CN113618778A - 一种仿生机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及仿生机械手技术领域，提供一种仿生机械臂,包括：底座；主体组件，其设置在底座的中间位置，主体组件上沿竖直方向设有支撑座，每两个相邻的支撑座之间均活动设有支撑臂；扭转组件，其设置在底座上并处于主体组件的圆周方向上，每个扭转组件上均活动设有摆线以及与驱动件，每组摆线均穿插在所述支撑座上；旋转组件，其设置在底座上，旋转组件一端设有机械爪。与现有技术相比，本发明的优点在于通过将控制主体组件摆动以及控制机械爪旋转的控制机构均设置在底座上，大大的减轻了主体组件的重量，使得本发明的仿生机械臂的结构更加的简单，旋转组件的设置，使本发明的机械臂运用的场合更多，使本发明的实用性更高。

Description

一种仿生机械臂

技术领域

本发明涉及仿生机械手技术领域，具体为一种仿生机械臂。

背景技术

仿生机械臂是指高精度、多输入多输出、高度非线性、强耦合的复杂机械装置。因其独特的操作灵活性已在工业装配,安全防爆等领域得到广泛应用。机械臂是一个复杂系统,存在着参数摄动、外界干扰及未建模动态等不确定性。因而机械臂的建模模型也存在着不确定性，对于不同的任务,需要规划机械臂关节空间的运动轨迹，从而级联构成末端位姿。随着中国老龄化到来和智能设备的普及，人类社会对技术依赖也越来越重。虽然手机解决了通信、娱乐的需求，可以让远在天边的朋友共享信息，但是解决不了近在眼前的生活问题。仿生机械臂作为人类生活和工作的助手，在未来世界中将扮演越来越重要的角色。

已经授予专利权的中国发明专利(授权公告号：CN105619403B)公开了一种仿生机械臂，包括：底座，所述的底座上固定有底座支架和直线运动控制件，所述的底座支架的上端铰接有大臂座,该大臂座与所述直线运动控制件相连接，所述的大臂座与大臂杆的一端相连接,所述的大臂杆的另一端与小臂杆相铰接，所述的大臂杆远离所述小臂杆一端设置有丝杆步进电机，该丝杆步进电机上伸缩杆铰接于所述小臂杆的一端，所述的小臂杆的另一端设置有手爪固定件。该发明的优点在于，结构简单、合理，其充分利用杠杆原理，将控制件远离铰接点设置，不仅起到了省力的作用，减轻了机械臂的重量，而且使末端的受力减小，从而降低对材料以及加工工艺的要求，有效降低了生产成本。既可以完成工业生产需要也可以在生活中担当助手角色，传统机械臂多采用舵机或伺服电机驱动关节，且舵机或者伺服电机均设置在机械臂的主体部分上，如果机械臂关节较多，电机重量就会影响机械臂的工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，而提供一种仿生机械臂。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：提出一种仿生机械臂包括：

底座；

主体组件，其设置在所述底座的中间位置，所述主体组件上沿竖直方向设有两个以上的支撑座，每两个相邻的所述支撑座之间均活动设有两个以上的支撑臂；

扭转组件，其设置在所述底座上并处于所述主体组件的圆周方向上，每个所述扭转组件上均活动设有若干组摆线以及与所述摆线数量相等且能够控制所述摆线松紧的驱动件，每组所述摆线均穿插在所述支撑座上，当所述支撑座一侧的摆线收紧且位于所述支撑座另一侧的摆线放松时，能够带动所述支撑座与支撑臂向着所述收紧的摆线一侧弯曲；

旋转组件，其设置在所述底座上，所述旋转组件一端设有机械爪，所述机械爪可转动的设置在所述主体组件的顶端。

在上述的一种仿生机械臂，每个所述支撑臂的截面均为圆弧形。

在上述的一种仿生机械臂，每个所述支撑臂沿其长度方向的两端均设有第一万向接头，每个所述支撑座上均设有与所述第一万向接头相适配的第二万向接头，每个所述第一万向接头与每个第二万向接头之间均设有连接件。

在上述的一种仿生机械臂，每个所述驱动件上均设有电机，所述电机的输出端设有舵盘，所述摆线的一端缠绕在所述舵盘上，所述电机带动所述舵盘转动时能够带动所述摆线收紧或放松。

在上述的一种仿生机械臂，所述旋转组件还包括旋转电机，其设置在所述主体组件的底部，所述旋转电机的输出端设有转动轴，所述转动轴穿过所述主体组件并连接在所述机械爪的底部。

在上述的一种仿生机械臂，所述转动轴包括若干根活动连接的圆柱杆，每根所述圆柱杆的长度均小于每两个所述支撑座之间的距离。

在上述的一种仿生机械臂，离所述底座最近的所述支撑座的下端设有与所述扭转组件数量相等的支撑杆，每个所述支撑杆上均设有与所述电机数量相等的滑轮，所述摆线与所述滑轮活动抵靠。

在上述的一种仿生机械臂，所述机械爪上设有驱动所述机械爪开合的驱动电机。

在上述的一种仿生机械臂，所述摆线是尼龙绳或者钢丝绳。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过将控制主体组件摆动以及控制机械爪旋转的控制机构均设置在底座上，大大的减轻了主体组件的重量，并且通过驱动件来控制摆线的放松与收紧既可以实现本发明仿生机械臂对空间任意位置上的物品的抓取，使得本发明的仿生机械臂的结构更加的简单，旋转组件的设置，还能够使机械爪对抓取到物品进行旋转，使本发明的机械臂运用的场合更多，使本发明的实用性更高。

附图说明

图1是本发明一种仿生机械臂的立体图；

图2是本发明一种仿生机械臂部分机构的立体图；

图3是本发明一种仿生机械臂支撑臂的立体图；

图4是本发明一种仿生机械臂支撑臂安装在支撑座上时的立体图；

图5是本发明一种仿生机械臂旋转组件的立体图；

图中，底座100、主体组件200、支撑座210、支撑杆212、滚轮213、支撑臂220、第一万向接头221、连接件230、扭转组件300、摆线310、第二万向接头311、电机320、舵盘321、旋转组件400、机械爪410、旋转电机420、转动轴421、圆柱杆421a、驱动电机430。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1至图2所示，本发明的一种仿生机械臂，包括：底座100、主体组件200、扭转组件300以及旋转组件400。

主体组件200设置在底座100的中间位置，主体组件200上沿竖直方向设有两个以上的支撑座210，且每两个相邻的支撑座210之间均活动设有两个以上的支撑臂220；扭转组件300设置在底座100上并处于主体组件200的圆周方向上，每个扭转组件300上均活动设有若干组摆线310以及与摆线310数量相等且能够控制摆线310松紧的驱动件，每组摆线310均穿插在支撑座210上，当支撑座210一侧的摆线310收紧且位于支撑座210另一侧的摆线310放松时，能够带动支撑座210与支撑臂220向着收紧的摆线310一侧弯曲；旋转组件400设置在底座100上，旋转组件400一端设有机械爪410，机械爪410可转动的设置在主体组件200的顶端。

在本实施列当中，选用了四个支撑座210，支撑座210的数量可以根据实际的使用情况进行增减，可以是两个、三个、四个、五个或者更多，支撑座210的数量越多，本发明的仿生机械臂的长度也就越长，相应的本发明的仿生机械臂能够进入更深或者更高的空间工作。

在本实施列当中，每两个支撑座210之间选用了3个支撑臂220，三个支撑臂220在支撑座210的上下两端形成了三角形支撑，其能够使的支撑座210在被扭转组件300拖拽时拥有很好的稳定性，当然支撑臂220的数量也可以根据实际的使用情况进行增减，比如两个、四个、五个或者更多，只要其既能起到支撑支撑座210的作用，又能够在扭转组件300工作时跟着支撑座210一同扭动即可。

在本实施例当中还设置了四组扭转组件300，每两相邻的扭转组件300之间的夹角均为90°，当然扭转组件300也可以设置为三组、四组、五组或者更多，并且每两组扭转组件300的角度也可以根据具体使用情况进行调整，扭转组件300设置的越多，本发明的仿生机械臂运动的精度也就越高，但是相应的本发明的制造成本也就越高。

在本实施列当中，每组扭转组件300上设置了三根摆线310，摆线310的数量可以根据实际情况来确定，一般情况下每组扭转组件300中设置的摆线310的数量要比支撑座210的数量少一个，比如，在本实施列当中设置了四个支撑座210，相应的每组扭转组件300上设置三根摆线310，但是摆线310的数量也可以与支撑座210的数量一致，或者更多。

在本实施列当中，三根摆线310在支撑座210上穿插的顺序如图1所示，沿着支撑座210的中心位置向外的顺序，第一根摆线310连接四个支撑座210，第二根摆线310连接沿主体组件200的长度方向从上往下排序第二到第四总共三个支撑座210，第三根摆线310连接第三与第四总共两个支撑座210，摆线310的这种连接方式是通过多次试验后得出的最优方案，当然摆线310的其他连接方式，如按照上述的排列顺序，将第一根摆线连接第三与第四两个支撑座210，第三跟摆线310连接全部的支撑座210，这种方式也能够起到带动主体组件200扭转的作用，其他的连接方式在此就不再赘述。

按照上述的情况设置好本发明的各个部件的数量之后，将本发明的仿生机械臂组装成如图1所示，使用时，当按照图1所示坐标轴的X方向右侧的驱动件开始收紧摆线310且左侧的驱动件开始放松摆线310时，支撑座210与支撑臂220向着X轴的右侧倾斜，使机械爪410抓放右侧的物体，当沿X轴方向右侧的驱动件开始放松摆线310且左侧的驱动件开始收紧摆线310时，支撑座210与支撑臂220向着X轴的左侧倾斜，使机械爪410抓放左侧的物品，借助四组驱动件对摆线310的收紧与放松动作，能够驱使本发明的仿生机械臂在空间中任意位置对物品的取放，相较于现有技术，本发明的驱动件均设置在底座100上，大大的减轻了主体组件200的重量，并且通过驱动件来控制摆线310的放松与收紧既可以实现本发明仿生机械臂对空间任意位置上的物品的抓取，使得本发明的仿生机械臂的结构更加的简单，旋转组件400的设置，还能够使机械爪410对抓取到物品进行旋转，使本发明的机械臂运用的场合更多，使本发明的实用性更高。

如图3与图4所示，每个支撑臂220的截面均为圆弧形，圆弧形的支撑臂220能够使主体组件200扭动的更加顺畅。

如图4所示，每个支撑臂220沿其长度方向的两端均设有第一万向接头221，每个支撑座210上均设有与第一万向接头221相适配的第二万向接头311，每个第一万向接头221与每个第二万向接头311之间均设有连接件230。

万向接头是实现变角度动力传递的机件，用于需要改变传动轴线方向的位置，它是汽车驱动系统的万向传动装置的“关节”部件。万向节与传动轴组合，称为万向节传动装置。在本发明当中，第一万向接头221、第二万向接头311与连接件230一同组成了一个万向接头，其能够使得本发明的主体组件200运动时更加的灵活。

如图1与图2所示，每个驱动件上均设有电机320，电机320的输出端设有舵盘321，摆线310的一端缠绕在舵盘321上，电机320带动舵盘321转动时能够带动摆线310收紧或放松。

电机320可以选用普通直流电机，其价格便宜，转速可控，但是由于需要对本发明的仿生机械臂摆动的角度进行准确控制，用这种电机就需要在尾部增加编码器，或者直接购买带有编码器的直流电机。

但是考虑到直流电机在不转动的情况下没有扭力，需要配合特殊齿轮结构和驱动程序才能用于驱动机械臂，比较繁琐，固也可以选用能够精准控制角度的电机有步进电机、伺服电机、舵机等。

步进电机和私服电机能够十分精准的控制角度但是想要实时读取电机角度或者机械臂各关节位置有一定的困难。因此作为本发明的最优方案选用串行总线舵机来充当电机320，相比普通舵机，串行总线舵机只需要一根信号线通过UART指令便可以控制数十台舵机。通过指令除了可以控制舵机基本运动之外还可以进行模式调整、ID号码设定、扭力的释放和恢复等。

如图1与图5所示，旋转组件400还包括旋转电机420，旋转电机420设置在主体组件200的底部，旋转电机420的输出端设有转动轴421，转动轴421穿过主体组件200并连接在机械爪410的底部，旋转电机420接收到旋转信号后能够通过带动转动轴421转动从而带动机械爪410转动。

如图5所示，转动轴421包括若干根活动连接的圆柱杆421a，每根圆柱杆421a的长度均小于每两个支撑座210之间的距离，转动轴421拆分为多个圆柱杆421a能够使其在随着主体组件200转动时更加的灵活。

如图1所示，离底座100最近的支撑座210下端设有与扭转组件300数量相等的支撑杆212，每个支撑杆上212均设有与驱动电机420数量相等的滚轮213，摆线310与滚轮213活动抵靠，滚轮213的设置能够防止各个摆线310在收紧或者放松时发生干扰。

如图1与图5所示，机械爪410上设有驱动机械爪410开合的驱动电机430，驱动电机430的设置能够使机械爪410的动作更加的可控，从而使本发明的仿生机械臂更加的智能。

作为本发明的一种优选方案，摆线310是尼龙绳或者钢丝绳，尼龙绳拥有更好的经济效，使用尼龙绳能够降低本发明的制造成本，而钢丝绳则拥有更好的强度，其可以增加本发明的使用寿命。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，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“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”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，除非另有明确的限定。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。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神所定义的范围。

Claims (9)

1.一种仿生机械臂，其特征在于,包括：

底座；

主体组件，其设置在所述底座的中间位置，所述主体组件上沿竖直方向设有两个以上的支撑座，且每两个相邻的所述支撑座之间均活动设有两个以上的支撑臂；

扭转组件，其设置在所述底座上并处于所述主体组件的圆周方向上，每个所述扭转组件上均活动设有若干组摆线以及与所述摆线数量相等且能够控制所述摆线松紧的驱动件，每组所述摆线均穿插在所述支撑座上，当所述支撑座一侧的摆线收紧且位于所述支撑座另一侧的摆线放松时，能够带动所述支撑座与支撑臂向着所述收紧的摆线一侧弯曲；

旋转组件，其设置在所述底座上，所述旋转组件一端设有机械爪，所述机械爪可转动的设置在所述主体组件的顶端。

2.如权利要求1所述的一种仿生机械臂，其特征在于，每个所述支撑臂的截面均为圆弧形。

3.如权利要求2所述的一种仿生机械臂，其特征在于,每个所述支撑臂沿其长度方向的两端均设有第一万向接头，每个所述支撑座上均设有与所述第一万向接头相适配的第二万向接头，每个所述第一万向接头与每个第二万向接头之间均设有连接件。

4.如权利要求1所述的一种仿生机械臂，其特征在于，每个所述驱动件上均设有电机，所述电机的输出端设有舵盘，所述摆线的一端缠绕在所述舵盘上，所述电机带动所述舵盘转动时能够带动所述摆线收紧或放松。

5.如权利要求1所述的一种仿生机械臂，其特征在于，所述旋转组件还包括旋转电机，其设置在所述主体组件的底部，所述旋转电机的输出端设有转动轴，所述转动轴穿过所述主体组件并连接在所述机械爪的底部。

6.如权利要求5所述的一种仿生机械臂，其特征在于，所述转动轴包括若干根活动连接的圆柱杆，每根所述圆柱杆的长度均小于每两个所述支撑座之间的距离。

7.如权利要求4所述的一种仿生机械臂，其特征在于，离所述底座最近的所述支撑座的下端设有与所述扭转组件数量相等的支撑杆，每个所述支撑杆上均设有与所述电机数量相等的滚轮，所述摆线与所述滚轮活动抵靠。

8.如权利要求1所述的一种仿生机械臂，其特征在于，所述机械爪上设有驱动所述机械爪开合的驱动电机。

9.如权利要求1所述的一种仿生机械臂，其特征在于，所述摆线是尼龙绳或者钢丝绳。

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