CN105313112B - 多自由度串联机器人机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多自由度串联机器人机构，所述机构由一条手臂和一个转接管组成，其中：所述手臂包含串联一体的三个关节和一个末端工具，三个关节分别为两个正交的可弯曲的关节和一个旋转关节；所述末端工具为刀具，由两个可分离的刀片组成；整条手臂共四个自由度；手臂的各个关节由其内部的两根骨架丝连接在一起，并分别由不同的驱动丝带动；所述转接管与驱动机构相连，用于固定所述手臂及所述骨架丝。本发明可用于有空间限制且自由度要求较高、操作复杂的场合。机器人手臂具有结构简单可靠、灵活性及稳定性好的优点。

Description

多自由度串联机器人机构

技术领域

本发明涉及机械设备，具体地，涉及服务机器人，更进一步地，是一种多自由度串联机器人机构。

背景技术

随着机器人学和机器人技术的发展，机器人的应用范围愈加广泛，已经遍布工业及科技的各个领域。其中服务机器人作为新兴的类型，近年来在全球市场保持较快的增长速度，多个国家已涉足服务机器人开发。我国在服务机器人领域的研发与日本、美国等国家相比起步较晚，目前也已开展了大量工作，并取得了一定的成绩。

就服务机器人的总体来看，其在普及方面的主要困难一个是价格问题；另一个是，用户对机器人的益处、效率及可靠性不十分了解。

服务机器人的一个典型是医疗机器人。其功能端通常是串联机械臂，可以模仿人或动物肢体，来达成一定的目标或实现某些功能，如用于夹持、取样等。在空间狭小且对灵活性要求较高的场合，设计同时满足尺寸和自由度要求并且保证精确性和稳定性的机器人机构将是重点内容，也是一个难点。

经检索，公开号为103948435A、104434318A和103251458A的中国发明专利，分别涉及三种机器人。这些机器人主要应用于手术操作，但结构均较为复杂，成本较高；且后两者在单条手臂的自由度方面也略显不足。相比这些专利，本发明所涉及的串联机器人机构，其优势在于整条手臂兼具柔性手臂和刚性手臂的优点，且结构简单可靠，易于组装及拆卸、更换，操作和维护方便；单条手臂包含末端工具在内有4个自由度，末端工具可以更改剪切或者夹持角度，使得操作更灵活和精确。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种可靠且易于实现的多自由度串联机器人机构，用于空间有限且对灵活度要求较高但受力不大的场合。

为解决上述目标技术问题，本发明所采取的方案为：

本发明提供一个多自由度串联机器人机构，所述机构包括机械手臂和转接管，其中：

所述机械手臂共四个自由度，包括串联的第一关节、第二关节、第三关节和第四关节：第一关节和第二关节为均匀弯曲变形的关节，且第一关节与第二关节弯曲中心的轴线正交；第三关节为旋转关节，其旋转轴线与第一关节、第二关节弯曲中心的轴线正交；第四关节为串联安装于第三关节的末端工具；所述机械手臂的内部设置有多根驱动丝分别对应第一关节、第二关节、第三关节和第四关节的运动，并穿过转接管连接至驱动机构；所述第一关节、第二关节均由其内部的骨架丝相连及支撑，以保证第一关节与第二关节连接紧密可靠，同时保证关节变形均匀；所述骨架丝在所述转接管中固定；

所述转接管与机械手臂的基端固连，并与驱动机构连接，驱动机构通过对驱动丝的驱动带动机械手臂的第一关节、第二关节、第三关节和第四关节，实现所述机器人机构的多自由度运动。

优选地，所述第一关节包含依次相连的第一关节基端过渡组件、多个结构相同的第一关节组件、夹紧块和第一关节末端过渡组件，其中：第一关节基端过渡组件通过固定件与转接管固连，以实现第一关节与转接管的连接；夹紧块用于固定第一关节的驱动丝；第一关节末端过渡组件连接第二关节，以实现第一关节与第二关节的连接固定。

优选地，所述第二关节包含依次相连的多个结构相同的第二关节组件、第二关节过渡组件和压块，其中：第二关节过渡组件与第三关节连接，以实现第二关节与第三关节的连接固定；压块用于固定第二关节的驱动丝。

优选地，在所述第二关节过渡组件内还安装有对称分布的两组滑轮，用于第三关节的驱动丝的变向。

优选地，所述第一关节和第二关节内各组件，即第一关节基端过渡组件、多个结构相同的第一关节组件、夹紧块、第一关节末端过渡组件以及多个结构相同的第二关节组件、第二关节过渡组件、压块均开有多个通孔，用于供骨架丝和驱动丝穿过；所述通孔呈十字状轴对称分布。

更优选地，所述通孔呈十字状轴对称分布，其中：

在十字的横线方向设有一排通孔，位于两侧的两个通孔分别穿一根骨架丝，中部的通孔每个穿两根驱动丝，且与两根骨架丝位于同一平面；

在十字的竖线方向分布有两个通孔，两个通孔相对于手臂伸直状态时的中心线对称分布；两个通孔分别穿一根驱动丝。

优选地，所述第一关节和第二关节各组件的轮廓相同，各组件上的通孔数量不同，且所有通孔的轴线均与机械手臂伸直状态下的中心轴线平行。

优选地，所述末端工具为末端刀具，该末端刀具为一个具备剪、夹、扩功能的刀头，分为两个可分离的刀片，两个刀片分别相对于第三关节转动，其转动轴线与第三关节旋转轴线正交。

优选地，所述第一关节、第二关节、第三关节均由两根驱动丝带动，第四关节的两片刀片分别由两根，共四根驱动丝带动；整条所机械手臂内共有十根驱动丝且全部经转接管后延伸至驱动机构处。

优选地，所述骨架丝为两根并行的骨架丝，分别位于第一关节、第二关节内部的两侧，骨架丝的一端固定于第二关节、另一端固定于转接管内，使第一关节与第二关节连接紧凑，实现第一关节与第二关节的连接和支撑，避免第一关节与第二关节内部组件之间发生扭转，并在第一关节和第二关节运动时提供一个弹性力，使第一关节和第二关节在发生弯曲时变形均匀。

优选地，所述第三关节包含一个一端带滑轮的空心轴和末端工具支架，其中：空心轴带滑轮的一端位于第二关节，空心轴的轴颈与第二关节通过一对深沟球轴承接触和支撑，以减少摩擦力；末端工具支架的销轴与第四关节分别通过轴承相连，以实现第三关节与第四关节的连接固定；所述第三关节的驱动丝连接在空心轴的滑轮上。

本发明所述机构的各关节运动情况如下：驱动机构拉动第一关节的两根驱动丝中的一根，则该根驱动丝在第一关节组件上的通孔内滑动，由于第一关节的两根驱动丝被夹紧块固定，从而带动夹紧块和第一关节末端过渡组件一起向被拉的一侧发生偏转；骨架丝受到第一关节运动影响同时发生偏转，并对与第一关节末端过渡组件最近的第二关节组件施加弹力，迫使其向同一侧偏转，并依次迫使相邻的多个第二关节组件都发生同侧的偏转；同时，第一关节的两根驱动丝中的另一根则为从动丝，滑动方向与前一根相反；此时第一关节发生均匀的弯曲变形，第一关节运动完整形成；在第一关节弯曲运动时，位于其内部的所有驱动丝与骨架丝都会随其弯曲，但除了第一关节驱动丝即本关节驱动丝外，余者与通孔之间无相对滑动，长度也不变。第二关节的运动情况与第一关节类似。第三关节的旋转和第四关节的转动情况也类似，由驱动机构拉动两根驱动丝中的一根，驱动丝在通孔内滑动，并带着与其连接的关节组件发生运动，另一根驱动丝作从动，关节运动完成。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明所述的多自由度串联机器人机构具有足够多的自由度，尤其是末端工具可以自由旋转，对剪切或者夹持的角度进行微调整，操作更加灵活；机械手臂的基端关节使用可以均匀弯曲的多片堆叠结构，关节运动更加平稳，且可以完成大角度的运动，并有效减少驱动丝与关节组件之间，以及驱动丝与驱动丝之间的摩擦力；驱动丝从内部通孔穿过，各关节运动独立，便于控制程序的编写设计。结构简单且相同的多个关节组件，便于加工和更换，可显著降低制造和维护成本，也节约在工作时的准备时间。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的平面结构示意图；

图2为本发明一实施例中骨架丝和驱动丝的分布情况图，

图3为本发明一实施例中机械手臂第一关节及第二关节各组件内部结构图；

图4为本发明一实施例的立体图；

图中：转接管1，第一关节基端过渡组件2，第一关节组件3～6，夹紧块7，第一关节末端过渡组件8，第二关节组件9～11，第二关节过渡组件12，压块13，导向滑轮14、15、17、18，导向轮支架16，空心轴19，末端刀具支架20，刀头21；骨架丝22、32，驱动丝23～31、33。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-4所示，一种四自由度串联机器人机构，所述机构包含转接管1和机械手臂，其中：所述转接管是机器人功能端和驱动机构的过渡部分，转接管1和机械手臂固连，并与驱动机构相连。

所述机械手臂包含串联的四个关节：第一关节、第二关节、第三关节和第四关节，其中：

所述第一关节包含第一关节基端过渡组件2、第一关节组件3～6、夹紧块7和第一关节末端过渡组件8，其中：第一关节基端过渡组件2通过紧固件与转接管1固连，以实现第一关节与转接管1的连接；夹紧块7用于固定第一关节的驱动丝26和33；第一关节末端过渡组件8连接第二关节，以实现第一关节与第二关节的连接固定。

所述第二关节包含第二关节组件9～11、第二关节过渡组件12和压块13，其中：第二关节过渡组件12与第三关节连接，以实现第二关节与第三关节的连接固定；压块13安装于第二关节过渡组件12内，用于固定第二关节的驱动丝23和31。

所述第三关节包含空心轴19和末端刀具支架20，其中：空心轴19的带滑轮的一端位于第二关节过渡组件12的内部，空心轴19的轴颈与第二关节过渡组件12通过一对深沟球轴承接触和支撑，以减少摩擦力；末端刀具支架20与第四关节通过轴承相连，以实现第三关节与第四关节的连接固定。

所述第四关节，即两个可分离的刀头21，每一片刀头21都可以独立运动；刀头21和末端刀具支架20的销轴通过轴承接触和支撑。

如图1所示，在一实施例中，所述第二关节过渡组件12内还安装有导向滑轮14、15、17、18和导向轮支架16，导向滑轮14、15、17、18分别安装于导向轮支架16的两侧，用于改变第三关节的驱动丝的走向。

如图2所示，在一实施例中，所述机械手臂内还穿有两根并排的骨架丝22和32，分别位于两端最外侧；骨架丝22、32的一端固连在压块13上、另一端固连在转接管1内。

如图2所示，在一实施例中，所述机械手臂内共有十根驱动丝(23～31、33)，且全部经转接管1后延伸至驱动机构处；其中：

驱动丝26和33的一端固定在夹紧块7上并通过螺钉锁紧，驱动丝26和33用于带动第一关节；

驱动丝23和31的一端固连在第二关节过渡组件12内并由压块13夹紧，驱动丝23和31用于带动第二关节；

驱动丝24和30的一端固连在空心轴19上，驱动丝24和30用于带动第三关节；

驱动丝25和29的一端连接在刀头21的中的一片上、驱动丝27和28的一端连接在刀头21的另一片上，驱动丝25和29用于带动刀头21中的一片、驱动丝27和28用于带动刀头21中的另一片。

在一实施例中，所述第一关节基端过渡组件2、第一关节组件(3、4、5、6)、夹紧块7、第一关节末端过渡组件8以及第二关节组件(9、10、11)、第二关节过渡组件12、压块13均开有多个通孔，用于供两根骨架丝(22、32)和十根驱动丝(23～31、33)穿过；所述通孔呈十字状轴对称分布，具体的：

在十字的横线方向设有一排通孔，位于两侧的两个通孔分别穿一根骨架丝(22、32)，中部的通孔每个穿两根驱动丝(23/24，25/27，28/29，30/31)，且与两根骨架丝(22、32)位于同一平面；

在十字的竖线方向分布有两个通孔，两个通孔相对于手臂伸直状态时的中心线对称分布；两个通孔分别穿一根驱动丝(26、33)。

所有通孔的中心线都与手臂伸直状态时的中心线平行。

所有驱动丝与通孔之间都可产生相对运动，且运动互不干涉。每个关节的驱动丝长度都不受其它关节运动影响，保证关节驱动的精确性。

所述第三关节(旋转关节)安装在第二关节的过渡组件上，第三关节的旋转轴与所述手臂伸直状态下的中心轴重合。所述第三关节由一个滑轮及连接在滑轮上的2根驱动丝带动，滑轮和第二关节的过渡组件之间通过一对轴承支撑，并最大程度减少摩擦力；所述过渡组件内还装有两组导向滑轮，用于驱动丝的变向，各组所述导向滑轮对称分布。

所述转接管与所述第一关节的基端相连，通过螺钉固接；所述骨架丝的一端也在转接管内固定，另一端则固定在所述第二关节的过渡组件内。所有驱动丝经转接管后延伸至驱动机构处。

下面举例说明在本实施例中，机器人机构各关节运动情况：

驱动机构拖动一端固定在夹紧块7上的驱动丝33，从而会带动夹紧块7、与夹紧块7固连的第一关节末端过渡组件8以及所述第二关节、第三关节和第四关节整体向被拉的一侧偏转，同时所述驱动丝33在各通孔内滑动；骨架丝22、32产生弯曲变形，并向第一关节组件6、5、4和3施加弹力，迫使第一关节组件6、5、4和3依次向同一侧发生偏转，最终形成均匀的变形，驱动丝26在此期间也在各通孔内受迫滑动，方向与驱动丝33的滑动方向相反，第一关节弯曲动作完成；驱动机构拖动驱动丝23，其在通孔内滑动，并带动第二关节过渡组件12向被拉的一侧偏转，第二关节组件11、10和9也依次在骨架丝22、32的弹力作用下同向偏转，形成均匀的变形，同时驱动丝31在通孔内发生被迫滑动，方向与驱动丝23滑动方向相反，第二关节弯曲运动完成；第一关节和第二关节在发生弯曲变形时，非本关节的驱动丝长度并不受影响，因此关节之间的运动是独立的；驱动机构拖动驱动丝24，则其会带动空心轴19发生旋转，驱动丝31作从动，第三关节旋转运动完成；安装在导向轮支架16上的导向滑轮17和导向滑轮18分别用于改变驱动丝24和驱动丝31的路径，导向滑轮15和14分别进一步调整驱动丝24和驱动丝31的路径，使其运动方向与手臂组件内的通孔方向基本一致，避免滑动时产生摩擦过大；两组驱动丝25和29、27和28分别对应两片刀头21的运动，完成刀头21开合动作或者刀头21的摆动动作。

本发明中，所述驱动丝和骨架丝的具体固定方式可以按照现有技术实施，只要实现上述的作用和目的即可。通过优化所述驱动丝和骨架丝的固定方式，本发明所涉及的机器人机构功能端尺寸可以根据需要进一步缩小到8mm以内，或者适当放大。所述机械手臂和转接管通过狭窄的通道进入受限的工作区域。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种多自由度串联机器人机构，其特征是：所述机构包括机械手臂和转接管，其中：

所述机械手臂共四个自由度，包括串联的第一关节、第二关节、第三关节和第四关节：第一关节和第二关节为均匀弯曲变形的关节，且第一关节与第二关节弯曲中心的轴线正交；第三关节为旋转关节，其旋转轴线与第一关节、第二关节弯曲中心的轴线正交；第四关节为串联安装于第三关节的末端工具；所述机械手臂的内部设置有多根驱动丝分别对应第一关节、第二关节、第三关节和第四关节的运动，并穿过转接管连接至驱动机构；所述第一关节、第二关节均由其内部的骨架丝相连及支撑，以保证第一关节与第二关节连接紧密可靠，同时保证关节变形均匀；所述骨架丝在所述转接管中固定；

所述转接管与机械手臂的基端固连，并与驱动机构连接，驱动机构通过对驱动丝的驱动带动机械手臂的第一关节、第二关节、第三关节和第四关节，实现所述机器人机构的多自由度运动；

所述第一关节包含依次相连的第一关节基端过渡组件、多个结构相同的第一关节组件、夹紧块和第一关节末端过渡组件，其中：第一关节基端过渡组件通过固定件与转接管固连，以实现第一关节与转接管的连接；夹紧块用于固定第一关节的驱动丝；第一关节末端过渡组件连接第二关节，以实现第一关节与第二关节的连接固定；

所述第二关节包含依次相连的多个结构相同的第二关节组件、第二关节过渡组件和压块，其中：第二关节过渡组件与第三关节连接，以实现第二关节与第三关节的连接固定；压块用于固定第二关节的驱动丝；

所述骨架丝为两根并行的骨架丝，分别位于第一关节、第二关节内部的两侧，骨架丝的一端固定于第二关节、另一端固定于转接管内，使第一关节与第二关节连接紧凑，实现第一关节与第二关节的连接和支撑，避免第一关节与第二关节内部组件之间发生扭转，并在第一关节和第二关节运动时提供一个弹性力，使第一关节和第二关节在发生弯曲时变形均匀。

2.根据权利要求1所述的一种多自由度串联机器人机构，其特征是：在所述第二关节过渡组件内还安装有对称分布的两组滑轮，用于第三关节的驱动丝的变向。

3.根据权利要求1所述的一种多自由度串联机器人机构，其特征是：所述第一关节和第二关节内各组件，即第一关节基端过渡组件、多个结构相同的第一关节组件、夹紧块、第一关节末端过渡组件以及多个结构相同的第二关节组件、第二关节过渡组件、压块均开有多个通孔，用于供骨架丝和驱动丝穿过；所述通孔呈十字状轴对称分布。

4.根据权利要求3所述的一种多自由度串联机器人机构，其特征是：所述通孔呈十字状轴对称分布，其中：

在十字的横线方向设有一排通孔，位于两侧的两个通孔分别穿一根骨架丝，中部的通孔每个穿两根驱动丝，且与两根骨架丝位于同一平面；

在十字的竖线方向分布有两个通孔，两个通孔相对于手臂伸直状态时的中心线对称分布；两个通孔分别穿一根驱动丝。

5.根据权利要求1所述的一种多自由度串联机器人机构，其特征是：所述末端工具为末端刀具，该末端刀具为一个具备剪、夹、扩功能的刀头，分为两个可分离的刀片，两个刀片分别相对于第三关节转动，其转动轴线与第三关节的旋转轴线正交。

6.根据权利要求5所述的一种多自由度串联机器人机构，其特征是：所述第一关节、第二关节、第三关节均由两根驱动丝带动，第四关节的两片刀片分别由两根，共四根驱动丝带动；整条所述机械手臂内共有十根驱动丝且全部经转接管后延伸至驱动机构处。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种多自由度串联机器人机构，其特征是：所述第三关节包含一个一端带滑轮的空心轴和末端工具支架，其中：空心轴带滑轮的一端位于第二关节，空心轴的轴颈与第二关节通过一对深沟球轴承接触和支撑，以减少摩擦力；末端工具支架的销轴与第四关节分别通过轴承相连，以实现第三关节与第四关节的连接固定；所述第三关节的驱动丝连接在空心轴的滑轮上。