CN110027011A - 一种机械臂及其仿形机械关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿形机械关节，包括：端部设有凹面的窝体、与凹面转动连接的壳体以及与壳体转动连接的摆臂；凹面上设有第一凹槽，壳体与凹面的配合面上设有滑动插装于第一凹槽上的第一凸台，壳体与摆臂的配合面上设有与第一凸台的滑动方向垂直的第二凹槽，摆臂上设有滑动插装于第二凹槽内的第二凸台，还包括用于控制第一凸台沿第一凹槽滑动以带动壳体沿凹面转动、控制第二凸台沿第二凹槽滑动以带动摆臂沿壳体摆动的执行器。本发明所提供的仿形机械关节，通过对人类骨关节进行仿形，克服了传统机械关节结构只能在面内旋转移动的弊端，提供了一种运动更加灵活的机器人关节。此外，本发明还提供了一种包括上述仿形机械关节的机械臂。

Description

一种机械臂及其仿形机械关节

技术领域

本发明涉及机械制造技术领域，更具体地说，涉及一种仿形机械关节。此外，本发明还涉及一种包括上述仿形机械关节的机械臂。

背景技术

工业机器人关节技术现在日趋成熟，已经能满足绝大多数的操作需求，但是现在市场上的几乎所有的机械关节，都是一台电机通过齿轮组结构控制两个组件，绕同一中心轴做相对旋转运动，以此达到机械关节移动的目的。

此方案的缺陷在于一个关节只能使机械臂在一个平面内移动，若希望机械臂可以在一个空间内做全向移动，则至少需要两个此类关节相接使用，但这样会使机械臂加长，增加机器运作所需要的空间，同时加长机械臂会使关节扭矩变大，增加电机的载荷。

因此，如何解决传统机械关节结构只能在面内旋转移动的问题，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种仿形机械关节，该仿形机械关节对人类骨关节进行仿形，克服了传统机械关节结构只能在面内旋转移动的弊端，可以更加灵活的移动。

本发明的另一目的是提供一种包括上述仿形机械关节的机械臂，以实现全向转动。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种仿形机械关节，包括：端部设有凹面的窝体、与所述凹面转动连接的壳体以及与所述壳体转动连接的摆臂；所述凹面上设有第一凹槽，所述壳体与所述凹面的配合面上设有滑动插装于所述第一凹槽上的第一凸台，所述壳体与所述摆臂的配合面上设有与所述第一凸台的滑动方向垂直的第二凹槽，所述摆臂上设有滑动插装于所述第二凹槽内的第二凸台，还包括用于控制所述第一凸台沿所述第一凹槽滑动以带动所述壳体沿所述凹面转动、控制所述第二凸台沿所述第二凹槽滑动以带动所述摆臂沿所述壳体摆动的执行器。

优选的，所述凹面为半球形凹面，所述第一凹槽经过所述半球形凹面的底部。

优选的，所述壳体为半球形壳体，所述第一凸台经过所述半球形壳体的顶部。

优选的，所述摆臂包括球体以及连接于所述球体的连杆，所述第二凸台设于所述球体上，所述连杆设于所述球体远离所述第二凸台的一侧。

优选的，所述窝体在所述第一凹槽的中部设有第一通孔，所述第一凸台的两侧连接有X1引线与X2引线，所述X1引线与所述X2引线穿过所述第一通孔连接于所述执行器，所述执行器用于拉动所述X1引线或所述X2引线，以控制所述第一凸台沿所述第一凹槽滑动。

优选的，所述壳体在所述第二凹槽的中部设有第二通孔，所述第二凸台的两侧连接Y1引线与Y2引线，所述Y1引线与所述Y2引线穿过所述第二通孔连接于所述执行器，所述执行器用于拉动所述Y1引线与所述Y2引线，以控制所述第二凸台沿所述第二凹槽滑动。

优选的，所述执行器包括第一电机与第二电机，所述第一电机上连接有第一绕线器，所述第二电机上连接有第二绕线器，所述X1引线与所述X2引线分别正反缠绕于所述第一绕线器，所述Y1引线与所述Y2引线分别正反缠绕于所述第二绕线器。

优选的，所述第一绕线器与所述第二绕线器上均设有用于缠绕引线的凹槽。

优选的，所述窝体在所述凹面的下方设有用于插装固定所述第一电机与所述第二电机的电机座，所述第一电机与所述第二电机安装固定在所述电机座上。

一种机械臂，包括机械关节，所述机械关节为上述任一项所述的仿形机械关节，所述机械臂由至少两个所述仿形机械关节相对连接而成。

本发明所提供的仿形机械关节，包括相互配合连接的窝体、壳体以及摆臂，窝体的端面设有与壳体配合的凹面，凹面上设有第一凹槽，壳体的外面上设有插装在第一凹槽上的第一凸台，壳体的内面上设有与第一凸台垂直的第二凹槽，摆臂上设有插装在第二凹槽上的第二凸台，还包括用于控制第一凸台在第一凹槽上滑动、控制第二凸台在第二凹槽上滑动的执行器。通过执行器控制第一凸台沿第一凹槽滑动的方向，便可控制壳体相对于凹面沿第一凹槽的转动方向，由于第二凹槽与第一凸台垂直，且第一凸台插装于第一凹槽，所以第二凹槽与第一凹槽垂直，因此，当执行器壳体沿第一凹槽相对于凹面转动时，壳体上的第二凹槽与摆臂上的第二凸台在第一凹槽的方向上相干涉，从而壳体便会带动摆臂在第一凹槽的方向上转动，即执行器可通过控制第一凸台在第一凹槽上的滑动方向来控制摆臂沿第一凹槽的转动方向；另外，执行器可通过控制第二凸台沿第二凹槽的滑动方向，来控制摆臂沿第二凹槽的转动方向，通过在两个方向上的综合转动控制，便可实现摆臂在一定空间内的全向转动。

因此，本发明所提供的仿形机械关节，通过对人类骨关节进行仿形，克服了传统机械关节结构只能在面内旋转移动的弊端，提供了一种运动更加灵活的机器人关节。

本发明还提供了一种机械臂，包括机械关节，该机械关节为上述任一种仿形机械关节，该机械臂由至少两个仿形机械关节相对连接而成。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供仿形机械关节具体实施例的爆炸示意图；

图2为图1中D部分的放大图；

图3为图1另一角度的爆炸示意图；

图4为壳体的立体示意图；

图5为壳体的俯视图；

图6为窝体的立体示意图；

图7为电机座的示意图；

图8为第一绕线器的示意图；

图9为本发明所提供机械臂具体实施例的示意图。

其中，1-摆臂、11-第二凸台、2-壳体、21-第二凹槽、22-第一凸台、23-第二通孔、3-窝体、31-凹面、32-第一凹槽、33-第一通孔、41-Y1引线、42-Y2引线、43-X1引线、44-X2引线、5-电机座、6-第一电机、61-第一绕线器、62-绕线凹槽、7第二电机、71-第二绕线器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种仿形机械关节，该仿形机械关节对人类骨关节进行仿形，克服了传统机械关节结构只能在面内旋转移动的弊端，可以更加灵活的移动。

本发明的另一核心是提供一种包括上述仿形机械关节的机械臂，以实现全向转动。

请参考图1至图9，图1为本发明所提供仿形机械关节具体实施例的爆炸示意图；图2为图1中D部分的放大图；图3为图1另一角度的爆炸示意图；图4为壳体的立体示意图；图5为壳体的俯视图；图6为窝体的立体示意图；图7为电机座的示意图；图8为第一绕线器的示意图；图9为本发明所提供机械臂具体实施例的示意图。

本发明所提供的仿形机械关节，包括：端部设有凹面31的窝体3、与凹面31转动连接的壳体2以及与壳体2转动连接的摆臂1；凹面31上设有第一凹槽32，壳体2与凹面31的配合面上设有滑动插装于第一凹槽32上的第一凸台22，壳体2与摆臂1的配合面上设有与第一凸台22的滑动方向垂直的第二凹槽21，摆臂1上设有滑动插装于第二凹槽21内的第二凸台11，还包括用于控制第一凸台22沿第一凹槽32滑动以带动壳体2沿凹面31转动、控制第二凸台11沿第二凹槽21滑动以带动摆臂1沿壳体2摆动的执行器。

其中，人类的关节骨头带有关节窝的一头称为窝体3，窝体3可为圆柱体结构，为减轻质量，可将窝体3设置为中空结构，窝体3的端部设有凹面31，凹面31上设置有与凹面31配合的壳体2，凹面31上设有第一凹槽32，壳体2与凹面3的配合面上设有与第一凹槽32配合的第一凸台22，由于第一凸台22需要插装在第一凹槽32内，第一凸台22可相对第一凹槽32滑动，优选的，第一凹槽32应当设置在凹面31的中部，即第一凹槽32可将凹面31切割为大小相等的两半，相应的，将第一凸台22设置在第一壳体2的中间位置，以便第一凸台22能够与第一凹槽32紧密配合，优选的，第一凸台22与第一凹槽32均可为长条形结构。

壳体2与摆臂1的配合面上设有与第一凸台22的滑动方向垂直的第二凹槽21，以保证第二凸台11在第二凹槽21上的滑动方向与第一凸台2在第一凹槽32上的滑动方向垂直，摆臂1上设有与第二凹槽21配合连接的第二凸台11，第一凸台22与第二凸台11均可通过执行器控制其在第一凹槽32和第二凹槽21上移动，执行器控制第一凸台22沿第一凹槽32滑动，以带动壳体2相对于凹面31在第一凹槽32的方向上转动，执行器控制第二凸台11相对第二凹槽21移动，以带动摆臂1相对于壳体2在第二凹槽21的方向上转动。由于第二凹槽21与第一凸台22垂直，且第一凸台22插装于第一凹槽32内，因此，第二凹槽21垂直于第一凹槽32，第一凸台22在沿第一凹槽32滑动时，第二凹槽21与第二凸台11在第一凹槽32的方向上相干涉，从而当壳体2沿第一凹槽32滑动时便会带动摆臂1沿第一凹槽32的方向转动。

本发明所提供的仿形机械关节，包括相互配合连接的窝体3、壳体2以及摆臂1，窝体3的端面设有与壳体2配合的凹面31，凹面31上设有第一凹槽32，壳体2的外球面上设有插装在第一凹槽32上的第一凸台22，壳体2的内球面上设有与第一凸台22垂直的第二凹槽21，摆臂1上设有插装在第二凹槽21上的第二凸台11，还包括用于控制第一凸台22在第一凹槽32上滑动、控制第二凸台11在第二凹槽21上滑动的执行器。通过执行器控制第一凸台22沿第一凹槽32滑动的方向，便可控制壳体2相对于凹面31沿第一凹槽32的转动方向，由于第二凹槽21与第一凸台22垂直，且第一凸台22插装于第一凹槽32，所以第二凹槽21与第一凹槽32垂直，因此，当执行器壳体2沿第一凹槽32相对于凹面31转动时，壳体2上的第二凹槽21与摆臂1上的第二凸台11在第一凹槽32的方向上相干涉，从而壳体2便会带动摆臂1在第一凹槽32的方向上转动，即执行器可通过控制第一凸台22在第一凹槽32上的滑动方向来控制摆臂1沿第一凹槽32的转动方向；另外，执行器可通过控制第二凸台11沿第二凹槽21的滑动方向，来控制摆臂1沿第二凹槽21的转动方向，通过在两个方向上的综合转动控制，便可实现摆臂1在一定空间内的全向转动。

因此，本发明所提供的仿形机械关节，通过对人类骨关节进行仿形，克服了传统机械关节结构只能在面内旋转移动的弊端，提供了一种运动更加灵活的机器人关节。

在上述实施例的基础之上，为提高本发明运行过程中的稳定性，可将凹面31设置为半球形凹面，且第一凹槽32经过半球形凹面的顶部，即将第一凹槽32设置在半球形凹面最中央，以便第一凸台22在沿第一凹槽32滑动的过程中，第一凸台22两侧的受力保持均衡。

在上述实施例的基础之上，由于凹面31为半球形凹面，相应的，可将壳体2设置为半球形壳体，且第一凸台22经过半球形壳体的顶部，如此，在将壳体2外球面上的第一凸台22安装在凹面31上的第一凹槽32上时，壳体2的外球面可被凹面31完全包裹，从而增大了凹面31与壳体2接触面积，在驱动摆臂1转动的过程中，可缓解壳体2承载的压力。

当然，也可将壳体2与凹面31设置大于或小于半球的结构，但应当理解的是，当凹面31大于半球时，其优点是与壳体2连接更加稳定，其缺点是摆臂1的转动范围相对变小，当凹面31小于半球时则相反。

在上述实施例的基础之上，考虑到摆臂1的具体结构设置，由于摆臂1需要与壳体2配合连接，因此，摆臂1可包括球体以及连接于球体的连杆，其中，球体与壳体2配合连接，因此，将第二凸台11设于球体上，连杆可作为功能臂使用，以完成需要的操作，可将连杆设于球体远离第二凸台11的一侧，以方便连杆的运动与使用。

在上述任意实施例的基础之上，考虑到执行器控制第一凸台22沿第一凹槽32滑动的方式，优选的，窝体3在第一凹槽32的中部设有第一通孔33，第一凸台22的两侧连接X1引线43与X2引线44，X1引线43与X2引线44穿过第一通孔33连接于执行器，执行器用于拉动X1引线43或X2引线44，以控制第一凸台22沿第一凹槽32滑动。

由于，第一凸台22的两侧连接X1引线43与X2引线44，且X1引线43与X2引线44穿过第一通孔33与执行器连接，因此，当执行器拉动X1引线43时，第一凸台22与X1引线43连接的一侧便会沿第一凹槽32向第一通孔33的方向滑动，从而带动摆臂1转动，当执行器拉动X2引线44时，第一凸台22与X2引线44连接的一侧便会沿第一凹槽32向第一通孔33的方向滑动，从而带动摆臂1转动。

在上述实施例的基础之上，考虑到执行器控制第二凸台11沿第二凹槽21滑动的方式，相应的，壳体2在第二凹槽21的中部设有第二通孔23，第二凸台11的两侧连接Y1引线41与Y2引线42，Y1引线41与Y2引线42穿过第二通孔23连接于执行器，执行器用于拉动Y1引线41与Y2引线42，以控制第二凸台11沿第二凹槽21滑动。

同理，由于第二凸台11的两侧连接Y1引线41与Y2引线42，且Y1引线41与Y2引线42穿过第二通孔23与执行器连接，因此，当执行器拉动Y1引线41时，第二凸台11与Y1引线41连接的一侧便会沿第二凹槽21向第二通孔23的方向滑动，从而带动摆臂1转动，当执行器拉动Y2引线42时，第二凸台11与Y2引线连接的一侧便会沿第二凹槽21向第二通孔23的方向滑动，从而带动摆臂1转动。

通过采用拉动引线的方式来控制摆臂1的转动，具有结构简单，且方便实用的优点。当然，第一凸台22沿第一凹槽32移动的方式以及第二凸台11沿第二凹槽21移动的方式还可通过其他的方式来控制，例如，蜗轮蜗杆或者齿轮齿条等方式。

在上述实施例的基础之上，考虑到执行器的具体结构设置，优选的，执行器包括第一电机6与第二电机7，第一电机6上连接有第一绕线器61，第二电机7上连接有第二绕行器71，X1引线43与X2引线44分别正反缠绕于第一绕线器61，Y1引线41与Y2引线42分别正反缠绕于第二绕行器71。

其中，第一绕线器61连接于第一电机6的输出轴，第二电机7连接于第二电机7的输出轴，以便通过控制第一电机6与第二电机7的转动来控制第一绕线器61与第二绕行器71的转动，第一绕线器61与第二绕行器71通过旋转来拉动引线，以实现对摆臂1的控制。

第一电机6与第二电机7均可为步进电机，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确控制第一绕线器61与第二绕线器71转动角度的目的，从而实现对引线拉动长度的准确控制，进而可准确的控制摆臂1的转动幅度。

在上述实施例的基础之上，考虑的第一绕线器61与第二绕行器71的具体结构设置，优选的，第一绕线器61与第二绕行器71可为圆柱状结构，并在第一绕线器61与第二绕行器71上均设有用于缠绕引线的绕线凹槽62，以便在第一绕线器61与第二绕行器71转动缠绕引线的过程中，可以将引线有序的缠绕在凹槽62内，以避免引线交叉错乱。

在上述实施例的基础之上，考虑到第一电机6与第二电机7的安装位置，优选的，窝体3在凹面31的下方设有用于固定第一电机6与第二电机7的电机座5，第一电机6与第二电机7安装固定在电机座5上，显然，电机座5应当与第一电机6与第二电机7的结构相适应，以将第一电机6与第二电机7插装在电机座5中进行固定，提高本发明安装固定的便捷性。

请参考图9，除了上述仿形机械关节，本发明还提供了一种包括上述仿形机械关节的机械臂，包括机械关节，该机械关节为上述任意实施例公开的仿形机械关节，机械臂由至少两个仿形机械关节相对连接而成，具体的，根据实际需求而灵活组合，本文不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的机械臂及其仿形机械关节进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种仿形机械关节，其特征在于，包括：端部设有凹面(31)的窝体(3)、与所述凹面(31)转动连接的壳体(2)以及与所述壳体(2)转动连接的摆臂(1)；所述凹面(31)上设有第一凹槽(32)，所述壳体(2)与所述凹面(31)的配合面上设有滑动插装于所述第一凹槽(32)上的第一凸台(22)，所述壳体(2)与所述摆臂(1)的配合面上设有与所述第一凸台(22)的滑动方向垂直的第二凹槽(21)，所述摆臂(1)上设有滑动插装于所述第二凹槽(21)内的第二凸台(11)，还包括用于控制所述第一凸台(22)沿所述第一凹槽(32)滑动以带动所述壳体(2)沿所述凹面(31)转动、控制所述第二凸台(11)沿所述第二凹槽(21)滑动以带动所述摆臂(1)沿所述壳体(2)摆动的执行器。

2.根据权利要求1所述的仿形机械关节，其特征在于，所述凹面(31)为半球形凹面，所述第一凹槽(32)经过所述半球形凹面的底部。

3.根据权利要求2所述的仿形机械关节，其特征在于，所述壳体(2)为半球形壳体，所述第一凸台(22)经过所述半球形壳体的顶部。

4.根据权利要求3所述的仿形机械关节，其特征在于，所述摆臂(1)包括球体以及连接于所述球体的连杆，所述第二凸台(11)设于所述球体上，所述连杆设于所述球体远离所述第二凸台(11)的一侧。

5.根据权利要求1至4任一项所述的仿形机械关节，其特征在于，所述窝体(3)在所述第一凹槽(32)的中部设有第一通孔(33)，所述第一凸台(22)的两侧连接有X1引线(43)与X2引线(44)，所述X1引线(43)与所述X2引线(44)穿过所述第一通孔(33)连接于所述执行器，所述执行器用于拉动所述X1引线(43)或所述X2引线(44)，以控制所述第一凸台(22)沿所述第一凹槽(32)滑动。

6.根据权利要求5所述的仿形机械关节，其特征在于，所述壳体(2)在所述第二凹槽(21)的中部设有第二通孔(23)，所述第二凸台(11)的两侧连接Y1引线(41)与Y2引线(42)，所述Y1引线(41)与所述Y2引线(42)穿过所述第二通孔(23)连接于所述执行器，所述执行器用于拉动所述Y1引线(41)与所述Y2引线(42)，以控制所述第二凸台(11)沿所述第二凹槽(21)滑动。

7.根据权利要求6所述的仿形机械关节，其特征在于，所述执行器包括第一电机(6)与第二电机(7)，所述第一电机(6)上连接有第一绕线器(61)，所述第二电机(7)上连接有第二绕线器(71)，所述X1引线(43)与所述X2引线(44)分别正反缠绕于所述第一绕线器(61)，所述Y1引线(41)与所述Y2引线(42)分别正反缠绕于所述第二绕线器(71)。

8.根据权利要求7所述的仿形机械关节，其特征在于，所述第一绕线器(61)与所述第二绕线器(71)上均设有用于缠绕引线的绕线凹槽(62)。

9.根据权利要求8所述的仿形机械关节，其特征在于，所述窝体(3)在所述凹面(31)的下方设有用于插装固定所述第一电机(6)与所述第二电机(7)的电机座(5)，所述第一电机(6)与所述第二电机(7)安装固定在所述电机座(5)上。

10.一种机械臂，其特征在于，包括机械关节，所述机械关节为权利要求1至9任一项所述的仿形机械关节，所述机械臂由至少两个所述仿形机械关节相对连接而成。