機械臂及機器人的製作方法

2023-07-21 22:51:32

本發明涉及醫療器械技術領域，特別涉及一種機械臂及機器人。

背景技術：

隨著在醫療機器人及工業機器人等領域虛擬實境技術及主從式操作方式的廣泛應用，機械臂作為機器人的輸入輸出結構，其研究與開發越來越受到重視。機械臂作為主從式操作方式中的主操作輸入設備，該類型設備能夠直接與操作者進行運動信息和力信息的交互，並且能夠實現較為直觀的操作控制。機械臂作為輸出結構時，能夠根據輸入信息命令，完成一些簡單或複雜的動作，以達到人類使用的目的。

就現在世界上較為常用的機械臂主要有兩種構型類型：

(1)串聯結構：各個構件通過關節串聯在一起，具有工作空間大、操控靈活等優點，同時也有不易實現自重力平衡、慣性力大、剛度及調整精度較差等缺點。

(2)並聯結構：各個構件以並聯結構為機構原型，通常與基座連在一起。具有剛度大、精度高、對稱性好、結構緊湊及動力學性能好等優點，同時也有佔用空間大、工作空間小、算法計算困難等缺點。

現如今，世界上應用較為廣泛並且較為成功的主要有美國Gemaqic(原Sensable)公司的Phantom系列和瑞士Force Dimension公司的sigma、omega及delta系列。這兩個公司的產品分別為串聯結構和並聯結構，也就分別存在上述兩種機械臂構型結構存在的問題。當然，世界上還存在一些其他的機械臂結構，但多數為針對特定系統進行的研發設計，通用性不是很強。

我國在機械臂的研究還處於初始階段，國內相關技術研究人員也一直在進行該方面的研究，但還沒有特別具有競爭力和影響力的產品出現，因此若能夠設計出一種具有良好使用性能的機械臂對我國而言具有重大意義。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種機械臂及機器人，以克服使用現有技術中機械臂佔據空間大、剛度及調整精度較差的缺陷。

為解決上述技術問題，本發明提供一種機械臂，所述機械臂包括：支撐部件，與所述支撐部件轉動連接的肩部部件，肘部部件，與肩部部件、所述肘部部件轉動連接的大臂部件，及與所述肘部部件連接的前臂部件；其中，

所述大臂部件包括大臂主骨架及大臂副骨架，所述大臂主骨架、所述大臂副骨架與所述肩部部件、所述肘部部件的連接點依次連接的連線構成平行四邊形。

可選的，在所述的機械臂中，所述大臂主骨架及所述大臂副骨架均為連杆，且所述大臂主骨架與所述大臂副骨架相互平行。

可選的，在所述的機械臂中，所述肘部部件與所述前臂部件相互垂直，並與所述肩部部件相互平行，所述支撐部件與所述肩部部件相互垂直。

可選的，在所述的機械臂中，所述前臂部件水平設置。

可選的，在所述的機械臂中，所述大臂主骨架為連接杆，所述大臂副骨架為柔性傳動結構，所述柔性傳動結構包括第一柔性傳動關節部件、第二柔性傳動關節部件，及套接並分別固定於所述第一柔性傳動關節部件、所述第二柔性傳動關節部件上的柔性傳動傳遞部件，所述第一柔性傳動關節部件與大臂主骨架固定連接，所述第二柔性傳動關節部件與所述肘部部件固定連接。

可選的，在所述的機械臂中，還包括轉軸部件，轉軸安裝部件，通過匹配連接的一組轉軸部件、轉軸安裝部件，所述前臂部件、所述肘部部件轉動連接，形成肘部轉動關節。

可選的，在所述的機械臂中，還包括轉軸部件，轉軸安裝部件，通過匹配連接的一組轉軸部件、轉軸安裝部件，所述支撐部件、所述肩部部件轉動連接，形成肩部轉動關節。

可選的，在所述的機械臂中，還包括轉軸部件，轉軸安裝部件，通過匹配連接的一組或多組轉軸部件、轉軸安裝部件，所述肩部部件與大臂部件轉動連接；通過匹配連接的另一組或多組轉軸部件、轉軸安裝部件，所述大臂部件與 肘部部件轉動連接，形成大臂轉動關節。

可選的，在所述的機械臂中，還包括設置於所述前臂部件上的調姿部件。

可選的，在所述的機械臂中，還包括與所述大臂部件連接的重力平衡部件。

可選的，在所述的機械臂中，所述重力平衡部件為配重塊，所述的配重塊與所述大臂主骨架的延伸段連接。

本發明還公開了一種機器人，包括上述機械臂。

在本發明所提供的機械臂及機器人中，所述機械臂包括支撐部件、與所述支撐部件轉動連接的肩部部件、肘部部件、與肩部部件、所述肘部部件轉動連接的大臂部件及與所述肘部部件連接的前臂部件；其中，所述大臂部件包括大臂主骨架及大臂副骨架，所述大臂主骨架、所述大臂副骨架與所述肩部部件、所述肘部部件的連接點依次連接的連線構成平行四邊形。基於上述結構的排布方式的機械臂具有構型佔據空間小，結構穩固，具有較高的剛度，並能夠實現裝置自身重力的完全配平，從而提高了機械臂操作的精確性、靈活性及舒適性。

附圖說明

圖1是本發明實施例一中機械臂的主視圖；

圖2a是本發明實施例一中大臂部件處於水平狀態時，機械臂的側視圖；

圖2b是本發明實施例一中大臂部件處於向上擺動狀態時，機械臂的側視圖；

圖2c是本發明實施例一中大臂部件處於向下擺動狀態時，機械臂的側視圖；

圖3是本發明實施例二中機械臂的主視圖。

圖中，支撐部件-1；肩部部件-2；大臂部件-3；肘部部件-4；大臂主骨架-30；大臂副骨架-31；第一柔性傳動關節部件-311；第二柔性傳動關節部件-312；柔性傳動傳遞部件-310；前臂部件-5；調姿部件-6；重力平衡部件-7；轉軸部件2-1,2-2，4-1,4-2；肩部轉動關節-R1；大臂轉動關節-R2，R2』；肘部轉動關節-R3。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發明提出的機械臂及機器人作進一步詳細說明。根據下面說明和權利要求書，本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，附圖均採用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地 輔助說明本發明實施例的目的。

在具體說明本發明之前，在此先說明本發明之主要原理與思想，具體為：通過大臂主骨架、大臂副骨架、肩部部件及肘部部件之間連接點依次連接的連線構成平行四邊形；優選，所述肘部部件與所述前臂部件相互垂直，並與所述肩部部件相互平行，所述支撐部件與所述肩部部件相互垂直；優選，所述前臂部件水平設置，使得與所述肘部部件連接的前臂部件在機械臂運動過程中姿態穩定，避免了大臂部件在動態擺動時對前臂部件上調姿部件的影響，從而增加了機械臂操作的靈活性及舒適性。

實施例一

請參考圖1，其為本發明實施例一中機械臂的主視圖，如圖1所示，所述的機械臂包括：支撐部件1，與所述支撐部件1轉動連接的肩部部件2，肘部部件4，與肩部部件2、所述肘部部件4轉動連接的大臂部件3，及與所述肘部部件4連接的前臂部件5；其中，所述大臂部件3包括大臂主骨架30及大臂副骨架31，所述大臂主骨架30、所述大臂副骨架31與所述肩部部件2、所述肘部部件4的連接點依次連接的連線構成平行四邊形，優選所述大臂主骨架30、所述大臂副骨架31與所述肩部部件2、所述肘部部件4構成平行四邊形。優選，所述肘部部件4與所述前臂部件5相互垂直，並與所述肩部部件2相互平行，所述支撐部件1與所述肩部部件2相互垂直，更優選所述前臂部件5水平設置。在本實施例中，所述大臂主骨架30及大臂副骨架31均為連杆，且大臂主骨架30及大臂副骨架31相互平行。此外，肘部部件4垂直水平面設置。在本發明中，肩部部件2及肘部部件4的結構可以根據使用情況的不同，採用多種結構類型，例如U型。

本申請為了使機械臂具有較好的操作靈活性，整個機械臂具有三個關節自由度，這三個關節自由度依次為肩部轉動關節R1水平轉動、大臂轉動關節R2，R2』豎直轉動、肘部轉動關節R3水平轉動，通過三個關節相互之間的運動，可以形成一個三維立體操作空間。其中，通過匹配連接的一組轉軸部件、轉軸安裝部件，所述支撐部件1、所述肩部部件2轉動連接，形成肩部轉動關節R1。例如，所述肩部部件2靠近所述支撐部件1的一端設置有轉軸部件，所述轉軸部件與所述支撐部件1上設置的轉軸安裝部件(例如軸承)匹配連接，以形成 肩部轉動關節R1。通過匹配連接的一組轉軸部件、轉軸安裝部件，所述前臂部件5、所述肘部部件4轉動連接，形成肘部轉動關節R3。例如，所述肘部部件4靠近所述前臂部件5的一端設置有轉軸部件，所述轉軸部件與所述前臂部件5上設置的轉軸安裝部件(例如軸承)匹配連接，以形成肘部轉動關節R3。通過匹配連接的一組或多組轉軸部件、轉軸安裝部件，所述肩部部件2與大臂部件3轉動連接，形成大臂轉動關節R2；通過匹配連接的另一組或多組轉軸部件、轉軸安裝部件，所述大臂部件3與肘部部件4轉動連接，形成大臂轉動關節R2』。例如，所述肩部部件2與所述肘部部件4上均設置有轉軸安裝部件(例如軸承)，固定連接大臂部件3的轉軸部件與所述肩部部件2、肘部部件4上的轉軸安裝部件連接，實現所述大臂部件3與所述轉軸肩部部件2、肘部部件4轉動連接，以形成大臂轉動關節R2，R2』；所述肩部部件2上設置有兩組轉軸安裝部件(圖中看不到轉軸安裝部件的具體位置，僅能看到與轉軸安裝部件配合使用的轉軸部件2-1,2-2)，所述肘部部件4上設置有兩組轉軸安裝部件(圖中看不到轉軸安裝部件的具體位置，僅能看到與轉軸安裝部件配合使用的轉軸部件4-1,4-2)，所述大臂主骨架30的一端通過轉軸部件2-2與所述肩部部件2上設置的一組轉軸安裝部件(圖中看不到轉軸安裝部件的具體位置，僅能看到與轉軸安裝部件配合使用的轉軸部件2-2)配合連接，所述大臂主骨架30的另一端通過轉軸部件4-2與所述肘部部件4上設置的一組轉軸安裝部件配合連接，所述大臂副骨架31的一端通過轉軸部件2-1與所述肩部部件2上設置的另一組轉軸安裝部件配合連接，所述大臂副骨架31的另一端通過轉軸部件4-1與所述肘部部件4上設置的另一組轉軸安裝部件配合連接。很明顯，在大臂部件3端部設置轉軸安裝部件，將設置在所述肩部部件2或所述肘部部件4上的轉軸部件與大臂部件3端部設置的轉軸安裝部件連接也可以實現大臂部件3與所述肩部部件2、所述肘部部件4轉動連接，形成大臂轉動關節R2，R2』。

本實施例的機械臂在應用時，由於平行四邊形結構的存在，在大臂部件3運動過程中，能夠維持前臂部件5上調姿部件6始終處於水平位置，使得操作者操作機械臂更加舒適、精確。具體請結合圖2a～圖2c，其中，圖2a是本發明實施例一中大臂部件3處於水平狀態時，機械臂的側視圖；此時，前臂部件5處於與水平面平行的狀態，而調姿部件由於設置於前臂部件5上，因此調姿部 件同樣會保持水平狀態。

圖2b是本發明實施例一中大臂部件3處於向上擺動狀態時，機械臂的側視圖；由於前部部件與肘部部件4是保持平行且垂直於水平面的，因此在大臂部件3處於向上擺動狀態時，大臂部件3狀態的變化不會影響到前臂部件5的位置，前臂部件5還是維持與水平面平行的狀態。

圖2c是本發明實施例一中大臂部件3處於向下擺動狀態時，機械臂的側視圖；由於前部部件與肘部部件4是保持平行且垂直於水平面的，因此在大臂部件3處於向下擺動狀態時，大臂部件3狀態的變化不會影響到前臂部件5的位置，前臂部件5還是維持與水平面平行的狀態。

進一步地，機械臂還包括設置於所述前臂部件5上的調姿部件6。在調節機械臂的三個關節自由度的目的就是為了最終實現調姿部件的位置精準調整，以便操作者可以靈活的調整調姿部件的位置，可以應用在虛擬實境、醫療以及工業領域中，具有通用性特點。

進一步地，機械臂還包括與所述大臂部件3連接的重力平衡部件7，以實現機械臂的重力配平。本實施例中，所述大臂主骨架30靠近所述肩部部件2的一端有延伸段，所述重力平衡部件7優選為配重塊，所述配重塊與所述延伸段連接，由於重力平衡部件7的存在使得機械臂能夠較好的實現自重平衡。

實施例二

請參考圖3，其為本發明實施例二中機械臂的主視圖。實施例二相比實施例一不同的地方在於大臂部件3中大臂副骨架31的具體結構，如圖3所示，所述大臂主骨架30為連接杆，所述大臂副骨架31為柔性傳動結構，所述柔性傳動結構包括第一柔性傳動關節部件311、第二柔性傳動關節部件312及套接並分別固定於所述第一柔性傳動關節部件311、所述第二柔性傳動關節部件312上的柔性傳動傳遞部件310。其中，所述肩部部件上設置有一組轉軸安裝部件(圖中看不到轉軸安裝部件的具體位置，僅能看到與轉軸安裝部件配合使用的轉軸部件2-2)，所述肘部部件上設置有一組轉軸安裝部件(圖中看不到轉軸安裝部件的具體位置，僅能看到與轉軸安裝部件配合使用的轉軸部件4-2)，所述第一柔性傳動關節部件311及所述大臂主骨架30的一端通過轉軸部件2-2與所述肩部部件2上設置的一組轉軸安裝部件配合連接，且所述第一柔性傳動關節部件311 固定於所述大臂主骨架30上；所述第二柔性傳動關節部件312及所述大臂主骨架30的另一端通過轉軸部件4-2與所述肘部部件4上設置的一組轉軸安裝部件配合連接，且所述第二柔性傳動關節部件312固定於所述肘部部件4上。通過轉軸安裝部件可以實現部件之間的轉動更加穩定，低損耗。這裡所述的轉軸安裝部件優選為軸承，本發明對軸承的選擇沒有特別的限制，本領域技術人員可以根據現有技術選擇具體的軸承類型。同時，應認識到轉軸安裝部件可以設置在第一柔性傳動關節部件311、第二柔性傳動關節部件312、大臂主骨架30上，通過將轉軸部件與所述肩部部件2或所述肘部部件4以及第一柔性傳動關節部件311、第二柔性傳動關節部件312、大臂主骨架30上的轉軸安裝部件連接也可以實現相應部件的轉動連接。這裡所述第一柔性傳動關節部件311和第二柔性傳動關節部件312為配合所述柔性傳動傳遞部件310使用的結構，例如當所述柔性傳動傳遞部件310為絲時，所述第一柔性傳動關節部件311和第二柔性傳動關節部件312為絲輪；當所述柔性傳動傳遞部件310為同步帶時，所述第一柔性傳動關節部件311和第二柔性傳動關節部件312為同步輪。當然對於柔性傳動傳遞部件310不局限於絲和同步帶，只要柔性傳動傳遞部件310能夠套接並固定於第一柔性傳動關節部件311和第二柔性傳動關節部件312上使用，滿足大臂部件3運動時的剛性的同時，柔性傳動傳遞部件310和第一柔性傳遞關節部件311及第二柔性傳動關節部件312在大臂主骨架30支撐下可以構成平行四邊形結構即可。實施例一中的重力平衡機構7也適用於本實施例，不再具體介紹。

相應的，本發明還公開了一種機器人，所述機器人包括上述機械臂。

本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

綜上，在本發明所提供的機械臂及機器人中，所述機械臂包括支撐部件，與所述支撐部件轉動連接的肩部部件，肘部部件，與肩部部件、所述肘部部件轉動連接的大臂部件，及與所述肘部部件連接的前臂部件；其中，所述大臂部件包括大臂主骨架及大臂副骨架，所述大臂主骨架、所述大臂副骨架與所述肩部部件、所述肘部部件的連接點依次連接的連線構成平行四邊形。基於上述結構的排布方式的機械臂具有構型佔據空間小，結構穩固，具有較高的剛度，並能 夠實現裝置自身重力的完全配平，從而提高了機械臂操作的精確性、靈活性及舒適性。

上述描述僅是對本發明較佳實施例的描述，並非對本發明範圍的任何限定，本發明領域的普通技術人員根據上述揭示內容做的任何變更、修飾，均屬於權利要求書的保護範圍。