CN108748258B - 一种六自由度机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种六自由度机械臂，包括底座机构，关节机构，臂体机构和末端连接机构，所述关节机构包括第一关节、第二关节和第三关节；所述臂体机构包括第一臂和第二臂；还包括第一双出轴驱动器和第二双出轴驱动器，所述第一双出轴驱动器设置在所述第二关节与所述第一臂铰接处，所述第一双出轴驱动器通过第一齿轮传动组件致动所述第一臂相对于第一关节转动；所述第二双出轴驱动器设置在所述第一关节与所述第一臂铰接处，所述第二双出轴驱动器通过第二齿轮传动组件致动所述第二关节相对于第一臂转动。本发明提供的六自由度机械臂结构紧凑、成本低；通过齿轮组件的精巧布置，实现大传动比；通过小型电机即可输出较大驱动力，缩小了机械臂体积；易于拆装、移动和操作；可充分满足教学实训模拟研究需要，又具有一定的工业应用价值。

Description

一种六自由度机械臂

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种六自由度机械臂。

背景技术

随着现代科技的迅速发展，机械臂行业发展越来越迅速，在工厂自动化生产中应用越来越多。目前各大高校开设相应的关于机械臂方面的教学研究课程，相关的教育器材以及物理模型的需求量也越来越大。工业机械臂技术日渐成熟，但由于工业机械臂体积庞大、操作危险，不适用于学校、家庭使用。

目前，现有技术中有一些供教学研究用的机械臂，通常只具有两到三个自由度，机械臂灵活性低，抓取空间范围十分有限，运动模拟研究没有多大意义，不能满足教学研究中对机械臂运动编程等的教学要求，而现有少部分多自由度机械臂虽然可以实现大范围内物体抓取，但是其机械臂的结构十分复杂而笨重，重量与成本也随之增加，且上述多自由度机械臂通常具有多个转动的关节，每个关节的转动均是通过步进电机或伺服电机实现，由于需要的驱动力矩大，步进电机或伺服电机的体积通常较大，且通常还需要在电机轴端安装具有一定体积的行星减速器或谐波减速器等，这就需要机械臂每个关节部分具有较大的体积，以便于安装。然而，在教学过程中，要求设备具有较小的体积以及轻便性，因此，现有多自由度机械臂的结构因具有较大的体积，不能够适应教学演示的要求，学生只能通过文章视频等途径学习机械臂知识，且不能实际操作；这对于一般轻型货物的抓取尤其是教学研究使用既不经济也不适用。

为了进一步研究机械臂的空间运动，使学生更加深入地了解机械臂的设计安装以及编程控制使用，同时也便于日常工业生产应用，亟需设计一种小型的、结构简单、自由度更高，可充分满足教学实训模拟研究需要，又具有一定的工业应用价值的机械臂来解决如上技术问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于针对上述背景技术中的缺陷和不足，提供一种小型的、结构简单、自由度高，适于教学实训模拟研究，又具有一定工业应用价值的六自由度机械臂。同时该六自由度机械臂制造简单、成本较低、便于大规模生产应用。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：本发明提供一种六自由度机械臂，包括底座机构，关节机构，臂体机构和末端连接机构，所述关节机构包括第一关节、第二关节和第三关节；所述臂体机构包括第一臂和第二臂；所述第一关节连接所述底座机构和第一臂，所述第二关节连接所述第一臂和第二臂，所述第三关节连接所述第二臂和末端连接机构；还包括第一双出轴驱动器和第二双出轴驱动器，所述第一双出轴驱动器设置在所述第二关节与所述第一臂铰接处，所述第一双出轴驱动器通过第一齿轮传动组件致动所述第一臂相对于第一关节转动；所述第二双出轴驱动器设置在所述第一关节与所述第一臂铰接处，所述第二双出轴驱动器通过第二齿轮传动组件致动所述第二关节相对于第一臂转动。

进一步地，所述第一双出轴驱动器固连在所述第一臂上，通过所述第一齿轮传动组件中的第一驱动齿轮、第一中间齿轮组、第一末端齿轮和驱动帽致动所述第一臂相对于第一关节转动；所述第一齿轮传动组件中的第一驱动齿轮设置在所述第一双出轴驱动器一侧的输出轴上，所述第一齿轮传动组件中的驱动帽设置在所述第一末端齿轮上；所述第一关节设置有第一安装槽，所述第一安装槽与所述第一齿轮传动组件中的驱动帽配合安装。

进一步地，所述第一安装槽与所述第一齿轮传动组件中的驱动帽配合实现所述第一齿轮传动组件中的第一末端齿轮相对于第一关节不可相对转动的连接；所述第一臂相对于第一关节转动时，所述第一齿轮传动组件中的第一末端齿轮相对于第一关节保持静止。

进一步地，所述第二双出轴驱动器固连在所述第一臂上，通过所述第二齿轮传动组件中的第一驱动齿轮、第一中间齿轮组、第一末端齿轮和驱动帽致动所述第二关节相对于第一臂转动；所述第二齿轮传动组件中的第一驱动齿轮设置在所述第二双出轴驱动器一侧的输出轴上，第二齿轮传动组件中的所述驱动帽设置在所述第一末端齿轮上；所述第二关节设置有第二安装槽，所述第二安装槽与所述第二齿轮传动组件中的驱动帽配合安装。

进一步地，在所述第一中间齿轮组中间齿轮轴上的两侧齿轮之间设置有轴套。

进一步地，所述底座机构包括控制盒和底座；所述控制盒内部设置有控制器，所述控制盒底部设置有底板；所述控制盒上还设置有控制按键；所述底座与所述控制盒固连，所述底座内设置有第一驱动器；所述第一驱动器致动所述第一关节相对于底座转动。

进一步地，所述第一关节包括第一基座和第一支撑臂，所述第一基座通过第一轴承支撑在所述底座上，所述第一基座通过键与所述第一驱动器传动连接；所述第一支撑臂上设置有所述第一安装槽和第一轴承孔；所述第二双出轴驱动器两侧的输出轴通过小轴承支撑在所述第一轴承孔中。

进一步地，所述第二关节包括第二基座和第二支撑臂；在所述第二基座内设置有第二驱动器；在所述第二支撑臂上设置有所述第二安装槽和第二轴承孔；所述第一双出轴驱动器两侧的输出轴通过小轴承支撑在所述第二轴承孔中。

进一步地，所述第二关节与第二臂连接处设置有第二轴承；所述第二驱动器通过键与所述第二臂传动连接，致动所述第二臂相对第二关节旋转。

进一步地，所述第二臂内设置有第三齿轮传动组件，所述第三齿轮传动组件包括第三驱动器、第二驱动齿轮、第二中间齿轮组和第二末端齿轮；所述第三驱动器致动所述第三关节相对第二臂转动。

进一步地，所述第二驱动齿轮设置在所述第三驱动器的输出轴上，所述第二末端齿轮与所述第三关节固连，所述第三关节为圆饼状，通过末端轴承旋转支撑在所述第二臂的开口部。

进一步地，所述第三关节设置有第四驱动器，所述第四驱动器的输出轴上设置有末端连接机构；所述末端连接机构与末端执行机构连接，所述第四驱动器致动所述末端执行机构相对于第三关节旋转。

进一步地，所述第一双出轴驱动器、第二双出轴驱动器、第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器和第四驱动器均与所述控制器通信连接。

本发明提供的六自由度机械臂与现有技术相比，有益效果在于：本发明的六自由度机械臂结构紧凑、有利于生产加工，降低生产成本；通过齿轮组件的精巧布置，实现大传动比大；通过小型电机即可输出较大驱动力，缩小了机械臂体积和占地面积；易于拆装、移动和操作。同时该六自由度机械臂制造简单，成本较低，便于大规模生产应用。

本发明的六自由度机械臂动态性能好，使机器人学研究者能够随时随地验证自己的机器人运动相关算法，以及为机器人教育课堂提供一种功能全面的教学器材，且能够普遍应用于教育教学使用以及机器人领域的个人二次开发；具有更高的精度、灵活性及更广的应用前景。

总之，本发明提出了一种结构简单、实用性强的六自由度机械臂，其在机器人领域中具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明六自由度机械臂的结构示意图；

图2是本发明六自由度机械臂的内部结构示意图；

图3是本发明第一臂的结构示意图；

图4是本发明第一传动机构的结构示意图；

图5是本发明底座机构的结构示意图；

图6是本发明第二臂的结构示意图。

其中，附图标记说明如下：

1控制盒，1-1底板，1-2控制器，2底座，2-1第一驱动器，3第一关节，3-1第一轴承，3-2第一安装槽，3-3第一轴承孔，4第一臂，4-1第一双出轴驱动器，4-2第二双出轴驱动器，4-3第一驱动齿轮，4-4第一末端齿轮，4-5驱动帽，5第二关节，5-1第四驱动器，5-2第二轴承，5-3第二安装槽，5-4第二轴承孔，6第二臂，6-1第五驱动器，6-2第二驱动齿轮，6-3第二末端齿轮，7第三关节，7-1第六驱动器，8末端连接机构。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。请注意，下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下，将通过具体实施例对本发明的六自由度机械臂作详细说明：

如图1-6所示，本发明所述的六自由度机械臂，包括底座机构，关节机构，臂体机构和末端连接机构8。

底座机构包括控制盒1和底座2。所述控制盒1内部设置有控制器1-2，底部设置有底板1-1。在控制盒的外表面还设置有控制按键（图中未示出），如电源开关、复位开关和示教按键等，所述控制按键与所述控制器1-2通信连接。在控制盒1上部通过螺钉固定有底座2，所述底座2下部安装腔的顶面通过螺钉安装有第一驱动器2-1，所述底座2顶部为一圆筒部，在所述圆筒部内设置有第一通孔，所述第一驱动器2-1的输出轴伸出所述第一通孔。

关节机构包括第一关节3、第二关节5和第三关节7；臂体机构包括第一臂4和第二臂6。所述第一关节3为包括第一基座和第一支撑臂的一体结构，所述第一基座包括中部的基体和外围的基壁，所述基体为圆柱，通过第一轴承3-1与所述底座2的圆筒部连接，连接后所述基壁位于所述圆筒部外侧。在所述圆柱中部设置有第二通孔，所述第二通孔处设置有键槽3-4。所述第一支撑臂位于所述第一基座上方两侧，在所述第一支撑臂上设置有第一安装槽3-2和第一轴承孔3-3。所述第一驱动器2-1的输出轴伸入所述第二通孔内，通过键与所述第一关节传动连接。通过第一驱动器2-1的驱动，带动所述第一关节3相对底座2旋转，实现机械臂的第一自由度。

所述第一臂4包括两个对称设置的第一壳体。在所述第一壳体内部的安装空间内设置有第一传动机构。所述第一传动机构包括第一双出轴驱动器4-1、第二双出轴驱动器4-2、第一驱动齿轮4-3、第一中间齿轮组、第一末端齿轮4-4和驱动帽4-5，其中第一驱动齿轮4-3、第一中间齿轮组、第一末端齿轮4-4和驱动帽4-5为两组，每组分别设置在第一臂的两侧；第一双出轴驱动器和一侧的第一驱动齿轮、第一中间齿轮组、第一末端齿轮和驱动帽组件成第一齿轮传动组件；第二双出轴驱动器和另一侧的第一驱动齿轮、第一中间齿轮组、第一末端齿轮和驱动帽组件成第二齿轮传动组件。所述第一双出轴驱动器4-1、第二双出轴驱动器4-2均为双出轴结构，并间隔安装在所述第一臂4的第一壳体上。

在第一齿轮传动组件中，所述驱动齿轮4-3设置在所述第一双出轴驱动器4-1的一侧输出轴上，通过第一中间齿轮组传动驱动第一末端齿轮4-4，第一中间齿轮组的齿轮轴两端均设置在所述第一臂4的第一壳体内部，所述第一末端齿轮4-4空套在所述第二双出轴驱动器4-2的一侧输出轴上。在所述第一末端齿轮4-4上设置有驱动帽4-5。所述驱动帽4-5与所述第一关节3的第一安装槽3-2配合安装。由于驱动帽4-5与第一安装槽3-2形成止挡，所述第一末端齿轮4-4无法转动，则使第一齿轮传动组件其余部分与所述第一末端齿轮4-4产生相对转动，进而带动第一臂4相对第一关节3摆动，实现机械臂的第二自由度。

在第二齿轮传动组件中，所述驱动齿轮4-3设置在所述第二双出轴驱动器4-2的另一侧输出轴上，同样通过第一中间齿轮组传动驱动空套在第一双出轴驱动器4-1另一侧输出轴上的第一末端齿轮4-4。第二齿轮传动组件中的驱动帽4-5与所述第二关节5的第二安装槽5-3配合安装，通过第二双出轴驱动器4-2的驱动，带动第二关节5相对所述第一臂4摆动，实现机械臂的第三自由度。

第一双出轴驱动器4-1两侧的输出轴通过小轴承支撑在所述第二轴承孔5-4中，通过第一齿轮组件驱动第一臂4相对于第一关节3围绕第一轴承孔3-3的轴线摆动；第二双出轴驱动器4-2两侧的输出轴通过小轴承支撑在所述第一轴承孔3-3中，通过第二齿轮组件驱动第二关节5相对于第一臂4围绕第二轴承孔5-4的轴线摆动。在第一中间齿轮组中间的齿轮轴上还设置有轴套4-6，用于实现两侧齿轮的轴向定位。

所述第二关节5包括两个对称设置的第二壳体，两个第二壳体通过螺钉固定连接。所述第二壳体包括第二基座和第二支撑臂。在第二支撑臂上设置有第二安装槽5-3和第二轴承孔5-4。在所述第二基座内固定安装有第二驱动器5-1。在第二关节5与第二臂6连接处设置有第二轴承5-2。所述第二驱动器5-1的输出轴通过键与第二臂6传动连接，带动所述第二臂6相对第二关节5旋转，实现机械臂的第四自由度。

所述第二臂6包括两个对称设置的第三壳体。在所述第三壳体内部的安装空间内设置有第二传动机构。所述第二传动机构包括第三驱动器6-1、第二驱动齿轮6-2、第二中间齿轮组件、第二末端齿轮6-3。所述第二驱动齿轮6-2设置在所述第三驱动器6-1的输出轴上，通过第二中间齿轮组件传动驱动第二末端齿轮6-3，第二中间齿轮组件和第二末端齿轮6-3的齿轮轴两端均设置在所述第二臂6的第三壳体内部。所述第二末端齿轮6-3通过螺钉与第三关节7固连，所述第三关节7为圆饼状，通过末端轴承旋转支撑在第二臂的开口部处。通过第三驱动器6-1的驱动，带动第三关节7相对第二臂6摆动，实现机械臂的第五自由度。

第三关节7上通过顶丝固定设置有第四驱动器7-1，所述第四驱动器7-1的输出轴上设置有末端连接机构8。所述末端连接机构8可根据具体需求选择本领域常见的结构形式，优选为法兰盘。所述末端连接机构8可与各种机械臂常用的末端执行机构连接，如笔、吸盘、夹子、3D打印头等本领域常见的执行机构。通过第四驱动器7-1的驱动，带动末端执行机构相对于第三关节7旋转，实现机械臂的第六自由度。

本发明的六自由度机械臂中的各个驱动器均与控制器1-2通信连接，通过控制器1-2控制各个驱动器，实现机械臂完成复杂的动作和运动；还可通过示教按键记录位置，实现示教操作，便于操作和控制。

本发明提供的六自由度机械臂结构紧凑、有利于生产加工，降低生产成本；通过齿轮组件的精巧布置，实现大传动比大；通过小型电机即可实现较大驱动力，缩小了机械臂体积和占地面积；易于拆装、移动和操作。同时该六自由度机械臂制造简单，成本较低，便于大规模生产应用。

本发明的六自由度机械臂动态性能好，使机器人学研究者能够随时随地验证自己的机器人运动相关算法，以及为机器人教育课堂提供一种功能全面的教学器材，且能够普遍应用于教育教学使用以及机器人领域的个人二次开发；具有更高的精度、灵活性及更广的应用前景。

总之，本发明提出了一种结构简单、实用性强的六自由度机械臂，其在机器人领域中具有广泛的应用前景。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面” 可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组件合。

Claims (10)

1.一种六自由度机械臂，包括底座机构，关节机构，臂体机构和末端连接机构，所述关节机构包括第一关节、第二关节和第三关节；所述臂体机构包括第一臂和第二臂；其特征在于：所述第一关节连接所述底座机构和第一臂，所述第二关节连接所述第一臂和第二臂，所述第三关节连接所述第二臂和末端连接机构；还包括第一双出轴驱动器和第二双出轴驱动器，所述第一双出轴驱动器设置在所述第二关节与所述第一臂铰接处，所述第一双出轴驱动器通过第一齿轮传动组件致动所述第一臂相对于第一关节转动；所述第二双出轴驱动器设置在所述第一关节与所述第一臂铰接处，所述第二双出轴驱动器通过第二齿轮传动组件致动所述第二关节相对于第一臂转动；

所述第一双出轴驱动器固连在所述第一臂上，通过所述第一齿轮传动组件中的第一驱动齿轮、第一中间齿轮组、第一末端齿轮和驱动帽致动所述第一臂相对于第一关节转动；所述第一齿轮传动组件中的第一驱动齿轮设置在所述第一双出轴驱动器一侧的输出轴上，所述第一齿轮传动组件中的驱动帽设置在所述第一末端齿轮上；所述第一关节设置有第一安装槽，所述第一安装槽与所述第一齿轮传动组件中的驱动帽配合安装；

所述第一安装槽与所述第一齿轮传动组件中的驱动帽配合实现所述第一齿轮传动组件中的第一末端齿轮相对于第一关节不可相对转动的连接；所述第一臂相对于第一关节转动时，所述第一齿轮传动组件中的第一末端齿轮相对于第一关节保持静止；

所述第二双出轴驱动器固连在所述第一臂上，通过所述第二齿轮传动组件中的第一驱动齿轮、第一中间齿轮组、第一末端齿轮和驱动帽致动所述第二关节相对于第一臂转动；所述第二齿轮传动组件中的第一驱动齿轮设置在所述第二双出轴驱动器一侧的输出轴上，第二齿轮传动组件中的所述驱动帽设置在所述第一末端齿轮上；所述第二关节设置有第二安装槽，所述第二安装槽与所述第二齿轮传动组件中的驱动帽配合安装。

2.根据权利要求1中所述的六自由度机械臂，其特征在于：在所述第一中间齿轮组中间齿轮轴上的两侧齿轮之间设置有轴套。

3.根据权利要求2所述的六自由度机械臂，其特征在于：所述底座机构包括控制盒和底座；所述控制盒内部设置有控制器，所述控制盒底部设置有底板；所述控制盒上还设置有控制按键；所述底座与所述控制盒固连，所述底座内设置有第一驱动器；所述第一驱动器致动所述第一关节相对于底座转动。

4.根据权利要求3所述的六自由度机械臂，其特征在于：所述第一关节包括第一基座和第一支撑臂，所述第一基座通过第一轴承支撑在所述底座上，所述第一基座通过键与所述第一驱动器传动连接；所述第一支撑臂上设置有所述第一安装槽和第一轴承孔；所述第二双出轴驱动器两侧的输出轴通过小轴承支撑在所述第一轴承孔中。

5.根据权利要求3或4所述的六自由度机械臂，其特征在于：所述第二关节包括第二基座和第二支撑臂；在所述第二基座内设置有第二驱动器；在所述第二支撑臂上设置有所述第二安装槽和第二轴承孔；所述第一双出轴驱动器两侧的输出轴通过小轴承支撑在所述第二轴承孔中。

6.根据权利要求5所述的六自由度机械臂，其特征在于：所述第二关节与第二臂连接处设置有第二轴承；所述第二驱动器通过键与所述第二臂传动连接，致动所述第二臂相对第二关节旋转。

7.根据权利要求6所述的六自由度机械臂，其特征在于：所述第二臂内设置有第三齿轮传动组件，所述第三齿轮传动组件包括第三驱动器、第二驱动齿轮、第二中间齿轮组和第二末端齿轮；所述第三驱动器致动所述第三关节相对第二臂转动。

8.根据权利要求7所述的六自由度机械臂，其特征在于：所述第二驱动齿轮设置在所述第三驱动器的输出轴上，所述第二末端齿轮与所述第三关节固连，所述第三关节为圆饼状，通过末端轴承旋转支撑在所述第二臂的开口部。

9.根据权利要求8所述的六自由度机械臂，其特征在于：所述第三关节设置有第四驱动器，所述第四驱动器的输出轴上设置有末端连接机构；所述末端连接机构与末端执行机构连接，所述第四驱动器致动所述末端执行机构相对于第三关节旋转。

10.根据权利要求9所述的六自由度机械臂，其特征在于：所述第一双出轴驱动器、第二双出轴驱动器、第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器和第四驱动器均与所述控制器通信连接。