本发明专利技术提供了基于三并联球面关节的仿生机械臂，包括基座、大臂和小臂，肩关节包括肩关节运动块以及肩关节驱动机构，肩关节驱动机构安装在基座上，通过肩关节驱动机构驱动肩关节运动块实现球面上的三自由度运动，大臂后端固定连接在肩关节运动块上；腕关节包括腕关节运动块以及腕关节驱动机构，腕关节驱动机构安装在小臂前端，通过腕关节驱动机构驱动腕关节运动块实现球面上的三自由度运动。本发明专利技术相对于现有技术的优点：实现了在保证肩关节和腕关节完成球面上的三自由度运动的同时，减轻了机械臂运动部分的重量，从而能够实现关节的快速动作，并获得了更大的有效载荷密度。并获得了更大的有效载荷密度。并获得了更大的有效载荷密度。
【技术实现步骤摘要】
基于三并联球面关节的仿生机械臂
[0001]本专利技术涉及工业机械臂
，更具体地说是基于三并联球面关节的仿生机械臂。
技术介绍
[0002]机械臂作为工业机器人的典型代表，经过几十年的发展，在汽车制造、农业、医疗救援、军事和空间探索等众多领域得到了广泛的应用；近年来，通过搭载视觉传感器，多家公司推出了双臂机器人，以完成工件装配、服务等复杂的任务。然而，当前多自由度机械臂的研究大都集中在如何通过对控制的优化设计以及新技术的应用来提高机械臂的性能和应用范围，对机械臂的基本结构关注的较少，采用的多是单自由度旋转关节或移动关节串联而成，并且将电机安装在关节处直接驱动，在完成特定轨迹的工作时，由于关节处电机的自重带来的转动惯量的增大，对运动时能量的损耗巨大，导致目前机械臂的有效载荷密度很难大于1；且机械臂运动过程中，单自由度旋转关节往往不断进行转动方向切换，电机启停和换向频繁，无法保持在高速运动的理想状态和利用电机的高速特性。
技术实现思路
[0003]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于三并联球面关节的仿生机械臂，以实现在保证肩关节和腕关节完成球面上的三自由度运动的同时，减轻了机械臂运动部分的重量，从而能够实现关节的快速动作，并获得更大的有效载荷密度。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0005]基于三并联球面关节的仿生机械臂，包括基座、大臂和小臂，基座与大臂后端之间通过肩关节实现连接，大臂前端与小臂后端之间通过肘关节实现连接，小臂前端设有腕关节，所述肩关节包括肩关节运动块以及肩关节驱动机构，肩关节驱动机构安装在基座上，通过肩关节驱动机构驱动肩关节运动块实现球面上的三自由度运动，大臂后端固定连接在肩关节运动块上；所述腕关节包括腕关节运动块以及腕关节驱动机构，腕关节驱动机构安装在小臂前端，通过腕关节驱动机构驱动腕关节运动块实现球面上的三自由度运动。
[0006]作为上述机械臂的优选方案，所述肩关节驱动机构包括三个转动设置在基座上的肩关节主动件，三个肩关节主动件同轴布置且相互独立，三个肩关节主动件上分别设有肩关节主动连杆，肩关节主动连杆沿着与肩关节主动件轴心线相平行的方向延伸，三个肩关节主动连杆位于同一个圆周上，三个肩关节主动连杆通过三个肩关节活动连杆与肩关节运动块相连接，三个肩关节活动连杆均为弯曲连杆，三个肩关节活动连杆一端分别通过第二铰接轴铰接在三个肩关节主动连杆上，三个肩关节活动连杆另一端分别通过第三铰接轴铰接在肩关节运动块的外围，三根第二铰接轴的轴心线和三根第三铰接轴的轴心线均指向一个球的球心，通过设置在基座上的三组独立的肩关节驱动装置一一对应的驱动三个肩关节主动件独立转动，在三个肩关节活动连杆的作用下，从而带动肩关节运动块实现在球面上的三自由度运动。
[0007]作为上述机械臂的优选方案，所述腕关节驱动机构包括环形导轨、三个腕关节主动件，环形导轨固定在小臂前端，三个腕关节主动件沿着环形导轨的周向分布，三个腕关节主动件分别滑动设置在环形导轨上且能沿着环形导轨周向滑动，三个腕关节主动件底部分别设有腕关节主动连杆，三个腕关节主动连杆通过三个腕关节活动连杆与腕关节运动块相连接，三个腕关节活动连杆均为弯曲连杆，三个腕关节活动连杆一端分别通过第四铰接轴铰接在三个腕关节主动连杆上，三个腕关节活动连杆另一端分别通过第五铰接轴铰接在腕关节运动块的外围，三根第四铰接轴的轴心线和三根第五铰接轴的轴心线均指向另一个球的球心，通过设置在基座上的三组独立的腕关节驱动装置一一对应的驱动三个腕关节主动件沿着环形导轨周向滑动，在三个腕关节活动连杆的作用下，从而带动腕关节运动块实现在球面上的三自由度运动。
[0008]作为上述机械臂的优选方案，所述肘关节为第六铰接轴，小臂后端与大臂前端之间通过第六铰接轴相铰接，第六铰接轴固定在小臂上，大臂的穿孔中转动设有第一铰接轴，第六铰接轴与第一铰接轴相平行，第六铰接轴与第一铰接轴之间通过四连杆机构相连接，通过安装在基座上的肘关节驱动机构驱动第一铰接轴转动，在四连杆机构的带动下，从而带动第六铰接轴转动，进而带动小臂绕着第六铰接轴的轴心线转动。
[0009]作为上述机械臂的优选方案，每组所述肩关节驱动装置包括肩关节电机、肩关节主动齿轮、肩关节从动齿轮，肩关节电机的输出轴上固定安装肩关节主动齿轮，肩关节主动齿轮与肩关节从动齿轮相啮合；所述肘关节驱动机构包括肘关节电机、肘关节主动齿轮、肘关节从动齿轮，肘关节电机的输出轴上固定安装肘关节主动齿轮，肘关节主动齿轮与肘关节从动齿轮相啮合；三组肩关节驱动装置的三个肩关节从动齿轮和肘关节从动齿轮同轴依次布置，肘关节从动齿轮的齿轮轴和三个肩关节从动齿轮的齿轮轴由内向外同轴套装，且相邻齿轮轴之间间隙配合，三个肩关节从动齿轮的齿轮轴与三个肩关节主动件一一对应地固定连接，肘关节从动齿轮的齿轮轴伸出三个肩关节主动件后通过万向节与第一铰接轴相连接；三个肩关节主动齿轮分别分布在对应的肩关节从动齿轮外围，肘关节主动齿轮分布在肘关节从动齿轮外围。
[0010]作为上述机械臂的优选方案，三组所述肩关节驱动装置的三个肩关节从动齿轮和肘关节从动齿轮沿竖直方向从上往下依次布置，相邻的从动齿轮之间通过第一滚子轴承实现转动支撑，位于最下方的肩关节主动件为底层肩关节主动件，底层肩关节主动件外周开有一圈环形的安装凹槽，底层肩关节主动件通过置于安装凹槽中的第二滚子轴承实现与基座的转动安装。
[0011]作为上述机械臂的优选方案，所述肘关节从动齿轮底部固定有支撑法兰，支撑法兰通过轴承转动安装在基座上。
[0012]作为上述机械臂的优选方案，所述四连杆机构由依次铰接的肘关节主动件、肘关节连杆、肘关节从动件、大臂构成，第一铰接轴依次穿过肩关节运动块和大臂上的穿孔后与肘关节主动件固定连接，肘关节从动件固定在第六铰接轴上。
[0013]作为上述机械臂的优选方案，所述腕关节驱动机构中，环形导轨上设有三组独立的弧形凹槽，三组弧形凹槽中分别滑动置放有三组独立的牵引丝，三组牵引丝中段分别与三个腕关节主动件固定连接，每组牵引丝两端从环形导轨内侧引出，通过设置在基座上的三组独立的腕关节驱动装置一一对应的驱动三组牵引丝沿着环形导轨上对应的弧形凹槽
滑动，从而带动对应的腕关节主动件沿着环形导轨周向滑动。
[0014]与已有技术相比，本专利技术有益效果体现在：
[0015]1、本专利技术提供的基于三并联球面关节的仿生机械臂，其肩关节的肩关节运动块设计为能在肩关节驱动机构的驱动下实现球面上的三自由度运动；同时腕关节的腕关节运动块设计为能在腕关节驱动机构的驱动下实现球面上的三自由度运动；与人类的手臂的自由度完全相吻合，实现了该机械臂的多自由度运动，提高了该机械臂的性能和应用范围；此外，将肩关节驱动机构和腕关节驱动机构设置在基座上，各驱动机构不参与机械臂的运动，有效减轻了机械臂的无效载荷，从而能够实现关节的快速动作，并获得更大的有效载荷密度。
[0016]2、本专利技术提供的基于三并联球面关节的仿生机械臂，其肩关节驱动机构中，通过三组本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.基于三并联球面关节的仿生机械臂，包括基座(1)、大臂(2)和小臂(3)，基座(1)与大臂(2)后端之间通过肩关节实现连接，大臂(2)前端与小臂(3)后端之间通过肘关节实现连接，小臂(3)前端设有腕关节，其特征在于：所述肩关节包括肩关节运动块(4)以及肩关节驱动机构，肩关节驱动机构安装在基座(1)上，通过肩关节驱动机构驱动肩关节运动块(4)实现球面上的三自由度运动，大臂(2)后端固定连接在肩关节运动块(4)上；所述腕关节包括腕关节运动块(6)以及腕关节驱动机构，腕关节驱动机构安装在小臂(3)前端，通过腕关节驱动机构驱动腕关节运动块(6)实现球面上的三自由度运动。2.如权利要求1所述的基于三并联球面关节的仿生机械臂，其特征在于：所述肩关节驱动机构包括三个转动设置在基座(1)上的肩关节主动件(7)，三个肩关节主动件(7)同轴布置且相互独立，三个肩关节主动件(7)上分别设有肩关节主动连杆(8)，肩关节主动连杆(8)沿着与肩关节主动件(7)轴心线相平行的方向延伸，三个肩关节主动连杆(8)位于同一个圆周上，三个肩关节主动连杆(8)通过三个肩关节活动连杆(9)与肩关节运动块(4)相连接，三个肩关节活动连杆(9)均为弯曲连杆，三个肩关节活动连杆(9)一端分别通过第二铰接轴铰接在三个肩关节主动连杆(8)上，三个肩关节活动连杆(9)另一端分别通过第三铰接轴铰接在肩关节运动块(4)的外围，三根第二铰接轴的轴心线和三根第三铰接轴的轴心线均指向一个球的球心，通过设置在基座(1)上的三组独立的肩关节驱动装置一一对应的驱动三个肩关节主动件(7)独立转动，在三个肩关节活动连杆(9)的作用下，从而带动肩关节运动块(4)实现在球面上的三自由度运动。3.如权利要求1所述的基于三并联球面关节的仿生机械臂，其特征在于：所述腕关节驱动机构包括环形导轨(26)、三个腕关节主动件(27)，环形导轨(26)固定在小臂(3)前端，三个腕关节主动件(27)沿着环形导轨(26)的周向分布，三个腕关节主动件(27)分别滑动设置在环形导轨(26)上且能沿着环形导轨(26)周向滑动，三个腕关节主动件(27)底部分别设有腕关节主动连杆(28)，三个腕关节主动连杆(28)通过三个腕关节活动连杆(29)与腕关节运动块(6)相连接，三个腕关节活动连杆(29)均为弯曲连杆，三个腕关节活动连杆(29)一端分别通过第四铰接轴铰接在三个腕关节主动连杆(28)上，三个腕关节活动连杆(29)另一端分别通过第五铰接轴铰接在腕关节运动块(6)的外围，三根第四铰接轴的轴心线和三根第五铰接轴的轴心线均指向另一个球的球心，通过设置在基座(1)上的三组独立的腕关节驱动装置一一对应的驱动三个腕关节主动件(27)沿着环形导轨(26)周向滑动，在三个腕关节活动连杆(29)的作用下，从而带动腕关节运动块(6)实现在球面上的三自由度运动。4.如权利要求2所述的基于三并联球面关节的仿生机械臂，其特征在于：所述肘关节为第六铰接轴，小臂(3)后端与大臂(2)前端之间通过第六铰接轴相铰接，第六铰接轴固定在小臂(3)上，大臂(2)的穿孔中转动设有第一铰接轴(5)，第六铰接轴与第一铰接轴(5)相平行，...
【专利技术属性】
技术研发人员：王晓杰，胡宇航，谢超，
申请(专利权)人：常州先进制造技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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