CN212919457U - 一种机械臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种机械臂，包括：机械臂，腕关节，小臂，大臂及肩肘关节，所述机械臂为柔性机械臂，并通过腕关节安装在小臂的前端，可以随腕关节完成三自由度的转动，所述小臂与大臂之间通过肩肘关节进行连接，所述小臂采用可伸缩套筒结构，所述肩肘关节包括内部的双斜面关节机构和外部的保护骨骼。本实用新型提供的机械臂空间适应性好，抓取牢固，结构简单，控制精度高，负载大，稳定性好，具有广泛的应用前景。

Description

一种机械臂

技术领域

本实用新型属于机器人领域，具体涉及一种机械臂。

背景技术

机械臂，顾名思义是一种能够代替人手去执行一系列操作的器械，主要由手部和进行运动的机构组成。在一定程度上，它能够以固定的程序去抓取、搬运物件替代人繁重的劳动，并且还能在对人体有害的环境下利用以保护人身的安全，主要应用于机械制造、冶金、轻工业等工业部门。

现阶段的机械臂大多目标单一，一般只针对一两种作业任务。再次，机械臂的柔性化越高，在工作过程中对目标造成的损坏就越小。因此，传统刚性机械臂已经限制了自身应用场合，同时也使相对制造成本增加。传统的机械臂大多由金属材料制作而成，与被抓持物体之间一般是刚性接触，缺乏必要的柔顺性，人机交互是不安全的，在很大程度上限制了其通用性和灵活性。同时，传统机械臂大量的机械连接处需要使用润滑油，成为其无给油化发展方向的重要技术鸿沟。

而与刚性机械臂相对，随着现代社会的发展，3D打印技术和新型智能材料发展成熟，软体机械臂作为热门领域迅猛发展。在生产成本方面，如果采用通用性的机械臂就可以实现一手多用，将机械臂搭载到不同的平台可以实现不同种类的作业。并且因为其抓取可靠，控制简单，环境适应性好，自适应性强，能够实现可靠快速精确的抓取等特点，成为了理想的新型机械臂发展方向。另外也值得一提的是，由于柔性结构带来的无需大量单个零件打印组装、操作简单等优点，使之满足了欠驱动发展方向。欠驱动仿生机械臂的设计主要在于仿生与欠驱动两方面，在具备人类手掌的灵活性的同时减少驱动电机的数量.从而减轻机械臂的重量.使控制更加简单。

因此，设计一款多样性，通用性强，稳定性高，柔性化优的机械臂具有重大的意义。而近年来出现的柔性机械臂，在机械臂的弯曲度大小，与目标物体贴合度，机械臂运行稳定性及耐久度，最大负载能力和关节连接处的强度，以及欠驱动的发展方面均存在或多或少的不足之处。

实用新型内容

为了至少解决上述技术问题之一，本实用新型提供一种机械臂，其机械臂的内、外壁采用不同的材料，结合纯柔性材料以及机械构造的优势，即在拥有对目标物体有良好的包裹性的同时，它还将具有十分牢固的抓取性质，且机械臂空间适应性好，结构简单，控制精度高，负载大，稳定性好。

为了至少实现上述目的之一，本实用新型采用的技术方案为：

本实用新型提供一种机械臂，包括：机械臂，腕关节，小臂，大臂及肩肘关节，所述机械臂为柔性机械臂，并通过腕关节安装在小臂的前端，可以随腕关节完成三自由度的转动，所述小臂与大臂之间通过肩肘关节进行连接，所述小臂采用可伸缩套筒结构，所述肩肘关节包括内部的双斜面关节机构和外部的保护骨骼。

进一步地，所述机械臂包括内爪、外爪、手掌及机械臂驱动装置，所述内爪包括内壁和连接横梁，所述内壁和连接横梁为一体化结构，所述内爪与外爪通过销进行连接，所述内爪采用较软的柔性材料，所述外爪由多个具有一定弧度的连接片组成，所述外爪采用较硬的柔性材料。

进一步地，所述手掌包括上板和下板，所述上板和下板为正六边形，所述内爪、外爪连接在手掌上，所述机械臂驱动装置的伸缩轴连接上板和下板，以改变上板和下板之间的距离，所述机械臂的下板固定连接在所述腕关节上。

进一步地，所述腕关节包括球关节、关节槽、螺杆机构及Z轴转动机构，所述球关节滑动设置在关节槽中，所述螺杆机构包括螺杆和螺杆驱动组件，所述螺杆均布转动连接在球关节的四周，且下端贯穿关节槽边沿上的通孔伸入到关节槽的下部，所述螺杆驱动组件驱动螺杆进行上下移动，所述Z轴转动机构驱动关节槽进行转动。

进一步地，所述小臂包括多节套筒及套筒驱动机构，所述套筒为中空结构，所述各节套筒之间设置有轴向的限位装置，套筒驱动机构包括驱动电机、滚轮、从动轮及绳索，所述套筒驱动机构封装在最下层套筒中驱动多节套筒进行伸缩。

进一步地，所述双斜面关节机构包括接触面、斜面连杆、马达、马达基座、万向联轴器和轴承，所述马达通过斜面连杆致动所述接触面，两个所述接触面为圆形且分别抵触在轴承的两侧围绕一个轴承转动，两个所述马达分别固定安装在马达基座上，所述轴承通过万向联轴器与所述两个马达基座连接，通过两个马达的转动带来双斜面关节的相对运动，从而改变角度。

进一步地，所述机械臂驱动装置包括气泵腔体和微型气泵，所述微型气泵的输出端连接有伸缩轴，所述伸缩轴连接机械臂的上板和下板，所述下板平行固定安装在球关节上表面的顶盖上，所述球关节为中空结构，所述机械臂驱动装置固定安装在球关节中。

进一步地，所述腕关节还包括封装盖，所述关节槽通过轴承盘转动安装于封装盖中，所述腕关节通过封装盖固定安装在小臂的最上层套筒上，所述Z轴转动机构包括蜗轮蜗杆组件和Z轴驱动组件，所述Z轴驱动组件固定安装在最上层的套筒中，以驱动蜗轮蜗杆组件致动腕关节实现Z轴转动。

进一步地，所述Z轴驱动组件包括电机，主动链轮，从动链轮，传动链，所述电机驱动主动链轮，所述主动链轮通过传动链带动从动链轮转动，所述从动链轮与蜗杆固定连接以致动蜗杆转动。

进一步地，所述小臂与大臂之间通过双斜面关节机构进行连接，所述双斜面关节机构的两个马达基座分别固定安装在小臂和大臂的端面上，在马达基座的外侧还设置有保护骨骼，两个所述保护骨骼通过万向联轴器一进行连接。

本实用新型提供的机械臂与现有技术相比，有益效果在于：本实用新型提供的机械臂通过套筒绳索结构设计的大臂、小臂能够对空间有更好的适应性，并能够根据实际需要设置伸缩臂的数量，机械臂通过球关节作为腕关节实现了空间中最大角度的转动，同时，机械臂的内、外壁采用不同的材料，结合纯柔性材料以及机械构造的优势，即在拥有对目标物体有良好的包裹性的同时，它还将具有十分牢固的抓取性质，同时肩肘关节的设计两个马达驱动，可使大臂、小臂的转动具有两个自由度，很好地控制了大臂、小臂的转动范围。本实用新型提供的机械臂较以往设计结构优化，适应性强，转动灵活，控制精度高，负载大，稳定性好，其具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型机械臂的结构示意图；

图2是本实用新型中机械臂和腕关节的结构示意图；

图3是本实用新型中腕关节的结构示意图；

图4是本实用新型中腕关节另一视角的结构示意图；

图5是本实用新型中小臂的结构示意图；

图6是本实用新型中肩肘关节的结构示意图；

图7是本实用新型中双斜面关节机构的结构示意图；

图8是本实用新型中接触面、斜面连杆、马达的结构示意图；

其中，附图标记说明如下：

1机械臂，2腕关节，3小臂，4大臂，5肩肘关节，6内爪，7外爪，8手掌，8-1上板，8-2下板，9球关节，10关节槽，11螺杆机构，11-1螺杆，11-2螺杆驱动组件，12封装盖，13蜗轮蜗杆组件，14Z轴驱动组件，14-1主动链轮，14-2从动链轮，14-3传动链，15套筒，16套筒驱动机构，17双斜面关节机构，17-1接触面，17-2斜面连杆，17-3马达，17-4马达基座，17-5万向联轴器，18保护骨骼。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。请注意，下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以下，将通过具体实施例对本实用新型提供的机械臂作详细说明：

如图1-8所示，本实用新型提供的机械臂，包括柔性机械臂1，腕关节2，小臂3，大臂4及肩肘关节5等，所述机械臂1通过腕关节2安装在小臂3的前端，可以随腕关节2完成三自由度的转动，所述小臂3与大臂4之间通过肩肘关节5进行连接，所述小臂3采用可伸缩套筒15结构。

根据本实用新型所述的机械臂1，包括内爪6、外爪7、手掌8及机械臂1驱动装置，所述内爪6包括内壁和连接横梁，所述内壁和连接横梁为一体化结构，所述连接横梁采用中央略凸起的板状结构，该结构的设计能够最大化维持结构稳定性，同时也能使外爪7更好的在内壁压力下发生相应形变；所述内爪6与外爪7通过销进行连接，所述内爪6采用较软的柔性材料，优选采用硅胶材料；所述外爪7由多个具有一定弧度的连接片组成，所述外爪7采用较硬的柔性材料，优选选用柔性TPU材料，所述外爪7的结构和材料选择能够起到增强抓取稳固性的作用，实现防止手指的外翻，以及进一步提升最大抓取质量。

所述手掌8包括上板8-1和下板8-2，所述上板8-1和下板8-2为正六边形，所述上板8-1的边长小于下板8-2的边长，所述内爪6、外爪7连接在所述上板8-1、下板8-2上，所述机械臂1驱动装置的伸缩轴连接上板8-1和下板8-2，以改变上板8-1和下板8-2之间的距离，实现机械爪的抓取动作，所述内壁上设置有防滑条结构，该结构能够增大抓取的牢固性，所述机械臂1驱动装置包括气泵腔体和微型气泵，所述微型气泵的输出端连接有伸缩轴，所述伸缩轴连接机械臂1的上板8-1和下板8-2，所述下板8-2平行固定安装在球关节9上表面的顶盖上，保证了机械臂1的手掌8随腕关节2转动，所述球关节9为中空结构，所述机械臂1驱动装置固定安装在球关节9中。

根据本实用新型所述的腕关节2，包括球关节9、关节槽10、螺杆11-1机构11，Z轴转动机构及封装盖12，所述球关节9滑动设置在关节槽10中，所述球关节9设置为中空结构，且上表面为平面并固定安装有顶盖，所述螺杆11-1机构11包括三根或四根螺杆11-1和螺杆驱动组件11-2，螺杆11-1优选为四根，所述四根螺杆11-1通过万向联轴器17-5均布在球关节9的四周，且下端贯穿关节槽10边沿上的通孔伸入到关节槽10的下部，所述螺杆驱动组件11-2固定在关节槽10的底部并驱动螺杆11-1进行上下移动，所述Z轴转动机构驱动关节槽10进行转动，所述关节槽10通过轴承盘转动安装于封装盖12中。所述Z轴转动机构包括蜗轮蜗杆组件13和Z轴驱动组件14，所述Z轴驱动组件14包括电机，主动链轮14-1，从动链轮14-2，传动链14-3，所述电机驱动主动链轮14-1，所述主动链轮14-1通过传动链14-3带动从动链轮14-2转动，所述从动链轮14-2与蜗杆固定连接以致动蜗杆转动，所述Z轴驱动组件14固定安装在最上层的套筒15中，以驱动蜗轮蜗杆组件13致动腕关节2实现Z轴转动。

根据本实用新型所述的小臂3，包括多节套筒15及套筒驱动机构16，所述套筒15为中空结构，所述各节套筒15之间设置有轴向的限位装置，所述限位装置的设计可以大大保证防扭矩的效果。所述套筒驱动机构16包括驱动电机、滚轮、从动轮及绳索，所述套筒驱动机构16封装在最下层套筒15中驱动多节套筒15进行伸缩。在套筒15相接部处设置封闭气室和出气孔，上述设计能够使套筒15在伸长末端利用气动原理实现缓冲效果。

根据本实用新型所述的大臂4，其可以采用与小臂3结构相似的结构，并根据需要设置大臂4的数量及套筒15的节数，以及关节转动角度，以适应不同环境对机械臂的需求。

根据本实用新型所述的肩肘关节5，包括设置在内部的双斜面关节机构17和用于外侧保护的保护骨骼18，所述双斜面关节机构17包括两个相对设置圆形的接触面17-1、斜面连杆17-2、马达17-3、马达基座17-4，所述马达17-3通过斜面连杆17-2致动所述接触面17-1，两个圆形接触面17-1分别抵触在轴承的两侧并围绕轴承进行转动，所受两个马达17-3分别固定安装在马达基座17-4上，所述轴承通过万向联轴器17-5与所述两个马达基座17-4连接，通过两个马达17-3的转动带来双斜面关节的相对运动，从而改变角度。所述保护骨骼18设置在双斜面关节机构17的外侧，所述外部的保护骨骼18同样通过万向联轴器一连接，保证了能随内部的双斜面关节机构17转动，同时起到固定、保护的作用。

在这里，值得一提的是通过重新设计接触面，使两个接触面都为圆形且都围绕一个轴承转动，可以完美的解决双斜面设计难以解决的接触面转动后产生棱角的问题。而马达基座和万向联轴器的使用，带来了双斜面的转动完美的控制在了双斜面关节核心之内，而不会带来整个大臂机构的转动。设置两个马达引入了两部驱动器，使该关节具有两重自由度，即X、Y轴方向上的绕动。而并不会存在如只有一个马达时仅存在一个自由度的问题。

根据本实用新型所述的机械臂的安装结构为：

大臂采用伸缩套筒结构，通过肩肘关节与终端连接，根据实际需要设置两个大臂，每个大臂设计两节套筒结构，在两个大臂之间通过肩肘关节进行连接，大臂的前端通过肩肘关节连接小臂，所述小臂设置为三节套筒结构，所述大臂、小臂的套筒驱动装置均设置在最下层套筒的底板上；腕关节是通过封装盖与小臂的最上层套筒进行固定安装，而腕关节中的Z轴转动机构均被封装在小臂的最上层套筒中，在小臂的最上层套筒中设置有安装架等安装机构用于固定Z轴驱动组件；在腕关节上安装机械臂，用于驱动机械臂的气泵腔体和微型气泵，固定安装在球关节的中空结构中，所述微型气泵的输出端连接有伸缩轴，所述伸缩轴连接机械臂的上板和下板，所述下板平行固定安装在球关节上表面的顶盖上侧，伸缩轴通过改变上板与下板的距离，致动机械臂完成抓握动作，机械臂可以根据需要设置三爪或两爪。

本实用新型提供的机械臂与现有技术相比，有益效果在于：本实用新型提供机械臂通过套筒绳索结构设计的大臂、小臂能够对空间有更好的适应性，并能够根据实际需要设置伸缩臂的数量，机械臂通过球关节作为腕关节实现了空间中最大角度的转动，同时，机械臂的内、外壁采用不同的材料，结合纯柔性材料以及机械构造的优势，即在拥有对目标物体有良好的包裹性的同时，它还将具有十分牢固的抓取性质；同时肩肘关节的设计两个马达驱动，可使大臂、小臂的转动具有两个自由度，很好地控制了大臂、小臂的转动范围。本实用新型提供的机械臂较以往设计结构优化，适应性强，转动灵活，控制精度高，负载大，稳定性好，其具有广泛的应用前景。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

Claims (10)

1.一种机械臂，包括：机械臂，腕关节，小臂，大臂及肩肘关节，其特征在于，所述机械臂为柔性机械臂，并通过腕关节安装在小臂的前端，可以随腕关节完成三自由度的转动，所述小臂与大臂之间通过肩肘关节进行连接，所述小臂采用可伸缩套筒结构，所述肩肘关节包括内部的双斜面关节机构和外部的保护骨骼。

2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂包括内爪、外爪、手掌及机械臂驱动装置，所述内爪包括内壁和连接横梁，所述内壁和连接横梁为一体化结构，所述内爪与外爪通过销进行连接，所述内爪采用较软的柔性材料，所述外爪由多个具有一定弧度的连接片组成，所述外爪采用较硬的柔性材料。

3.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述手掌包括上板和下板，所述上板和下板为正六边形，所述内爪、外爪连接在手掌上，所述机械臂驱动装置的伸缩轴连接上板和下板，以改变上板和下板之间的距离，所述机械臂的下板固定连接在所述腕关节上。

4.根据权利要求3所述的机械臂，其特征在于，所述腕关节包括球关节、关节槽、螺杆机构及Z轴转动机构，所述球关节滑动设置在关节槽中，所述螺杆机构包括螺杆和螺杆驱动组件，所述螺杆均布转动连接在球关节的四周，且下端贯穿关节槽边沿上的通孔伸入到关节槽的下部，所述螺杆驱动组件驱动螺杆进行上下移动，所述Z轴转动机构驱动关节槽进行转动。

5.根据权利要求4所述的机械臂，其特征在于，所述小臂包括多节套筒及套筒驱动机构，所述套筒为中空结构，所述各节套筒之间设置有轴向的限位装置，套筒驱动机构包括驱动电机、滚轮、从动轮及绳索，所述套筒驱动机构封装在最下层套筒中驱动多节套筒进行伸缩。

6.根据权利要求5所述的机械臂，其特征在于，所述双斜面关节机构包括接触面、斜面连杆、马达、马达基座、万向联轴器和轴承，所述马达通过斜面连杆致动所述接触面，两个所述接触面为圆形且分别抵触在轴承的两侧围绕一个轴承转动，两个所述马达分别固定安装在马达基座上，所述轴承通过万向联轴器与所述两个马达基座连接，通过两个马达的转动带来双斜面关节的相对运动，从而改变角度。

7.根据权利要求6所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂驱动装置包括气泵腔体和微型气泵，所述微型气泵的输出端连接有伸缩轴，所述伸缩轴连接机械臂的上板和下板，所述下板平行固定安装在球关节上表面的顶盖上，所述球关节为中空结构，所述机械臂驱动装置固定安装在球关节中。

8.根据权利要求7所述的机械臂，其特征在于，所述腕关节还包括封装盖，所述关节槽通过轴承盘转动安装于封装盖中，所述腕关节通过封装盖固定安装在小臂的最上层套筒上，所述Z轴转动机构包括蜗轮蜗杆组件和Z轴驱动组件，所述Z轴驱动组件固定安装在最上层的套筒中，以驱动蜗轮蜗杆组件致动腕关节实现Z轴转动。

9.根据权利要求8所述的机械臂，其特征在于，所述Z轴驱动组件包括电机，主动链轮，从动链轮，传动链，所述电机驱动主动链轮，所述主动链轮通过传动链带动从动链轮转动，所述从动链轮与蜗杆固定连接以致动蜗杆转动。

10.根据权利要求9所述的机械臂，其特征在于，所述小臂与大臂之间通过双斜面关节机构进行连接，所述双斜面关节机构的两个马达基座分别固定安装在小臂和大臂的端面上，在马达基座的外侧还设置有保护骨骼，两个所述保护骨骼通过万向联轴器一进行连接。

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