CN203109943U - 一种机械臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种机械臂，包括底座，所述底座上通过底座旋转关节连接大臂俯仰关节，所述大臂俯仰关节底端一侧设有照明灯，所大臂俯仰关节顶端连接小臂俯仰关节，所述小臂俯仰关节连接手腕俯仰关节，所述手腕俯仰关节一侧设有手抓主体，所述手抓主体前端设有两个夹持手抓，所述手抓主体后端通过连接轴连接云台。本实用新型的有益效果为：机械臂轻量化设计，在同等抓举力矩状态下，只有不到传统设备1/3的重量；机械臂与观察云台融合，能够实现功能复合的操作；云台观察高度高达1.8米，具有更广泛的视角；机械臂实现六自由度运动，实现全方位无死角运动耗电少，制造成本低，绿色环保；抗震，保护性能优越。

Description

一种机械臂

技术领域

本实用新型涉及一种机械臂。 

背景技术

目前还没有机器人平台专用机械臂，现有机器人使用的机械臂本体和机器人融为一体，作为一台专用设备进行使用，现有机器人用机械臂多功能单一，例如流水线上的机械臂仅能重复同一动作，不能多种环境使用，不能实现对不同设备的兼容；在转动过程中也有死角，不能全方位无死角运转；没有采用密封式设计，不能水下工作；另外传统机械臂中重量过重，抗震不足。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种机械臂，结构重量轻，易于调整，传动精准，结构模块清晰，兼容性好，可在多种环境中使用。 

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现： 

一种机械臂，包括底座，所述底座上通过底座旋转关节连接大臂俯仰关节，所述大臂俯仰关节底端一侧设有照明灯，所述大臂俯仰关节顶端连接小臂俯仰关节，所述小臂俯仰关节连接手腕俯仰关节，所述手腕俯仰关节一侧设有手抓主体，所述手抓主体前端设有两个夹持手抓，所述手抓主体后端通过连接轴连接云台，所述云台包括云台俯仰关节、云台旋转关节、云台翻盖和摄像头。

进一步的，所述手抓主体包括电机，电机一端连接行星减速机，行星减速机右侧设有电路板，行星减速机左侧通过手抓旋转机构连接手腕俯仰关节，行星减速机前端通过锁紧螺柱和蜗轮挡环连接手抓传动轴，手抓传动轴前端套有二级蜗杆，二级蜗杆啮合两个蜗杆轴，二级蜗杆和蜗杆轴位于蜗杆安装盒内，蜗杆轴两端设有手抓主支撑杆，蜗杆安装盒两侧设有手抓副支撑杆，手抓主支撑杆和手抓副支撑杆前端通过旋转杆连接指爪。 

进一步的，所述大臂俯仰关节、小臂俯仰关节和手腕俯仰关节均设有电机，所述电机连接行星减速机，行星减速机连接二级齿杆，二级齿杆啮合齿盘，齿盘连接机械臂杆。 

进一步的，所述底座旋转关节和云台俯仰关节均设有电机，电机连接行星减速机，行星减速机连接二级蜗杆，二级蜗杆杆啮合蜗轮盘，蜗轮盘连接机械臂杆。 

进一步的，所述云台旋转关节设有电机，电机连接行星减速机，行星减速机连接二级齿轮，二级齿轮包括主动齿轮和从动齿轮，从动齿轮连接机械臂杆。 

进一步的，所述电机均设有解码器和编码器。 

进一步的，所述底座、大臂俯仰关节、小臂俯仰关节、手腕俯仰关节、手抓主体和云台的传动件与外壳结合面部位均设有密封圈。 

进一步的，所述底座、手抓主体和云台上均设有与解码器和编码器相连的通用接口。 

本实用新型的有益效果为： 

1）、采用了全新的关节结构，安装简便，结构重量轻，易于调整；

2）、采用了多模一体的结构，在保证了机械爪运行的同时，还能够有效地对周围进行全方位观察，解决目前机械臂功能单一且功能能力不足等问题；

3）、大范围的通用模块和通用接口，兼容性好，使得各种设备的模块都可以方便的加载在该型机械臂上；

4）、采用防护设计，在所有的动密封面全部采用密封设计，在外壳零件的所有结合面也全都采用密封圈进行密封，使得该设备具有很好的防水设计，即使在水下一米也可以正常工作；

5）、云台观察高度是机械爪的1.5倍，具有更广泛的视角；

6）、机械臂实现六自由度运动，实现全方位无死角运动；

7）、耗电少，制造成本低，绿色环保。

附图说明

下面根据附图对本实用新型作进一步详细说明。 

图1是本实用新型实施例所述机械臂的结构示意图； 

图2是本实用新型实施例所述手抓主体的结构示意图；

图3是本实用新型实施例所述手抓主体的分解示意图；

图4是本实用新型实施例所述大臂关节的结构示意图；

图5是本实用新型实施例所述大臂关节的分解示意图；

图6是本实用新型实施例所述底座的分解示意图。

图中： 

1、底座；2、大臂俯仰关节；3、照明灯；4、小臂俯仰关节；5、手腕俯仰关节；6、手抓主体；7、夹持手抓；8、连接轴；9、云台；10、电机；11、行星减速机；12、电路板；13、手抓旋转机构；14、锁紧螺柱；15、蜗轮挡环；16、手抓传动轴；17、二级蜗杆；18、蜗杆轴；19、蜗杆安装盒；20、手抓主支撑杆；21、手抓副支撑杆；22、旋转杆；23、指爪；24、二级齿杆；25、齿盘；26、机械臂杆；27、蜗轮盘；28、二级齿轮；29、解码器；30、编码器；31、密封圈；32、预留法兰接口；33、云台翻盖；34、摄像头；35、螺钉；36、轴承；37、垫圈；38、外壳；39、键。

具体实施方式

如图1-6所示，本实用新型实施例所述的一种机械臂，包括底座1，所述底座1上通过底座旋转关节连接大臂俯仰关节2，所述大臂俯仰关节2底端一侧设有照明灯3，所大臂俯仰关节2顶端连接小臂俯仰关节4，所述小臂俯仰关节4连接手腕俯仰关节5，所述手腕俯仰关节5一侧设有手抓主体6，所述手抓主体6前端设有两个夹持手抓7，所述手抓主体6后端通过连接轴8连接云台9，所述云台9包括云台俯仰关节、云台旋转关节、云台翻盖33和摄像头34。所述手抓主体6包括电机10，电机10一端连接行星减速机11，行星减速机11右侧设有电路板12，行星减速机11左侧通过手抓旋转机构13连接手腕俯仰关节5，行星减速机11前端通过锁紧螺柱14和蜗轮挡环15连接手抓传动轴16，手抓传动轴16前端套有二级蜗杆17，二级蜗杆17啮合两个蜗杆轴18，二级蜗杆17和蜗杆轴18位于蜗杆安装盒19内，蜗杆轴18两端设有手抓主支撑杆20，蜗杆安装盒18两侧设有手抓副支撑杆21，手抓主支撑杆20和手抓副支撑杆21前端通过旋转杆22连接指爪23。所述大臂俯仰关节2、小臂俯仰关节4和手腕俯仰关节4均设有电机10，所述电机10连接行星减速机11，行星减速机11连接二级齿杆24，二级齿杆24啮合齿盘25，齿盘25连接机械臂杆26。所述底座旋转关节和云台俯仰关节均设有电机10，电机10连接行星减速机11，行星减速机11连接二级蜗杆17，二级蜗杆17啮合蜗轮盘27，蜗轮盘27连接机械臂杆26。所述云台旋转关节设有电机10，电机10连接行星减速机11，行星减速机11连接二级齿轮28，二级齿轮28包括主动齿轮和从动齿轮，从动齿轮连接机械臂杆26。所述电机10连接有解码器29和编码器30。所述底座1、大臂俯仰关节2、小臂俯仰关节4、手腕俯仰关节5、手抓主体6和云台9的传动件与外壳结合面部位均设有密封圈31。所述底座1、手抓主体6和云台9上均设有预留法兰接口32。 

本实用新型提供的机械臂包括底座旋转关节、大臂俯仰关节2、小臂俯仰关节4、手腕俯仰关节5、手抓旋转关节、手抓加持关节、云台9俯仰关节、云台9旋转关节、摄像头34俯仰关节、云台翻盖33关节，所有关节的驱动分别由电机10驱动，且在电机10前方均使用行星减速机11进行减速，通过减速后，将扭矩输出至下一关节，其中，大臂俯仰关节2，小臂俯仰关节4，手腕俯仰关节5三者内部结构和控制方式相同，仅尺寸不同，三者中电机10经过行星减速机11减速后，输出给二级齿杆24，二级齿杆24带动齿盘25进行转动，并通过齿盘25将扭矩传递给机械臂杆，机械臂杆发生位移，机械臂关节开始运动。底座旋转关节、手抓旋转关节、云台9俯仰关节、摄像头34俯仰关节中，电机10经过行星减速机11减速后，输出给二级蜗杆17，二级蜗杆17带蜗杆轴18进行转动，并通过蜗杆轴18将扭矩传递给机械臂杆，机械臂杆发生位移，机械臂关节开始运动。 

云台9旋转关节，电机10经过行星减速机11减速后，输出给二级齿轮28，主动齿轮带动从动齿轮进行转动，并通过从动齿轮轴将扭矩传递给机械臂杆，云台9旋转关节发生位移，云台旋转关节开始运动。 

手抓夹持关节，电机10经过行星减速机11减速后，输出给二级蜗杆17，二级蜗杆17带动双蜗杆轴18进行转动，并通过从蜗杆轴18将扭矩分别传递给手抓主支撑杆20和手抓副支撑杆21，手抓主支撑杆20和手抓副支撑杆21形成一个平行四边形机构将运动传递给指爪23，左右两指爪23的指尖在做绝对运动的同时也进行相对运动，速度为绝对运动速度的二倍，而机械臂手抓指尖的相对运动实现了机械臂手抓的夹持与松开。 

在云台翻盖33机构中，电机10经过行星减速机11减速后，输出给二级蜗杆17，二级蜗杆17带动蜗杆轴18进行转动，并通过蜗杆轴18将扭矩传递给三级齿轮，三级齿轮通过三级从动齿轮轴带动云台翻盖33转动，从而使云台遮盖33实现打开或者关闭。 

附图2、附图5和附图6显示了以上所述传动机构传动部件的连接方式，据此连接方式即可完成上述所述的旋转、俯仰和夹持动作。一些机械行业通用的轴承36、垫圈37、螺母、螺钉35、键39和各个传动部件的支撑部件只需尺寸合适、能够保持主要传动部件的稳定工作即可，因此没有一一标出。 

机械臂在运动的过程中，可以通过遥控器单独控制每一个关节进行运动，也可以通过计算机对机械臂的各个关节进行连动控制，也可以采用计算机内部的控制路径实现一键展开等功能，实现对机器人专用机械臂的实施，高效，稳定的控制。 

机械臂上所有的电机均采用闭环伺服控制，并使用绝对编码器30实时监控机械臂的绝对位置，有效的防止了机械臂在运动过程中的自干涉，也可以通过控制设备对机械臂实施有效的最优控制。 

在机械臂运动过程中，当遇到较大阻力导致机械臂无法继续运动时，电机10中有电流通过，但无法运转，电机10将容易烧毁，此时电路板12则开始控制降低电流，防止电机10烧毁。 

机械臂各个关节进行运动时，当承受转矩超过设计指标时，通过转轴施加给蜗轮挡环15（具有弹簧特性）压缩力，当蜗轮挡环15承载大于弹形变量时，蜗轮挡环15变形，传动机构脱开，此时，电机10的输出扭矩无法传递给外部的臂杆机构，机械臂杆也无法将阻力传回给电机10，机构进入自动保护状态，直到扭矩恢复到正常值为止。 

机器人专用机械臂的设计大量的采用标准化，模块化设计，在机械臂的的下方，手抓的后方，以及云台9，底座1的上部等，都设置了预留法兰接口32和安装法兰孔位，可以安装所有符合要求的插头和标准件以及负载设备，给外挂功能附件的安装留下了极大的空间，使用简单，方便，使得配置更加均衡，适用于各种平台的搭载。 

由于考虑到机器人使用机械臂需要伴随机器人共同前进，协同作业，在设计时需要充分的考虑机器人的负载能力和使用环境。因此，机器人机械臂在驱动部分优选采用高效率和高能效比的空心杯电机10，其效率超过传统电机30%，中间传递环节使用高性能行星减速机11减速，效率达到65%，远超过蜗轮蜗杆的45%，同时，所有的传动结构全部使用齿轮或者变异齿轮等高效率传动结构，运转过程中，所有地方采用轴承36，其中绝大部分采用滚动轴承，极大的减小了在运动中的损耗.除了运动传递链的高效能以外，平台设计大范围的采用轻量化材料，重量只有传统材料的40%，在设计中又大量采用镂空结构，并对所有结构进行有限元分析，进一步减重50%，最终得到一个超轻量化机械臂，且在设计中，考虑到机器人的作业环境更加恶劣，设计中也大量的使用了微量回弹和柔性杠杆技术，减少硬性冲击对机械臂产生影响，同时每个关节都增加了力矩保护环节，防止因为关节过载而造成设备的硬性损坏。 

考虑到机械臂的使用和云台9观测高度等多方面问题，机器人机械臂采用了创新的机械臂，云台9一体结构，直接将云台9安装在机械臂的最顶端，一方面由于在机械臂的末端增加了更多的观测设备，使得机械臂的观察和使用更加灵活，另一方面，由于云台9安装在了机械臂的末端，使得云台的高度达到了1.8米，超过了机器人长度的三倍，且两种设备集成安装，通用接口，使得机器人对机械臂的操控更加的灵活，便捷。 

本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (8)

1.一种机械臂，包括底座（1），其特征在于：所述底座（1）上通过底座旋转关节连接有大臂俯仰关节（2），所述大臂俯仰关节（2）底端一侧设有照明灯（3），所述大臂俯仰关节（2） 顶端连接有小臂俯仰关节（4），所述小臂俯仰关节（4）连接有手腕俯仰关节（5），所述手腕俯仰关节（5）一侧设有手抓主体（6），所述手抓主体（6）前端设有两个夹持手抓（7），所述手抓主体（6）后端通过连接轴（8）连接云台（9），所述云台（9）包括云台俯仰关节、云台旋转关节、云台翻盖（33）和摄像头（34）。

2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于：所述手抓主体（6）包括电机（10），电机（10）一端连接行星减速机（11），行星减速机（11）右侧设有电路板（12），行星减速机（11）左侧通过手抓旋转机构（13）连接手腕俯仰关节（5），行星减速机（11）前端通过锁紧螺柱（14）和蜗轮挡环（15）连接手抓传动轴（16），手抓传动轴（16）前端套有二级蜗杆（17），二级蜗杆（17）啮合两个蜗杆轴（18），二级蜗杆（17）和蜗杆轴（18）位于蜗杆安装盒（19）内，蜗杆轴（18）两端设有手抓主支撑杆（20），蜗杆安装盒（18）两侧设有手抓副支撑杆（21），手抓主支撑杆（20）和手抓副支撑杆（21）前端通过旋转杆（22）连接指爪（23）。

3.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于：所述大臂俯仰关节（2）、小臂俯仰关节（4）和手腕俯仰关节（4）均设有电机（10），所述电机（10）连接行星减速机（11），行星减速机（11）连接二级齿杆（24），二级齿杆（24）啮合齿盘（25），齿盘（25）连接机械臂杆（26）。

4.根据权利要求3所述的机械臂，其特征在于：所述底座旋转关节和云台俯仰关节均设有电机（10），电机（10）连接行星减速机（11），行星减速机（11）连接二级蜗杆（17），二级蜗杆（17）啮合蜗轮盘（27），蜗轮盘（27）连接机械臂杆（26）。

5.根据权利要求4所述的机械臂，其特征在于：所述云台旋转关节设有电机（10），电机（10）连接行星减速机（11），行星减速机（11）连接二级齿轮（28），二级齿轮（28）包括主动齿轮和从动齿轮，从动齿轮连接机械臂杆（26）。

6.根据权利要求5所述的机械臂，其特征在于：所述电机（10）连接有解码器（29）和编码器（30）。

7.根据权利要求6所述的机械臂，其特征在于：所述底座（1）、大臂俯仰关节（2）、小臂俯仰关节（4）、手腕俯仰关节（5）、手抓主体（6）和云台（9）的传动件与外壳结合面部位均设有密封圈（31）。

8.根据权利要求1-7任一项所述的机械臂，其特征在于：所述底座（1）、手抓主体（6）和云台（9）上均设有预留法兰接口（32）。

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