[实用新型]一种开放式自由度教学用机器人

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种机器人，尤其涉及一种开放式自由度教学用机器人，属于机器人自动化技术领域。 

背景技术

随着科学技术的发展，上世纪60年代诞生于美国的机器人技术越来越被世界各国所重视。为了培养机器人开发、设计、生产等方面的人才，我国很多高校开设了有关机器人方面的课程。教学机器人可以帮助学生理解机器人的下作原理、工作过程以及设计思路，激发专业学习兴趣。另外，由于机器人技术涉及机械结构、控制技术、信息处理技术等多方面的学科领域知识，教学机器人还是“机械设计”、“电气控制”等课程的综合教学设备，其设计开发具有重要意义。现今还没有出现适合教学用的机器人。 

实用新型内容

为了解决上述技术所存在的不足之处，本实用新型公开了一种开放式自由度教学用机器人。 

为了解决以上技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种开放式自由度教学机器人，包括腰关节、肩关节、肘关节和腕关节，腰关节的腰部回转体通过滚动球轴承和推力球轴承的组合体与底座相连；肩关节通过输出轴与腰关节相连；肘关节通过大臂与肩关节相连；腕关节通过小臂与肘关节相连，腕关节的末端设置有末端执行器。 

本使用新型由腰、肩、肘、腕四关节组成，各关节可以自由拆卸组合，分别拆分用于教学，内部结构明细，及机械设计和电气化于一体，形象直观，非常适合教学用。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。 

图1为本实用新型的腰关节结构示意图。 

图2为本实用新型的肩关节结构示意图。 

图3为本实用新型的肘关节结构示意图。 

图4为本实用新型的腕关节结构示意图。 

图5为本实用新型的硬件结构组成框图。 

图6为本实用新型的系统软件运作顺序框图。 

图7为本实用新型的总体结构示意图。 

图中：1、底座；2、第一直齿网柱齿轮；3、第二直齿网柱齿轮；4、滚动球轴承；5、推力球轴承；6、输出轴；7、腰关节交流伺服电动机；8、腰关节谐波减速器；9、大臂；10、外啮合齿轮；11、涡轮；12、蜗杆；13、传动电机；14、箱体；15、肩关节交流伺服电动机；16、小臂；17、肘关节交流伺服电动机；18、肘关节锥齿轮；19、肘关节谐波减速器；20、腕关节交流伺服电动机；21、腕关节谐波减速器；22、腕关节锥齿轮；23、腰关节；24、肩关节；25、肘关节；26、腕关节；27、末端执行器。 

具体实施方式

如图1、图7所示，腰关节23的主要作用是支撑整个手臂，使采摘机器人腰部以上整个部分以底座1为参照作回转运动。为了减小体积，增加结构的美观性，方便安装维护，将腰关节交流伺服电动机7和腰关节谐波减速器8串接垂直安装于底座1之上。输出轴6连接第一直齿圆柱齿轮2，同时第一直齿圆柱齿轮2与第二直齿圆柱齿轮3通过外啮合相连安装于底座1的下方。腰关节23的腰部回转体通过滚动球轴承4和推力球轴承5的组合体与底座1相连，这种结构既能承受轴向力、径向力，又能承受倾覆力矩。交流伺服电动机7转矩的输出先经腰关节谐波减速器8减速，再经第一直齿圆柱齿轮2与第二二直齿圆柱齿轮3传递，通过滚动球轴承4，腰部绕推力球轴承5相对于底座1实现回转。由于腰部的回 转运动是在推力球轴承5上的转动，回转体各部分对回转中心产生的负载转矩比较小。 

图2、图7所示，肩关节24通过输出轴6与腰关节23相连，肩关节用来对大臂9进行支撑，使大臂9以图1所示的腰关节为参照进行俯仰运动。由于肩关节是主要的承载关节，为了避免掉电时大臂9失去控制下坠，应具有自锁功能，因此本设计采用一对外啮合齿轮10、涡轮11和蜗杆12组成二级减速机构。传动电机13安装在肩关节的箱体14中。肩关节的传动电机13的输出转矩通过一对外啮合齿轮10传递给蜗轮11和蜗杆12，近而驱动大臂9转动。选择肩关节交流伺服电动机15时，必须考虑负载的静转矩，须具有足够的转矩克服负载转矩。 

图3、图7所示，肘关节25通过大臂9与肩关节24相连，通过伸展小臂16来控制末端执行器27所能达到的工作位置。肘关节处于空间运动部位，关节自身重量直接影响到机械手的整个活动空间和使用性能，本新型充分考虑到减小肘关节重量和合理分布重量。肘关节谐波减速器19和肘关节交流伺服电动机17沿大臂9的轴线分布，以减小回转中心产生的负载转矩。动力通过肘关节交流伺服电动机17输出，肘关节谐波减速器19传递给肘关节锥齿轮18，肘关节锥齿轮18输出转矩带动小臂16伸展的传动机构。