CN117381841A - 一种低惯量机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低惯量机械臂，包括按序连接的基座、肩部、大臂、肘部、小臂和腕部，所述机械臂包括提供腕部自由度的第一腕部致动器和第二腕部致动器、传递腕部动力的第一传动组件和第二传动组件，所述第一腕部致动器和第二腕部致动器设置于大臂内部，所述第一传动组件至少部分设置于肘部，所述第二传动组件至少部分设置于腕部，所述第一腕部致动器通过第一传动组件和第二传动组件传递动力以使得末端法兰执行第一旋转运动，所述第二腕部致动器通过第一传动组件和第二传动组件传递动力以使得末端法兰执行第二旋转运动。本发明具体实施例通过腕部的跨关节远程传动降低了机械臂的重心，从而减小了机械臂的运动惯量。

Description

一种低惯量机械臂

技术领域

本发明属于机械臂技术领域，特别是涉及一种可跨关节远程传动的低惯量机械臂。

背景技术

机器人作为人类的新型生产工具，在减轻劳动强度，提高生产率，改变生产模式，把人从危险、恶劣的工作环境下解放出来等方面，显现出极大的优越性。机器人能够独立执行工作，或者与人协同执行工作，随着机器人技术的不断发展，机器人可应用的场景逐渐增多，同时对机器人的性能也提出了更多的要求。

传统协作机械臂的腕部大多采用三自由度串联结构，由三个一体化的关节模组直接驱动，腕部靠近机械臂的执行端，关节内部的致动器具有较大的重量，多个关节模组串联方式使得腕部的尺寸和重量较大，同时肘部也包括一个关节模组，机械臂的重心相对于更靠近执行端，从而导致机械臂末端惯量大、负载小、速度慢。为减小机械臂关节直驱方式带来的上述问题，需要调整传统协作机械臂的结构设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低惯量机械臂，以解决现有技术中机械臂执行端的重量分布较多，机械臂重心相对靠近执行端而引起的机械臂运动惯量大、负载小、速度受限的问题，本发明所提供的方案能够有效降低机械臂的重心，减小机械臂的运动惯量。

为实现上述目标，本发明可采用如下技术方案：一种低惯量机械臂，包括顺序连接的基座、肩部、大臂、肘部、小臂和腕部，所述机械臂包括提供腕部自由度的第一腕部致动器和第二腕部致动器以及传递腕部动力的第一传动组件和第二传动组件，所述第一腕部致动器和第二腕部致动器设置于大臂内部，所述第一传动组件至少部分设置于肘部，所述第二传动组件至少部分设置于腕部，所述第一腕部致动器通过第一传动组件和第二传动组件传递动力以使得腕部执行第一旋转运动，所述第二腕部致动器通过第一传动组件和第二传动组件传递动力以使得腕部执行第二旋转运动。

进一步的，所述机械臂包括提供肘部自由度的第一肘部致动器，所述肘部包括肘部结构件，所述小臂通过肘部结构件连接至肘部，所述第一肘部致动器设置于肘部结构件的内部以直接驱动小臂执行第三旋转运动。

进一步的，所述机械臂包括提供肘部自由度的第二肘部致动器，所述第二肘部致动器设置于大臂内部，所述第二肘部致动器通过第一传动组件传递动力以使得肘部结构件执行第四旋转运动。

进一步的，所述第一腕部致动器设置于大臂内部靠近肩部的后端位置，所述第二腕部致动器设置于第一腕部致动器的前端，所述第二肘部致动器设置于第二腕部致动器的前端。

进一步的，所述第一腕部致动器、第二腕部致动器和第二肘部致动器沿大臂的轴向设置，所述第一肘部致动器沿小臂的轴向设置。

进一步的，所述第一旋转运动、第一旋转运动和第三旋转运动的轴线相交，且轴线通过腕部的中心。

进一步的，所述第一传动组件包括用于传输第一腕部致动器动力的第一传动单元和用于传输第二腕部致动器动力的第二传动单元，所述第一传动单元包括连接于第一腕部致动器的第一传动杆，所述第二传动单元包括连接于第二腕部致动器的第二传动杆，所述第一腕部致动器、第二腕部致动器和第二肘部致动器为中空结构，所述第一传动杆穿过所述第二腕部致动器和第二肘部致动器，所述第二传动杆穿过所述第二肘部致动器。

进一步的，所述第一传动组件包括用于传递第二肘部致动器动力的第三传动单元，所述第一传动单元嵌套于所述第二传动单元和第三传动单元的内部，所述第二传动单元嵌套于所述第三传动单元的内部。

进一步的，所述第二传动组件包括用于传输第一腕部致动器动力的第四传动单元，以及用于传输第二腕部致动器动力的第五传动单元，所述第四传动单元包括连接于第一传动单元的第四传动杆，所述第五传动单元包括连接于第二传动单元的第五传动杆，所述第四传动杆和第五传动杆穿过所述第一肘部致动器。

进一步的，所述机械臂包括提供肩部自由度的第一肩部致动器和第二肩部致动器，所述第二肩部致动器设置于所述第一肩部致动器的上方。

与现有技术相比，本发明具体实施方式的有益效果至少在于：首先，将机械臂的腕部的两个自由度，后置于大臂内部，将腕部的重量后移，有利于减小机械臂的运动惯性。其次，通过第一传动组件和第二传动组件实现腕部的跨关节间接驱动，且大臂内部的多个致动器依次沿轴向分布，再基于传动单元的内外套接，以及致动器和传动单元的轴向结构设计配合的方式，在保证机械臂外形的情况下，使得机械臂的结构尽可能的紧凑、传动系统尽可能的简化。

附图说明

图1是本发明一个实施例的机械臂的示意图；

图2是图1所示的机械臂的剖面图；

图3是图1所示的机械臂的肩部剖面图；

图4是图1所示的机械臂的大臂剖面图；

图5是图1所示的机械臂的肘部剖面图；

图6是图1所示的机械臂的小臂剖面图；

图7是图1所示的机械臂的腕部剖面图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加清楚明了，下面将结合附图来描述本发明的实施例。应当理解的是，对实施方式的具体说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不是用于穷举本发明的所有可行方式，更不是用于限制本发明的具体实施范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”、“顶”、“底”、“竖直”、“水平”、“竖向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述或简化描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造、安装及操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明具体实施例保护一种低惯量机械臂，参图1-图2，图1示出了本发明一个实施例的机械臂的示意图，图2是图1所示的机械臂的剖面图，所述机械臂包括按序连接的基座1、肩部2、大臂3、肘部4、小臂5和腕部6，示例性的，本实施例以六自由度机械臂展开说明。参图3、图4和图6，机械臂包括第一腕部致动器32、第二腕部致动器33、第一肘部致动器52、第二肘部致动器34、第一肩部致动器22和第二肩部致动器23，所述第一肘部致动器52、第二肘部致动器34提供肘部4运动的二个自由度，第一腕部致动器32、第二腕部致动器33提供腕部6运动的二个自由度，以及，第一肩部致动器22和第二肩部致动器23提供肩部运动的二个自由度。

其中，参图6，所述第一肘部致动器52用于直接驱动小臂5执行第三旋转运动，具体的，所述第一肘部致动器52设置于肘部结构件51内部以直接驱动小臂结构件53执行第三旋转运动，小臂包括所述小臂结构件，小臂结构件用于支撑设置于小臂内部的零部件。在其他的实施例中，第一肘部致动器52也可设置于大臂3内部，通过其他方式驱动小臂5执行第三旋转运动。

参图4，所述第一腕部致动器32和第二腕部致动器33设置于大臂3内部，通过传动组件将第一腕部致动器32和第二腕部致动器33的动力跨肘部4传递至腕部，腕部6包括腕部结构件64和末端法兰7，所述腕部结构件64用于将末端法兰7连接至小臂，机械臂的末端法兰7用于连接工作工具以执行具体的工作任务。

其中，所述肘部4用于连接大臂3和小臂5。机械臂包括第一传动组件和第二传动组件以传递腕部6所需的运动，具体的，第一腕部致动器32和第二腕部致动器33设置于大臂3内部，通过第一传动组件和第二传动组件将腕部6的动力进行两段式传输，以使得第一腕部致动器32和第二腕部致动器33的动力传递至末端法兰7和腕部结构件64。

参图5，所述机械臂包括第一传动组件，所述第一传动组件至少部分的设置于肘部4内部，以将腕部6所需的动力由大臂3内部传递至肘部4；

参图7，所述机械臂包括第二传动组件，所述第二传动组件至少部分的设置于腕部6内部，以将腕部6所需的动力由肘部4传递至腕部6，再通过腕部结构件64或末端法兰7输出。

可理解的，所述第一传动组件和第二传动组件连接，以实现动力的连续传输，本申请中所涉及的连接方式可以体现为多种形式，包括固定式连接、可拆卸式连接、直接接触式连接和间接接触式连接。设置于大臂3内部的第一腕部致动器32通过第一传动组件和第二传动组件将动力传递至末端法兰7以使得末端法兰7执行第一旋转运动，设置于大臂3内部的第二腕部致动器33通过第一传动组件和第二传动组件将动力传递至末端法兰结构件64以使得末端法兰结构件64执行第二旋转运动。

具体的，所述第一腕部致动器32和第二腕部致动器33其中之一的动力传递至腕部结构件，通过腕部结构件带动末端法兰执行运动；其中另一的动力直接传递至末端法兰以执行运动。示例性的，所述第一腕部致动器的动力通过第一传动组件和第二传动组件传递至末端法兰，以使得末端法兰执行第一旋转运动，所述第二腕部致动器的动力通过第一传动组件和第二传动组件传递至腕部结构件64，以使得腕部结构件64执行第二旋转运动。

传统的协作机械臂的腕部通过三个串联的关节模组实现三个自由度旋转，腕部靠近机械臂的执行端，三个串联的一体化关节模组使得机械臂执行端的重量相对较大、惯性大，进而影响机械臂的性能。本方案将提供腕部6的二个自由度的致动器后置，即将第一腕部致动器32和第二腕部致动器33分布于大臂3内部，将致动器的重量往肩部2方向分散，使得机械臂的重心后移，降低机械臂的运动惯量。再通过间接驱动的方式，可以将大臂3内部的第一腕部致动器32和第二腕部致动器33的动力传递至末端法兰7和腕部结构件64。

具体的，所述第一肘部致动器52为肘部旋内/旋外致动器，所述第一腕部致动器32为腕部内收/外展致动器，所述第二腕部致动器33为腕部屈曲/伸展致动器，对应的，所述第三旋转运动为肘部的旋内/旋外运动，所述第一旋转运动为腕部的内收/外展运动，所述第二腕部致动器33为腕部的屈曲/伸展运动。所述第一肘部致动器52通过直接驱动小臂执行第三旋转运动，所述第一腕部致动器32和第二腕部致动器33通过跨关节驱动的方式提供腕部的自由度，本方案能够解决传统协作机械臂的腕部结构设计粗壮、外观笨重的问题。

具体的，参图6，所述第一肘部致动器52设置于肘部结构件51内部，所述肘部结构件51用于将小臂5连接至肘部4。

其中，“结构件”用于固定内部的致动器、传动组件等结构，结构件可用于支撑、固定其内部安装的各部零部件，部分位置的结构件也可用作机械臂的部分壳体结构。

可理解的，将第一肘部致动器52设置于靠近肘部4有利于将第一肘部致动器52的重量向机械臂的后端分布，有利于机械臂的重心后移以减小机械臂执行端的惯性。

其中，小臂5包括小臂结构件53，小臂结构件53和肘部结构件51连接，可理解的，所述第一肘部致动器52连接小臂结构件53，当第一肘部致动器52开始工作时，直接驱动小臂结构件53执行第三旋转运动，进而带动小臂以及设置于小臂前端的腕部结构件和末端法兰执行肘部旋内/旋外运动。

参图4，大臂3包括大臂结构件31，大臂3内部设置第一腕部致动器32和第二腕部致动器33，所述机械臂还包括设置于大臂3内部的第二肘部致动器34，所述第二肘部致动器34通过所述第一传动组件使得肘部结构件51执行第四旋转运动，进而带动小臂执行第四旋转运动。

可理解的，所述第一传动组件也用于传递肘部4的运动，所述第二肘部致动器34产生的动力经由第一传动组件传输至肘部4，再由肘部4带动与第一传动组件固定连接的肘部结构件51执行第四旋转运动，所述第四旋转运动为肘部屈曲/伸展运动。

现有技术中，肘部4的自由度通过设置于肘部4的关节模组直驱实现，关节模组本身重量大、尺寸大，本实施例中将用于提供肘部自由度的第二肘部致动器34设置于大臂3内部，第一肘部致动器52设置于小臂结构件51内部靠近肘部4的位置，通过第一传动组件将第二肘部致动器34的动力传递至肘部4的方式以及通过第一肘部致动器52直接驱动小臂5旋转的方式，相较于现有技术中肘部设置关节模组的方式，第二肘部致动器34的重量分布后移，使得机械臂的重心后移，减小机械臂的运动惯量。

至此，提供腕部自由度的第一腕部致动器32和第二腕部致动器33设置于大臂3内部，提供肘部自由度的第一肘部致动器52设置于肘部结构件51内部，提供肘部自由度的第二肘部致动器设置于大臂3内部，腕部6和肘部4的内部不设置致动器。致动器是机械臂重量较大的部件，该方案使得机械臂的重心明显后移，从而减小机械臂的运动惯量。

具体的，所述大臂3内部设置了第一腕部致动器32、第二腕部致动器33和第二肘部致动器34，所述第一腕部致动器32设置于大臂3内部靠近肩部2的后端位置，也即，将机械臂的执行端方向定义为机械臂的前端，将机械臂的基座1方向定义为后端，机械臂的执行端即机械臂的前端连接工作工具的位置，所述第一腕部致动器32设置于大臂3的后端，所述第二腕部致动器33和第二肘部致动器34设置于第一腕部致动器32的前端，以使得第一腕部致动器32、第二腕部致动器33和第二肘部致动器34的重量分布尽可能的靠近机械臂的后端，进一步保证将机械臂的重心后移。

进一步的，所述第一腕部致动器32、第二腕部致动器33和第二肘部致动器34依次分布，所述第二肘部致动器34设置于第二腕部致动器33前端，所述第二腕部致动器33设置于第一腕部致动器32的前端，所述第一腕部致动器32、第二腕部致动器33和第二肘部致动器34沿大臂3的轴向设置，也即第一腕部致动器32、第二腕部致动器33和第二肘部致动器34与大臂3共轴设置，从而保证大臂3的外形紧凑。进一步的，所述肩部2、肘部4和腕部6的转动中心位于同一直线上，消除了轴线偏差，不存在偏置力矩，提高了工作效率。

在一个具体的实施例中，该机械臂为六自由度机械臂，肩部2提供二个运动自由度，肘部4提供二个运动自由度，腕部6提供二个运动自由度，所述第一腕部致动器32和第二腕部致动器33提供腕部6运动的二个自由度，所述第一肘部致动器52和第二肘部致动器34提供肘部运动的二个自由度，所述第一肘部致动器52为肘部旋内/旋外运动致动器、第一腕部致动器32和第二腕部致动器33分别为腕部内收/外展致动器、腕部屈曲/伸展致动器，第一肘部致动器52直接驱动小臂5执行第三旋转运动，所述第一腕部致动器32和第二腕部致动器33跨关节驱动末端法兰7执行第一旋转运动和第二旋转运动，所述第三旋转运动为肘部旋内/旋外运动，所述第一旋转运动为腕部内收/外展，所述第二旋转运动为腕部屈曲/伸展运动。所述第二肘部致动器34设置于大臂3内部的前端，使得肘部结构件51执行第四旋转运动，所述第二肘部致动器34为肘部屈曲/伸展致动器，所述第四旋转运动为肘部屈曲/伸展运动。

进一步，参图3，所述机械臂包括第一肩部致动器22和第二肩部致动器23以提供肩部2的自由度，肩部2包括肩部结构件21，以及设置于肩部结构件内部的第一肩部致动器22和第二肩部致动器23，其中所述第二肩部致动器23设置于所述第一肩部致动器22的上方，所述第一肩部致动器22为肩部旋内/旋外致动器，所述第二肩部致动器23为肩部屈曲/伸展致动器，所述第一肩部致动器22直接驱动肩部2产生第五旋转运动，所述第二肩部致动器23直接驱动与肩部2连接的大臂3执行第六旋转运动，所述第五旋转运动为肩部旋内/旋外运动，所述第六旋转运动为肩部屈曲/伸展运动。现有技术中，通常将第二肩部致动器设置于第一肩部致动器的侧面，而本方案中将第二肩部致动器23设置于第一肩部致动器22的上方，以避免产生偏置，实现机械臂结构的仿人设计。

所述第一腕部致动器32和第二腕部致动器33设置于大臂3内部，通过第一传动组件和第二传动组件实现跨关节的间接驱动，如前所述，所述第一腕部致动器32和第二腕部致动器33沿大臂3的轴向设置，而第一旋转运动和第二旋转运动的方向与大臂3的轴向方向不同，所述第一传动组件和/或第二传动组件包括运动方向转换结构，具体的，所述运动方向转换结构包括互相啮合的水平向锥齿轮和垂直向锥齿轮，以实现对运动方向的转换，以将第一腕部致动器32和第二腕部致动器33的驱动方向转换预设角度后输出。

具体的，所述第一旋转运动和第二旋转运动的运动轴线垂直于第一腕部致动器32和第二腕部致动器33的轴线，所述预设角度为90度，对于第一旋转运动和第二旋转运动需要进行不同方向的转换。

具体的，所述第二肘部致动器34设置于大臂3内部，通过第一传动组件将运动传递至肘部4，再使得设置于肘部4的肘部结构件51执行第四旋转运动，类似的，所述第二肘部致动器34通过第一传动组件改变驱动方向，从而执行第四旋转运动，所述第二肘部致动器34的驱动方式为准直驱。

为使得第一腕部致动器32、第二腕部致动器33和第二肘部致动器34能够保持沿大臂3轴向的分布，同时保证机械臂的外形、减少传动次数，本发明针对性的进行了驱动系统和传动系统的设计。

首先，参图4，图4示出了本发明一个实施例的大臂3的剖视图。第一腕部致动器32、第二腕部致动器33和第二肘部致动器34依次设置于大臂3内部，所述第一腕部致动器32、第二腕部致动器33和第二肘部致动器34为中空结构，示例性的，致动器包括驱动电机和减速器，驱动电机示例性的可采用中空电机。具体的，传动组件包括一个及以上的传动单元，每个传动单元用于实现不同的传递目标，每个传动单元包括传动齿轮组和传动杆，传动杆连接于致动器以将致动器的动力传递至传动齿轮，本方案中，致动器将驱动电机的转速降速后输出，传动杆连接至致动器的低速端，传动杆传动低速的运动，以保证机械臂具有较大的扭矩。

具体的，第一传动组件的传动齿轮组设置于肘部4内部，第二传动组件的传动齿轮组设置于腕部6内部。所述第一传动组件包括用于传输第一腕部致动器32动力的第一传动单元，以及用于传输第二腕部致动器33动力的第二传动单元，所述第一传动单元包括第一传动杆35，所述第二传动单元包括第二传动杆36，所述第一传动杆35连接于第一腕部致动器32以传递第一腕部致动器32的动力，所述第二传动杆36连接于第二腕部致动器33以传递第二腕部致动器33的动力，所述第一腕部致动器32的第一传动杆35穿过所述第二腕部致动器33和第二肘部致动器34的中心，所述第二腕部致动器33的第二传动杆36穿过所述第二肘部致动器34的中心，通过这种贯穿式的致动器连接方式，能够保证致动器的轴向分布，以及减少传动次数，简化传动系统结构，同时能够保证机械臂的外观仿人设计。

进一步的，所述第一传动单元包括第一传动杆35和第一传动齿轮组，所述第二传动单元包括第二传动杆36和第二传动齿轮组，所述第一传动组件还包括第三传动单元，所述第三传动单元用于传递第二肘部致动器34的动力，所述第三传动单元包括第三传动杆37和第三传动齿轮组，所述第三传动杆37连接于第二肘部致动器34将动力传递至第三传动齿轮组。所述第一传动杆35一端连接于第一腕部致动器，另一端连接于第一传动齿轮组，所述第二传动杆36一端连接于第二腕部致动器，另一端连接于第二传动齿轮组。具体的，所述第一传动杆35、第二传动杆36和第三传动杆设置于大臂内部沿大臂轴向延伸，所述第一传动齿轮组、第二传动齿轮组和第三传动齿轮组主要设置于肘部处，以及根据结构分布可向肘部两侧的大臂和小臂进行部分结构的延伸。

参图5，示例性的给出了本发明一个实施例的肘部4的剖面图，所述第一传动单元嵌套于第二传动单元和第三传动单元内部，所述第二传动单元嵌套于第三传动单元的内部，以实现传动系统的紧凑设计，通过轴向分布的致动器，以及嵌套式设计的驱动系统和传动系统，有利于保证机械臂的结构紧凑。

具体的，所述第一传动单元嵌套于第二传动单元和第三传动单元内部，第一传动杆穿过所述第二传动杆和第三传动杆的内部，所述第一传动齿轮组设置于第二传动齿轮组和第三传动齿轮组的内侧，所述第一传动齿轮组的尺寸小于第二传动齿轮组和第三传动齿轮组；所述第二传动单元嵌套于第三传动单元内部包括，第二传动杆穿过所述第三传动杆的内部，所述第二传动齿轮组设置于第三传动齿轮组的内侧，所述第二传动齿轮组的尺寸小于第三传动齿轮组，以保证传动组件的紧凑。

具体的，参图5，所述第一传动单元包括第一传动杆35和第一传动齿轮组，所述第一传动齿轮组包括与第一传动杆35固定连接的大臂3内的第一水平向锥齿轮47，与第一水平向锥齿轮47啮合的第一垂直向锥齿轮48，以及与第一垂直向锥齿轮啮合的第二水平向锥齿轮49，具体的，第一腕部致动器32驱动第一传动杆35旋转，带动与第一传动杆35固定连接的第一水平向锥齿轮47转动，并带动与锥齿轮47啮合的第一垂直向锥齿轮48运动，第一垂直向锥齿轮48与肘部旋转轴43固定连接同步转动，再带动与第一垂直向锥齿轮48啮合的第二水平向锥齿轮49旋转，第二水平向锥齿轮连接于第二传动组件，以将第一腕部致动器32的动力传递至第二传动组件。

参图6-7，所述第二传动组件包括第四传动单元和第五传动单元，所述第四传动单元用于传递第一腕部致动器32的动力，所述第五传动单元用于传递第二腕部致动器33的动力。所述第四传动单元连接至第一传动单元，所述第五传动单元连接于第二传动单元。所述第四传动单元包括第四传动杆54和第四传动齿轮组，所述第五传动单元包括第五传动杆55和第五传动齿轮组。具体的，第二水平向锥齿轮连接于第二传动组件的第四传动单元，具体的连接于第四传动杆54，以通过第四传动杆54将动力传递至第四传动齿轮组，再通过第四传动齿轮组将动力传递至末端法兰7。

参图5，所述第二传动单元包括第二传动杆36和第二传动齿轮组，所述第二传动齿轮组包括与第二传动杆36固定连接的第三水平向锥齿轮44，与第三水平向锥齿轮44啮合的第二垂直向锥齿轮45，以及与第二垂直向锥齿轮45啮合的第四水平向锥齿轮46，其中，第二腕部致动器33驱动第二传动杆36旋转，带动与第二传动杆36固定连接的第三水平向锥齿轮44旋转，并带动与第三水平向锥齿轮44啮合的第二垂直向锥齿轮45旋转，再带动与第二垂直向锥齿轮45啮合的第四水平向锥齿轮46旋转，第四水平向锥齿轮46与第二传动组件连接，以将第二腕部致动器33的动力传递至第二传动组件，以进行动力的下一级传递。具体的，第四水平向锥齿轮连接于第二传动组件的第五传动单元，具体的，连接于第五传动杆55，通过第五传动杆55将动力传递至第五传动齿轮组，进一步将动力传递至腕部结构件64，从而带动末端法兰执行第二旋转运动。

所述第三传动单元包括第三传动杆37和第三传动齿轮组，所述第三传动齿轮组包括与第三传动杆37固定连接的第五水平向锥齿轮41，与第五水平向锥齿轮啮合的第三垂直向锥齿轮42，具体的，所述第二肘部致动器34驱动第三传动杆37旋转，带动与第三传动杆37固定连接的第五水平向锥齿轮41旋转，再带动与第五水平向锥齿轮41啮合的第三垂直向锥齿轮42旋转，所述第三垂直向锥齿轮42连接于肘部结构件51，以将第二肘部致动器34的动力传递至肘部结构件，进而带动小臂5执行第四旋转运动，也即肘部的屈曲/伸展运动。

具体的，第一腕部致动器32的动力传递路线包括：“第一腕部致动器—第一传动杆—第一传动齿轮组—第四传动杆54—第四传动齿轮组—末端法兰”，以将第一腕部致动器的动力由第一传动单元和第四传动单元传递至末端法兰，使得末端法兰执行第一旋转运动；第二腕部致动器33的动力传递路线包括：“第二腕部致动器—第二传动杆—第二传动齿轮组—第五传动杆—第五传动齿轮组—腕部”，也即将第二腕部致动器的动力由第二传动单元和第五传动单元传递至腕部结构件，进而由腕部结构件带动末端法兰执行第二旋转运动。

所述第一腕部致动器32和第二腕部致动器根据第一传动组件和第二传动组件实现跨关节的远程传动，所述第一传动组件将动力传递至第二传动组件，根据第二传动组件将动力传递至腕部的输出端。参图6，小臂5包括肘部结构件51、第一肘部致动器52、小臂结构件53、第四传动杆54和第五传动杆55，所述第四传动杆54为小臂内腕部内收/外展传动杆，第五传动杆55为小臂内腕部屈曲/伸展传动杆。所述第四传动杆54和第五传动杆55穿过所述第一肘部致动器52，以实现传动系统的嵌套设计。

参图7，所述第四传动齿轮组包括第六水平向锥齿轮65、第四垂直向锥齿轮66、第七水平向锥齿轮67，所述第五传动齿轮组包括第八水平向锥齿轮61和第五垂直向锥齿轮62。所述第四传动杆54连接于第六水平向锥齿轮65，通过与第一水平向锥齿轮65啮合的第四垂直向锥齿轮66和第七水平向锥齿轮67将第一腕部致动器32的动力传递至末端法兰7；所述第五传动杆55连接于第八水平向锥齿轮61，所述第八水平向锥齿轮61驱动与之啮合的第五垂直向锥齿轮62，所述第五垂直向锥齿轮62与腕部结构件64固定，进而通过腕部结构件64带动末端法兰7执行第二旋转运动。传动齿轮组包括水平向锥齿轮和竖直向锥齿轮，以形成运动方向转换结构，可以改变致动器传递的运动方向。

以上优选实施例的有益效果在于：首先，将腕部的二个自由度和肘部的一个自由度分布于大臂内部，相较于传统的协作机械臂的构型设计，将机械臂的重心后移更靠近基座方向，有利于减小机械臂执行端的惯性，提高机械臂执行端的线速度。其次，提供腕部二自由度的旋转运动轴线相交于腕部的中心，提供肩部二自由度的旋转运动轴线相交于肩部中心，消除了轴线偏差，不存在偏置力矩，进而提升机械臂工作效率；再者，致动器的轴向分布和传动单元的套接形式，使得机械臂整体结构紧凑，传动系统简化，具有拟人的外观形态。本发明所提出的机械臂可以形成为多种形式，例如协作机器人、仿人机器人等。

最后还需要指出，由于文字表达的有限性，上述说明仅是示例性的，并非穷尽性的，本发明并不限于所披露的各实施方式，在不偏离上述示例的范围和精神的情况下，对于本领域的技术人员来说还可以作若干改进和修饰，这些改进和修饰也应视为本发明的保护范围。因此本发明的保护范围应以权利要求为准。

Claims (10)

1.一种低惯量机械臂，包括顺序连接的基座、肩部、大臂、肘部、小臂和腕部，其特征在于，所述机械臂包括提供腕部自由度的第一腕部致动器和第二腕部致动器以及传递腕部动力的第一传动组件和第二传动组件，所述第一腕部致动器和第二腕部致动器设置于大臂内部，所述第一传动组件至少部分设置于肘部，所述第二传动组件至少部分设置于腕部，所述第一腕部致动器通过第一传动组件和第二传动组件传递动力以使得腕部执行第一旋转运动，所述第二腕部致动器通过第一传动组件和第二传动组件传递动力以使得腕部执行第二旋转运动。

2.根据权利要求1所述的低惯量机械臂，其特征在于，所述机械臂包括提供肘部自由度的第一肘部致动器，所述肘部包括肘部结构件，所述小臂通过肘部结构件连接至肘部，所述第一肘部致动器设置于肘部结构件的内部以直接驱动小臂执行第三旋转运动。

3.根据权利要求2所述的低惯量机械臂，其特征在于，所述机械臂包括提供肘部自由度的第二肘部致动器，所述第二肘部致动器设置于大臂内部，所述第二肘部致动器通过第一传动组件传递动力以使得肘部结构件执行第四旋转运动。

4.根据权利要求3所述的低惯量机械臂，其特征在于，所述第一腕部致动器设置于大臂内部靠近肩部的后端位置，所述第二腕部致动器设置于第一腕部致动器的前端，所述第二肘部致动器设置于第二腕部致动器的前端。

5.根据权利要求4所述的低惯量机械臂，其特征在于，所述第一腕部致动器、第二腕部致动器和第二肘部致动器沿大臂的轴向设置，所述第一肘部致动器沿小臂的轴向设置。

6.据权利要求5所述的低惯量机械臂，其特征在于，所述第一旋转运动、第一旋转运动和第三旋转运动的轴线相交，且轴线通过腕部的中心。

7.根据权利要求5所述的低惯量机械臂，其特征在于，所述第一传动组件包括用于传输第一腕部致动器动力的第一传动单元和用于传输第二腕部致动器动力的第二传动单元，所述第一传动单元包括连接于第一腕部致动器的第一传动杆，所述第二传动单元包括连接于第二腕部致动器的第二传动杆，所述第一腕部致动器、第二腕部致动器和第二肘部致动器为中空结构，所述第一传动杆穿过所述第二腕部致动器和第二肘部致动器，所述第二传动杆穿过所述第二肘部致动器。

8.根据权利要求7所述的低惯量机械臂，其特征在于，所述第一传动组件包括用于传递第二肘部致动器动力的第三传动单元，所述第一传动单元嵌套于所述第二传动单元和第三传动单元的内部，所述第二传动单元嵌套于所述第三传动单元的内部。

9.根据权利要求8所述的低惯量机械臂，其特征在于，所述第二传动组件包括用于传输第一腕部致动器动力的第四传动单元，以及用于传输第二腕部致动器动力的第五传动单元，所述第四传动单元包括连接于第一传动单元的第四传动杆，所述第五传动单元包括连接于第二传动单元的第五传动杆，所述第四传动杆和第五传动杆穿过所述第一肘部致动器。

10.根据权利要求1所述的低惯量机械臂，其特征在于，所述机械臂包括提供肩部自由度的第一肩部致动器和第二肩部致动器，所述第二肩部致动器设置于所述第一肩部致动器的上方。