CN113894841B - 一种运动平顺的轻量化仿人机械手臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动平顺的轻量化仿人机械手臂，包括大臂、小臂和肘关节，所述肘关节包括两个铰接相连的铰支座，两个铰支座分别安装在所述大臂和小臂上；每个铰支座上均具有两个与铰轴平行设置的支撑杆，两个所述支撑杆沿所述铰支座的宽度方向对称地设置在铰轴的两侧，并靠近所述大臂或小臂，所述支撑杆上具有多个可转动的滑轮；大臂的上端具有可转动设置的驱动轴，所述驱动轴与所述支撑杆平行设置，且一端连接有驱动电机；驱动轴上绕有呈单螺旋状的拉绳，所述拉绳的两端分别依次绕过同侧的两个支撑杆上的滑轮，且端部固定在其中一个所述支撑杆或滑轮上。本发明具有重量分布合理，有利于降低机械臂的自重，提高机械臂的灵活性和运行稳定性，降低成本等优点。

Description

一种运动平顺的轻量化仿人机械手臂

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别的涉及一种运动平顺的轻量化仿人机械手臂。

背景技术

随着人形服务机器人的蓬勃发展，机器人助手已逐渐走进人类家庭。机械手臂作为服务机器人的主要执行机构，其重要性不言而喻。机械手臂可以完成仿人的行为动作以及执行相关任务，从而适应多种工作场景。

目前，市面上的机械臂由于自重较大，使得运行过程中抖动大，而在驱动电机或舵机未通电的情况下，关节处很难克服机械臂的自重而下落，容易造成内部机械结构的损坏。由于机械臂自重较大，为了完成较大力矩的动作，需要选用更加昂贵的电机或舵机，甚至增加减速器，从而进一步增加机械臂的重量，降低机械臂的灵活性。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种重量分布合理，有利于降低机械臂的自重，提高机械臂的灵活性和运行稳定性，降低成本的运动平顺的轻量化仿人机械手臂。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种运动平顺的轻量化仿人机械手臂，其特征在于，包括大臂、小臂和肘关节，所述肘关节包括两个铰接相连的铰支座，两个所述铰支座分别安装在所述大臂和小臂上；每个所述铰支座上均具有两个与铰轴平行设置的支撑杆，两个所述支撑杆沿所述铰支座的宽度方向对称地设置在铰轴的两侧，并靠近所述大臂或小臂，所述支撑杆上具有多个可转动的滑轮；所述大臂的上端具有可转动设置的驱动轴，所述驱动轴与所述支撑杆平行设置，且一端连接有驱动电机；所述驱动轴上绕有呈单螺旋状的拉绳，所述拉绳的两端分别依次绕过同侧的两个支撑杆上的滑轮，且端部固定在其中一个所述支撑杆或滑轮上。

采用上述结构，将拉绳呈单螺旋状绕在驱动轴上，可以让驱动轴转动过程中，一端的拉绳能够顺利脱离驱动轴，而另一端的拉绳能够更好地绕上驱动轴，让拉绳在驱动轴上缠绕更加顺畅。使用时，驱动电机带动驱动轴转动，拉绳的一端不断地绕上驱动轴，由于驱动轴的位置不变，为了弥补该端拉绳损失的长度，绕在滑轮之间的拉绳将两个支撑杆之间的距离收缩，肘关节具有向该侧弯曲的趋势，而另一侧的两个支撑杆之间的拉绳则会受到拉伸力。同时，拉绳另一端不断的脱离驱动轴，该侧拉绳的长度增加，从而可以弥补该侧的两个支撑杆之间的拉绳长度，进而最终实现肘关节的弯曲，驱动电机反转则会驱动肘关节反向运动。另外，采用拉绳驱动肘关节运动，能够让动作更加平顺和稳定。同时，由于拉绳呈单螺旋状绕在驱动轴上，即缠绕多圈，拉绳与驱动轴上的摩擦力很大，即使在停电或停机状态下，只要驱动轴不转动，拉绳始终能够保持原位。将重量较大的驱动电机安装在大臂的上端，让手臂的重心更靠近肩膀部位，从而可以大大降低手臂平举动作时的力矩，便于选用更小功率的驱动电机，进而降低电机重量和成本，也就是降低手臂的自重和成本。

进一步的，所述肘关节还包括两块对称设置在所述铰支座两侧的铰接板，所述铰接板的两端分别铰接在两个所述铰支座上。

这样，可以增加大臂和小臂之间的空间，从而可以让大臂和小臂之间实现更小角度的弯曲。

进一步的，所述铰支座的内侧还具有与所述铰接板对应设置的支撑板，所述铰接板和支撑板通过穿过所述铰支座上铰接孔的铰轴连接。

进一步的，所述铰支座的铰接孔通过轴承安装在所述铰轴上。

进一步的，所述大臂的上端安装有肩关节，所述肩关节包括轴心正交设置的第一转动副和第二转动副，所述第一转动副连接在所述大臂上，且轴心与所述铰支座的转动轴心平行。

进一步的，所述小臂的下端安装腕关节，所述腕关节包括轴心正交设置的第三转动副和第四转动副，所述第三转动副连接在所述小臂上，且轴心沿所述小臂的长度方向设置；

进一步的，所述第四转动副上连接有手掌，所述手掌的前端铰接有手指，所述手指由指关节依次铰接而成，所述指关节朝向所述手掌的一端具有突出形成的铰座，所述铰座位于所述指关节的手背侧；所述指关节的铰座上铰接有直线伸缩机构，所述直线伸缩机构的另一端铰接在相邻铰接的指关节或手掌上。

进一步的，所述直线伸缩机构为伸缩气缸。

进一步的，所述驱动轴为丝杆，所述拉绳绕在所述丝杆的槽内。

这样，就可以避免多次使用后拉绳相互重叠缠绕，影响拉绳的收放，从而提高运行稳定性。

所述铰支座的中部具有成圆环状的导向环，所述导向环与所述铰支座同轴设置；所述导向环的外表面具有多个导向槽，且相邻两个导向槽的间距与所述导向槽的宽度一致；两个所述铰支座上的导向环的导向槽交错嵌设；所述导向环的一侧延伸设置的限位块，两个所述导向环的限位块位于同一侧，且二者的限位块抵接状态下大臂和小臂处于伸直状态。

综上所述，本发明具有重量分布合理，有利于降低机械臂的自重，提高机械臂的灵活性和运行稳定性，降低成本等优点。

附图说明

图1为本实施例的整体结构示意图。

图2为拉绳部分的结构示意图。

图3为肘关节的结构示意图。

图4为手掌的结构示意图。

图5为拉绳导向部分的示意图。

图6为滑孔和滑环部分的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施时：如图1～图4所示，一种运动平顺的轻量化仿人机械手臂，包括大臂1、小臂2和肘关节3，所述肘关节3包括两个铰接相连的铰支座31，两个所述铰支座31分别安装在所述大臂1和小臂2上；每个所述铰支座31上均具有两个与铰轴平行设置的支撑杆32，两个所述支撑杆32沿所述铰支座31的宽度方向对称地设置在铰轴的两侧，并靠近所述大臂1或小臂2，所述支撑杆32上具有多个可转动的滑轮33；所述大臂1的上端具有可转动设置的驱动轴11，所述驱动轴11与所述支撑杆32平行设置，且一端连接有驱动电机12；所述驱动轴11上绕有呈单螺旋状的拉绳4，所述拉绳4的两端分别依次绕过同侧的两个支撑杆32上的滑轮33，且端部固定在其中一个所述支撑杆32上。

所述大臂1的上端安装有肩关节5，所述肩关节5包括轴心正交设置的第一转动副和第二转动副，所述第一转动副连接在所述大臂1上，且轴心与所述铰支座31的转动轴心平行。所述小臂2的下端安装腕关节6，所述腕关节6包括轴心正交设置的第三转动副和第四转动副，所述第三转动副连接在所述小臂2上，且轴心沿所述小臂2的长度方向设置。所述第一转动副、第二转动副、第三转动副和第四转动副内设置有电机或舵机。

所述第四转动副上连接有手掌71，所述手掌71的前端铰接有手指72，所述手指72由指关节73依次铰接而成，所述指关节73朝向所述手掌71的一端具有突出形成的铰座74，所述铰座74位于所述指关节73的手背侧；所述指关节73的铰座74上铰接有直线伸缩机构75，所述直线伸缩机构75的另一端铰接在相邻铰接的指关节73或手掌71上。本实施例中，所述直线伸缩机构75为伸缩气缸。

采用上述结构，将拉绳呈单螺旋状绕在驱动轴上，可以让驱动轴转动过程中，一端的拉绳能够顺利脱离驱动轴，而另一端的拉绳能够更好地绕上驱动轴，让拉绳在驱动轴上缠绕更加顺畅。使用时，驱动电机带动驱动轴转动，拉绳的一端不断地绕上驱动轴，由于驱动轴的位置不变，为了弥补该端拉绳损失的长度，绕在滑轮之间的拉绳将两个支撑杆之间的距离收缩，肘关节具有向该侧弯曲的趋势，而另一侧的两个支撑杆之间的拉绳则会受到拉伸力。同时，拉绳另一端不断的脱离驱动轴，该侧拉绳的长度增加，从而可以弥补该侧的两个支撑杆之间的拉绳长度，进而最终实现肘关节的弯曲，驱动电机反转则会驱动肘关节反向运动。另外，采用拉绳驱动肘关节运动，能够让动作更加平顺和稳定。同时，由于拉绳呈单螺旋状绕在驱动轴上，即缠绕多圈，拉绳与驱动轴上的摩擦力很大，即使在停电或停机状态下，只要驱动轴不转动，拉绳始终能够保持原位。将重量较大的驱动电机安装在大臂的上端，让手臂的重心更靠近肩膀部位，从而可以大大降低手臂平举动作时的力矩，便于选用更小功率的驱动电机，进而降低电机重量和成本，也就是降低手臂的自重和成本。

另外，本实施例中，为了增加大臂和小臂之间的运动空间，让大臂和小臂之间实现更小角度的弯曲。本实施例中，所述肘关节3还包括两块对称设置在所述铰支座31两侧的铰接板34，所述铰接板34的两端分别铰接在两个所述铰支座31上。所述铰支座31的内侧还具有与所述铰接板34对应设置的支撑板35，所述铰接板34和支撑板35通过穿过所述铰支座31上铰接孔的铰轴连接。所述铰支座31的铰接孔通过轴承安装在所述铰轴上。

为了避免多次使用后，缠绕在驱动轴上的拉绳相互重叠，影响拉绳在驱动轴上的收放，本实施例中，将所述驱动轴11设置为丝杆，所述拉绳4绕在所述丝杆的槽内。通过丝杠上螺旋槽的引导，就可以避免拉绳相互缠绕，从而提高运行的稳定性和可靠性。

所述铰支座31的中部具有成圆环状的导向环36，所述导向环36与所述铰支座31同轴设置；所述导向环36的外表面具有多个导向槽，且相邻两个导向槽的间距与所述导向槽的宽度一致；两个所述铰支座31上的导向环36的导向槽交错嵌设；所述导向环36的一侧延伸设置的限位块，两个所述导向环36的限位块位于同一侧，且二者的限位块抵接状态下大臂和小臂处于伸直状态。

另外，本实施例中，如图5所示，所述大臂1的上端还具有两根与所述驱动轴11平行设置的横杆81，两个所述横杆81分别位于所述驱动轴11的两侧，并低于所述驱动轴11；所述横杆81上可转动地安装有导向滑轮82，所述拉绳4的两端分别从同侧的所述导向滑轮82的上部绕过后，依次绕过同侧的两个支撑杆32上的滑轮33。

所述大臂1的上端还具有两根与所述驱动轴11平行设置的导向杆83，两个所述导向杆83分别位于所述驱动轴11的两侧，并高于所述驱动轴11；两个所述导向杆83上可滑动地架设有滑板84，所述滑板84的底部连接有与所述驱动轴11(丝杆)配合设置的丝杆螺母，所述丝杆螺母与所述拉绳4之间具有间距；所述横杆81安装在所述滑板84上。

这样，丝杆转动过程中，拉伸会沿丝杆的螺旋槽朝向一端移动，同时，丝杆螺母也以相同的速度同向移动，保证二者之间的间距不变，避免丝杆螺母影响拉绳的动作。另外，丝杆螺母带动滑板与拉绳同步移动，也就能够让安装在滑板上的横杆同步移动，从而保证导向滑轮与拉绳的位置相对不变，有利于对拉绳实现可靠导向，避免拉绳跨过螺旋槽重叠缠绕。

所述滑板84的底部还具有两个平行设置的滑杆85，所述横杆81的两端可滑动地设置在两个所述滑杆85上，两个所述横杆81上具有同轴贯通设置的螺纹孔，并穿设有螺纹杆87，所述螺纹杆的一端连接有微调电机86。

这样，通过微调电机带动螺纹杆转动，能够将两个横杆整体向一侧移动，将一侧的拉绳绷紧而实现微弯曲的调节。通过微调电机和驱动电机的配合，可以让手臂实现更精确的动作。

考虑到拉绳在装配过程中或在多次使用后，两侧的拉绳长度可能不一致，为了便于调节和补偿，本实施例中，还可以进一步采用如下优化结构：

如图6所示，所述横杆81上具有贯通设置的滑孔，所述滑孔内可相对转动地安装有滑环88，所述螺纹孔设置在所述滑环88的内孔上；所述滑环88的外表面具有沿周向凹陷形成的凹槽，所述凹槽位于所述滑环厚度方向上的中部位置，使所述滑环的外表面与所述滑孔的内表面滑动配合。

所述凹槽内具有沿轴向设置的棱槽，所述棱槽沿周向均布设置；所述滑孔上具有向上贯通设置的让位孔，所述让位孔与所述凹槽正对；所述横杆81上具有沿长度方向设置的弹片89，所述弹片89的一端连接在所述横杆81上，另一端弯折伸入所述让位孔，并卡入所述棱槽内。所述弹片89的中部设置有永磁铁，所述横杆81上嵌设有与所述永磁铁相对设置的电磁铁，所述电磁铁位于所述永磁铁下方，且所述电磁铁通电状态下朝上的磁极与所述永磁铁朝下的磁极一致，使所述弹片向上抬起脱出所述棱槽。

这样，在其中一个电磁铁通电状态下，电磁铁与永磁铁因同极相斥，使得弹片向上抬起脱出所述棱槽，此时微调电机带动螺杆转动时，螺纹杆带动滑环一同在滑孔内相对滑动，横杆保持不动。而电磁铁没有通电的横杆，因弹片卡入棱槽而将滑环限制在滑孔内，螺杆的转动带动滑环和横杆一同移动，实现单侧拉绳的调整。而两个电磁铁同时断电时，弹片限制滑环的转动，微调电机带动螺纹杆转动，就能够同时驱动两个横杆一同移动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种运动平顺的轻量化仿人机械手臂，其特征在于，包括大臂（1）、小臂（2）和肘关节（3），所述肘关节（3）包括两个铰接相连的铰支座（31），两个所述铰支座（31）分别安装在所述大臂（1）和小臂（2）上；每个所述铰支座（31）上均具有两个与铰轴平行设置的支撑杆（32），两个所述支撑杆（32）沿所述铰支座（31）的宽度方向对称地设置在铰轴的两侧，并靠近所述大臂（1）或小臂（2），所述支撑杆（32）上具有多个可转动的滑轮（33）；所述大臂（1）的上端具有可转动设置的驱动轴（11），所述驱动轴（11）与所述支撑杆（32）平行设置，且一端连接有驱动电机（12）；所述驱动轴（11）上绕有呈单螺旋状的拉绳（4），所述拉绳（4）的两端分别依次绕过同侧的两个支撑杆（32）上的滑轮（33），且端部固定在其中一个所述支撑杆（32）或滑轮（33）上；所述驱动轴（11）为丝杆，所述拉绳绕在所述丝杆的槽内；

所述大臂（1）的上端还具有两根与所述驱动轴（11）平行设置的横杆（81），两个所述横杆（81）分别位于所述驱动轴（11）的两侧，并低于所述驱动轴（11）；所述横杆（81）上可转动地安装有导向滑轮（82），所述拉绳（4）的两端分别从同侧的所述导向滑轮（82）的上部绕过后，依次绕过同侧的两个支撑杆（32）上的滑轮（33）；

所述大臂（1）的上端还具有两根与所述驱动轴（11）平行设置的导向杆（83），两个所述导向杆（83）分别位于所述驱动轴（11）的两侧，并高于所述驱动轴（11）；两个所述导向杆（83）上可滑动地架设有滑板（84），所述滑板（84）的底部连接有与所述驱动轴（11）配合设置的丝杆螺母，所述丝杆螺母与所述拉绳（4）之间具有间距；所述横杆（81）安装在所述滑板（84）上。

2.如权利要求1所述的运动平顺的轻量化仿人机械手臂，其特征在于，所述肘关节（3）还包括两块对称设置在所述铰支座（31）两侧的铰接板（34），所述铰接板（34）的两端分别铰接在两个所述铰支座（31）上。

3.如权利要求2所述的运动平顺的轻量化仿人机械手臂，其特征在于，所述铰支座（31）的内侧还具有与所述铰接板（34）对应设置的支撑板（35），所述铰接板（34）和支撑板（35）通过穿过所述铰支座（31）上铰接孔的铰轴连接。

4.如权利要求3所述的运动平顺的轻量化仿人机械手臂，其特征在于，所述铰支座（31）的铰接孔通过轴承安装在所述铰轴上。

5.如权利要求1所述的运动平顺的轻量化仿人机械手臂，其特征在于，所述大臂（1）的上端安装有肩关节（5），所述肩关节（5）包括轴心正交设置的第一转动副和第二转动副，所述第一转动副连接在所述大臂（1）上，且轴心与所述铰支座（31）的转动轴心平行。

6.如权利要求1所述的运动平顺的轻量化仿人机械手臂，其特征在于，所述小臂（2）的下端安装腕关节（6），所述腕关节（6）包括轴心正交设置的第三转动副和第四转动副，所述第三转动副连接在所述小臂（2）上，且轴心沿所述小臂（2）的长度方向设置。

7.如权利要求6所述的运动平顺的轻量化仿人机械手臂，其特征在于，所述第四转动副上连接有手掌（71），所述手掌（71）的前端铰接有手指（72），所述手指（72）由指关节（73）依次铰接而成，所述指关节（73）朝向所述手掌（71）的一端具有突出形成的铰座（74），所述铰座（74）位于所述指关节（73）的手背侧；所述指关节（73）的铰座（74）上铰接有直线伸缩机构（75），所述直线伸缩机构（75）的另一端铰接在相邻铰接的指关节（73）或手掌（71）上。

8.如权利要求7所述的运动平顺的轻量化仿人机械手臂，其特征在于，所述直线伸缩机构（75）为伸缩气缸。

9.如权利要求2所述的运动平顺的轻量化仿人机械手臂，其特征在于，所述铰支座（31）的中部具有成圆环状的导向环（36），所述导向环（36）与所述铰支座（31）同轴设置；所述导向环（36）的外表面具有多个导向槽，且相邻两个导向槽的间距与所述导向槽的宽度一致；两个所述铰支座（31）上的导向环（36）的导向槽交错嵌设；所述导向环（36）的一侧延伸设置的限位块，两个所述导向环（36）的限位块位于同一侧，且二者的限位块抵接状态下大臂和小臂处于伸直状态。

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