CN113733150B - 轻量化协作机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轻量化协作机械臂，包括基座、第一电机安装架、第二电机安装架和六个关节及其对应的驱动电机，第一电机安装架安装于基座，第四驱动电机、第五驱动电机以及第六驱动电机固定安装于第一电机安装架，第二驱动电机和第三驱动电机固定安装于第二电机安装架；第一关节的固定部固接于基座，第一关节的旋转部固接于第二电机安装架；第二关节的固定部固接于第二电机安装架，第二关节的旋转部、第三关节、第四关节、第五关节和第六关节依次通过连杆相连，第六关节的旋转部安装有末端执行器接口。该轻量化协作机械臂利用集中布置驱动电机以及紧凑的传动方式设计，提高了机械臂的稳定性与安全性，同时具有更高的工作效率。

Description

轻量化协作机械臂

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，尤其涉及一种轻量化协作机械臂。

背景技术

多关节协作机器人是能够与人共同作业的多自由度机械装置，因为其对小批量多品种生产的快速适应性，以及能够与人共享工作空间的特性，获得了很多生产和生活服务厂家的青睐，有利于提高生产过程自动化程度、促进高质量可持续发展。

目前的协作机器人结构设计大多比较相似，均是利用多根连杆通过旋转关节连接，在关节处就近安装电机来驱动关节运动。但是，这种结构形式中电机的利用效率不高，机械臂的自重与负载的比例比较大。当增加电机的功率时，负载也进一步加大了，使得速度和加速度的提升有限。而且，电机安装在关节处的方式增大了机械臂的惯性，使得碰撞时的安全性降低了。

发明内容

本发明提供一种轻量化协作机械臂，用以解决现有技术中协作机械臂难以适应高速作业任务的缺陷，以提供一种安全稳定的高速作业平台。

本发明提供一种轻量化协作机械臂，包括基座、第一电机安装架、第二电机安装架、第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节、第六关节、第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机、第四驱动电机、第五驱动电机以及第六驱动电机，所述第一电机安装架安装于所述基座，所述第四驱动电机、所述第五驱动电机以及所述第六驱动电机固定安装于所述第一电机安装架，所述第二驱动电机和所述第三驱动电机固定安装于所述第二电机安装架；

所述第一关节的固定部固接于所述基座，所述第一关节的旋转部固接于所述第二电机安装架，并由所述第一驱动电机带动转动；所述第二关节的固定部固接于所述第二电机安装架，所述第二关节的旋转部由所述第二驱动电机带动转动；所述第三关节的固定部通过第一连杆连接于所述第二关节的旋转部，所述第三关节的旋转部由所述第三驱动电机带动转动；所述第四关节的固定部通过第二连杆连接于所述第三关节的旋转部，所述第四关节的旋转部由所述第四驱动电机带动转动；所述第五关节的固定部通过第三连杆连接于所述第四关节的旋转部，所述第五关节的旋转部由所述第五驱动电机带动转动；所述第六关节的固定部通过第四连杆连接于所述第五关节的旋转部，所述第六关节的旋转部由所述第六驱动电机带动转动，且所述第六关节的旋转部安装有末端执行器接口。

根据本发明提供的一种轻量化协作机械臂，所述第一关节包括固定套筒、支撑套筒、轴承以及锁紧件，所述固定套筒固接于所述基座，所述支撑套筒通过所述轴承可转动地插设于所述固定套筒内，所述第一驱动电机的机壳固定地插设于所述支撑套筒内，所述第一驱动电机的输出轴通过所述锁紧件与所述固定套筒相接；所述第二电机安装架固接于所述支撑套筒。

根据本发明提供的一种轻量化协作机械臂，所述第二驱动电机的机壳固接于所述第二电机安装架，所述第二驱动电机的输出轴通过90度转角减速器连接于所述第二关节的旋转部。

根据本发明提供的一种轻量化协作机械臂，所述第三驱动电机的机壳固接于所述第二电机安装架，所述第三驱动电机的输出轴通过同步带传动机构连接于所述第三关节的旋转部。

根据本发明提供的一种轻量化协作机械臂，还包括安装于所述第三关节的固定部的谐波减速器，所述同步带传动机构的输出轴通过所述谐波减速器与所述第三关节的旋转部相连。

根据本发明提供的一种轻量化协作机械臂，所述同步带传动机构包括第一级带传动组件和第二级带传动组件，所述第一级带传动组件包括第一同步带轮、第二同步带轮以及第一同步带，所述第一同步带轮套接于所述第三驱动电机的输出轴，所述第二同步带轮通过第一转轴可转动地安装于所述第二电机安装架，所述第一同步带绕过所述第一同步带轮和所述第二同步带轮，并首尾相连形成闭合环路；

所述第二级带传动组件包括第三同步带轮、第四同步带轮以及第二同步带，所述第三同步带轮套接于所述第一转轴；所述第四同步带轮通过第二转轴可转动地安装于所述第三关节的固定部，且所述第二转轴与所述谐波减速器的输入端同轴相接；所述第二同步带绕过所述第三同步带轮和所述第四同步带轮，并首尾相连形成闭合环路。

根据本发明提供的一种轻量化协作机械臂，所述第二级带传动组件还包括张紧轮，所述张紧轮可转动地安装于所述第一连杆，所述张紧轮压设在所述第二同步带上，以使所述第二同步带张紧。

根据本发明提供的一种轻量化协作机械臂，所述第四驱动电机的输出端通过第一绳传动机构与所述第四关节的旋转部相连，所述第一绳传动机构包括第一驱动轮、第一从动轮以及两根第一绳索，所述第一驱动轮安装于所述第四驱动电机的输出轴；所述第一从动轮可转动地安装于所述第四关节的固定部，并固接于所述第四关节的旋转部；两根所述第一绳索分别位于所述第一驱动轮和所述第一从动轮的中心连线的两侧，且所述第一绳索的一端固接所述第一驱动轮，所述第一绳索的另一端固接所述第一从动轮；

所述第五驱动电机的输出端通过第二绳传动机构与所述第五关节的旋转部相连，所述第二绳传动机构包括第二驱动轮、第二从动轮以及两根第二绳索，所述第二驱动轮安装于所述第五驱动电机的输出轴；所述第二从动轮可转动地安装于所述第五关节的固定部，并固接于所述第五关节的旋转部；两根所述第二绳索分别位于所述第二驱动轮和所述第二从动轮的中心连线的两侧，且所述第二绳索的一端固接所述第二驱动轮，所述第二绳索的另一端固接所述第二从动轮；

所述第六驱动电机的输出端通过第三绳传动机构与所述第六关节的旋转部相连，所述第三绳传动机构包括第三驱动轮、第三从动轮以及两根第三绳索，所述第三驱动轮安装于所述第六驱动电机的输出轴；所述第三从动轮可转动地安装于所述第六关节的固定部，并固接于所述第六关节的旋转部；两根所述第三绳索分别位于所述第三驱动轮和所述第三从动轮的中心连线的两侧，且所述第三绳索的一端固接所述第三驱动轮，所述第三绳索的另一端固接所述第三从动轮。

根据本发明提供的一种轻量化协作机械臂，所述第一从动轮、所述第二从动轮和所述第三从动轮的旋转轴线相交于一点，且所述第一从动轮和所述第三从动轮的旋转轴线均与所述第二从动轮的旋转轴线垂直。

根据本发明提供的一种轻量化协作机械臂，所述第一绳传动机构还包括两个第一导向轮，两个所述第一导向轮安装于所述第一从动轮的两侧；所述第一导向轮与所述第一绳索一一对应，所述第一绳索绕过所述第一导向轮后缠绕于所述第一从动轮；所述第三绳传动机构还包括两个第三导向轮，两个所述第三导向轮安装于所述第三从动轮的两侧；所述第三导向轮与所述第三绳索一一对应，所述第三绳索绕过所述第三导向轮后缠绕于所述第三从动轮。

本发明提供的轻量化协作机械臂，具有六个旋转关节，每个旋转关节各由一个驱动电机驱动，通过第一电机安装架和第二电机安装架集中安装多个驱动电机，使得驱动电机全部安装于基座附近，相较于传统机械臂把驱动电机安装于关节处，该轻量化协作机械臂降低了整体结构的重心，提升了电机功率的利用效率，使得机械臂具备更好的稳定性，同时还可以提升速度和加速度；同时其还减小了连杆惯量，保证了机械臂碰撞时的安全性。该轻量化协作机械臂利用集中布置驱动电机以及紧凑的传动方式设计，能够提高机械臂的稳定性与安全性，同时，轻质连杆结构的设计提高了关节速度和加速度，具有更高的工作效率，能够同时满足高速运动和安全作业的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的轻量化协作机械臂的结构示意图；

图2是本发明提供的轻量化协作机械臂的主视图；

图3是本发明提供的第一关节的剖视图；

图4是本发明提供的第二电机安装架处的局部放大示意图；

图5是图4中的第二电机安装架附近部件的剖视图；

图6是本发明提供的第二关节和第三关节处的局部放大示意图；

图7是本发明提供的第四关节、第五关节和第六关节处的局部放大示意图；

图8是本发明提供的第一电机安装架处的局部放大示意图；

图9是本发明提供的第四关节处的俯视图；

图10是本发明提供的第五关节处的俯视图；

图11是本发明提供的第六关节处的俯视图。

附图标记：

1、基座； 2、第一电机安装架； 3、第二电机安装架；

4、第一关节； 41、固定套筒； 42、支撑套筒；

43、轴承； 44、锁紧件； 45、轴承支撑件；

46、锁紧卡套； 5、第二关节； 51、第二关节固定部；

52、第二关节旋转部； 6、第三关节； 61、第三关节固定部；

62、第三关节旋转部； 7、第四关节； 71、第四关节固定部；

72、第四关节旋转部； 8、第五关节； 81、第五关节固定部；

82、第五关节旋转部； 9、第六关节； 91、第六关节固定部；

92、第六关节旋转部； 10、第一驱动电机；

101、第一驱动电机输出轴；11、第二驱动电机；

12、第三驱动电机； 13、第四驱动电机； 14、第五驱动电机；

15、第六驱动电机； 16、第一连杆； 17、第二连杆；

18、第三连杆； 19、第四连杆； 20、末端执行器接口；

21、90度转角减速器； 22、同步带传动机构； 221、第一级带传动组件；

2211、第一同步带轮； 2212、第二同步带轮； 2213、第一同步带；

222、第二级带传动组件； 2221、第三同步带轮；

2222、第四同步带轮； 2223、第二同步带； 2224、张紧轮；

223、第一转轴； 224、第二转轴； 23、谐波减速器；

24、第一绳传动机构； 241、第一驱动轮； 242、第一绳索；

243、第一从动轮； 244、第一导向轮； 25、第二绳传动机构；

251、第二驱动轮； 252、第二绳索； 253、第二从动轮；

26、第三绳传动机构； 261、第三驱动轮； 262、第三绳索；

263、第三从动轮； 264、第三导向轮； 30、末端执行器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”“第三”“第四”“第五”“第六”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。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实施例中的具体含义。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明实施例中的具体含义。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种轻量化协作机械臂，包括基座1、第一电机安装架2、第二电机安装架3、第一关节4、第二关节5、第三关节6、第四关节7、第五关节8、第六关节9、第一驱动电机10、第二驱动电机11、第三驱动电机12、第四驱动电机13、第五驱动电机14以及第六驱动电机15，第一电机安装架2安装于基座1，第四驱动电机13、第五驱动电机14以及第六驱动电机15固定安装于第一电机安装架2，第二驱动电机11和第三驱动电机12固定安装于第二电机安装架3。

第一关节4的固定部固接于基座1，第一关节4的旋转部固接于第二电机安装架3，并由第一驱动电机10带动转动；第二关节5的固定部固接于第二电机安装架3，第二关节5的旋转部由第二驱动电机11带动转动；第三关节6的固定部通过第一连杆16连接于第二关节5的旋转部，第三关节6的旋转部由第三驱动电机12带动转动；第四关节7的固定部通过第二连杆17连接于第三关节6的旋转部，第四关节7的旋转部由第四驱动电机13带动转动；第五关节8的固定部通过第三连杆18连接于第四关节7的旋转部，第五关节8的旋转部由第五驱动电机14带动转动；第六关节9的固定部通过第四连杆19连接于第五关节8的旋转部，第六关节9的旋转部由第六驱动电机15带动转动，且第六关节9的旋转部安装有末端执行器接口20。

具体地，基座1可以包括一个基座台面以及支撑该基座台面的多根型材组装而成，具体的结构可以根据实际安装场地来调整，此处不做限制。基座1的基座台面上安装有第一电机安装架2，第四驱动电机13、第五驱动电机14以及第六驱动电机15的机壳均固定在第一电机安装架2上。本实施例中的第一电机安装架2为一竖直安装的平板结构，其上开设有四个电机安装孔位，除了安装第四驱动电机13、第五驱动电机14和第六驱动电机15外，还剩余一个备用安装位，可以再额外安装一个驱动电机，比如可以增加一个关节，将协作机械臂升级为七自由度。

基座1的基座台面上还固接有第一关节4的固定部，如图3所示，第一关节4的旋转部和第一驱动电机10均安装在第一关节4的固定部内，通过第一驱动电机10带动第一关节4的旋转部旋转。第一关节4的旋转部上固接有第二电机安装架3，第二电机安装架3可随第一关节4的旋转部一起旋转。第二驱动电机11和第三驱动电机12的机壳均固定在第二电机安装架3上。第二关节固定部51固接于第二电机安装架3，第二关节旋转部52由第二驱动电机11带动转动，第二关节5的旋转轴线与第一关节4的旋转轴线垂直。

第三关节固定部61通过第一连杆16与第二关节旋转部52相接，第三关节旋转部62通过第三关节传动机构与安装在第二电机安装架3上的第三驱动电机12相连，并由带动转动，第三关节6的旋转轴线与第二关节5的旋转轴线平行。由于第三关节6和第三驱动电机12之间相隔一段距离，故第三关节传动机构为可以进行长距离传动的机构，如同步带传动机构22、链条机构或者绳传动机构等等，此处不做限制。

第四关节固定部71通过第二连杆17与第三关节旋转部62相接，第四关节旋转部72通过第四关节传动机构与安装在第一电机安装架2上的第四驱动电机13相连，并由第四驱动电机13带动转动，第四关节7的旋转轴线与第三关节6的旋转轴线垂直。由于第四关节7和第四驱动电机13之间相隔一段较长的距离，且随着第三关节6的运动，第四关节7和第四驱动电机13之间的距离还在不断变化，故第四关节传动机构为可以进行变距离传动的机构，如绳传动机构等等，此处不做限制。

第五关节固定部81通过第三连杆18与第四关节旋转部72相接，第五关节旋转部82通过第五关节传动机构与安装在第一电机安装架2上的第五驱动电机14相连，并由第五驱动电机14带动转动，第五关节8的旋转轴线与第四关节7的旋转轴线垂直。由于第五关节8和第五驱动电机14之间相隔一段较长的距离，且随着第三关节6和第四关节7的运动，第五关节8和第五驱动电机14之间的距离以及相对位置关系还在不断变化，故第五关节传动机构为可以进行变距离传动的机构，如绳传动机构等等，此处不做限制。

第六关节固定部91通过第四连杆19与第五关节旋转部82相接，第六关节旋转部92通过第六关节传动机构与安装在第一电机安装架2上的第六驱动电机15相连，并由第六驱动电机15带动转动，第六关节9的旋转轴线与第五关节8的旋转轴线垂直。由于第六关节9和第六驱动电机15之间相隔一段较长的距离，且随着第三关节6、第四关节7和第五关节8的运动，第六关节9和第六驱动电机15之间的距离以及相对位置关系还在不断变化，故第六关节传动机构为可以进行变距离传动的机构，如绳传动机构等等，此处不做限制。

第六关节旋转部92上固接有末端执行器接口20，末端执行器30与末端执行器接口20之间可以为可拆卸连接，如插接、螺纹连接、卡扣连接等，方便使用者根据需要更换不同的末端执行器30。

本实施例提供的轻量化协作机械臂，具有六个旋转关节，每个旋转关节各由一个驱动电机驱动，通过第一电机安装架2和第二电机安装架3集中安装多个驱动电机，使得驱动电机全部安装于基座1附近，相较于传统机械臂把驱动电机安装于关节处，该轻量化协作机械臂降低了整体结构的重心，提升了电机功率的利用效率，使得机械臂具备更好的稳定性，同时还可以提升速度和加速度；同时其还减小了连杆惯量，保证了机械臂碰撞时的安全性。该轻量化协作机械臂利用集中布置驱动电机以及紧凑的传动方式设计，能够提高机械臂的稳定性与安全性，同时，轻质连杆结构的设计提高了关节速度和加速度，具有更高的工作效率，能够同时满足高速运动和安全作业的目的。

进一步地，如图3所示，在本发明实施例中，第一关节4包括固定套筒41、支撑套筒42、轴承43以及锁紧件44，固定套筒41固接于基座1，支撑套筒42通过轴承43可转动地插设于固定套筒41内，第一驱动电机10的机壳固定地插设于支撑套筒42内，第一驱动电机输出轴101通过锁紧件44与固定套筒41相接；第二电机安装架3固接于支撑套筒42。

具体地，在该实施例中，固定套筒41相当于第一关节4的固定部，支撑套筒42相当于第一关节4的旋转部，固定套筒41、支撑套筒42与第一驱动电机10依次同轴套接，并且固定套筒41与支撑套筒42之间安装有两个轴承43，两个轴承43分别位于固定套筒41的上部和下部，上部的轴承43可以通过安装在支撑套筒42上的轴承支撑件45进行支撑，下部的轴承43则可直接放置于固定套筒41的底部机壳，通过设置轴承43使得固定套筒41与支撑套筒42之间可以相对旋转；同时支撑套筒42与第一驱动电机10之间为嵌套相接，因而支撑套筒42与第一驱动电机10之间相对固定。

第一驱动电机输出轴101通过锁紧件44与固定套筒41相接，锁紧件44可以采用免键轴衬或者平键、花键等键连接结构，只要能够实现将第一驱动电机输出轴101与固定套筒41相固定即可，本实施例主要以免键轴衬为例进行说明，免键轴衬的外侧通过锁紧卡套46嵌设于固定套筒41的下端，免键轴衬的内侧套接于第一驱动电机输出轴101，通过旋紧免键轴衬上的螺栓，可以将第一驱动电机输出轴101锁紧固定。当第一驱动电机10通电时，由于第一驱动电机输出轴101被固定住了，所以实际输出旋转运动的是第一驱动电机10的机壳。继而由第一驱动电机10的机壳带动支撑套筒42一并旋转。如图3所示，第二电机安装架3固接于支撑套筒42的上部，可以随支撑套筒42一并旋转。

更进一步地，如图1、图4和图5所示，在本发明实施例中，第二驱动电机11的机壳固接于第二电机安装架3，第二驱动电机11的输出轴通过90度转角减速器21连接于第二关节旋转部52。具体地，第二驱动电机11沿竖直方向安装在第二电机安装架3上，而第二关节5的旋转轴线沿水平方向，因而第二驱动电机11的输出轴通过90度转角减速器21连接于第二关节旋转部52。通过90度转角减速器21既能对第二驱动电机11输出的旋转运动进行减速，还能转换转动方向，不仅能够提高传动的稳定性和安全性，还可以实现整体结构的紧凑布置，优化结构的重量分布。

更进一步地，如图1、图4、图5和图6所示，在本发明实施例中，第三驱动电机12的机壳固接于第二电机安装架3，第三驱动电机12的输出轴通过同步带传动机构22连接于第三关节旋转部62。更进一步地，第三关节固定部61上还安装有谐波减速器23，同步带传动机构22的输出轴通过谐波减速器23与第三关节旋转部62相连。谐波减速器23具有体积小、重量轻、传动效率高、运动平稳等优点。

更进一步地，如图1、图4和图5所示，在该实施例中，同步带传动机构22包括第一级带传动组件221和第二级带传动组件222，第一级带传动组件221包括第一同步带轮2211、第二同步带轮2212以及第一同步带2213，第一同步带轮2211套接于第三驱动电机12的输出轴，第二同步带轮2212通过第一转轴223可转动地安装于第二电机安装架3，第一同步带2213绕过第一同步带轮2211和第二同步带轮2212，并首尾相连形成闭合环路。

第二级带传动组件222包括第三同步带轮2221、第四同步带轮2222以及第二同步带2223，第三同步带轮2221套接于第一转轴223；第四同步带轮2222通过第二转轴224可转动地安装于第三关节固定部61，且第二转轴224与谐波减速器23的输入端同轴相接；第二同步带2223绕过第三同步带轮2221和第四同步带轮2222，并首尾相连形成闭合环路。考虑到第二同步带2223的长度较长，易发生松弛，故在第一连杆16上安装张紧轮2224，张紧轮2224压设在第二同步带2223上，以使第二同步带2223张紧。张紧轮2224的数量可以为一个或者多个，具体可根据第二同步带2223的长度来定，本实施例中的张紧轮2224的数量为一个，安装在第一连杆16的中部。

本实施例中，通过将第三驱动电机12安装在第二电机安装架3的内部，实现了紧凑布置，同时优化了结构重心。而同步带传动机构22采用二级传动结构，第三驱动电机12的输出轴输出转动经过第一转轴223和第二转轴224逐级传递至第三关节旋转部62，既能够实现较长距离条件下的稳定传动，又使得第二关节5和第三关节6之间的运动互不干扰。

更进一步地，如图4和图5所示，第二同步带轮2212、第三同步带轮2221以及第二关节旋转部52可以同轴设置，共同套设在第一转轴223上。其中，第二同步带轮2212和第三同步带轮2221固接于第一转轴223，三者共同旋转；而第二关节旋转部52则通过轴承套接在第一转轴223外，因而第二关节旋转部52与第一转轴223能够各自独立进行旋转运动并且互不干扰。

在上述实施例的基础上，如图1、图2、图7、图8和图9所示，第四驱动电机13的输出端通过第一绳传动机构24与第四关节旋转部72相连，第一绳传动机构24包括第一驱动轮241、第一从动轮243以及两根第一绳索242，第一驱动轮241安装于第四驱动电机13的输出轴；第一从动轮243可转动地安装于第四关节固定部71，并固接于第四关节旋转部72，以带动第四关节旋转部72旋转；两根第一绳索242分别位于第一驱动轮241和第一从动轮243的中心连线的两侧，且第一绳索242的一端固接第一驱动轮241，第一绳索242的另一端固接第一从动轮243。

具体地，如图8和图9所示，第一驱动轮241和第一从动轮243的轮周上开设有固定孔，第一绳索242可以穿入该固定孔中固定住，两根第一绳索242分别固定在两个不同的固定孔，其中第一根第一绳索242的一端固定在第一驱动轮241的一个固定孔中并且正向缠绕数圈，该第一绳索242的另一端固定在第一从动轮243的一个固定孔中且同样正向缠绕数圈以收紧绳索；第二根第一绳索242的一端固定在第一驱动轮241的另一个固定孔中并且反向缠绕数圈，该第一绳索242的另一端固定在第一从动轮243的另一个固定孔中且同样反向缠绕数圈以收紧绳索，最终形成正反向双向传动结构。

当第四驱动电机13正向转动时，第一驱动轮241正转，第一根第一绳索242从第一驱动轮241上放卷，第二根第一绳索242在第一驱动轮241上收卷，因而第二根第一绳索242随之从第一从动轮243上放卷，带动第一从动轮243正转，第一根第一绳索242则在第一从动轮243上收卷，进而实现正向传动；当第四驱动电机13反转时，第一驱动轮241反转，第一根第一绳索242从第一驱动轮241上收卷，第二根第一绳索242在第一驱动轮241上放卷，因而第一根第一绳索242随之从第一从动轮243上放卷，带动第一从动轮243反转，第二根第一绳索242则在第一从动轮243上收卷，进而实现反向传动。更具体地，第一绳索242可以采用钢丝绳，同时钢丝绳的外部可以设置橡胶套，进行一定的防护和支撑。

如图1、图2、图7、图8和图10所示，第五驱动电机14的输出端通过第二绳传动机构25与第五关节旋转部82相连，第二绳传动机构25包括第二驱动轮251、第二从动轮253以及两根第二绳索252，第二驱动轮251安装于第五驱动电机14的输出轴；第二从动轮253可转动地安装于第五关节固定部81，并固接于第五关节旋转部82，以带动第五关节旋转部82旋转；两根第二绳索252分别位于第二驱动轮251和第二从动轮253的中心连线的两侧，且第二绳索252的一端固接第二驱动轮251，第二绳索252的另一端固接第二从动轮253。第二绳传动机构25的连接于第一绳传动机构24类似，此处不再赘述。

如图1、图2、图7、图8和图11所示，第六驱动电机15的输出端通过第三绳传动机构26与第六关节旋转部92相连，第三绳传动机构26包括第三驱动轮261、第三从动轮263以及两根第三绳索262，第三驱动轮261安装于第六驱动电机15的输出轴；第三从动轮263可转动地安装于第六关节固定部91，并固接于第六关节旋转部92，以带动第六关节旋转部92旋转；两根第三绳索262分别位于第三驱动轮261和第三从动轮263的中心连线的两侧，且第三绳索262的一端固接第三驱动轮261，第三绳索262的另一端固接第三从动轮263。第三绳传动机构26的连接于第一绳传动机构24类似，此处不再赘述。

更具体地，如图1、图2和图7所示，第一从动轮243、第二从动轮253和第三从动轮263的旋转轴线相交于一点，且第一从动轮243和第三从动轮263的旋转轴线均与第二从动轮253的旋转轴线垂直。该设置可以满足多关节机器人逆运动学PIEPER解法求解条件，便于计算解析解。

更进一步地，如图9和图11所示，第一绳传动机构24还包括两个第一导向轮244，两个第一导向轮244安装于第一从动轮243的两侧，且第一导向轮244的轴线垂直于第一从动轮243的轴线；第一导向轮244与第一绳索242一一对应，第一绳索242绕过第一导向轮244后缠绕于第一从动轮243。同样地，第三绳传动机构26还包括两个第三导向轮264，两个第三导向轮264安装于第三从动轮263的两侧，且第三导向轮264的轴线垂直于第三从动轮263的轴线；第三导向轮264与第三绳索262一一对应，第三绳索262绕过第三导向轮264后缠绕于第三从动轮263。通过设置两个导向轮，可以根据需要改变绳索的拉伸方向，有利于合理布置绳索，防止多股绳索相交。

通过以上实施例可以看出，本发明提供的轻量化协作机械臂，具有六个旋转关节，每个旋转关节各由一个驱动电机驱动，通过第一电机安装架2和第二电机安装架3集中安装多个驱动电机，使得驱动电机全部安装于基座1附近，相较于传统机械臂把驱动电机安装于关节处，该轻量化协作机械臂降低了整体结构的重心，提升了电机功率的利用效率，使得机械臂具备更好的稳定性，同时还可以提升速度和加速度；同时其还减小了连杆惯量，保证了机械臂碰撞时的安全性。该轻量化协作机械臂利用集中布置驱动电机以及紧凑的传动方式设计，能够提高机械臂的稳定性与安全性，同时，轻质连杆结构的设计提高了关节速度和加速度，具有更高的工作效率，能够同时满足高速运动和安全作业的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种轻量化协作机械臂，其特征在于，包括基座、第一电机安装架、第二电机安装架、第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节、第六关节、第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机、第四驱动电机、第五驱动电机以及第六驱动电机，所述第一电机安装架安装于所述基座，所述第四驱动电机、所述第五驱动电机以及所述第六驱动电机固定安装于所述第一电机安装架，所述第二驱动电机和所述第三驱动电机固定安装于所述第二电机安装架；

所述第一关节的固定部固接于所述基座，所述第一关节的旋转部固接于所述第二电机安装架，并由所述第一驱动电机带动转动；所述第二关节的固定部固接于所述第二电机安装架，所述第二关节的旋转部由所述第二驱动电机带动转动；所述第三关节的固定部通过第一连杆连接于所述第二关节的旋转部，所述第三关节的旋转部由所述第三驱动电机带动转动；所述第四关节的固定部通过第二连杆连接于所述第三关节的旋转部，所述第四关节的旋转部由所述第四驱动电机带动转动；所述第五关节的固定部通过第三连杆连接于所述第四关节的旋转部，所述第五关节的旋转部由所述第五驱动电机带动转动；所述第六关节的固定部通过第四连杆连接于所述第五关节的旋转部，所述第六关节的旋转部由所述第六驱动电机带动转动，且所述第六关节的旋转部安装有末端执行器接口；

所述第一关节包括固定套筒、支撑套筒、轴承以及锁紧件，所述固定套筒固接于所述基座，所述支撑套筒通过所述轴承可转动地插设于所述固定套筒内，所述第一驱动电机的机壳固定地插设于所述支撑套筒内，所述第一驱动电机的输出轴通过所述锁紧件与所述固定套筒相接；所述第二电机安装架固接于所述支撑套筒。

2.根据权利要求1所述的轻量化协作机械臂，其特征在于，所述第二驱动电机的机壳固接于所述第二电机安装架，所述第二驱动电机的输出轴通过90度转角减速器连接于所述第二关节的旋转部。

3.根据权利要求2所述的轻量化协作机械臂，其特征在于，所述第三驱动电机的机壳固接于所述第二电机安装架，所述第三驱动电机的输出轴通过同步带传动机构连接于所述第三关节的旋转部。

4.根据权利要求3所述的轻量化协作机械臂，其特征在于，还包括安装于所述第三关节的固定部的谐波减速器，所述同步带传动机构的输出轴通过所述谐波减速器与所述第三关节的旋转部相连。

5.根据权利要求4所述的轻量化协作机械臂，其特征在于，所述同步带传动机构包括第一级带传动组件和第二级带传动组件，所述第一级带传动组件包括第一同步带轮、第二同步带轮以及第一同步带，所述第一同步带轮套接于所述第三驱动电机的输出轴，所述第二同步带轮通过第一转轴可转动地安装于所述第二电机安装架，所述第一同步带绕过所述第一同步带轮和所述第二同步带轮，并首尾相连形成闭合环路；

所述第二级带传动组件包括第三同步带轮、第四同步带轮以及第二同步带，所述第三同步带轮套接于所述第一转轴；所述第四同步带轮通过第二转轴可转动地安装于所述第三关节的固定部，且所述第二转轴与所述谐波减速器的输入端同轴相接；所述第二同步带绕过所述第三同步带轮和所述第四同步带轮，并首尾相连形成闭合环路。

6.根据权利要求5所述的轻量化协作机械臂，其特征在于，所述第二级带传动组件还包括张紧轮，所述张紧轮可转动地安装于所述第一连杆，所述张紧轮压设在所述第二同步带上，以使所述第二同步带张紧。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的轻量化协作机械臂，其特征在于，所述第四驱动电机的输出端通过第一绳传动机构与所述第四关节的旋转部相连，所述第一绳传动机构包括第一驱动轮、第一从动轮以及两根第一绳索，所述第一驱动轮安装于所述第四驱动电机的输出轴；所述第一从动轮可转动地安装于所述第四关节的固定部，并固接于所述第四关节的旋转部；两根所述第一绳索分别位于所述第一驱动轮和所述第一从动轮的中心连线的两侧，且所述第一绳索的一端固接所述第一驱动轮，所述第一绳索的另一端固接所述第一从动轮；

所述第五驱动电机的输出端通过第二绳传动机构与所述第五关节的旋转部相连，所述第二绳传动机构包括第二驱动轮、第二从动轮以及两根第二绳索，所述第二驱动轮安装于所述第五驱动电机的输出轴；所述第二从动轮可转动地安装于所述第五关节的固定部，并固接于所述第五关节的旋转部；两根所述第二绳索分别位于所述第二驱动轮和所述第二从动轮的中心连线的两侧，且所述第二绳索的一端固接所述第二驱动轮，所述第二绳索的另一端固接所述第二从动轮；

所述第六驱动电机的输出端通过第三绳传动机构与所述第六关节的旋转部相连，所述第三绳传动机构包括第三驱动轮、第三从动轮以及两根第三绳索，所述第三驱动轮安装于所述第六驱动电机的输出轴；所述第三从动轮可转动地安装于所述第六关节的固定部，并固接于所述第六关节的旋转部；两根所述第三绳索分别位于所述第三驱动轮和所述第三从动轮的中心连线的两侧，且所述第三绳索的一端固接所述第三驱动轮，所述第三绳索的另一端固接所述第三从动轮。

8.根据权利要求7所述的轻量化协作机械臂，其特征在于，所述第一从动轮、所述第二从动轮和所述第三从动轮的旋转轴线相交于一点，且所述第一从动轮和所述第三从动轮的旋转轴线均与所述第二从动轮的旋转轴线垂直。

9.根据权利要求7所述的轻量化协作机械臂，其特征在于，所述第一绳传动机构还包括两个第一导向轮，两个所述第一导向轮安装于所述第一从动轮的两侧；所述第一导向轮与所述第一绳索一一对应，所述第一绳索绕过所述第一导向轮后缠绕于所述第一从动轮；

所述第三绳传动机构还包括两个第三导向轮，两个所述第三导向轮安装于所述第三从动轮的两侧；所述第三导向轮与所述第三绳索一一对应，所述第三绳索绕过所述第三导向轮后缠绕于所述第三从动轮。

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