本发明涉及一种多功能平面机械臂系统，主要包括机械臂、电机、编码器、减速机和电磁制动器；机械臂之间以及第一机械臂与基座之间均以转动副的形式链接；系统工作在水平面内；第一关节及第二关节为固定关节，第三关节及第四关节为可拆卸关节；第一关节及第三关节安装电机、编码器与减速器；第二关节安装编码器与电磁制动器；第四关节安装电机与减速器；通过选择电磁制动器是否开启，以及可拆卸关节与相应的机械臂是否安装，本发明可演变为多种类型的平面全驱动与欠驱动机械臂系统；通过替换不同长度与质量的机械臂，可改变机械臂的参数；通过编写人机交互界面，可完成对控制器参数的设置以及控制算法的实现，并实时监测各关节的运动状态。
1.一种多功能平面机械臂系统，至少包括基座，通过转动副连接的第一、第二、第三和第四关节，以及用于支撑各关节的第一、第二、第三和第四机械臂，第一关节与基座通过转动副连接，各关节采用电动机或制动器，其特征在于：所述第一、第三和第四关节均采用内置编码器的伺服电机，第二关节采用制动器，第一、第二和第三关节上均安装有外设的编码器；所述第一机械臂为沿水平面设置的配重板，第一机械臂的宽度为制动器直径的0.8～
1.1倍、厚度为制动器高度的0.9～1.2倍，第二、第三和第四机械臂均为沿竖直面设置的配重板，配重板上设有配重块；还包括线架，线架安装于基座上，所述线架包括线管和固定组件，线管通过固定组件安装于基座上，上述伺服电机、制动器和编码器的导线汇集于线管中，所述线管为水平放置的弹簧，所述固定组件包括支管、支杆和两个固定件，所述支杆呈倒置的L型，弹簧一端悬空、另一端与支杆的横臂固连，两个固定件从上至下焊接于支管外表面，支杆竖臂的下端固定于两个固定件中，上述伺服电机、制动器和编码器的导线汇集于弹簧和支管中；基座(19)上设有基座盘(17)，基座盘(17)上设有直径不大于基座盘直径的第一过渡盘(16)，基座(19)、基座盘(17)和第一过渡盘(16)通过螺钉顺序固连；第一机械臂位于第一过渡盘(16)的上方，第一机械臂靠近基座(19)的端部的下表面上设有与基座盘(17)相配合的弧形凹面，弧形凹面的高度不大于第一机械臂厚度的1/10。
2.根据权利要求1所述的多功能平面机械臂系统，其特征在于：所述第一关节(52)包括从上至下顺序安装的第一编码器(1)、第一联轴盘(38)、第一联轴座(39)、第一减速机(41)、第一减速机机座(42)和第一伺服电机(43)；第一伺服电机(43)与第一减速机机座(42)通过螺钉固连；第一减速机机座(42)与第一减速机(41)通过螺钉固连；第一减速机(41)与基座盘(17)通过螺钉固连并且二者之间安装有垫圈(40)；第一联轴座(39)与第一减速机的输出轴键联接；第一联轴盘(38)与第一编码器(1)通过第一联轴器(21)同轴联接；第一联轴盘(38)与第一联轴座(39)通过螺钉固连；第一编码器(1)通过第一编码器支架(15)与基座(19)固连，第一机械臂(2)与联轴座(39)通过螺钉固连。
3.根据权利要求1所述的多功能平面机械臂系统，其特征在于：所述第二关节(53)包括从上至下顺序安装的第二编码器(3)、第二联轴盘(44)、第二连接座(4)、第二过渡盘A(24)、第二过渡盘B(47)和电磁制动器(25)，电磁制动器(25)置于第一机械臂(2)下方并通过螺钉与其固连；第二过渡盘B(47)与电磁制动器(25)固连；第二过渡盘A(24)置于第一机械臂(2)上方并通过螺钉与其固连；第二过渡盘A(24)与第二过渡盘B(47)之间安装有垫圈(46)；电磁制动器(25)与轴(45)通过紧固盘(26)固连，轴(45)与第二连接座(4)固连；第二连接座(4)与第二联轴盘(44)通过螺钉固连；第二联轴盘(44)与第二编码器(3)通过第二联轴器(23)同轴联接；第二编码器(3)通过第二编码器支架(22)与第一机械臂(2)固连；第二机械臂(5)与第二连接座(4)通过2个以上螺钉固连。
4.根据权利要求1所述的多功能平面机械臂系统，其特征在于：所述第三关节(54)包括从上至下顺序安装的第三编码器(7)、第三联轴盘(48)、第三连接座(8)、第三减速机(50)、第三减速机机座(32)、第三轴套(28)、第三过渡块(49)和第三伺服电机(33)，第三伺服电机(33)与第三减速机机座(32)通过螺钉固定连接；第三减速机机座(32)与第三减速机(50)通过螺钉固定连接，第三减速机(50)与第三轴套(28)通过螺钉固连；第三减速机的转轴与第三连接座(8)键联接；第三过渡块(49)嵌于第三连接座(8)中并与其固定连接；第三联轴盘(48)与第三连接座(8)通过螺钉固连；第三联轴盘(48)与第三编码器(7)通过第三联轴器(27)同轴联接；第三编码器(7)通过第三编码器支架(6)与第三轴套(28)固连；第三机械臂(9)与第三连接座(8)通过2个以上螺钉固连。
5.根据权利要求1所述的多功能平面机械臂系统，其特征在于：所述第四关节(55)包括从上至下顺序安装的第四连接座(10)、第四减速机(51)、第四减速机机座(30)、第四轴套(29)和第四伺服电机(31)，第四伺服电机(31)与第四减速机机座(30)通过螺钉固定连接；
第四减速机机座(30)与第四减速机(51)通过螺钉固定连接，第四减速机(51)与第四轴套(29)通过螺钉固连；第四减速机的转轴与第四连接座(10)过盈配合；第四机械臂(11)与第四连接座(10)通过2个以上螺钉固连。
6.根据权利要求1所述的多功能平面机械臂系统，其特征在于：所述第一、第三和第四关节均采用内置编码器的交流伺服电机。
7.根据权利要求1所述的多功能平面机械臂系统，其特征在于：所述第二机械臂(5)与第三机械臂(9)上均开设有1个以上减重孔，配重块的截面形状与减重孔的形状相匹配。
8.根据权利要求7所述的多功能平面机械臂系统，其特征在于：所述第二机械臂(5)与第三机械臂(9)的两端以及第四机械臂(11)的固定端上均设有带螺纹孔的安装板，安装板与机械臂固连为一体或焊接固定，安装板与机械臂之间设有三角肋板。
一种多功能平面机械臂系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种多功能、多自由度的平面机械臂系统，属于机器人技术领域。
背景技术
[0002] 平面多连杆机械臂系统是一类非线性系统，它被广泛应用于工业生产、太空探索、医疗救治与海洋探险等方面。根据系统原动件个数与系统自由度个数的之间的关系，可将平面多连杆机械臂系统划分为全驱动系统与欠驱动系统。其中，平面多连杆欠驱动机械臂系统由于驱动装置的减少，使得系统具有重量轻、低能耗等优点，并且当全驱动系统的部分驱动装置出现故障，通过欠驱动控制策略，系统仍可正常运行。因此，对平面多连杆机械欠驱动臂系统的研究，具有重要的实际意义。
[0003] 平面多连杆欠驱动机械臂系统含义一个被动关节是一类非完整系统。当欠驱动关节位于系统的第一关节时，该类系统是一类一阶非完整系统；当欠驱动关节位于其它关节时，该类系统是一类二阶非完整系统。当前，针对平面多连杆欠驱动机械臂系统研究主要集中于理论研究，相应的实验研究成果较为匮乏。并且，少有的平面多连杆欠驱动机械臂系统实际设备也集中在二连杆或三连杆机械臂系统，它们的具体形式单一，难以实现同一设备囊括系统的两种非完整特性。
发明内容
[0004] 针对上述研究现状，本发明的目的是提供一种多功能平面机械臂系统，并且通过选择电磁制动器是否开启，以及可拆卸关节是否安装，本发明可演变为多种类型的平面全驱动与欠驱动机械臂系统。
[0005] 实现本发明目的所采用的技术方案为，一种多功能平面机械臂系统，至少包括基座，通过转动副连接的第一、第二、第三和第四关节，以及用于支撑各关节的第一、第二、第三和第四机械臂，第一关节与基座通过转动副连接，各关节采用电动机或制动器，所述第一、第三和第四关节均采用内置编码器的伺服电机，第二关节采用制动器，第一、第二和第三关节上均安装有外设的编码器；所述第一机械臂为沿水平面设置的配重板，第一机械臂的宽度为制动器直径的0.8～1.1倍、厚度为制动器高度的0.9～1.2倍，第二、第三和第四机械臂均为沿竖直面设置的配重板，配重板上设有配重块；还包括线架，线架安装于基座上，所述线架包括线管和固定组件，线管通过固定组件安装于基座上，上述伺服电机、制动器和编码器的导线汇集于线管中。
[0006] 基座19上设有基座盘17，基座盘17上设有直径不大于基座盘直径的第一过渡盘16，基座19、基座盘17和第一过渡盘16通过螺钉顺序固连；第一机械臂位于第一过渡盘16的上方，第一机械臂靠近基座19的端部的下表面上设有与基座盘17相配合的弧形凹面，弧形凹面的高度不大于第一机械臂厚度的1/10。
[0007] 所述第一关节52包括从上至下顺序安装的第一编码器1、第一联轴盘38、第一联轴座39、第一减速机41、第一减速机机座42和第一伺服电机43；第一伺服电机43与第一减速机机座42通过螺钉固连；第一减速机机座42与第一减速机41通过螺钉固连；第一减速机41与基座盘17通过螺钉固连并且二者之间安装有垫圈40；第一联轴座39与第一减速机的输出轴键联接；第一联轴盘38与第一编码器1通过第一联轴器21同轴联接；第一联轴盘38与第一联轴座39通过螺钉固连；第一编码器1通过第一编码器支架15与基座19固连，第一机械臂2与联轴座39通过螺钉固连。
[0008] 所述第二关节53包括从上至下顺序安装的第二编码器3、第二联轴盘44、第二连接座4、第二过渡盘A24、第二过渡盘B47和电磁制动器25，电磁制动器25置于第一机械臂2下方并通过螺钉与其固连；第二过渡盘B47与电磁制动器25固连；第二过渡盘A24置于第一机械臂2上方并通过螺钉与其固连；第二过渡盘A24与第二过渡盘B47之间安装有垫圈46；电磁制动器25与轴45通过紧固盘26固连，轴45与第二连接座4固连；第二连接座4与第二联轴盘44通过螺钉固连；第二联轴盘44与第二编码器3通过第二联轴器23同轴联接；第二编码器3通过第二编码器支架22与第一机械臂2固连；第二机械臂5与第二连接座4通过2个以上螺钉固连。
[0009] 所述第三关节54包括从上至下顺序安装的第三编码器7、第三联轴盘48、第三连接座8、第三减速机50、第三减速机机座32、第三轴套28、第三过渡块49和第三伺服电机33，第三伺服电机33与第三减速机机座32通过螺钉固定连接；第三减速机机座32与第三减速机50通过螺钉固定连接，第三减速机50与第三轴套28通过螺钉固连；第三减速机的转轴与第三连接座8键联接；第三过渡块49嵌于第三连接座8中并与其固定连接；第三连轴盘48与第三连接座8通过螺钉固连；第三联轴盘48与第三编码器7通过第三联轴器27同轴联接；第三编码器7通过第三编码器支架6与第三轴套28固连；第三机械臂9与第三连接座8通过2个以上螺钉固连。
[0010] 所述第四关节55包括从上至下顺序安装的第四连接座10、第四减速机51、第四减速机机座30、第四轴套29和第四伺服电机31，第四伺服电机31与第四减速机机座30通过螺钉固定连接；第四减速机机座30与第四减速机51通过螺钉固定连接，第四减速机51与第四轴套29通过螺钉固连；第四减速机的转轴与第四连接座10过盈配合；第四机械臂11与第四连接座10通过2个以上螺钉固连。
[0011] 所述第一、第三和第四关节均采用内置编码器的交流伺服电机。
[0012] 所述第二机械臂5与第三机械臂9上均开设有1个以上减重孔，配重块的截面形状与减重孔的形状相匹配。
[0013] 所述第二机械臂5与第三机械臂9的两端以及第四机械臂11的固定端上均设有带螺纹孔的安装板，安装板与机械臂固连为一体或焊接固定，安装板与机械臂之间设有三角肋板。
[0014] 所述线管为水平放置的弹簧，所述固定组件包括支管、支杆和两个固定件，所述支杆呈倒置的L型，弹簧一端悬空、另一端与支杆的横臂固连，两个固定件从上至下焊接于支管外表面，支杆竖臂的下端固定于两个固定件中，上述伺服电机、制动器和编码器的导线汇集于弹簧和支管中。
[0015] 由上述技术方案可知，本发明提供的多功能平面机械臂系统，设计特殊的四关节机械臂结构，其中所述第一、第三和第四关节均采用内置编码器的伺服电机，第二关节采用制动器，即第一、第三和第四关节均为全驱动关节，第二关节为欠驱动关节，机械臂分为两端可连接式和一端可连接式，两端可连接式机械臂用于连接第二关节与第三关节(即第二机械臂)或连接第三关节与第四关节(即第三机械臂)，一端可连接式用于系统的末端机械臂(即第四机械臂)，通过改变机械臂的长度与宽度，可产生多种长度与宽度各不相同的机械臂，并且通过选择电磁制动器是否开启，以及可拆卸关节是否安装，本发明可演变为多种类型的平面全驱动与欠驱动机械臂系统。
[0016] 本发明的四个关节中，第一关节和第三关节均采用双编码器结构，一个是伺服电机的内置编码器，一个是外置辅助编码器，由于关节安装减速机，而减速机或多或少的存在一定工作间隙，所以仅通过读取伺服电机内置编码器并乘以减速比的方式，求取机械臂的实际转角是不准确的，因此加装辅助编码器加以修正，第二关节是欠驱动关节，仅含有辅助编码器，第四关节仅含有伺服电机内置的编码器，由于第四关节处于末端，因此它只负责带动第四机械臂旋转，而不需要像第三关节和第一关节一样要带动后续关节和机械臂转动，所以由减速机间隙构成的误差就相对较小，因此未安装辅助编码器，同时可减轻第四关节整体的重量。
[0017] 本发明的四个机械臂均为配重板，配重板上设有配重块，通过改变配重块的安装位置以及配重块的重量可改变各机械臂的质心，因此本发明可模拟不同连杆质心位置的机械臂系统；由于第一机械臂承载后续三个关节的重量，因此第一机械臂设计为宽度为制动器直径的0.8～1.1倍、厚度为制动器高度的0.9～1.2倍的结构，保证第一机械臂具有足够的结构强度，不会产生挠度，从而保证该机械臂系统的动作精度；基座上设置基座盘和第一过渡盘，第一机械臂靠近基座的端部的下表面上设有与基座盘相配合的弧形凹面，弧形凹面不仅可减轻第一机械臂重量，而且可为已产生细微挠度的第一机械臂提供运动空间，弧形凹面的高度不大于第一机械臂厚度的1/10，不会影响第一机械臂的整体结构强度；各个关节内部均采用螺纹紧固件连接，便于拆装。
[0018] 实际操作中存在诸多影响机械臂运动准确性的因素，其一为导线，众多伺服电机、制动器和编码器的导线对运动本身以及运动观测产生干扰，本发明在基座上设置线架，并且采用弹簧固定导线，合理利用弹簧的中间通腔，由于弹簧自身具有弹性、可弯曲，其悬臂端可根据自重和外力产生适应性弯曲，并且通过弹簧和支管汇聚导线，机械臂上不再设置导线安装位，减小导线对运动的干扰，同时便于导线的梳理。
附图说明
[0019] 图1为本发明提供的多功能平面机械臂系统的整体结构示意图。
[0020] 图2为本发明提供的多功能平面机械臂系统的主视图。
[0021] 图3为两孔式两端可联接式机械臂的结构示意图。
[0022] 图4为三孔式两端可联接式机械臂的结构示意图。
[0023] 图5为四孔式两端可联接式机械臂的结构示意图。
[0024] 图6为一端可联接式机械臂的结构示意图。
[0025] 图7为基座和线架的结构示意图。
[0026] 图8为第一关节的剖视图。
[0027] 图9为第二关节的剖视图。
[0028] 图10为第三关节的剖视图。
[0029] 图11为第四关节的剖视图。
[0030] 图12为平面欠驱动结构Pendubot的结构图。
[0031] 图13为平面欠驱动结构Acrobot的俯视图。
[0032] 图14为平面两连杆全驱动机械臂系统的俯视图。
[0033] 图15为平面三连杆欠驱动机械臂系统APA的俯视图。
[0034] 图16为平面三连杆欠驱动机械臂系统PAA的俯视图。
[0035] 图17为平面三连杆全驱动机械臂系统的俯视图。
[0036] 图18为系统控制流程图。
具体实施方式
[0037] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，本发明的内容不局限于以下实施例。
[0038] 本发明提供的多功能平面机械臂系统，其结构如图1和图2所示，包括基座19，通过转动副连接的第一、第二、第三和第四关节，以及用于支撑各关节的第一、第二、第三和第四机械臂，第一关节与基座19通过转动副连接，各关节采用电动机或制动器；所述第一、第三和第四关节均采用内置编码器的交流伺服电机，第二关节采用制动器，第一、第二和第三关节上均安装有外设的编码器；所述第一关节的第一机械臂为沿水平面设置的配重板，第一机械臂的宽度为制动器直径的0.8～1.1倍、厚度为制动器高度的0.9～1.2倍，第二、第三和第四关节的机械臂均为沿竖直面设置的配重板，配重板上设有配重块；
[0039] 所述第二机械臂5与第三机械臂9均为两端可联接式机械臂，其上均开设有2～4个减重孔61，参见图3、图4和图5，两端可联接式机械臂的两端均设有带螺纹孔的安装板，安装板与机械臂固连为一体或焊接固定，安装板与机械臂之间设有三角肋板62，配重块的截面形状与减重孔的形状相匹配；所述第四机械臂11为如图6所示的一端可联接式机械臂，第四机械臂11的固定端上设有带螺纹孔的安装板63，安装板与机械臂固连为一体或焊接固定；
[0040] 基座19通过螺钉安装于试验台20上，试验台20通过4个地脚螺钉37固定于地面上，基座19上设有基座盘17，基座盘17上设有直径不大于基座盘直径的第一过渡盘16，基座19、基座盘17和第一过渡盘16通过螺钉顺序固连；第一机械臂位于第一过渡盘16的上方，第一机械臂靠近基座19的端部的下表面上设有与基座盘17相配合的弧形凹面，弧形凹面的高度不大于第一机械臂厚度的1/10；
[0041] 如图7所示，线架安装于基座19上，所述线架包括线管和固定组件，所述线管为水平放置的弹簧12，弹簧12通过固定组件安装于基座上；所述固定组件包括支管18、支杆13和两个固定件14，所述支杆13呈倒置的L型，弹簧12一端悬空、另一端与支杆13的横臂固连，两个固定件14从上至下焊接于支管18外表面，支杆13竖臂的下端固定于两个固定件14中，参见图2，上述伺服电机、制动器和编码器的导线汇集于弹簧和支管中，并且通过接线连接片34、电头A35和电头B36接入外接供电线路；
[0042] 如图8所示，所述第一关节52包括从上至下顺序安装的第一编码器1、第一联轴盘38、第一联轴座39、第一减速机41、第一减速机机座42和第一伺服电机43；第一伺服电机43与第一减速机机座42通过螺钉固连；第一减速机机座42与第一减速机41通过螺钉固连；第一减速机41与基座盘17通过螺钉固连并且二者之间安装有垫圈40；第一联轴座39与第一减速机的输出轴键联接；第一联轴盘38与第一编码器1通过第一联轴器21同轴连接；第一联轴盘38与第一联轴座39通过螺钉固连；第一编码器1通过第一编码器支架15与基座19固连，第一机械臂2与联轴座39通过螺钉固连；
[0043] 如图9所示，所述第二关节53包括从上至下顺序安装的第二编码器3、第二联轴盘44、第二连接座4、第二过渡盘A24、第二过渡盘B47和电磁制动器25，电磁制动器25置于第一机械臂2下方并通过螺钉与其固连；第二过渡盘B47与电磁制动器25固连；第二过渡盘A24置于第一机械臂2上方并通过螺钉与其固连；第二过渡盘A24与第二过渡盘B47之间安装有垫圈46；电磁制动器25与轴45通过紧固盘26固连，轴45与第二连接座4固连；第二连接座4与第二联轴盘44通过螺钉固连；第二联轴盘44与第二编码器3通过第二联轴器23同轴联接；第二编码器3通过第二编码器支架22与第一机械臂2固连；第二机械臂5与第二连接座4通过2个以上螺钉固连；
[0044] 如图10所示，所述第三关节54包括从上至下顺序安装的第三编码器7、第三联轴盘48、第三连接座8、第三减速机50、第三减速机机座32、第三轴套28、第三过渡块49和第三伺服电机33，第三伺服电机33与第三减速机机座32通过螺钉固定连接；第三减速机机座32与第三减速机50通过螺钉固定连接，第三减速机50与第三轴套28通过螺钉固连；第三减速机的转轴与第三连接座8键联接；第三过渡块49嵌于第三连接座8中并与其固定连接；第三连轴盘48与第三连接座8通过螺钉固连；第三联轴盘48与第三编码器7通过第三联轴器27同轴联接；第三编码器7通过第三编码器支架6与第三轴套28固连；第三机械臂9与第三连接座8通过2个以上螺钉固连。
[0045] 如图11所示，所述第四关节55包括从上至下顺序安装的第四连接座10、第四减速机51、第四减速机机座30、第四轴套29和第四伺服电机31，第四伺服电机31与第四减速机机座30通过螺钉固定连接；第四减速机机座30与第四减速机51通过螺钉固定连接，第四减速机51与第四轴套29通过螺钉固连；第四减速机的转轴与第四连接座10过盈配合；第四机械臂11与第四连接座10通过2个以上螺钉固连。
[0046] 实际使用中，通过选择电磁制动器是否开启，以及可拆卸关节是否安装，本发明可演变为多种类型的平面全驱动与欠驱动机械臂系统。具体演变方式如下：
[0047] 如图12所示，通过拆除第三关节54、第四关节55、第三机械臂9和第四机械臂11，并使电磁制动器25切离，多功能平面机械臂系统可演变为一个第二关节为欠驱动的平面两连杆机械臂系统，即平面Pendubot系统，其中，第一关节为原系统的第一关节52，第二关节为原系统的第二关节53。
[0048] 如图13所示，通过拆除第四关节55和第四机械臂11，使电磁制动器25切离，并控制第一关节52静止，多功能平面机械臂系统可演变为一个第一关节为欠驱动的平面两连杆机械臂系统，即平面Acrobot系统。
[0049] 如图14所示，通过拆除第四关节55和第四机械臂11，使电磁制动器25制动，多功能平面机械臂系统可演变为一个平面两连杆全驱动机械臂系统，其中，第一关节为原系统的第一关节52，第二关节为原系统的第三关节54。
[0050] 如图15所示，通过拆除第四关节55和第四机械臂11，并使电磁制动器25切离，多功能平面机械臂系统可演变为一个第二关节为欠驱动的平面三连杆机械臂系统，即APA系统。
[0051] 参见图16所示，通过控制第一关节52静止，多功能平面机械臂系统可演变为一个第一关节为欠驱动的平面三连杆机械臂系统，即PAA系统，其中，第一关节为原系统的第二关节53，第二关节为原系统的第三关节54，第三关节为原系统的第四关节55。
[0052] 如图17所示，使电磁制动器25制动，多功能平面机械臂系统可演变为一个平面三连杆全驱动机械臂系统，其中，第一关节为原系统的第一关节52，第二关节为原系统的第三关节54，第三关节为原系统的第四关节55。
[0053] 多功能平面机械臂与操作员之间的通信模式参见图18，运动控制卡采用固高科技有限公司研制的GE-390-SV系列多轴运动控制卡。通过编写人机交互界面，操作员可实现对控制器参数以及控制算法的设置，并实时监测各关节的运动状态。通过交流伺服电机自带的定位功能，结合编码器信息加以修正，可获取各关节的运动状态，并经由运动控制卡将这些状态信息传递至PC机，以供操作员编写反馈控制程序；操作人员编写控制程序与算法，并通过PC机将程序指令传递给运动控制卡，运动控制卡通过控制伺服驱动器可以分别控制各个交流伺服电机的运动。
