CN108772829A - 七自由度机械臂 - Google Patents

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张亮
王东升
李树珍
李俊
陈立东
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Abstract

本发明公开了一种七自由度机械臂，包括：旋转基座、大臂驱动组件、肘臂驱动组件、小臂驱动组件、腕部驱动组件，大臂驱动组件、肘臂驱动组件连接、小臂驱动组件、腕部驱动组件依次连接，大臂驱动组件设置在旋转基座上，所述大臂驱动组件包括直线滑台组件、第一滑动结构、第二滑动结构、第一大臂、第二大臂、大臂连接板，肘臂驱动组件包括肘臂驱动装置和肘臂，小臂驱动组件包括小臂驱动装置和小臂，腕部驱动组件包括腕部驱动装置、腕部执行装置。本发明提供的七自由度机械臂，采用混联的连接方式，实现多种自由度运动，具有结构简单、承载能力强、重构性强、通用性强、操作灵活、平衡性强、作业空间大、便于调整维护的特点。

Description

七自由度机械臂
技术领域
本发明涉及机械臂技术领域，特别是涉及一种七自由度机械臂。
背景技术
现代科技发展迅猛，各行各业机械化、自动化以及智能化的要求越来越高，机器人技术必将成为现代科学技术发展的核心趋势，在农业、物流运输、汽车制造等行业中发挥突出作用。为了提高农业生产率，解放人的工作强度，改善工作环境，国内外研发与设计了各种各样的机械臂，并一次次的研发与突破，用于不同的行业，不同的作业对象。就目前情况分析，实际应用中的机械手臂还存在诸多问题：(1)通用性差，单一性强，不能达到一机多能的使用目的，从而操作对象非常局限；(2)结构复杂，不易拆分重组，不易于升级扩展与维护维修；(3)机构笨重、不灵活、成本高，实用性不强，很难进行商业化推广；(4)机器臂普遍串联，自由度少，承载力、稳定性、平衡感和灵活度等方面存在不足，不能完成在各个不同的环境中工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种七自由度机械臂，采用混联的连接方式，能够实现多种自由度运动，具有结构稳定、承载能力强、重构性强、通用性强、操作灵活、平衡性强、作业空间范围大、便于调整维护的特点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种七自由度机械臂，该机械臂包括：旋转基座、大臂驱动组件、肘臂驱动组件、小臂驱动组件、腕部驱动组件，所述大臂驱动组件、肘臂驱动组件、小臂驱动组件、腕部驱动组件依次连接，所述大臂驱动组件设置在所述旋转基座上；
所述大臂驱动组件包括直线滑台组件、第一滑动结构、第二滑动结构、第一大臂、第二大臂、大臂连接板，所述直线滑台组件垂直设置在所述旋转基座上，所述第一大臂和第二大臂分别设置于所述直线滑台组件的两侧；
所述直线滑台组件包括对称设置的第一直线滑台和第二直线滑台，所述第一大臂包括一端铰接连接的第一大臂连杆和第一大臂推杆，所述第二大臂包括一端铰接连接的第二大臂连杆和第二大臂推杆，所述第一滑动结构设置在所述第一直线滑台上，所述第二滑动结构设置在所述第二直线滑台上，所述第一大臂推杆和所述第二大臂推杆的另一端分别铰接在所述第二滑动结构的两端，所述第一大臂连杆和所述第二大臂连杆的一端还分别铰接在所述第一滑动结构的两端，所述第一大臂连杆和第二大臂连杆另一端固定连接在大臂连接板上，所述第一直线滑台和第二直线滑台同步或单独工作，以带动所述第一大臂和/或第二大臂运动；
所述肘臂驱动组件包括肘臂驱动装置和肘臂，所述肘臂驱动装置固定连接在所述大臂连接板上，所述肘臂驱动装置与所述肘臂可转动连接；
所述小臂驱动组件包括小臂驱动装置和小臂，所述小臂驱动装置固定连接在所述肘臂上，所述小臂驱动装置驱动所述小臂伸缩移动；
所述腕部驱动组件包括第一腕部驱动装置、第二腕部驱动装置和腕部执行装置，所述第一腕部驱动装置与所述小臂固定连接，所述第一腕部驱动装置驱动所述第二腕部驱动装置旋转，所述第二腕部驱动装置驱动所述腕部执行装置旋转。
可选的，所述第一腕部驱动装置、第二腕部驱动装置、肘臂驱动装置均包括伺服电机和减速器。
可选的，所述第一腕部驱动装置的减速器驱动连接位于所述第二腕部驱动装置上的腕部固定件以驱动所述第二腕部驱动装置旋转。
可选的，所述小臂驱动装置包括小臂伺服电机、小臂滑块、小臂直线滑台，所述小臂直线滑台与所述肘臂固定连接，所述小臂通过小臂滑块与所述小臂直线滑台连接，所述小臂伺服电机驱动所述小臂直线滑台运动，所述小臂通过所述小臂滑块沿小臂直线滑台做伸缩移动。
可选的，所述小臂直线滑台为同步带直线滑台或滚珠丝杠直线滑台。
可选的，所述大臂驱动组件还包括两个大臂伺服电机，两个所述大臂伺服电机设置在所述直线滑台组件底端，分别驱动所述的第一直线滑台和第二直线滑台运动。
可选的，所述第一直线滑台和第二直线滑台为同步带直线滑台或滚珠丝杠直线滑台。
可选的，所述直线滑台组件还包括底部固定件、支撑固定架、顶部固定件，均用于固定所述直线滑台组件，所述底部固定件设置在所述第一直线滑台、第二直线滑台底端，所述支撑固定架设置在所述第一直线滑台和所述第二直线滑台之间，所述第一直线滑台和所述第二直线滑台通过所述支撑固定架背对固定连接，所述顶部固定件设置在所述第一直线滑台和第二直线滑台顶端。
可选的，所述旋转基座包括支架、基座伺服电机、基座减速器、旋转平台，所述基座伺服电机、基座减速器固定设置在所述支架上，所述基座减速器设置在所述基座伺服电机上，所述旋转平台设置在所述基座减速器上，所述大臂驱动组件设置在所述旋转平台上。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：第一，本发明提供的七自由度机械臂，采用混联方式进行旋转基座、大臂驱动组件、肘臂驱动组件、小臂驱动组件、腕部驱动组件的连接和结构设计，创造了七自由度混联关节型机械臂，各关节设计科学，具有结构简单、连接稳固的特点；第二，设置两个承载单元去承载机械臂部分重量和抓取的物体重力，其中，第一大臂推杆和第一大臂连杆构成一承载单元，第二大臂推杆和第二大臂连杆构成了另一承载单元，两个承载单元同时承载机械臂部分重量和负载，大大增加了机械臂的承载力；第三，通过第一大臂和第二大臂的联和设置和配合运动，能够带动肘臂、小臂、腕部等机构上下移动，同时还可以实现大臂竖直方向上的旋转运动，小臂可前后伸缩运动，腕部通过两组驱动组件可实现两种自由度的控制，因此，该机械手臂整体灵活性很强，可根据不同的行业对象对装备的移动距离和伸展长度进行调试，因此作业空间范围大；第四，腕部的末端执行器可以根据操作对象的不同进行替换，该机械臂重构性强、通用性强，便于调整维护；第五，该机械臂采用重量较大的基座伺服电机、第一大臂伺服电机和第二大臂伺服电机，且均设置于机械臂的下部，其中第一大臂伺服电机和第二大臂伺服电机分别位于左右两侧相对固定，且采用质量较小的腕部伺服电机、肘部伺服电机和小臂伺服电机，使得整个机械臂的重心较低、平衡感强、惯性小，整体结构稳定，进而提高控制精度，确保运行安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例七自由度机械臂结构示意图。
附图标记说明：1、支架；2、基座伺服电机；3、基座减速器；4、第二大臂伺服电机；5、旋转平台；6、底部固定件；7、第一大臂伺服电机；8、第一大臂推杆；9、第二滑块连接件；10、第二滑块；11、支撑固定架；12、第二大臂推杆；13、第二大臂连杆；14、第一大臂连杆；15、第一滑块连接件；16、第一滑块；17、第一直线滑台；18、顶部固定件；19、第二直线滑台；20、肘部伺服电机；21、大臂连接板；22、肘部减速器；23、肘臂；24、小臂直线滑台固定件；25、小臂伺服电机；26、小臂滑块；27、小臂；28、小臂直线滑台； 29、腕部第一伺服电机；30、腕部执行装置；31、腕部第一减速器；32、腕部第二伺服电机；33、腕部固定件；34、腕部第二减速器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种七自由度机械臂，采用混联的连接方式，能够实现多种自由度运动，具有结构稳定、承载能力强、重构性强、通用性强、操作灵活、平衡性强、作业空间范围大、便于调整维护的特点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例七自由度机械臂结构示意图，如图1所示，本发明实施例七自由度机械臂，包括：旋转基座、大臂驱动组件、肘臂驱动组件、小臂驱动组件、腕部驱动组件，所述大臂驱动组件、肘臂驱动组件、小臂驱动组件、腕部驱动组件依次连接，所述大臂驱动组件设置在所述旋转基座上；
所述大臂驱动组件包括直线滑台组件、第一滑动结构、第二滑动结构、第一大臂、第二大臂、大臂连接板21，所述直线滑台组件垂直设置在所述旋转基座上，所述第一大臂和第二大臂分别设置于所述直线滑台组件的两侧；第一滑块结构由第一滑块连接件15和第一滑块16组成，第一滑块连接件15设置在第一滑块16上，第二滑块结构由第二滑块连接件9和第二滑块10组成，第二滑块连接件9设置在第二滑块10上；
所述直线滑台组件包括对称设置的第一直线滑台17和第二直线滑台19，所述第一大臂包括一端铰接连接的第一大臂连杆14和第一大臂推杆8，所述第二大臂包括一端铰接连接的第二大臂连杆13和第二大臂推杆12，所述第一滑动结构设置在所述第一直线滑台上17，所述第二滑动结构设置在所述第二直线滑台上19，所述第一大臂推杆8和所述第二大臂推杆12的另一端分别铰接在所述第二滑动结构的两端，所述第一大臂连杆14和所述第二大臂连杆13 的一端还分别铰接在所述第一滑动结构的两端，所述第一大臂连杆14和第二大臂连杆13另一端固定连接在大臂连接板21上，所述第一直线滑台17和第二直线滑台19同步或单独工作，以带动所述第一大臂和/或第二大臂运动；
所述肘臂驱动组件包括肘臂驱动装置和肘臂23，所述肘臂驱动装置固定连接在所述大臂连接板21上，所述肘臂驱动装置与所述肘臂23可转动连接；所述小臂驱动组件包括小臂驱动装置和小臂27，所述小臂驱动装置固定连接在所述肘臂23上，所述小臂驱动装置驱动所述小臂27伸缩移动；所述腕部驱动组件包括第一腕部驱动装置、第二腕部驱动装置和腕部执行装置，所述第一腕部驱动装置与所述小臂27固定连接，所述第一腕部驱动装置驱动所述第二腕部驱动装置旋转，所述第二腕部驱动装置驱动所述腕部执行装置30旋转；所述第一腕部驱动装置、第二腕部驱动装置、肘臂驱动装置均包括伺服电机和减速器；所述第一腕部驱动装置的减速器驱动连接位于所述第二腕部驱动装置上的腕部固定件33以驱动所述第二腕部驱动装置旋转；所述肘部驱动装置包括肘部伺服电机20和肘部减速器22，肘部伺服电机20和肘部减速器22通过大臂连接板21固定连接；所述第一腕部驱动装置包括腕部第一伺服电机29 和腕部第一减速器31，所述第二腕部驱动装置包括腕部第二伺服电机32和腕部第二减速器34；
所述小臂驱动装置包括小臂伺服电机25、小臂滑块26、小臂直线滑台28，所述小臂直线滑台28与所述肘臂23固定连接，所述肘臂23上可以设置小臂直线滑台固定件24，所述小臂直线滑台28通过小臂直线滑台固定件24与所述肘臂23固定连接；所述小臂27通过小臂滑块26与所述小臂直线滑台28 连接，所述小臂伺服电机25驱动所述小臂直线滑台28运动，所述小臂27通过所述小臂滑块26沿小臂直线滑台28做伸缩移动；所述小臂直线滑台28为同步带直线滑台或滚珠丝杠直线滑台；
所述大臂驱动组件还包括两个大臂伺服电机，两个所述大臂伺服电机设置在所述直线滑台组件底端，分别驱动所述的第一直线滑台17和第二直线滑台 19运动，两个所述大臂伺服电机分别为第二大臂伺服电机4和第一大臂伺服电机7；所述第一直线滑台17和第二直线滑台19为同步带直线滑台或滚珠丝杠直线滑台；
所述直线滑台组件还包括底部固定件6、支撑固定架11、顶部固定件18，均用于固定所述直线滑台组件，所述底部固定件6设置在所述第一直线滑台 17、第二直线滑台19底端，所述支撑固定架11设置在所述第一直线滑台17 和所述第二直线滑台19之间，所述第一直线滑台17和所述第二直线滑台19 通过所述支撑固定架11背对固定连接，所述顶部固定件18设置在所述第一直线滑台17和第二直线滑台19顶端；
所述旋转基座包括支架1、基座伺服电机2、基座减速器3、旋转平台5，所述基座伺服电机2、基座减速器3固定设置在所述支架1上，所述基座减速器3设置在所述基座伺服电机2上，所述旋转平台5设置在所述基座减速器3 上，所述大臂驱动组件设置在所述旋转平台5上。
基座伺服电机2驱动基座减速器3转动，并带动旋转平台5以上的机构转动；启动所述第一大臂伺服电机7和第二大臂伺服电机4，第一大臂伺服电机 7驱动第一直线滑台17，第二大臂伺服电机4驱动第二直线滑台19，第一滑块16和第二滑块10同步上升或者同步下降，固定在第一滑块16和第二滑块 10上的第一滑块连接件15和第二滑块连接件9带动第一大臂推杆8、第二大臂推杆12、第一大臂连杆14和第二大臂连杆13，随着第一滑块16和第二滑块10同步上下移动，由于肘臂23通过大臂连接板21固定在第一大臂连杆14 和第二大臂连杆13上，所以肘臂、小臂、腕部也同步上下移动，该过程实现了一个自由度直线移动，该自由度实现了在垂直方向上增加了机器人的作业空间；启动第二大臂伺服电机4，不启动第一大臂伺服电机7，第二大臂伺服电机4驱动第二直线滑台19，第二滑块10沿着第二直线滑台19的导轨上升或者下降，从而第二滑块连接件9也随着上升或者下降，这样，第一大臂推杆8和第二大臂推杆12推动第一大臂连杆14和第二大臂连杆13绕着第一大臂连杆14和第二大臂连杆13与第一大臂滑块连接件15的连接点转动，这使得固定连接在第一大臂连杆14和第二大臂连杆13上的大臂连接板21也随之转动，从而后面的肘臂、小臂、腕部机构都随之转动；同理，启动第一大臂伺服电机 7，不启动第二大臂伺服电机4，第一大臂伺服电机7驱动第一直线滑台17，第一滑块16沿着第一直线滑台17的导轨上升或者下降，第一大臂连杆14、第二大臂连杆13推动第一大臂推杆8和第二大臂推杆12绕着第一大臂推杆8 和第二大臂推杆12与第二大臂滑块连接件9的连接点转动，这使得固定连接在第一大臂连杆14和第二大臂连杆13上的大臂连接板21也随之转动，从而后面的肘臂、小臂、腕部机构都随之转动，上述过程实现了一个自由度的转动；通过控制肘部伺服电机20，驱动肘部减速器22转动，并通过固定在肘部减速器22的肘臂23带动小臂、腕部机构转动；通过启动小臂伺服电机25，驱动小臂直线滑台28，小臂滑块26相对于小臂直线滑台28向前伸展或者向后收缩，并通过固定在小臂滑块26的小臂27带动腕部机构同步向前伸展或者向后收缩；通过控制腕部第一伺服电机29，驱动腕部第一减速器31转动，腕部第一减速器31驱动连接位于所述第二腕部驱动装置上的腕部固定件33，以驱动所述第二腕部驱动装置旋转；腕部第二伺服电机32驱动腕部第二减速器腕部 34旋转，带动腕部执行装置30旋转。
本发明提供的七自由度机械臂，第一，采用混联方式进行旋转基座、大臂驱动组件、肘臂驱动组件、小臂驱动组件、腕部驱动组件的连接和结构设计，创造了七自由度混联关节型机械臂，各关节设计科学，具有结构简单、连接稳固的特点；第二，设置两个承载单元去承载机械臂部分重量和抓取的物体重力，其中，第一大臂推杆和第一大臂连杆构成一承载单元，第二大臂推杆和第二大臂连杆构成了另一承载单元，两个承载单元同时承载机械臂部分重量和负载，大大增加了机械臂的承载力；第三，通过第一大臂和第二大臂的联和设置和配合运动，能够带动肘臂、小臂、腕部等机构上下移动，同时还可以实现大臂竖直方向上的旋转运动，小臂可前后伸缩运动，腕部通过两组驱动组件可实现两种自由度的控制，因此，该机械手臂整体灵活性很强，可根据不同的行业对象对装备的移动距离和伸展长度进行调试，因此作业空间范围大；第四，腕部的末端执行器可以根据操作对象的不同进行替换，该机械臂重构性强、通用性强，便于调整维护；第五，该机械臂采用重量较大的基座伺服电机、第一大臂伺服电机和第二大臂伺服电机，且均设置于机械臂的下部，其中第一大臂伺服电机和第二大臂伺服电机分别位于左右两侧相对固定，且采用质量较小的腕部伺服电机、肘部伺服电机和小臂伺服电机，使得整个机械臂的重心较低、平衡感强、惯性小，整体结构稳定，进而提高控制精度，确保运行安全。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种七自由度机械臂，其特征在于，包括：旋转基座、大臂驱动组件、肘臂驱动组件、小臂驱动组件、腕部驱动组件，所述大臂驱动组件、肘臂驱动组件、小臂驱动组件、腕部驱动组件依次连接，所述大臂驱动组件设置在所述旋转基座上；
所述大臂驱动组件包括直线滑台组件、第一滑动结构、第二滑动结构、第一大臂、第二大臂、大臂连接板(21)，所述直线滑台组件垂直设置在所述旋转基座上，所述第一大臂和第二大臂分别设置于所述直线滑台组件的两侧；
所述直线滑台组件包括对称设置的第一直线滑台(17)和第二直线滑台(19)，所述第一大臂包括一端铰接连接的第一大臂连杆(14)和第一大臂推杆(8)，所述第二大臂包括一端铰接连接的第二大臂连杆(13)和第二大臂推杆(12)，所述第一滑动结构设置在所述第一直线滑台上(17)，所述第二滑动结构设置在所述第二直线滑台上(19)，所述第一大臂推杆(8)和所述第二大臂推杆(12)的另一端分别铰接在所述第二滑动结构的两端，所述第一大臂连杆(14)和所述第二大臂连杆(13)的一端还分别铰接在所述第一滑动结构的两端，所述第一大臂连杆(14)和第二大臂连杆(13)另一端固定连接在大臂连接板(21)上，所述第一直线滑台(17)和第二直线滑台(19)同步或单独工作，以带动所述第一大臂和/或第二大臂运动；
所述肘臂驱动组件包括肘臂驱动装置和肘臂(23)，所述肘臂驱动装置固定连接在所述大臂连接板(21)上，所述肘臂驱动装置与所述肘臂(23)可转动连接；
所述小臂驱动组件包括小臂驱动装置和小臂(27)，所述小臂驱动装置固定连接在所述肘臂(23)上，所述小臂驱动装置驱动所述小臂(27)伸缩移动；
所述腕部驱动组件包括第一腕部驱动装置、第二腕部驱动装置和腕部执行装置，所述第一腕部驱动装置与所述小臂(27)固定连接，所述第一腕部驱动装置驱动所述第二腕部驱动装置旋转，所述第二腕部驱动装置驱动所述腕部执行装置(30)旋转。
2.根据权利要求1所述的七自由度机械臂，其特征在于，所述第一腕部驱动装置、第二腕部驱动装置、肘臂驱动装置均包括伺服电机和减速器。
3.根据权利要求2所述的七自由度机械臂，其特征在于，所述第一腕部驱动装置的减速器驱动连接位于所述第二腕部驱动装置上的腕部固定件(33)以驱动所述第二腕部驱动装置旋转。
4.根据权利要求1所述的七自由度机械臂，其特征在于，所述小臂驱动装置包括小臂伺服电机(25)、小臂滑块(26)、小臂直线滑台(28)，所述小臂直线滑台(28)与所述肘臂(23)固定连接，所述小臂(27)通过小臂滑块(26)与所述小臂直线滑台(28)连接，所述小臂伺服电机(25)驱动所述小臂直线滑台(28)运动，所述小臂(27)通过所述小臂滑块(26)沿小臂直线滑台(28)做伸缩移动。
5.根据权利要求4所述的七自由度机械臂，其特征在于，所述小臂直线滑台(28)为同步带直线滑台或滚珠丝杠直线滑台。
6.根据权利要求1所述的七自由度机械臂，其特征在于，所述大臂驱动组件还包括两个大臂伺服电机，两个所述大臂伺服电机设置在所述直线滑台组件底端，分别驱动所述的第一直线滑台(17)和第二直线滑台(19)运动。
7.根据权利要求1或6所述的七自由度机械臂，其特征在于，所述第一直线滑台(17)和第二直线滑台(19)为同步带直线滑台或滚珠丝杠直线滑台。
8.根据权利要求1所述的七自由度机械臂，其特征在于，所述直线滑台组件还包括底部固定件(6)、支撑固定架(11)、顶部固定件(18)，均用于固定所述直线滑台组件，所述底部固定件(6)设置在所述第一直线滑台(17)、第二直线滑台(19)底端，所述支撑固定架(11)设置在所述第一直线滑台(17)和所述第二直线滑台(19)之间，所述第一直线滑台(17)和所述第二直线滑台(19)通过所述支撑固定架(11)背对固定连接，所述顶部固定件(18)设置在所述第一直线滑台(17)和第二直线滑台(19)顶端。
9.根据权利要求1所述的七自由度机械臂，其特征在于，所述旋转基座包括支架(1)、基座伺服电机(2)、基座减速器(3)、旋转平台(5)，所述基座伺服电机(2)、基座减速器(3)固定设置在所述支架(1)上，所述基座减速器(3)设置在所述基座伺服电机(2)上，所述旋转平台(5)设置在所述基座减速器(3)上，所述大臂驱动组件设置在所述旋转平台(5)上。
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