CN118322248A - 一种三自由度机器人关节及机械手 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三自由度机器人关节及机械手，机器人关节包括：第一基座；通过第一转动部连接于第一基座的第二基座；驱动部，包括第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元，第一驱动单元用于移动设置于第二基座的第二转动部，第二驱动单元用于移动设置于第二基座的第三转动部，通过移动第二转动部和/或第三转动部驱动第二基座绕第一转动部旋转执行第一旋转运动和/或第二旋转运动；支座传动轴，连接于第三驱动单元且通过第四转动部连接至支座输出轴，所述第三驱动单元通过支座传动轴和第四转动部驱动支座输出轴执行第三旋转运动，所述第一转动部和第四转动部的旋转中心重合。本发明具体实施例的机器人关节具有三个主动自由度，且运动范围较大。

Description

一种三自由度机器人关节及机械手

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别是涉及一种三自由度机器人关节及机械手。

背景技术

多自由度的机器人关节通常采用多个单自由度的关节串联实现，但串联直驱的方式结构笨重、重心靠近运动关节，导致惯量较大，运动控制的效果受到较大限制，并且无法实现人体类球关节运动效果，拟人化程度低。为使得三自由度的关节结构紧凑，部分通过在二自由度机器人关节输出端串联一个关节实现内外旋运动，但是导致末端尺寸大、惯量高；部分采用三自由度并联机构，但机器人关节运动范围较小；部分采用并联差分式三自由度齿轮运动，但结构复杂、精度不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三自由度机器人关节及机械手，通过二自由度并联机构实现机器人关节屈伸和侧摆运动，通过中间的运动传递支链将第三驱动单元的运动和动力传递至第二基座，实现机器人关节三自由度运动，屈伸运动和侧摆运动的运动范围较大，内外旋转运动可绕支座输出轴自由旋转。

为解决上述技术问题，本发明可采用如下技术方案：一种三自由度机器人关节，包括：沿轴向延伸的第一基座；通过第一转动部可转动地连接于第一基座的第二基座；提供动力的驱动部，包括第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元，其中，第一驱动单元用于移动设置于第二基座的第二转动部，第二驱动单元用于移动设置于第二基座的第三转动部，通过移动第二转动部和/或第三转动部驱动第二基座绕第一转动部旋转执行第一旋转运动和/或第二旋转运动；支座传动轴，连接于第三驱动单元且沿轴向延伸，所述支座传动轴通过第四转动部连接至支座输出轴，所述第三驱动单元通过支座传动轴和第四转动部驱动支座输出轴绕轴向旋转执行第三旋转运动，所述第一转动部和第四转动部的旋转中心重合。

进一步的，当所述第一驱动单元和第二驱动单元沿相同方向同步地移动第二转动部和第三转动部时，所述第二基座绕第一转动部的X轴旋转执行第一旋转运动；当所述第一驱动单元和第二驱动单元沿相反方向移动第二转动部和第三转动部时，所述第二基座绕第一转动部的Y轴旋转执行第二旋转运动。

进一步的，当所述第一驱动单元和第二驱动单元沿相同方向不同步地移动第二转动部和第三转动部时，所述第二基座绕第一转动部执行第一旋转运动和第二旋转运动合成的复合旋转运动。

进一步的，座输出轴可转动地连接于第二基座，当所述第二基座执行第一旋转运动和/或第二旋转运动时，所述支座输出轴跟随第二基座运动；当支座输出轴执行第三旋转运动时，支座输出轴相对于第二基座旋转。

进一步的，所述支座输出轴沿轴向穿透第二基座，以将第三旋转运动向第二基座的前端传递。

进一步的，所述机器人关节包括将第一驱动单元的旋转运动转化为直线运动的第一直线运动件、将第二驱动单元的旋转运动转化为直线运动的第二直线运动件、可转动地连接第一直线运动件和第二转动部的第一传动杆、以及可转动地连接第二直线运动件和第三转动部的第二传动杆。

进一步的，所述机器人关节包括第一运动支链和第二运动支链，所述第一运动支链包括第一驱动单元、第一直线运动件、第一传动杆和第二转动部，所述第二运动支链包括第二驱动单元、第二直线运动件、第二传动杆和第三转动部，所述第一运动支链和第二运动支链并联对称分布。

进一步的，所述机器人关节包括第三运动支链，所述第三运动支链包括第三驱动单元、支座传动轴、第四转动部和支座输出轴，所述第三运动支链设置于第一运动支链和第三运动支链的下方，所述第三运动支链独立于所述第一运动支链和第二运动支链运动。

进一步的，所述驱动部设置于第一基座轴向的一端，所述第二基座设置于第一基座轴向的另一端。

进一步的，所述第一转动部和第四转动部形成为十字轴组件。

本发明还可采用如下技术方案：一种机械手，包括手掌和通过基关节连接于手掌的机械手指，其中所述基关节形成为前文中中任一项所述的三自由度机器人关节。

进一步的，机械手指包括连接于基关节的第一指节、以及连接于第一指节的第二指节，所述第一指节包括连接于支座输出轴的第三传动组件，所述第三传动组件将第三旋转运动转化为直线运动以使得第二指节屈伸运动。

与现有技术相比，本发明具体实施例的有益效果在于：1、通过二自由度并联对称运动支链、结合设置于中间的第三运动支链，机器人关节可实现主动俯仰运动、侧摆运动和内外旋转运动，且能够模拟人体关节球面转动效果，拟人性能较好；2、驱动部后置于机器人关节，有利于降低机器人关节的运动惯量；3、基于连杆机构的关节设计，刚度大、负载高。

附图说明

图1是本发明一个实施例的三自由度机器人关节的示意图；

图2是图1所示的机器人关节沿第一驱动单元的剖面图；

图3是图1所示的机器人关节沿第三驱动单元的剖面图；

图4是本发明一个实施例的机器人关节执行第一旋转运动的示意图；

图5是本发明一个实施例的机器人关节执行第二旋转运动的示意图；

图6是本发明一个实施例的机器人关节执行复合旋转运动的示意图；

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加清楚明了，下面将结合附图来描述本发明的实施例。应当理解的是，对实施方式的具体说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不是用于穷举本发明的所有可行方式，更不是用于限制本发明的具体实施范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、或以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本领域技术人员可以理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明具体实施例保护一种三自由度机器人关节，参图1-3，包括第一基座10、第二基座20和驱动部，第一基座10沿轴向(Z轴方向)延伸，第二基座20通过第一转动部51可旋转地连接至第一基座10，第一基座10为固定结构件，所述第二基座20为可动结构件，第二基座20可绕第一转动部51相对于第一基座旋转。示例性的，所述“轴向”即为关节的轴向，也即本申请中标注的Z轴方向。

驱动部包括第一驱动单元31、第二驱动单元32和第三驱动单元33，所述第一驱动单元31用于移动设置于第二基座20的第二转动部52，所述第二驱动单元32用于移动设置于第二基座20的第三转动部53，通过移动所述第二转动部52和/或第三转动部53，第一驱动单元31和第二驱动单元32驱动第二基座20绕第一转动部51旋转执行第一旋转运动和/或第二旋转运动。

具体的，参图4，当所述第一驱动单元31和第二驱动单元32沿相同方向同步地移动第二转动部52和第三转动部53时，所述第二基座20绕第一转动部51旋转执行第一旋转运动，具体的，所述第一旋转运动为屈伸运动；参图5，当所述第一驱动单元31和第二驱动单元32沿相反方向移动第二转动部52和第三转动部53时，所述第二基座20绕第一转动部51旋转执行第二旋转运动，具体的，所述第二旋转运动为侧摆运动。

进一步的，参图6，当第一驱动单元31和第二驱动单元32沿相同方向不同步地移动第二转动部52和第三转动部53时，此时第二基座20绕第一转动部51旋转执行第一旋转运动和第二旋转运动合成的复合旋转运动，也即，此时第二基座20既执行第一旋转运动，又执行第二旋转运动，呈现出复合旋转运动的效果。

参图1-3，机器人关节102包括支座传动轴452，支座传动轴452设置于第一基座10且沿轴向延伸，支座传动轴452连接于第三驱动单元33以传递第三驱动单元33的旋转运动和动力，支座传动轴452通过第四转动部54和支座输出轴451连接，第三驱动单元33通过支座传动轴452和第四转动部54驱动支座输出轴451绕轴向(Z轴方向)旋转执行第三旋转运动(图未示)，具体的，所述第三旋转运动为内外旋转运动。第三驱动单元33的旋转运动传递至支座传动轴452，支座传动轴452通过第四转动部54传递旋转运动至支座输出轴451，支座输出轴451可以沿轴向自由旋转，旋转范围无限制，扩大了机器人关节的运动范围。

具体的，所述支座传动轴452设置于第一基座10沿轴向延伸，所述支座输出轴451连接于第二基座20且穿透所述第二基座20，当第三驱动单元33驱动时，所述支座输出轴451绕轴向旋转以将第三驱动单元33的旋转运动传递至第二基座20的前端，所述支座输出轴451可以进一步连接机器人关节的结构件，以使得对应的结构件执行轴向旋转运动。第四转动部54连接支座传动轴452和支座输出轴451以传递第三驱动单元33的旋转运动，所述第四转动部54设置于第一基座10和第二基座20之间，所述第一转动部51和第四转动部54的旋转中心重合。

其中，参图4-5，当第二基座20执行第一旋转运动和/或第二旋转运动时，支座输出轴451连接于第二基座20并跟随第二基座20运动；当支座输出轴451执行第三旋转运动时，支座输出轴451可旋转地连接至第二基座20，支座输出轴451可相对于第二基座20旋转。可理解的，当第一驱动单元31、第二驱动单元32沿相同方向非同步地驱动时，且第三驱动单元33处于驱动状态时，所述第二基座20绕第一转动部51执行第一旋转运动和第二旋转运动，所述支座输出轴451跟随第二基座20运动，同时支座输出轴451相对于第二基座20执行第三旋转运动，此时，机器人关节呈现出三种运动的复合运动效果，能够实现仿人球面运动效果，拟人化程度得到提高。

具体的，所述第一转动部51和第四转动部54各自形成为十字轴组件，当第二基座20执行第一旋转运动时，第二基座20绕第一转动部51的X轴旋转，所述第一旋转运动为机器人关节的俯仰运动；当第二基座20执行第二旋转运动时，第二基座20绕第一转动部51的Y轴旋转，所述第二旋转运动为机器人关节的侧摆运动。当第二基座20绕第一转动部51旋转时，第四转动部54的旋转中心和第一转动部51的旋转中心重合，第四转动部54提供相应自由度以适应第二基座的运动。

示例性的，参图2-3，所述第一转动部51设置于第四转动部54的外侧，当第一驱动单元31和第二驱动单元32驱动第二基座20绕第一转动部51旋转时，第一驱动单元31和第二驱动单元32通过移动第二转动部52和第三转动部53驱动第二基座20绕第一转动部51旋转，第四转动部54跟随运动；当第三驱动单元33驱动支座输出轴451旋转时，第四转动部54绕轴向旋转，支座输出轴451连接至第二基座20，进而通过支座传动轴452、第四转动部54和支座输出轴451将第三驱动单元33的运动和动力传递至第二基座20。

具体的，当第二基座20绕第一转动部51旋转时，特别的，第二基座20执行复合旋转运动时，第二基座20执行的运动是球面运动，将第一转动部51和第四转动部54的旋转中心重合，以保证第三驱动单元旋转运动的传递效果。

上述具体实施例的机器人关节，通过第一驱动单元31、第二驱动单元32和第三驱动单元33实现了机器人关节的三自由度主动运动，同时运动范围较大，能够模拟人体关节球面运动，灵活性较好。

具体的，所述驱动部设置于第一基座10轴向的一端，所述第二基座20设置于第一基座10轴向的另一端，其中，驱动部的动力传递至第二基座20实现关节运动，也即驱动部设置的位置远离运动关节，有利于减小机器人关节的惯量。

进一步的，参图2-4，所述机器人关节102包括将第一驱动单元31的旋转运动转化为直线运动的第一直线运动件410、将第二驱动单元32的旋转运动转化为直线运动的第二直线运动件420，示例性的，所述第一直线运动件410和第二直线运动件420采用相同的结构设计，所述第一直线运动件410包括丝杠402、套设于丝杠402的螺母403、固定于螺母403的螺母座404、以及用于引导螺母403运动方向的导向件405，第一直线运动件410和第二直线运动件420设置于第一基座10，丝杠402和螺母403将第一驱动单元31和第二驱动单元32的旋转运动转化为直线运动，所述螺母座404带动螺母403沿导向件405方向运动，所述导向件405沿轴向延伸。

进一步的，机器人关节102包括可转动地连接第一直线运动件410和第二转动部52的第一传动杆411、可转动地连接第二直线运动件420和第三转动部53的第二传动杆421，具体的，所述第一传动杆411的一端可旋转地连接至第一直线运动件410的螺母座404，另一端可旋转地连接至第二转动部52；类似的，所述第二传动杆421的一端可转动地连接至第二直线运动件420的螺母座404，另一端可转动地连接至第三转动部53。当螺母座404沿导向件405运动时，通过第一传动杆411传递运动至第二转动部52、通过第二传动杆421传递动力至第三转动部53。

具体的，第一传动组件用于传递第一驱动单元31的动力，第二传动组件用于传递第二驱动单元32的动力，所述第一传动组件包括第一直线运动件410和第一传动杆411，所述第二传动组件包括第二直线运动件420和第二传动杆421。

示例性的，所述第一传动杆411、第二传动杆421通过球面轴承连接至对应的螺母座404。第二转动部52和第三转动部53形成为十字轴组件，以提供相应运动的自由度。

机器人关节102包括第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链，所述第一运动支链包括第一驱动单元31、第一直线运动件410、第一传动杆411和第二转动部52，所述第二运动支链包括第二驱动单元32、第二直线运动件420、第二传动杆421和第三转动部53，第三运动支链包括第三驱动单元33、支座传动轴452、第四转动部54和支座输出轴451，所述第一运动支链和第二运动支链并联对称设置，所述第三运动支链独立于第一运动支链和第二运动支链，所述第三运动支链设置于第一运动支链和第二运动支链的下方，所述第三运动支链设置于第一运动支链和第二运动支链的中间。

以上优选实施例的机器人关节，能够基于二自由度并联对称的第一运动支链和第二运动支链，结合设置于第一运动支链和第二运动支链的下方中间且独立运动的第三运动支链，实现主动俯仰运动、主动侧摆运动和主动内外旋转运动，机器人关节的灵活性较好；通过将驱动部后置于机器人关节的远端，机器人关节的重心后移，减小了机器人关节的运动惯量；此外，基于结构排布和连杆传动形式，机器人关节的结构紧凑、刚性好且负载高。

本发明具体实施例还用于提供一种机械手，机械手包括手掌和通过基关节连接至手掌的手指，所述基关节可形成为前文中任一项所述的三自由度机器人关节，其中，机械手包括若干个手指，至少其一的手指包括前文所述的三自由度机器人关节。

当第三驱动单元的运动和动力经由支座传动轴、第四转动部传递至支座输出轴时，机械手指包括连接至基关节的第一指节以及可旋转地连接至第一指节的第二指节，所述第一指节包括连接至所述支座输出轴的第三传动组件，所述第三传动组件包括第三直线运动件和第三传动杆，第三直线运动件将第三旋转运动转化为直线运动并通过第三传动杆传递，进而使得第二指节屈伸运动。也即第三驱动单元设置于第一基座的端部，远程驱动第二指节屈伸运动，有利于减小机械手的惯量。

最后还需要指出，由于文字表达的有限性，上述说明仅是示例性的，并非穷尽性的，本发明并不限于所披露的各实施方式，在不偏离上述示例的范围和精神的情况下，对于本领域的技术人员来说还可以作若干改进和修饰，这些改进和修饰也应视为本发明的保护范围。因此本发明的保护范围应以权利要求为准。

Claims (10)

1.一种三自由度机器人关节，其特征在于，包括：

沿轴向延伸的第一基座；

通过第一转动部可转动地连接于第一基座的第二基座；

提供动力的驱动部，包括第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元，其中，第一驱动单元用于移动设置于第二基座的第二转动部，第二驱动单元用于移动设置于第二基座的第三转动部，通过移动第二转动部和/或第三转动部驱动第二基座绕第一转动部旋转执行第一旋转运动和/或第二旋转运动；

支座传动轴，连接于第三驱动单元且沿轴向延伸，所述支座传动轴通过第四转动部连接至支座输出轴，所述第三驱动单元通过支座传动轴和第四转动部驱动支座输出轴绕轴向旋转执行第三旋转运动，所述第一转动部和第四转动部的旋转中心重合。

2.根据权利要求1所述的三自由度机器人关节，其特征在于，当所述第一驱动单元和第二驱动单元沿相同方向同步地移动第二转动部和第三转动部时，所述第二基座绕第一转动部的X轴旋转执行第一旋转运动；当所述第一驱动单元和第二驱动单元沿相反方向移动第二转动部和第三转动部时，所述第二基座绕第一转动部的Y轴旋转执行第二旋转运动。

3.根据权利要求2所述的三自由度机器人关节，其特征在于，当所述第一驱动单元和第二驱动单元沿相同方向不同步地移动第二转动部和第三转动部时，所述第二基座绕第一转动部执行第一旋转运动和第二旋转运动合成的复合旋转运动。

4.根据权利要求1所述的三自由度机器人关节，其特征在于，支座输出轴可转动地连接于第二基座，当所述第二基座执行第一旋转运动和/或第二旋转运动时，所述支座输出轴跟随第二基座运动；当支座输出轴执行第三旋转运动时，支座输出轴相对于第二基座旋转。

5.根据权利要求4所述的三自由度机器人关节，其特征在于，所述支座输出轴沿轴向穿透第二基座，以将第三旋转运动向第二基座的前端传递。

6.根据权利要求1所述的三自由度机器人关节，其特征在于，所述机器人关节包括将第一驱动单元的旋转运动转化为直线运动的第一直线运动件、将第二驱动单元的旋转运动转化为直线运动的第二直线运动件、可转动地连接第一直线运动件和第二转动部的第一传动杆、以及可转动地连接第二直线运动件和第三转动部的第二传动杆。

7.根据权利要求6所述的三自由度机器人关节，其特征在于，所述机器人关节包括第一运动支链、第二运动支链和第三运动支链，所述第一运动支链包括第一驱动单元、第一直线运动件、第一传动杆和第二转动部，所述第二运动支链包括第二驱动单元、第二直线运动件、第二传动杆和第三转动部，所述第一运动支链和第二运动支链并联对称分布；所述第三运动支链包括第三驱动单元、支座传动轴、第四转动部和支座输出轴，所述第三运动支链设置于第一运动支链和第三运动支链的下方，所述第三运动支链独立于所述第一运动支链和第二运动支链运动。

8.根据权利要求1所述的三自由度机器人关节，其特征在于，所述驱动部设置于第一基座轴向的一端，所述第二基座设置于第一基座轴向的另一端。

9.一种机械手，其特征在于，包括手掌和通过基关节连接于手掌的机械手指，其中所述基关节形成为权利要求1-8中任一项所述的三自由度机器人关节。

10.根据权利要求9所述的机械手，其特征在于，机械手指包括连接于基关节的第一指节、以及连接于第一指节的第二指节，所述第一指节包括连接于支座输出轴的第三传动组件，所述第三传动组件将第三旋转运动转化为直线运动以使得第二指节屈伸运动。