CN109397330B - 一种机械臂腕部布局结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械臂腕部布局结构，包括腕部驱动装置I、腕部驱动装置II和腕部驱动装置III，腕部驱动装置III后置于腕部驱动装置I与腕部驱动装置II之间的空间，且腕部驱动装置II的延伸方向为向末端执行机构相反向延伸。其有益效果为：本发明使得腕部驱动装置三轴交汇中心到末端执行机构的距离缩小，提高末端执行机构的灵活度；采用腕部布局结构，客观上腕部独立自由度的驱动装置更加靠后，机械臂的重心更靠近肩部，在总重量不变的情况下，降低了机械臂的转动惯量，从而提高了机械臂的工作效率；无需额外增加或改变传动链，不会引入平行四边形机构的运动学死区、同步带的运动滞后以及三轴汇交的专用减速箱传动背隙与加工装配之间的矛盾问题。

Description

一种机械臂腕部布局结构

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种仿生类人机械臂腕部的布局结构。

背景技术

机械臂研究中，一个重要的分支是仿生类人机械臂，与传统的工业机械臂不同，类人机械臂的构造和运动学特性与人类手臂十分接近，可以更好的融入日常生活环境。传统的仿生类人机械臂，如图1-图3所示，采用S-R-S布局，即：肩部有三个独立旋转自由度，如图示中的肩部驱动装置I10、肩部驱动装置II11和肩部驱动装置III12，且三个独立旋转自由度的驱动装置的轴两两正交，汇交在一点构成一个球铰；肘部为一个独立旋转自由度，如图示中的肘部驱动装置20；腕部与肩部类似，有三个独立旋转自由度，如图示中的腕部驱动装置A30A、腕部驱动装置B31A和腕部驱动装置C32A，且三个独立旋转自由度的驱动装置的轴两两正交，汇交在一点构成一个球铰。如此布局，与人类的手臂自由度分布最为接近。

S-R-S布局的腕部球铰机构，关系到手臂末端执行机构(图2和图3中的标号40A所连接的机构)的灵活程度，这就要求末端执行机构的安装法兰40A尽可能接近球铰的三轴汇交点33A，这样，末端的三个独立旋转自由度可以更好的调整末端执行机构(如：机械手)的姿态，而在转动的同时，很少会引起末端执行机构位置的变化，从而提高末端的灵活度。

然而，如图4所示，传统腕部结构的布局为串联结构，三轴汇交点到末端执行机构的安装法兰41A之间，是最后一级的驱动装置(腕部驱动装置A30A)、末端执行机构的安装法兰41A与结构的三轴汇交点33A(图中，腕部转轴A30A、腕部转轴B31A和腕部转轴C32A的交汇位置)之间的间距较大，难以满足上述自由度布置要求，因此在机械臂具体运动过程中，难以最大程度体现出仿生类人机械臂腕部的结构优势。

在工程实践中，需要解决的问题是：在不改变机械臂S-R-S运动学布局的前提下，通过合理布局腕部的驱动机构，令末端执行机构安装法兰40A的位置尽可能接近三转轴的汇交中心点33A。同时，这种布局不应额外增加腕部机构的重量，外观尺寸和传动结构(不引入新的运动机构，为的是不增加传动链上的背隙、死区等非线性因素影响控制性能，运动机构本身的效率问题影响传动效率)。

因此，需要针对上述问题提出解决方案。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种机械臂腕部布局结构，以解决前述背景技术中的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种机械臂腕部布局结构，包括腕部驱动装置I、腕部驱动装置II和腕部驱动装置III，其中所述腕部驱动装置I分别与所述腕部驱动装置II和机械臂的肘部驱动装置通过法兰连接，所述腕部驱动装置III分别与所述腕部驱动装置II和机械臂的末端执行机构通过法兰连接，所述腕部驱动装置III后置于所述腕部驱动装置I与所述腕部驱动装置II之间的空间，且所述腕部驱动装置II的延伸方向为向所述末端执行机构相反向延伸，使得所述腕部驱动装置I、所述腕部驱动装置II和所述腕部驱动装置III三轴交汇中心到所述末端执行机构的距离缩小，以提高末端执行机构的灵活度。

进一步的，所述腕部驱动装置I、所述腕部驱动装置II和所述腕部驱动装置III三者串联连接。

进一步的，串联的所述腕部驱动装置I、所述腕部驱动装置II和所述腕部驱动装置III为转动驱动装置，三个腕部驱动装置的转轴交汇于一点，为转轴的汇交中心。

进一步的，所述末端执行机构到所述转轴交汇中心的偏距等于所述腕部驱动装置II的半径及余量。

进一步的，所述腕部驱动装置I与所述腕部驱动装置II之间的连接法兰在位于所述腕部驱动装置II的法兰部分延长，至可容纳所述腕部驱动装置III的空间。

进一步的，所述末端执行机构的法兰设置为U型结构，所述腕部驱动装置II设置在U型空间内，防止所述腕部驱动装置III在转动时，所述末端执行机构与腕部其他机构发生干涉。

进一步的，所述腕部驱动装置I、腕部驱动装置II和腕部驱动装置III均包括定子部分和转子部分，所述法兰连接所述定子部分或转子部分。

本申请还要求保护一种机械臂，包括肩部驱动装置、肘部驱动装置和腕部驱动装置，所述肩部驱动装置、肘部驱动装置和腕部驱动装置串联连接，所述腕部驱动装置采用前述腕部布局结构设置。

通过实施上述本发明提供的机械臂腕部布局结构，具有如下技术效果：

(1)本发明令末端执行机构安装法兰位置更靠近运动学上三轴汇交点，从而机械臂的腕部运动在改变末端执行机构姿态的同时，尽可能少的改变末端执行机构的位置，从而使机械臂的腕部机构更接近人类的运动特性，更好满足仿生类人机械臂的设计初衷；

(2)本发明采用腕部布局结构时，客观上腕部独立自由度的驱动装置更加靠后，从而令机械臂的重心更靠近肩部，在总重量不变的情况下，降低了机械臂的转动惯量，从而提高了机械臂的工作效率；

(3)与目前有的机械臂采用平行四边形机构或者同步带机构或三轴汇交的专用减速箱方案实现上述功能不同，本发明的技术无需额外增加或改变传动链，不会引入平行四边形机构的运动学死区，即平行四边形机构处于或接近某些特定位置时无法有效传递载荷；同步带的运动滞后，即带在传动中会有较大变形和较大阻尼特性，从而影响***的动力学特性；以及三轴汇交的专用减速箱传动背隙与加工装配之间的矛盾问题，即三轴汇交型的专用减速箱通常采用锥齿轮传动，锥齿轮传动对减速箱箱体的加工和装配精度有很高的要求，且存在齿轮啮合较大的背隙。

附图说明

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

图1是本发明背景技术中传统的仿生类人机械臂立体图；

图2是本发明背景技术中传统的仿生类人机械臂主视图；

图3是本发明背景技术中传统的仿生类人机械臂俯视图；

图4是本发明背景技术中传统的仿生类人机械臂的腕部铰链结构示意图；

图5是本发明具体实施方式中机械臂腕部布局结构立体图；

图6是本发明具体实施方式中机械臂腕部布局结构主视图；

图7是本发明具体实施方式中机械臂腕部布局结构俯视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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。

下面采用如下具体实施方式详细描述本发明的技术方案。

如图5-7所示是一种机械臂腕部布局结构，包括腕部驱动装置3，具体包括腕部驱动装置I30、腕部驱动装置II31和腕部驱动装置III32，其中腕部驱动装置I30分别与腕部驱动装置II31和机械臂的肘部驱动装置2通过法兰连接，腕部驱动装置III32分别与腕部驱动装置II32和机械臂的末端执行机构通过法兰连接，腕部驱动装置III32后置于腕部驱动装置I30与腕部驱动装置II31之间的空间，且腕部驱动装置II31的延伸方向为向末端执行机构相反向延伸，使得腕部驱动装置I30、腕部驱动装置II31和腕部驱动装置III32三轴交汇中心到末端执行机构的距离缩小，以提高末端执行机构的灵活度。

进一步的，腕部驱动装置I30、腕部驱动装置II31和腕部驱动装置III32三者串联连接。

进一步的，串联的腕部驱动装置I30、腕部驱动装置II31和腕部驱动装置III32为转动驱动装置，三个腕部驱动装置的转轴交汇于一点，为转轴的汇交中心33。

进一步的，末端执行机构到转轴交汇中心33的偏距等于腕部驱动装置II31的半径及余量。

进一步的，末端执行机构的法兰设置为U型结构，腕部驱动装置II31设置在U型空间内，防止腕部驱动装置III32在转动时，末端执行机构与腕部其他机构发生干涉。

进一步的，腕部驱动装置I30、腕部驱动装置II31和腕部驱动装置III32均包括定子部分和转子部分，法兰连接定子部分或转子部分。

基于上述方案，以下以具体方案进行表述。

如图5-7所示是机械臂腕部布局结构，结合附图1-3所示的机械臂的肩部驱动装置1及肘部驱动装置2，机械臂采用S-R-S布局，包括肩部驱动装置1、肘部驱动装置2、腕部驱动装置3以及末端执行机构，肩部驱动装置1和肘部驱动装置2之间通过大臂连杆5串联连接，肘部驱动装置2与腕部驱动装置3之间通过小臂连杆6串联连接，腕部驱动装置3与末端执行机构4连接。

其中，肩部驱动装置1包括三个独立旋转自由度的肩部驱动装置I10、肩部驱动装置II11和肩部驱动装置III12，肩部驱动装置I10、肩部驱动装置II11和肩部驱动装置III12的转轴两两正交，三个肩部驱动装置汇交在一点，构成一个球铰，为肩部转轴交汇中心。

其中，肩部驱动装置I10包括肩部定子I100、肩部转子I101以及肩部法兰I102；肩部驱动装置II11包括肩部定子II110以及肩部转子II111；肩部驱动装置III12包括肩部定子III120、肩部转子III121以及肩部法兰III122；肩部法兰I102分别与肩部定子II110和肩部转子I101连接，肩部定子I100与肩部转子I101连接，肩部法兰II112分别与肩部转子III120和肩部定子II111连接,肩部法兰III122分别与肩部转子II111和肩部定子III120连接，肩部定子III120与肩部转子III121连接，肩部转子III121与大臂连杆5连接，实现肩部驱动装置的旋转。

其中，肘部驱动装置1包括两个独立旋转自由度的肘部驱动装置I20、肘部驱动装置II21，肘部驱动装置I20、肘部驱动装置II21的转轴正交。

其中，肘部驱动装置I20包括肘部定子I200、大臂连杆5以及肘部法兰I201；肘部驱动装置II21包括小臂连杆6、肘部转子II211以及肘部法兰II212；肘部法兰I201分别与大臂连杆5和肘部定子I200连接，肘部法兰II212分别与肘部转子II211和小臂连杆6连接，实现肘部驱动装置的旋转。

其中，腕部驱动装置1包括三个独立旋转自由度的腕部驱动装置I30、腕部驱动装置II31和腕部驱动装置III32，腕部驱动装置I30、腕部驱动装置II31和腕部驱动装置III32三者串联连接；腕部驱动装置I30、腕部驱动装置II31和腕部驱动装置III32的转轴两两正交，三个腕部驱动装置汇交在一点，构成一个球铰，为腕部转轴交汇中心33。

其中，腕部驱动装置I30包括腕部定子I300、腕部转子I301以及腕部法兰I302；腕部驱动装置II31包括腕部定子II310、腕部转子II311以及腕部法兰II312；腕部驱动装置III32包括腕部定子III320、腕部转子III321；腕部法兰I302分别与腕部定子II310和腕部定子I300连接，腕部定子I300通过腕部转子I301与小臂连杆6连接，腕部法兰II312分别与腕部转子II311和腕部定子III320连接,实现腕部驱动装置的旋转。

其中，肩部驱动装置、腕部驱动装置和肘部驱动装置的各部件法兰均为“L”型结构。

其中，末端执行机构包括末端执行机构法兰40，末端执行机构法兰40为“U”型结构，末端执行机构法兰40与腕部转子III321连接，实现对末端执行机构的驱动。

其中，腕部法兰I302与腕部定子II310连接的法兰部分延长，至可容纳腕部驱动装置III32的空间，腕部驱动装置III32后置于腕部驱动装置I30与腕部驱动装置II31之间的空间。

其中，腕部驱动装置II31位于末端执行机构法兰40的U型空间内，防止腕部驱动装置III32在转动时，末端执行机构与腕部其他机构发生干涉；腕部驱动装置II31的腕部延伸方向为向末端执行机构相反向延伸，使得腕部驱动装置I30、腕部驱动装置II31和腕部驱动装置III32三轴交汇中心到末端执行机构4的距离缩小，以提高末端执行机构的灵活度。

其中，末端执行机构到转轴交汇中心33的偏距等于腕部驱动装置II31的半径及余量。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种机械臂腕部布局结构，包括腕部驱动装置I、腕部驱动装置II和腕部驱动装置III，其中所述腕部驱动装置I分别与所述腕部驱动装置II和机械臂的肘部驱动装置通过法兰连接，所述腕部驱动装置III分别与所述腕部驱动装置II和机械臂的末端执行机构通过法兰连接，其特征在于，所述腕部驱动装置III后置于所述腕部驱动装置I与所述腕部驱动装置II之间的空间，且所述腕部驱动装置II的延伸方向为向所述末端执行机构相反向延伸；所述腕部驱动装置I、所述腕部驱动装置II和所述腕部驱动装置III三者串联连接；所述腕部驱动装置I与所述腕部驱动装置II之间的连接法兰在位于所述腕部驱动装置II的法兰部分延长，至可容纳所述腕部驱动装置III的空间；所述末端执行机构的法兰设置为U型结构，所述腕部驱动装置II设置在U型空间内，防止所述腕部驱动装置III在转动时，所述末端执行机构与腕部其他机构发生干涉。

2.如权利要求1所述的机械臂腕部布局结构，其特征在于，串联的所述腕部驱动装置I、所述腕部驱动装置II和所述腕部驱动装置III为转动驱动装置，三个腕部驱动装置的转轴交汇于一点，为转轴的交汇中心。

3.如权利要求2所述的机械臂腕部布局结构，其特征在于，所述末端执行机构到所述转轴的交汇中心的偏距等于所述腕部驱动装置II的半径及余量。

4.如权利要求1所述的机械臂腕部布局结构，其特征在于，所述腕部驱动装置I、所述腕部驱动装置II和所述腕部驱动装置III均包括定子部分和转子部分，所述法兰连接所述定子部分或转子部分。

5.一种机械臂，包括肩部驱动装置、肘部驱动装置和腕部驱动装置，所述肩部驱动装置、肘部驱动装置和腕部驱动装置串联连接，其特征在于，所述腕部驱动装置采用前述权利要求1-4任一项所述的腕部布局结构设置。