CN117381848A - 一种差动式低惯量机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种差动式低惯量机械臂，包括设置于大臂内的第一、第二肘部致动器、设置于小臂内的第一、第二腕部致动器、至少部分设置于肘部的第一传动部和至少部分设置于腕部的第二传动部，所述第一传动部包括差动传动组件，所述第一肘部致动器和第二肘部致动器通过所述差动传动组件使得小臂执行第一旋转运动和/或第二旋转运动，所述第一腕部致动器和第二腕部致动器通过第二传动部使得腕部分别执行第三旋转运动和第四旋转运动。本发明具体实施例通过将提供肘部运动自由度致动器后置于大臂内部，以及将提供腕部运动自由度的致动器后置于小臂内部，采用差动传动和远程传动方式，降低了机械臂的重心，从而减小机械臂的运动惯量。

Description

一种差动式低惯量机械臂

技术领域

本发明属于机械臂技术领域，特别是涉及一种基于差动机构和远程传动的差动式低惯量机械臂。

背景技术

随着自动化进程的不断推进，机器人在替代和协助人工执行工作方面发挥着愈发重要的作用，机器人被应用于运输行业、服务行业、工厂制造、居家服务等多个场景中，而机械臂是实现机器人机械系统的重要组成部分，也是机器人实现其服务功能的主要载体。

以协作机器人为例，在相关技术中，机器人的手臂包括肩部、肘部和腕部运动关节，各关节处装有驱动电机，以分别驱动关节输出端连接的部件运动，通过各关节的电机共同配合实现协作机器人的运动，以达到模拟人类手臂的运动效果。

然而，上述机器人为实现手臂上各个关节的运动，达到模拟人类手臂的运行效果，手臂的各关节处设置有电机，手臂的末端连接工作工具执行工作任务，但分布于肘关节、腕关节处的电机本身具有较大的重量，会导致机器人的重心靠近机器人的执行端，同时关节处通常使用包括减速器、抱闸、编码器等器件的一体化致动器的方式组合以提供动力，一体化致动器本身尺寸和重量较大，不利于机械臂的性能表现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种差动式低惯量机械臂，以解决现有技术中机械臂的各关节尺寸大和重量大，机械臂的重心较高导致机械臂的运动惯量大，机械臂执行端的运动速度受限的问题。

为解决上述问题，本发明可采用如下技术方案：一种差动式低惯量机械臂，包括按序连接的肩部、大臂、肘部、小臂、腕部，以及设置于大臂内的第一肘部致动器和第二肘部致动器、设置于小臂内的第一腕部致动器和第二腕部致动器、至少部分设置于肘部的第一传动部和至少部分设置于腕部的第二传动部，所述第一传动部包括差动传动组件、连接于第一肘部致动器的第一传动杆和连接于第二肘部致动器的第二传动杆，所述第一肘部致动器和第二肘部致动器通过所述第一传动部使得小臂执行第一旋转运动和/或第二旋转运动，所述第一腕部致动器通过第二传动部使得小臂执行第三旋转运动，所述第二腕部致动器通过第二传动部使得小臂执行第四旋转运动。

进一步的，所述肘部包括肘部主体件和肘部结构件，所述肘部结构件连接于小臂，所述肘部主体件连接于大臂，所述第一传动杆和第二传动杆连接于差动传动组件，所述差动传动组件连接于肘部结构件和小臂。

进一步的，所述差动传动组件包括设置于肘部的齿轮传动组件，所述第一传动杆和第二传动杆设置于大臂内部沿大臂的轴向延伸。

进一步的，所述第一肘部致动器和第二肘部致动器沿大臂纵向设置于大臂内部，所述第一肘部致动器靠近肩部设置，所述第二肘部致动器设置于所述第一肘部致动器的前端。

进一步的，所述第一肘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肘部致动器和第二传动杆。

进一步的，所述差动传动组件包括连接于第一肘部致动器的第一差动传动组件、连接于第二肘部致动器的第二差动传动组件、以及横向设置于肘部的肘部转动轴，所述第一差动传动组件和第二差动传动组件设置于所述肘部转动轴的两侧。

进一步的，所述第一差动传动组件包括套设于所述肘部转动轴的第一中心锥齿轮、连接于第一传动杆且与所述第一中心锥齿轮啮合的第一传动齿轮组；所述第二差动传动组件包括套设于所述肘部转动轴的第二中心锥齿轮、连接于所述第二传动杆且与所述第二中心锥齿轮啮合的第二传动齿轮组；所述差动传动组件包括与所述第一中心锥齿轮和所述第二中心锥齿轮分别啮合的肘部行星锥齿轮，所述肘部行星锥齿轮连接于肘部结构件和小臂。

进一步的，所述第二传动部包括用于传递第一腕部致动器动力的第三传动组件、和用于传递第二腕部致动器动力的第四传动组件，所述第三传动组件包括沿小臂轴向延伸的第三传动杆，所述第四传动组件包括沿小臂轴向延伸的第四传动杆，所述第三传动杆一端连接于第一腕部致动器，另一端连接至腕部，所述第四传动杆一端连接于第二腕部致动器，另一端连接至腕部。

进一步的，所述第一腕部致动器和第二腕部致动器沿小臂纵向设置于小臂内部，所述第一腕部致动器靠近肘部设置，所述第二腕部致动器设置于所述第一腕部致动器的前端。

进一步的，所述第一腕部致动器和第二腕部致动器为中空结构，所述第三传动杆穿过所述第四传动杆和第二腕部致动器。

进一步的，所述第三传动组件包括第三传动齿轮组，所述第四传动组件包括第四传动齿轮组，所述第三传动齿轮组嵌套于所述第四传动齿轮组的内侧。

进一步的，所述机械臂包括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，本发明具体实施例的有益效果至少在于：1、将提供肘部运动自由度的致动器设置于大臂内，将提供腕部运动自由度的致动器设置于小臂内，有利于将机械臂的重心后移，进而减小机械臂的运动惯量；2、通过差动传动组件传递肘部的旋内/旋外运动的动力，使得提供机械臂的旋内/旋外运动的自由度的致动器分布于大臂内部，减少了小臂内分布的致动器的数量，进一步将机械臂的重心后移；3、提供腕部运动自由度的致动器的运动轴线相交于腕部中心、提供肘部运动自由度的致动器的运动轴线相交于肘部中心，提供肩部运动自由度的致动器的运动轴线相交于肩部中心，消除了轴线偏差，无偏置力矩，进而提高了机械臂的工作效率；4、通过共轴的传动组件和差动机构远程传递运动和动力，使得机械臂整体结构紧凑、外观简洁。

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所示机械臂的肩部剖面图；

图4是图1所示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差动式低惯量机械臂，参图1-2，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、腕部6，其中，优选的，上述各部件按顺序连接，该实例中定义所述机器人的执行端方向，也即腕部6所在的方向，为机械臂的前端，则基座1所在的方向为机械臂的后端，所述腕部6包括腕部结构件和末端法兰7，所述腕部结构件用于将末端法兰7连接至小臂，所述末端法兰7用于连接机械臂的工作工具以执行具体的任务。常见的机械臂包括六个自由度，本实施例将以六自由度机械臂为例展开说明，机械臂包括六个致动器以提供机械臂所需的六个自由度，在一个具体的实施例中，机械臂包括第一肘部致动器32和第二肘部致动器33以提供肘部所需的自由度、第一腕部致动器53和第二腕部致动器54以提供腕部所需的自由度、以及第一肩部致动器22和第二肩部致动器23以提供肩部2的自由度。

示例性的，参图4，机械臂的大臂3内设置第一肘部致动器32和第二肘部致动器33，机械臂包括至少部分设置于肘部的第一传动部以传递第一肘部致动器32和第二肘部致动器33的动力，其中，第一传动部包括差动传动组件、第一传动杆34和第二传动杆35，所述差动传动组件用于合成第一肘部致动器32和第二肘部致动器33的动力，以使得小臂执行第一旋转运动和/或第二旋转运动。具体的，所述肘部连接大臂3和小臂5，肘部4包括肘部结构件51和肘部主体件，肘部结构件51连接于小臂5，肘部主体件连接于大臂3，所述差动传动组件连接于肘部结构件51和小臂5。所述第一传动杆34一端连接于第一肘部致动器32，另一端连接于差动传动组件，以将第一肘部致动器32的动力传递至差动传动组件；所述第二传动杆35一端连接于第二肘部致动器33，另一端连接于差动传动组件，以将第二肘部致动器33的动力传递至差动传动组件。所述差动传动组件连接于肘部结构件51和小臂，以将动力传递至肘部结构件51或将动力传递至小臂，进而使得小臂执行第一旋转运动和/或第二旋转运动。其中，所述第一旋转运动为肘部旋内/旋外运动，第二旋转运动为肘部屈曲/伸展运动。

参图6，机械臂的小臂内设置有第一腕部致动器53和第二腕部致动器54，机械臂包括至少部分设置于腕部的第二传动部，所述第一腕部致动器53通过所述第二传动部使得腕部执行第三旋转运动，所述第二腕部致动器54通过所述第二传动部使得腕部执行第四旋转运动。

也即，提供肘部运动自由度的两个致动器设置于大臂3内部，通过差动传动组件合并第一肘部致动器32和第二肘部致动器33的动力，从而使得小臂执行第一旋转运动和/或第二旋转运动；提供腕部运动自由度的两个致动器设置于小臂内部，通过第二传动部远程传动腕部6执行第三旋转运动和第四旋转运动。相较于传统机械臂将一体化致动器分布于肘部4和腕部6提供各自的自由度的方式，该方案将致动器后置于大臂3和小臂5内部，进而降低了机械臂的重心，减小机械臂的运动惯量。同时，腕部旋内/旋外运动通常由设置于腕部的一体化致动器实现，本方案将腕部旋内/旋外运动后移至肘部，使用差动传动组件，通过设置于大臂3内部的第一肘部致动器32和第二肘部致动器33协同实现肘部旋内/旋外运动，致动器的后置进一步降低机械臂的重心。可理解的，差动传动组件设置于肘部，可理解的，差动传动组件的部分结构可向大臂3和小臂方向进行部分延伸。

其中，所述第一肘部致动器32和第二肘部致动器33沿大臂的轴向设置，且纵向设置于大臂3内部，也即，第一肘部致动器32和第二肘部致动器33的驱动方向平行于大臂3的延伸方向，采用致动器纵置的方式，有利于简化传动系统的设计，同时能够将第一肘部致动器32和第二肘部致动器33设置于远离肘部的位置。在一个具体的实施例中，所述第一肘部致动器32靠近肩部设置，所述第二肘部致动器33设置于第一肘部致动器32的前端，也即，第一肘部致动器32尽可能靠近肩部2设置，第二肘部致动器33靠近第一肘部致动器32设置，以使得第一肘部致动器32和第二肘部致动器33的重量向机械臂的后端分布，降低机械臂的重心。可理解的，大臂3包括大臂结构件31，所述第一肘部致动器32和第二肘部致动器33设置于所述大臂结构件31内部。其中，结构件可用于固定其内部的零部件，可选的，部分位置的结构件通过工艺处理后可作为机械臂外壳的一部分。对应的，小臂包括小臂结构件52，所述第一腕部致动器53和第二腕部致动器54设置于所述小臂结构件52的内部。

参图4，所述第一传动杆34连接于第一肘部致动器32，以将第一肘部致动器32的动力传递至差动传动组件，所述第二传动杆35连接于第二肘部致动器33，以将第二肘部致动器33的动力传递至差动传动组件。所述第一肘部致动器32和第二肘部致动器33纵置于大臂内部，所述差动传动组件包括齿轮传动组件，也即所述差动传动组件通过齿轮传动方式传递动力，所述第一传动杆34和第二传动杆35沿大臂3的轴向延伸，也即第一传动杆34和第二传动杆35的延伸方向平行于第一肘部致动器32和第二肘部致动器33的动力传递方向。所述第一传动杆34和第二传动杆35为中空轴，所述第一肘部致动器32和第二肘部致动器33为中空结构，所述第一传动杆34穿过所述第二传动杆35和第二肘部致动器33。通过上述方式，能够实现致动器和传动杆的嵌套设计，有利于简化传动系统的设计，减少传动次数。

类似的，所述第二传动部包括第三传动组件和第四传动组件，所述第三传动组件用于传递第一腕部致动器53的动力，所述第四传动组件用于传递第二腕部致动器54的动力，所述第三传动组件包括第三传动杆55和第三传动齿轮组，所述第三传动杆55一端连接于第一腕部致动器53，另一端连接于所述第三传动齿轮组，所述第三传动齿轮组连接于末端法兰7，以传递第一腕部致动器53的动力使得腕部执行第三旋转运动；所述第四传动杆56一端连接于第二腕部致动器54，另一端连接于第四传动齿轮组，所述第四传动齿轮组连接于腕部结构件，以传递第二腕部致动器54的动力使得腕部执行第四旋转运动。其中，所述第三传动齿轮组和第四传动齿轮组设置于腕部6，可理解的，必要时，第三传动齿轮组和第四传动齿轮组的部分结构向小臂方向延伸。

参图6，所述第一腕部致动器53和第二腕部致动器54纵置于小臂内部，也即第一腕部致动器53和第二腕部致动器54的动力驱动方向平行于小臂的延伸方向，将致动器纵置的方式，有利于简化传动系统的设计，同时能够将第一腕部致动器53和第二腕部致动器54设置于远离腕部的位置。其中，所述第一腕部致动器53设置于靠近肘部的位置，所述第二腕部致动器54设置于所述第一腕部致动器53的前端，也即，所述第一腕部致动器53尽可能靠近肘部设置，所述第二腕部致动器54与所述第二腕部致动器54相邻地设置于第一腕部致动器53前方。

类似的，所述第三传动杆55和第四传动杆56为中空轴，所述第一腕部致动器53和第二腕部致动器54为中空结构，所述第三传动杆55穿过所述第四传动杆56和第二腕部致动器54。通过上述方式，能够实现致动器和传动杆的嵌套设计，有利于简化传动系统的设计，减少传动次数。

示例性的，致动器包括驱动电机和减速器，在本实施例中，传动杆连接于减速器以传递致动器的动力，传动杆传递致动器的低速端的动力，也即第一传动杆34、第二传动杆35、第三传动杆55和第四传动杆56分别传递各自对应的致动器的低速运动，相较于传统工业机器人直接传递驱动电机高速运动而后进行减速的方式，本方案传递低速运动的方式能够简化肘部和腕部的关节结构设计，并减小肘部4和腕部6的体积和重量。

在一个具体的实施例中，参图4-5，所述第一传动部至少部分的设置于肘部，第一传动部包括差动传动组件、连接于第一肘部致动器32的第一传动杆34和连接于第二肘部致动器33的第二传动杆35，所述第一传动杆34和第二传动杆35将动力传递至差动传动组件，所述差动传动组件连接于肘部结构件51和小臂。所述差动传动组件设置于肘部，差动传动组件包括第一差动传动组件、第二差动传动组件以及横置于肘部的肘部转动轴406，所述肘部转动轴垂直于第一传动杆34和第二传动杆35，所述第一差动传动组件连接于第一肘部致动器32，所述第二差动传动组件连接于第二肘部致动器33，所述第一差动传动组件和第二差动传动组件分布于所述肘部转动轴406两侧。具体的，所述第一肘部致动器32的动力通过第一传动杆34传递至第一差动传动组件，所述第二肘部致动器33的动力通过第二传动杆35传递至第二差动传动组件，所述差动传动组件基于齿轮传动方式进行动力传递，所述差动传动组件包括与所述第一差动传动组件和第二差动传动组件均啮合的肘部行星锥齿轮409，所述肘部行星锥齿轮409连接至肘部结构件51和小臂结构件52，所述肘部行星锥齿轮409根据第一差动传动组件和第二差动传动组件所传递的不同运动状况使得小臂执行不同的运动。示例性的，所述第一肘部致动器32通过第一传动杆34将动力传递至第一差动传动组件，所述第二肘部致动器33通过第二传动杆35将动力传递至第二差动传动组件，所述第一差动传动组件啮合于肘部行星锥齿轮409的一侧，所述第二差动传动组件啮合于肘部行星锥齿轮409相对的的另一侧，根据第一差动传动组件和第二差动传动组件所传递给肘部行星锥齿轮409的不同运动方向和运动速度，使得小臂实现第一旋转运动和/或第二旋转运动。具体的，当第一差动传动组件传递给肘部行星锥齿轮409的运动方向和第二差动传动组件传递给肘部行星锥齿轮409的运动方向不一致时，肘部行星锥齿轮409绕自身旋转执行自转运动，进而带动小臂执行第一旋转运动；当第一差动传动组件和第二差动传动组件传递给肘部行星锥齿轮409的运动方向和运动速度一致时，肘部行星锥齿轮409绕肘部转动轴公转，从而带动小臂执行第二旋转运动；当第一差动传动组件和第二差动传动组件传递给肘部行星锥齿轮409的运动方向一致但运动速度不一致时，肘部行星锥齿轮409既有公转又有自转，所述小臂可同时执行第一旋转运动和第二旋转运动。

在一个具体的实施例中，参图5，所述第一差动传动组件包括套设于所述肘部转动轴的第一中心锥齿轮416、连接于第一传动杆34且与所述第一中心锥齿轮啮合的第一传动齿轮组；所述第二差动传动组件包括套设于所述肘部转动轴的第二中心锥齿轮408，连接于第二传动杆35且与所述第二中心锥齿轮408啮合的第二传动齿轮组，所述差动传动组件包括与所述第一中心锥齿轮416和第二中心锥齿轮408分别啮合的肘部行星锥齿轮409，根据第一中心锥齿轮416和第二中心锥齿轮408传递给肘部行星锥齿轮409的不同运动，肘部行星锥齿轮409执行不同运动，从而带动小臂执行第一旋转运动和/或第二旋转运动。当第一中心锥齿轮和416和第二中心锥齿轮408反向转动时，肘部行星锥齿轮409绕自身旋转执行自转运动，肘部行星锥齿轮409的端部连接于小臂结构件52，从而带动小臂执行第一旋转运动，所述第一旋转运动为肘部旋内/旋外运动；当第一中心锥齿轮416和第二中心锥齿轮408同向等速转动时，肘部行星锥齿轮409公转，肘部行星锥齿轮409与肘部结构件51固定连接，从而带动肘部结构件51执行第二旋转运动，肘部结构件51与小臂结构件52连接，从而带动小臂执行第二旋转运动，所述第二旋转运动为肘部屈曲/伸展运动；当第一中心锥齿轮416和第二中心锥齿轮408同向且不等速转动时，肘部行星锥齿轮409既有自传也有公转，从而带动小臂执行第一旋转运动和第二旋转运动，也即同时执行肘部旋内/旋外运动和肘部屈曲/伸展运动。

进一步的，所述第一传动齿轮组包括连接于第一传动杆34的第一主动锥齿轮410，与所述第一主动锥齿轮10啮合的第一从动锥齿轮411，以及连接于所述第一从动锥齿轮411的第一从动锥齿轮转动轴412，连接于第一从动锥齿轮转动轴412的第一主动直齿轮413，与第一主动直齿轮413啮合的第一从动直齿轮414，以及套设于肘部转动轴406的第一中心锥齿轮416。其中，所述第一从动锥齿轮411和第一主动直齿轮413固定于所述第一从动锥齿轮转动轴412，所述第一从动直齿轮414和第一中心锥齿轮416套设于肘部转动轴406，所述第一中心锥齿轮416与肘部行星锥齿轮409啮合，肘部行星锥齿轮409连接于肘部结构件51和小臂结构件52。具体的，所述第一传动杆34的动力传递至与之连接的第一主动锥齿轮410，再传递至与第一主动锥齿轮啮合的第一从动锥齿轮411，再通过连接于第一从动锥齿轮411的第一从动锥齿轮转动轴412传递至第一主动直齿轮413，再将动力传递至与第一主动直齿轮413啮合的第一从动锥齿轮414，再通过肘部转动轴406第一传动套筒415传递至第一中心锥齿轮416，所述第一传动套筒415套设于肘部转动轴406，并且连接于第一从动锥齿轮414和第一中心锥齿轮416，所述第一中心锥齿轮416与肘部行星轮锥齿轮行星锥齿轮409啮合，肘部行星锥齿轮409连接于肘部结构件51和小臂结构件52，进而将动力传递至肘部结构件51和小臂5。

类似的，所述第二传动齿轮组包括连接于第二传动杆35的第二主动锥齿轮401，与所述第二主动锥齿轮401啮合的第二从动锥齿轮402，以及连接于第二从动锥齿轮402的第二从动锥齿轮转动轴403，连接于第二从动锥齿轮转动轴403的第二主动直齿轮404，与第二主动直齿轮404啮合的第二从动直齿轮405，以及套设于肘部转动轴的第二中心锥齿轮408。其中，所述第二从动锥齿轮402和第二主动直齿轮404固定于第二从动锥齿轮转动轴403，所述第二从动直齿轮405和第二中心锥齿轮408通过第二传动套筒407连接后套设于肘部转动轴406，所述第二中心锥齿轮408与肘部行星锥齿轮409啮合，肘部行星锥齿轮409连接于肘部结构件51和小臂5。关于动力的传递路径，与第一传动齿轮组的动力传递路径类似，此处不再赘述。

通过第一传动部的设置，实现第一肘部致动器32和第二肘部致动器33的动力传递。通过齿轮传动方式的差动传动组件，以及沿大臂3轴向分布的传动杆，相较于使用连杆机构传动的方式存在关节转动范围受限的问题，齿轮传动方式的转动范围不受限，因而具有较大的关节转动范围。同时将致动器纵置，以及与传动杆嵌套设计的形式，能够减少传动次数，同时能够使得第一肘部致动器32和第二肘部驱动后置于大臂3靠近肩部2的一侧。

参图6，所述第一腕部致动器53和第二腕部致动器54设置于小臂内部，通过第二传动部使得腕部执行第三旋转运动和第四旋转运动。其中，所述第二传动部包括用于传递第一腕部致动器53动力的第三传动组件和用于传递第二腕部致动器54动力的第四传动组件，所述第三传动组件包括第三传动杆55和第三传动齿轮组，所述第三传动杆55一端连接于第一腕部致动器53，另一端连接于第三传动齿轮组，所述第三传动齿轮组连接于末端法兰7以将动力传递至腕部，从而使得腕部执行第三旋转运动；所述第四传动组件包括第四传动杆56和第四传动齿轮组，所述第四传动杆56一端连接于第二腕部致动器54，另一端连接于第四传动齿轮组，所述第四传动齿轮组连接于腕部结构件以将动力传递至腕部，从而使得腕部执行第四旋转运动。其中，所述第三传动杆55和第四传动杆56沿小臂的轴向延伸，所述第三传动齿轮组和第四传动齿轮组设置于腕部6。

具体的，第一腕部致动器53和第二腕部致动器54设置于小臂内部，且所述第一腕部致动器53和第二腕部致动器54的运动传输方向平行于小臂的延伸方向，也即连接于第一腕部致动器53的第三传动杆55、连接于第二腕部致动器54的第四传动杆56平行于小臂的延伸方向。使得第一腕部致动器53和第二腕部致动器54的动力沿第三传动杆55和第四传动杆56向前延伸到达第三传动齿轮组和第四传动齿轮组，进而到达腕部。可理解的，由于第一腕部致动器53和第二腕部致动器54纵置于小臂内部，相较于传统方式将致动器横置于机械臂关节处的方式，本方案需要调整致动器的动力输出方向，本方案的第三传动组件和第四传动组件分别包括运动方向转换结构，所述运动方向转换结构用于将第一腕部致动器53和第二腕部致动器54的动力输出方向转换预设角度后输出，示例性的，所述预设角度为90度。示例性的，所述运动方向转换机构包括锥齿轮，以将第一腕部致动器53和第二腕部致动器54的运动方向转换为预设方向。

进一步的，参图7，所述第三传动齿轮组嵌套于所述第四传动齿轮组内侧，所述第三传动杆55穿过所述第四传动杆56和第二腕部致动器54，以使得第二传动部的结构紧凑，同时减少动力的传动次数。

在一个具体的实施例中，参图6-7，第三传动杆55连接于第一腕部致动器53，所述第三传动杆55为中空轴，所述第三传动齿轮组包括固定所述第一传动杆34的第一水平锥齿轮65和与所述第一水平锥齿轮65啮合的第一垂直锥齿轮66，第一垂直锥齿轮66啮合的第二水平锥齿轮67，所述第二传动部包括支撑第一垂直锥齿轮66的腕部转动轴63。所述第一腕部致动器53的输出端驱动第三传动杆55转动，以带动与第三传动杆55固定连接的第一水平锥齿轮65旋转,再依次带动第一垂直锥齿轮66、第二水平锥齿轮67转动，所述第二水平锥齿轮67通过末端法兰连接轴68连接于末端法兰7，进而带动末端法兰7执行第三旋转运动。

第四传动杆56连接于第二腕部致动器54，所述第四传动杆56为中空轴，第四传动齿轮组包括固定连接于第四传动杆56的第三水平锥齿轮61、与所述第三水平锥齿轮61啮合的第二垂直锥齿轮62、与第二垂直锥齿轮62连接的腕部转动轴63，所述第二腕部致动器54的输出端驱动第四传动杆56转动，以带动与第四传动杆56固定连接的第三水平锥齿轮61旋转，再使得与第三水平锥齿轮61啮合的第二垂直锥齿轮62旋转，第二垂直锥齿轮62固定于腕部结构件，进而带动腕部结构件64执行第四旋转运动。其中所述第三旋转运动为腕部内收/外展运动，所述第四旋转运动为腕部屈曲/伸展运动，对应的，第一腕部致动器53为腕部内收/外展致动器，第二腕部致动器54为腕部屈曲/伸展致动器。

其中，所述第一水平锥齿轮65和第二水平锥齿轮67体积小于所述第三水平锥齿轮61，所述第一垂直锥齿轮66体积小于所述第二垂直锥齿轮62，以使得所述第三传动齿轮组可以嵌套于所述第四传动齿轮组的内侧。

进一步的，所述机械臂还包括肩部2，参图3，肩部2连接于机械臂的基座1，肩部包括肩部结构件21、第一肩部致动器22和第二肩部致动器23，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。所述肩部结构件21连接于第一肩部致动器22的固定端和第二肩部致动器23的输出端。在一个具体的实施例中，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。

以上本发明的优选实施例，将提供肘部和腕部自由度的致动器设置于大臂3和小臂5内部，降低了机械臂的重心；通过差动传动组件将肘部旋内/旋外运动的致动器设置于大臂3内部，进一步降低机械臂的重心，减小机械臂的运动惯量；同时，传动组件的嵌套设计，和传动杆与致动器的嵌套设计，保证机械臂的结构紧凑和传动性能，以及各致动器轴向分布，使得机械臂腕部自由度的运动轴线相交于腕部中心，肘部自由度的运动轴线相交于肘部中心，肩部自由度的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，提高机械臂的工作效率。

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 (12)

1.一种差动式低惯量机械臂，其特征在于，包括按序连接的肩部、大臂、肘部、小臂、腕部，以及设置于大臂内的第一肘部致动器和第二肘部致动器、设置于小臂内的第一腕部致动器和第二腕部致动器、至少部分设置于肘部的第一传动部和至少部分设置于腕部的第二传动部，所述第一传动部包括差动传动组件、连接于第一肘部致动器的第一传动杆和连接于第二肘部致动器的第二传动杆，所述第一肘部致动器和第二肘部致动器通过所述第一传动部使得小臂执行第一旋转运动和/或第二旋转运动，所述第一腕部致动器通过第二传动部使得小臂执行第三旋转运动，所述第二腕部致动器通过第二传动部使得小臂执行第四旋转运动。

2.根据权利要求1所述的差动式低惯量机械臂，其特征在于，所述肘部包括肘部主体件和肘部结构件，所述肘部结构件连接于小臂，所述肘部主体件连接于大臂，所述第一传动杆和第二传动杆连接于差动传动组件，所述差动传动组件连接于肘部结构件和小臂。

3.根据权利要求2所述的差动式低惯量机械臂，其特征在于，所述差动传动组件包括设置于肘部的齿轮传动组件，所述第一传动杆和第二传动杆设置于大臂内部沿大臂的轴向延伸。

4.根据权利要求3所述的差动式低惯量机械臂，其特征在于，所述第一肘部致动器和第二肘部致动器沿大臂纵向设置于大臂内部，所述第一肘部致动器靠近肩部设置，所述第二肘部致动器设置于所述第一肘部致动器的前端。

5.根据权利要求4所述的差动式低惯量机械臂，其特征在于，所述第一肘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肘部致动器和第二传动杆。

6.根据权利要求3所述的差动式低惯量机械臂，其特征在于，所述差动传动组件包括连接于第一肘部致动器的第一差动传动组件、连接于第二肘部致动器的第二差动传动组件、以及横向设置于肘部的肘部转动轴，所述第一差动传动组件和第二差动传动组件设置于所述肘部转动轴的两侧。

7.根据权利要求6所述的差动式低惯量机械臂，其特征在于，所述第一差动传动组件包括套设于所述肘部转动轴的第一中心锥齿轮、连接于第一传动杆且与所述第一中心锥齿轮啮合的第一传动齿轮组；所述第二差动传动组件包括套设于所述肘部转动轴的第二中心锥齿轮、连接于所述第二传动杆且与所述第二中心锥齿轮啮合的第二传动齿轮组；所述差动传动组件包括与所述第一中心锥齿轮和所述第二中心锥齿轮分别啮合的肘部行星锥齿轮，所述肘部行星锥齿轮连接于肘部结构件和小臂。

8.根据权利要求1所述的差动式低惯量机械臂，其特征在于，所述第二传动部包括用于传递第一腕部致动器动力的第三传动组件、和用于传递第二腕部致动器动力的第四传动组件，所述第三传动组件包括沿小臂轴向延伸的第三传动杆，所述第四传动组件包括沿小臂轴向延伸的第四传动杆，所述第三传动杆一端连接于第一腕部致动器，另一端连接至腕部，所述第四传动杆一端连接于第二腕部致动器，另一端连接至腕部。

9.根据权利要求8所述的差动式低惯量机械臂，其特征在于，所述第一腕部致动器和第二腕部致动器沿小臂纵向设置于小臂内部，所述第一腕部致动器靠近肘部设置，所述第二腕部致动器设置于所述第一腕部致动器的前端。

10.根据权利要求9所述的差动式低惯量机械臂，其特征在于，所述第一腕部致动器和第二腕部致动器为中空结构，所述第三传动杆穿过所述第四传动杆和第二腕部致动器。

11.根据权利要求9所述的差动式低惯量机械臂，其特征在于，所述第三传动组件包括第三传动齿轮组，所述第四传动组件包括第四传动齿轮组，所述第三传动齿轮组嵌套于所述第四传动齿轮组的内侧。

12.根据权利要求1所述的差动式低惯量机械臂，其特征在于，所述机械臂包括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。