CN114571500A - 一种集中驱动型刚性仿人机械臂 - Google Patents

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罗自荣
尚建忠
金博宇
徐毓泽
卢钟岳
蒋涛
朱志超
王莽宽
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J18/00—Arms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators

Abstract

本发明提供一种集中驱动型刚性仿人机械臂，由大臂驱动电机带动整个大臂组件转动；肘板驱动电机和小臂驱动电机分别安装于大臂支架，肘板驱动电机的输出轴通过肘板传动连杆带动肘板转动，小臂驱动电机通过小臂传动连杆带动小臂本体转动，并且肘板的转轴与小臂本体的转轴垂直相交，在至少三个电机的驱动下，使小臂本体能够实现至少三个自由度的转动；本发明的肘板驱动电机的输出轴和肘板驱动电机的输出轴共线，并且与小臂驱动电机的输出轴垂直相交，电机并不安装于大臂组件和小臂组件的关节处，大臂组件与小臂组件共同转动时、或者仅小臂组件转动时，将电机对转动惯量的影响降到最低，提升机械臂的运动灵活性、运动稳定性和运动精度。

Description

一种集中驱动型刚性仿人机械臂
技术领域
本发明涉及机械臂领域，更进一步涉及一种集中驱动型刚性仿人机械臂。
背景技术
刚性仿人机械臂作为最能贴合人臂构型及运动特点的一类重要执行器，由于具有易于制造安装、运动稳定、便于进行精确运动控制的特点而被广泛投入仿人机器人领域中，执行多样化的目标任务，具有广阔的应用背景。
受空间及传动距离的限制，目前多数刚性仿人机械臂的驱动源分散在各运动关节中，导致关节尺寸和全臂重量增加，运动惯量增加，运动快速性和灵活性也有所降低。同时，部分机械臂还在关节处存在连杆偏移，导致相邻臂段间出现结构偏置现象，其偏置距离会增加运动学建模解算的复杂性和实际运动的稳定性。
对于本领域的技术人员来说，如何减小机械臂的运动惯量，提升机械臂的运动灵活性、运动稳定性和运动精度，是目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种集中驱动型刚性仿人机械臂，将各个电机集中设置，降低机械臂转动时的转动惯量，提升机械臂的运动灵活性、运动稳定性和运动精度，具体方案如下：
一种集中驱动型刚性仿人机械臂，包括肩部组件、大臂组件和小臂组件，所述肩部组件包括肩部支架、大臂驱动电机，所述大臂驱动电机固定安装于所述肩部支架，用于驱动所述大臂组件转动；
所述大臂组件包括大臂支架、肘板驱动电机、小臂驱动电机、肘板传动连杆、小臂传动连杆，所述肘板驱动电机和所述小臂驱动电机分别安装于所述大臂支架；所述肘板驱动电机的输出轴和所述肘板驱动电机的输出轴共线，所述小臂驱动电机的输出轴垂直相交于所述肘板驱动电机的输出轴；
所述小臂组件包括肘板、小臂本体，所述肘板铰接于所述大臂支架，小臂本体铰接于所述肘板；所述肘板的转轴与所述小臂本体的转轴垂直相交；
所述肘板驱动电机的输出轴通过所述肘板传动连杆带动所述肘板转动，所述小臂驱动电机通过所述小臂传动连杆带动所述小臂本体转动。
可选地，所述肩部支架为U型框架，所述大臂驱动电机固定于所述肩部支架一端的悬臂，所述肘板驱动电机转动安装于所述肩部支架另一端的悬臂；所述大臂驱动电机和所述肘板驱动电机分别位于所述小臂驱动电机的两侧。
可选地，所述肘板传动连杆包括肘板双向曲柄和肘板铰接杆，所述肘板双向曲柄固定于所述肘板驱动电机的输出轴，所述肘板铰接杆的两端分别铰接于所述肘板双向曲柄和所述肘板。
可选地，所述小臂驱动电机的外壳固定连接两个圆弧形的电机卡件，所述电机卡件固定连接阶梯轴，所述肘板双向曲柄转动连接于所述阶梯轴。
可选地，所述小臂传动连杆包括小臂双向曲柄和小臂连接杆，所述小臂双向曲柄固定于所述小臂驱动电机的输出轴，所述小臂连接杆的两端分别通过万向节连接于所述小臂双向曲柄和所述小臂本体。
可选地，所述小臂连接杆为S形弯曲杆。
可选地，所述大臂支架为U形框架，包括两个平行的大臂杆和一个大臂连杆，每个所述大臂杆的两侧平行设置两个所述肘板传动连杆。
可选地，所述小臂本体包括呈T型固定连接的小臂臂身和小臂转接块，所述小臂转接块与所述小臂连接杆通过球铰连接。
可选地，所述肩部组件还包括肩部驱动电机，所述肩部支架固定于所述肩部驱动电机的输出轴；所述肩部驱动电机的输出轴能够与所述大臂驱动电机、所述肘板驱动电机、所述小臂驱动电机汇交。
可选地，所述小臂本体的末端安装夹爪，所述夹爪通过直线电机驱动夹取。
本发明提供一种集中驱动型刚性仿人机械臂，大臂驱动电机固定安装于肩部支架，由大臂驱动电机带动整个大臂组件转动；肘板驱动电机和小臂驱动电机分别安装于大臂支架，肘板驱动电机的输出轴通过肘板传动连杆带动肘板转动，小臂驱动电机通过小臂传动连杆带动小臂本体转动，并且肘板的转轴与小臂本体的转轴垂直相交，在至少三个电机的驱动下，使小臂本体能够实现至少三个自由度的转动；本发明的肘板驱动电机的输出轴和肘板驱动电机的输出轴共线，并且与小臂驱动电机的输出轴垂直相交，电机并不安装于大臂组件和小臂组件的关节处，大臂组件与小臂组件共同转动时、或者仅小臂组件转动时，将电机对转动惯量的影响降到最低，提升机械臂的运动灵活性、运动稳定性和运动精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明提供的集中驱动型刚性仿人机械臂的整体结构轴测图；
图2为大臂组件的部分结构轴测图；
图3A和图3B分别为小臂驱动电机与小臂传动连杆配合的两个不同状态的示意图；
图3C为小臂连接杆与万向节配合的局部结构示意图；
图4A、图5A、图6A分别为小臂驱动电机通过小臂传动连杆驱动肘板三个不同角度的上方视角示意图；
图4B、图5B、图6B分别为图4A、图5A、图6A对应的下方视角示意图。
图中包括：
肩部组件1、肩部支架11、大臂驱动电机12、肩部驱动电机13、大臂组件2、大臂支架21、肘板驱动电机22、肩部连接板221、小臂驱动电机23、电机卡件231、阶梯轴232、肘板传动连杆24、肘板双向曲柄241、肘板铰接杆242、小臂传动连杆25、小臂双向曲柄251、小臂连接杆252、小臂组件3、肘板31、小臂本体32、小臂臂身321、小臂转接块322、夹爪4、直线电机41。
具体实施方式
本发明的核心在于提供一种集中驱动型刚性仿人机械臂，将各个电机集中设置，降低机械臂转动时的转动惯量，提升机械臂的运动灵活性、运动稳定性和运动精度。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图及具体的实施方式，对本发明的集中驱动型刚性仿人机械臂进行详细的介绍说明。
图1为本发明提供的集中驱动型刚性仿人机械臂的整体结构轴测图；本发明提供一种集中驱动型刚性仿人机械臂，包括肩部组件1、大臂组件2和小臂组件3等结构。
肩部组件1包括肩部支架11、大臂驱动电机12等结构，大臂驱动电机12固定安装于肩部支架11，用于驱动大臂组件2转动；肩部支架11为框架结构，大臂驱动电机12的外壳部分固定于肩部支架11，由肩部支架11限位支撑，大臂驱动电机12的输出轴固定于大臂组件2，带动大臂组件2整体转动，转动轴如图1中的虚线b所示。
大臂组件2包括大臂支架21、肘板驱动电机22、小臂驱动电机23、肘板传动连杆24、小臂传动连杆25等结构，大臂支架21为框架结构，肘板驱动电机22和小臂驱动电机23分别安装于大臂支架21，肘板驱动电机22能够相对于肩部支架11转动，结合图1所示，肘板驱动电机22固定在肩部连接板221，肩部连接板221能够相对于肩部支架11转动。大臂支架21对肘板驱动电机22和小臂驱动电机23分别提供支撑，大臂支架21转动时，带动肘板驱动电机22和小臂驱动电机23随大臂支架21同步转动。肘板驱动电机22的输出轴和肘板驱动电机22的输出轴共线，结合图1所示，肘板驱动电机22的输出轴和肘板驱动电机22的输出轴均位于虚线b所在的直线。
小臂驱动电机23的输出轴垂直相交于肘板驱动电机22的输出轴，图中的虚线e表示小臂驱动电机23的输出轴线方向，虚线b和虚线e能够交汇于一点。
小臂组件3包括肘板31、小臂本体32等结构，肘板31铰接于大臂支架21，肘板31可相对于大臂支架21围绕转轴c转动。肘板31为四边形结构，在其侧边处凸出设置若干半轴，通过半轴实现铰接；小臂本体32铰接于肘板31，小臂本体32可相对于肘板31围绕转轴d转动。肘板31的转轴与小臂本体32的转轴垂直相交，也即转轴c和转轴d相互垂直，两者能够交汇于一点。
结合图2所示，为大臂组件2的部分结构轴测图；肘板驱动电机22的输出轴通过肘板传动连杆24带动肘板31转动，肘板驱动电机22的输出轴绕转轴b转动，肘板31绕转轴c转动，肘板31和小臂组件3共同绕转轴c转动。小臂驱动电机23通过小臂传动连杆25带动小臂本体32转动，小臂本体32相对于肘板31绕转轴d转动。此结构中，小臂组件3能够相对于大臂组件2在两个自由度下转动，也即绕转轴c和转轴d转动。
本发明的集中驱动型刚性仿人机械臂通过设置大臂驱动电机12、肘板驱动电机22、小臂驱动电机23实现至少三个自由度的转动，也即图1中大臂组件2可绕b轴转动，小臂组件3可绕c轴与d轴转动。大臂驱动电机12、肘板驱动电机22、小臂驱动电机23均集中安装于大臂组件2和小臂组件3相接的肩关节处，在大臂组件2和小臂组件3之间的肘关节处不设置驱动结构，大臂组件2和小臂组件3的转动不受电机转动惯量的影响，降低机械臂活动部分的重量，提升机械臂的运动灵活性、运动稳定性和运动精度。
在上述方案的基础上，本发明的肩部支架11为U型框架，结合图1，肩部支架11包括一段横向延伸的板面与两段竖向延伸的悬臂，大臂驱动电机12固定于肩部支架11一端的悬臂，肘板驱动电机22转动安装于肩部支架11另一端的悬臂；也即大臂驱动电机12和肘板驱动电机22分别位于左右两侧的悬臂。
小臂驱动电机23位于两侧的悬臂之间的位置，大臂驱动电机12和肘板驱动电机22分别位于小臂驱动电机23的两侧，使肩部支架11两端的重量保持平衡。
肘板传动连杆24包括肘板双向曲柄241和肘板铰接杆242，肘板双向曲柄241固定于肘板驱动电机22的输出轴，肘板铰接杆242的两端分别铰接于肘板双向曲柄241和肘板31，结合图2所示，两个肘板铰接杆242的顶端分别铰接于肘板双向曲柄241，两个肘板铰接杆242的底端分别铰接于肘板31，肘板双向曲柄241、肘板铰接杆242、肘板31共同形成四连杆机构，四连杆机构相对的两组边分别等长。当肘板铰接杆242由肘板驱动电机22的输出轴带动绕转轴b转动时，通过肘板铰接杆242传动进而使肘板31转动，肘板31围绕转轴c转动。
小臂驱动电机23的外壳固定连接两个圆弧形的电机卡件231，两个电机卡件231与小臂驱动电机23的外壳固定连接为一体；每个电机卡件231固定连接一个阶梯轴232，肘板双向曲柄241转动连接于阶梯轴232，肘板双向曲柄241可相对于阶梯轴232转动。各个铰接位置均使用深沟球轴承来实现，以增大铰接处的同轴度。
小臂传动连杆25包括小臂双向曲柄251和小臂连接杆252，结合图3A和图3B所示，分别为小臂驱动电机23与小臂传动连杆25配合的两个不同状态的示意图；小臂双向曲柄251固定于小臂驱动电机23的输出轴，小臂连接杆252的两端分别通过万向节连接于小臂双向曲柄251和小臂本体32，图3C为小臂连接杆252与万向节配合的局部结构示意图，图中的w表示万向节；当两个小臂双向曲柄251转动时，经由小臂连接杆252传动，使小臂本体32相对于肘板31转动。
结合图3C，装配时首先在小臂连接杆252端部通孔内安装一对背靠背的向心球轴承并压紧，随后用一对自攻螺钉分别从万向节两侧轴孔处攻入，并插入向心球轴承的内圈中紧固，这样就实现了小臂连接杆252绕万向节的转动。万向节与小臂双向曲柄251、小臂转接块322之间以及小臂转接块322与肘板31之间的铰接方式与上述肘板传动机构中的铰接方式相同，仍采用每个铰接处安装一对深沟球轴承来实现。
优选的，本发明中小臂连接杆252为S形弯曲杆，具有两段弯曲方向相反的弧形；小臂连接杆252采用S型弯曲造型，可以形成更大的传动角度范围。小臂双向曲柄251、小臂连接杆252和小臂转接块322共同形成空间四连杆机构。万向节在传动中起到了关键作用，使S形弯曲杆相对于小臂双向曲柄251、以及S形弯曲杆相对于小臂转接块322均有两个正交的转动自由度。当肘板31处于可达转动范围内的任意姿态时，传动机构都能实现对小臂本体32的传动。
对比S形弯曲杆和直连杆，虽然这两种连杆都能将小臂驱动电机23的旋转运动准确传递给小臂本体32，但考虑到要在肘板31转动范围内的任意位置均能实现小臂本体32的传动，直连杆由于其侧面与万向节底面易发生干涉，导致肘板31可达的转动范围十分有限。相比于直连杆，采用S形弯曲杆有效扩大了肘板的转动范围，使传动机构在很大的肘板转动范围内均能实现对小臂的精确传动。
如图4A、图5A、图6A所示，分别为小臂驱动电机23通过小臂传动连杆25驱动肘板31三个不同角度的上方视角示意图；图4B、图5B、图6B分别为图4A、图5A、图6A对应的下方视角示意图。
大臂支架21为U形框架，包括两个平行的大臂杆和一个大臂连杆，结合图1，大臂连杆的两端分别连接一个大臂杆，每个大臂杆的两侧平行设置两个肘板传动连杆24，在肘板31的一条侧边处连接两个肘板传动连杆24和一个大臂支架21，大臂支架21位于两个传动连杆24之间，大臂支架21铰接于阶梯轴。
小臂本体32包括呈T型固定连接的小臂臂身321和小臂转接块322，小臂转接块322与小臂连接杆252通过球铰连接；小臂臂身321的端部固定于小臂转接块322，两者形成T型的结构，小臂转接块322自身可采用U型弯曲结构，从而方便实现相对转动。肘板31采用了中空的环形框架结构，便于在肘板内部容纳小臂转接块322。本发明的各个连杆和曲柄均设计为对称结构，在美观的同时也使肘板31和小臂转接块322双边受力，更加稳定。肘板双向曲柄241和小臂双向曲柄251的中间部分分别设置为法兰盘结构，通过螺栓实现固定装配。
在上述任一技术方案及其相互组合的基础上，本发明的肩部组件1还包括肩部驱动电机13，肩部支架11固定于肩部驱动电机13的输出轴，结合图1，肩部驱动电机13可带动整个肩部支架11围绕转轴a转动。肩部驱动电机13的输出轴能够与大臂驱动电机12、肘板驱动电机22、小臂驱动电机23汇交，各电机的输出轴能够汇交于一点，保证各个电机输出转动时发生干涉，使驱动空间的结构更为紧凑，较好地实现了驱动空间集中化。
肩部驱动电机13带动肩部支架11以及大臂组件2、小臂组件3共同围绕转轴a转动；大臂驱动电机12带动大臂组件2、小臂组件3共同围绕转轴b转动；肘板驱动电机22带动小臂组件3，包括肘板31、小臂本体32共同围绕转轴c转动；小臂驱动电机23带动小臂本体32围绕转轴d转动。通过四个电机相互配合，实现四个自由度的转动，肩关节和肘关节各有两个自由度，且所有驱动电机全部集中在肩部。
结合图1，小臂本体32的末端安装夹爪4，夹爪4位于整个机械臂的腕部，直线电机41能够沿直线伸缩运动，夹爪4能够开合转动，夹爪4通过直线电机41驱动夹取，实现对货物的夹取操作。
综上所述，本发明所提出的集中驱动型刚性仿人机械臂，驱动电机均位于机械臂肩部，使机械臂重量集中在肩部，整臂转动惯量小；对比其他相同自由度机械臂，控制难度低，负载能力更强。
该机械臂肩部、肘部均具有两个自由度，末端灵活度高，工作空间大。
该机械臂，均为连杆传动，传动间隙小，运动精度高。
该机械臂的肘部其中之一自由度使用s形连杆，使机械臂在没有干涉的前提下，获得更大的工作空间。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种集中驱动型刚性仿人机械臂，包括肩部组件(1)、大臂组件(2)和小臂组件(3)，其特征在于，所述肩部组件(1)包括肩部支架(11)、大臂驱动电机(12)，所述大臂驱动电机(12)固定安装于所述肩部支架(11)，用于驱动所述大臂组件(2)转动；
所述大臂组件(2)包括大臂支架(21)、肘板驱动电机(22)、小臂驱动电机(23)、肘板传动连杆(24)、小臂传动连杆(25)，所述肘板驱动电机(22)和所述小臂驱动电机(23)分别安装于所述大臂支架(21)；所述肘板驱动电机(22)的输出轴和所述肘板驱动电机(22)的输出轴共线，所述小臂驱动电机(23)的输出轴垂直相交于所述肘板驱动电机(22)的输出轴；
所述小臂组件(3)包括肘板(31)、小臂本体(32)，所述肘板(31)铰接于所述大臂支架(21)，小臂本体(32)铰接于所述肘板(31)；所述肘板(31)的转轴与所述小臂本体(32)的转轴垂直相交；
所述肘板驱动电机(22)的输出轴通过所述肘板传动连杆(24)带动所述肘板(31)转动，所述小臂驱动电机(23)通过所述小臂传动连杆(25)带动所述小臂本体(32)转动。
2.根据权利要求1所述的集中驱动型刚性仿人机械臂，其特征在于，所述肩部支架(11)为U型框架，所述大臂驱动电机(12)固定于所述肩部支架(11)一端的悬臂，所述肘板驱动电机(22)转动安装于所述肩部支架(11)另一端的悬臂；所述大臂驱动电机(12)和所述肘板驱动电机(22)分别位于所述小臂驱动电机(23)的两侧。
3.根据权利要求2所述的集中驱动型刚性仿人机械臂，其特征在于，所述肘板传动连杆(24)包括肘板双向曲柄(241)和肘板铰接杆(242)，所述肘板双向曲柄(241)固定于所述肘板驱动电机(22)的输出轴，所述肘板铰接杆(242)的两端分别铰接于所述肘板双向曲柄(241)和所述肘板(31)。
4.根据权利要求3所述的集中驱动型刚性仿人机械臂，其特征在于，所述小臂驱动电机(23)的外壳固定连接两个圆弧形的电机卡件(231)，所述电机卡件(231)固定连接阶梯轴(232)，所述肘板双向曲柄(241)转动连接于所述阶梯轴(232)。
5.根据权利要求3所述的集中驱动型刚性仿人机械臂，其特征在于，所述小臂传动连杆(25)包括小臂双向曲柄(251)和小臂连接杆(252)，所述小臂双向曲柄(251)固定于所述小臂驱动电机(23)的输出轴，所述小臂连接杆(252)的两端分别通过万向节连接于所述小臂双向曲柄(251)和所述小臂本体(32)。
6.根据权利要求5所述的集中驱动型刚性仿人机械臂，其特征在于，所述小臂连接杆(252)为S形弯曲杆。
7.根据权利要求6所述的集中驱动型刚性仿人机械臂，其特征在于，所述大臂支架(21)为U形框架，包括两个平行的大臂杆和一个大臂连杆，每个所述大臂杆的两侧平行设置两个所述肘板传动连杆(24)。
8.根据权利要求6所述的集中驱动型刚性仿人机械臂，其特征在于，所述小臂本体(32)包括呈T型固定连接的小臂臂身(321)和小臂转接块(322)，所述小臂转接块(322)与所述小臂连接杆(252)通过球铰连接。
9.根据权利要求1至8任一项所述的集中驱动型刚性仿人机械臂，其特征在于，所述肩部组件(1)还包括肩部驱动电机(13)，所述肩部支架(11)固定于所述肩部驱动电机(13)的输出轴；所述肩部驱动电机(13)的输出轴能够与所述大臂驱动电机(12)、所述肘板驱动电机(22)、所述小臂驱动电机(23)汇交。
10.根据权利要求9所述的集中驱动型刚性仿人机械臂，其特征在于，所述小臂本体(32)的末端安装夹爪(4)，所述夹爪(4)通过直线电机(41)驱动夹取。
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