CN115194820A - 一种机器人的机构搭建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人的机构搭建方法。以驱动件、连接件、执行件、缓冲件以及机架作为基本单元，首先用基本单元构建成机械臂，在机械臂上连接执行件和机架后，形成机械手，根据机械人的目标动作，若干机械手组合后形成机器人。本申请机器人机构的搭建方法，使机器人的搭建模块化，标准化，用户能够根据需求选择合适的基础模块进行自由组装，包括任意条手臂，长度可调的手臂杆，任意自由度的手臂杆等，简化了工序，节约成本。

Description

一种机器人的机构搭建方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种机器人的机构搭建方法。

背景技术

现有的机器人搭建，基本通过程序控制和机械结构设计相结合的方式，因此，根据使用场合，除了实现软件方面的设计外，还需要机械结构工程师根据具体使用的场景设计机器人的机械结构，比如在平整地面的运动，在高低不平地面的运动，需要多机械手协调等各种场合。对于不同的应用场景，往往需要各种尺寸不一的零部件，使机器人制造成本增加，工序复杂。因此，如果将机器人模块化设计，根据使用场景的需求，能够自由组装机器人，将会大大提高工作效率，同时也给软件工程师的工作提供了极大的便利。模块化机器人能够增减自身模块数目同时改变自身的形态，以适应各种复杂的环境，并且完成各种操作指令。

要实现机器人模块化安装，驱动件的结构和安装方式是十分重要的，驱动件和杆件之间的连接复杂，会增加机器人安装的难度。将机器人模块化设计，关键在于有合适的驱动件，要求驱动件体积小，重量轻，能够适用于各种手臂，并且和手臂能够方便快速的连接。现有的机器人驱动件由于集成度有限，体积大，同时，现有的机械臂和关节的连接方式，通常会在手臂内部安装管线、驱动电机等，安装复杂，也造成机械手臂杆较粗，增加机器人的重量。

发明内容

本发明提供了一种机器人的机构搭建方法。以驱动件、连接件、执行件、缓冲件以及机架作为基本单元，首先用基本单元构建成机械臂，若干机械臂组合后形成多自由度机械臂，在机械臂上连接执行件和机架后，形成机械手，根据机械人的目标动作，若干机械手组合后形成机器人。

其中机械臂由驱动件和连接件一搭建而成，连接件一可以为具有一定长度的杆件，在杆件的两端分别设置有第三连接结构和第四连接结构。在第三连接结构或第四连接结构中连接有一个驱动件时，形成单自由度臂件；在第三连接结构和第四连接结构中各连接有一个驱动件时，形成二自由度臂件。连接件二包括至少两个相交的平面，优选为两个相互垂直的平面，在两个平面中分别设置有第五连接结构和第六连接结构。在第五连接结构或第六连接结构中连接有一个驱动件时，形成单自由度关节；在第五连接结构或第六连接结构中各连接有一个驱动件时，形成二自由度关节。

机械手由机械臂、执行件和机架组成，机械臂可以为单自由度，也可以是多自由度，当机械臂为单自由度时，也可以是驱动件的连接结构上分别连接有机架和执行件形成。

若干机械手组合后形成机器人，可以是六腿机器人，二手二腿机器人，四腿二手机器人等，根据机器人的目标动作，将构建得到的机械手组合后得到。

具体的，本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种机器人的机构搭建方法，所述机器人通过至少两种基本单元进行搭建，所述基本单元包括驱动件、连接件、执行件和机架；所述驱动件包括第一连接部和第二连接部、驱动第一连接部相对于第二连接部转动的驱动装置，所述第一连接部上设置有第一连接结构，所述第二连接部上设置有第二连接结构；所述连接件包括连接件一、连接件二，所述连接件一上设有第三连接结构和第四连接结构；所述连接件二至少包括第五连接结构和第六连接结构，所述第五连接结构和第六连接结构的所在的连接面不在同一平面上；

该方法包括以下步骤：

步骤一，用所述基本单元搭建机械臂，所述机械臂包括臂件和/或关节；

所述臂件由连接件一和驱动件搭建得到，所述臂件包括单自由度臂件和二自由度臂件，所述单自由度臂件为一个驱动件与连接件一相连，所述二自由度臂件为在所述连接件一的第三连接结构和第四连接结构上分别连接有一个驱动件；

步骤二，搭建机械手，所述机械手包括机械臂、执行件和机架，所述执行件和机架分别连接在所述机械臂上，所述执行件用于执行目标动作，所述机架用于固定所述机械臂；

步骤三，搭建机器人，按机器人的目标动作需要，将若干机械手装配成相应的机器人。

进一步的，所述二自由度臂件中，所述连接件一的第三连接结构和第四连接结构分别连接有第一驱动件和第二驱动件，所述连接件一的第三连接结构与所述第一驱动件的第一连接结构相连，所述连接件一的第四连接结构与所述第二驱动件的第二连接结构相连；或所述连接件一的第三连接结构和第四连接结构都与所述驱动件的第一或第二连接结构相连。

进一步的，所述驱动件包括输出轴，所述二自由度臂件中的第一驱动件和第二驱动件的输出轴相互平行或垂直，所述输出轴的转向相同或相反。

进一步的，所述驱动件包括输出轴，所述二自由度臂件中第一驱动件和第二驱动件的输出轴在同一直线上。

进一步的，所述关节由连接件二和驱动件搭建得到，所述关节包括单自由度关节和二自由度关节，所述单自由度关节为一个驱动件与连接件二相连，所述二自由度关节为在所述连接件二的第五连接结构和第六连接结构上分别连接有一个驱动件。

进一步的，所述二自由度关节中，所述连接件二的第五连接结构和第六连接结构分别连接有第三驱动件和第四驱动件，所述连接件二的第五连接结构与所述第三驱动件的第一连接结构相连，所述连接件二的第六连接结构与所述第四驱动件的第二连接结构相连；或所述连接件二的第五连接结构和第六连接结构都与所述驱动件的第一或第二连接结构相连。

进一步的，所述驱动件包括输出轴，所述二自由度关节中的第三驱动件和第四驱动件的输出轴不平行，转向相同或者相反。

进一步的，所述驱动件包括输出轴，所述二自由度臂件中第三驱动件和第四驱动件的输出轴在同一直线上，转向相同或者相反。

进一步的，所述基本单元还包括缓冲件，所述缓冲件为减震部件，所述缓冲件的一端连接在所述连接件一上，另一端连接在所述连接件二上。

可选的，所述机械手包括机械臂、执行件和机架，所述机械手至少有一个自由度。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本申请机器人机构的搭建方法，将基本单元搭建成机械臂，再从机械臂搭建成机械手，若干机械手搭建成机器人，使机器人的搭建模块化，标准化，用户能够根据需求选择合适的基础模块进行自由组装，包括任意条手臂，长度可调的手臂杆，任意自由度的手臂杆等，简化了工序，节约成本。

本申请的驱动件具有高集成度，集成了驱动电路、电机、机械传动、制动等功能；具有扁平化，体积小，轻量化，数字化，高性价比的优点。

附图说明

图1是本发明机器人的机构搭建方法整体连接关系示意图；

图2是本发明驱动件的前示图；

图3是本发明驱动件的后示图；

图4是本发明连接件一的一种结构示意图；

图5是本发明连接件一的第三或第四连接结构的结构示意图；

图6是本发明连接件二的前视图；

图7是本发明连接件二的后视图；

图8是本发明单自由度臂件的一种结构示意图；

图9是本发明单自由度臂件的另一种结构示意图；

图10是本发明二自由度臂件的一种结构示意图；

图11是本发明二自由度臂件的另一种结构示意图；

图12是本发明单自由度关节的一种结构示意图；

图13是本发明二自由度关节的一种结构示意图；

图14是本发明机械手一的一种结构示意图；

图15是本发明机械手二的一种结构示意图；

图16是本发明机械手三的一种结构示意图；

图17是本发明机器人的一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本申请机器人的机构搭建方法整体连接关系示意图，搭建机器人最小单元为基本单元，各种基本单元是预制的标准部件，本申请的若干基本单元，包括了搭建任意功能机器人所需的机械部件，从基本单元出发，先构建机械臂，再构建机械手，最后能够得到各种不同结构和功能的机器人，为搭建机器人提高了极大的便利。

本申请的基本单元包括驱动件、连接件、执行件、机架和缓冲件。

图2-3为驱动件1的结构示意图。驱动件包括第一连接部11和第二连接部12、驱动第一连接部相对于第二连接部转动的驱动装置第一连接部上设置有第一连接结构111，第二连接部上设置有第二连接结构121。驱动件优选为扁平型，第一连接部和第二连接部分别设置在驱动件的两个相互平行的平面上。驱动装置收容在驱动件的壳体内，驱动装置包括电机、减速部件和输出轴，电机与减速部件固定连接，电机的转速通过减速部件减速后，从输出轴输出减速后的转速。其中，输出轴13设置在第一连接部11上，通过第一连接结构，将输出轴与其他部件连接后，输出轴的转动用于输出扭矩，从而驱动其他部件的运动。第二连接部为驱动件的固定面，将驱动件固定连接在其他部件上，驱动件和固连的其他部件之间无相对运动。第一连接结构和第二连接结构可以是螺栓、螺钉或者其他任何紧固件。

图4为连接件一的一种结构示意图，本实施例中，连接件一2包括连杆21，以及设置在连杆两端的第三连接结构22和第四连接结构23，连杆为长条形的杆件，其横截面可以为圆形或者多边形，比如三角形或者方形等。连杆优选横截面为圆形的中空圆管，由于连接件一是安装在驱动件的侧面，相比现有技术，本申请的连杆内部无需安装驱动装置或者活动关节，连杆内部只需要用于穿过线缆，因此，本申请的连杆内径的可以是比较小的，能够用于搭建细管经机器人。为了便于安装，在连杆的侧壁上设置有若干安装通孔211，在连杆同一横截面的侧壁四周至少均匀设置有4个安装通孔，便于在连杆的不同方向安装所需的部件。在连杆的长度方向上，间隔一定距离都设置有一圈安装通孔，便于在连杆的长度方向的不同位置安装其他部件。

图5为第三或第四连接结构的结构示意图，第三和第四连接结构可以是同一种结构，用于连接驱动件和连杆，并采用螺栓、销钉等紧固件将第三和第四连接结构固定在连杆的两端。第三或第四连接结构包括连杆连接结构221和第一平面连接结构222，连杆连接结构优选环状，连杆的一端穿过第三连接结构的环状空腔，并通过连杆的安装通孔与连杆连接结构的安装孔固定连接。第一平面连接结构的安装孔设置在一平面上，用于和驱动件的第一连接结构或第二连接结构连接。第一平面连接结构可以是连杆连接结构的侧壁在轴向的延伸，形成一个安装平面，安装后，驱动件和连杆是平行的；第一平面连接结构也可以是设置在连杆连接结构的端面上，安装后，连杆和驱动件是垂直的。

图6-7为分别连接件二的前视图和后视图，连接件二3至少包括第五连接结构31和第六连接结构32，第五连接结构和第六连接结构分别用于连接第三驱动件和第四驱动件，由于第五连接结构和第六连接结构所在的平面相交成一定的角度，因此，第三驱动件和第四驱动件的自由度相交。优选的，第五连接结构和第六连接结构所在的平面相互垂直，第三驱动件和第四驱动件的自由度正交，从而实现自由度的90度换向。第五连接结构包括设置在中间的第二平面安装孔311，围绕第二平面连接结构四周设置有至少四个辅助安装通孔312，用于在不同的方向安装其他部件。并且，第五连接结构的正反两面都可以用于连接驱动件，图6所示的第五连接结构正面用于和驱动件的第二连接结构连接，图7所示的第五连接结构的背面用于和驱动件的第一连接结构连接。根据使用场景，驱动件可以安装在第五连接结构的任何一面。

执行件连接在在机械臂上。根据应用场景，实现机器人的最终执行任务。执行件可以是设置在机械臂的末端，或者任意两个机械臂之间。机器人的执行件一般设置在末端，也被称为机械手爪，是依照人的双手设计的，有类似手的功能。其上可安装有传感器，可用来感知周围的工作环境，通常安装在机械手臂（并联机械手臂或串联机械手臂）之上，作为最后功能执行部件；执行件可以是手爪，根据手爪的指数又可以分为 2 指、3 指、4 指等，还可以是变形的手爪，如吸盘、焊枪等。执行件也可以是杆件，滚轮等。

机架是用于固定机械手的，相当于机器人的基础件。机架可以是固定在某一点的，也可以是移动的。机架内还可以收容控制***等电器元件。

缓冲件为弹性部件，用于机械手在执行过程中，起到缓冲的作用，缓冲件的一端连接在连接件一上，另一端连接在所述连接件二上。

步骤一，根据基本单元搭建机械臂，机械臂包括单自由度臂件、二自由度臂件、单自由度关节和二自由度关节；

图8-9为单自由度臂件的结构示意图；其中单自由度臂件7由一个第一驱动件和一个连接件一2搭建而成，连接件一为具有一定长度的杆件，可以是空心的金属圆管，也可以是方管，在连接件一的两端分别设置有第三连接结构和第四连接结构，并与驱动件的第一连接结构或第二连接结构相互匹配，从而能够使驱动件和能够连接在连接件一的任何一端。另一方面，在单自由度臂件中，可以是驱动件的第一连接结构与连接件一相连，此时，驱动件工作时，连接件一处于转动状态。也可以是驱动件的第二连接结构与连接件一相连，此时，驱动件工作时，连接件一处于静止状态。

图10-11为二自由度臂件的结构示意图；二自由度臂件8由两个驱动件1和一个连接件一2搭建而成，相当于在连接件一的两端各设置有一个驱动件，分别为第一驱动件11和第二驱动件12，此时驱动件和连接件一有三种连接关系，第一种，连接件一的第三连接结构与第一驱动件的第一连接结构连接，连接件一的第四连接结构与第二驱动件的第二连接结构连接。第二种，连接件一的第三连接结构与第一驱动件的第一连接结构连接，连接件一的第四连接结构与第二驱动件的第一连接结构连接，相当于连接件一相对于第一驱动件和第二驱动件都是转动的。第三种，连接件一的第三连接结构与第一驱动件的第二连接结构连接，连接件一的第四连接结构与第二驱动件的第二连接结构连接，相当于连接件一相对于第一驱动件和第二驱动件都是静止的。

图12单自由度关节的结构示意图；单自由度关节9由一个驱动件1和一个连接件二3搭建而成，连接件二包括至少两个相交的平面，优选为两个相互垂直的平面，在两个平面中分别设置有第五连接结构和第六连接结构。并与驱动件的第一连接结构和第二连接结构相互匹配，使第五连接结构和第六连接结构都能够与驱动件的第一连接结构和第二连接结构配合连接，从而能够使驱动件和能够连接在连接件二的任何一面。另一方面，在单自由度关节中，可以是驱动件的第一连接结构与连接件二相连，此时，驱动件工作时，连接件二处于转动状态。也可以是驱动件的第二连接结构与连接件二相连，此时，驱动件工作时，连接件二处于静止状态。

图13二自由度关节的结构示意；其中二自由度关节10由两个驱动件和一个连接件二2搭建而成，相当于在连接件二的两个平面上各设置有一个驱动件，分别为第三驱动件13和第四驱动件14，此时驱动件和连接件二有二种连接关系，第一种，连接件二的第五连接结构与第三驱动件的第一连接结构连接，连接件二的第六连接结构与第四驱动件的第二连接结构连接。第二种，连接件二的第五连接结构与第三驱动件的第二连接结构连接，连接件二的第六连接结构与第四驱动件的第二连接结构连接，相当于连接件二相对于第一驱动件和第二驱动件都是静止的。

步骤二，搭建机械手，机械手包括机械臂、执行件和机架，执行件和机架分别连接在机械臂上，执行件用于执行目标动作，机架用于固定所述机械臂。

机械手至少有1个自由度，特殊的情况，当驱动件的第一连接结构直接与执行件连接，驱动件的第二连接结构与机架连接，形成1个自由度的机械手。

进一步的，机械臂任意组合后，可以形成任意自由度的机械手，比如三自由度机械手，可以是1个单自由度臂件、个二自由度关节、执行件和机架组成的；也可以是1个单自由度关节、1个二自由度臂件、执行件和机架组成的。四自由度机械手，可以是2个单自由度臂件和1个二自由度关节执行件和机架组成；也可以是2个单自由度关节和1个二自由度臂件、执行件和机架组成；也可以是2个单自由度关节和2个二自由度臂件、执行件和机架组成。同理，五自由度机械手也是可以由若干机械臂、执行件和机架经过一定的组合后得到。

步骤三，搭建机器人，按机器人的目标动作需要，将若干机械手装配成相应的机器人。

用本申请的搭建方法完成的机器人搭建作进一步说明。

实施例1

本实施例机器人的搭建通过以下步骤完成：

步骤一：选取若干基本单元，包括驱动件、连接件一、连接件二、机架和执行件；

步骤二：搭建机械臂，搭建若干单自由度臂件、单自由度关节、二自由度臂件和二自由度关节；

步骤三：搭建若干机械手，包括用于行走的机械手一，用于抓取的机械手二和用于滚动的机械手三；

本实施例需要有4个机械手一。

具体的，如图14所示，机械手一11包括1个二自由度关节10，1个单自由度臂件9和1个执行件41。二自由度关节中，连接件二的第五连接结构与第三驱动件的第二连接结构连接，连接件二的第六连接结构与第四驱动件的第一连接结构连接。单自由度臂件中，连接件一的第三连接结构与第一驱动件的第二连接结构连接；连接件一的第四连接结构与第三驱动件的第一连接结构连接，第一驱动件的第二连接结构与执行件连接，本实施例中，执行件为杆件，当第一驱动件的输出轴在顺反转动过程中，执行件同步转动，从而实现行走的功能。第四驱动件的第二连接结构固定在机架上。

本实施例需要2个机械手二。

具体的，如图15所示，机械手二12包括1个执行件，2个二自由度关节，1个单自由度臂件，1个单自由度关节和机架。

二自由度关节一中，连接件二的第五连接结构与第三驱动件的第二连接结构连接，连接件二的第六连接结构与第四驱动件的第二连接结构连接，相当于连接件二的两个连接结构都与驱动件的固定面连接，并且第三驱动件和第四驱动件都连接在连接件二的外侧，第三驱动件的第一连接结构与执行件连接，在机械手二中，执行件为爪手42。

单自由度臂件中，连接件一的第三连接结构与第一驱动件的第一连接结构连接，连接件一的第四连接结构与二自由度关节中的第四驱动件的第一连接结构连接；

二自由度关节二中，连接件二的第五连接结构与第三驱动件的第二连接结构连接，连接件二的第六连接结构与第四驱动件的第一连接结构连接，第四驱动件的第二连接结构与机架连接；

二自由度二关节二与单自由度臂件通过连接件一连接，并在连接件一和二自由度关节二的连接件二之间用缓冲件6进行连接。

本实施例需要4个机械手三。

具体的，如图16所示，机械手三13包括一个驱动件，一个执行件和机架，驱动件的第一连接结构与执行件连接，驱动件的第二连接结构与机架连接，本实施例中，执行件为滚轮43，在驱动件的驱动下，能够在地面滚动。驱动件的第二连接结构通过连接件二固定在机架上。

如图17，最后，将4个机械手一、2个机械手二和4个机械手三组合后固定在机架5上形成本实施例的机器人15，本实施例的机器人在平滑的场地可以用滚轮43进行滚动，在高低不平的场地，可以用4个机械手一进行爬行，2个机械手二用于执行抓取动作。

类似的，根据实际使用场景的需要，根据本实施例的搭建方法，能够搭建得到任意自由度的机器人。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明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发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明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发明范围内。

Claims (10)

1.一种机器人的机构搭建方法，其特征在于，所述机器人通过至少两种基本单元进行搭建，所述基本单元包括驱动件、连接件、执行件和机架；

所述驱动件包括第一连接部和第二连接部、驱动第一连接部相对于第二连接部转动的驱动装置，所述第一连接部上设置有第一连接结构，所述第二连接部上设置有第二连接结构；

所述连接件包括连接件一、连接件二，所述连接件一上设有第三连接结构和第四连接结构；所述连接件二至少包括第五连接结构和第六连接结构，所述第五连接结构和第六连接结构的所在的连接面不在同一平面上；

该方法包括以下步骤：

步骤一，用所述基本单元搭建机械臂，所述机械臂包括臂件和/或关节；

所述臂件由连接件一和驱动件搭建得到，所述臂件包括单自由度臂件和二自由度臂件，所述单自由度臂件为一个驱动件与连接件一相连，所述二自由度臂件为在所述连接件一的第三连接结构和第四连接结构上分别连接有一个驱动件；

步骤二，搭建机械手，所述机械手包括机械臂、执行件和机架，所述执行件和机架分别连接在所述机械臂上，所述执行件用于执行目标动作，所述机架用于固定所述机械臂；

步骤三，搭建机器人，按机器人的目标动作需要，将若干机械手装配成相应的机器人。

2.根据权利要求1所述的一种机器人的机构搭建方法，其特征在于，所述二自由度臂件中，所述连接件一的第三连接结构和第四连接结构分别连接有第一驱动件和第二驱动件，所述连接件一的第三连接结构与所述第一驱动件的第一连接结构相连，所述连接件一的第四连接结构与所述第二驱动件的第二连接结构相连；或所述连接件一的第三连接结构和第四连接结构都与所述驱动件的第一或第二连接结构相连。

3.根据权利要求2所述的一种机器人的机构搭建方法，其特征在于，所述驱动件包括输出轴，所述二自由度臂件中的第一驱动件和第二驱动件的输出轴相互平行或垂直，所述输出轴的转向相同或相反。

4.根据权利要求2所述的一种机器人的机构搭建方法，其特征在于，所述驱动件包括输出轴，所述二自由度臂件中第一驱动件和第二驱动件的输出轴在同一直线上。

5.根据权利要求1所述的一种机器人的机构搭建方法，其特征在于，所述关节由连接件二和驱动件搭建得到，所述关节包括单自由度关节和二自由度关节，所述单自由度关节为一个驱动件与连接件二相连，所述二自由度关节为在所述连接件二的第五连接结构和第六连接结构上分别连接有一个驱动件。

6.根据权利要求5所述的一种机器人的机构搭建方法，其特征在于，所述二自由度关节中，所述连接件二的第五连接结构和第六连接结构分别连接有第三驱动件和第四驱动件，所述连接件二的第五连接结构与所述第三驱动件的第一连接结构相连，所述连接件二的第六连接结构与所述第四驱动件的第二连接结构相连；或所述连接件二的第五连接结构和第六连接结构都与所述驱动件的第一或第二连接结构相连。

7.根据权利要求5所述的一种机器人的机构搭建方法，其特征在于，所述驱动件包括输出轴，所述二自由度关节中的第三驱动件和第四驱动件的输出轴不平行，转向相同或者相反。

8.根据权利要求5所述的一种机器人的机构搭建方法，其特征在于，所述驱动件包括输出轴，所述二自由度臂件中第三驱动件和第四驱动件的输出轴在同一直线上，转向相同或者相反。

9.根据权利要求1所述的一种机器人的机构搭建方法，其特征在于，还包括缓冲件，所述缓冲件为减震部件，所述缓冲件的一端连接在所述连接件一上，另一端连接在所述连接件二上。

10.根据权利要求1所述的一种机器人的机构搭建方法，其特征在于，所述机械手包括机械臂、执行件和机架，所述机械手至少有一个自由度。

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