示，腕關節26通過小臂16與肘關節25相連，腕關節26的末端設置有末端執行器27，腕關節與末端執行器的姿態調整及保持正確的作業姿態有密切關系，本設計考慮到腕關節處于機械手的最末端，關節自身重量對機械手的活動空間和使用性能影響比肘關節更大，設計時更應考慮自身重量及其分布，采用和肘關節圖3—樣的傳動裝置即腕關節交流伺服電動機20和腕關節諧波減速器21及一對腕關節錐齒輪22的傳動方式。本實用新型通過上述四個關節的組合，可以拆卸自由組合，內部硬件便于觀察。通過這四個關節的有效連接和末端執行器的選擇整機運行表明各關節傳動方式工作可靠滿足采摘機器人要求。圖5控制系統硬件結構采用上、下位機二級結構和互聯模塊組合，PC機作為主控制器，其上運行機器人控制主程序，提供用戶界面并進行作業任務規劃、運動學正反解和坐標變換等，并將規劃得到的機器人關節目標任務下達給DMC運動控制器。本系統選用PCM9575嵌入式工控機。下位機完成機器人底層運動控制，解決一般性的運動控制問題，規劃運動過程中的位置、速度、加速度等參數選擇經濟和性能滿足要求的下位機DMC2280。[0022]互聯模塊用來實現開關量輸入輸出、A/D、D/A轉換、光電隔離以及電流電壓放大等功能。PICM-3900互聯模塊通過一個100針信號電纜與DMC2280數字運動控制器相連接，用戶可以通過4個15Pin的D型連接器與伺服驅動器或步進驅動器相連接來控制4個軸，I個37Pin的D型連接器與外部輸入信號相連接，其中包括8個輸入點，8個模擬輸入信號，4個軸的正、負限位，回零輸入信號以及控制器復位和急停輸入信號；1個12Pin的Phoenix連接端子為輸出口連接器，與外部信號相連接，控制8個輸出點和控制器的報警輸出信號。同時，對所有TTL電平輸入/輸出信號進行光電隔離電路處理，提高了整個系統的抗干擾能力。圖6控制系統軟件結構根據開放式機器人控制系統的特點，采用模塊化和面向對象的設計方法，分為前臺人機交互操作和后臺運動控制函數庫兩部分。前臺軟件在人們熟悉的Windows操作系統下，利用Visual C++應用軟件開發；后臺則應用C++語言應用面向對象編程方法編寫運動控制庫函數，前臺指令通過調用后臺的庫函數來完成相應任務，軟件系統易于使用。本實用新型便于維護和修改，具有良好的柔性和開放性。上述實施方式并非是對本實用新型的限制，本實用新型也并不僅限于上述舉例，本技術領域的技術人員在本實用新型的技術方案范圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也均屬于本實用新型的保護范
圍。`
權利要求1.一種開放式自由度教學用機器人，包括腰關節、肩關節、肘關節和腕關節，其特征在于:所述腰關節的腰部回轉體通過滾動球軸承和推力球軸承的組合體與底座相連；所述肩關節通過輸出軸與腰關節相連；所述肘關節通過大臂與肩關節相連；所述腕關節通過小臂與肘關節相連，腕關 節的末端設置有末端執行器。
專利摘要本實用新型公開了一種開放式自由度教學機器人，包括腰關節、肩關節、肘關節和腕關節，腰關節的腰部回轉體通過滾動球軸承和推力球軸承的組合體與底座相連；肩關節通過輸出軸與腰關節相連；肘關節通過大臂與肩關節相連；腕關節通過小臂與肘關節相連，腕關節的末端設置有末端執行器。本使用新型由腰、肩、肘、腕四關節組成，各關節可以自由拆卸組合，分別拆分用于教學，內部結構明細，及機械設計和電氣化于一體，形象直觀，非常適合教學用。
文檔編號G09B25/02GK203134248SQ20132015094
公開日2013年8月14日 申請日期2013年3月29日 優先權日2013年3月29日
發明者宋健, 鞏勝磊, 蘇春建, 劉會祥 申請人:濰坊學院