CN215358447U - 多自由度手臂运动结构及其机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种多自由度手臂运动结构及其机器人，涉及机器人技术领域，该手臂运动结构包括大臂，大臂的上端连接有肩部，大臂的下端连接有肘部，肘部连接小臂，大臂上依次设有前后摆动伺服电机、侧向摆动伺服电机和大臂旋转伺服电机，肘部设有肘部旋转伺服电机以及与肘部旋转伺服电机驱动连接的肘部运动机构，小臂设有小臂旋转伺服电机。本实用新型的各个手臂运动的自由度是通过伺服电机实现的，代替了传统的舵机，提升了手臂运动的稳定性和运动流畅性。

Description

多自由度手臂运动结构及其机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种多自由度手臂运动结构及其机器人。

背景技术

从机器人诞生到现在，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。随着计算机技术、微电子技术、网络技术等快速的发展，机器人技术也得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于服务行业的先进机器人系统也有了长足的进展。控制系统性能的进一步提高，激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中的成功应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。基础技术和器件的发展为机器人的智能化、仿人和仿生发展创造了良好的条件。当前，机器人不仅应用于工业领域，也在逐步应用于与人们生活联系紧密的领域。服务机器人、助老助残机器人、教育机器人、娱乐机器人的发明、生产和应用将会给人类的生活带来便利和乐趣。

目前，在娱乐机器人中，通常包括头部、手臂和身体，头部可转动地装配于身体的顶部位置，手臂可转动地装配于身体的两侧，具体手臂通过肩部安装在身体的两侧，采用舵机驱动实现手臂运动的自由度，导致手臂运动结构的稳定性和运动流畅性较差。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的之一在于提供一种多自由度手臂运动结构，以解决现有技术中采用舵机实现手臂运动的自由度，导致手臂运动的稳定性和运动流畅性较差的技术问题。

本实用新型的目的之二在于提供一种含有上述多自由度手臂运动结构的机器人。

为了实现上述目的之一，本实用新型提供了一种多自由度手臂运动结构，包括大臂，所述大臂的上端连接有肩部，所述大臂的下端连接有肘部，所述肘部连接小臂，所述大臂上依次设有前后摆动伺服电机、侧向摆动伺服电机和大臂旋转伺服电机，所述肘部设有肘部旋转伺服电机以及与所述肘部旋转伺服电机驱动连接的肘部运动机构，所述小臂设有小臂旋转伺服电机。

根据一种优选实施方式，所述前后摆动伺服电机包括两个，且轴向布置。

根据一种优选实施方式，所述大臂旋转伺服电机安装于手臂外旋固定座内，所述肘部旋转伺服电机安装于肘部电机固定座内，所述手臂外旋固定座朝向所述肘部电机固定座的方向设有限位件。

根据一种优选实施方式，所述肘部运动机构包括竖向肘部旋转轴，所述竖向肘部旋转轴与所述肘部旋转伺服电机驱动连接，所述竖向肘部旋转轴的末端设有主动旋转肘部伞齿，所述主动旋转肘部伞齿末端啮合连接从动旋转肘部伞齿，所述从动旋转肘部伞齿套设于横向肘部旋转轴。

根据一种优选实施方式，所述竖向肘部旋转轴可转动地垂直贯穿肘部旋转轴支撑板，所述肘部旋转轴支撑板两侧设有肘部旋转轴支架，所述横向肘部旋转轴的末端安装于所述肘部旋转轴支架上。

根据一种优选实施方式，所述肩部设有用于控制肩部运动的肩部驱动机构，所述肩部驱动机构安装于所述前后摆动伺服电机的下方，且通过电机固定架与所述前后摆动伺服电机连接。

根据一种优选实施方式，所述肩部驱动机构包括耸肩舵机和曲柄摇杆机构，所述耸肩舵机与所述曲柄摇杆机构的主动端驱动连接，所述曲柄摇杆机构的从动端设有肩膀托板，所述电机固定架安装在所述肩膀托板上。

根据一种优选实施方式，所述肩膀托板的中间位置且朝向所述耸肩舵机的一侧设有弹性元件，所述弹性元件压缩时抵触于所述耸肩舵机的顶面。

根据一种优选实施方式，所述小臂连接手腕，所述手腕上设有腕部舵机。

为了实现上述目的之二，本实用新型提供了一种机器人，包括上述任一所述的多自由度手臂运动结构。

本实用新型提供的多自由度手臂运动结构，具有以下技术效果：

该种多自由度手臂运动结构，同传统的手臂运动结构相比，相同的是，都包括大臂，大臂的上端连接有肩部，大臂的下端连接有肘部，肘部连接小臂，同传统的手臂运动结构相比，不同的是，大臂上依次设有前后摆动伺服电机、侧向摆动伺服电机和大臂旋转伺服电机，肘部设有肘部旋转伺服电机与肘部旋转伺服电机驱动连接的肘部运动机构，小臂设有小臂旋转伺服电机，即本实用新型的各个手臂运动的自由度是通过伺服电机实现的，代替了传统的舵机，提升了手臂运动的稳定性和运动流畅性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型多自由度手臂运动结构的原理结构图；

图2是本实用新型一实施例的多自由度手臂运动结构的立体结构示意图；

图3是图2中多自由度手臂运动结构的另一角度立体结构示意图；

图4是图1中肩部驱动机构的立体结构示意图；

图5是图4中肩部驱动机构的另一角度立体结构示意图；

图6是图1中前后摆动伺服电机的安装示意图；

图7是图1中大臂旋转伺服电机和肘部旋转伺服电机安装示意图。

其中，图1-图7：

1、耸肩自由度；11、耸肩舵机；111、舵机舵盘；12、舵机曲柄；13、耸肩连杆；14、肩膀托板；15、弹簧；

2、大臂前后摆动自由度；21、前后摆动伺服电机；22、电机固定架；

3、大臂侧向摆动自由度；31、侧向摆动伺服电机；

4、大臂旋转自由度；41、大臂旋转伺服电机；42、手臂外旋固定座；421、限位螺钉；

5、肘部旋转自由度；51、肘部旋转伺服电机；52、肘部运动机构；521、竖向肘部旋转轴；522、主动旋转肘部伞齿；523、从动旋转肘部伞齿；524、横向肘部旋转轴；525、肘部旋转轴支撑板；526、肘部旋转轴支架；53、肘部电机固定座；

6、小臂旋转自由度；61、小臂旋转伺服电机；62、小臂旋转固定架；63、肘部旋转活动架；

7、手腕旋转自由度；71、腕部舵机；72、腕部舵机固定架。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

正如背景技术所述，现有技术中在娱乐机器人中，通常包括头部、手臂和身体，头部可转动地装配于身体的顶部位置，手臂可转动地装配于身体的两侧，具体手臂通过肩部安装在身体的两侧，采用舵机驱动实现手臂运动的自由度，导致手臂运动结构的稳定性和运动流畅性较差。

基于此，本实用新型提供了一种多自由度手臂运动结构，同传统的手臂运动结构相比，不同的是，大臂上依次设有前后摆动伺服电机、侧向摆动伺服电机和大臂旋转伺服电机，肘部设有肘部旋转伺服电机与肘部旋转伺服电机驱动连接的肘部运动机构，小臂设有小臂旋转伺服电机，即本实用新型的各个手臂运动的自由度是通过伺服电机实现的，代替了传统的舵机，提升了手臂运动的稳定性和运动流畅性。

如图1所示，本实用新型提供的多自由度手臂运动结构，优选为七自由度手臂运动结构，具体包括：耸肩自由度1、大臂前后摆动自由度2、大臂侧向摆动自由度3、大臂旋转自由度4、肘部旋转自由度5、小臂旋转自由度6和手腕旋转自由度7。

下面结合具体的附图2-7对本实用新型七自由度手臂运动结构的技术方案进行详细的说明。

如图2-7所示，七自由度手臂运动结构包括大臂，大臂的上端连接有肩部，大臂的下端连接有肘部，肘部连接小臂。

具体的，为了实现对各个部位的驱动，大臂上依次设有前后摆动伺服电机21、侧向摆动伺服电机31和大臂旋转伺服电机41，分别实现大臂前后摆动自由度2、大臂侧向摆动自由度3和大臂旋转自由度4。

肘部设有肘部旋转伺服电机51以及与肘部旋转伺服电机51驱动连接的肘部运动机构52，实现肘部旋转自由度5。

小臂设有小臂旋转伺服电机61，小臂旋转伺服电机61通过小臂旋转固定架62固定，实现小臂旋转自由度6。

肩部设有肩部驱动机构，肩部驱动机构用于控制肩部运动，即实现耸肩自由度1，肩部驱动机构安装于前后摆动伺服电机21的下方，并且通过电机固定架22与前后摆动伺服电机21连接。

小臂连接手腕，手腕上设有腕部舵机71，腕部舵机71通过腕部舵机固定架72安装，以实现手腕旋转自由度7。

如图2和图3所示，参照人体运动学规律，人体手臂前后摆动的幅度与速度都会大于手臂侧向摆动，出于空间限制考虑，肩部前后摆动使用低转速大扭矩的伺服电机，使用两款相同的伺服电机轴向布置，在扭矩不变的前提下，速度提升一倍，满足肩部速度与扭矩的需求。

如图2、图3和图7所示，大臂旋转伺服电机41安装于手臂外旋固定座42内，肘部旋转伺服电机51安装于肘部电机固定座53内，手臂外旋固定座42朝向肘部电机固定座53的方向设有限位件。

其中，限位件优选为限位螺钉421，螺钉帽的高度高于肘部电机固定座53上顶面的厚度，因此在肘部电机固定座53旋转到一定的角度时，肘部电机固定座53上顶面会撞到限位螺钉421，从而实现机构限位，避免肘部旋转伺服电机51过度旋转，造成结构损坏，起到保护结构的作用。

如图2和图3所示，肘部运动机构52包括竖向肘部旋转轴521，竖向肘部旋转轴521与肘部旋转伺服电机51驱动连接，竖向肘部旋转轴521的末端设有主动旋转肘部伞齿522，主动旋转肘部伞齿522末端啮合连接从动旋转肘部伞齿523，从动旋转肘部伞齿523套设于横向肘部旋转轴524。

为了限制竖向肘部旋转轴521的运动空间，竖向肘部旋转轴521可转动地垂直贯穿肘部旋转轴支撑板525，肘部旋转轴支撑板525两侧设有肘部旋转轴支架526，横向肘部旋转轴524的末端安装于肘部旋转轴支架526上，通过肘部旋转轴支架526达到固定竖向肘部旋转轴521和横向肘部旋转轴524的目的。

具体过程为：本实用新型的肘部旋转伺服电机51启动，带动竖向肘部旋转轴521上下运动和旋转运动，当运动到下方某一位置时，由于竖向肘部旋转轴521末端的主动旋转肘部伞齿522与横向肘部旋转轴524上的从动旋转肘部伞齿523套啮合连接，故竖向肘部旋转轴521转动，带动横向肘部旋转轴524随之旋转，横向肘部旋转轴524上安装肘部旋转活动架63，肘部旋转活动架63固定安装于小臂旋转固定架62上，从而实现肘部旋转自由度5。

如图2-5所示，肩部设有肩部驱动机构，肩部驱动机构用于控制肩部运动，具体控制肩部的耸肩运动，肩部驱动机构安装于前后摆动伺服电机21的下方，且通过电机固定架22与前后摆动伺服电机21连接。

进一步的，如图4和图5所示，肩部驱动机构包括耸肩舵机11和曲柄摇杆机构，耸肩舵机11与曲柄摇杆机构的主动端驱动连接，曲柄摇杆机构的从动端设有肩膀托板14，电机固定架22安装在肩膀托板14上。

耸肩运动机构使用曲柄摇杆机构，而曲柄摇杆机构包括舵机曲柄12和耸肩连杆13，舵机曲柄12与舵机舵盘111固定，耸肩连杆13的主动端通过轴承安装在舵机曲柄12上，耸肩连杆13的从动端通过轴承安装在肩膀托板14的下方，与肩膀托板14转轴连接，耸肩舵机11旋转，带动舵机舵盘111自转，随之舵机曲柄12公转，肩膀托板14的一端上下运动，从而实现耸肩及溜肩运动。

如图4和图5所示，由于耸肩连杆13支撑只支撑了一边，在肩膀托板14中间布置弹性元件，弹性元件优选为弹簧15，弹簧15起到支撑肩膀托板14作用，防止单边支撑造成结构卡死；同时，通过使用弹簧15支撑肩膀托板14，使肩膀托板14的受力平衡位置位于肩膀运动的中间位置，从而肩膀舵机向上推肩膀托板14，或者向下拉肩膀托板14的力都会变小，从而使肩膀舵机的受力变到最小，充分发挥舵机性能；

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多自由度手臂运动结构，包括大臂，所述大臂的上端连接有肩部，所述大臂的下端连接有肘部，所述肘部连接小臂，其特征在于，所述大臂上依次设有前后摆动伺服电机、侧向摆动伺服电机和大臂旋转伺服电机，所述肘部设有肘部旋转伺服电机以及与所述肘部旋转伺服电机驱动连接的肘部运动机构，所述小臂设有小臂旋转伺服电机。

2.根据权利要求1所述的多自由度手臂运动结构，其特征在于，所述前后摆动伺服电机包括两个，且轴向布置。

3.根据权利要求1所述的多自由度手臂运动结构，其特征在于，所述大臂旋转伺服电机安装于手臂外旋固定座内，所述肘部旋转伺服电机安装于肘部电机固定座内，所述手臂外旋固定座朝向所述肘部电机固定座的方向设有限位件。

4.根据权利要求1所述的多自由度手臂运动结构，其特征在于，所述肘部运动机构包括竖向肘部旋转轴，所述竖向肘部旋转轴与所述肘部旋转伺服电机驱动连接，所述竖向肘部旋转轴的末端设有主动旋转肘部伞齿，所述主动旋转肘部伞齿末端啮合连接从动旋转肘部伞齿，所述从动旋转肘部伞齿套设于横向肘部旋转轴。

5.根据权利要求4所述的多自由度手臂运动结构，其特征在于，所述竖向肘部旋转轴可转动地垂直贯穿肘部旋转轴支撑板，所述肘部旋转轴支撑板两侧设有肘部旋转轴支架，所述横向肘部旋转轴的末端安装于所述肘部旋转轴支架上。

6.根据权利要求1-5任一所述的多自由度手臂运动结构，其特征在于，所述肩部设有用于控制肩部运动的肩部驱动机构，所述肩部驱动机构安装于所述前后摆动伺服电机的下方，且通过电机固定架与所述前后摆动伺服电机连接。

7.根据权利要求6所述的多自由度手臂运动结构，其特征在于，所述肩部驱动机构包括耸肩舵机和曲柄摇杆机构，所述耸肩舵机与所述曲柄摇杆机构的主动端驱动连接，所述曲柄摇杆机构的从动端设有肩膀托板，所述电机固定架安装在所述肩膀托板上。

8.根据权利要求7所述的多自由度手臂运动结构，其特征在于，所述肩膀托板的中间位置且朝向所述耸肩舵机的一侧设有弹性元件，所述弹性元件压缩时抵触于所述耸肩舵机的顶面。

9.根据权利要求1-5任一所述的多自由度手臂运动结构，其特征在于，所述小臂连接手腕，所述手腕上设有腕部舵机。

10.一种机器人，其特征在于，包括权利要求1-9任一所述的多自由度手臂运动结构。

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