CN211104080U - 一种仿生机器人的十一轴机械臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种仿生机器人的十一轴机械臂，其特征在于：包括手腕总成；手腕总成包括手掌机构，手掌机构包括手掌骨架、及机械指活动套件；机械指活动套件包括机械指舵机、机械指舵盘、及机械指组件；机械指舵机设置于手掌骨架上；机械指舵盘连接机械指舵机；机械指组件包括第一指关节件、第二指关节件、第三指关节件、第一连杆和第二连杆；第一指关节件分别与手掌骨架和第二指关节件铰接，且通过推杆连接机械指舵盘；第二指关节件分别与第一指关节件和第三指关节件铰接；第一连杆分别与手掌骨架和第二指关节件铰接；第二连杆分别与第一指关节件和第三指关节件铰接。本实用新型具有达到轻量化设计，模拟性能强，适用范围广，动作灵活等特点。

Description

一种仿生机器人的十一轴机械臂

技术领域

本实用新型涉及一种仿生机器人，具体是一种仿生机器人的十一轴机械臂。

背景技术

多轴仿生机械臂近年来发展迅速，仿生机械臂在日常工作生活中越来越常见，如今甚至被大量地运用在医学、生活等领域上；多轴仿生机械臂在医学上已经达到安全、精准的操控，大多多轴仿生机械臂可代替医生进行细微的手术操作；在生活上，多轴仿生机械臂具有教育意义，所以广受消费者喜欢。但是目前的多轴仿生机械臂多为医学、科研使用，而且价格高昂、结构复杂，难以进一步普及至其他领域，因此，有必要提出新型的多轴仿生机械臂。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术存在的不足，而提供一种仿生机器人的十一轴机械臂，其制造成本低，达到轻量化设计，模拟性能强，适用范围广，动作灵活。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种仿生机器人的十一轴机械臂，其特征在于：包括手臂总成和手腕总成，手腕总成转动连接手臂总成；所述手腕总成包括手掌机构，手掌机构包括手掌骨架、及一套以上设置于手掌骨架上的机械指活动套件；所述机械指活动套件包括机械指舵机、机械指舵盘、及机械指组件；所述机械指舵机设置于手掌骨架上；所述机械指舵盘连接机械指舵机的电机轴；所述机械指组件包括第一指关节件、第二指关节件、第三指关节件、第一连杆和第二连杆；所述第一指关节件分别与手掌骨架和第二指关节件铰接，且通过推杆偏心连接机械指舵盘；所述第二指关节件分别与第一指关节件和第三指关节件铰接；所述第一连杆分别与手掌骨架和第二指关节件铰接；所述第二连杆分别与第一指关节件和第三指关节件铰接；所述机械指舵机驱动机械指舵盘转动时，通过推杆驱动机械指组件完成弯曲或伸展动作。

所述机械指活动套件设置五套，分别是拇指活动套件、食指活动套件、中指活动套件、无名指活动套件和尾指活动套件。

所述第一指关节件一端分别与手掌骨架和推杆一端铰接，第一指关节件另一端与第二指关节件中部铰接；所述第二指关节件一端与第三指关节件一端铰接；所述第一连杆一端与手掌骨架铰接，第一连杆另一端与第二指关节件另一端铰接；所述第二连杆一端与第一指关节件另一端铰接，第二连杆另一端与第三指关节件一端铰接；所述推杆另一端与机械指舵盘偏心连接。

所述手臂总成包括肩膀前后摆动机构；所述肩膀前后摆动机构包括一号舵机和一号支架，一号舵机设置于一号支架上，一号支架设置于机器人躯体上；所述手臂总成的肩膀部分连接一号舵机的电机轴，一号舵机驱动肩膀部分相对机器人躯体前后摆动。

所述手臂总成包括上臂上下摆动机构；所述上臂上下摆动机构包括二号舵机、二号支架和二号活动件，二号舵机设置于二号支架上，二号支架连接一号舵机的电机轴，二号活动件分别连接二号舵机的电机轴和手臂总成的上臂部分，二号舵机驱动上臂部分相对肩膀部分上下摆动。

所述手臂总成包括上臂转动机构；所述上臂转动机构包括三号舵机和三号支架，三号舵机设置于三号支架上，二号活动件连接三号舵机的电机轴；所述三号支架构成手臂总成的上臂部分，三号舵机驱动上臂部分相对肩膀部分转动。

所述手臂总成还包括手肘摆动机构；所述手肘摆动机构包括四号舵机和四号活动件，四号舵机设置于三号支架上，四号活动件分别连接四号舵机的电机轴和手臂总成的下臂部分，四号舵机驱动下臂部分相对上臂部分上下摆动。

所述手臂总成还包括下臂转动机构；所述下臂转动机构包括五号舵机和五号支架，五号舵机设置于五号支架上，四号活动件连接五号舵机的电机轴；所述五号支架构成手臂总成的下臂部分，五号舵机驱动下臂部分相对上臂部分转动。

所述手腕总成还包括手腕摆动机构；所述手腕摆动机构包括六号舵机和六号支架，六号舵机设置于六号支架上，六号支架与手掌骨架相互连接，五号支架连接六号舵机的电机轴，六号舵机驱动手腕总成相对下臂部分摆动；所述手臂总成中的五号支架与手腕总成中的六号舵机的电机轴连接，实现手臂总成与手腕总成的转动连接。

本实用新型的有益效果如下：

本机械臂的驱动方式均为舵机，整体重量小，动作效率高，使得本机械臂的结构简单易懂，便于学习机械臂的结构以及编程；各机械臂指活动套件为欠驱结构，舵机通过连杆有效驱动机械指完成弯曲和伸展动作，机械指的运动路线由各舵机编程决定，能够更接近的模拟人体手指的基本收合运动，并具有一定的抓取力，可作为末端执行装置应用于医学、娱乐、生活、工业等领域中。本机械臂通过轻量化设计，主体材料应用钣金件和3D打印塑料件，大大降低了仿生机械臂的制造成本；机械臂的驱动方式均为舵机驱动，且没有额外的减速机构，故安装简单、维护方便。本机械臂具有十一个自由度，属于欠驱机械手臂，手臂部分的六个自由度与人体手臂自由度数量相等，且机械臂手臂部分自由度位置与人体手臂自由度位置相近，使机械臂能够更好的模拟人体手部日常工作、生活中的各种动作，具有学习人体模型知识的使用价值，可在日常工作、生活中代替人体手臂进行简单重复性动作，还可作为教育装备为学习者提供学习机械知识、人体手臂仿生知识。

附图说明

图1为本实用新型一实施例中十一轴机械臂的结构示意图。

图2为本实用新型一实施例中肩膀部分的侧视图。

图3为图2中J-J方向的剖视图。

图4为本实用新型一实施例中肩膀部分的俯视图。

图5为图4中K-K方向的剖视图。

图6为本实用新型一实施例中上臂部分的主视图。

图7为图6中L-L方向的剖视图。

图8为本实用新型一实施例中下臂部分和手腕部分的主视图。

图9为图8中M-M方向的剖视图。

图10为本实用新型一实施例中手掌部分的主视图。

图11为本实用新型一实施例中手掌部分伸展状态的示意图。

图12为本实用新型一实施例中手腕部分拇指收起状态的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述。

参见图1-图11，本仿生机器人的十一轴机械臂包括手臂总成和手腕总成，手腕总成转动连接手臂总成；本十一轴机械臂具有十一个自由度。

手臂总成包括构成第一自由度的肩膀前后摆动机构、构成第二自由度的上臂上下摆动机构、构成第三自由度的上臂转动机构、构成第四自由度的手肘摆动机构和构成第五自由度的下臂转动机构。

进一步地，上臂前后摆动机构包括一号舵机1、一号支架2和一号舵盘3，一号舵机1固定设置于一号支架2上，一号支架2固定设置于机器人躯体上，手臂总成的肩膀部分通过一号舵盘3连接一号舵机1的电机轴，一号舵机1驱动肩膀部分相对机器人躯体前后摆动；具体是，一号舵机2通过四颗内六角螺栓（型号为M5×20）固定于一号支架2上，一号舵机1的电机轴以同心方式与一号舵盘3插接，一号舵盘3随一号舵机1的电机轴同步转动。

进一步地，上臂上下摆动机构包括二号舵机5、二号支架7、二号舵盘4和二号活动件6，二号舵机5固定设置于二号支架7内腔，二号支架7通过一号舵盘3连接一号舵机1的电机轴，二号活动件6分别连接二号舵机5的电机轴和手臂总成的上臂部分，二号舵机5驱动上臂部分相对肩膀部分上下摆动。具体地，二号支架7通过四颗内六角螺栓（型号为M3×10）固定连接一号舵盘3，二号舵机5通过四个内六角螺栓（型号为M5×12）固定连接二号支架7，二号舵机5的电机轴以同心方式与二号舵盘4插接、彼此通过内六角螺栓（型号为M5×10）相互锁紧；二号舵盘4通过四颗内六角螺栓（型号为M3×10）固定连接二号活动件6。

进一步地，上臂转动机构包括三号舵机9、三号舵盘10和三号支架11，三号舵机9固定设置于三号支架11上部内侧，二号活动件6通过三号舵盘10连接三号舵机9的电机轴；三号支架11构成手臂总成的上臂部分，三号舵机9驱动上臂部分相对肩膀部分转动。具体地，三号舵机9通过四颗内六角螺栓（型号为M3×10）锁紧于三号支架11内侧；三号舵机9的电机轴为带内螺纹孔的圆形轴，三号舵盘10以卡扣的方式安装到三号舵机9的电机轴上，使三号舵盘10与三号舵机9的电机轴同心配合；三号舵盘10通过四颗内六角螺栓（型号为M3×6）锁紧于二号活动件6上。

上述上臂前后摆动机构、上臂上下摆动机构和上臂转动机构的自由度输出扭矩分别为90°，相当于形成一个三维坐标，以模拟人体肩膀的万向球节结构。

进一步地，手肘摆动机构包括四号舵机13、四号活动件14和四号舵盘15，四号舵机13设置于三号支架11下部内侧，四号活动件14分别连接四号舵机13的电机轴和手臂总成的下臂部分，四号舵机13驱动下臂部分相对上臂部分上下摆动，从而模拟人体手肘的摆动动作。具体地，四号舵机13通过四颗内六角螺栓（型号为M3×10）锁紧在三号支架11上；四号舵机13的电机轴为带内螺纹孔的圆形轴，四号舵盘15以卡扣的方式安装于四号舵机13的电机轴上，使四号舵机13的电机轴与四号舵盘15同心配合；四号舵盘15上套设有圆柱滚子轴承（型号为M18×30×7）；四号舵盘15通过四颗内六角螺栓（型号为M3×6）锁紧于四号活动件14上。

进一步地，下臂转动机构包括五号舵机16、五号舵盘17和五号支架18，五号舵机16固定设置于五号支架18内侧，四号活动件14连接五号舵机16的电机轴；五号支架18构成手臂总成的下臂部分，五号舵机16驱动下臂部分相对上臂部分转动，以模拟人体下臂和手腕的转动动作。具体地，五号舵机16通过四颗内六角螺栓（型号为M3×10）锁紧于五号支架18上，五号舵机16的电机轴为带内螺纹孔的圆形轴，五号舵盘17以卡扣的方式安装于五号舵机16的电机轴上，使五号舵机16的电机轴与五号舵盘17同心配合；五号舵盘17上套设有圆柱滚子轴承（型号为M18×30×7）；五号舵盘17通过四颗内六角螺栓（型号为M3×6）锁紧于四号活动件14上。

手腕总成包括构成第六自由度的手腕摆动机构和具备五个自由度的手掌机构。

进一步地，手腕摆动机构包括六号舵机20、六号舵盘21和六号支架22，六号舵机20固定设置于六号支架22上，五号支架18通过六号舵盘21连接六号舵机20的电机轴，六号舵机20驱动手腕总成相对下臂部分摆动；手臂总成中的五号支架18与手腕总成中的六号舵机20的电机轴连接，实现手臂总成与手腕总成的转动连接，以模拟人体手腕的摆动动作。具体地，六号舵机20通过四颗内六角螺栓（型号为M3×10）锁紧于六号支架22上，六号舵机20的电机轴为带内螺纹孔的圆形轴，六号舵盘21以卡扣的方式安装于六号舵机20的电机轴上，使六号舵机20的电机轴与六号舵盘21同心配合；六号舵盘21上套设有圆柱滚子轴承（型号为M18×30×7）；六号舵盘21通过四颗内六角螺栓（型号为）M3×6锁紧于五号支架18上。

进一步地，手掌机构包括手掌骨架27、及一套以上设置于手掌支架22上的机械指活动套件，六号支架22与手掌骨架27相互固定连接；机械指活动套件包括机械指舵机、机械指舵盘、及机械指组件；机械指舵机设置于手掌支架22上；机械指舵盘连接机械指舵机的电机轴；机械指组件包括第一指关节件52、第二指关节件53、第三指关节件54、第一连杆55和第二连杆56；第一指关节件52分别与手掌支架22和第二指关节件53铰接，且通过推杆51偏心连接机械指舵盘；第二指关节件53分别与第一指关节件52和第三指关节件54铰接；第一连杆55分别与手掌支架22和第二指关节件53铰接；第二连杆56分别与第一指关节件52和第三指关节件54铰接；机械指舵机驱动机械指舵盘转动时，通过推杆51驱动机械指组件完成弯曲或伸展动作（型号为收合动作）。

进一步地，参见图11，第一指关节件52一端分别与手掌支架22和推杆51一端铰接，第一指关节件52另一端与第二指关节件53中部铰接；第二指关节件53一端与第三指关节件54一端铰接；第一连杆55一端与手掌支架22铰接，第一连杆55另一端与第二指关节件53另一端铰接；第二连杆56一端与第一指关节件52另一端铰接，第二连杆56另一端与第三指关节件54一端铰接；推杆51另一端与机械指舵盘偏心连接。具体地，机械指舵机通过四颗十字盘头螺钉（型号为M2×6）锁紧在手掌骨架27上；用十字盘头螺钉（型号为M2×12）锁紧螺纹钢球（型号为5×M2）以推入推杆51一端的鱼眼中，使螺纹钢球与推杆51一端的鱼眼同心装配形成万向球节；用十字盘头螺钉（型号为M2×12）锁紧螺纹钢球（型号为5×M2）以推入推杆51另一端的鱼眼中，使螺纹球与推杆51另一端的鱼眼同心装配形成万向球节；推杆51一端通过十字盘头螺钉（型号为M2×8）与机械指舵盘转接；推杆51另一端通过十字盘头螺钉（型号为M2×12）与第一指关节件52一端的第一轴孔A转接，使第一指关节件52可绕第一轴孔A做圆周运动；第一指关节件52另一端通过十字盘头螺钉（型号为M3×12）与第二指关节件53中部的第二轴孔B转接，使第二指关节件53绕第二轴孔B做圆周运动；第二指关节件53一端的第三轴孔C通过十字盘头螺钉（型号为M3×12）与第三指关节件54一端转接，使第三指关节件54绕第三轴孔C做圆周运动；第一指关节件52一端通过十字盘头螺钉（型号为M3×12）和圆柱滚子轴承（型号为3×6×2.5）与手掌骨架27上的第四轴孔D转接，使第一指关节件52绕第四轴孔D做圆周运动；第一连杆55一端通过十字盘头螺钉（型号为M2×8）与手掌骨架27上的第五轴孔E转接，使第一连杆55绕第五轴孔E做圆周运动；第一连杆55另一端的第六轴孔F通过十字沉头螺钉（型号为M2×4）与第二指关节件53另一端转接，使第一连杆55绕第六轴孔F做圆周运动；第二连杆56一端通过十字盘头螺钉（型号为M2×8）与第一指关节件52另一端的第七轴孔G转接，使第二连杆56绕第七轴孔G做圆周运动；第二连杆56另一端通过十字沉头螺钉（型号为M2×4）与第三指关节件54一端的第八轴孔H转接，使第二连杆56绕第八轴孔H做圆周运动。

参见图12，机械指活动套件的收合动作如下：机械指舵盘通过推杆51将机械指舵机的曲线运动转化为推杆51的曲线运动，推杆51通过孔A，带动第一指关节件52做曲线运动；由于第一指关节件52一端与手掌骨架27上的第四轴孔D铰接，所以推杆51可驱动第一指关节件52绕第四轴孔D做圆周运动；此时，由于联动效果，整个机械指组件都会被带动绕相应轴孔转动，即通过控制机械指舵机的正反转可使机械指组件模拟人体手指的收合动作。

进一步地，机械指活动套件设置五套，分别是拇指活动套件、食指活动套件、中指活动套件、无名指活动套件和尾指活动套件。拇指活动套件包括拇指舵机24、拇指舵盘25和拇指组件26；食指活动套件包括食指舵机29、食指舵盘30和食指组件31；中指活动套件包括中指舵机33、中指舵盘34和中指组件35；无名指活动套件包括无名指舵机37、无名指舵盘38和无名指组件39；尾指活动套件包括尾指舵机41、尾指舵盘42和尾指组件43；拇指舵机24、食指舵机29、中指舵机33、无名指舵机37和尾指舵机41相当于机械指舵机；拇指舵盘25、食指舵盘30、中指舵盘34、无名指舵盘38和尾指舵盘42相当于机械指舵盘；拇指组件26、食指组件31、中指组件35、无名指组件39和尾指组件43相当于机械指组件。

上述为本实用新型的优选方案，显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本领域的技术人员应该了解本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.一种仿生机器人的十一轴机械臂，其特征在于：包括手臂总成和手腕总成，手腕总成转动连接手臂总成；所述手腕总成包括手掌机构，手掌机构包括手掌骨架（27）、及一套以上设置于手掌骨架（27）上的机械指活动套件；所述机械指活动套件包括机械指舵机、机械指舵盘、及机械指组件；所述机械指舵机设置于手掌骨架（27）上；所述机械指舵盘连接机械指舵机的电机轴；所述机械指组件包括第一指关节件（52）、第二指关节件（53）、第三指关节件（54）、第一连杆（55）和第二连杆（56）；所述第一指关节件（52）分别与手掌骨架（27）和第二指关节件（53）铰接，且通过推杆（51）偏心连接机械指舵盘；所述第二指关节件（53）分别与第一指关节件（52）和第三指关节件（54）铰接；所述第一连杆（55）分别与手掌骨架（27）和第二指关节件（53）铰接；所述第二连杆（56）分别与第一指关节件（52）和第三指关节件（54）铰接；所述机械指舵机驱动机械指舵盘转动时，通过推杆（51）驱动机械指组件完成弯曲或伸展动作。

2.根据权利要求1所述仿生机器人的十一轴机械臂，其特征在于：所述机械指活动套件设置五套，分别是拇指活动套件、食指活动套件、中指活动套件、无名指活动套件和尾指活动套件。

3.根据权利要求1所述仿生机器人的十一轴机械臂，其特征在于：所述第一指关节件（52）一端分别与手掌骨架（27）和推杆（51）一端铰接，第一指关节件（52）另一端与第二指关节件（53）中部铰接；所述第二指关节件（53）一端与第三指关节件（54）一端铰接；所述第一连杆（55）一端与手掌骨架（27）铰接，第一连杆（55）另一端与第二指关节件（53）另一端铰接；所述第二连杆（56）一端与第一指关节件（52）另一端铰接，第二连杆（56）另一端与第三指关节件（54）一端铰接；所述推杆（51）另一端与机械指舵盘偏心连接。

4.根据权利要求1所述仿生机器人的十一轴机械臂，其特征在于：所述手臂总成包括肩膀前后摆动机构；所述肩膀前后摆动机构包括一号舵机（1）和一号支架（2），一号舵机（1）设置于一号支架（2）上，一号支架（2）设置于机器人躯体上；所述手臂总成的肩膀部分连接一号舵机（1）的电机轴，一号舵机（1）驱动肩膀部分相对机器人躯体前后摆动。

5.根据权利要求4所述仿生机器人的十一轴机械臂，其特征在于：所述手臂总成包括上臂上下摆动机构；所述上臂上下摆动机构包括二号舵机（5）、二号支架（7）和二号活动件（6），二号舵机（5）设置于二号支架（7）上，二号支架（7）连接一号舵机（1）的电机轴，二号活动件（6）分别连接二号舵机（5）的电机轴和手臂总成的上臂部分，二号舵机（5）驱动上臂部分相对肩膀部分上下摆动。

6.根据权利要求5所述仿生机器人的十一轴机械臂，其特征在于：所述手臂总成包括上臂转动机构；所述上臂转动机构包括三号舵机（9）和三号支架（11），三号舵机（9）设置于三号支架（11）上，二号活动件（6）连接三号舵机（9）的电机轴；所述三号支架（11）构成手臂总成的上臂部分，三号舵机（9）驱动上臂部分相对肩膀部分转动。

7.根据权利要求6所述仿生机器人的十一轴机械臂，其特征在于：所述手臂总成还包括手肘摆动机构；所述手肘摆动机构包括四号舵机（13）和四号活动件（14），四号舵机（13）设置于三号支架（11）上，四号活动件（14）分别连接四号舵机（13）的电机轴和手臂总成的下臂部分，四号舵机（13）驱动下臂部分相对上臂部分上下摆动。

8.根据权利要求7所述仿生机器人的十一轴机械臂，其特征在于：所述手臂总成还包括下臂转动机构；所述下臂转动机构包括五号舵机（16）和五号支架（18），五号舵机（16）设置于五号支架（18）上，四号活动件（14）连接五号舵机（16）的电机轴；所述五号支架（18）构成手臂总成的下臂部分，五号舵机（16）驱动下臂部分相对上臂部分转动。

9.根据权利要求8所述仿生机器人的十一轴机械臂，其特征在于：所述手腕总成还包括手腕摆动机构；所述手腕摆动机构包括六号舵机（20）和六号支架（22），六号舵机（20）设置于六号支架（22）上，六号支架（22）与手掌骨架（27）相互连接，五号支架（18）连接六号舵机（20）的电机轴，六号舵机（20）驱动手腕总成相对下臂部分摆动；所述手臂总成中的五号支架（18）与手腕总成中的六号舵机（20）的电机轴连接，实现手臂总成与手腕总成的转动连接。

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