一種用於機器人手臂的旋轉擺動機構、機器人手臂及機器人的製作方法

2023-07-11 09:10:36

本發明涉及機器人領域，特別涉及一種用於機器人手臂的旋轉擺動機構、機器人手臂及機器人。

背景技術：

隨著科技的進步，機器人的研究應用領域在不斷擴展，其中仿人型機器人的研究和應用尤其受到普遍關注，並成為智慧機器人領域中最活躍的研究熱點之一，仿人型機器人主要是通過機器人手臂完成任務，但是現有的許多機器人手臂存在關節結構臃腫和控制繁瑣等缺點。

例如中國專利(CN101780673B)公開的一種輕型服務機器人手臂，其通過減速機和電機配合驅動各關節動作，使得該機器人手臂結構複雜，另外，由於受機器人手臂安裝空間限制，減速機只能採用微小型的減速機傳動實現手臂擺動功能，但是微小型的減速機的價格較高。

技術實現要素：

本發明的主要目的在於提供了一種結構簡單和緊湊，且降低生產成本的用於機器人手臂的旋轉擺動機構和包含有該旋轉擺動機構的機器人手臂以及包含該機器人手臂的機器人。

為達到以上目的，本發明提供了一種用於機器人手臂的旋轉擺動機構，包括第一電機、第一連接件、連接座、轉動滑輪、固定滑輪、旋轉座、支撐軸、第一牽引繩、第二牽引繩、第一滑輪和第二滑輪，所述第一電機固定在所述第一連接件上，且所述第一電機的輸出軸穿過所述第一連接件套接所述轉動滑輪，所述第一連接件上還固定有所述連接座，所述連接座上固定有所述支撐軸，所述支撐軸的軸線和所述轉動滑輪的軸線相互垂直，所述支撐軸上套設有所述旋轉座，所述旋轉座和所述支撐軸能夠相互轉動，並且所述旋轉座和所述第一連接件分別位於所述轉動滑輪的兩側，所述旋轉座上還固定有所述固定滑輪，所述固定滑輪和所述支撐軸同軸設置；

所述轉動滑輪外側面上設置有第一卡槽，所述固定滑輪外側面上設置有第二卡槽，所述第一牽引繩的第一端和所述第二牽引繩的第一端均固定在所述第一卡槽內，所述第一牽引繩和所述第二牽引繩分別從所述第一卡槽的兩側且沿著所述轉動滑輪的切向延伸至所述固定滑輪所在的平面，其中所述第一牽引繩通過所述第一滑輪換向，所述第二牽引繩通過所述第二滑輪換向，之後所述第一牽引繩和所述第二牽引繩分別沿著所述固定滑輪的切向延伸至所述固定滑輪兩側，最後所述第一牽引繩第二端和所述第二牽引繩第二端分別從所述第二卡槽兩側且沿著所述固定滑輪的周向延伸至所述第二卡槽內並固定，其中所述第一牽引繩和所述第二牽引繩不相交。

進一步，所述連接座呈L型，包括相互垂直的第一支板和第二支板，所述支撐軸固定在所述第二支板上，所述第二支板和所述固定滑輪分別位於所述旋轉座兩側，所述第一支板位於所述轉動滑輪和所述第一連接件之間，且所述第一支板固定在所述第一連接件上。

進一步，所述轉動滑輪外側面上設置第一環形槽，所述第一環形槽沿所述轉動滑輪周向分布設置，且所述第一環形槽分別與所述第一牽引繩和所述第二牽引繩配合，所述固定滑輪外側面上設置有第二環形槽，所述第二環形槽沿所述固定滑輪周向分布設置，且所述第二環形槽分別與所述第一牽引繩和所述第二牽引繩配合；

所述第一滑輪外側面上設置有與所述第一牽引繩配合的第三環形槽，所述第一滑輪套設在所述第一銷軸上，所述第一銷軸固定在所述第一滑輪座上，所述第一滑輪座固定在所述第一支板上，所述第二滑輪外側面上設置有與所述第二牽引繩配合的第四環形槽，所述第二滑輪套設在所述第二銷軸上，所述第二銷軸固定在所述第二滑輪座上，所述第二滑輪座固定在所述所述第一支板上。

進一步，所述第一滑輪軸心和所述第二滑輪軸心的連線分別與所述轉動滑輪的軸線和所述固定滑輪的軸線相互垂直。

進一步，所述第一牽引繩和所述第二牽引繩均為相同結構的牽引繩。

進一步，所述第一牽引繩和所述第二牽引繩均為鋼絲材料製成的牽引繩。

進一步，所述旋轉座通過兩個軸承套設在所述支撐軸上。

本發明還提供了一種機器人手臂，包括一旋轉擺動機構，以及一大臂殼體、一小臂殼體和一手部殼體；

所述大臂殼體連接所述小臂殼體的一端，連接在所述旋轉座上；

所述小臂殼體連接所述大臂殼體的一端，套設在所述第一連接件外，且所述第一電機位於所述小臂殼體內部；所述手部殼體與所述小臂殼體為一體化結構或組裝結構；

或者，所述大臂殼體遠離所述小臂殼體的一端，套設在所述第一連接件外，且所述第一電機位於所述大臂殼體內；所述大臂殼體、所述小臂殼體和所述手部殼體三者之間為組裝結構和/或一體化結構。

進一步，所述用於機器人手臂的旋轉擺動機構還包括第二電機、第二連接件和法蘭，所述法蘭固定在所述旋轉座上，所述法蘭連接所述第二電機的輸出軸，所述第二電機的輸出軸軸線與所述支撐軸軸線相互垂直，其中所述第二電機固定在所述第二連接件上，所述第二連接件位於所述第二電機和所述法蘭之間；

所述大臂殼體連接所述小臂殼體的一端，套接在第二連接件外，且所述第二電機位於所述大臂殼體內部。

本發明還提供了一種機器人，包括上身殼體和兩條所述機器人手臂，兩機器人手臂分別通過一所述旋轉擺動機構連接上身殼體；

所述大臂殼體連接所述上身殼體的一端，套設在所述第一連接件外；且所述第一電機位於所述大臂殼體內部；

所述上身殼體連接所述大臂殼體的一端，連接在所述旋轉座上。

本發明還提供了一種機器人，包括一上身殼體和兩條機器人手臂，兩機器人手臂分別通過一所述旋轉擺動機構連接上身殼體；

所述大臂殼體連接所述上身殼體的一端，套設在所述第一連接件外；且所述第一電機位於所述大臂殼體內部；

所述上身殼體連接所述大臂殼體的一端，套設在所述第二連接件外，且所述第二電機位於所述上身殼體內部。

本發明提供了如下優點：

(1)本發明的旋轉擺動機構結構緊湊，另外旋轉擺動機構可組裝完成後再安裝到大臂殼體和小臂殼體之間，以及大臂殼體和上身殼體之間，提高了安裝效率。

(2)本發明用以模擬人體肘關節和肩關節的動作，其中肘關節具有兩個自由度，肩膀具有兩個自由度。

(3)本發明的轉動滑輪和固定滑輪之間通過第一牽引繩和第二牽引繩配合連接，代替了傳統機械換向結構，因此大大降低了旋轉擺動機構的成本。

以下結合附圖及實施例進一步說明本發明。

附圖說明

圖1為本發明所述旋轉擺動機構的爆炸圖；

圖2為本發明所述機器人手臂的結構示意圖；

圖3為本發明所述機器人的結構示意圖；

圖4為本發明所述旋轉擺動機構的工作原理圖。

具體實施方式

以下描述用於揭露本發明以使本領域技術人員能夠實現本發明。以下描述中的優選實施例只作為舉例，本領域技術人員可以想到其他顯而易見的變形。在以下描述中界定的本發明的基本原理可以應用於其他實施方案、變形方案、改進方案、等同方案以及沒有背離本發明的精神和範圍的其他技術方案。

參見圖1，示出了根據本發明優選實施例所述的一種用於機器人手臂的旋轉擺動機構，包括第一電機401、第一連接件402、連接座429、轉動滑輪408、固定滑輪413、旋轉座416、支撐軸415、第一牽引繩409、第二牽引繩428、第一滑輪424和第二滑輪406，第一電機401固定在第一連接件402上，且第一電機401的輸出軸穿過第一連接件402套接轉動滑輪408，即轉動滑輪408和第一電機401的輸出軸同軸設置，第一連接件402上還固定有連接座429，連接座429上固定有支撐軸415，支撐軸415的軸線和轉動滑輪408的軸線相互垂直，支撐軸415上套設有旋轉座416，旋轉座416和支撐軸415能夠相互轉動，其中旋轉座416位置固定，且不發生轉動，即支撐軸415能夠繞著自身軸線轉動，並且旋轉座416和第一連接件402分別位於轉動滑輪408的兩側，旋轉座416上還固定有固定滑輪413，即固定滑輪413也不發生轉動，固定滑輪413和支撐軸415同軸設置，即固定滑輪413的軸線和轉動滑輪408的軸線相互垂直。轉動滑輪408外側面上設置有第一卡槽417，固定滑輪413外側面上設置有第二卡槽412，第一牽引繩409的第一端和第二牽引繩428的第一端均通過端頭410固定在第一卡槽417內，第一牽引繩409和第二牽引繩428分別從第一卡槽417的兩側且沿著轉動滑輪408的切向延伸至固定滑輪413所在的平面，其中第一牽引繩409通過第一滑輪424換向，第二牽引繩428通過第二滑輪406換向，之後第一牽引繩409和第二牽引繩428分別沿著固定滑輪413的切向延伸至固定滑輪413兩側，最後第一牽引繩409第二端和第二牽引繩428第二端分別從第二卡槽412兩側且沿著固定滑輪413的周向延伸至第二卡槽412內，且第一牽引繩409第二端和第二牽引繩428第二端均通過端頭410固定在第二卡槽412內，其中第一牽引繩409和第二牽引繩428不相交。

連接座429呈L型，包括相互垂直的第一支板403和第二支板420，支撐軸415固定在第二支板420上，第二支板420和固定滑輪413分別位於旋轉座416兩側，第一支板403位於轉動滑輪408和第一連接件402之間，且第一支板403固定在第一連接件402上，第一支板403上還設置有避讓孔419。

在本實施例中，第一支板403和第二支板420為一體化結構。

在其它實施例中，第一支板403和第二支板420為組裝結構。

轉動滑輪408外側面上設置第一環形槽418，第一環形槽418沿轉動滑輪408周向分布設置，且第一環形槽418分別與第一牽引繩409和第二牽引繩428配合，固定滑輪413外側面上設置有第二環形槽411，第二環形槽411沿固定滑輪413周向分布設置，且第二環形槽411分別與第一牽引繩409和第二牽引繩428配合。

第一滑輪424外側面上設置有與第一牽引繩409配合的第三環形槽425，第三環形槽425沿第一滑輪424周向分布設置，第一滑輪424套設在第一銷軸427上，第一銷軸427固定在第一滑輪座426上，第一滑輪座426固定在第一支板403上，第二滑輪406外側面上設置有與第二牽引繩428配合的第四環形槽407，第四環形槽407沿第二滑輪406周向分布設置，第二滑輪406套設在第二銷軸405上，第二銷軸405固定在第二滑輪座404上，第二滑輪座404固定在第一支板403上。

第一滑輪424軸心和第二滑輪406軸心的連線分別與轉動滑輪408的軸線和固定滑輪413的軸線相互垂直。

旋轉座416可通過兩個軸承414套設在支撐軸415上。

在本實施例中，第一牽引繩409和第二牽引繩428為相同結構的牽引繩，即第一牽引繩409和第二牽引繩428的直徑、材料和長度均相同，其中第一牽引繩409和第二牽引繩428均為鋼絲材料製成的牽引繩。另外，轉動滑輪408和固定滑輪413為相同結構的滑輪，第一滑輪424和第二滑輪406可為相同結構的滑輪，第一銷軸427和第二銷軸405可為相同結構的銷軸，以及第一滑輪座426和第二滑輪座404可為相同結構的滑輪座。

在其它實施例中，第一滑輪424的直徑和第二滑輪406的直徑不相等。

在其它實施例中，轉動滑輪408的直徑和固定滑輪413的直徑不相等。

參見圖2，示出了一種機器人手臂，包括一個旋轉擺動機構，以及大臂殼體100、小臂殼體200和手部殼體300，大臂殼體100連接小臂殼體200的一端，連接在旋轉座416上，小臂殼體200連接大臂殼體100的一端，套設在第一連接件402外，且第一電機401位於小臂殼體200內部；手部殼體300與小臂殼體200可為一體化結構或組裝結構。

在其它實施例中，大臂殼體100遠離小臂殼體200的一端，套設在第一連接件402外，且第一電機401位於大臂殼體100內，大臂殼體100、小臂殼體200和手部殼體300三者之間為組裝結構和/或一體化結構。

參見圖2，用於機器人手臂的旋轉擺動機構還包括第二電機421、第二連接件422和法蘭423，法蘭423固定在旋轉座416上，法蘭423連接第二電機421的輸出軸，第二電機421的輸出軸軸線與支撐軸415軸線相互垂直，其中第二電機421固定在第二連接件422上，第二連接件422位於第二電機421和法蘭423之間，此時，大臂殼體100連接小臂殼體200的一端，可套接在第二連接件422外，且第二電機421位於大臂殼體100內部。

第一電機401的輸出軸和第二電機421的輸出軸可同軸設置。

第一電機401和第二電機421可均為直流無刷行星減速電機。

參考圖3，示出了一種機器人，包括一上身殼體500和兩機器人手臂，兩機器人手臂分別通過一旋轉擺動機構連接上身殼體500，大臂殼體100連接上身殼體500的一端，套設在此處的旋轉擺動機構中的第一連接件402外；且第一電機401位於大臂殼體100內部，上身殼體500連接大臂殼體100的一端，套設在此處的旋轉擺動機構中的第二連接件422外，且第二電機421位於上身殼體500內部，值得注意的是，上身殼體500和機器人手臂之間還可採用不同於本實施例中旋轉擺動機構的裝置進行連接，並且該裝置能夠帶動機器人手臂擺動和旋轉。

在其它實施例中，上身殼體500連接大臂殼體100的一端，連接在旋轉座416上。

圖4為旋轉擺動機構的工作原理圖，其中圓a為固定滑輪413，M為圓a的圓心，圓b為轉動滑輪408，N為圓b的圓心，圓b可繞圓心N作圓周運動，圓e為第一滑輪424，E為圓e的圓心，圓e可繞圓心E作圓周運動，圓f為第二滑輪406，F為圓f的圓心，圓f可繞圓心F作圓周運動，ASDGR連成的線段為第一牽引繩409，SD與圓a相切於S點，SD與圓e相切於D點，GR與圓b相切於R點，GR與圓e相切於G點，KUHCB連成的線段為第二牽引繩428，BC與圓a相切於B點，BC與圓f相切於C點，HU與圓b相切於U點，HU與圓f相切於H點，圓a的直徑和圓b的直徑相等，圓e的直徑和圓f的直徑相等，圖中圓a的軸線和圓b的軸線相交於一點O，即MO⊥NO，EF⊥MO，EF⊥NO。

現參考圖4，並結合圖1和圖2介紹旋轉擺動機構的工作原理：

第一電機401帶動圓b沿2方向轉動，使旋轉擺動機構從實線5表示的運動狀態運動到虛線5』表示的運動狀態，其中第一牽引繩409在圓b上貼合的長度增加，且增加的長度為劣弧RR』，劣弧RR』對應的角度為∠RN』R』，此時圓b轉動的角度為∠RN』R』，第一牽引繩409長度的改變使圓e繞圓心E且朝著箭頭3方向作圓周運動，第一牽引繩409在圓b增加的長度等於第一牽引繩409在圓a上減少的長度，故第一牽引繩409在圓a上的切點從S變為S』，即第一牽引繩409在圓a上減少的長度為劣弧SS』，劣弧SS』對應的角度為∠SMS』，由已知可得∠SMS』＝∠RN』R』，由於圓a位置固定，且不發生轉動，且第一牽引繩409在圓a上減少的長度使圓b繞OM且朝箭頭1的方向作圓周運動，該圓周運動的角度為∠NO』N』，其中∠NO』N』＝∠SMS』＝∠RN』R』。同理，第一電機401帶動圓b沿2方向轉動後，第二牽引繩428在圓b上貼合的長度減少，該減少的長度為劣弧UU』，劣弧UU』對應的角度為∠UN』U』，其中∠UN』U』＝∠RN』R』，第二牽引繩428長度的改變使圓f繞圓心F且朝著箭頭4方向作圓周運動，其中圓f的轉動方向和圓e的轉動方向相反，第二牽引繩428在圓b上減少的長度等於第二牽引繩428在圓a上增加的長度，故第二牽引繩428在圓a上的切點從B變為B』，即第二牽引繩428在圓a上增加的長度為劣弧BB』，劣弧BB』對應的角度為∠BMB』，∠BMB』＝∠UN』U』。之後，第一電機401帶動圓b沿2的反方向轉動，圓b能夠繞OM且朝箭頭1的反方向作圓周運動。

綜上所述，設置在大臂殼體100和小臂殼體200之間的旋轉擺動機構能夠帶動小臂殼體200模擬人體肘部擺動動作，其具有一個自由度。還有第二電機421能夠帶動小臂殼體200繞著第二電機421輸出軸軸線轉動，從而模擬人體肘部轉動動作，其具有一個自由度，因此，機器人的肘關節具有兩個自由度。同理，設置在大臂殼體100和上身殼體500之間的旋轉擺動機構，可模擬人體肩部擺動動作和轉動動作，因此，機器人的肩關節具有兩個自由度。再說，轉動滑輪和固定滑輪之間通過第一牽引繩和第二牽引繩配合連接，代替了傳統機械換向結構，因此大大降低了旋轉擺動機構的成本。另外旋轉擺動機構可組裝完成後再安裝到大臂殼體和小臂殼體之間，以及大臂殼體和上身殼體之間，提高了安裝效率。

以上所述的實施例僅用於說明本發明的技術思想及特點，其目的在於使本領域內的技術人員能夠了解本發明的內容並據以實施，不能僅以本實施例來限定本發明的專利範圍採用，即凡依本發明所揭示的精神所作的同等變化或修飾，仍落在本發明的專利範圍內。