CN107351074A - 多关节机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多关节机械臂，包括沿着所述机械臂的轴线的方向交错排列的转臂关节和抬臂关节，其中：每个转臂关节包括以垂直于所述轴线方向的第一端面相对的第一减速器端和第一电机端，所述第一减速器端和第一电机端的中心轴与所述轴线重合，以在电气机构的驱动下围绕其中心轴产生相对转动；每个抬臂关节包括以沿所述轴线方向延伸的第二端面相对的第二减速器端和第二电机端，所述第二减速器端和第二电机端的中心轴均与所述轴线的方向垂直，以在电气机构的驱动下围绕垂直于所述轴线方向的中心轴产生相对转动；每个第一减速器端与最邻近的第二减速器端固定连接，每个第一电机端与最邻近的第二电机端固定连接。
Description
技术领域
本发明涉及机器人生产领域，特别涉及一种多关节机械臂。
背景技术
传统的工业机器人的机械臂由多个互成直角的关节组成，关节之间的角度限制了机械臂的操作范围和操作角度，从而使得传统的机械臂大多只能适用于对操作内容和移动轨迹的要求较低的流水线等情况。
而鉴于目前医疗手术、教育、科学研究等领域对需要人机协作的需求的提高，对于制造出与人的手臂造型以及运动轨迹类似的机械臂的需要越来越强烈。另外，由于仿人机械臂外形的特殊性，机械臂电路布局布线的位置和线缆的性能必须具有不同于其他机械臂的特殊要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种多关节机械臂，其通过能够沿不同方向可转动的关节的交错组合，能够实现与人类手臂类似的自由度。
本发明提供的一种多关节机械臂，包括沿着所述机械臂的轴线的方向交错排列的转臂关节和抬臂关节，其中：
每个转臂关节包括以垂直于所述轴线方向的第一端面为第一对接面的第一减速器端和第一电机端，所述第一减速器端和第一电机端的中心轴与所述轴线重合，以在电气机构的驱动下、在第一对接面内围绕其中心轴产生相对转动；
每个抬臂关节包括以沿所述轴线方向延伸的第二端面为第二对接面的第二减速器端和第二电机端，所述第二减速器端和第二电机端的中心轴均与所述轴线的方向垂直，以在电气机构的驱动下、在第二对接面内围绕垂直于所述轴线方向的中心轴产生相对转动；
每个第一减速器端与最邻近的第二减速器端固定连接，每个第一电机端与最邻近的第二电机端固定连接。
优选地，每个第一减速器端和第一电机端具有沿其中心轴贯穿所述第一减速器端和第一电机端的第一中空腔体；
每个抬臂关节的第二减速器端或者第二电机端具有沿所述轴线方向贯穿所述第二减速器端或者第二电机端的第二中空腔体。
优选地，所述第二中空腔体位于所述第二减速器端或者第二电机端的背离所述第二对接面的一侧。
优选地，所述电气机构包括驱动电路板、和与所述驱动电路板连接的线缆，所述线缆交错通过所述第一中空腔体和第二中空腔体、以与各个转臂关节和抬臂关节连接。
优选地，与相邻的转臂关节和抬臂关节连接的一个所述驱动电路板设置在转臂关节内。
优选地，所述驱动电路板设置在该转臂关节的第一电机端上。
优选地，每个转臂关节包括一个卡线夹和一个弹簧夹，
所述卡线夹设置在第一电机端的第一中空腔体内，以将所述线缆固定在其中；
所述弹簧夹设置在第一减速器端的第一中空腔体内，以将所述线缆可调整地固定在其中。
优选地，所述转臂关节和抬臂关节的总数至少为七个。
由此可见，本发明所提供的多关节机械臂中，每个转臂关节可以多关节机械臂的轴线为中心进行转动，具有±180°以内的转动自由度，其转动类似于人类手臂的扭转动作。而与其相邻的抬臂关节则以垂直于轴线的方向为中心进行转动，具有±180°以内的转动自由度，其转动类似于人类手臂的抬举动作。进一步地，相邻的转臂关节和抬臂关节必然通过电机端或者减速器端固定连接，从而将相互垂直或者正交的两个方向的转动进行组合，从而在三维立体空间内实现多角度、位置的组合，以满足机械手臂能够停留在任一方向和角度的要求。
本实施例的多关节机械臂通过一个转臂关节和一个抬臂关节的组合即可实现几乎四个自由度内全角度、位置的覆盖，通过两两相接的转臂关节和抬臂关节的多组组合，以满足三维立体空间内六自由度移动的要求，提高机械臂的操作精度。
本实施例通过中心走线的方式以及中空腔体的设置方向，转臂关节在旋转时，线缆的长度不会随着其转动而发生剧烈变化，而抬臂关节在旋转时，线缆的长度变化有限，因此只需要为每个抬臂关节的转动提供线缆长度变化的冗余量即可。
附图说明
图1为本发明的多关节机械臂的结构示意图。
图2为本发明中一对相邻关节的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
在本文中，“第一”、“第二”等仅用于彼此的区分，而非表示重要程度及顺序、以及互为存在的前提等。
在本文中，“相等”、“相同”等并非严格的数学和/或几何学意义上的限制，还包含本领域技术人员可以理解的且制造或使用等允许的误差。除非另有说明，本文中的数值范围不仅包括其两个端点内的整个范围，也包括含于其中的若干子范围。
为了解决现有技术中由于关节之间的角度而限制机械臂的操作范围和操作角度的问题，本发明提供了一种多关节机械臂，其通过能够沿不同方向可转动的关节的交错组合，能够实现与人类手臂类似的自由度。
参见图1和图2所示，本发明的一个实施例提供了一种多关节机械臂，其包括沿着机械臂的轴线30的方向交错排列的转臂关节10和抬臂关节20。
每个转臂关节10包括第一减速器端12和第一电机端14。第一减速器端12具有沿轴线方向30延伸的中心轴122、以及垂直于该中心轴122的第一端面124；类似地，第一电机端14具有沿轴线方向30延伸的中心轴142、以及垂直于该中心轴142的第一端面144。当组装形成转臂关节10时，第一减速器端12和第一电机端14分别以其第一端面124和144彼此对接，通过其中心轴122和142相互轴接，以形成垂直于轴线方向30的第一对接面16，第一减速器端12和第一电机端14的中心轴122和142均与多关节机械臂的轴线30重合，以在电气机构40的驱动下、在第一对接面16内围绕其中心轴122和142产生相对转动。
每个抬臂关节20包括第二减速器端22和第二电机端24。第二减速器端22具有沿轴线方向30延伸的第二端面224、以及垂直于第二端面224的中心轴222；类似地，第二电机端24具有沿轴线方向30延伸的第二端面244、以及垂直于第二端面244的中心轴242。当组装形成抬臂关节20时，第二减速器端22和第二电机端24分别以其第二端面224和244彼此对接，通过其中心轴222和242相互轴接，以形成沿轴线方向30延伸的第二对接面26，第二对接面26经过轴线30，并且第二减速器端22和第二电机端24的中心轴222和242对准，以在电气机构40的驱动下、在第二对接面26内围绕其中心轴222和242产生相对转动。
其中，如图1所示，每个第一减速器端12和与其相邻的第二减速器22端固定连接，每个第一电机端14和与其相邻的第二电机端24固定连接，以使固定连接的两个部件在其中一个部件产生转动时带动另一部件与之一起转动。具体地，如图1所示，在任意一个转臂关节10中，其第一减速器端12和与其相邻的一个抬臂关节20的第二减速器端12相邻，而和与其相邻的另一个抬臂关节20的第二减速器端12之间由该转臂关节10的第一电机端14隔开，因此，该转臂关节10的第一减速器端12和与其相邻的第二减速器端12固定连接。类似地，在该转臂关节10中，其第一电机端12和与其相邻的一个抬臂关节20的第二电机端12之间由该转臂关节10的第一减速器端隔开，则其和与其相邻的一个第二电机端24固定连接。
如上所述，在本实施例的多关节机械臂中，每个转臂关节10可以多关节机械臂的轴线30为中心进行转动，具有±180°以内的转动自由度，其转动类似于人类手臂的扭转动作。而与其相邻的抬臂关节20则以垂直于轴线30的方向为中心进行转动，具有±180°以内的转动自由度，其转动类似于人类手臂的抬举动作。进一步地，相邻的转臂关节10和抬臂关节20必然通过电机端或者减速器端固定连接，从而将相互垂直或者正交的两个方向的转动进行组合，从而在三维立体空间内实现多角度、位置的组合，以满足机械手臂能够停留在任一方向和角度的要求。
本实施例的多关节机械臂通过一个转臂关节10和一个抬臂关节20的组合即可实现几乎四个自由度内全角度、位置的覆盖，优选地，本实施例中的多关节机械臂中转臂关节10和抬臂关节20的总数至少为七个，通过两两相接的转臂关节10和抬臂关节20的多组组合，以满足三维立体空间内六自由度移动的要求，提高机械臂的操作精度。
具体地，为了仿照人类手臂的结构，可通过如图1所示的七关节机械臂实现一种仿人机械臂。其中，一个转臂关节10和一个抬臂关节20组合形成腕部关节W，一个转臂关节10和一个抬臂关节20组合形成肩部关节S，两个转臂关节10和位于其之间的一个抬臂关节20组合形成肘部关节E，肘部关节E设置在腕部关节W和肩部关节S之间，并按照转臂关节10和抬臂关节20交错排列的顺序进行设置，即可实现类似于、甚至超出人类手臂的自由度。
优选地，每个第一减速器端12具有沿其中心轴122贯穿第一减速器端12的第一中空腔体126，每个第一电机端14具有沿其中心轴142贯穿第一电机端14的第一中空腔体146，在一个转臂关节10中，第一减速器端12和第一电机端14轴接在一起，因此其第一中空腔体126和146保持对准。
类似地，每个抬臂关节20的第二减速器端22或者第二电机端24具有沿轴线方向30贯穿第二减速器端22或者第二电机端24的第二中空腔体246。其中，在图1所示的实施例中，第二中空腔体246位于每个抬臂关节20的第二电机端24中。
优选地，第二中空腔体246位于第二减速器端22或者第二电机端24的背离第二对接面26的一侧。
在图1所述的实施例中，电气机构40包括驱动电路板41、和与驱动电路板41连接的线缆42，线缆42交替地通过第一中空腔体126、146和第二中空腔体246、以与各个转臂关节10和抬臂关节20连接。
在本实施例中，转臂关节10和抬臂关节20均具有中空的关节结构，根据本实施例的多关节机械臂以其自身的轴线方向30为中心进行旋转的特点，其线缆42采用中心走线的方式，而非暴露在机械臂的外围。根据本实施例的机械臂的转动运行的特点，每个关节的截面基本呈圆形，如果机械臂的线缆放置在机械臂的外壳上，必然会导致外壳的造型为非圆形，从而提高加工成本。进一步地，由于每一个关节的两部分之间均具有相对旋转运动，如果机械臂的线缆放置在机械臂的外壳上，旋转运动必然导致线缆42的长度的变化，因此为了避免线缆被拉断，必然需要提供大量的冗余量。
而本实施例通过中心走线的方式以及中空腔体的设置方向，转臂关节在旋转时，线缆42的长度不会随着其转动而发生剧烈变化，而抬臂关节在旋转时，线缆42的长度变化有限，因此只需要为每个抬臂关节的转动提供线缆长度变化的冗余量即可。
其中，可通过总线的方式为每个关节的电机提供电源和控制信号，则线缆42可为由电源线和控制总线形成的总线线缆。其中，可采用高速实时的EtherCAT总线，电源线采用20A的动力线和5A的控制线，这样控制总线和电源线外层包围屏蔽层后的直径可为9mm。则对应地，第一中空腔体和第二中空腔体的直径至少为11mm，以供总线线缆通过。
优选地，为了避免增加抬臂关节的长度，与相邻的转臂关节10和抬臂关节20连接的一个驱动电路板41设置在转臂关节10内。由于转臂关节20的相对旋转方向与机械臂的轴线方向垂直或正交，因此抬臂关节20的长度的增加必然影响整个机械臂的灵活程度和精密度，因此根据邻近的结构的特点，为相邻的一对转臂关节10和抬臂关节20提供在一起的驱动电路板41，并且该驱动电路板41设置在转臂关节10内。
优选地，驱动电路板41设置在该转臂关节10的第一电机端14上。相邻的两个关节的第一电机端14和第二电机端24固定连接在一起，因此其之间不存在相对运动，则在驱动电路板41设置在第一电机端14上时，该驱动电路板41与第一电机端14和第二电机端24之间的连线(例如，电机动力线、编码线等)可在第一电机端14和第二电机端24的内部进行，例如通过固定的线槽实现。
进一步地，驱动电路板41与第一减速器12和第二减速器22之间的连线非常少，大多仅为传感器连线一种，因此，驱动电路板41设置在该转臂关节10的第一电机端14上能够简化关节之间的连线结构和布线布局。
优选地，为了避免线缆42由于每个关节的相对旋转运动而发生扭转而与高速旋转的电机转子形成摩擦、导致坏损，每个转臂关节10包括一个卡线夹182和一个弹簧夹184。其中，卡线夹182设置在第一电机端14的第一中空腔体146内，以将线缆42固定在其中。弹簧夹184设置在第一减速器端12的第一中空腔体126内，以将线缆42可调整地固定在其中。
其中，卡线夹182与线缆42固定连接，每个卡线夹182与线缆42之间不发生相对移动或转动。而弹簧夹184与线缆42可调整地连接，线缆42与弹簧夹184之间具有相对移动的自由度，在弹簧夹184的调整固定作用下，能够使在此转臂关节10内，卡线夹182与弹簧夹184之间的线缆42能够保持拉直的形态，以避免由于缠绕而与电机转子形成摩擦的问题。
弹簧夹184调整的线缆42的长度在于由于抬臂关节20的转动而造成的线缆42长度的变化，因此在弹簧夹184的调整固定作用下，在相邻的一对转臂关节10和抬臂关节20中，两个卡线夹182之间的线缆42能够保持拉直的形态，以避免由于缠绕而与电机转子形成摩擦的问题。
由此可见，本发明所提供的多关节机械臂中，每个转臂关节可以多关节机械臂的轴线为中心进行转动，具有±180°以内的转动自由度，其转动类似于人类手臂的扭转动作。而与其相邻的抬臂关节则以垂直于轴线的方向为中心进行转动，具有±180°以内的转动自由度，其转动类似于人类手臂的抬举动作。进一步地，相邻的转臂关节和抬臂关节必然通过电机端或者减速器端固定连接，从而将相互垂直或者正交的两个方向的转动进行组合，从而在三维立体空间内实现多角度、位置的组合，以满足机械手臂能够停留在任一方向和角度的要求。
本实施例的多关节机械臂通过一个转臂关节和一个抬臂关节的组合即可实现几乎四个自由度内全角度、位置的覆盖，通过两两相接的转臂关节和抬臂关节的多组组合，以满足三维立体空间内六自由度移动的要求，提高机械臂的操作精度。
进一步地，根据本实施例的多关节机械臂以其自身的轴线方向为中心进行旋转的特点，其线缆采用中心走线的方式，而非暴露在机械臂的外围。根据本实施例的机械臂的转动运行的特点，每个关节的截面基本呈圆形，如果机械臂的线缆放置在机械臂的外壳上，必然会导致外壳的造型为非圆形，从而提高加工成本。进一步地，由于每一个关节的两部分之间均具有相对旋转运动，如果机械臂的线缆放置在机械臂的外壳上，旋转运动必然导致线缆的长度的变化，因此为了避免线缆被拉断，必然需要提供大量的冗余量。而本实施例通过中心走线的方式以及中空腔体的设置方向，转臂关节在旋转时，线缆的长度不会随着其转动而发生剧烈变化，而抬臂关节在旋转时，线缆的长度变化有限，因此只需要为每个抬臂关节的转动提供线缆长度变化的冗余量即可。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施方式描述的，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，而并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方案或变更，如特征的组合、分割或重复，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种多关节机械臂，其特征在于，包括沿着所述机械臂的轴线的方向交错排列的转臂关节和抬臂关节，其中：
每个转臂关节包括以垂直于所述轴线方向的第一端面为第一对接面、以其中心轴相互轴接的第一减速器端和第一电机端，所述第一减速器端和第一电机端的中心轴与所述轴线重合，以在电气机构的驱动下、在第一对接面内围绕其中心轴产生相对转动；
每个抬臂关节包括以沿所述轴线方向延伸的第二端面为第二对接面、以其中心轴相互轴接的第二减速器端和第二电机端，所述第二减速器端和第二电机端的中心轴均与所述轴线的方向垂直，以在电气机构的驱动下、在第二对接面内围绕垂直于所述轴线方向的中心轴产生相对转动；
每个第一减速器端和与其相邻的第二减速器端固定连接，每个第一电机端和与其相邻的第二电机端固定连接。
2.如权利要求1所述的多关节机械臂，其特征在于，每个第一减速器端和第一电机端具有沿其中心轴贯穿所述第一减速器端和第一电机端的第一中空腔体；
每个抬臂关节的第二减速器端或者第二电机端具有沿所述轴线方向贯穿所述第二减速器端或者第二电机端的第二中空腔体。
3.如权利要求2所述的多关节机械臂，其特征在于，所述第二中空腔体位于所述第二减速器端或者第二电机端的背离所述第二对接面的一侧。
4.如权利要求2所述的多关节机械臂，其特征在于，所述电气机构包括驱动电路板、和与所述驱动电路板连接的线缆，所述线缆交错通过所述第一中空腔体和第二中空腔体、以与各个转臂关节和抬臂关节连接。
5.如权利要求4所述的多关节机械臂，其特征在于，与相邻的转臂关节和抬臂关节连接的一个所述驱动电路板设置在转臂关节内。
6.如权利要求5所述的多关节机械臂，其特征在于，所述驱动电路板设置在该转臂关节的第一电机端上。
7.如权利要求4所述的多关节机械臂，其特征在于，每个转臂关节包括一个卡线夹和一个弹簧夹，
所述卡线夹设置在第一电机端的第一中空腔体内，以将所述线缆固定在其中；
所述弹簧夹设置在第一减速器端的第一中空腔体内，以将所述线缆可调整地固定在其中。
8.如权利要求1至7中任一权利要求所述的多关节机械臂，其特征在于，所述转臂关节和抬臂关节的总数至少为七个。
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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