一种仿人型七自由度机械臂

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一种仿人型七自由度机械臂\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种应用于仿人机器人系统的机械臂，属于机器人领域。\n背景技术\n[0002] 机械臂是实现机器人系统主体与末端执行器连接的重要工具，机械臂的活动范围、负载能力直接影响机器人末端执行器的作业能力。近年来服务型机器人、空间机器人以及特种操作机器人等的迅速发展，对机械臂的性能提出了更高的要求。七自由度机械臂凭借其良好的操作灵活性及避障能力逐渐成为机器人领域的研究热点。目前由美国国家宇航局(NASA)和通用汽车公司(GM)合作研发的机器人宇航员R2已在空间站正式开展工作，其机械臂模块化程度低，不利于部件的维修与更换；欧洲宇航局的DEXARM机械臂其自由度配置不利于其后续更高性能的控制工作。目前国内市场上成熟的机械臂普遍存在重量大、负载能力低、灵活性差、集成度低等的问题，限制了机器人系统末端执行器工作能力的进一步提高。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的是提供一种仿人型七自由度机械臂，以解决现有机械臂重量大、负载能力低、灵活性差、集成度低，限制机器人系统末端执行器工作能力进一步提高的问题。\n[0004] 本发明为解决上述问题采取的技术方案是：\n[0005] 一种仿人型七自由度机械臂，所述机械臂包括机械臂基座、导线、七个臂杆及七个机电一体化的模块化旋转关节；所述七个臂杆分别第一臂杆、第二臂杆、第三臂杆、第四臂杆、第五臂杆、第六臂杆及第七臂杆，所述七个机电一体化的模块化旋转关节分别是第一肩关节、第二肩关节、第一肘关节、第二肘关节、第一腕关节、第二腕关节及第三腕关节；第一肩关节的输入端与机械臂基座固连，第一肩关节的输出端与第一臂杆的输入端固连，第一臂杆的输出端与第二肩关节的输入端固连，第二肩关节的输出端与第二臂杆的输入端固连，第二臂杆的输出端与第一肘关节的输入端固连，第一肘关节的输出端与第三臂杆的输入端固连，第三臂杆的输出端与第二肘关节的输入端固连，第二肘关节的输出端与第四臂杆的输入端固连，第四臂杆的输出端与第一腕关节的输入端固连，第一腕关节的输出端与第五臂杆的输入端固连，第五臂杆的输出端与第二腕关节的输入端固连，第二腕关节的输出端与第六臂杆的输入端固连，第六臂杆的输出端与第三腕关节的输入端固连，第三腕关节的输出端与第七臂杆的输入端固连，第七臂杆的输出端与机械臂的末端执行器固连；第一肩关节的旋转轴线、第二肩关节的旋转轴线和第一肘关节的旋转轴线相交于一点；第一肘关节的旋转轴线、第二肘关节的旋转轴线和第一腕关节的旋转轴线交于一点；第二肩关节的旋转轴线与第二肘关节的旋转轴线空间平行设置；第二腕关节的旋转轴线与第三腕关节的旋转轴线正交设置，第一腕关节的旋转轴线分别与第二腕关节的旋转轴线及第三腕关节的旋转轴线垂直相交；第一肩关节、第二肩关节、第一肘关节、第二肘关节、第一腕关节、第二腕关节及第三腕关节中的每相邻两个关节间通过导线进行电气连接；所述第一肩关节绕第一肩关节的旋转轴线的旋转运动范围为-60°～180°，第二肩关节绕第二肩关节的旋转轴线的俯仰运动范围为-30°～180°；其中第一肩关节的旋转角度和第二肩关节的俯仰角度定义如下：手臂垂直向下位置定义为0°，第一肩关节绕第一肩关节的旋转轴线由手臂垂直向下位置向躯体前方转动的角度定义为正值；所述第一肘关节绕第一肘关节的旋转轴线的旋转运动范围为-150°～150°，第二肘关节绕第二肘关节的旋转轴线的弯曲运动范围为-135°～45°；其中第一肘关节的旋转角度和第二肘关节的弯曲角度定义如下：手臂垂直向下位置定义为0°，第一肘关节绕第一肘关节的旋转轴线由手臂垂直向下位置向躯体外侧转动的角度定义为正值，第二肘关节绕第二肘关节的旋转轴线由手臂垂直向下位置向躯体外侧转动的角度定义为正值；所述第一腕关节绕第一腕关节的旋转轴线的旋转运动范围为-150°～150°，第二腕关节绕第二腕关节的旋转轴线的俯仰运动范围为-90°～90°，第三腕关节绕第三腕关节的旋转轴线的侧摆运动范围为-90°～90°；\n其中第一腕关节的旋转角度、第二腕关节的俯仰角度及第三腕关节的侧摆角度定义如下：\n手臂垂直向下位置定义为0°，第一腕关节绕第一腕关节的旋转轴线由手臂垂直向下位置向躯体外侧转动的角度定义为正值，第二腕关节绕第二腕关节的旋转轴线由手臂垂直向下位置向躯体前方转动的角度定义为正值，第三腕关节绕第三腕关节的旋转轴线由手臂垂直向下位置向躯体外侧转动的角度定义为正值；第一腕关节设有第一腕关节中心孔，第二腕关节设有第二腕关节中心孔，第一肘关节设有第一肘关节中心孔，第二肘关节设有第二肘关节中心孔，第一肩关节设有第一肩关节中心孔，第二肩关节设有第二肩关节中心孔，第一臂杆设有第一臂杆中心孔，第二臂杆设有第二臂杆中心孔，第三臂杆设有第三臂杆中心孔，第四臂杆设有第四臂杆中心孔，第五臂杆设有第五臂杆中心孔，所述机械臂各关节间采用关节中心孔及臂杆中心孔走线的方式，实现机械臂关节间的电气连接；导线的具体走线路径为：导线分别由第三腕关节的驱动板及控制板引出经过第二腕关节中心孔分别与第二腕关节的驱动板及控制板连接，导线再分别由第二腕关节的驱动板及控制板引出经过第五臂杆中心孔和第一腕关节中心孔分别与第一腕关节的驱动板及控制板连接，导线再分别由第一腕关节的驱动板及控制板引出经过第四臂杆中心孔和第二肘关节中心孔分别与第二肘关节的驱动板及控制板连接，导线再分别由第二肘关节的驱动板及控制板引出经过第三臂杆中心孔和第一肘关节中心孔分别与第一肘关节的驱动板及控制板连接，导线再分别由第一肘关节的驱动板及控制板引出经过第二臂杆中心孔和第二肩关节中心孔分别与第二肩关节的驱动板及控制板连接，导线再分别由第二肩关节的驱动板及控制板引出经过第一臂杆中心孔和第一肩关节中心孔分别与第一肩关节的驱动板及控制板连接，导线再分别从第一肩关节的驱动板及控制板引出与机械臂的外部电气系统连接；第七臂杆设有第七臂杆中心孔，第三腕关节设有第三腕关节中心孔，所述机械臂的末端执行器采用关节中心孔及臂杆中心孔走线的方式实现与外部电气系统的连接，具体走线路径为：导线由机械臂的末端执行器引出依次经第七臂杆中心孔、第三腕关节中心孔、第二腕关节中心孔、第五臂杆中心孔、第一腕关节中心孔、第四臂杆中心孔、第二肘关节中心孔、第三臂杆中心孔、第一肘关节中心孔、第二臂杆中心孔、第二肩关节中心孔、第一臂杆中心孔及第一肩关节中心孔与外部电气系统连接。\n[0006] 本发明的有益效果是：本发明具有结构模块化、配置紧凑、重量轻、集成度高、灵活性强、负载能力强、维修维护性强、失电制动、可靠性高等优点。本发明能够实现肩关节的旋转与俯仰，肘关节的旋转与弯曲，腕关节的旋转、俯仰与侧摆；通过设置对应关节的转动范围，实现机械臂与人体手臂相近的工作空间；采用臂杆中心孔及关节中心孔走线的方式，将相邻两关节进行电气连接，实现机械臂电气系统的串联，提高了机器人系统末端执行器工作能力。\n附图说明\n[0007] 图1为本发明的整体结构轴测图；图2是本发明机械臂的主视图；图3是简化的模块化关节轴测图，图4是简化的模块化关节主剖视图；图5a-图5c是模块化关节轴测图，其中图5a为第一肩关节与第二肩关节装配的整体轴测图，图5b为第一肘关节与第二肘关节装配的整体轴测图，图5c为第一腕关节、第二腕关节与第三腕关节装配的整体轴测图；\n图6a-图6f是机械臂相邻关节间电气连线的走线路径剖视图，其中图6a为第一肩关节与第二肩关节之间的走线路径俯视剖视图，图6b为第二肩关节与第一肘关节之间的走线路径右剖视图，图6c为第一肘关节与第二肘关节之间的走线路径右剖视图，图6d为第二肘关节与第一腕关节之间的走线路径右剖视图，图6e为第一腕关节与第二腕关节之间的走线路径主剖视图，图6f为第二腕关节与第三腕关节之间的走线路径剖视图；图7a-图7b为由末端执行器引出的导线在机械臂内部走线路径的剖视图，其中图7a为机械臂内部走线主剖视图，图7b为机械臂内部走线右剖视图；图8是机械臂关节运动范围主视图；图9是图8的右视图；图10是图8的仰视图。\n具体实施方式\n[0008] 具体实施方式一：结合图1、图2、图5a-图5c以及图6a-图6f说明，本实施方式的一种仿人型七自由度机械臂，所述机械臂包括机械臂基座8、导线、七个臂杆、及七个机电一体化的模块化旋转关节；所述七个臂杆分别第一臂杆9、第二臂杆10、第三臂杆11、第四臂杆12、第五臂杆13、第六臂杆14及第七臂杆15，所述七个机电一体化的模块化旋转关节分别是第一肩关节1、第二肩关节2、第一肘关节3、第二肘关节4、第一腕关节5、第二腕关节6及第三腕关节7；第一肩关节1的输入端1-1与机械臂基座8固连，第一肩关节1的输出端1-2与第一臂杆9的输入端9-1固连，第一臂杆9的输出端9-2与第二肩关节2的输入端2-1固连，第二肩关节2的输出端2-2与第二臂杆10的输入端10-1固连，第二臂杆10的输出端10-2与第一肘关节3的输入端3-1固连，第一肘关节3的输出端3-2与第三臂杆\n11的输入端11-1固连，第三臂杆11的输出端11-2与第二肘关节4的输入端4-1固连，第二肘关节4的输出端4-2与第四臂杆12的输入端12-1固连，第四臂杆12的输出端12-2与第一腕关节5的输入端5-1固连，第一腕关节5的输出端5-2与第五臂杆13的输入端13-1固连，第五臂杆13的输出端13-2与第二腕关节6的输入端6-1固连，第二腕关节6的输出端6-2与第六臂杆14的输入端14-1固连，第六臂杆14的输出端14-2与第三腕关节7的输入端7-1固连，第三腕关节7的输出端7-2与第七臂杆15的输入端15-1固连，第七臂杆\n15的输出端15-2与机械臂的末端执行器固连；第一肩关节1的旋转轴线1-3、第二肩关节\n2的旋转轴线2-3和第一肘关节3的旋转轴线3-3相交于一点；第一肘关节3的旋转轴线\n3-3、第二肘关节4的旋转轴线4-3和第一腕关节5的旋转轴线5-3交于一点；第二肩关节\n2的旋转轴线2-3与第二肘关节4的旋转轴线4-3空间平行设置；第二腕关节6的旋转轴线6-3与第三腕关节7的旋转轴线7-3正交设置，第一腕关节5的旋转轴线5-3分别与第二腕关节6的旋转轴线6-3及第三腕关节7的旋转轴线7-3垂直相交；第一肩关节1、第二肩关节2、第一肘关节3、第二肘关节4、第一腕关节5、第二腕关节6及第三腕关节7中的每相邻两个关节间通过导线进行电气连接。\n[0009] 具体实施方式二：结合图1、图2、图6a、图6c及图6f说明，本实施方式所述机械臂基座8与第二肩关节2的旋转轴线2-3的距离H1为220mm，第二肩关节2的旋转轴线2-3与第二肘关节4的旋转轴线4-3的距离H2为400mm，第二肘关节4的旋转轴线4-3与第三腕关节7的旋转轴线7-3的距离H3为400mm，第二腕关节6的旋转轴线6-3与第三腕关节\n7的旋转轴线7-3间的距离H4为115mm。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。\n[0010] 具体实施方式三：结合图3及图4说明，本实施方式的每个机电一体化的模块化旋转关节包括机械系统17-1、失电制动器17-2、电气系统17-3和传感器系统17-4，依次连接并集成为一体，具体结构是：机械系统17-1包括关节固定端17-5、关节输出端17-6、关节传动装置17-7、十字交叉轴承17-8、第一深沟球轴承17-9、第二深沟球轴承17-10及谐波减速器17-11，关节固定端17-5的一端设置在关节输出端17-6内，关节固定端17-5与关节输出端17-6之间通过十字交叉轴承17-8连接，关节传动装置17-7设置在关节固定端17-5内，关节固定端17-5与关节传动装置17-7之间通过第一深沟球轴承17-9和第二深沟球轴承17-10连接，关节传动装置17-7与关节输出端17-6之间通过谐波减速器17-11连接，关节输出端17-6和关节传动装置17-7设有同轴的关节中心孔17-17；失电制动器17-2包括失电制动器外壳17-12及旋转摩擦片17-13，关节固定端17-5的另一端与失电制动器外壳17-12的两个相对应侧面的其中一个侧面固接，旋转摩擦片17-13设置在失电制动器外壳17-12内并与关节传动装置17-7连接；电气系统17-3包括关节驱动板17-14、关节控制板17-15及关节限位块17-16，关节驱动板17-14和关节控制板17-15并列设置并固接，关节驱动板17-14与失电制动器外壳17-12两个相对应侧面的另一个侧面固接，关节限位块\n17-16固定在关节输出端17-6上，导线经过关节中心孔17-17将传感器系统17-4与关节控制板17-15进行连接；关节固定端17-5及关节输出端17-6上各均布设有多个(十二个)螺纹孔17-19，关节固定端17-5及关节输出端17-6上的多个螺纹孔17-19一一对应设置，实现关节与相邻两臂杆的机械连接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。\n[0011] 如图1及图3所示，第一肩关节1与第二肩关节2为同一种类型的旋转关节，第一肘关节3与第二肘关节4为同一种类型的旋转关节，第一腕关节5、第二腕关节6及第三腕关节7为同一种类型的旋转关节；通过改变关节限位块17-16的安装位置可以实现关节不同的转动范围。\n[0012] 具体实施方式四：结合图1、图2、图5a-图5c、图6a-图6c、图6e、图6f、图7a及图7b说明，本实施方式的第一腕关节5设有第一腕关节中心孔5-4，第二腕关节6设有第二腕关节中心孔6-4，第一肘关节3设有第一肘关节中心孔3-4，第二肘关节4设有第二肘关节中心孔4-4，第一肩关节1设有第一肩关节中心孔1-4，第二肩关节2设有第二肩关节中心孔2-4，第一臂杆9设有第一臂杆中心孔9-3，第二臂杆10设有第二臂杆中心孔10-3，第三臂杆11设有第三臂杆中心孔11-3，第四臂杆12设有第四臂杆中心孔12-3，第五臂杆\n13设有第五臂杆中心孔13-3，所述机械臂各关节间采用关节中心孔及臂杆中心孔走线的方式，实现机械臂关节间的电气连接；导线的具体走线路径为：导线分别由第三腕关节7的驱动板7-5及控制板7-6引出经过第二腕关节中心孔6-4分别与第二腕关节6的驱动板\n6-5及控制板6-6连接，导线再分别由第二腕关节6的驱动板6-5及控制板6-6引出经过第五臂杆中心孔13-3和第一腕关节中心孔5-4分别与第一腕关节5的驱动板5-5及控制板\n5-6连接，导线再分别由第一腕关节5的驱动板5-5及控制板5-6引出经过第四臂杆中心孔\n12-3和第二肘关节中心孔4-4分别与第二肘关节4的驱动板4-5及控制板4-6连接，导线再分别由第二肘关节4的驱动板4-5及控制板4-6引出经过第三臂杆中心孔11-3和第一肘关节中心孔3-4分别与第一肘关节3的驱动板3-5及控制板3-6连接，导线再分别由第一肘关节3的驱动板3-5及控制板3-6引出经过第二臂杆中心孔10-3和第二肩关节中心孔2-4分别与第二肩关节的驱动板2-5及控制板2-6连接，导线再分别由第二肩关节2的驱动板2-5及控制板2-6引出经过第一臂杆中心孔9-3和第一肩关节中心孔1-4分别与第一肩关节的驱动板1-5及控制板1-6连接，导线再分别从第一肩关节1的驱动板1-5及控制板1-6引出与机械臂的外部电气系统连接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一、二或三相同。\n[0013] 每个机电一体化的模块化旋转关节结构与申请日为2012年4月28日、申请号为\n2012101310839、名称为《具有失电制动与多种感知功能的机械臂模块化关节》的结构相同。\n[0014] 具体实施方式五：结合图2、图6a-图6c、图6e、图6f及图7b说明，本实施方式的第七臂杆15设有第七臂杆中心孔15-3，第三腕关节7设有第三腕关节中心孔7-4，所述机械臂的末端执行器采用关节中心孔及臂杆中心孔走线的方式实现与外部电气系统的连接，具体走线路径为：导线由机械臂的末端执行器引出依次经第七臂杆中心孔15-3、第三腕关节中心孔7-4、第二腕关节中心孔6-4、第五臂杆中心孔13-3、第一腕关节中心孔5-4、第四臂杆中心孔12-3、第二肘关节中心孔4-4、第三臂杆中心孔11-3、第一肘关节中心孔3-4、第二臂杆中心孔10-3、第二肩关节中心孔2-4、第一臂杆中心孔9-3及第一肩关节中心孔1-4与外部电气系统连接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式四相同。\n[0015] 具体实施方式六：结合图1及图6a说明，本实施方式所述第一肩关节1绕第一肩关节1的旋转轴线1-3的旋转运动范围为-60°～180°，第二肩关节2绕第二肩关节2的旋转轴线2-3的俯仰运动范围为-30°～180°；其中第一肩关节1的旋转角度和第二肩关节2的俯仰角度定义如下：手臂垂直向下位置定义为0°，第一肩关节1绕第一肩关节1的旋转轴线1-3由手臂垂直向下位置向躯体前方转动的角度定义为正值，满足了机械臂肩部旋转运动的设计要求，第二肩关节2绕第二肩关节2的旋转轴线2-3由手臂垂直向下位置向躯体外侧转动的角度定义为正值，满足了机械臂肩部俯仰运动的设计要求。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一、二或三相同。\n[0016] 具体实施方式七：结合图1、图6b及图6c说明，本实施方式所述第一肘关节3绕第一肘关节3的旋转轴线3-3的旋转运动范围为-150°～150°，第二肘关节4绕第二肘关节4的旋转轴线4-3的弯曲运动范围为-135°～45°；其中第一肘关节3的旋转角度和第二肘关节4的弯曲角度定义如下：手臂垂直向下位置定义为0°，第一肘关节3绕第一肘关节3的旋转轴线3-3由手臂垂直向下位置向躯体外侧转动的角度定义为正值，满足了机械臂肩部俯仰运动的设计要求，第二肘关节4绕第二肘关节4的旋转轴线4-3由手臂垂直向下位置向躯体外侧转动的角度定义为正值，满足了机械臂肘部弯曲运动的设计要求。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式六相同。\n[0017] 具体实施方式八：结合图1及图6d-图6f说明，本实施方式所述第一腕关节5绕第一腕关节5的旋转轴线5-3的旋转运动范围为-150°～150°，第二腕关节6绕第二腕关节6的旋转轴线6-3的俯仰运动范围为-90°～90°，第三腕关节7绕第三腕关节7的旋转轴线7-3的侧摆运动范围为-90°～90°；其中第一腕关节5的旋转角度、第二腕关节6的俯仰角度及第三腕关节7的侧摆角度定义如下：手臂垂直向下位置定义为0°，第一腕关节5绕第一腕关节5的旋转轴线5-3由手臂垂直向下位置向躯体外侧转动的角度定义为正值，满足了机械臂腕部旋转运动的设计要求，第二腕关节6绕第二腕关节6的旋转轴线6-3由手臂垂直向下位置向躯体前方转动的角度定义为正值，满足了机械臂腕部俯仰运动的设计要求，第三腕关节7绕第三腕关节7的旋转轴线7-3由手臂垂直向下位置向躯体外侧转动的角度定义为正值，满足了机械臂腕部侧摆运动的设计要求。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式七相同。