CN106426153A - 一种用于机器人手臂的旋转摆动机构、机器人手臂及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机器人手臂的旋转摆动机构、机器人手臂和机器人，所述旋转摆动机构包括：减速电机，其输出轴穿过第一连接盘固定连接旋转法兰，旋转法兰固定连接摆动支架，摆动支架上设有第一连接部和至少两个第二连接部；还包括第二连接盘，其上设有与摆动支架的第二连接部相配合的第一连接件，所述第一连接件与相配合的摆动支架上的第二连接部铰接；还包括第三连接盘，其上设有第三连接部；还包括电动推杆，其一端与第一连接部铰接，其另一端与第三连接部铰接。本发明降低了手臂关节摆动处结构设计的复杂程度和产品成本，结构设计简单，产品成本低，性价比高。

Description

一种用于机器人手臂的旋转摆动机构、机器人手臂及机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种用于机器人手臂的旋转摆动机构，尤其涉及一种机器人手臂以及包含机器人手臂的机器人。

背景技术

对于模特机器人的关节运动，手臂旋转运动的轴线与手臂中心线为同一条线；手臂摆动运动的轴线与手臂中心线垂直，若将减速电机放置在与小臂轴线相平行的位置，则需要T型锥齿轮换向器将传动输出到小臂摆动；若采用行星减速电机拆分的方式，将行星减速机放置在摆动轴线上，电机与减速机平行放置，使用同步带轮传输动力，就会受到三级行星减速机尺寸的影响，关节处的结构尺寸就将设计的较大。这样都存在有设计结构复杂，成本过高的技术问题。

并且，旋转方向和手臂中心线是同一个轴线，所以实现旋转运动时，可用减速电机输出轴直接驱动旋转运动实现；摆动运动的轴线与手臂中心线是垂直关系，所以要用到换向、拆分减速电机、三铰点机构等方式来实现摆动。这也是手臂旋转和手臂摆动的区别，也就是说，实现手臂旋转容易，实现手臂摆动难。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足或缺陷，提供一种用于机器人手臂的旋转摆动机构和包含有该旋转摆动机构的机器人手臂以及包含机器人手臂的机器人。为降低手臂关节摆动处结构设计的复杂程度和产品成本，采用微型笔式电动推杆实现关节小臂摆动的动作，产品成本低，性价比高。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种用于机器人手臂的旋转摆动机构，包括：

减速电机，所述减速电机的输出轴穿过第一连接盘固定连接旋转法兰，所述旋转法兰固定连接摆动支架，所述摆动支架上设有第一连接部和至少两个第二连接部；

第二连接盘，所述第二连接盘上设有与第二连接部相配合的第一连接件，所述第一连接件与相配合的第二连接部铰接；

第三连接盘，所述第三连接盘上设有第三连接部；

电动推杆，所述电动推杆的一端与第一连接部铰接，其另一端与第三连接部铰接。

上述的旋转摆动机构，其中，

电动推杆采用微型笔式电动推杆。

所述减速电机、第一连接盘、旋转法兰和摆动支架的轴线均位于同一条直线上。

所述摆动支架具有一片状底部，所述第一连接部和第二连接部垂直设置在所述底部上，位于所述底部的同一侧，且第一连接部设置在底部中部；所述摆动支架底部上设有圆周螺纹孔和中心安装孔，旋转法兰通过螺栓与摆动支架的圆周螺纹孔连接，螺栓穿过摆动支架的中心安装孔将摆动支架与减速电机的输出轴连接。

进一步，所述第一摆动支架至少一面视图呈“山”字形结构架。

所述电动推杆的一端与所述第一连接部，其另一端与所述第三连接部，均是采用铰制孔螺栓铰接。

进一步地，

一种机器人手臂，包括：

一个所述用于机器人手臂的旋转摆动机构，以及，大臂壳体、小臂壳体、手部壳体；

所述小臂壳体和手部壳体固定连接；

所述旋转摆动机构的减速电机设置在所述大臂壳体外，所述第二连接盘固定连接套设在大臂壳体一端，所述第三连接盘固定连接所述大臂壳体的内壁或固定连接套设在所述大臂壳体的另一端；

或者，所述旋转摆动机构的减速电机设置在所述大臂壳体内，所述第一连接盘固定连接套设在所述小臂壳体的一端，所述第二连接盘固定连接套设在所述小臂壳体的另一端或者固定连接所述小臂壳体的内壁。

进一步，一种机器人手臂，其中，

所述旋转摆动机构数量为两个，还包括，大臂壳体、小臂壳体、手部壳体，所述小臂壳体和手部壳体固定连接；

其中一个旋转摆动机构的减速电机设置在所述大臂壳体外，第二连接盘固定连接套设在大臂壳体一端，第三连接盘固定连接所述大臂壳体的内壁；

另一个旋转摆动机构的减速电机位于大臂壳体内，第一连接盘固定连接套设在小臂壳体的一端，第三连接盘固定连接套设在所述小臂壳体的另一端或者固定连接所述小臂壳体的内壁。

所述大臂壳体和小臂壳体均为筒状结构。

更进一步地，

一种机器人，包括：

两条所述的机器人手臂，以及通过所述旋转摆动机构与所述机器人手臂连接的身体壳体；所述旋转摆动机构的第一连接盘固定连接所述身体壳体，且所述减速电机设置在所述身体壳体内。

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有的技术相比，具有以下的优点和积极效果：

所述旋转摆动机构，以行星减速电机驱动旋转运动，采用三铰点连杆机构，以微型笔式电动推杆为动力，实现旋转摆动功能；而包含所述旋转摆动机构的机器人手臂、以及机器人，其大臂、小臂能够具有4个自由度，可以模拟人类手臂肩部的旋转和摆动、肘关节旋转和摆动的动作，结构简单、成本低、性价比高。

附图说明

通过以下实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。附图如下：

图1是本发明涉及的机器人手臂立体结构示意图；

图2是图1的部件分解结构示意图；

图3是图2中肩部摆动支架的角度变化状态结构示意图；

图4是图1或图2中的大臂运动原理示意图；

图5是图1或图2中的小臂运动原理示意图；

图6是机器人手臂应用于模特机器人上的立体结构示意图。

图中：

1-减速电机；2-第一连接盘；

3-第一旋转法兰；

4-摆动支架；4A-第一连接部；4B-第二连接部；

5-第一连接件；6-摆动尾部铰点轴；

7-摆动铰点轴；8-第二连接盘；

9-电动推杆；10-大臂壳体；

11-摆动头部铰点轴；12-第三连接部；

13-第三连接盘；

23-小臂壳体；

27-手部壳体。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变形。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

参见图1，配合参见图2、3，本发明涉及一种用于机器人手臂的旋转摆动机构，主要包括：减速电机1、第二连接盘8、第三连接盘13和电动推杆9，其中：

减速电机1的输出轴穿过第一连接盘固定连接旋转法兰3，旋转法兰3固定连接摆动支架4，摆动支架4上设有第一连接部4A与至少两个第二连接部4B。

在本实施例中，所述第二连接部4B为两个。

在其他实施例中，所述第二连接部可以根据所述旋转摆动机构的受力情况而设置不同的数量。

第二连接盘8上设有与摆动支架4的第二连接部4B相配合的第一连接件5，第一连接件5与相配合的摆动支架4上的第二连接部4B铰接；第三连接盘即13上设有第三连接部12；电动推杆9的一端通过摆动尾部铰点轴6与摆动支架4的第一连接部4A铰接，其另一端通过摆动头部铰点轴11与第三连接盘13上的第三连接部12铰接。

在本实施例中，所述电动推杆9的一端与第一连接部，其另一端与所述第三连接部12，均是采用铰制孔螺栓铰接或者采用销轴连接。

在本实施例中，所述电动推杆9采用微型笔式电动推杆实现关节小臂摆动的动作。

如图1、2所示，减速电机1、第一连接盘2、旋转法兰3和摆动支架4的轴线均位于同一条直线上。

在本实施例中，由于设有一个第一连接部4A和两个第二连接部4B，因此摆动支架4至少一面视图呈“山”字形结构，摆动支架4“山”字形结构底部设有圆周螺纹孔和中心安装孔，旋转法兰3通过螺栓与摆动支架4的圆周螺纹孔连接，螺栓通过摆动支架4的中心安装孔将摆动支架4与减速电机1的输出轴连接。

具体地，呈“山”字形结构的摆动支架4其底部设有螺纹孔，旋转法兰3上开有安装孔，螺栓将旋转法兰3与摆动支架4连接一起，六个螺纹孔的中心开有安装孔，螺栓将摆动支架4连接在减速电机1的输出轴上。

在其他实施例中，所述摆动支架的第二连接部的数量为三个及三个以上时，所述摆动支架的结构可以不为“山”字形，只要能够实现摆动支架铰接第二连接盘、也铰接电动推杆即可。

总的来说，所述摆动支架4具有一片状底部，所述第一连接部4A和第二连接部4B垂直设置在所述底部上，位于所述底部的同一侧，且第一连接部4A设置在底部中部；所述摆动支架4底部上设有圆周螺纹孔和中心安装孔，旋转法兰3通过螺栓与摆动支架4的圆周螺纹孔连接，螺栓穿过摆动支架4的中心安装孔将摆动支架4与减速电机1的输出轴连接。

进一步地，本发明还涉及一种包含有上述旋转摆动机构的机器人手臂；包括：

一个或两个如上所述的旋转摆动机构，以及，大臂壳体10、小臂壳体23和手部壳体27；所述小臂壳体23和手部壳体27固定连接。

大臂壳体10与小臂壳体23可通过旋转摆动机构活动连接，实现旋转摆动动作；同理，大臂壳体10也可以与除手臂外的其他外部结构通过旋转摆动机构活动连接，实现旋转摆动动作；此处的“外部结构”包括男性、女性模特的身体、或者或者其单独的上身、或者机器人手臂的基座等。

具体地，当所述机器人手臂包含一个所述旋转摆动机构时，所述旋转摆动机构的减速电机1设置在所述大臂壳体10外，所述第二连接盘8固定连接套设在大臂壳体10一端，所述第三连接盘13固定连接所述大臂壳体10的内壁或固定连接套设在所述大臂壳体10的另一端；或者，所述旋转摆动机构的减速电机1设置在所述大臂壳体10内，所述第一连接盘2固定连接套设在所述小臂壳体23的一端，所述第二连接盘8固定连接套设在所述小臂壳体23的另一端或者固定连接所述小臂壳体23的内壁。

在所述大臂壳体10通过所述旋转摆动机构与外部结构连接时，可以是所述第一连接盘2固定连接外部结构。

当具有两个所述旋转摆动机构时，其中一个旋转摆动机构的减速电机1设置在所述大臂壳体10外，第二连接盘8固定连接套设在大臂壳体10一端，第三连接盘13固定连接所述大臂壳体10的内壁；

另一个旋转摆动机构的减速电机1位于大臂壳体10内，第一连接盘2固定连接套设在小臂壳体23的一端，第三连接盘13固定连接套设在所述小臂壳体23的另一端或者固定连接所述小臂壳体23的内壁。

在本实施例中，所述机器人手臂包含有两个旋转摆动机构，参见图1和图2，其中一个旋转摆动机构的减速电机1设置在所述大臂壳体10外，第二连接盘8固定连接套设在大臂壳体10一端，第三连接盘13固定连接所述大臂壳体10的内壁；另一个旋转摆动机构的减速电机1位于大臂壳体10内，第一连接盘2固定连接套设在小臂壳体23的一端，第三连接盘13固定连接套设在所述小臂壳体23的另一端。

大臂壳体10和小臂壳体23均为筒状结构。

在本实施例中，小臂壳体23轴向横截面形状为梯形。

本发明涉及的大臂壳体10、小臂壳体23，其与第二连接盘8、第三连接盘13、以及手部壳体27进行连接时，均是采用螺钉连接。

所述旋转摆动机构中的第一连接盘2、第二连接盘8和第三连接盘13根据需要可改变大小尺寸，比如，在本发明中，分别固定连接套设小臂壳体23两端的第二连接盘8和第三连接盘13的尺寸就不一样大小。

更进一步，本发明涉及机器人，包括两条如上所述的机器人手臂以及通过所述旋转摆动机构与所述机器人手臂连接的身体壳体；所述旋转摆动机构的第一连接盘2固定连接所述身体壳体，且所述减速电机1设置在所述身体壳体内。

参见图6，所示为一款模特机器人立体结构示意图，该模特机器人上装配有两条机器人手臂。

该手臂单元共包含有4个自由度，可以模拟人类手臂肩部的旋转和摆动、肘关节旋转和摆动的动作。

连接身体壳体与大臂壳体10的所述旋转摆动机构中的第一连接盘2将整个手臂固定在模特身体上，其中的减速电机1的输出轴与旋转法兰3连接，直接驱动手臂旋转；摆动铰点轴7、摆动尾部铰点轴6和摆动头部铰点轴11三个销轴组成三铰点，带动肩部摆动。

连接所述大臂壳体10与所述小臂壳体23的旋转摆动机构将两者活动连接，其中的减速电机1的输出轴与旋转法兰3连接，直接驱动手臂旋转；摆动铰点轴7、摆动尾部铰点轴6和摆动头部铰点轴11三个销轴组成三铰点，带动肩部摆动，带动小臂旋转摆动。

大臂、小臂的旋转运动均采用直流无刷行星减速电直接驱动，大臂、小臂的摆动均使用三铰点机构原理驱动。

如图1所示，大臂的摆动接近180度，小臂的摆动约为90度，人类的小臂能伸直，但不能反向弯曲。

图4所示为本发明涉及的机器人的大臂运动原理图，此处的旋转摆动机构连接所述身体壳体与大臂壳体10，A、B、C分别对应结构图中的摆动铰点轴7、摆动尾部铰点轴6和摆动头部铰点轴11三个零件，C1、C2、C3分别对应大臂运动的初始位置、中间位置、极限位置；AB固定且长度不变，BC为可伸缩推杆，AC为长度固定的大臂；根据三铰点机构的原理，当BC长度变化时，C点即做以A点为圆心、AC为半径的圆周运动；理论情况下，ABC能构成三角形即可实现C点的运动；C1为大臂垂直放下的状态，C2为大臂水平放置的状态，C3为大臂起升在最高点的状态。

图5所示为本发明涉及的机器人的小臂运动原理图，此处的旋转摆动机构连接所述大臂壳体10与小臂壳体23，D、E、F分别对应结构中的摆动铰点轴7、摆动尾部铰点轴6和摆动头部铰点轴11三个零件，F1、F2、F3分别对应小臂运动的初始位置、中间位置、极限位置；DE固定且长度不变，EF为可伸缩推杆，DF为长度固定的小臂；根据三铰点机构的原理，当EF长度变化时，F点即做以D点为圆心、DF为半径的圆周运动；理论情况下，DEF能构成三角形即可实现F点的运动；F1为小臂垂直放下的状态，F2为小臂水平放置的状态，F3为小臂起升在最高点的状态。

从上述运动原理图中可以看出：大臂的运动从第四象限到第一象限，也就是-90度到+70度；小臂运动在在第一象限内，从0度到90度。

人的大臂可以从第四象限运动到第一象限，但是小臂不可能从第四象限运动到第一象限。

本发明与现有的技术相比，所述旋转摆动机构，采用三铰点连杆机构，以微型笔式电动推杆为动力，实现旋转摆动功能；而包含所述旋转摆动机构的机器人手臂、以及机器人，其大臂、小臂能够具有4个自由度，可以模拟人类手臂肩部的旋转和摆动、肘关节旋转和摆动的动作，结构简单、成本低、性价比高。

Claims (10)

1.一种用于机器人手臂的旋转摆动机构，其特征在于，包括：

减速电机(1)，所述减速电机(1)的输出轴穿过第一连接盘(2)固定连接旋转法兰(3)，所述旋转法兰(3)固定连接摆动支架(4)，所述摆动支架(4)上设有第一连接部(4A)和至少两个第二连接部(4B)；

第二连接盘(8)，所述第二连接盘(8)上设有与第二连接部(4B)相配合的第一连接件(5)，所述第一连接件(5)与相配合的第二连接部(4B)铰接；

第三连接盘(13)，所述第三连接盘(13)上设有第三连接部(12)；

电动推杆(9)，所述电动推杆(9)的一端与第一连接部(4A)铰接，其另一端与第三连接部(12)铰接。

2.根据权利要求1所述的用于机器人手臂的旋转摆动机构，其特征在于，电动推杆(9)采用微型笔式电动推杆。

3.根据权利要求1或2所述的用于机器人手臂的旋转摆动机构，其特征在于，所述减速电机(1)、第一连接盘(2)、旋转法兰(3)和摆动支架(4)的轴线均位于同一条直线上。

4.根据权利要求1或2所述的用于机器人手臂的旋转摆动机构，其特征在于，所述摆动支架(4)具有一片状底部，所述第一连接部(4A)和第二连接部(4B)垂直设置在所述底部上，位于所述底部的同一侧，且第一连接部(4A)设置在底部中部；所述摆动支架(4)底部上设有圆周螺纹孔和中心安装孔，旋转法兰(3)通过螺栓与摆动支架(4)的圆周螺纹孔连接，螺栓穿过摆动支架(4)的中心安装孔将摆动支架(4)与减速电机(1)的输出轴连接。

5.根据权利要求4所述的用于机器人手臂的旋转摆动机构，其特征在于，所述摆动支架(4)至少一面视图呈“山”字形结构。

6.根据权利要求1所述的用于机器人手臂的旋转摆动机构，所述电动推杆(9)的一端与所述第一连接部(4A)，其另一端与所述第三连接部(12)，均是采用铰制孔螺栓铰接。

7.一种机器人手臂，其特征在于，包括：

一个如权利要求1-6中任一项所述的用于机器人手臂的旋转摆动机构，以及，大臂壳体(10)、小臂壳体(23)、手部壳体(27)；所述小臂壳体(23)和手部壳体(27)固定连接；

所述旋转摆动机构的减速电机(1)设置在所述大臂壳体(10)外，所述第二连接盘(8)固定连接套设在大臂壳体(10)一端，所述第三连接盘(13)固定连接所述大臂壳体(10)的内壁或固定连接套设在所述大臂壳体(10)的另一端；

或者，所述旋转摆动机构的减速电机(1)设置在所述大臂壳体(10)内，所述第一连接盘(2)固定连接套设在所述小臂壳体(23)的一端，所述第二连接盘(8)固定连接套设在所述小臂壳体(23)的另一端或者固定连接所述小臂壳体(23)的内壁。

8.一种机器人手臂，其特征在于，包括：

两个如权利要求1-6中任一项所述的用于机器人手臂的旋转摆动机构，以及，大臂壳体(10)、小臂壳体(23)、手部壳体(27)；所述小臂壳体(23)和手部壳体(27)固定连接；

其中一个旋转摆动机构的减速电机(1)设置在所述大臂壳体(10)外，第二连接盘(8)固定连接套设在大臂壳体(10)一端，第三连接盘(13)固定连接所述大臂壳体(10)的内壁；

另一个旋转摆动机构的减速电机(1)位于大臂壳体(10)内，第一连接盘(2)固定连接套设在小臂壳体(23)的一端，第三连接盘(13)固定连接套设在所述小臂壳体(23)的另一端或者固定连接所述小臂壳体(23)的内壁。

9.根据权利要求7-8中任一项所述的机器人手臂，其特征在于，所述大臂壳体(10)和小臂壳体(23)均为筒状结构。

10.一种机器人，其特征在于，包括：

两条如权利要求7-9中任一项所述的机器人手臂，以及通过所述旋转摆动机构与所述机器人手臂连接的身体壳体；所述旋转摆动机构的第一连接盘(2)固定连接所述身体壳体，且所述减速电机(1)设置在所述身体壳体内。