CN211104081U - 一种七轴仿生机械臂及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种七轴仿生机械臂，其特征在于：包括六组或七组以上自由关节；两组以上所述自由关节依次连接；所述自由关节包括动力电机、编码器和支架；所述动力电机和编码器分别设置于相应的支架上，动力电机通过传动组件传动连接相应的编码器和支架；首组自由关节中的支架连接载体机器人。本七轴仿生机械臂具有七个自由度，能更加接近的模拟人体手臂动作，进而可完成更多高难度动作。

Description

一种七轴仿生机械臂及其控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种机器人，具体是一种七轴仿生机械臂及其控制系统。

背景技术

多轴机器人技术近年来发展迅速，机器人应用领域也随之不断扩大，如今被大量地运用在工业应用、娱乐生活上；现有的多轴机器人在工业应用上已经达到安全、精准，大多被应用在代替人在危险场景下重复工作，如：物流搬运、上下料等等；现有的多轴机器人在娱乐生活上做到有陪伴功能、有教育意义，广受消费者好评。但是目前的多轴机器人大多为编程控制、现场示教、AI学习等等，在一些时间急迫或者危险场景下进行编程控制或者示教学习会变得不适用。

因此，需要对现有的多轴机器人做进一步改进。

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，而提供一种七轴仿生机械臂及其控制系统；本七轴仿生机械臂具有七个自由度，能更加接近的模拟人体手臂动作，进而可完成更多高难度动作；本七轴仿生机械臂的控制系统能实现远程控制、编程控制等，适用范围广，通用性强。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种七轴仿生机械臂，其特征在于：包括六组或七组以上自由关节；两组以上所述自由关节依次连接；所述自由关节包括动力电机、编码器和支架；所述动力电机和编码器分别设置于相应的支架上，动力电机通过传动组件传动连接相应的编码器和支架；首组自由关节中的支架连接载体机器人。

所述自由关节包括

一号自由关节，包括一号动力电机、一号谐波减速机、一号编码器和一号支架；所述一号动力电机和一号编码器分别设置于一号支架上，一号动力电机的电机轴分别传动连接一号谐波减速机和一号编码器；所述一号支架连接载体机器人；

二号自由关节，包括二号动力电机、二号谐波减速机、二号编码器和二号支架；所述二号动力电机和二号编码器分别设置于二号支架上，二号动力电机的电机轴分别传动连接二号编码器和二号谐波减速机；所述二号支架与一号谐波减速机连接；

三号自由关节，包括三号动力电机、三号编码器、三号支架；所述三号动力电机和三号编码器分别设置于三号支架上，三号动力电机的电机轴传动连接三号编码器；所述三号支架与二号谐波减速机连接；

四号自由关节，包括四号动力电机、四号编码器和四号支架；所述四号动力电机的电机轴传动连接四号支架和四号编码器；所述三号动力电机传动连接四号支架；

五号自由关节，包括五号动力电机、五号编码器和五号支架；所述四号动力电机和四号编码器分别设置于五号支架上；所述五号动力电机的电机轴分别传动连接五号支架和五号编码器；

六号自由关节，包括六号动力电机、六号编码器和六号支架；所述五号动力电机、五号编码器、六号动力电机和六号编码器分别设置于六号支架上；所述六号动力电机的电机轴与六号编码器传动连接；

七号自由关节，包括七号动力电机、七号编码器和七号支架；所述六号动力电机的电机轴传动连接七号支架；所述七号动力电机和七号编码器分别设置于七号支架上；所述七号动力电机的电机轴与七号编码器传动连接；所述七号动力电机的电机轴传动连接有工装载体。

所述七轴仿生机械臂分为上臂部分、手肘部分、小臂部分和手腕部分；所述一号自由关节、二号自由关节和三号自由关节组成上臂部分；所述四号自由关节组成手肘部分；所述五号自由关节组成小臂部分；所述六号自由关节和七号自由关节组成手腕部分。

所述一号自由关节的活动范围为180°；所述二号自由关节的活动范围为360°；所述三号自由关节的活动范围为168°；所述四号自由关节的活动范围为132°；所述五号自由关节的活动范围为360°；所述六号自由关节的活动范围为180°；所述七号自由关节的活动范围为360°。

上述七轴仿生机械臂的控制系统，其特征在于：包括人体佩戴装置和机械臂控制装置；所述人体佩戴装置包括手臂传感控制器、手腕传感控制器和腰带基点控制器，手臂传感控制器和/或手腕传感控制器通过有线或无线方式与腰带基点控制器沟通互联；所述机械臂控制装置包括分别设置于载体机器人上的信号接收器和动作控制芯片，信号接收器通过有线或无线方式与动作控制芯片沟通互联；所述腰带基点控制器通过有线或无线方式与动作控制芯片沟通互联；所述动作控制芯片控制一组以上自由关节完成相关动作。

所述手臂传感控制器和/或手腕传感控制器上设置有电源开关；所述所述手臂传感控制器和/或手腕传感控制器上设置有用于感应所在控制器位置信息的位置传感器；所述位置传感器感应到的位置信息传送至腰带基点控制器上。

所述腰带基点控制器上设置有用于打开或关闭通讯功能的通讯开关；所述信号接收器上设置有用于储存位置信息的数据储存模块，数据储存模块分别与信号接收器和动作控制芯片沟通互联；所述腰带基点控制器将位置信息发送至数据储存模块上储存，数据储存模块上的位置信息发送至动作控制芯片上，动作控制芯片把位置信息转换成脉动信号，并将脉冲信号发送至相应的动力电机上，以完成相应的动作。

所述腰带基点控制器通过有线、5G或WIFI等通信方式与信号接收器沟通互联。

本实用新型的有益效果如下：

本七轴仿生机械臂具备七个自由度，能更加接近的模拟人体手臂动作，动作灵活，进而可完成更多高难度动作，满足不同的使用环境；控制系统通过人体佩戴装置和机械臂控制装置的配合作用，使本七轴仿生机械臂可远程模拟人的动作，即操作者可以远程操作本七轴仿生机械臂工作，同时还可以远程对本七轴仿生机械臂进行实时示教。佩戴于人体身上的传感控制器虽然数量少，但是带来的位置信息丰富，使七轴仿生机械臂模拟人的动作时更加精准，不需要现场对本机械臂进行示教或者编程示教，操作相当方便，减少了事故的发生率，且提高了示教效率。由于本七轴仿生机械臂动作灵活，模拟效果好，可远离操作者工作，所以其能够应用于一些危险场景，在满足工作时有效避障的前提下，能减少冗余自由度，还能通过编程使机械臂进行重复工作。

附图说明

图1为本实用新型一实施例中七轴仿生机械臂的示意图。

图2-图4分别为本实用新型一实施例中七轴仿生机械臂不同位置的局部剖视图。

图5为本实用新型一实施例中操作者初始动作的主视图。

图6为本实用新型一实施例中操作者初始动作的侧视图。

图7为本实用新型一实施例中七轴仿生机械臂与操作者初始动作对应的主视图。

图8为本实用新型一实施例中七轴仿生机械臂与操作者初始动作对应的侧视图。

图9为本实用新型一实施例中操作者动作一的示意图。

图10为本实用新型一实施例中操作者动作二的示意图。

图11为本实用新型一实施例中七轴仿生机械臂与操作者动作一对应的示意图。

图12为本实用新型一实施例中七轴仿生机械臂与操作者动作二对应的示意图。

图13为本实用新型一实施例中控制系统的原理图。

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4，本七轴仿生机械臂，包括七组自由关节，各自由关节依次连接构成本七轴仿生机械臂；自由关节包括动力电机、编码器和支架；动力电机和编码器分别设置于相应的支架上，动力电机通过传动组件传动连接相应的编码器和支架；首组自由关节中的支架连接载体机器人M，实现七轴仿生机械臂与载体机器人M的连接。

进一步地，参见图10-图12，本七轴仿生机械臂具有七个自由度（一组自由关节为拥有一自由度），可兼容传动的编程，能够通过相适应的编程控制工作；本七轴仿生机械手通过七个自由度能更加接近的模拟人手运动，进而可完成更多高难度动作，且可灵活避开障碍物；其中，自由关节包括

一号自由关节A1，包括一号动力电机1、一号谐波减速机2、一号编码器3和一号支架4；一号动力电机1和一号编码器3分别固定设置于一号支架4上，一号动力电机1的电机轴分别传动连接一号谐波减速机2的输入端和一号编码器3的传动轴；一号支架4一端连接载体机器人M；具体是，一号动力电机1的电机轴上设置有一号电机齿轮6，一号编码器3的传动轴上设置有一号编码齿轮7 ，一号电机齿轮6与一号编码齿轮7相互啮合，实现一号动力电机1与一号编码器3的传动连接；一号动力电机1的电机轴插接一号谐波减速机2的输入端；

二号自由关节A2，包括二号动力电机9、二号谐波减速机13、二号编码器12和二号支架8；二号动力电机9和二号编码器12分别固定设置于二号支架8上，二号动力电机9的电机轴分别传动连接二号编码器12和二号谐波减速机13；二号支架8与一号谐波减速机2的柔轮固定连接；具体是，二号动力电机9的电机轴上设置有二号电机齿轮10，二号编码器12的传动轴上设置有二号编码齿轮11 ，二号电机齿轮10与二号编码齿轮11相互啮合，实现二号动力电机9与二号编码器12的传动连接；二号动力电机9的电机轴插接二号谐波减速机13的输入端；

三号自由关节A3，包括三号动力电机16、三号编码器18、三号支架15；三号动力电机16和三号编码器18分别固定设置于三号支架15上，三号动力电机16的电机轴传动连接三号编码器18；三号支架15与二号谐波减速机13的柔轮固定连接；具体是，三号动力电机16的电机轴上设置有三号电机齿轮17，三号编码器18的传动轴上设置有三号编码齿轮19 ，三号电机齿轮17与三号编码齿轮19相互啮合，实现三号动力电机16与三号编码器18的传动连接；

四号自由关节A4，包括四号动力电机23、四号编码器22和四号支架21；四号动力电机23的电机轴传动连接四号支架21一端和四号编码器22；三号动力电机16的电机轴传动连接四号支架21另一端；具体是，四号动力电机23的电机轴上设置有四号电机齿轮25，四号编码器22的传动轴上设置有四号编码齿轮24，四号电机齿轮25与四号编码齿轮24相互啮合，实现四号动力电机23与四号编码器22的传动连接；

五号自由关节A5，包括五号动力电机27、五号编码器28和五号支架26；四号动力电机23和四号编码器22分别固定设置于五号支架26上；五号动力电机27的电机轴分别传动连接五号支架26和五号编码器28；具体是，五号动力电机27的电机轴上设置有五号电机齿轮29，五号编码器28的传动轴上设置有五号编码齿轮30，五号电机齿轮29与五号编码齿轮30相互传动连接，实现五号动力电机27与五号编码器28的传动连接；

六号自由关节A6，包括六号动力电机32、六号编码器33和六号支架31；五号动力电机27、五号编码器28、六号动力电机32和六号编码器33分别固定设置于六号支架31上；六号动力电机32的电机轴与六号编码器33传动连接；具体是，六号动力电机32的电机轴上设置有六号电机齿轮35，六号编码器33的传动轴上设置有六号编码齿轮34，六号电机齿轮35与六号编码齿轮34相互啮合，实现六号动力电机32与六号编码器33的传动连接；

七号自由关节A7，包括七号动力电机37、七号编码器36和七号支架40；六号动力电机32的电机轴传动连接七号支架40；七号动力电机37和七号编码器36分别固定设置于七号支架40上；七号动力电机37的电机轴与七号编码器36传动连接；七号动力电机37的电机轴传动连接有用于组装连接所需工具或其他载件的工装载体A8；具体是，七号动力电机37的电机轴上设置有七号电机齿轮339，七号编码器36的传动轴上设置有七号编码齿轮38，七号电机齿轮39与七号编码齿轮38相互传动连接，实现七号动力电机37与七号编码器36的传动连接。

进一步地，七轴仿生机械臂分为上臂部分、手肘部分、小臂部分和手腕部分；一号自由关节A1、二号自由关节A2和三号自由关节A3组成上臂部分；四号自由关节A4组成手肘部分；五号自由关节A5组成小臂部分；六号自由关节A6和七号自由关节A7组成手腕部分。

进一步地，一号自由关节A1的活动范围为180°；二号自由关节A2的活动范围为360°；三号自由关节A3的活动范围为168°；四号自由关节A4的活动范围为132°；五号自由关节A5的活动范围为360°；六号自由关节A6的活动范围为180°；七号自由关节A7的活动范围为360°。

参见图5-图13，上述七轴仿生机械臂的控制系统，其特征在于：包括人体佩戴装置和机械臂控制装置；人体佩戴装置包括佩戴于人体手臂上的手臂传感控制器46、佩戴于人体手腕上的手腕传感控制器47和佩戴于人体腰部的腰带基点控制器48，手臂传感控制器46和手腕传感控制器47分别通过有线或无线方式与腰带基点控制器48沟通互联；机械臂控制装置包括分别设置于载体机器人M上的信号接收器49和动作控制芯片50，信号接收器49通过有线或无线方式与动作控制芯片50沟通互联；腰带基点控制器48通过有线或无线方式与动作控制芯片50沟通互联；动作控制芯片50分别控制各组自由关节独立完成相关动作；其中，手臂传感控制器46可通过魔术贴或其他方式佩戴于人体上臂，手腕传感控制器47通过魔术贴或其他方式佩戴于人体手腕，腰带基点控制器48通过魔术贴或其他方式佩戴于人体腰部；手臂传感控制器46和手腕传感控制器47佩戴于其相应位置的主要原因是，该两个位置在人手运动时能够产生最多的变化，因此两传感控制器能够记录最大量的运动数据并储存起来用于运动数据计算；腰带基点控制器48作为传感控制器的基点，因为人体腰部中心在人手运动时产生的位移偏差几乎为零，所以可以人体腰部作为基准参考点。

进一步地，手臂传感控制器46和手腕传感控制器47上分别设置有相应的电源开关；手臂传感控制器46和手腕传感控制器47上分别设置有用于感应所在控制器位置信息的位置传感器；当传感控制器上的电源开关打开时，传感控制器上相应的位置传感器感应相关的位置信息，以确定初始位置；位置传感器感应到的位置信息传送至腰带基点控制器48上。

进一步地，腰带基点控制器48上设置有用于打开或关闭通讯功能的通讯开关；信号接收器49上设置有用于储存位置信息的数据储存模块，数据储存模块分别与信号接收器49和动作控制芯片50沟通互联；当通讯开关闭合打开时，腰带基点控制器48将位置信息发送至数据储存模块上储存，信号接收器49远程接收同一网络下传感控制器（手臂传感控制器46和/或手腕传感控制器47）发送的位置信息并储存在数据储存模块上，数据储存模块上的位置信息发送至动作控制芯片50上，动作控制芯片50通过相关算法计算把位置信息转换成脉动信号，并将脉冲信号发送至相应的动力电机上，以完成相应的动作。

进一步地，控制系统工作时，处于同一频段网络下的传感控制器（手臂传感控制器46和/或手腕传感控制器47）、及信号接收器49会发送与接收位置信息。如图10所示，腰带基点控制器48会接收来自手臂传感控制器46的位置信息并以腰带基点控制器48为原点坐标计算其相对位置信息；同时腰带基点控制器48会接收来自手腕传感控制器47的位置信息并以腰带基点控制器48为原点坐标计算其相对位置信息，通过数据线把位置信息传送到腰带基点控制器48的发送模块上，腰带基点控制器48会通过有线、5G或WIFI等通讯方式把以腰带基点控制器48位坐标原点建立起来的位置信息发送到信号接收器49的数据存储模块上，由于手臂传感控制器46、手腕传感控制器47、腰带基点控制器48、信号接收器49持续工作给信号接收器49上的数据存储模块带来大量的微动作信息，信号接收器49通过数据线连接把位置信息发送到动作控制芯片50上，动作控制芯片50通过坐标的映射换算，把机械臂的位置信息转换为机械臂电机的脉冲信号，使机械臂相应地模仿人手动作，达到动作模拟的效果。

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 (10)

1.一种七轴仿生机械臂，其特征在于：包括六组或七组以上自由关节；所述自由关节依次连接；所述自由关节包括动力电机、编码器和支架；所述动力电机和编码器分别设置于相应的支架上，动力电机通过传动组件传动连接相应的编码器和支架；首组自由关节中的支架连接载体机器人（M）。

2.根据权利要求1所述七轴仿生机械臂，其特征在于：所述自由关节包括

一号自由关节（A1），包括一号动力电机（1）、一号谐波减速机（2）、一号编码器（3）和一号支架（4）；所述一号动力电机（1）和一号编码器（3）分别设置于一号支架（4）上，一号动力电机（1）的电机轴分别传动连接一号谐波减速机（2）和一号编码器（3）；所述一号支架（4）连接载体机器人（M）；

二号自由关节（A2），包括二号动力电机（9）、二号谐波减速机（13）、二号编码器（12）和二号支架（8）；所述二号动力电机（9）和二号编码器（12）分别设置于二号支架（8）上，二号动力电机（9）的电机轴分别传动连接二号编码器（12）和二号谐波减速机（13）；所述二号支架（8）与一号谐波减速机（2）连接。

3.根据权利要求2所述七轴仿生机械臂，其特征在于：所述自由关节还包括

三号自由关节（A3），包括三号动力电机（16）、三号编码器（18）、三号支架（15）；所述三号动力电机（16）和三号编码器（18）分别设置于三号支架（15）上，三号动力电机（16）的电机轴传动连接三号编码器（18）；所述三号支架（15）与二号谐波减速机（13）连接；

四号自由关节（A4），包括四号动力电机（23）、四号编码器（22）和四号支架（21）；所述四号动力电机（23）的电机轴传动连接四号支架（21）和四号编码器（22）；所述三号动力电机（16）传动连接四号支架（21）。

4.根据权利要求3所述七轴仿生机械臂，其特征在于：所述自由关节还包括

五号自由关节（A5），包括五号动力电机（27）、五号编码器（28）和五号支架（26）；所述四号动力电机（23）和四号编码器（22）分别设置于五号支架（26）上；所述五号动力电机（27）的电机轴分别传动连接五号支架（26）和五号编码器（28）；

六号自由关节（A6），包括六号动力电机（32）、六号编码器（33）和六号支架（31）；所述五号动力电机（27）、五号编码器（28）、六号动力电机（32）和六号编码器（33）分别设置于六号支架（31）上；所述六号动力电机（32）的电机轴与六号编码器（33）传动连接；

七号自由关节（A7），包括七号动力电机（37）、七号编码器（36）和七号支架（40）；所述六号动力电机（32）的电机轴传动连接七号支架（40）；所述七号动力电机（37）和七号编码器（36）分别设置于七号支架（40）上；所述七号动力电机（37）的电机轴与七号编码器（36）传动连接；所述七号动力电机（37）的电机轴传动连接有工装载体（A8）。

5.根据权利要求4所述七轴仿生机械臂，其特征在于：所述七轴仿生机械臂分为上臂部分、手肘部分、小臂部分和手腕部分；所述一号自由关节（A1）、二号自由关节（A2）和三号自由关节（A3）组成上臂部分；所述四号自由关节（A4）组成手肘部分；所述五号自由关节（A5）组成小臂部分；所述六号自由关节（A6）和七号自由关节（A7）组成手腕部分。

6.根据权利要求4所述七轴仿生机械臂，其特征在于：所述一号自由关节（A1）的活动范围为180°；所述二号自由关节（A2）的活动范围为360°；所述三号自由关节（A3）的活动范围为168°；所述四号自由关节（A4）的活动范围为132°；所述五号自由关节（A5）的活动范围为360°；所述六号自由关节（A6）的活动范围为180°；所述七号自由关节（A7）的活动范围为360°。

7.如权利要求1-6任一项所述七轴仿生机械臂的控制系统，其特征在于：包括人体佩戴装置和机械臂控制装置；所述人体佩戴装置包括手臂传感控制器（46）、手腕传感控制器（47）和腰带基点控制器（48），手臂传感控制器（46）和/或手腕传感控制器（47）通过有线或无线方式与腰带基点控制器（48）沟通互联；所述机械臂控制装置包括分别设置于载体机器人（M）上的信号接收器（49）和动作控制芯片（50），信号接收器（49）通过有线或无线方式与动作控制芯片（50）沟通互联；所述腰带基点控制器（48）通过有线或无线方式与动作控制芯片（50）沟通互联；所述动作控制芯片（50）控制一组以上自由关节完成相关动作。

8.根据权利要求7所述七轴仿生机械臂的控制系统，其特征在于：所述手臂传感控制器（46）和/或手腕传感控制器（47）上设置有电源开关；所述手臂传感控制器（46）和/或手腕传感控制器（47）上设置有用于感应所在控制器位置信息的位置传感器；所述位置传感器感应到的位置信息传送至腰带基点控制器（48）上。

9.根据权利要求8所述七轴仿生机械臂的控制系统，其特征在于：所述腰带基点控制器（48）上设置有用于打开或关闭通讯功能的通讯开关；所述信号接收器（49）上设置有用于储存位置信息的数据储存模块，数据储存模块分别与信号接收器（49）和动作控制芯片（50）沟通互联；所述腰带基点控制器（48）将位置信息发送至数据储存模块上储存，数据储存模块上的位置信息发送至动作控制芯片（50）上，动作控制芯片（50）把位置信息转换成脉动信号，并将脉冲信号发送至相应的动力电机上，以完成相应的动作。

10.根据权利要求8所述七轴仿生机械臂的控制系统，其特征在于：所述腰带基点控制器（48）通过有线、5G或WIFI与信号接收器（49）沟通互联。

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