CN111702744A - 一种可双臂协作的仿人机械双臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可双臂协作的仿人机械双臂由左臂、机架、右臂组成。所述左臂右臂均由相同的肩部、大臂、肘部、小臂、腕部组成。所述机架两边均含有机架俯仰关节，机架通过机架俯仰开关与肩部连接，所述肩部含有肩部偏航关节，且与大臂连接，所述大臂含有大臂俯仰关节，且与肘部连接，所述肘部含有肘部滚动关节，且肘部与小臂连接，所述小臂含有小臂俯仰关节，且与腕部连接，所述腕部含有腕部滚动关节，且与末端执行机构连接，各关节由电机驱动，对人体手臂进行了高度仿生；该机械双臂一共具有12个自由度，能够普遍应用于机器人领域的个人二次开发。

Description

一种可双臂协作的仿人机械双臂

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种可协作的仿人机械双臂。

背景技术

随着生产力的不断发展，在高精度，高强度，高危险工作中，机器人的应用越来越广泛，各种场合的变化需求也越来越高，例如在核燃料的清理、外科手术、康复护理、机器人示教等等的不同工作场合中对仿人的机械臂的需求愈加迫切，在双臂协作的场合中，双臂协作的机械双臂更是供不应求，同时为响应2019未来科技(智能制造)十大事件之一双臂协作机器人。

专利号201910019140.6，名称为“一种步进型多自由度仿人型双臂机器人”的专利，公开了一种多自由度仿人型双臂机器人，包括搅拌机械臂、夹持机械臂、机身，其中搅拌机械臂与夹持机械臂均具有六个自由度，六个自由度分别是俯仰关节、偏航关节、偏航关节、滚动关节、偏航关节、滚动关节。

该仿生机械双臂存在以下不足：1、该机械双臂的肩部由俯仰关节、偏航关节、偏航关节组成，仿人程度较低；2、该机械双臂采用步进电机驱动所达到的末端执行机构的精度要求一般；3、该机械双臂肩部由俯仰关节、偏航关节、偏航关节构成，灵活性不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种可双臂协作的仿人机械臂，以解决现有的机械双臂协作的仿人结构程度低、控制精度要求不高、灵活性不足等缺陷。

本发明所采用的技术方案是：

一种可双臂协作的仿人机械双臂，包括：机架、左臂、右臂；所述左臂右臂均由相同的肩部、大臂、肘部、小臂、腕部组成。所述机架两边均含有机架俯仰关节，机架通过机架俯仰开关与肩部连接，所述肩部含有肩部偏航关节，且与大臂连接，所述大臂含有大臂俯仰关节，且与肘部连接，所述肘部含有肘部滚动关节，且肘部与小臂连接，所述小臂含有小臂俯仰关节，且与腕部连接，所述腕部含有腕部滚动关节，且与末端执行机构连接，各关节由电机驱动。

更进一步地是，所述机架由X型交叉支撑架、减速器支架连接组成，所述机架左、右两侧均设有上部电机支架、导线架和第一谐波减速器，所述上部电机支架上设有第一直流电机、带壳驱动器，所述第一直流电机与所述第一谐波减速器通过同步带连接，所述导线架设在所述第一谐波减速器的一端同步带的一侧，所述第一谐波减速器的另一端上设有第一限位环，且连接有髋关节支座，所述髋关节支座上设有第一行程开关。

更进一步地是，所述肩部偏航关节包括第二谐波减速器、第二直流电机支架、交叉滚子轴承、垫片，所述第二谐波减速器固定在所述髋关节支座一端，且所述第二谐波减速器上设有第二限位环，所述髋关节靠近所述第二限位环处设有第二行程开关，所述交叉滚子轴承与所述垫片固定在所述髋关节支座的另一端，所述第二直流电机支架上固定有第二直流电机、大臂连接件，所述第二直流电机与所述第二谐波减速器通过同步带连接。

更进一步地是，所述大臂俯仰关节包括大臂固定架、第三直流电机、第三谐波减速器，所述大臂固定架与所述大臂连接件紧固连接，所述大臂固定架上设有两个带壳驱动器，所述第三直流电机与所述第三谐波减速器连接，所述第三谐波减速器上设有第三限位环。

更进一步地是，所述肘部滚动关节包括肘部上臂关节轴、肘部关节固定板、肘部减速器上固定板、第四谐波减速器、肘部减速器下固定板、肘关节下臂，肘部上臂关节轴设于肘部关节固定板上，第四谐波减速器通过肘部减速器上固定板和肘部减速器下固定板固定于肘部关节固定板上，肘关节下臂与第四谐波减速器相连接；所述肘部上臂关节轴上设有第三行程开关、带壳驱动器，所述肘部关节固定板上设有第四直流电机，所述第四直流电机与所述第四谐波减速器通过同步带连接，所述第四谐波减速器上设有第四限位环，所述肘部减速器下固定板上设有第四行程开关。

更进一步地是，所述小臂俯仰关节包括小臂直流电机固定板、小臂减速器固定板、第五谐波减速器，所述小臂直流电机固定板内部设有第五直流电机、外部设有带壳驱动器、一端与肘关节下臂连接，所述第五直流电机与所述第五谐波减速器直接连接，所述第五谐波减速器上设有第五限位环，所述小臂减速器固定板上设有第五行程开关。

更进一步地是，所述腕部滚动关节包括腕部上臂关节轴、腕部关节固定板、腕部减速器上固定板、第六谐波减速器、腕部减速器下固定板、腕关节下臂，所述腕部上臂关节轴设于腕部关节固定板上，第六谐波减速器通过腕部减速器上固定板和腕部减速器下固定板固定于腕部关节固定板上，所述腕关节下臂与第六谐波减速器连接，所述腕部上臂关节上设有带壳驱动器、且与第五谐波减速器连接，所述腕部关节固定板上设有第六直流电机，所述第六直流电机与所述第六谐波减速器通过同步带连接，所述第六谐波减速器上设有第六限位环，所述腕部减速器下固定板上设有第六行程开关，所述腕关节下臂用于与末端执行机构连接。

本发明的有益效果为：

本发明通过前三个俯仰关节、偏航关节、俯仰关节的配合实现了人体肩部球状关节的仿生；通过肘部滚动关节、俯仰关节的配合实现了机械臂对人手腕部的仿生；通过腕部的滚动关节对人体的腕部关节进行仿生。本发明中机械双臂各关节采用伺服直流电机驱动且各关节设有限位环，行程开关，极大的提高了对末端执行机构的控制精度；各相邻关节轴线之间相互垂直，每个机械臂有六个自由度，灵活性更好。

附图说明

图1为本发明提供的可双臂协作的仿人机械双臂的整体结构示意图1；

图2为本发明提供的可双臂协作的仿人机械双臂的整体结构示意图2；

图3为机架俯仰关节的结构示意图；

图4为肩部偏航关节的结构示意图；

图5为大臂俯仰关节的结构示意图；

图6为肘部滚动关节的结构示意图；

图7为小臂俯仰关节的结构示意图；

图8为腕部滚动关节的结构示意图；

图中，1、机架；2、肩部；3、大臂；4、肘部；5、小臂；6、腕部；7、X型交叉支撑架；8、减速器支架；9、上部电机支架；10、导线架；11、第一谐波减速器；12、髋关节支座；13、第一直流电机；14、带壳驱动器；15、同步带；16、第一限位环；17、第一行程开关；18、第二谐波减速器；19、第二直流电机支架；20、交叉滚子轴承；21、第二限位环；22、第二行程开关；23、第二直流电机；24、大臂连接件；25、大臂固定架；26、第三直流电机；27、第三谐波减速器；28、第三限位环；29、第三行程开关；30、肘部上臂关节轴；31、肘部关节固定板；32、肘部减速器上固定板；33、第四谐波减速器；34、肘部减速器下固定板；35、肘关节下臂；36、第四直流电机；37、第四限位环；38、第四行程开关；39、小臂直流电机固定板；40、小臂减速器固定板；41、第五谐波减速器；42、第五直流电机；43、第五限位环；44、第五行程开关；45、腕部上臂关节轴；46、腕部关节固定板；47、腕部减速器上固定板；48、第六谐波减速器；49、腕部减速器下固定板； 50、腕关节下臂；51、第六直流电机；52、第六限位环；53、第六行程开关。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的描述中，需要说明的是，除非有另有明确规定和限定，术语“依次连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-2中所示，本发明实施例提供的可双臂协作的仿人机械双臂，包括机架、左臂、右臂；所述左臂右臂均由相同的肩部、大臂、肘部、小臂、腕部组成。机架1两边均含有机架俯仰关节，机架通过机架俯仰开关与肩部连接，肩部2含有肩部偏航关节，大臂3含有大臂俯仰关节，机架的俯仰关节、肩部的偏航关节、大臂的俯仰关节依次串联，配合实现人体肩部球形关节结构的仿生。肘部4含有肘部滚动关节，小臂5含有小臂俯仰关节，肘部的滚动关节、小臂的俯仰关节依次串联，配合实现手肘关节的仿生。腕部6含有腕部滚动关节，且与末端执行机构连接，实现人体腕部的仿生设计，各关节由电机驱动。

在本发明实施例中，串接的连接方式指在后的部件会随在前的部件一起运动，如本实施例中，肩部偏航关节会随肩部俯仰关节的运动而运动，而肩部偏航关节的运动又会影响肩部横滚关节的运动。

具体地，如图3所示，机架1包括机架由X型交叉支撑架7、减速器支架8连接组成，机架左、右侧均设有上部电机支架9、导线架10、第一谐波减速器11。上部电机支架8上设有第一直流电机13、带壳驱动器14，该驱动器控制电机按要求角度转动，经谐波减速器减速后驱动该关节达到预期的角度。第一直流电机13与第一谐波减速器11通过同步带 15连接，导线架10设在第一谐波减速器11的一端同步带15的一侧，第一谐波减速器11 的另一端上设有第一限位环16，且连接有髋关节支座12，髋关节支座12上设有第一行程开关17，第一限位环16与第一行程开关17用于实现对机架1的俯仰运动的角度控制和启动控制。第一直流电机13通过同步带15带动第一谐波减速器11旋转从而带动髋关节支座12转动，从而实现机架的俯仰运动。

如图4所示，肩部偏航关节包括第二谐波减速器18、第二直流电机支架19、交叉滚子轴承20、垫片。第二谐波减速器18固定在髋关节支座12一端，且第二谐波减速器18 上设有第二限位环21，髋关节支座12靠近第二限位环21处设有第二行程开关22，第二限位环21与第二行程开关22用于实现肩部2的偏航运动的角度控制和启动控制。交叉滚子轴承20与垫片固定在所述髋关节支座12的另一端。第二直流电机支架19上固定有第二直流电机23、大臂连接件24。第二直流电机23与第二谐波减速器18通过同步带15连接，第二直流电机23通过同步带15带动第二谐波减速器18旋转进而带动第二直流电机支架19转动，从而实现肩部2的偏航运动。

如图5-6所示，大臂俯仰关节包括大臂固定架25、第三直流电机26、第三谐波减速器 27。大臂固定架25与大臂连接件24紧固连接，大臂固定架25上设有两个带壳驱动器14，该驱动器控制电机按要求角度转动，经谐波减速器减速后驱动该关节达到预期的角度。第三直流电机26与第三谐波减速器27连接，且带动第三谐波减速器27旋转，从而实现大臂3的俯仰运动。第三谐波减速器27上设有第三限位环28，用于实现大臂3的俯仰运动的角度控制。

如图6所示，肘部滚动关节包括肘部上臂关节轴30、肘部关节固定板31、肘部减速器上固定板32、第四谐波减速器33、肘部减速器下固定板34、肘关节下臂35。肘部上臂关节轴30设于肘部关节固定板31上，与第三谐波减速器27相连，第三谐波减速器27旋转带动右肘上臂关节轴30转动。第四谐波减速器33通过肘部减速器上固定板32和肘部减速器下固定板34固定于肘部关节固定板31上，肘关节下臂35与第四谐波减速器33相连接。肘部上臂关节轴30上设有第三行程开关29、带壳驱动器14，该驱动器控制电机按要求角度转动，经谐波减速器减速后驱动该关节达到预期的角度。肘部关节固定板上设有第四直流电机36，第四直流电机36与第四谐波减速器33通过同步带15连接，带动第四谐波减速器33旋转，进而带动肘部肘关节下臂35转动，实现肘部4的滚动运动。第四谐波减速器上33设有第四限位环37，肘部减速器下固定板34上设有第四行程开关38，第四限位环37与第四行程开关用于实现肘部4的滚动运动的角度控制与启动控制。

如图7-8所示，小臂俯仰关节包括小臂直流电机固定板39、小臂减速器固定板40、第五谐波减速器41。小臂直流电机固定板39内部设有第五直流电机42、外部设有带壳驱动器14，该驱动器控制电机按要求角度转动，经谐波减速器减速后驱动该关节达到预期的角度。一端与肘关节下臂连接。第五直流电机42与所述第五谐波减速器41直接连接，带动第五谐波减速器旋转，实现小臂5的俯仰运动。第五谐波减速器上41设有第五限位环43，小臂减速器固定板40上设有第五行程开关44，用于实现小臂5的俯仰运动的角度控制和启动控制。

如图8所示，腕部滚动关节包括腕部上臂关节轴45、腕部关节固定板46、腕部减速器上固定板47、第六谐波减速器48、腕部减速器下固定板49、腕关节下臂50。所述腕部上臂关节轴45设于腕部关节固定板46上，与第五谐波减速器41相连，进而带动腕部上臂关节轴45转动，第六谐波减速器48通过腕部减速器上固定板47和腕部减速器下固定板49固定于腕部关节固定板46上，所述腕关节下臂50与第六谐波减速器48连接，腕部上臂关节轴45上设有带壳驱动器14，该驱动器控制电机按要求角度转动，经谐波减速器减速后驱动该关节达到预期的角度。腕部关节固定板46上设有第六直流电机51。第六直流电机51与第六谐波减速器48通过同步带15连接，带动第六谐波减速器48旋转，进而带动腕关节下臂50转动，实现腕部6的滚动运动。第六谐波减速器48上设有第六限位环 52，腕部减速器下固定板49上设有第六行程开关53，用于实现腕部6的滚动运动的角度控制和启动控制。腕关节下臂50用于与末端执行机构连接。

本发明提供的可双臂协作的仿人机械双臂包含有肩关节三个自由度，肘关节两个自由度，腕关节一个自由度，可模拟人体末端的运动姿态。各关节之间轴线相互垂直，灵活性高。结构上设有小孔过线、限位环、行程开关，对关节角度控制强，精度高。

以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种可双臂协作的仿人机械双臂，其特征在于，包括：机架、左臂、右臂；所述左臂右臂均由相同的肩部、大臂、肘部、小臂、腕部组成。所述机架两边均含有机架俯仰关节，机架通过机架俯仰开关与肩部连接，所述肩部含有肩部偏航关节，且与大臂连接，所述大臂含有大臂俯仰关节，且与肘部连接，所述肘部含有肘部滚动关节，且肘部与小臂连接，所述小臂含有小臂俯仰关节，且与腕部连接，所述腕部含有腕部滚动关节，且与末端执行机构连接，各关节由电机驱动。

2.如权利要求1所述的可双臂协作的仿人机械双臂，其特征在于，所述机架由X型交叉支撑架、减速器支架连接组成，所述机架左、右两侧均设有上部电机支架、导线架和第一谐波减速器，所述上部电机支架上设有第一直流电机、带壳驱动器，所述第一直流电机与所述第一谐波减速器通过同步带连接，所述导线架设在所述第一谐波减速器的一端同步带的一侧，所述第一谐波减速器的另一端上设有第一限位环，且连接有髋关节支座，所述髋关节支座上设有第一行程开关。

3.如权利要求2所述的可双臂协作的仿人机械双臂，其特征在于，所述肩部偏航关节包括第二谐波减速器、第二直流电机支架、交叉滚子轴承、垫片，所述第二谐波减速器固定在所述髋关节支座一端，且所述第二谐波减速器上设有第二限位环，所述髋关节靠近所述第二限位环处设有第二行程开关，所述交叉滚子轴承与所述垫片固定在所述髋关节支座的另一端，所述第二直流电机支架上固定有第二直流电机、大臂连接件，所述第二直流电机与所述第二谐波减速器通过同步带连接。

4.如权利要求3所述的可双臂协作的仿人机械双臂，其特征在于，所述大臂俯仰关节包括大臂固定架、第三直流电机、第三谐波减速器，所述大臂固定架与所述大臂连接件紧固连接，所述大臂固定架上设有两个带壳驱动器，所述第三直流电机与所述第三谐波减速器连接，所述第三谐波减速器上设有第三限位环。

5.如权利要求4所述的可双臂协作的仿人机械双臂，其特征在于，所述肘部滚动关节包括肘部上臂关节轴、肘部关节固定板、肘部减速器上固定板、第四谐波减速器、肘部减速器下固定板、肘关节下臂，肘部上臂关节轴设于肘部关节固定板上，与第三谐波减速器相连，第四谐波减速器通过肘部减速器上固定板和肘部减速器下固定板固定于肘部关节固定板上，肘关节下臂与第四谐波减速器相连接；所述肘部上臂关节轴上设有第三行程开关、带壳驱动器，所述肘部关节固定板上设有第四直流电机，所述第四直流电机与所述第四谐波减速器通过同步带连接，所述第四谐波减速器上设有第四限位环，所述肘部减速器下固定板上设有第四行程开关。

6.如权利要求5所述的可双臂协作的仿人机械双臂，其特征在于，所述小臂俯仰关节包括小臂直流电机固定板、小臂减速器固定板、第五谐波减速器，所述小臂直流电机固定板内部设有第五直流电机、外部设有带壳驱动器、一端与肘关节下臂连接，所述第五直流电机与所述第五谐波减速器直接连接，所述第五谐波减速器上设有第五限位环，所述小臂减速器固定板上设有第五行程开关。

7.如权利要求6所述的可双臂协作的仿人机械双臂，其特征在于，所述腕部滚动关节包括腕部上臂关节轴、腕部关节固定板、腕部减速器上固定板、第六谐波减速器、腕部减速器下固定板、腕关节下臂，所述腕部上臂关节轴设于腕部关节固定板上，与第五谐波减速器相连，第六谐波减速器通过腕部减速器上固定板和腕部减速器下固定板固定于腕部关节固定板上，所述腕关节下臂与第六谐波减速器连接，所述腕部上臂关节上设有带壳驱动器、且与第五谐波减速器连接，所述腕部关节固定板上设有第六直流电机，所述第六直流电机与所述第六谐波减速器通过同步带连接，所述第六谐波减速器上设有第六限位环，所述腕部减速器下固定板上设有第六行程开关，所述腕关节下臂用于与末端执行机构连接。

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