CN111360787A - 七自由度串并混联机械臂及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种七自由度串并混联机械臂，包括依次连接的基座、第一关节、第一连杆、第二关节、连接支架、第三关节、第二连杆、第四关节、第五连杆、第五关节、第六关节、第六连杆、第七关节和末端执行器连接法兰；第三关节和第四关节之间还设有第三连杆和第四连杆，第四连杆的一端连接第四关节，另一端连接第三连杆，第三连杆连接第四关节的电机壳体；第三连杆、第四连杆、第四关节、第二连杆构成平行四杆传动机构；第三关节的轴线、第四关节的轴线、第五关节的轴线相互平行。本发明的七自由度串并混联式协作机械臂新构型，在主运动空间的常用可达范围处的操作灵活性好；同时还降低了基座附近电机的负载扭矩和降低了整个机械臂转动惯量。

Description

七自由度串并混联机械臂及机器人

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机械臂及机器人。

背景技术

以灵巧型机械臂为代表的协作式机器人在近年迅速发展，在多个领域得到广泛应用。根据仿生学原理，关节型机械臂模拟动物和人类肢体，具有了优于其他类型机器人的动作能力。例如人的手臂具有7个自由度，是最灵活的生理结构，因此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，并基于模块化设计的思想，每个关节结构和尺寸相同，降低了机械臂的制造和安装成本，但这种构型的缺点是构成主运动平面(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，相距较远，而且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。另外，由于关节内电机等驱动部件质量较大，随着关节逐级串联，距离基座较近的关节所需承受的扭矩和惯性力相应增加，机械臂的动力学特性变差。

经过对现有技术的检索，申请号为201720994756.1的实用新型公开了一种五自由度机械臂，包括腰部、减速器、基座、腰部伺服电机、肩部伺服电机、第一大臂丝杠、第一大臂滑块、第一肘部推杆、第一肘部连杆、大臂连板、腕部伺服电机、末端执行器连接件、小臂、第二肘部连杆、第二大臂滑块、第二大臂丝杠、第二肘部推杆、大臂基座、第一大臂伺服电机、第二大臂伺服电机；第一肘部推杆一端和第二肘部推杆一端分别与第一大臂滑块可转动连接，第一肘部推杆另一端与第一肘部连杆一端相连，第一肘部连杆与第二大臂滑块可转动连接；第二肘部推杆另一端与第二肘部连杆一端相连，第二肘部连杆与第二大臂滑块可转动连接。该机械臂的在主运动平面内的灵活度和自由度不够，而且整个机械臂转动惯量比较大。

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机械臂。

根据本发明提供的一种七自由度串并混联机械臂，包括依次连接的基座、第一关节、第一连杆、第二关节、连接支架、第三关节、第二连杆、第四关节、第五连杆、第五关节、第六关节、第六连杆、第七关节和末端执行器连接法兰，所述连接支架上连接有第四关节电机壳体；所述第三关节和所述第四关节之间还设有第三连杆和第四连杆，所述第四连杆的一端连接所述第四关节，另一端连接所述第三连杆，所述第三连杆与所述第四关节的电机壳体连接。与通常的平行四杆传动机构不同的是，所述第二连杆由第三关节内的电机驱动，所述第三连杆由第四关节电机壳体内的电机驱动，即平行四杆传动机构的两个连杆分别由两个独立的电机单独驱动，并构成封闭的运动链，因此，所述第三连杆、第四连杆、第四关节、第二连杆构成了并联结构的平行四杆传动机构。

优选地，所述第三关节的轴线、第四关节的轴线、第五关节的轴线相互平行。

优选地，所述连接支架为E形结构，后侧与所述第二关节连接，前侧依次为同轴设置的第一连接部、第二连接部以及第三连接部；所述第三关节输出连接法兰延长轴穿过第三连接部后与第二连接部固定；所述第四关节电机壳体的输出连接法兰延长轴穿过第一连接部后与第二连接部固定，所述第三连杆连接所述第四关节电机壳体的输出连接法兰延长轴；所述第一连接部的外侧与所述第四关节电机壳体固定，所述第三连接部的外侧与所述第三关节的外壳固定。

优选地，所述第四关节电机壳体同所述第三关节位于所述第二连杆的两侧并且等高同轴，第四关节的电机壳体内安装所述第四关节的电机，所述第四关节的电机通过平行四杆传动机构将输出力矩传递给所述第四关节。

优选地，所述第四连杆的一端通过铰链连接所述第四关节，另一端通过铰链与所述第三连杆连接。

优选地，所述第一关节的轴线与所述基座同轴心，所述第一关节的轴线、第二关节的轴线、第三关节的轴线在空间相交于一点。

优选地，所述第五关节的轴线、第六关节的轴线、第七关节的轴线在空间相交于一点，所述第七关节的轴线与所述末端执行器连接法兰的轴线同轴心。

优选地，所述第三关节和所述第四关节位于所述第二连杆的两侧，所述第五关节和所述第四关节位于所述第五连杆的同侧。

优选地，所述第一关节、第二关节、第三关节、第五关节、第六关节以及第七关节的内部结构相同，均包括输入连接法兰、伺服电机驱动器、伺服电机、转轴、减速机、力矩传感器、输出连接法兰、电磁编码器和抱闸，所述输入连接法兰将上一关节的输出扭矩传递给所述伺服电机驱动器，所述伺服电机驱动器与伺服电机连接并提供控制电流和输入功率，所述伺服电机输出扭矩和转速，带动所连接的转轴转动，所述转轴带动减速机减速后通过力矩传感器测得本级关节的负载力矩，所述力矩传感器将力矩和转速传递至输出连接法兰，所述输出连接法兰将本关节的输出扭矩传递给下一关节；所述转轴上远离输出连接法兰的一端还安装电磁编码器和抱闸，所述电磁编码器用于检测关节的转角，所述抱闸用于在系统失电后锁死关节。

本发明还提供一种机器人，包括上述所述的七自由度串并混联机械臂。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明的七自由度串并混联机械臂，第三关节和第四关节是并联的结构形式，第四关节的电机位置下移到与第三关节等高并且同轴，达到了降低基座附近电机的负载扭矩和降低整个机械臂转动惯量的目的。

2、本发明的七自由度串并混联机械臂，将第三、四、五关节设计为轴线相互平行且相互相邻的构型形式，相互平行的第三、四、五关节的转动构成了机械臂在位于铅垂面内的主运动平面，机械臂在主运动平面内可更加快捷地到达指定工作点。

3、本发明的七自由度串并混联机械臂，第三关节和第二关节等高，到机械臂末端的距离相等，这样第三、四、五关节转动构成的主运动平面运动范围更大，可更加快捷地到达指定工作点，机械臂末端的运动更灵活，即主运动空间的常用可达范围处的操作灵活性更好。

4、本发明的七自由度串并混联机械臂，在保证第三、四、五关节设计为轴线相互平行且相互相邻的构型前提下，仍保证肩部的三关节即第一、二、三关节的轴线相交于一点，腕部的三关节即第五、六、七关节的轴线相交于一点，这样简化了机械臂的运动学计算模型，方便机械臂运动学解算。

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为本发明的立体图；

图2为本发明的主视图；

图3为本发明的左视图；

图4为本发明连接支架的双剖面图；

图5为本发明连接支架的单剖面图；

图6为本发明第三连杆的结构示意图；

图7为本发明的局部放大图；

图8为本发明的各个关节内部结构示意图。

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。

实施例

如图1至图8所示，一种七自由度串并混联机械臂，包括依次连接的基座18、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、第二连杆14、第四关节4、第五连杆16、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，连接支架12上连接有第四关节电机壳体10；第四关节电机壳体10同第三关节3位于第二连杆14的两侧并且等高同轴；

第三关节3和第四关节4之间还设有第三连杆15和第四连杆13，第四连杆13的一端通过铰链131连接第四关节4，另一端通过铰链132连接第三连杆15，第三连杆15与第四关节的电机壳体10连接。与通常的平行四杆传动机构不同的是，第二连杆14由第三关节3内的电机驱动，第三连杆15由第四关节电机壳体10内的电机驱动，即平行四杆传动机构的两个连杆分别由两个独立的电机单独驱动，并构成封闭的运动链，因此，第三连杆15、第四连杆13、第四关节4、第二连杆14构成并联结构的平行四杆传动机构。

连接支架12为E形结构，后侧与第二关节2连接，前侧依次为同轴设置的第一连接部121、第二连接部122以及第三连接部123；第三关节3输出连接法兰延长轴301穿过第三连接部123后与第二连接部122固定；第四关节电机壳体10的输出连接法兰延长轴101穿过第一连接部121后与第二连接部122固定；第一连接部121的外侧与第四关节电机壳体10固定，第三连接部123的外侧与第三关节3的外壳固定。

具体连接关系如下：

基座18的上部连接法兰与第一关节1的输出连接法兰固定连接并可绕轴线11旋转；第一关节1的输入连接法兰与第一连杆9的一端固定连接，第一连杆9的另一端同第二关节2的输入连接法兰连接，第二关节2的输出连接法兰和连接支架12固定连接，连接支架12可绕轴线21旋转；第三关节3的输出连接法兰延长轴301支撑于第三连接部123的轴承1231和第二连接部122的轴承1222上，并同第三关节3的输出连接法兰固定连接，可绕轴线31旋转，第二连杆14的一端通过轴承连接第四关节4，另一端同第三关节输出连接法兰延长轴301固定连接，可绕轴线31旋转；连接支架12还与第三关节3的外壳、第四关节电机壳体10固定连接。第四关节电机壳10的输出连接法兰延长轴101支撑于第一连接部121的轴承1211和第二连接部122的轴承1221上，并同第四关节电机壳10的输出连接法兰固定连接，可绕轴线31旋转，第三连杆15的一端同输出连接法兰延长轴101固定连接，可绕轴线31旋转，另一端通过铰链132与第四连杆13连接。第四关节的电机壳体10内安装第四关节4的电机，电机同第四关节电机壳体10的输出连接法兰连接，再通过输出连接法兰延长轴101传递扭矩和转速给第三连杆15，然后第三连杆15通过平行四杆传动机构将输出力矩传递给第四关节4。第四关节的电机位置下移到与第三关节等高并且同轴，达到降低基座附近电机的负载扭矩和降低整个机械臂转动惯量的目的；

第二连杆14可绕第四关节4的轴线41旋转，旋转的回转点为O₃；第一关节1的轴线11、第二关节2的轴线21、第三关节3的轴线31交于一点O₁；连接铰链131、132的中心及O₁、O₃的连线构成一个平行四边形结构，相应地，第二连杆14、第三连杆15、第四连杆13、第四关节4组成平行四杆传动机构。第四关节4的外壳同第五连杆16的一端固定连接，第五连杆16的另一端同第五关节5的输出连接法兰连接并可绕轴线51旋转；第五关节5的输入连接法兰同第六关节6的输出连接法兰固定连接，第六关节的输入连接法兰同第六连杆17的一端固定连接，第六连杆17的另一端同第七关节7的输入连接法兰固定连接并可绕轴线61旋转，第七关节7的输出连接法兰同末端执行器连接法兰8的输入端固定连接，末端执行器连接法兰8可绕轴线71旋转。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。

由前述可知，因第四关节4的电机在第四关节电机壳体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，所以第三关节3和第四关节4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，第四关节4、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。

各关节的轴线关系如下：第一关节1的轴线11与基座18同轴心，第一关节1的轴线11、第二关节2的轴线21、第三关节3的轴线31在空间相交于一点O₁；第三关节的轴线31、第四关节的轴线41、第五关节的轴线51相互平行；优选的，第五关节5的直径小于第四关节4的直径，第四关节4的直径和第三关节3的相等；第五关节5的轴线51、第六关节6的轴线61、第七关节7的轴线71在空间相交于一点O₂，第七关节7的轴线71与末端执行器连接法兰8的轴线同轴心。同时，第三关节3和第四关节4位于第二连杆14的两侧，第五关节5和第四关节4位于第五连杆16的同侧。

本发明中，除了第四关节4内没有电机及其他集成驱动单元部件外，第一关节1、第二关节2、第三关节3、第五关节5、第六关节6以及第七关节7的内部结构相同，均包括输入连接法兰、伺服电机驱动器、伺服电机、转轴、减速机、力矩传感器、输出连接法兰、电磁编码器和抱闸。

具体工作原理如下：各元器件安装于关节壳G01内，前一级关节的输出扭矩通过输入连接法兰G02传递给本级关节，本级关节的输出扭矩通过输出连接法兰G03传递给下一级关节。其中伺服电机驱动器G06提供给伺服电机G04控制电流和输入功率，伺服电机G04输出扭矩和转速，带动所连接的转轴G05转动。转轴G05安装于两端的深沟球轴承G11上，其输出扭矩和转速带动安装于连接件G13a上的谐波减速机G07，经谐波减速机G07减速后，带动所连接的连接件G13b，连接件G13b连接力矩传感器G10，通过力矩传感器G10测得本级关节的负载力矩，综合分析各关节的负载力矩可推算出机械臂末端负载、人或障碍物施加到机械臂上的力的大小和方向，实现力控补偿、人机协作、拖动示教、避障等功能。力矩传感器G10传递力矩和转速给连接件G13c，连接件G13c同安装于交叉滚子轴承G12上的输出连接法兰G03连接。为避免干涉，也为了尽可能加大关节转角范围，采用电缆在关节内部走线的方式，关节内部是中空的结构，各元器件都有中心孔，关节两端有护线圈G14，关节的一侧有端盖G15，方便安装和维护。

转轴G05的一端安装有电磁编码器，电磁编码器包括磁环G08a和霍尔元件电路板G08b。通过霍尔效应，霍尔元件电路板G08b可检测到磁环G08a的转动角度，即关节的转角。撞击式抱闸由电磁铁G09a、拨叉G09b和滚轮弹簧挡销G09c组成，功能是在系统失电后可锁死关节，避免机械臂失电后在重力作用下向下摆动，造成事故，同时还具有一定的制动功能。其中，电磁铁G09a固定在关节壳G01上，滚轮弹簧挡销G09c安装于关节壳上的销孔中，可沿着销孔滑动，拨叉G09b上有齿状凸起，安装于转轴G05上并与其同心。撞击式抱闸的工作原理是：电磁铁G09a通电后，其前端推杆伸出并压下滚轮弹簧挡销G09c，此时同转轴G05连接的拨叉G09b不再受滚轮弹簧挡销G09c阻挡，转轴G05可以转动；当电磁铁G09a失电后，其前端推杆缩回，滚轮弹簧挡销G09c抬起复位，拨叉G09b上的齿状凸起受到滚轮弹簧挡销G09c阻挡，转轴G05不能转动，关节被锁死。

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。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

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 (10)

1.一种七自由度串并混联机械臂，其特征在于，包括依次连接的基座(18)、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)、第二连杆(14)、第四关节(4)、第五连杆(16)、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)，所述连接支架(12)上连接有第四关节电机壳体(10)；

所述第三关节(3)和所述第四关节(4)之间还设有第三连杆(15)和第四连杆(13)，所述第四连杆(13)的一端连接所述第四关节(4)，另一端连接所述第三连杆(15)，所述第三连杆(15)与所述第四关节的电机壳体(10)连接；

所述第二连杆(14)由第三关节(3)内的电机驱动，所述第三连杆(15)由第四关节电机壳体(10)内的电机驱动，所述第三连杆(15)、第四连杆(13)、第四关节(4)、第二连杆(14)构成并联结构的平行四杆传动机构。

2.根据权利要求1所述的七自由度串并混联机械臂，其特征在于，所述第三关节的轴线(31)、第四关节的轴线(41)、第五关节的轴线(51)相互平行。

3.根据权利要求1所述的七自由度串并混联机械臂，其特征在于，所述连接支架(12)为E形结构，后侧与所述第二关节(2)连接，前侧依次为同轴设置的第一连接部(121)、第二连接部(122)以及第三连接部(123)；

所述第三关节(3)输出连接法兰延长轴(301)穿过第三连接部(123)后与第二连接部(122)固定；所述第四关节电机壳体(10)的输出连接法兰延长轴(101)穿过第一连接部(121)后与第二连接部(122)固定，所述第三连杆(15)连接所述第四关节电机壳体(10)的输出连接法兰延长轴(101)；

所述第一连接部(121)的外侧与所述第四关节电机壳体(10)固定，所述第三连接部(123)的外侧与所述第三关节(3)的外壳固定。

4.根据权利要求1或3所述的七自由度串并混联机械臂，其特征在于，所述第四关节电机壳体(10)同所述第三关节(3)位于所述第二连杆(14)的两侧并且等高同轴，第四关节的电机壳体(10)内安装所述第四关节(4)的电机，所述第四关节(4)的电机通过平行四杆传动机构将输出力矩传递给所述第四关节(4)。

5.根据权利要求1所述的七自由度串并混联机械臂，其特征在于，所述第四连杆(13)的一端通过铰链(131)连接所述第四关节(4)，另一端通过铰链(132)与所述第三连杆(15)连接。

6.根据权利要求1所述的七自由度串并混联机械臂，其特征在于，所述第一关节(1)的轴线(11)与所述基座(18)同轴心，所述第一关节(1)的轴线(11)、第二关节(2)的轴线(21)、第三关节(3)的轴线(31)在空间相交于一点。

7.根据权利要求1所述的七自由度串并混联机械臂，其特征在于，所述第五关节(5)的轴线(51)、第六关节(6)的轴线(61)、第七关节(7)的轴线(71)在空间相交于一点，所述第七关节(7)的轴线(71)与所述末端执行器连接法兰(8)的轴线同轴心。

8.根据权利要求1所述的七自由度串并混联机械臂，其特征在于，所述第三关节(3)和所述第四关节(4)位于所述第二连杆(14)的两侧，所述第五关节(5)和所述第四关节(4)位于所述第五连杆(16)的同侧。

9.根据权利要求1所述的七自由度串并混联机械臂，其特征在于，所述第一关节(1)、第二关节(2)、第三关节(3)、第五关节(5)、第六关节(6)以及第七关节(7)的内部结构相同，均包括输入连接法兰(G02)、伺服电机驱动器(G06)、伺服电机(G04)、转轴(G05)、减速机(G07)、力矩传感器(G10)、输出连接法兰(G03)、电磁编码器和抱闸，所述输入连接法兰(G02)将上一关节的输出扭矩传递给所述伺服电机驱动器(G06)，所述伺服电机驱动器(G06)与伺服电机(G04)连接并提供控制电流和输入功率，所述伺服电机(G04)输出扭矩和转速，带动所连接的转轴(G05)转动，所述转轴(G05)带动减速机(G07)减速后通过力矩传感器(G10)测得本级关节的负载力矩，所述力矩传感器(G10)将力矩和转速传递至输出连接法兰(G03)，所述输出连接法兰(G03)将本关节的输出扭矩传递给下一关节；所述转轴(G05)上远离输出连接法兰(G03)的一端还安装电磁编码器和抱闸，所述电磁编码器用于检测关节的转角，所述抱闸用于在系统失电后锁死关节。

10.一种机器人，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的七自由度串并混联机械臂。

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