CN101130246A - 安全型机械手臂 - Google Patents

Abstract

一种安全型机械臂，属于机器人技术领域。本发明包括：腰关节、肩关节、肘关节、腕关节、手爪。所述腰关节扭矩限制器设置在腰关节中，所述肘关节扭矩限制器设置在肘关节中，所述腰关节扭矩限制器、肘关节扭矩限制器分别限制腰关节、肘关节的最大负载力矩，腰关节、肩关节的中心轴线之间互相垂直相交，肩关节中心轴线与肘关节转轴的轴线互相垂直相交。腰关节、肩关节、肘关节分别具有1个回转摆动自由度，腕关节具有3个正交的回转摆动自由度，手爪具有1个开闭移动自由度。腰关节扭矩限制器、肘关节扭矩限制器有效地起到了机械臂在发生过载或碰撞等偶然情况下的安全保护作用。本发明特别适合助残或护理用的机器人机械手臂。

Description

安全型机械手臂

技术领域

本发明涉及的是一种机器人技术领域的机构，具体地说，是一种安全型机械手臂，尤其适合助残或护理用的机器人机械手臂。

背景技术

现有涉及机器人中有关机械臂机构的传动系统中，大都无机械式过载保护装置。目前，国外一些著名的机器人研究机构如德国航天中心(DLR)的机器人与机械电子研究所正在开展安全型机器人的研究，目的是为了提高未来机器人与人类之间的安全合作，如用于助残或护理的机器人在工作过程中不能对残疾病人有任何伤害的动作，即当机器人与人类之间发生碰撞或误操作引起过大的冲击作用时，安全型能自动减小对人类的撞击力，保护人类不受伤害。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利CN02292175.3，发明名称为：多关节仿人型机器人手臂，该技术公开了一种安装在机器人上的机械手臂的结构，它具有多个回转副和摆动副分别组成机械手臂的肩关节、肘关节、腕关节及手爪，该机械手臂能够完成取、放、拧紧、开关等动作。由于该技术中各关节都采用的是刚性传动如齿轮传动或者蜗轮蜗杆传动，传动系统中没有设置过载保护零件，忽略了当机器人在操作过程中若发生碰撞或过载冲击时可能产生的危害，它是一种非安全型机械手臂。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种安全型机械手臂结构。本发明通过在机械臂腰关节内部的传动系统中串联了腰关节扭矩限制器，在肘关节内部的传动系统中串联了肘关节扭矩限制器，当作用在肘关节上的负载力矩过大时，肘关节内部的肘关节扭矩限制器将发生内部打滑作用，从而起到安全保护的作用；当作用在肩关节上的负载力矩过大时，腰关节内部的腰关节扭矩限制器将发生内部打滑作用，从而又起到安全保护的作用。本发明有效地起到了机械臂在发生过载或碰撞等偶然情况下的安全保护作用。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：腰关节、肩关节、肘关节，腕关节、手爪、腰关节扭矩限制器、肘关节扭矩限制器。其中：腰关节、肩关节、肘关节分别具有1个回转摆动自由度，腕关节具有3个正交的回转摆动自由度，手爪具有1个开闭移动自由度。连接关系为：所述肘关节扭矩限制器设置在在肘关节中，所述腰关节扭矩限制器、肘关节扭矩限制器分别限制腰关节、肘关节的最大负载力矩，腰关节连接肩关节，腰关节、肩关节的中心轴线之间互相垂直相交，肩关节连接肘关节，肘关节连接腕关节，肘关节中有两根垂直的中心轴线，其中一根中心轴线与肩关节中心轴线互相垂直相交，肘关节中的另一根中心轴线与肩关节中心轴线互相平行，腕关节的末端连接着手爪。

所述腰关节包括：腰关节壳体、腰关节带编码器的减速直流电机、腰关节电机支座、转轴、腰关节第一轴承座、轴套、腰关节第二轴承座、隔圈、挡板、输出轴套。相互连接关系为：腰关节带编码器的减速直流电机与腰关节电机支座固结，被布置在腰关节壳体内部，腰关节电机支座与腰关节壳体联接，转轴与输出轴套之间键连接，输出轴套用两个滚动轴承支撑在腰关节第一轴承座和腰关节第二轴承座内，轴套安装在输出轴套上，两者之间为过渡配合，分别用于在腰关节第一轴承座和腰关节第二轴承座内的两个滚动轴承的轴向定位，隔圈安装在输出轴套的法兰与腰关节第二轴承座内的滚动轴承之间，隔圈与输出轴套之间也为过渡配合，挡板将输出轴套与转轴的输出端紧连接。

所述腰关节扭矩限制器的一端与腰关节带编码器的减速直流电机的输出轴配合连接，另一端与腰关节中转轴的输入端配合连接。

所述腰关节与腰关节扭矩限制器传动关系为：腰关节带编码器的减速直流电机的输出轴将动力传给腰关节扭矩限制器，腰关节扭矩限制器又将动力传给转轴，转轴通过键连接又将动力传给输出轴套。当腰关节扭矩限制器上作用的负载力矩超过其额定值时，腰关节扭矩限制器的内部将出现打滑，从而一方面可以防止腰关节带编码器的减速直流电机出现过载运行，另一面限制了腰关节的最大负载力矩。

所述肘关节包括：大臂壳体、肘关节带编码器的减速直流电机、肘关节电机支座、肘关节第一转轴、第一轴承座、第二轴承座、第一转轴轴套、第一转轴隔圈、小伞齿轮、第一轴端挡板、第二轴端挡板、大伞齿轮、罩壳、固定法兰、肘关节第二转轴、肘关节谐波齿轮减速器、肘关节输出法兰。连接关系为：肘关节带编码器的减速直流电机与肘关节电机支座固接，并装入大臂壳体内，肘关节电机支座与大臂壳体联接；肘关节第一转轴通过两个滚动轴承支撑在第一轴承座、第二轴承座内，第一轴承座、第二轴承座分别置于大臂壳体内，第一转轴轴套与第一转轴之间为过渡配合，用于第一轴承座、第二轴承座内滚动轴承的轴向定位；小伞齿轮与肘关节第一转轴的输出端键连接，第一转轴隔圈位于小伞齿轮与第二轴承座内的滚动轴承之间，与肘关节第一转轴之间为过渡配合，第一轴端挡板装在第一转轴的输出端，并使小伞齿轮轴向定位；肘关节第二转轴通过肘关节谐波齿轮减速器内部的滚动轴承和固定法兰内部的滚动轴承得到支撑，肘关节第二转轴与谐波齿轮减速器的输入轴套之间为过渡配合，固定法兰固定在大臂壳体上，大伞齿轮与肘关节第二转轴的输入端之间键连接，第二轴端挡板与肘关节第二转轴的输入端固定，并使大伞齿轮轴向定位；罩壳与固定法兰固定；肘关节谐波齿轮减速器的外法兰与固定法兰固定，肘关节输出法兰与肘关节谐波齿轮减速器的输出端面连接。

所述肘关节扭矩限制器的一端与肘关节带编码器的减速直流电机的输出轴配合连接，另一端与肘关节第一转轴的输入端配合连接。

所述肘关节与肘关节扭矩限制器之间的传动关系为：肘关节带编码器的减速直流电机的输出轴将动力传给肘关节扭矩限制器，肘关节扭矩限制器再将动力通过肘关节第一转轴、小伞齿轮、大伞齿轮、肘关节第二转轴，传给肘关节谐波齿轮减速器，动力经减速、增扭、换向后通过肘关节谐波齿轮减速器的输出端面传给肘关节输出法兰，当肘关节扭矩限制器上作用的负载力矩超过其额定值时，肘关节扭矩限制器的内部将出现打滑，从而一方面可以防止肘关节带编码器的减速直流电机出现过载运行，另一面限制了也肘关节的最大负载力矩。

本发明工作时，腰关节中的动力通过腰关节带编码器的减速直流电机、腰关节扭矩限制器、转轴、输出轴套和肩关节中的输入法兰套，传给肩关节壳体，使肩关节可以绕腰关节的中心轴线发生相对转动；肩关节中的动力通过肩关节带编码器的减速直流电机、肩关节谐波齿轮减速器、输出法兰套，传给肘关节中的大臂壳体，使肘关节可以绕肩关节的中心轴线发生相对转动；肘关节中的动力通过肘关节带编码器的减速直流电机、肘关节扭矩限制器、肘关节第一转轴、小伞齿轮、大伞齿轮、肘关节第二转轴，肘关节谐波齿轮减速器、肘关节输出法兰，传给腕关节中的小臂壳体，使腕关节可以绕肘关节中的肘关节第二转轴的中心轴线发生相对转动；腕关节中的动力分别通过其内3个带编码器的减速直流电机和蜗轮蜗杆传动输出给腕关节末端连接的手爪，使其分别绕中心轴线产生3种正交回转摆动，手爪内部通过1个带编码器的减速直流电机、2组伞形蜗轮蜗杆传动、2组平行四边形机构带动手爪产生开闭运动。

本发明的有益效果在于：当作用在肘关节上的负载力矩过大时，肘关节内部的肘关节扭矩限制器将发生内部打滑作用，从而起到安全保护的作用；当作用在肩关节上的负载力矩过大时，腰关节内部的腰关节扭矩限制器将发生内部打滑作用，从而又起到安全保护的作用。

附图说明

图1为本发明的总装配结构

图2为本发明的腰关节结构

图3为本发明的肘关节结构

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、图2、图3所示，本实施例包括：腰关节1、肩关节2、肘关节3、腕关节4、手爪5、腰关节扭矩限制器9、肘关节扭矩限制器26。其中：腰关节1、肩关节2、肘关节3分别具有1个回转摆动自由度，腕关节4具有3个正交的回转摆动自由度，手爪5具有1个开闭移动自由度。所述腰关节扭矩限制器9设置在腰关节1中，所述肘关节扭矩限制器26设置在在肘关节3中，所述腰关节扭矩限制器9、肘关节扭矩限制器26分别限制腰关节1、肘关节3的最大负载力矩，腰关节1连接肩关节2，腰关节1、肩关节2的中心轴线之间互相垂直相交，肩关节2连接肘关节3，肘关节3连接腕关节4，腕关节4的末端连接着手爪。

如图2所示，腰关节1包括：腰关节壳体6，腰关节带编码器的减速直流电机7，腰关节电机支座8，转轴10，腰关节第一轴承座11，轴套12，腰关节第二轴承座13，隔圈14，挡板15，输出轴套16。连接关系为：腰关节带编码器的减速直流电机7通过螺钉与腰关节电机支座8固结，被布置在腰关节壳体6内部，腰关节电机支座8与腰关节壳体6之间螺钉联接，腰关节扭矩限制器9的一端与带编码器的减速直流电机7的输出轴之间用夹紧螺钉紧配合连接，另一端与转轴10的输入端也用夹紧螺钉紧配合连接，转轴10与输出轴套16之间键连接，输出轴套16用两个滚动轴承支撑在腰关节第一轴承座11和腰关节第二轴承座13内，轴套12安装在输出轴套16上，两者之间为过渡配合，分别用于在腰关节第一轴承座11和腰关节第二轴承座13内的两个滚动轴承的轴向定位，隔圈14安装在输出轴套16的法兰与腰关节第二轴承座13内的滚动轴承之间，隔圈14与输出轴套16之间也为过渡配合，挡板15用螺钉将输出轴套16与转轴10的输出端紧连接。

所述腰关节1腰关节扭矩限制器9的传动关系为：腰关节带编码器的减速直流电机7的输出轴将动力传给腰关节扭矩限制器9，腰关节扭矩限制器9又将动力传给转轴10，转轴10通过键连接又将动力传给输出轴套16。当腰关节扭矩限制器9上作用的负载力矩超过其额定值时，腰关节扭矩限制器9的内部将出现打滑，从而一方面可以防止腰关节带编码器的减速直流电机7出现过载运行，另一面限制了腰关节1的最大负载力矩。

如图3所示，肘关节3包括：大臂壳体23，肘关节带编码器的减速直流电机24，肘关节电机支座25，肘关节第一转轴27，第一轴承座28、第二轴承座30，第一转轴轴套29，第一转轴隔圈31，小伞齿轮32，第一轴端挡板33，第二轴端挡板34，大伞齿轮35，罩壳37，固定法兰38，肘关节第二转轴39，肘关节谐波齿轮减速器40，肘关节输出法兰41。连接关系为：肘关节带编码器的减速直流电机24用螺钉与肘关节电机支座25固接，并装入大臂壳体23内，肘关节电机支座25与大臂壳体23之间螺钉联接；肘关节扭矩限制器26的一端与肘关节带编码器的减速直流电机24的输出轴之间通过夹紧螺钉紧配合连接，另一端与肘关节第一转轴27的输入端之间通过夹紧螺钉紧配合连接；肘关节第一转轴27通过两个滚动轴承支撑在第一轴承座28、第二轴承座30内，第一轴承座28、第二轴承座30分别置于大臂壳体23内，并与之螺钉联接；第一转轴轴套29与第一转轴27之间为过渡配合，用于第一轴承座28、第二轴承座30内滚动轴承的轴向定位；小伞齿轮32与肘关节第一转轴27的输出端键连接，第一转轴隔圈31位于小伞齿轮32与第二轴承座30内的滚动轴承之间，与肘关节第一转轴27之间为过渡配合，第一轴端挡板33用螺钉装在第一转轴27的输出端，并使小伞齿轮32轴向定位；肘关节第二转轴39通过肘关节谐波齿轮减速器40内部的滚动轴承和固定法兰38内部的滚动轴承得到支撑，肘关节第二转轴39与谐波齿轮减速器40的输入轴套之间为过渡配合，并用两个紧定螺钉固定，固定法兰38用螺钉固定在大臂壳体23上，大伞齿轮35与肘关节第二转轴39的输入端之间键连接，第二轴端挡板34用螺钉与肘关节第二转轴39的输入端固定，并使大伞齿轮35轴向定位；罩壳37与固定法兰38之间用螺钉固定；肘关节谐波齿轮减速器40的外法兰与固定法兰38之间用螺钉固定，肘关节输出法兰41与肘关节谐波齿轮减速器40的输出端面之间螺钉连接。

所述肘关节3与肘关节扭矩限制器26的传动关系为：肘关节带编码器的减速直流电机24的输出轴将动力传给肘关节扭矩限制器26，肘关节扭矩限制器26再将动力通过肘关节第一转轴27、小伞齿轮32、大伞齿轮35、肘关节第二转轴39，传给肘关节谐波齿轮减速器40，动力经减速、增扭、换向后通过肘关节谐波齿轮减速器40的输出端面传给肘关节输出法兰41，当肘关节扭矩限制器26上作用的负载力矩超过其额定值时，肘关节扭矩限制器26的内部将出现打滑，从而一方面可以防止肘关节带编码器的减速直流电机24出现过载运行，另一面限制了也肘关节3的最大负载力矩。

本实施例中，腰关节1中的输出轴套连接着肩关节2中的输入法兰套，腰关节1、肩关节2的中心轴线A-A与B-B之间互相垂直相交；肩关节2中的输出法兰套连接着肘关节3中的大臂壳体，肩关节2的中心轴线B-B与肘关节3中第一转轴轴线G-G互相垂直相交；肘关节3中的肘关节输出法兰连接着腕关节4中的小臂壳体，肘关节3中第二转轴的中心线C-C与腕关节4内小臂壳体的中心轴线D-D互相垂直相交，肘关节3中第一转轴的中心轴线G-G与第二转轴的中心线C-C互相垂直相交；腕关节4的末端连接着手爪5。

本实施例工作时，腰关节1中的动力通过腰关节带编码器的减速直流电机7、腰关节扭矩限制器9、转轴10、输出轴套16、和肩关节2中的输入法兰套，传给肩关节壳体，使肩关节2可以绕腰关节1的中心轴线A-A发生相对转动；肩关节2中的动力通过肩关节带编码器的减速直流电机、肩关节谐波齿轮减速器、输出法兰套，传给肘关节3中的大臂壳体23，使肘关节3可以绕肩关节2的中心轴线B-B发生相对转动；肘关节3中的动力通过肘关节带编码器的减速直流电机24、肘关节扭矩限制器26、肘关节第一转轴27、小伞齿轮32、大伞齿轮35、肘关节第二转轴39，肘关节谐波齿轮减速器40、肘关节输出法兰41，传给腕关节4中的小臂壳体42，使腕关节4可以绕肘关节3中的肘关节第二转轴39的中心轴线C-C发生相对转动；腕关节4中的动力分别通过其内3个带编码器的减速直流电机和蜗轮蜗杆传动输出给腕关节4末端连接的手爪5，使其分别绕中心轴线D-D、E-E、F-F产生3种正交回转摆动，手爪5内部通过1个带编码器的减速直流电机、2组伞形蜗轮蜗杆传动、2组平行四边形机构带动手爪产生开闭运动。当作用在肘关节3上的负载力矩过大时，肘关节3内部的肘关节扭矩限制器26将发生内部打滑作用，从而起到安全保护的作用；当作用在肩关节2上的负载力矩过大时，腰关节1内部的腰关节扭矩限制器9将发生内部打滑作用，从而又起到安全保护的作用。

Claims (10)

1.一种安全型机械手臂，包括：腰关节、肩关节、肘关节、腕关节、手爪，腰关节连接肩关节，肩关节连接肘关节，肘关节连接腕关节，腕关节的末端连接着手爪，其特征在于，还包括腰关节扭矩限制器、肘关节扭矩限制器，所述腰关节扭矩限制器设置在腰关节中，所述肘关节扭矩限制器设置在在肘关节中，所述腰关节扭矩限制器、肘关节扭矩限制器分别限制腰关节、肘关节的最大负载力矩，腰关节、肩关节的中心轴线之间互相垂直相交，肘关节中有两根垂直的中心轴线，其中一根中心轴线与肩关节中心轴线互相垂直相交，肘关节中的另一根中心轴线与肩关节中心轴线互相平行。

2.根据权利要求1所述的安全型机械手臂，其特征是，所述腰关节包括：腰关节壳体、腰关节带编码器的减速直流电机、腰关节电机支座、转轴、腰关节第一轴承座、轴套、腰关节第二轴承座、隔圈、挡板、输出轴套，相互连接关系为：腰关节带编码器的减速直流电机与腰关节电机支座固结，被布置在腰关节壳体内部，腰关节电机支座与腰关节壳体联接，转轴与输出轴套之间键连接，输出轴套用两个滚动轴承支撑在腰关节第一轴承座和腰关节第二轴承座内，轴套安装在输出轴套上，隔圈安装在输出轴套与腰关节第二轴承座之间，隔圈与输出轴套之间也为过渡配合，挡板将输出轴套与转轴的输出端紧连接。

3.根据权利要求2所述的安全型机械手臂，其特征是，所述轴套和输出轴套之间为过渡配合，分别用于在腰关节第一轴承座和腰关节第二轴承座内的两个滚动轴承的轴向定位。

4.根据权利要求2所述的安全型机械手臂，其特征是，所述隔圈安装在输出轴套的法兰与腰关节第二轴承座内的滚动轴承之间，隔圈与输出轴套之间也为过渡配合。

5.根据权利要求1或2所述的安全型机械手臂，其特征是，所述腰关节扭矩限制器的一端与腰关节带编码器的减速直流电机的输出轴配合连接，另一端与腰关节中转轴的输入端配合连接。

6.根据权利要求1所述的安全型机械手臂，其特征是，所述肘关节包括：大臂壳体、肘关节带编码器的减速直流电机、肘关节电机支座、肘关节第一转轴、第一轴承座、第二轴承座、第一转轴轴套、第一转轴隔圈、小伞齿轮、第一轴端挡板、第二轴端挡板、大伞齿轮、罩壳、固定法兰、肘关节第二转轴、肘关节谐波齿轮减速器、肘关节输出法兰，连接关系为：肘关节带编码器的减速直流电机与肘关节电机支座固接，并装入大臂壳体内，肘关节电机支座与大臂壳体联接，肘关节第一转轴通过两个滚动轴承支撑在第一轴承座、第二轴承座内，第一轴承座、第二轴承座分别置于大臂壳体内，小伞齿轮与肘关节第一转轴的输出端键连接，第一转轴隔圈位于小伞齿轮与第二轴承座内的滚动轴承之间，第一轴端挡板装在第一转轴的输出端，并使小伞齿轮轴向定位，肘关节第二转轴通过肘关节谐波齿轮减速器和固定法兰支撑，固定法兰固定在大臂壳体上，大伞齿轮与肘关节第二转轴的输入端之间键连接，第二轴端挡板与肘关节第二转轴的输入端固定，并使大伞齿轮轴向定位，罩壳与固定法兰固定，肘关节谐波齿轮减速器的外法兰与固定法兰固定，肘关节输出法兰与肘关节谐波齿轮减速器的输出端面连接。

7.根据权利要求6所述的安全型机械手臂，其特征是，所述第一转轴轴套与第一转轴之间为过渡配合，用于第一轴承座、第二轴承座内滚动轴承的轴向定位。

8.根据权利要求1所述的安全型机械手臂，其特征是，所述第一转轴隔圈位于小伞齿轮与第二轴承座内的滚动轴承之间，与肘关节第一转轴之间为过渡配合；所述肘关节第二转轴通过肘关节谐波齿轮减速器内部的滚动轴承和固定法兰内部的滚动轴承支撑，肘关节第二转轴与肘关节谐波齿轮减速器的输入轴套之间为过渡配合。

9.根据权利要求1或6所述的安全型机械手臂，其特征是，所述肘关节扭矩限制器的一端与肘关节带编码器的减速直流电机的输出轴配合连接，另一端与肘关节第一转轴的输入端配合连接。

10.根据权利要求1所述的安全型机械手臂，其特征是，所述肘关节中第二转轴的轴线与腕关节内小臂壳体的中心轴线之间垂直相交。

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