CN111360786B - 一种七自由度串并混联的机械臂构型和机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种七自由度串并混联的机械臂构型，包括基座、第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节、第六关节以及第七关节；所述第一关节轴线、第二关节轴线以及第三关节轴线在空间上交于一点O₁；所述第五关节轴线、第六关节轴线以及第七关节轴线在空间上交于一点O₂；第四关节旋转的回转点为O₃；所述第三关节轴线、第四关节轴线以及第五关节轴线平行。第三、四关节之间是并联的构型形式，第四、五关节之间是并联的构型形式，第一、二、三关节是依次串联的构型形式，第五、六、七关节是依次串联的机构构型形式。本发明的创新设计降低了机械臂整体的转动惯量和肩、肘关节的驱动力矩，能够带来更好的寿命和使用性能。

Description

一种七自由度串并混联的机械臂构型和机械臂

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体地，涉及一种七自由度串并混联的机械臂构型和机械臂，尤其涉及一种具有七自由度的低惯量串并混联式结构的机械臂。

背景技术

根据仿生学原理，灵巧型机械臂的结构设计为具有7个七自由度，其中肩关节3个自由度，肘关节1个自由度，腕关节3个自由度，可以在保持末端机构三维位置不变的情况下，从一个构型变换到另一个构型。通常七自由度机械臂构型是七个关节逐级串联并且关节轴线两两正交，每个关节内都有电机、减速机等驱动部件。

如专利文献CN107433597A公开的一种七自由度紧凑型高功效比机械臂，包括第一、第二、第三肩关节、肘关节、第一、第二和第三腕关节；第一肩关节、第二肩关节、第三肩关节、肘关节、第一腕关节、第二腕关节和第三腕关节沿竖直方向依次固定连接；且第一肩关节沿第二肩关节的轴向进行周向转动；第二肩关节沿第三肩关节的轴向进行周向转动；第三肩关节沿肘关节的轴向进行周向转动；肘关节沿第一腕关节的轴向进行周向转动；第一腕关节沿第二腕关节的轴向进行周向转动；第二腕关节沿第三腕关节的轴向进行周向转动。

这种构型的缺点之一是距离基座较近的肩、肘关节的几个电机所承载的力矩较大，并且由于关节内电机等驱动部件质量较大，随着关节逐级串联，关节所需承受的惯性力相应增加，机械臂的动力学特性变差。缺点之二是构成主运动平面(垂直于基座的机械臂主要工作平面，或称铅垂面)的相互平行的三个关节轴线并不相邻，后两个关节距离基座远，位置较高，因此在主运动空间的常用可达范围处的操作灵活性变差。

为解决以上问题，本发明提出一种低惯量的七自由度串并混联式机械臂新构型，将第三、四、五关节设计为相互平行且相互相邻的构型形式，且第三关节和第四关节是并联驱动的平行四杆构型形式，第四关节和第五关节是并联驱动的平行四杆构型形式，第一关节、第二关节、第三关节是依次串联的机构构型形式，第五关节、第六关节、第七关节之间是依次串联连接的机构构型形式。将第四和第五关节的电机等驱动单元的位置下移，降低了机械臂整体的转动惯量和肩、肘关节的驱动力矩。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种七自由度串并混联的机械臂构型和机械臂。

根据本发明提供的一种七自由度串并混联的机械臂构型，包括基座、第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节、第六关节以及第七关节；

分别将第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节、第六关节、第七关节的轴线记为第一关节轴线、第二关节轴线、第三关节轴线、第三关节轴线、第四关节轴线、第五关节轴线、第六关节轴线、第七关节轴线；

所述第一关节轴线、第二关节轴线以及第三关节轴线在空间上交于一点O₁；

所述第五关节轴线、第六关节轴线以及第七关节轴线在空间上交于一点O₂；

第四关节旋转的回转点为O₃；

所述第三关节轴线、第四关节轴线以及第五关节轴线平行。

优选地，所述七自由度串并混联的机械臂构型还包括第一连杆、连接支架、第二连杆、第五连杆以及第六连杆；

所述第一关节设置在基座上；所述第一关节能够相对于基座绕第一关节轴线旋转；所述第一关节通过第一连杆与第二关节相连接；

所述第二关节与连接支架固定连接；所述连接支架能够绕第二关节轴线旋转；

所述第二连杆的一端与第三关节输出连接法兰相连接，另一端与第四关节相连接；所述第二连杆能够绕第三关节轴线和/或第四关节轴线旋转；

所述第五连杆的一端与第四关节通过轴承相连接，另一端与第五关节通过轴承相连接；所述第五连杆能够绕第四关节轴线和/或第五关节轴线旋转；

所述第五关节与第六关节通过第六关节的输出连接法兰相连接；

所述第六关节通过第六连杆与第七关节相连接；所述第六连杆能够绕第六关节轴线旋转。

优选地，所述第七关节上设置有末端执行器连接法兰；所述末端执行器连接法兰能够绕第七关节轴线旋转。

优选地，除第五关节外，所述第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第六关节以及第七关节的关节壳体内均设置有电机和集成驱动单元部件；

除第四关节和第五关节外，所述第一关节、第二关节、第三关节、第六关节以及第七关节这五个关节均通过设置在自身关节壳体内的电机和集成驱动单元部件进行驱动；

所述第五关节通过设置在第四关节关节壳体内的电机和集成驱动单元部件进行驱动；

所述第四关节通过设置在第四关节电机壳内的电机和集成驱动单元部件进行驱动；

所述第四关节电机壳固定设置在连接支架上。

优选地，所述七自由度串并混联的机械臂构型中七组电机和集成驱动单元部件采用相同的电机和相同的集成驱动单元部件；其中，所述七组电机和集成驱动单元部件是指设置在如下七个位置的电机和集成驱动单元部件：

第一关节的关节壳体内、第二关节的关节壳体内、第三关节的关节壳体内、第四关节的关节壳体内、第六关节的关节壳体内、第七关节的关节壳体内以及第四关节电机壳内；

所述相同的集成驱动单元部件包括伺服电机、减速机、扭矩传感器、输出连接法兰、输入连接法兰、伺服电机驱动器、编码器、抱闸、连接件、套管以及电缆线中的任一种或任多种组合。

优选地，所述七自由度串并混联的机械臂构型还包括第四连杆和第三连杆；

所述第三连杆与第四关节电机壳内的电机输出机械传动连接；

所述第四连杆的两端分别设置有第一铰链、第二铰链；所述第四连杆分别通过第一铰链、第二铰链固定连接在第四关节、第三连杆上；

所述第一铰链中心、第二铰链中心、O₁以及O₃这四点的连线构成平行四边形结构，从而使得第二连杆、第三连杆、第四连杆以及第四关节延伸到第一铰链的部分组成一个平行四杆传动机构。

优选地，所述七自由度串并混联的机械臂构型还包括第八连杆和第七连杆；

所述第七连杆与第四关节关节壳体内的电机输出机械传动连接；

所述第八连杆的两端分别设置有第三铰链、第四铰链；所述第八连杆分别通过第三铰链、第四铰链固定连接在第五关节、第七连杆上；

所述第三铰链中心、第四铰链中心、O₂以及O₃这四点的连线构成平行四边形结构，从而使得第五连杆、第七连杆、第八连杆以及第五关节延伸到第三铰链的部分组成一个平行四杆传动机构。

优选地，所述第四关节通过第三连杆、第四连杆、第四关节以及第二连杆组成的平行四杆机构将第四关节电机壳内电机的输出力矩传递给第四关节。

优选地，所述第五关节通过第七连杆、第八连杆、第五关节以及第五连杆组成的平行四杆机构将第四关节内电机的输出力矩传递给第五关节。

根据本发明提供的一种机械臂，所述机械臂采用上述的七自由度串并混联的机械臂构型。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的七自由度串并混联的机械臂构型和机械臂，由于构成主运动平面(垂直于基座的机械臂主要工作平面，或称铅垂面)的相互平行的三个关节轴线相邻，从而使得后两个关节距离基座更近，位置更低，因此具有更好的(在主运动空间的常用可达范围处的)操作灵活性；

2、本发明提供的七自由度串并混联的机械臂构型和机械臂，由于采用了串并联混合的连接方式，从而使得距离基座较近的肩、肘关节的几个电机所承载的力矩更小，降低了机械臂整体的转动惯量和肩、肘关节的驱动力矩；

3、本发明提供的七自由度串并混联的机械臂构型和机械臂，由于第四关节、第五关节的电机和驱动部件下移，使得机械臂整体重心下移，进一步地降低了机械臂整体的转动惯量和肩、肘关节的驱动力矩。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的七自由度串并混联的机械臂构型和机械臂的整体结构示意图。

图2为本发明提供的七自由度串并混联的机械臂构型和机械臂的侧视示意图。

图3为本发明提供的七自由度串并混联的机械臂构型和机械臂中第三、第四关节所在平行四边形传动机构的细节结构示意图。

图4为本发明提供的七自由度串并混联的机械臂构型和机械臂中第四、第五关节所在平行四边形传动机构的细节结构示意图。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种七自由度串并混联的机械臂构型，包括基座0、第一关节1、第二关节2、第三关节3、第四关节4、第五关节5、第六关节6以及第七关节7；分别将第一关节1、第二关节2、第三关节3、第四关节4、第五关节5、第六关节6、第七关节7的轴线记为第一关节轴线11、第二关节轴线21、第三关节轴线31、第三关节轴线31、第四关节轴线41、第五关节轴线51、第六关节轴线61、第七关节轴线71；所述第一关节轴线11、第二关节轴线21以及第三关节轴线31在空间上交于一点O₁；所述第五关节轴线51、第六关节轴线61以及第七关节轴线71在空间上交于一点O₂；第四关节4旋转的回转点为O₃；所述第三关节轴线31、第四关节轴线41以及第五关节轴线51相互平行。

具体地，所述七自由度串并混联的机械臂构型还包括第一连杆9、连接支架12、第二连杆14、第五连杆16以及第六连杆17；所述第一关节1设置在基座0上；所述第一关节1能够相对于基座0绕第一关节轴线11旋转；所述第一关节1通过第一连杆9与第二关节2相连接；所述第二关节2与连接支架12固定连接；所述连接支架12能够绕第二关节轴线21旋转；所述第二连杆14的一端与和第三关节3的输出连接法兰相连接，另一端与第四关节4相连接；所述第二连杆14能够绕第三关节轴线31和/或第四关节轴线41旋转；所述第五连杆16的一端与第四关节4的轴承相连接，另一端与第五关节5的轴承相连接；所述第五连杆16能够绕第四关节轴线41和/或第五关节轴线51旋转；所述第五关节5与第六关节6的输出连接法兰相连接；所述第六关节6通过第六连杆17与第七关节7相连接；所述第六连杆17能够绕第六关节轴线61旋转。所述第七关节7上设置有末端执行器连接法兰8；所述末端执行器连接法兰8能够绕第七关节轴线71旋转。除第五关节5外，所述第一关节1、第二关节2、第三关节3、第四关节4、第六关节6以及第七关节7的关节壳体内均设置有电机和集成驱动单元部件；除第四关节4和第五关节5外，所述第一关节1、第二关节2、第三关节3、第六关节6以及第七关节7这五个关节均通过设置在自身关节壳体内的电机和集成驱动单元部件进行驱动；所述第五关节5通过设置在第四关节4关节壳体内的电机和集成驱动单元部件进行驱动；所述第四关节4通过设置在第四关节电机壳10内的电机和集成驱动单元部件进行驱动；所述第四关节电机壳10固定设置在连接支架12上。

更具体地，所述七自由度串并混联的机械臂构型中七组电机和集成驱动单元部件采用相同的电机和相同的集成驱动单元部件；其中，所述七组电机和集成驱动单元部件是指设置在如下七个位置的电机和集成驱动单元部件：第一关节1的关节壳体内、第二关节2的关节壳体内、第三关节3的关节壳体内、第四关节4的关节壳体内、第六关节6的关节壳体内、第七关节7的关节壳体内以及第四关节电机壳10内；所述相同的集成驱动单元部件包括伺服电机、减速机、扭矩传感器、输出连接法兰、输入连接法兰、伺服电机驱动器、编码器、抱闸、连接件、套管以及电缆线中的任一种或任多种组合。所述七自由度串并混联的机械臂构型还包括第四连杆13和第三连杆15；所述第三连杆15与第四关节电机壳10内的电机输出机械传动连接；所述第四连杆13的两端分别设置有第一铰链13a、第二铰链13b；所述第四连杆13分别通过第一铰链13a、第二铰链13b活动/转动连接在第五连杆16延伸端、第三连杆15上；所述第一铰链13a中心、第二铰链13b中心、O₁以及O₃这四点的连线构成平行四边形结构，从而使得第二连杆14、第三连杆15、第四连杆13以及第四关节4延伸到第一铰链13a的部分组成一个平行四杆传动机构。由第三关节(3)内电机、第四关节电机壳(10)内电机分别驱动此平行四杆机构的两个连杆：第三连杆(15)和第二连杆(14)，并形成末端闭合于第四关节(4)的封闭的运动链，因此是并联驱动的平行四杆构型形式。所述七自由度串并混联的机械臂构型还包括第八连杆18和第七连杆19；所述第七连杆19与第四关节4关节壳体内的电机输出机械传动连接；所述第八连杆18的两端分别设置有第三铰链18a、第四铰链18b；所述第八连杆18分别通过第三铰链18a、第四铰链18b固定连接在第五关节5、第七连杆19上；所述第三铰链18a中心、第四铰链18b中心、O₂以及O₃这四点的连线构成平行四边形结构，从而使得第五连杆16、第七连杆19、第八连杆18以及第五关节5延伸到第三铰链18a的部分组成一个平行四杆传动机构，由第四关节电机壳(10)内电机、第四关节(4)内电机分别驱动此平行四杆机构的两个连杆：第五连杆(16)和第七连杆(19)，并形成末端闭合于第五关节(5)的封闭的运动链，因此是并联驱动的平行四杆构型形式。

所述第四关节4通过第三连杆15、第四连杆13、第四关节4以及第二连杆14组成的平行四杆机构将第四关节电机壳10内电机的输出力矩传递给第四关节4。所述第五关节5通过第七连杆19、第八连杆18、第五关节5以及第五连杆16组成的平行四杆机构将第四关节4内电机的输出力矩传递给第五关节5。

根据本发明提供的一种机械臂，所述机械臂采用上述的七自由度串并混联的机械臂构型。

进一步地，下面将对本发明的优选实施例进行说明：

鉴于目前七自由度机械臂结构存在的上述不足，本优选例提供一种将第三、四、五关节及其轴线设计为相互平行且相互相邻的机械臂构型及机械臂，且第三关节和第四关节是并联的机构构型形式，相应地通过连杆机构传递动力给第四关节和第五关节，且第四关节和第五关节是并联的机构构型形式，即第四关节的电机位置下移到与第三关节等高并且同轴，第五关节的电机位置下移到与第四关节等高并且同轴，达到降低肩、肘关节电机的扭矩负载和降低整个机械臂转动惯量的目的。

第三、四关节之间是并联的构型形式，第四、五关节之间是并联的构型形式，第一、二、三关节是依次串联的构型形式，第五、六、七关节是依次串联的机构构型形式。

为达到上述目的，本实施例采用如下技术方案：

如图1、图2所示，一种七自由度串并混联机械臂构型，包括依次连接的基座0、第一关节1、第一连杆9、第二关节2、连接支架12、第三关节3、第四关节电机壳10、第二连杆14、第三连杆15、第四连杆13、第四关节4、第五连杆16、第七连杆19、第八连杆18、第五关节5、第六关节6、第六连杆17、第七关节7和末端执行器连接法兰8。末端执行器连接法兰8的末端可安装手爪、加工工具、摄像机等作业设备。其中，除了第五关节5内没有电机及其他集成驱动单元部件外，每一个关节的壳体中都有相同的集成驱动单元，包括伺服电机、减速机、扭矩传感器、输出连接法兰、输入连接法兰、伺服电机驱动器、编码器、抱闸、连接件、套管、电缆线等。

其中，所述第一关节1的第一关节轴线11同所述第二关节轴线21、第三关节轴线31在空间上交于一点O₁；所述第五关节5的第五关节轴线51同第六关节轴线61、第七关节轴线71在空间上交于一点O₂；所述第三关节轴线31同所述第四关节轴线41、第五关节轴线51相互平行。

所述第四连杆13两端设有第一铰链13a、第二铰链13b，分别活动/转动连接在第五连杆(16)、第三连杆(15)上。所述第八连杆18两端设有第三铰链18a、第四铰链18b，分别活动/转动连接在所述第五关节5、第七连杆19上。

所述第二连杆14绕第四关节4旋转的回转点为O₃。

所述连接第一铰链13a、第二铰链13b的中心及O₁、O₃的连线构成一个平行四边形结构。相应地，所述第二连杆14、第三连杆15、第四连杆13、第五连杆16下端延伸到第一铰链13a的部分组成一个平行四杆传动机构。

所述连接第三铰链18a、第四铰链18b的中心及O₂、O₃的连线构成一个平行四边形结构。相应地，所述第五连杆16、第七连杆19、第八连杆18、第五关节5上延伸到第三铰链18a的部分组成一个平行四杆传动机构。

其中，第四关节4的电机安装于第四关节电机壳10内，通过第三连杆15、第四连杆13、第五连杆16、第二连杆14组成的平行四边形结构的平行四杆机构将第四关节电机壳10内的第四关节电机输出力矩传递给第四关节4。

需要注意的是：第四关节4的电机安装于第四关节电机壳10内，同第三关节3的电机都固定安装于同一连接支架12上，所述平行四边形机构构成一封闭的运动链，所以所述的第三关节3和第四关节4是并联连接的机构形式，相应地，第三关节3的电机和第四关节4的电机是并联驱动的形式。

其中，所述第五关节5的电机安装于第四关节4的内部，通过第七连杆19、第八连杆18、第五关节5、第五连杆16组成的平行四边形结构的平行四杆机构将第四关节4内的第五关节电机输出力矩传递给第五关节5。

需要注意的是：所述第五关节5的电机安装于第四关节4的内部，第四关节4的电机安装在第四关节电机壳10内，与相应连杆18、19、16、第五关节5组成的所述平行四边形机构包含两个独立的运动分支，并构成一封闭的运动链，所以所述的第四关节4和第五关节5是并联连接的机构形式，相应地，第四关节4的电机和第五关节5的电机是并联驱动的形式。

需要注意的是：驱动第4关节4的电机等驱动部件下移到第四关节电机壳10内，因此降低了机械臂整体的转动惯量及肩、肘关节的驱动力矩。

需要注意的是：第五关节5内没有电机及其他集成驱动单元部件，第五关节5的电机等驱动部件下移到第四关节4内，因此降低了机械臂整体的转动惯量及肩、肘关节的驱动力矩。

所述基座0的上部连接法兰与所述第一关节1的输入连接法兰固定连接并可绕第一关节轴线11旋转。所述第一关节1的输入连接法兰与第一连杆9固定连接，所述第一连杆9的末端同第二关节2的输入连接法兰连接；

所述第二关节2的输出连接法兰同所述连接支架12固定连接，所述连接支架12可绕轴线21旋转。

所述第二连杆14通过轴承与所述连接支架12连接，同时与第三关节3的输出连接法兰固定连接并绕轴线31旋转。

所述第三关节3、第四关节电机壳10与所述连接支架12固定连接。

所述第四关节电机壳10内的电机通过法兰同所述第三连杆15固定连接。所述第三连杆15、第四连杆13、第四关节4、第二连杆14通过第二铰链13b、第一铰链13a及第二连杆14两端轴承依次连接。所述第二连杆14可绕轴线41旋转。所述第四关节4的外壳同所述第二连杆14固定连接。

所述第五连杆16的一端同所述第4关节4的外壳通过轴承连接并可绕轴线41旋转。所述第五连杆16的末端同所述第五关节5的输出连接法兰连接并可绕第五关节轴线51旋转。

所述第七连杆19的末端同所述第四关节4内的电机输出连接法兰连接并可绕轴线41旋转。所述第八连杆18的末端同所述第七连杆19的一端通过第四铰链18b连接并可绕该铰链轴线旋转。所述第八连杆18的末端同所述第五关节5通过第三铰链18a连接并可绕该铰链轴线旋转。

所述第五关节5的输入连接法兰同所述第六关节6的输出连接法兰固定连接。所述第6关节的输出连接法兰同所述第六连杆17固定连接，所述第六连杆17的末端同所述第七关节7的输入连接法兰固定连接并可绕轴线61旋转，所述第七关节7的输出连接法兰同所述末端执行器连接法兰8的输入端固定连接，所述末端执行器连接法兰8可绕轴线71旋转。

特别地，由前述可知，因第四关节4的电机在第四关节电机壳10内，同第三关节3的电机都固定安装于同一连接支架12上，构成所述平行四边形机构为一封闭的运动链，所以所述的第三关节3和第四关节4是并联连接的机构形式。

特别地，所述第五关节5的电机安装于第四关节4的内部，第四关节4的电机安装在第四关节电机壳10内，与相应连杆18、19、16、第五关节5组成的所述平行四边形机构包含两个独立的运动分支，并构成一封闭的运动链，所以所述的第四关节4和第五关节5是并联连接的机构形式。

其他关节之间，即第一关节1、第二关节2、第三关节3之间是依次串联连接的机构形式，第五关节5、第六关节6、第七关节7之间是依次串联连接的机构形式。

本发明优选例的技术方案包括依次连接的基座0、第一关节1、第一连杆9、第二关节2、连接支架12、第三关节3、第四关节电机壳10、第二连杆14、第三连杆15、第四连杆13、第四关节4、第五连杆16、第七连杆19、第八连杆18、第五关节5、第六关节6、第六连杆17、第七关节7和末端执行器连接法兰8。末端执行器连接法兰8的末端可安装手爪、加工工具、摄像机等作业设备。其中，除了第五关节5内没有电机及其他集成驱动单元部件外，每一个关节的壳体中都有相同的集成驱动单元，包括伺服电机、减速机、扭矩传感器、输出连接法兰、输入连接法兰、伺服电机驱动器、编码器、抱闸、连接件、套管、电缆线等。

所述第一关节1的第一关节轴线11同所述第二关节轴线21、第三关节轴线31在空间上交于一点；所述第五关节5的第五关节轴线51同所述第六关节轴线61、第七关节轴线71在空间上交于一点；所述第三关节轴线31同所述第四关节轴线41、第五关节轴线51相互平行。

所述第四连杆13两端设有第一铰链13a、第二铰链13b，分别固连在所述第四关节4、第三连杆15上。所述第二连杆14绕第四关节4旋转的回转点为O₃。所述连接第一铰链13a、第二铰链13b的中心及O₁、O₃的连线构成一个平行四边形结构。相应地，所述第二连杆14、第三连杆15、第四连杆13、第四关节4组成一个平行四杆传动机构。

所述第四关节的电机下移并安装于第四关节电机壳10内，降低了机械臂的转动惯量及肩、肘部电机力矩。通过第三连杆15、第四连杆13、第五连杆16、第二连杆14组成的平行四边形结构的平行四杆机构将第四关节电机壳10内的第四关节电机输出力矩传递给第四关节4。

所述第八连杆18两端设有第三铰链18a、第四铰链18b，分别固连在所述第五关节5、第七连杆19上。所述连接第三铰链18a、第四铰链18b的中心及O₂、O₃的连线构成一个平行四边形结构。相应地，所述第五连杆16、第七连杆19、第八连杆18、第五关节5上延伸到第三铰链18a的部分组成一个平行四杆传动机构。

所述第五关节5的电机下移并安装于第四关节4的内部，降低了机械臂的转动惯量及肩、肘部电机力矩。通过第七连杆19、第八连杆18、第五关节5、第五连杆16组成的平行四边形结构的平行四杆机构将第四关节4内的第五关节电机输出力矩传递给第五关节5。

所述的第三关节3和第四关节4是并联连接的机构构型形式，所述第四关节4和第五关节5是并联连接的机构构型形式。其他关节之间，即第一关节1、第二关节2、第三关节3之间是依次串联连接的机构形式。第五关节5、第六关节6、第七关节7之间是依次串联连接的机构形式。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种七自由度串并混联的机械臂构型，其特征在于，包括基座(0)、第一关节(1)、第二关节(2)、第三关节(3)、第四关节(4)、第五关节(5)、第六关节(6)以及第七关节(7)；

分别将第一关节(1)、第二关节(2)、第三关节(3)、第四关节(4)、第五关节(5)、第六关节(6)、第七关节(7)的轴线记为第一关节轴线(11)、第二关节轴线(21)、第三关节轴线(31)、第四关节轴线(41)、第五关节轴线(51)、第六关节轴线(61)、第七关节轴线(71)；

所述第一关节轴线(11)、第二关节轴线(21)以及第三关节轴线(31)在空间上交于一点O₁；

所述第五关节轴线(51)、第六关节轴线(61)以及第七关节轴线(71)在空间上交于一点O₂；

第四关节(4)旋转的回转点为O₃；

所述第三关节轴线(31)、第四关节轴线(41)以及第五关节轴线(51)平行；

所述七自由度串并混联的机械臂构型还包括第一连杆(9)、连接支架(12)、第二连杆(14)、第五连杆(16)以及第六连杆(17)；

所述第一关节(1)设置在基座(0)上；所述第一关节(1)能够相对于基座(0)绕第一关节轴线(11)旋转；所述第一关节(1)通过第一连杆(9)与第二关节(2)相连接；

所述第二关节(2)与连接支架(12)固定连接；所述连接支架(12)能够绕第二关节轴线(21)旋转；

所述第二连杆(14)的一端与第三关节(3)相连接，另一端与第四关节(4)相连接；所述第二连杆(14)能够绕第三关节轴线(31)和/或第四关节轴线(41)旋转；

所述第五连杆(16)的一端与第四关节(4)相连接，另一端与第五关节(5)相连接；所述第五连杆(16)能够绕第四关节轴线(41)和/或第五关节轴线(51)旋转；

所述第五关节(5)与第六关节(6)相连接；

所述第六关节(6)通过第六连杆(17)与第七关节(7)相连接；所述第六连杆(17)能够绕第六关节轴线(61)旋转；

除第五关节(5)外，所述第一关节(1)、第二关节(2)、第三关节(3)、第四关节(4)、第六关节(6)以及第七关节(7)的关节壳体内均设置有电机和集成驱动单元部件；

除第四关节(4)和第五关节(5)外，所述第一关节(1)、第二关节(2)、第三关节(3)、第六关节(6)以及第七关节(7)这五个关节均通过设置在自身关节壳体内的电机和集成驱动单元部件进行驱动；

所述第五关节(5)通过设置在第四关节(4)关节壳体内的电机和集成驱动单元部件进行驱动；

所述第四关节(4)通过设置在第四关节电机壳(10)内的电机和集成驱动单元部件进行驱动；

所述第四关节电机壳(10)固定设置在连接支架(12)上。

2.根据权利要求1所述的七自由度串并混联的机械臂构型，其特征在于，所述第七关节(7)上设置有末端执行器连接法兰(8)；所述末端执行器连接法兰(8)能够绕第七关节轴线(71)旋转。

3.根据权利要求1所述的七自由度串并混联的机械臂构型，其特征在于，所述七自由度串并混联的机械臂构型中七组电机和集成驱动单元部件采用相同的电机和相同的集成驱动单元部件；其中，所述七组电机和集成驱动单元部件是指设置在如下七个位置的电机和集成驱动单元部件：

第一关节(1)的关节壳体内、第二关节(2)的关节壳体内、第三关节(3)的关节壳体内、第四关节(4)的关节壳体内、第六关节(6)的关节壳体内、第七关节(7)的关节壳体内以及第四关节电机壳(10)内；

所述相同的集成驱动单元部件包括伺服电机、减速机、扭矩传感器、输出连接法兰、输入连接法兰、伺服电机驱动器、编码器、抱闸、连接件、套管以及电缆线中的任一种或任多种组合。

4.根据权利要求1所述的七自由度串并混联的机械臂构型，其特征在于，所述七自由度串并混联的机械臂构型还包括第四连杆(13)和第三连杆(15)；

所述第三连杆(15)与第四关节电机壳(10)内的电机输出机械传动连接；

所述第四连杆(13)的两端分别设置有第一铰链(13a)、第二铰链(13b)；所述第四连杆(13)分别通过第一铰链(13a)、第二铰链(13b)活动或者转动连接在第五连杆(16)、第三连杆(15)上；

所述第一铰链(13a)中心、第二铰链(13b)中心、O₁以及O₃这四点的连线构成平行四边形结构，从而使得第二连杆(14)、第三连杆(15)、第四连杆(13)以及第四关节(4)延伸到第一铰链(13a)的部分组成一个平行四杆传动机构。

5.根据权利要求1所述的七自由度串并混联的机械臂构型，其特征在于，所述七自由度串并混联的机械臂构型还包括第八连杆(18)和第七连杆(19)；

所述第七连杆(19)与第四关节(4)关节壳体内的电机输出机械传动连接；

所述第八连杆(18)的两端分别设置有第三铰链(18a)、第四铰链(18b)；所述第八连杆(18)分别通过第三铰链(18a)、第四铰链(18b)活动连接在第五关节(5)、第七连杆(19)上；

所述第三铰链(18a)中心、第四铰链(18b)中心、O₂以及O₃这四点的连线构成平行四边形结构，从而使得第五连杆(16)、第七连杆(19)、第八连杆(18)以及第五关节(5)延伸到第三铰链(18a)的部分组成一个平行四杆传动机构。

6.根据权利要求4所述的七自由度串并混联的机械臂构型，其特征在于，所述第四关节(4)通过第三连杆(15)、第四连杆(13)、第四关节(4)以及第二连杆(14)组成的平行四杆机构将第四关节电机壳(10)内电机的输出力矩传递给第四关节(4)；

由第三关节(3)内电机、第四关节电机壳(10)内电机分别驱动此平行四杆机构的两个连杆：第三连杆(15)和第二连杆(14)，并形成末端闭合于第四关节(4)的封闭的运动链，因此是并联驱动的平行四杆构型形式。

7.根据权利要求5所述的七自由度串并混联的机械臂构型，其特征在于，所述第五关节(5)通过第七连杆(19)、第八连杆(18)、第五关节(5)以及第五连杆(16)组成的平行四杆机构将第四关节(4)内电机的输出力矩传递给第五关节(5)；

由第四关节电机壳(10)内电机、第四关节(4)内电机分别驱动此平行四杆机构的两个连杆：第五连杆(16)和第七连杆(19)，并形成末端闭合于第五关节(5)的封闭的运动链，因此是并联驱动的平行四杆构型形式；

第一关节(1)、第二关节(2)、第三关节(3)是依次串联的构型形式，第5关节(5)、第六关节(6)、第七关节(7)是依次串联的机构构型形式。

8.一种机械臂，其特征在于，所述机械臂采用权利要求1至7中任一项所述的七自由度串并混联的机械臂构型。

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