CN107283405A - 一种机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型仿生机械臂结构，克服了传统串联机械臂重心靠前、装置刚度低的缺点，利用并联驱动方式，将重心后移，从而在工作载荷不变的前提下，减小了每个关节处的负载，进而降低驱动装置的负载，节省成本，同时，关节处仅有摆动，而不会如大多数传统并联机构引入耦合平移。该机械臂结构采用仿生设计，包括两个在空间摆动的连杆，利用直线驱动部件，在肩部和腕部实现三个独立摆动自由度运动，利用回转驱动部件，在肘部实现一个自由度摆动，与人手臂的运动方式类似，具有极佳的仿生运动效果。
Description
技术领域
本发明涉及机器人自动化加工领域，尤其涉及一种新型的仿生机械臂。
背景技术
机械臂是一种臂状结构，用以实现特定的空间运动。
目前，常见的机械臂包含6或7自由度，在每个自由度上由驱动部件驱动，运动到特定的位置，各自由度之间采用串联方式连接。此类结构，质量集中在杆的末端，进而增大下一级关节上的负载力矩。而传统并联形式的机器人的控制难度较大，且容易产生耦合平移运动，不适合直接应用于拟人使用的状态(如类人机器人的臂来抓取物品，与人协同工作等使用场合)。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种新型机械臂，克服传统串联机械臂重心靠前、装置运行不稳定的缺点，在减少关节处负载力矩、节省成本的同时，又不会因为引入并联方式造成耦合平移而限制其适用环境。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种机械臂，包括通过杆状件依次连接的第一平台、第二平台和第三平台、回转驱动装置和多根长度可根据控制指令变化的第一驱动控制件和第二驱动控制件；
所述杆状件包括第一臂、第二臂，其中：
所述第一臂一端通过球铰与所述第一平台连接，另一端则与所述第二平台连接；
所述第二臂一端通过球铰与所述第三平台连接，另一端则与所述第二平台连接；
所述第一臂与所述第二臂可绕位于所述第二平台上的转动轴相对旋转，且所述相对旋转通过所述回转驱动装置调控；
所述第一驱动控制件一端与所述第一平台通过球铰连接，所述第一臂的指向通过所述第一驱动控制件的长度变化限定，且具有三个方向上的自由度。
所述第二驱动控制件一端与所述第三平台通过球铰连接，所述第二臂的指向通过所述第二驱动控制件的长度变化限定，且具有三个方向上的自由度。
进一步地，所述第一驱动控制件另一端通过球铰与所述第二平台连接。
进一步地，所述第二驱动控制件另一端通过球铰与所述第二臂连接，优选地，其安装位置分布于所述第二臂的同一横截面上。
进一步地，所述第一臂和/或所述第二臂为长度固定的杆状件。
进一步地，所述第一臂同所述第二臂的长度比为0.8～1.2:1。
进一步地，包括两根所述第二驱动控制件，由所述第二驱动控制件以及所述第二臂共同限定所述第三平台的指向。
进一步地，所述第一驱动控制件与所述第二驱动控制件的重心位于靠近所述第一平台的一侧。
进一步地，所述第一驱动控制件和或所述第二驱动控制件为电动推杆、液压缸或气缸。
进一步地，所述回转驱动装置为电机带减速箱、液压马达或气动马达。
进一步地，所述第一驱动控制件和或所述第二驱动控制件的长度控制具有弹性。
技术效果
1、除安装于第二平台的回转驱动装置外，所有的驱动部件均采用直线驱动，其刚度相较传统的关节串联机器人较高；
2、将重量较大的驱动控制件重心靠后设置，使得拟人臂装置重心后移，可以减小肩部、肘部的负载力矩，降低成本；
3、第一平台和第三平台均可绕确定一点转动，较传动的关节串联机器人，更容易写出机器人的运动方程，有利于控制；
4、与传统并联机器人相比，平台的空间位置由中心球铰确定，平台与臂部采用刚性结构连接在一起，位置不会变化，之间不存在平动与转动的耦合，具有极佳的仿生运动效果。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明一个优选实施例中机械臂的结构示意图；
图2是本发明的另一较优实施例中机械臂的结构示意图；
附图标记：1-第一平台，2-第二平台，3-第三平台，4-第一臂，5-第二臂，6-第一驱动控制件，601-驱动部件，602-直线运动部件，7-第二驱动控制件，8-固定环，9-回转驱动装置。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种仿照人类手臂设计的机械臂结构，包括肩、肘、腕三个按照人类手臂运动方式设计的独立关节，其中，第一平台1位置为肩关节，模仿人类肩部设计，具有三个转动方向的独立自由度；第二平台2的位置为肘关节，肘关节可绕唯一的中心旋转轴旋转，包含一个独立自由度；第三平台3位置为腕关节，与肩关节一样具有三个转动方向的独立自由度。机械臂整体包括7个独立自由度，具有灵活、高效的特点，同时具有极佳的仿生运动效果。
1.1肩关节：
本实施例提供的机械臂中，肩关节的活动由以下各部件组成并联合控制：第一平台1、第二平台2、第一臂4以及三组第一驱动控制件6。
第一臂4的连接方式：
为使第一平台具有三个转动方向的独立自由度，第一臂4左端与第一平台1的连接方式为球铰连接，第一平台1可绕球铰中心自由旋转；为了进一步使两者的相对旋转可控，从而通过指令控制第一平台1的朝向。
第一臂4另一端与第二平台2固定连接，两者之间无法相对转动。由于第一臂4为长度固定的连杆件，因此，第一平台1的中心到第二平台2的距离已通过第一臂的刚性予以限定，两者相对位置不会随着第一驱动控制件6的伸长或缩短而变化，从而在对第一平台1的朝向调整过程中，第一平台1同第二平台2之间不会发生平动与转动的耦合。
第一驱动控制件6的连接方式：
本实施例中的三角形的第一平台1的三个顶点处还通过球铰连接有第一驱动控制件6，第一驱动控制件6另一端则通过球铰连接到肘部的第二平台2。
第一驱动控制件6为电动推杆，包括提供动力的驱动部件601以及直线运动部件602，其中，驱动部件601为带有螺旋的螺母、限制螺母转动的套筒以及电机组件，直线运动部件602为与电机连接的螺杆。当电机带动螺杆转动时，可根据指令推动螺杆沿套筒内壁的螺母发生轴向的直线运动。在本实施例所提供的的机械臂结构中，第一驱动控制件6中的驱动部件601安装于机械臂后方，即靠近第一平台1的一侧。由于直线驱动部件601为动力驱动系统，相较轻质杆状的直线运动部件602具有较大的密度，因此，将其靠后设置可将机械臂装置的整体重心后移，从而减小肩部和肘部的负载力矩，从而降低其驱动力要求，从而节省成本。
第一平台1的朝向控制方法：
当第一驱动控制件6通过电机驱动改变其长度时，由于第一平台1的中心位置固定，仿照人的肩部设计，其失去了三个方向的平动自由度，但具有三个方向的转动自由度。当第一平台1的实际朝向被固定时，由于运动的相对性，第一驱动控制件6的伸缩可实际调整机械臂后臂，即第一臂4的朝向。同时，由于第一平台1可绕确定的中心点转动，因此，相较于传统的关节串联机器人，本实施例提供的机械臂结构方便了工程人员的分析计算。工程人员可直接通过对机械臂各部件几何关系的分析，得到第二平台2位置的方向同第一驱动控制件6长度对应的函数关系，最终写出机器人的运动方程。
1.2腕关节：
类似地，在本实施例提供的机械臂结构中，腕关节的活动由以下各部件联合控制：第二臂5、第三平台3，三组第二驱动控制件7。
不同点在于，第二驱动控制件7一端通过球铰与第三平台3的三个顶点处连接，另一端则通过球铰连接在与第二臂5连接的固定环8上。不同部位的驱动控制件的连接方式主要根据其受力大小决定，由于第二平台2需要承受起上方包括第二臂5、第三平台3等装置的重力，该重力将传递至第一驱动控制件6上。由于驱动控制件连接至平台时强度较高，因此将承力较大的第一驱动控制件6连接至第二平台2上，而将承力较小的第二驱动控制件7连接至第二臂5上，以优化设计。
第二臂5同样为长度固定的连杆件，第二平台2到第三平台3的距离通过第二臂5的刚性予以限定，两者相对位置不会随着第二驱动控制件7的伸长或缩短而变化，从而在对第三平台3的朝向调整过程中，第二平台2与第三平台3之间同样不会发生平动与转动的耦合。
1.3肘关节
肘关节的活动通过以下部件联合控制：同第二平台2固定的定子，同第二臂5固定的转子，以及为定转子相对旋转提供驱动力的回转驱动装置9。
在回转驱动装置9的驱动下，由于第二平台2同第一臂4固定连接，因此，第二平台2会带动第一臂4与第二臂5之间发生角度可控的相对旋转。本实施例中回转驱动装置9采用电机带减速箱，电机转动通过减速箱减速。
在本发明的其他较优实施例中，回转驱动装置9还可以采用伺服电机，以精确控制旋转角度，从而操控肘关节的运动。
由于本实施例中的驱动装置除肘关节的回转驱动部件9以外，均采用直线驱动方式，而驱动控制件在其轴向方向可以承受较大的应力作用，因此，本实施例中的机械臂相较传统机械臂结构在强度方面具有较大提升。
实施例2
本实施例提供了一种实施例1中机械臂的简化形式，其结构如图2所示。其中，腕部第三平台3通过球铰与第二臂5连接，且第三平台3可绕连接处的球铰旋转。第三平台3通过球铰与两组第二驱动控制件7连接。本实施例提供的机械臂可通过两组第二驱动控制件7的长度变化共同决定腕部第三平台3的空间位姿，第三平台3的转动具有两个自由度。
在本发明的其他较优实施例中，腕部和肩部的驱动控制件为液压缸，其中，平动部件为液压缸活塞，驱动部件为液压缸的缸体。缸体中有液压油，靠活塞两侧液压油的压力不等，驱动活塞即平动部件实现伸缩运动，从而实现发明中要求的直线运动，据此操控平台位姿。
在本发明的其他较优实施例中，肘部的回转驱动部件为液压马达，通过在液压马达的缸体中输入不同压力的液压油，驱动液压马达转子做旋转运动，从而实现发明中要求的回转运动，据此操控肘关节运动。
在本发明的其他较优实施例中，腕部和肩部的驱动控制件为气缸，其中，平动部件为气缸活塞，驱动部件为气缸的缸体。缸体中有压缩气体，靠活塞两侧压缩气体的压力不等，驱动活塞即平动部件实现伸缩运动，从而实现发明中要求的直线运动，据此操控平台位姿。
在本发明的其他较优实施例中，肘部的回转驱动部件为气动马达，通过在气动马达的缸体中输入不同压力的压缩气体，驱动气动马达转子做旋转运动，从而实现发明中要求的回转运动，据此操控肘关节运动。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种机械臂，其特征在于，包括通过杆状件依次连接的第一平台、第二平台和第三平台、回转驱动装置和多根长度可根据控制指令变化的第一驱动控制件和第二驱动控制件；
所述杆状件包括第一臂、第二臂，其中：
所述第一臂一端通过球铰与所述第一平台连接，另一端则与所述第二平台连接；
所述第二臂一端通过球铰与所述第三平台连接，另一端则与所述第二平台连接；
所述第一臂与所述第二臂可绕位于所述第二平台上的转动轴相对旋转，且所述相对旋转通过所述回转驱动装置调控；
所述第一驱动控制件一端与所述第一平台通过球铰连接，所述第一臂的指向通过所述第一驱动控制件的长度变化限定，且具有三个方向上的自由度。
所述第二驱动控制件一端与所述第三平台通过球铰连接，所述第二臂的指向通过所述第二驱动控制件的长度变化限定，且具有三个方向上的自由度。
2.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述第一驱动控制件另一端通过球铰与所述第二平台连接。
3.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述第二驱动控制件另一端通过球铰与所述第二臂连接。
4.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述第一臂和/或所述第二臂为长度固定的杆状件。
5.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述第一臂同所述第二臂的长度比为0.8～1.2:1。
6.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，包括两根所述第二驱动控制件，由所述第二驱动控制件以及所述第二臂共同限定所述第三平台的指向。
7.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述第一驱动控制件与所述第二驱动控制件的重心位于靠近所述第一平台的一侧。
8.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述第一驱动控制件和或所述第二驱动控制件为电动推杆、液压缸或气缸。
9.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述回转驱动装置为电机带减速箱、液压马达或气动马达。
10.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述第一驱动控制件和或所述第二驱动控制件的长度控制具有弹性。
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