CN103153552B - 基于混合的串-并联联接的六自由度机器人机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及适于移动物体的混合机器人机械手。在一个实施例中，这通过基座、安装在基座上并且配置成在该基座上转动的腰、以及安装在该腰上的一对臂来实现。每个臂包括：耦接到所述腰的上臂；在肘处串联地耦接到上臂的前臂，被设置为通过一对连接元件在远端连接所述一对臂的腕，其中所述腕还包括：安装在其上并且被设置为夹持物体和移动物体至期望位置的末端执行器。

Description

基于混合的串-并联联接的六自由度机器人机械手

技术领域

本发明一般涉及机器人机械手，更具体但并不排他地，涉及一种采用了串联和并联联接机构的混合机器人机械手。

背景技术

商业和工业机器人广泛地用于执行复杂的任务。与人类相比，机器人更经济和准确地执行任务。另外，机器人还被用于执行一些危险、困难、对人类不适合和不安全的工作。

机器人的结构包括具有连杆、致动器和关节的运动链，它们中的每一个都被配置为允许一个或多个自由度。具有六个自由度的机器人机构已被设计出来，并且在工业中被用于将物体精确地定位在工作空间中。具有六个自由度的机器人中的常规机构使用串联连杆机构或者并联连杆机构来定位物体。任何固体的六个自由度包括：在正交三维空间中通过使用x、y、z坐标来表示的物体重心的位置；以及，通过三个角度表示的物体关于其重心的取向，通常表示为偏摆、俯仰和滚转。位置和取向通常被结合，并被统称为定位。

串联联接机构，其一般为开环链，通过用于位置的臂联接和用于取向的腕联接来提供对物体的定位。由于串联链中的每个相继的连杆都由其前面的连杆承载，所以移动每个连杆所需要的功率还需要复合地计算给该连杆的后续连杆提供功率的致动器的质量。因此，除了链中最后一个致动器之外，其余所有致动器的尺寸和成本都增加。所需的额外功率并没有贡献给由机器人定位的物体的运动。这导致了机器人的质量相对于物体的质量或机器人能够定位的有效载荷的比率很大。

并联联接机构，其一般为闭环链，通过六个臂连杆来提供对物体的定位。在这种机构中，所有的致动器结合起来用于物体的运动。然而，实际上，由于一个连杆与相邻连杆之间的干扰，物体能够定位于其内的空间是有限的。并联联接的机器人与串联联接的机器人相比具有更小的重量对有效载荷比率，并在它们的有限空间足够用于应用时被使用。

另外，已经尝试制造一种采用了串联联接和并联联接机构的组合的机械手。一种这样的机械手在授予Stocco等的专利US6047610（下面表示为US’610）中公开。图1中示出了如US’610中公开的具有六个自由度的机器人机械手M的结构。US’610中的机械手M包括分别设置于可转动基座4和5上的第一和第二五杆联接机构2和3。五杆联接机构2和3中的每一个通过各自的万向节U2和U3附接到平台P。另外，图1中清楚的显示了形成五杆联接机构2的连杆是通过使用串联联接机构彼此串联地连接。类似地，形成五杆联接机构3的连杆是通过使用串联联接机构彼此串联地连接。而且，五杆联接机构2和3中的每一个都与平台P接合，从而形成闭环链或并联联接。

应当提到的是，由于五杆联接机构2对五杆联接机构3的干扰，以及反之五杆联接机构3对五杆联接机构2的干扰，五杆联接机构2和五杆联接机构3中每一个的运动均受到限制。因而，如US’610所公开的，由机械手M机动的工作空间的大小很小，并且与并联连杆机器人的工作空间相同。

因而，需要一种这样的机构，所述机构使得机器人与并联联接机器人相比能够机动更大量的工作空间，并且与串联联接机器人相比具有更小的重量对有效载荷比率。

发明内容

主要的目的是提供一种采用了串联和并联联接机构的混合机器人机械手。

另一目的是提供一种这样的混合机器人机械手，其位置工作空间与串联联接的机械手的位置工作空间相似，其取向工作空间则比得上人的手腕所提供的取向工作空间。

再一个目的是提供一种这样的混合的机器人机械手，其使致动器中的大多数致动器更加靠近机器人基座定位，由此便利于使用更小和更便宜的马达来移动该机器人的连杆。

附图说明

通过下面的附图来描述本发明，其中相同或相似的字母/数字标记指示了不同附图中的对应的部件。参考附图并且通过下述说明，将会更好地理解本文的实施例，其中：

图1描绘了相关技术中公开的机器人机械手；

图2描绘了根据本文公开的实施例的混合机器人机械手；

图2A描绘了如图2所示的混合机器人机械手的腕；

图3描绘了根据另一个实施例的混合机器人机械手；

图3A描绘了如图3所示的混合机器人机械手的腕。

具体实施方式

根据在附图中示出的和下面说明书中详细描述的非限制性的实施例，本文的实施例及其各种特征和优点的细节将被更全面地解释。省略了对公知的部件和加工技术的说明，以免不必要地使得此处的实施例不清楚。在本文使用的示例仅仅意在易于理解本文的实施方式可以被实施的方式，以及进一步使得本领域的技术人员能够实施本文的实施例。因此，在此这些示例不应当作为本文的实施例的范围的限制。

图2描绘了根据本发明的一个实施例的混合机器人机械手200。在混合机器人机械手200的一端具有基座202。基座202包括用于支撑机架202b的基座板202a。机架202b构造成在其中容纳至少一个马达M0。另外，机械手200具有设置在机架202b上的腰或连杆L。连杆L具有下部L1和上部L2。在下部L1处，连杆L通过转动关节R0以可运动的方式连接至机架202b。转动关节R0具有垂直于基座板202a的旋转轴线。连杆L的上部L2还通过相应的关节R1、R2（没有示出）支撑一对臂204和206。一对臂204和206在远端通过一对连接元件204c、206c分别耦接至腕210。转动关节R1、R2中每一个的旋转轴线大体上横向于转动关节R0的旋转轴线。

臂204包括上臂或上臂连杆204a和前臂或前臂连杆204b。上臂连杆204a的第一端与转动关节R1枢转地接合，且上臂连杆204a的第二端与肘或转动关节R3枢转地接合。转动关节R3具有的旋转轴线基本平行于转动关节R1的旋转轴线。另外，前臂连杆204b的第一端与转动关节R3枢转地接合，因而前臂连杆204b的第一端以可运动的方式连接至上臂连杆204a。前臂连杆204b的第二端通过转动关节R5（没有示出）连接至连接元件204c。转动关节R5的旋转轴线横向于转动关节R3的旋转轴线。

另外，臂206包括上臂连杆206a和前臂连杆206b。上臂连杆206a的第一端与转动关节R2（没有示出）枢转地接合，且上臂连杆206a的第二端与肘或转动关节R4（没有示出）枢转地接合。转动关节R4具有的旋转轴线基本平行于转动关节R2的旋转轴线。另外，前臂连杆206b的第一端与转动关节R4枢转地接合，因而前臂连杆206b的第一端以可运动的方式连接至上臂连杆206a。前臂连杆206b的第二端通过转动关节R6（没有示出）连接至连接元件206c。转动关节R6的旋转轴线横向于转动关节R4的旋转轴线。

另外，一对臂204和206中每一个的上臂和前臂的运动通过多个马达来控制。在连杆L的上部L2和下部L1之间设置有两个马达M1、M2。通过分别旋转转动关节R1、R2，马达M1构造成致动上臂连杆204a的运动，马达M2构造成致动上臂连杆206a的运动。另外，两个马达M3、M4设置在连杆L的上部L2上。另选地，马达M3可以设置在上臂连杆204a的第一端附近，马达M4可以设置在上臂连杆206a的第一端附近。马达M3被配置为通过旋转转动关节R3来致动前臂连杆204b的运动。马达M4被配置为通过旋转转动关节R4来致动前臂连杆206b的运动。

机械手200还包括连接至腕210的末端执行器E。基座202、连杆L、臂204形成开环链或串联联接。另外，基座202、连杆L、臂206形成另一个开环链或串联联接。机械手200设置有腕210，腕210通过相应的连接元件204c、206c连接至臂204和206，从而实质上闭合所述链，并且有效地形成并联联接。因而，机械手200的位置工作空间与串联联接的机械手的位置工作空间相同，而取向工作空间则比得上人的手腕所提供的取向工作空间。

如图2A中所示的腕210具有壳体212。壳体212在其内包括多个齿轮（没有示出）。壳体212还包括顶部212t、底部212b、前部212f和后部212r。另外，腕210包括第一耦接元件214，其具有第一顶部耦接元件214a、第一底部耦接元件214b。腕210还包括第二耦接元件216，其具有第二顶部耦接元件216a、第二底部耦接元件216b（没有示出）。至少第一齿轮和第二齿轮（没有示出）设置在壳体212的后部212r中。第一齿轮具有第一齿轮轴（没有示出），用于将第一齿轮连接到壳体212的顶部212t和底部212b，并且第二齿轮具有第二齿轮轴（没有示出），用于将第二齿轮连接到壳体212的顶部212t和底部212b。另外，第一和第二齿轮中的每一个都具有沿着相应的第一和第二齿轮轴的旋转轴线，并且第一齿轮的旋转轴线平行于第二齿轮的旋转轴线。第一和第二齿轮设置在后部212r中，并且相互啮合以传递运动。

第一顶部耦接元件214a的第一端在壳体212的顶部212t处被紧固到第一齿轮轴。第一底部耦接元件214b的第一端在壳体212的底部212b处被紧固到第一齿轮轴。类似地，第二顶部耦接元件216a的第一端在壳体212的顶部212t处被紧固到第二齿轮轴，第二底部耦接元件216b的第一端在壳体212的底部212b处被紧固到第二齿轮轴。

另外，壳体212的前部212f包括具有蜗杆和蜗轮的蜗杆传动装置（没有示出）。蜗杆具有蜗杆轴（没有示出），用于将该蜗杆连接到壳体212的顶部212t和底部212r。蜗杆的旋转轴线平行于第一齿轮的旋转轴线。另外，蜗轮轴（没有示出）水平地将蜗轮连接到壳体212的前部212r。蜗轮具有的旋转轴线横向于蜗杆的旋转轴线。末端执行器E在壳体212的前部212f处连接至蜗轮轴。腕马达M5设置在壳体的顶部212t附近，用于驱动蜗杆传动装置的蜗杆。

腕210还包括：第一锁定元件218，其具有头部218a和尾部218b；以及，第二锁定元件219，其具有头部219a和尾部219b。第一锁定元件218的头部218a枢转地接合在第一顶部耦接元件214a的第二端与第一底部耦接元件214b的第二端之间，其中第一顶部耦接元件214a的第二端与其第一端间隔开，第一底部耦接元件214b的第二端也与其第一端间隔开。类似地，第二锁定元件219的头部219a枢转地接合在第二顶部耦接元件216a的第二端与第二底部耦接元件216b的第二端之间，其中第二顶部耦接元件216a的第二端与其第一端间隔开，第二底部耦接元件216b的第二端也与其第一端间隔开。第一锁定元件218的尾部218b适合与连接元件204c接合，第二锁定元件219的尾部219b适合与连接元件206c接合。

本领域的技术人员可以理解的是，第一顶部耦接元件214a和第一底部耦接元件214b可被设置为整体构件，而没有妨碍上述的预期功能。例如，具有大体类似于双开口端扳手/扳钳形状的耦接元件可被用于代替第一顶部耦接元件214a和第一底部耦接元件214b。类似地，第二顶部耦接元件216a和第二底部耦接元件216b可被设置为整体部件。

另外，末端执行器E2基于将在工作空间内被定位的物体的形状和尺寸和/或基于由机械手200执行的操作的性质可以具有不同的形状。

另外，与腕210和末端执行器E相关联的运动在下面作为非限制性示例被描述。在操作中，马达M0致动连杆L的旋转运动，其又旋转臂204、臂206、腕210和末端执行器E。为了使腕210和末端执行器E限定偏摆运动，也就是说腕210从左转向右以及相反的转动，马达M1和M2中的一个被致动以使对应的上臂连杆204a和206a运动。在该示例中，马达M1被认为是致动对应的上臂连杆204a。因而，上臂连杆204a被使得绕转动关节R1的轴线旋转。上臂连杆204a的旋转引起对应的前臂连杆204b运动。另选地，马达M3可以被致动以使前臂连杆204b运动。在上臂连杆204a和前臂连杆204b运动的过程中，臂206保持静止。另外，前臂连杆204b的运动使锁定部件219向前运动，其又使得耦接元件216远离耦接元件214运动。耦接元件216的运动又使得腕210向着臂206运动，从而导致腕210和末端执行器E的偏摆运动。

另外，为了末端执行器E限定俯仰运动，也就是说末端执行器E相对于腕210的前后或上下的倾斜，马达M5被使用。马达M5致动蜗杆传动装置的运动，其又按照需要向前或向后运动末端执行器E，从而引起末端执行器E的俯仰运动。

为了腕210限定滚转运动，也就是说腕210与末端执行器E一起从一侧至另一侧的倾斜，连接元件204c和206c中的一个或全部绕相应的转动关节R5和R6的轴线旋转。连接元件204c和206c的旋转导致了腕210在期望方向上的倾斜，因而限定了滚转运动。

图3描绘了根据本发明另一个实施例的混合机器人机械手300。混合机器人机械手300在其一端具有基座302。基座302包括用于支撑机架302b的基座板302a。机架302b构造成在其内容纳有至少一个马达M0'。另外，机械手300具有设置在机架302b上的腰或连杆W。连杆W具有下部W1和上部W2。在下部W1处，连杆W通过转动关节R0（没有示出）以可运动的方式连接至机架302b。转动关节R0具有垂直于基座板302a的旋转轴线。连杆W的上部W2还通过相应的关节R1、R2（没有示出）支撑一对臂304和306。一对臂304和306在远端通过一对连接元件304c、306c分别耦接至腕310。转动关节R1、R2中每一个的旋转轴线大体上横向于转动关节R0的旋转轴线。

臂304包括上臂或上臂连杆304a、前臂或前臂连杆304b。上臂连杆304a的第一端与转动关节R1枢转地接合，且上臂连杆304a的第二端与肘或转动关节R3枢转地接合。转动关节R3具有的旋转轴线基本平行于转动关节R1的旋转轴线。另外，前臂连杆304b的第一端与转动关节R3枢转地接合，因而前臂连杆304b的第一端以可运动的方式连接至上臂连杆304a。前臂连杆304b的第二端通过转动关节R5（没有示出）连接至连接元件304c。转动关节R5的旋转轴线横向于转动关节R3的旋转轴线。

另外，臂306包括上臂或上臂连杆306a和前臂或前臂连杆306b。上臂连杆306a的第一端与转动关节R2（没有示出）枢转地接合，且上臂连杆306a的第二端与肘或转动关节R4（没有示出）枢转地接合。转动关节R4具有的旋转轴线基本平行于转动关节R2的旋转轴线。另外，前臂连杆306b的第一端与转动关节R4枢转地接合，因而前臂连杆306b的第一端以可运动的方式连接至上臂连杆306a。前臂连杆306b的第二端通过转动关节R6（没有示出）连接至连接元件306c。转动关节R6的旋转轴线横向于转动关节R4的旋转轴线。

另外，一对臂304和306中每一个的上臂和前臂的运动通过多个马达来控制。在连杆W的上部W2和下部W1之间设置有两个马达M1'、M2'。马达M1'被配置为通过旋转转动关节R1来致动上臂连杆304a的运动。马达M2'被配置为通过旋转转动关节来致动上臂连杆306a的运动。另外，两个马达M3'、M4'设置在连杆W的上部W2上。另选地，马达M3'可以设置在上臂连杆304a的第一端附近，马达M4'可以设置在上臂连杆306a的第一端附近。马达M3'被配置为通过旋转转动关节R3来致动前臂连杆304b的运动。马达M4'被配置为通过旋转转动关节R4来致动前臂连杆306b的运动。

机械手300还包括连接至腕310的末端执行器E3（没有示出）。基座300、连杆W与臂304一起形成开环链或串联联接。另外，基座300、连杆W与臂306一起形成另一个开环链或串联联接。机械手300设置有腕310，腕310通过相应的连接元件304c、306c连接至臂304和306从而实质上闭合所述链，并且有效地形成并联联接。因而，机械手300的位置工作空间与串联联接的机械手的位置工作空间相同，而取向工作空间则比得上人的手腕所提供的取向工作空间。

如图3A中示出的腕310具有壳体312。壳体312在其中包括多个齿轮（没有示出）。壳体312还包括顶部312t、底部312b、前部312f（未示出）和后部312r。另外，腕310包括第一耦接元件314，其具有第一顶部耦接元件314a、第一底部耦接元件314b。腕310还包括第二耦接元件316，其具有第二顶部耦接元件316a、第二底部耦接元件316b。至少第一齿轮和第二齿轮（没有示出）设置在壳体312的后部312r中。第一齿轮具有第一齿轮轴（没有示出），用于将第一齿轮连接至壳体312的顶部312t和底部312b，并且第二齿轮具有第二齿轮轴（没有示出），用于将第二齿轮连接到壳体312的顶部312t和底部312b。另外，第一和第二齿轮中的每个都有沿着相应的第一和第二齿轮轴的旋转轴线，并且第一齿轮的旋转轴线平行于第二齿轮的旋转轴线。第一和第二齿轮设置在后部312r中并相互啮合以传递运动。

第一顶部耦接元件314a的第一端在壳体312的顶部312t处被紧固至第一齿轮轴。第一底部连接元件314b的第一端在壳体312的底部312b处被紧固至第一齿轮轴。类似地，第二顶部耦接元件316a的第一端在壳体312的顶部部分312t处被紧固至第二齿轮轴，第二底部耦接元件316b的第一端在壳体312的底部312b处被紧固至第二齿轮轴。

另外，壳体312的前部312f（没有示出）连接至末端执行器E3（没有示出）。

腕310还包括：第一锁定元件318，其具有头部318a和尾部318b；以及，第二锁定元件319，其具有头部319a和尾部319b。第一锁定元件318的头部318a枢转地接合在第一顶部耦接元件314a的第二端和第一底部耦接元件314b的第二端之间，其中第一顶部耦接元件314a的第二端与其第一端间隔开，第一底部耦接元件314b的第二端与其第一端间隔开。类似地，第二锁定元件319的头部319a枢转地接合在第二顶部耦接元件316a的第二端和第二底部耦接元件316b的第二端之间，其中第二顶部耦接元件316a的第二端与其第一端间隔开，第二底部耦接元件316b的第二端与其第一端间隔开。第一锁定元件318的尾部318b适合与连接元件304c接合，第二锁定元件319的尾部319b适合与连接元件306c接合。

锁定元件318的尾部318b以及连接元件304c通过转动关节R7彼此连接。转动关节R7的旋转轴线基本平行于转动关节R3的旋转轴线。类似地，锁定元件319的尾部319b以及连接元件306c通过转动关节R8彼此连接。转动关节R8的旋转轴线基本平行于转动关节R4的旋转轴线。另外，马达M5'设置在转动关节R7和R8的邻近处，用于致动所述腕的运动。

本领域的技术人员可以理解的是，第一顶部耦接元件314a和第一底部耦接元件314b可被设置为整体构件，而不会妨碍上述预期功能。例如，具有大体类似于双开头端扳手/扳钳形状的耦接元件可被用于替代第一顶部耦接元件314a和第一底部耦接元件314b。类似地，第二顶部耦接元件316a和第二底部耦接元件316b可被设置为整体构件。

另外，末端执行器E3基于将在工作空间内被定位的物体的形状和尺寸和/或基于由机械手300执行的操作的性质可以具有不同的形状。

另外，与腕310和末端执行器E3相关联的运动在下面作为非限制性的示例被描述。在操作中，马达M0'致动连杆W的旋转运动，其又使臂304、臂306、腕310和末端执行器E3转动。为了使腕310和末端执行器E3限定偏摆运动，也就是说腕310从左转向右以及相反的转动，马达M1'和M2'中的一个被致动以使得对应的上臂连杆304a和306a运动。在此示例中，马达M1'被用于致动对应的上臂连杆304a。因而，使上臂连杆304a绕转动关节R1的轴线旋转。上臂连杆304a的旋转导致对应的前臂连杆304b运动。另选地，马达M3'可以被致动以使得前臂连杆304b运动。在上臂连杆304a和前臂连杆304b运动的过程中，臂306保持静止或者与臂304的运动相比可以具有相当小的运动。另外，前臂连杆304b的运动使锁定元件319向前运动，其又使得耦接元件316远离耦接元件314运动。耦接元件316的运动又使得腕310向着臂306运动，从而导致腕310和末端执行器E3的偏摆运动。

另外，为了末端执行器E3限定俯仰运动，也就是说末端执行器E3相对于腕310前后或上下的倾斜，马达M5'被使用。马达M5'致动相应的锁定部件318和319的尾部318b和尾部319b的运动。尾部318b和尾部319b的运动又按照需要使耦接元件314和316前后或者上下运动，从而限定腕310的俯仰运动。

为了使腕310限定滚转运动，也就是说腕310与末端执行器E3一起从一侧至另一侧的倾斜，连接元件304c和306c中的一个或全部绕相应的转动关节R5和R6的轴线旋转。连接元件304c和306c的旋转导致了腕310在期望方向上倾斜，因而限定了滚转运动。

另外，下述情况也在本发明的范围内：通过缆绳或钢绳来致动腕210和310中每一个的运动，从而不需要在腕210和310上或在腕210和310附近安装马达M5和M5'。腕210和310可通过缆绳被致动的一个示例是当机械手用在极端环境下时，例如将零部件放置在烤箱中或者从烤箱中取出零部件。

另外，必须要注意的是，由于机械手200的马达M0、M1、M2、M3、M4和机械手300的马达M0'、M1'、M2'、M3'、M4'位于各自的基座202和302附近，因此多数马达在机械手运动时不消耗功率。另外，位于基座附近的马达定位提供了重量平衡，因而避免了机械手翻倒。另外，马达M3和M4可以设置在连杆L的上部L2和下部L1之间。类似地，马达M3'和M4'可以设置在连杆W的上部W2和下部W1之间。应当注意的是，在基座附近设置马达也被涵盖在本发明的范围内。另外，与其它的马达相比，马达M5和M5'中的每个马达优选为小马达。马达M1-M4并行地对有效载荷的运动做出贡献，因而马达M1-M4可以具有较小的尺寸和能力。

前述对具体实施方式的描述如此充分地揭示了本文实施方式的基本性质，通过应用现有的知识，容易修改和/或更改对这些实施方式不同的应用而不会脱离本发明的一般概念，因而这样的更改和修改应当被理解为是在所公开的实施方式等同物的含义和范围内。应当理解，此处使用的措辞和术语的目的在于说明而不是限制。因而，尽管此处的实施例以优选实施例的方式进行描述，而本领域的技术人员将认识到此处的实施例可以具有修改地来加以实施，并且也处于本文所述实施例的精神和范围内。

Claims (6)

1.一种适于移动物体的混合机器人机械手，所述机械手包括：

基座；

安装在所述基座上并且构造成在所述基座上旋转的腰；以及

安装在所述腰上的一对臂；

每个臂包括：

耦接到所述腰的上臂；

在肘处串联地耦接到所述上臂的前臂；以及

构造成通过一对连接元件在远端处耦接所述一对臂的腕；其中，所述腕还包括安装在所述腕上并且构造成握持所述物体和移动所述物体至期望位置的末端执行器，

其中所述一对臂的每个臂能够彼此独立地驱动，

所述一对臂使用转动关节安装在所述腰上，所述转动关节构造为使所述上臂绕横向于所述基座的中心轴线的轴线旋转，多个马达定位于所述转动关节附近。

2.如权利要求1所述的混合机器人机械手，其中，所述一对连接元件通过多个齿轮耦接到彼此。

3.如权利要求2所述的混合机器人机械手，其中，所述多个齿轮位于所述腕中。

4.如权利要求2所述的混合机器人机械手，其中，所述多个齿轮的旋转轴线彼此平行。

5.如权利要求1所述的混合机器人机械手，其中，所述一对臂中每一个的上臂和前臂的运动通过多个马达来控制。

6.一种适于移动物体的混合机器人机械手，所述机械手包括：

基座；

安装在所述基座上并构造成在所述基座上旋转的腰；以及

安装在所述腰上的一对可动臂，每个臂包括：

耦接到所述腰的上臂；

在肘处串联地耦接到所述上臂的前臂；其中，所述一对臂中每一个的上臂和前臂的运动通过多个马达来致动，所述多个马达定位于多个转动关节附近；以及

被构造为通过一对连接元件在远端处耦接所述一对臂的腕；其中所述腕还包括：

安装在所述腕上并且构造为夹持所述物体和移动所述物体至期望位置的末端执行器；以及

被构造为耦接所述一对连接元件的多个齿轮。