CN115351816A - 自平衡机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生产设备技术领域，提出了一种自平衡机械臂。包括：基座和设置于基座上的第一驱动件；大臂机构与基座转动连接，第一驱动件用于驱动大臂机构绕第一轴线转动；大臂机构包括转动轴；第二驱动组件用于驱动转动轴绕第二轴线转动；小臂机构包括安装座、第二驱动件和四连杆机构；第二驱动件用于驱动四连杆机构绕第三轴线摆动；配重机构与小臂机构分别位于大臂机构的两端；配重机构包括：电机、线性模组和配重块，电机驱动线性模组运动，以调整配重块的位置。控制器与电机相连接，控制器用于根据小臂机构的重量和配重块的重量，控制电机运行，以调整配重块的位置。本申请可有效减小设备在转动过程中的震颤，提高系统稳定性及控制精度。

Description

自平衡机械臂

技术领域

本发明涉及生产设备技术领域，具体而言，涉及一种自平衡机械臂。

背景技术

相关技术中，自平衡机械臂所采用的机械臂，由于通过多段转轴连接，实现物料的抓取，在实际应用过程中，由于转动惯量的作用，导致自平衡机械臂在运行过程中稳定性较低。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

有鉴于此，本发明的一个方面提出了一种自平衡机械臂，包括：基座和设置于所述基座上的第一驱动件；大臂机构，与所述基座转动连接，第一驱动件用于驱动所述大臂机构绕第一轴线转动，所述大臂机构包括转动轴；第二驱动组件，设置于所述大臂机构，与所述转动轴相连接，用于驱动转动轴绕第二轴线转动；小臂机构，包括安装座、第二驱动件和四连杆机构，安装座设置于所述转动轴的一端，且能够跟随所述转动轴转动；所述第二驱动件设置于所述安装座；所述四连杆机构包括第一铰接部和第二铰接部，所述第一铰接部与所述第二驱动件的输出端相连接，所述第二铰接部与所述转动轴的另一端转动连接；所述第二驱动件用于驱动所述四连杆机构绕第三轴线摆动；配重机构，设置于大臂机构，所述配重机构与所述小臂机构分别位于所述大臂机构的两端；所述配重机构包括：电机；线性模组，与所述电机相连接；配重块，设置于所述线性模组，所述电机驱动所述线性模组运动，以调整所述配重块的位置，进而改变自平衡机械臂工作过程中转动惯量大小；控制器，与所述电机相连接，所述控制器用于根据所述小臂机构的重量和所述配重块的重量，控制所述电机运行，以调整所述配重块的位置；其中，所述第一轴线为所述第一驱动件的转动轴线，所述第二轴线为所述转动轴的转动轴线，所述第三轴线为所述第二驱动件的转动轴线，所述第一轴线和所述第二轴线相互平行设置，所述第三轴线与所述第二轴线相互垂直设置。

可选地，所述四连杆机构包括：第一杆体，包括所述第一铰接部；第二杆体，包括所述第二铰接部，所述第一杆体和所述第二杆体平行设置；第三杆体，所述第三杆体与所述转动轴平行设置，并与所述第一杆体和所述第二杆体分别铰接；其中，所述转动轴、所述第一杆体、所述第二杆体和所述第三杆体形成所述四连杆机构。

可选地，第二驱动组件包括：第三驱动件，设置于大臂机构，第三驱动件的输出轴伸入大臂机构的壳体内；第一锥齿轮，设于输出轴，位于壳体内；传动轴，设置于壳体内，传动轴能够相对于壳体转动；第二锥齿轮，设置于传动轴的一端，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合连接；第三锥齿轮，设置于传动轴的另一端；第四锥齿轮，套设于转动轴上，与第三锥齿轮相啮合；其中，第三驱动件驱动第一锥齿轮转动，通过第二锥齿轮带动传动轴转动，通过第三锥齿轮和第四锥齿轮带动转动轴转动，进而带动小臂机构相对于大臂机构转动。

可选地，所述第三杆体包括主体部和伸出部，所述主体部的两端分别与第一杆体的端部和第二杆体的端部相铰接，所述伸出部伸出所述第二杆体，所述第三杆体为一体式杆体结构；小臂机构还包括：第一舵机，设置于四连杆机构；末端执行机构，与第一舵机转动连接，第一舵机驱动末端执行机构绕第四轴线摆动。其中，所述第四轴线为所述第一舵机的转动轴线。

可选地，末端执行机构包括：连接架，与第一舵机转动连接；第二舵机，设置于连接架；安装架，与第二舵机转动连接，第二舵机用于驱动安装架绕第五轴线转动，所述第五轴线为所述第二舵机的转动轴线；第三舵机，设置于安装架上；夹手机构，设置于安装架，第三舵机与夹手机构转动连接。

可选地，夹手机构包括：相互啮合的第一齿轮和第二齿轮，第三舵机与第一齿轮相连接；两个夹指，分别与第一齿轮和第二齿轮相连接；其中，所述第三舵机通过驱动所述第一齿轮和所述第二齿轮相向运动，以实现两个夹指夹取物料，通过驱动所述第一齿轮和所述第二齿轮相反向运动，以实现两个夹指释放物料。

可选地，所述控制器具体用于：获取所述配重块的重量m ₁和所述小臂机构的重量m ₂;以及获取所述小臂机构的重心至所述第一轴线的距离L ₂；根据m ₁、m ₂和L ₂，确定所述配重块的重心至所述第一轴线的距离L ₁；根据L ₁，控制所述电机运行，以将所述配重块调整至距离所述第一轴线为L ₁的位置。

本申请实施例提供的自平衡机械臂，至少能够实现以下技术效果：

本申请提供的自平衡机械臂包括：基座、第一驱动件、大臂机构、小臂机构、第二驱动组件和配重机构。其中，基座用于承载第一驱动件。大臂机构与第一驱动件的输出端相连接，第一驱动件能够驱动大臂机构相对于基座转动，以调整大臂机构的的转动角度，进而带动设置于大臂机构上的小臂机构转动。设置于大臂机构的第二驱动组件与转动轴相连接，第二驱动组件用于驱动转动轴相对于大臂机构转动。小臂机构包括安装座、第二驱动件和四连杆机构。其中，安装座设置于转动轴的一端，第二驱动组件驱动转动轴转动过程中，安装座跟随转动轴转动，进而通过第二驱动组件能够调整小臂机构相对于大臂机构的转动角度。第二驱动件设置于安装座上，第二驱动件与四连杆机构相连接。第二驱动件用于驱动四连杆机构摆动，进而通过第二驱动件能够调整设置于四连杆机构的摆动角度。这样，通过第一驱动件，第二驱动组件和第二驱动件实现了机械臂的多个自由度的位置的调整，进而提升了机械臂的控制精度，提升智能化程度。

进一步地，本申请提供的机械臂还包括设置于大臂机构的配重机构。通过将配重机构和小臂机构分别布置于大臂机构的两端，通过配重机构实现降低机械臂转动过程中转动惯量，有效减小设备在转动过程中的震颤，提高系统稳定性及控制精度。

进一步地，配重机构包括电机、线性模组和配重块。通过电机驱动线性模组运动，进而带动配重块运动，以调整配重块的位置。通过设置配重机构，能够根据小臂机构一侧的参数信息，对配重块的位置进行调整，以达到大臂机构两侧的平衡性，降低了转动过程中的转动惯量，进而达到降低整个设备在运行过程中的震颤，提升整个设备的稳定性。

进一步地，本申请提供的自平衡机械臂还包括控制器。控制器与电机相连接，控制器用于根据小臂机构的重量和配重块的重量，控制电机运行，以调整配重块的位置。通过控制器控制自平衡机械臂工作。根据小臂机构的重量和配重块的重量，实现对配重块位置的调整，以调整小臂机构一侧和配重机构的一侧的平衡性，进而达到降低整个设备的转动惯量，提升整个设备运行的稳定性和控制精度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1示出了本发明的一个实施例的自平衡机械臂的结构示意图；

图2示出了图1所示实施例的自平衡机械臂的小臂机构及第二驱动组件示意图；

图3示出了图1所示实施例的自平衡机械臂的第二驱动组件及配重机构示意图；

图4示出了图1所示实施例的自平衡机械臂的部分结构示意图；

图5示出了图1所示实施例的自平衡机械臂的夹手组件的结构示意图；

图6示出了图1所示实施例的自平衡机械臂正面示意图；

图7示出了图1所示实施例的自平衡机械臂的力分析示意图。

其中，图1至图7中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

1自平衡机械臂；

10大臂机构，12第一驱动件，14基座；102壳体；1022主体；

13小臂机构，130转动轴，131安装座，132第二驱动件，133四连杆机构，141第一杆体，142第二杆体，143第三杆体，151第一舵机，152连接架，153第二舵机，154安装架，155第三舵机，156第一齿轮，157第二齿轮，158夹指；

16第二驱动组件，161第三驱动件，162第一锥齿轮，163传动轴，164第二锥齿轮，165第三锥齿轮，166第四锥齿轮；

17配重机构，171电机，172线性模组，173配重块。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1至图7描述根据本发明一些实施例的自平衡机械臂1和自平衡机械臂的控制方法。

在本申请的一个实施例中，结合图1所示，本发明提供了一种自平衡机械臂1，包括基座14、第一驱动件12、大臂机构10、小臂机构13、第二驱动组件16和配重机构17。

其中，第一驱动件12设置于基座14上。大臂机构10与基座14转动连接，第一驱动件12用于驱动大臂机构10绕第一轴线转动。大臂机构10包括转动轴130。第二驱动组件16设置于大臂机构10，与转动轴130相连接，用于驱动转动轴130绕第二轴线转动。小臂机构13包括安装座131、第二驱动件132和四连杆机构133。安装座131设置于转动轴130的一端，且能够跟随转动轴130转动；第二驱动件132设置于安装座131。四连杆机构133包括第一铰接部和第二铰接部，第一铰接部与第二驱动件132的输出端相连接，第二铰接部与转动轴130的另一端转动连接；第二驱动件132用于驱动四连杆机构133绕第三轴线摆动。配重机构17设置于大臂机构10。配重机构17与小臂机构13分别位于大臂机构10的两端。配重机构17包括：电机171；线性模组172，与电机171相连接；配重块173，设置于线性模组172，电机171驱动线性模组172运动，以调整配重块173的位置，进而改变自平衡机械臂工作过程中转动惯量大小。

进一步地，机械臂还包括控制器。控制器与电机171相连接，控制器用于根据小臂机构13的重量和配重块173的重量，控制电机171运行，以调整配重块173的位置；其中，第一轴线为第一驱动件12的转动轴线，第二轴线为转动轴130的转动轴线，第三轴线为第二驱动件132的转动轴线，第一轴线和第二轴线相互平行设置，第三轴线与第二轴线相互垂直设置。

本申请提供的自平衡机械臂包括：基座14、第一驱动件12、大臂机构10、小臂机构13、第二驱动组件16和配重机构17。其中，基座14用于承载第一驱动件12。大臂机构10与第一驱动件12件的输出端相连接，第一驱动件12能够驱动大臂机构10相对于基座14转动，以调整大臂机构10的转动角度，进而带动设置于大臂机构10上的小臂机构13转动。设置于大臂机构10的第二驱动组件16与转动轴130相连接，第二驱动组件16用于驱动转动轴130相对于大臂机构10转动。小臂机构13包括安装座131、第二驱动件132和四连杆机构133。其中，安装座131设置于转动轴130的一端，第二驱动组件16驱动转动轴130转动过程中，安装座131跟随转动轴130转动，进而通过第二驱动组件16能够调整小臂机构13相对于大臂机构10的转动角度。第二驱动件132设置于安装座131上，第二驱动件132与四连杆机构133相连接。第二驱动件132用于驱动四连杆机构133摆动，进而通过第二驱动件132能够调整设置于四连杆机构133的摆动角度。这样，通过第一驱动件12，第二驱动组件16和第二驱动件132实现了机械臂的多个自由度的位置调整，进而提升了机械臂的控制精度，提升智能化程度。

进一步地，结合图2所示，小臂机构13包括：安装座131与转动轴130的一端相连接，安装座131能够相对于大臂机构10转动。第二驱动件132设置于安装座131；四连杆机构133包括第一铰接部和第二铰接部，第一铰接部与第二驱动件132的输出端相连接，第二铰接部与转动轴130的另一端转动连接；其中，第二驱动件132用于驱动四连杆机构133绕第三轴线摆动。

在该实施例中，结合图1、图2和图6所示，通过将转动轴130穿设于大臂机构10，且能够相对于大臂机构10转动，进而实现对第二驱动组件16的动力的传递。转动轴130与第一驱动件12的输出轴之间具有间隔，且转动轴130位于大臂机构10的端部。转动轴130的一端设置有安装座131，安装座131用于承载第二驱动件132，第二驱动件132与四连杆机构133的第一铰接部相连接。四连杆机构133的第二铰接部与转动轴130的另一端相铰接。这样，通过第二驱动件132能够驱动四连杆机构133绕第三轴线摆动。第二驱动组件16与转动轴130相连接，第二驱动组件16驱动转动轴130绕第二轴线转动，进而带动安装座131一起转动，以达到带动小臂机构13同时转动的目的。其中，第二轴线与第三轴线相垂直。小臂机构13通过包括四连杆机构133，四连杆机构133具有更高的稳定性，能够增加小臂机构13的刚度。

可选地，结合图1和图2所示，第二驱动件132和四连杆机构133位于大臂机构10的两侧。通过将小臂机构13的第二驱动件132和四连杆机构133安装在大臂机构10的两侧，这样的设计使得小臂机构13向下运动时不会与大臂机构10产生碰撞。

进一步地，结合图1所示，本申请提供的机械臂还包括设置于大臂机构10的配重机构17。通过将配重机构17和小臂机构13分别布置于大臂机构10的两端，实现降低机械臂转动过程中转动惯量，有效减小设备在转动过程中的震颤，提高系统稳定性及控制精度。

进一步地，配重机构17包括：电机171；线性模组172，与电机相连接；配重块173，设置于线性模组172，电机171驱动线性模组172运动，以调整配重块173的位置。通过电机171驱动线性模组172运动，进而带动配重块173运动，以调整配重块173的位置。通过设置配重机构17，能够根据小臂机构13一侧的参数信息，对配重块173的位置进行调整，以达到大臂机构10两侧的平衡性，降低了转动过程中的转动惯量，进而达到降低整个设备在运行过程中的震颤，提升整个设备的稳定性。

进一步地，自平衡机械臂1还包括：控制器，与电机相连接，控制器用于根据小臂机构13的重量和配重块173的重量，控制电机运行，以调整配重块173的位置。通过控制器控制自平衡机械臂1工作。具体地，根据小臂机构13的重量和配重块173的重量，实现对配重块173的位置的调整，以调整小臂机构13一侧和配重机构17的一侧的平衡性，进而达到降低整个设备的转动惯量，提升整个设备运行的稳定性和控制精度。

具体地，本申请提供的自平衡机械臂1的运动过程如下：

首先，控制设置于基座14上的第一驱动件12启动。第一驱动件12驱动大臂机构10沿第一轴线转动。第一驱动件12驱动大臂机构10转动时，小臂机构13跟随大臂机构10一起转动。也即，第一驱动件12用于驱动自平衡机械臂1的机械臂机构实现转动，以使得小臂机构13能够转动至目标位置，第一驱动件12停止运行。

进一步地，第二驱动组件16启动，第二驱动组件16驱动转动轴130转动，转动轴130带动小臂机构13绕第二轴线转动至设定角度后，第二驱动组件16停止运行。

进一步地，控制第二驱动件132启动，通过第二驱动件132驱动四连杆机构133绕第三轴线摆动至对应位置。这样，实现了对小臂机构13的位置的调整，提升控制精度。

同时，根据小臂机构13的位置信息，通过电机171驱动线性模组172运动，进而带动配重块173运动，以调整配重块173的位置。通过设置配重机构17，能够根据小臂机构13一侧的位置信息，对配重块173的位置进行调整，以达到大臂机构10两侧的平衡性，降低了转动过程中的转动惯量，进而达到降低整个设备在运行过程中的震颤，提升整个设备的稳定性。这样，自平衡机械臂1在绕第一轴线转动的过程中，通过在大臂机构10的两端设置配重机构17和小臂机构13，有效减小设备在转动过程中的震颤，提高系统稳定性及控制精度。

进一步地，将配重机构17和小臂机构13分别布置于大臂机构10的两端，通过配重机构17实现与小臂机构13的平衡。

可选地，第一驱动件12包括电机。电机的输出轴与大臂机构10相连接，配重机构17和小臂机构13分别位于输出轴的两侧，以提升整个设备转动的稳定性。

可选地，大臂机构10包括壳体102，第一驱动件12的输出端与壳体102相连接，进而实现驱动大臂结构10绕第一轴线转动。第二驱动组件16设置于壳体102，通过壳体102承载，以实现部件布局的紧凑性。转动轴130穿设于壳体102的一端。其中，转动轴130的第二轴线和第一轴线间隔设置于壳体102。配重机构17设置于壳体102内，配重机构17和转动轴130位于基座14的两侧，进而实现机械臂的平衡性。并且，通过将配重机构17设置于壳体102内，对电机171和线性模组172起到保护作用，避免损坏和灰尘的进入。

可选地，结合图4所示，四连杆机构133包括：第一杆体141，包括第一铰接部；第二杆体142，包括第二铰接部，第一杆体141和第二杆体142平行设置；第三杆体143，第三杆体143与转动轴130平行设置，并与第一杆体141和第二杆体142分别铰接；其中，转动轴、第一杆体、第二杆体和第三杆体形成四连杆机构。

在该实施例中，四连杆机构133包括第一杆体141、第二杆体142和第三杆体143，以及转动轴130。转动轴130为四连杆机构133中的固定杆，第一杆体141和第二杆体142通过第二驱动件132实现摆动。第三杆体143包括间隔设置的两个铰接部，分别与第一杆体141和第二杆体142远离转动轴130的端部相铰接。第三杆体143在第一杆体141和第二杆体142的带动下实现摇动，第三杆体143用于与末端执行机构相连接。通过采用四连杆机构133中相互平行设置的第一杆体141和第二杆体142，提升了对末端执行机构承载的稳定性，进而达到降低整个设备的转动惯量。

可选地，结合图2和图3所示，第二驱动组件16包括：第三驱动件161，设置于大臂机构10，第三驱动件161的输出轴伸入大臂机构10的壳体内；第一锥齿轮162，设于输出轴，位于壳体内；传动轴163，设置于壳体内，传动轴163能够相对于壳体转动；第二锥齿轮164，设置于传动轴163的一端，第一锥齿轮162与第二锥齿轮164啮合连接；第三锥齿轮165，设置于传动轴163的另一端；第四锥齿轮166，套设于转动轴130上，与第三锥齿轮165相啮合；其中，第三驱动件161驱动第一锥齿轮162转动，通过第二锥齿轮164带动传动轴163转动，通过第三锥齿轮165和第四锥齿轮166带动转动轴130转动，进而带动小臂机构13相对于大臂机构10转动。

在该实施例中，第二驱动组件16包括第三驱动件161、第一锥齿轮162、传动轴163、第二锥齿轮164、第三锥齿轮165和第四锥齿轮166。通过第一锥齿轮162和第二锥齿轮164的啮合配合，实现对第三驱动件161的转动方向的转换。

第三驱动件161的转动轴130轴线与第一驱动件12的第一轴线相平行或相重合。传动轴163的轴线与第三驱动件161的转动轴130的轴线相互垂直。第二锥齿轮164和第三锥齿轮165分别设置于传动轴163的两端。

通过第三锥齿轮165和第四锥齿轮166的啮合传动，实现将动力传递至转动轴130。转动轴130的第二轴线与传递轴的转动轴130轴线相互垂直。这条通过第一锥齿轮162、第二锥齿轮164、传动轴163、第三锥齿轮165和第四锥齿轮166实现了第三驱动件161的动力的传递，以及转动方向的转换。

并且，通过采用第一锥齿轮162、第二锥齿轮164、传动轴163、第三锥齿轮165和第四锥齿轮166的传动结构，具有传动效率高，安装便捷，传动比恒定的特点，并且能够充分将电机的制动性能体现到机械臂上。

可选地，第二驱动件132和第三驱动件161均采用电机配合减速器。通过电机配合减速器可以输出合适的转速和扭矩，其中机器人常用的减速器为RV减速器和谐波减速器。为了体积小巧，低成本且精度要求不高时也可以采用行星齿轮减速器。。

可选地，第三驱动件161位于壳体的外部，第三驱动件161的输出轴伸入到壳体的内部与第一锥齿轮162相连接。通过将第三驱动件161设置于壳体的外部，减小壳体的整体体积，减小机械臂的占用空间。同时，将第一锥齿轮162、第二锥齿轮164、传动轴163、第三锥齿轮165和第四锥齿轮166均设置于壳体内，进而实现对第一锥齿轮162、第二锥齿轮164、传动轴163、第三锥齿轮165和第四锥齿轮166的保护，避免受到外力冲击而损坏。进一步地，第一锥齿轮162、第二锥齿轮164、传动轴163、第三锥齿轮165和第四锥齿轮166位于壳体的一侧。配重机构17位于壳体的另一侧，这样的布局，进一步地提升基座两侧的平衡性，提升设备整体的稳定性，进而实现减小设备在运动过程中的震颤。

可选地，壳体102包括主体1022和盖体。主体1022包括第一容纳部和第二容纳部，第一容纳部位于第一轴线的两侧。盖体可拆卸地设置于主体1022，盖体用于盖设第一容纳部和第二容纳部。通过盖体可拆卸设置，方便对于内部地配重机构以及第一锥齿轮162、第二锥齿轮164、传动轴163、第三锥齿轮165和第四锥齿轮166的安装装配，维修检查。

进一步地，第一容纳部用于安装电机171、线性模组172和配重块173。第二容纳部用于安装第一锥齿轮162、第二锥齿轮164、传动轴163、第三锥齿轮165和第四锥齿轮166。

进一步地，第二容纳部内设置有第一支撑座和第二支撑座，第一支撑座和第二支撑座间隔分布。传动轴163设置于第一支持座和第二支撑座，通过第一支撑座和第二支撑座实现对传动轴163的支撑，提升传动轴163转动过程中稳定性，避免传动轴163在转动过程中出现径向上的颤动的，提升动力传递的稳定性。

进一步地，机械臂还包括第一轴承和第二轴承。第一轴承设置于第一支撑座。第二轴承设置于第二支撑座。传动轴163穿设于第一轴承和第二轴承。通过设置第一轴承和第二轴承，提升传动轴163转动过程中的顺畅性，提升转动的稳定性和顺畅性。进一步地，机械臂还包括第三轴承和第四轴承。盖体上设置有第一通孔，第三轴承设置于第一通孔内。主体1022与第一通孔相对的位置开设有第二通孔。第四轴承设置于第二通孔内。转动轴130穿设于第三轴承和第四轴承。通过第三轴承和第四轴承实现对转动轴130的支撑作用，且提升了转动轴130转动效率。

可选地，结合图4所示，第三杆体包括主体部和伸出部，主体部的两端分别与第一杆体的端部和第二杆体的端部相铰接，伸出部伸出第二杆体，第三杆体为一体式杆体结构。

在该实施例中，第三杆体包括主体部和伸出部，且第三杆体为一体式杆体结构，一体式结构提升杆体的结构强度。主体部的两端分别与第一杆体的端部和第二杆体的端部相铰接，以使得主体部在第一杆体141的带动下实现摆动，进而能够带动位于主体部端部的伸出部跟随摆动。进一步地伸出部伸出第二杆体。通过伸出部连接末端执行机构。

可选地，结合图4所示，小臂机构13还包括：第一舵机151，设置于四连杆机构133；末端执行机构，与第一舵机151转动连接，第一舵机151驱动末端执行机构绕第四轴线摆动。其中，第四轴线为第一舵机151的转动轴线。

在该实施例中，小臂机构13还包括第一舵机151和末端执行机构。第一舵机151设置于伸出部。也即，第三杆体143跟随第一杆体141摆动过程中，带动第一舵机151跟随摆动。再通过第一舵机151驱动末端执行机构绕第四轴线摆动，以达到指定位置。本申请通过设置四连杆机构提升了对末端执行机构运动过程中地稳定性，且能够提高承载量。

可选地，结合图4所示，末端执行机构包括：连接架152，与第一舵机151转动连接；第二舵机153，设置于连接架152；安装架154，与第二舵机153转动连接，第二舵机153用于驱动安装架154绕第五轴线转动，第五轴线为第二舵机的转动轴线；第三舵机155，设置于安装架154上；夹手机构，设置于安装架154，第三舵机155与夹手机构转动连接。

在该实施例中，末端执行机构包括连接架152、安装架154、第二舵机153、第三舵机155和夹手机构。连接架152与第一舵机151转动连接，通过第一舵机151驱动连接架152相对于第三连杆相转动。连接架152用于承载第二舵机153。第二舵机153用于驱动安装架154转动，连接架152的转动轴130轴线与安装架154的转动轴130轴线相互垂直。通过第三舵机155实现对夹手结构的打开或夹紧的驱动，以实现夹取物品或松开物品。通过采用第一舵机151和第二舵机153实现了夹手机构的两个自由度的调整。

结合前述的实施例，本申请实现了在第一轴线，第二轴线、第三轴线、第四轴线和第五轴线所限定的五个自由度的调整，提升了自平衡机械臂1控制的精确性。

可选地，结合图5所示，夹手机构包括：相互啮合的第一齿轮156和第二齿轮157，第三舵机155与第一齿轮156相连接；两个夹指158，分别与第一齿轮156和第二齿轮157相连接。

其中，第三舵机通过驱动第一齿轮和第二齿轮相向运动，以实现两个夹指夹取物料，通过驱动第一齿轮和第二齿轮相反向运动，以实现两个夹指释放物料。

在该实施例中，夹手机构包括相互啮合的第一齿轮156和第二齿轮157，以及两个夹指158。通过设置相互啮合的第一齿轮156和第二齿轮157，实现了通过一个第三舵机155实现对夹手机构的驱动。

具体地，夹指158采用橡胶制的手指，能够实现对物料的保护，避免刚性接触。同时仅通过一台第三舵机155带动驱动齿轮即可使得两个夹指158夹紧和松开工件。

进一步地，末端执行机构可接入控制器，结构简单，控制方便。采用舵机直接驱动齿轮转动，舵机经内部齿轮减速，使用PWM控制，且转动角度大于夹紧需要的转动角度，是非常适合的选择。两齿轮啮合带动夹手收紧夹住工件。这样的结构简单易维护，且成本低廉。

可选地，控制器具体用于获取配重块的重量m ₁和小臂机构的重量m ₂；以及获取小臂机构的重心至第一轴线的距离L ₂；根据m ₁、m ₂和L ₂，确定配重块的重心至第一轴线的距离L ₁；根据L ₁，控制所述电机运行，以将所述配重块调整至距离所述第一轴线为L ₁的位置。

本申请实施例，控制器获取小臂机构的重量m ₂、以及小臂机构的重心至第一轴线的距离L ₂、配重块的重量m ₁，计算配重块的重心至第一轴线的距离L ₁。其中，L ₁随着小臂机构的运行过程是变化的，故而通过m ₁、m ₂和L ₂，确定配重块的重心至第一轴线的距离L ₁，并控制电机实现对L ₁的调整。具体地，根据L ₁、电机和线性模组的性能参数，确定电机的转动时长；根据电机的转动时长控制电机运行，以将配重块调整至距离第一轴线为L ₁的位置。这样，自平衡机械臂在绕第一轴线转动的过程中，通过在大臂机构的两端设置配重机构和小臂机构，并在运行过程中，对L ₁进行实时计算调整，降低了整个设备运行过程中的转动惯量，有效减小设备在转动过程中的震颤，提高系统稳定性及控制精度。

结合图6和图7所示，第一轴线为与第三驱动件轴线重合的竖直线，即OO轴；第二轴线与转动轴130轴线重合；第三轴线与第二驱动件132轴线重合；第四轴线与第一舵机151输出轴线重合；第五轴线与第二舵机153输出轴线重合。

如图6所示，OO轴为与第三驱动件轴线重合的竖直线。O₁O₁位于OO轴右侧，与OO轴距离为d。

具体地，如图7所示，将整个机械臂的旋转，简化成杆件整体绕OO轴转动。左侧配重模块质量为m ₁，右侧机械臂质量为m ₂，m ₁质心距离OO轴距离为L ₁，m ₂质心距离OO轴距离为L ₂，左侧配重模块及右侧机械臂绕OO轴转动的转动惯量J ₁的计算公式如下：

J ₁=(m ₁+ m ₂)×( L ₁+ L ₂)²/12

根据转动惯量平行轴定理，如果左侧配重模块和右侧机械臂的质心偏移距离d，其质心将位于O₁O₁轴上，那么整个机械臂转动变量J ₁的计算公式则变为：

J ₁=( m ₁+ m ₂)×( L ₁+ L ₂)²/12+( m ₁+ m ₂) ×d ²

可控制左侧配重模块质心位置，使得左侧配重模块和右侧机械臂的质心落在OO直线上，即，转动惯量J ₁相当于没有增加。

左侧配重模块与右侧机械臂相对于OO转轴处于平衡状态，那么

L ₁=( m ₂×L ₂)/ m ₁

在上式中，m ₁和m ₂为定值，L ₁随着右侧机械臂位置变化而变化，根据上式可计算得到L ₁的数值，根据L ₁数值控制左侧配重模块电机的运动位置，进而保证了机械臂转动过程中机械臂的稳定性，提高了机械臂运动精度。

在本发明中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自平衡机械臂，其特征在于，包括：

基座和设置于所述基座上的第一驱动件；

大臂机构，与所述基座转动连接，第一驱动件用于驱动所述大臂机构绕第一轴线转动，所述大臂机构包括转动轴；

第二驱动组件，设置于所述大臂机构，与所述转动轴相连接，用于驱动转动轴绕第二轴线转动；

小臂机构，包括安装座、第二驱动件和四连杆机构，安装座设置于所述转动轴的一端，且能够跟随所述转动轴转动；所述第二驱动件设置于所述安装座；所述四连杆机构包括第一铰接部和第二铰接部，所述第一铰接部与所述第二驱动件的输出端相连接，所述第二铰接部与所述转动轴的另一端转动连接；所述第二驱动件用于驱动所述四连杆机构绕第三轴线摆动；

配重机构，设置于大臂机构，所述配重机构与所述小臂机构分别位于所述大臂机构的两端；所述配重机构包括：电机；线性模组，与所述电机相连接；配重块，设置于所述线性模组，所述电机驱动所述线性模组运动，以调整所述配重块的位置，进而改变自平衡机械臂工作过程中转动惯量大小；

控制器，与所述电机相连接，所述控制器用于根据所述小臂机构的重量和所述配重块的重量，控制所述电机运行，以调整所述配重块的位置；

其中，所述第一轴线为所述第一驱动件的转动轴线，所述第二轴线为所述转动轴的转动轴线，所述第三轴线为所述第二驱动件的转动轴线，所述第一轴线和所述第二轴线相互平行设置，所述第三轴线与所述第二轴线相互垂直设置。

2.根据权利要求1所述的自平衡机械臂，其特征在于，所述四连杆机构包括：

第一杆体，包括所述第一铰接部；

第二杆体，包括所述第二铰接部，所述第一杆体和所述第二杆体平行设置；

第三杆体，所述第三杆体与所述转动轴平行设置，并与所述第一杆体和所述第二杆体分别铰接；

其中，所述转动轴、所述第一杆体、所述第二杆体和所述第三杆体构成所述四连杆机构。

3.根据权利要求2所述的自平衡机械臂，其特征在于，所述第二驱动组件包括：

第三驱动件，设置于所述大臂机构，所述第三驱动件的输出轴伸入所述大臂机构的壳体内；

第一锥齿轮，设于所述输出轴，位于所述壳体内；

传动轴，设置于所述壳体内，所述传动轴能够相对于所述壳体转动；

第二锥齿轮，设置于所述传动轴的一端，所述第一锥齿轮与所述第二锥齿轮啮合连接；

第三锥齿轮，设置于所述传动轴的另一端；

第四锥齿轮，套设于所述转动轴上，与所述第三锥齿轮相啮合；

其中，所述第三驱动件驱动所述第一锥齿轮转动，通过第二锥齿轮带动所述传动轴转动，通过第三锥齿轮和第四锥齿轮带动所述转动轴转动，进而带动所述小臂机构相对于所述大臂机构转动。

4.根据权利要求2所述的自平衡机械臂，其特征在于，

所述第三杆体包括主体部和伸出部，所述主体部的两端分别与第一杆体的端部和第二杆体的端部相铰接，所述伸出部伸出所述第二杆体，所述第三杆体为一体式杆体结构；

所述小臂机构还包括：

第一舵机，设置于所述伸出部；

末端执行机构，与所述第一舵机转动连接，所述第一舵机驱动所述末端执行机构绕第四轴线摆动；

其中，所述第四轴线为所述第一舵机的转动轴线。

5.根据权利要求4所述的自平衡机械臂，其特征在于，所述末端执行机构包括：

连接架，与所述第一舵机转动连接；

第二舵机，设置于所述连接架；

安装架，与所述第二舵机转动连接，所述第二舵机用于驱动所述安装架绕第五轴线转动，所述第五轴线为所述第二舵机的转动轴线；

第三舵机，设置于所述安装架上；

夹手机构，设置于所述安装架，所述第三舵机与所述夹手机构转动连接。

6.根据权利要求5所述的自平衡机械臂，其特征在于，所述夹手机构包括：

相互啮合的第一齿轮和第二齿轮，所述第三舵机与所述第一齿轮相连接；

两个夹指，分别与所述第一齿轮和所述第二齿轮相连接；

其中，所述第三舵机通过驱动所述第一齿轮和所述第二齿轮相向运动，以实现两个夹指夹取物料，通过驱动所述第一齿轮和所述第二齿轮相反向运动，以实现两个夹指释放物料。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的自平衡机械臂，其特征在于，所述控制器具体用于：

获取所述配重块的重量m ₁和所述小臂机构的重量m ₂；以及

获取所述小臂机构的重心至所述第一轴线的距离L ₂；

根据m ₁、m ₂和L ₂，确定所述配重块的重心至所述第一轴线的距离L ₁；

根据L ₁，控制所述电机运行，以将所述配重块调整至距离所述第一轴线为L ₁的位置。

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