机械臂及机器人的制作方法

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种机械臂及机器人。

背景技术：

随着在医疗机器人及工业机器人等领域虚拟现实技术及主从式操作方式的广泛应用，机械臂作为机器人的输入输出结构，其研究与开发越来越受到重视。机械臂作为主从式操作方式中的主操作输入设备，该类型设备能够直接与操作者进行运动信息和力信息的交互，并且能够实现较为直观的操作控制。机械臂作为输出结构时，能够根据输入信息命令，完成一些简单或复杂的动作，以达到人类使用的目的。

就现在世界上较为常用的机械臂主要有两种构型类型：

(1)串联结构：各个构件通过关节串联在一起，具有工作空间大、操控灵活等优点，同时也有不易实现自重力平衡、惯性力大、刚度及调整精度较差等缺点。

(2)并联结构：各个构件以并联结构为机构原型，通常与基座连在一起。具有刚度大、精度高、对称性好、结构紧凑及动力学性能好等优点，同时也有占用空间大、工作空间小、算法计算困难等缺点。

现如今，世界上应用较为广泛并且较为成功的主要有美国Gemaqic(原Sensable)公司的Phantom系列和瑞士Force Dimension公司的sigma、omega及delta系列。这两个公司的产品分别为串联结构和并联结构，也就分别存在上述两种机械臂构型结构存在的问题。当然，世界上还存在一些其他的机械臂结构，但多数为针对特定系统进行的研发设计，通用性不是很强。

我国在机械臂的研究还处于初始阶段，国内相关技术研究人员也一直在进行该方面的研究，但还没有特别具有竞争力和影响力的产品出现，因此若能够设计出一种具有良好使用性能的机械臂对我国而言具有重大意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种机械臂及机器人，以克服使用现有技术中机械臂占据空间大、刚度及调整精度较差的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提供一种机械臂，所述机械臂包括：支撑部件，与所述支撑部件转动连接的肩部部件，肘部部件，与肩部部件、所述肘部部件转动连接的大臂部件，及与所述肘部部件连接的前臂部件；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、所述大臂副骨架与所述肩部部件、所述肘部部件的连接点依次连接的连线构成平行四边形。

可选的，在所述的机械臂中，所述大臂主骨架及所述大臂副骨架均为连杆，且所述大臂主骨架与所述大臂副骨架相互平行。

可选的，在所述的机械臂中，所述肘部部件与所述前臂部件相互垂直，并与所述肩部部件相互平行，所述支撑部件与所述肩部部件相互垂直。

可选的，在所述的机械臂中，所述前臂部件水平设置。

可选的，在所述的机械臂中，所述大臂主骨架为连接杆，所述大臂副骨架为柔性传动结构，所述柔性传动结构包括第一柔性传动关节部件、第二柔性传动关节部件，及套接并分别固定于所述第一柔性传动关节部件、所述第二柔性传动关节部件上的柔性传动传递部件，所述第一柔性传动关节部件与大臂主骨架固定连接，所述第二柔性传动关节部件与所述肘部部件固定连接。

可选的，在所述的机械臂中，还包括转轴部件，转轴安装部件，通过匹配连接的一组转轴部件、转轴安装部件，所述前臂部件、所述肘部部件转动连接，形成肘部转动关节。

可选的，在所述的机械臂中，还包括转轴部件，转轴安装部件，通过匹配连接的一组转轴部件、转轴安装部件，所述支撑部件、所述肩部部件转动连接，形成肩部转动关节。

可选的，在所述的机械臂中，还包括转轴部件，转轴安装部件，通过匹配连接的一组或多组转轴部件、转轴安装部件，所述肩部部件与大臂部件转动连接；通过匹配连接的另一组或多组转轴部件、转轴安装部件，所述大臂部件与 肘部部件转动连接，形成大臂转动关节。

可选的，在所述的机械臂中，还包括设置于所述前臂部件上的调姿部件。

可选的，在所述的机械臂中，还包括与所述大臂部件连接的重力平衡部件。

可选的，在所述的机械臂中，所述重力平衡部件为配重块，所述的配重块与所述大臂主骨架的延伸段连接。

本发明还公开了一种机器人，包括上述机械臂。

在本发明所提供的机械臂及机器人中，所述机械臂包括支撑部件、与所述支撑部件转动连接的肩部部件、肘部部件、与肩部部件、所述肘部部件转动连接的大臂部件及与所述肘部部件连接的前臂部件；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、所述大臂副骨架与所述肩部部件、所述肘部部件的连接点依次连接的连线构成平行四边形。基于上述结构的排布方式的机械臂具有构型占据空间小，结构稳固，具有较高的刚度，并能够实现装置自身重力的完全配平，从而提高了机械臂操作的精确性、灵活性及舒适性。

附图说明

图1是本发明实施例一中机械臂的主视图；

图2a是本发明实施例一中大臂部件处于水平状态时，机械臂的侧视图；

图2b是本发明实施例一中大臂部件处于向上摆动状态时，机械臂的侧视图；

图2c是本发明实施例一中大臂部件处于向下摆动状态时，机械臂的侧视图；

图3是本发明实施例二中机械臂的主视图。

图中，支撑部件-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；第一柔性传动关节部件-311；第二柔性传动关节部件-312；柔性传动传递部件-310；前臂部件-5；调姿部件-6；重力平衡部件-7；转轴部件2-1,2-2，4-1,4-2；肩部转动关节-R1；大臂转动关节-R2，R2’；肘部转动关节-R3。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的机械臂及机器人作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地 辅助说明本发明实施例的目的。

在具体说明本发明之前，在此先说明本发明之主要原理与思想，具体为：通过大臂主骨架、大臂副骨架、肩部部件及肘部部件之间连接点依次连接的连线构成平行四边形；优选，所述肘部部件与所述前臂部件相互垂直，并与所述肩部部件相互平行，所述支撑部件与所述肩部部件相互垂直；优选，所述前臂部件水平设置，使得与所述肘部部件连接的前臂部件在机械臂运动过程中姿态稳定，避免了大臂部件在动态摆动时对前臂部件上调姿部件的影响，从而增加了机械臂操作的灵活性及舒适性。

实施例一

请参考图1，其为本发明实施例一中机械臂的主视图，如图1所示，所述的机械臂包括：支撑部件1，与所述支撑部件1转动连接的肩部部件2，肘部部件4，与肩部部件2、所述肘部部件4转动连接的大臂部件3，及与所述肘部部件4连接的前臂部件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与所述肩部部件2、所述肘部部件4的连接点依次连接的连线构成平行四边形，优选所述大臂主骨架30、所述大臂副骨架31与所述肩部部件2、所述肘部部件4构成平行四边形。优选，所述肘部部件4与所述前臂部件5相互垂直，并与所述肩部部件2相互平行，所述支撑部件1与所述肩部部件2相互垂直，更优选所述前臂部件5水平设置。在本实施例中，所述大臂主骨架30及大臂副骨架31均为连杆，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垂直水平面设置。在本发明中，肩部部件2及肘部部件4的结构可以根据使用情况的不同，采用多种结构类型，例如U型。

本申请为了使机械臂具有较好的操作灵活性，整个机械臂具有三个关节自由度，这三个关节自由度依次为肩部转动关节R1水平转动、大臂转动关节R2，R2’竖直转动、肘部转动关节R3水平转动，通过三个关节相互之间的运动，可以形成一个三维立体操作空间。其中，通过匹配连接的一组转轴部件、转轴安装部件，所述支撑部件1、所述肩部部件2转动连接，形成肩部转动关节R1。例如，所述肩部部件2靠近所述支撑部件1的一端设置有转轴部件，所述转轴部件与所述支撑部件1上设置的转轴安装部件(例如轴承)匹配连接，以形成 肩部转动关节R1。通过匹配连接的一组转轴部件、转轴安装部件，所述前臂部件5、所述肘部部件4转动连接，形成肘部转动关节R3。例如，所述肘部部件4靠近所述前臂部件5的一端设置有转轴部件，所述转轴部件与所述前臂部件5上设置的转轴安装部件(例如轴承)匹配连接，以形成肘部转动关节R3。通过匹配连接的一组或多组转轴部件、转轴安装部件，所述肩部部件2与大臂部件3转动连接，形成大臂转动关节R2；通过匹配连接的另一组或多组转轴部件、转轴安装部件，所述大臂部件3与肘部部件4转动连接，形成大臂转动关节R2’。例如，所述肩部部件2与所述肘部部件4上均设置有转轴安装部件(例如轴承)，固定连接大臂部件3的转轴部件与所述肩部部件2、肘部部件4上的转轴安装部件连接，实现所述大臂部件3与所述转轴肩部部件2、肘部部件4转动连接，以形成大臂转动关节R2，R2’；所述肩部部件2上设置有两组转轴安装部件(图中看不到转轴安装部件的具体位置，仅能看到与转轴安装部件配合使用的转轴部件2-1,2-2)，所述肘部部件4上设置有两组转轴安装部件(图中看不到转轴安装部件的具体位置，仅能看到与转轴安装部件配合使用的转轴部件4-1,4-2)，所述大臂主骨架30的一端通过转轴部件2-2与所述肩部部件2上设置的一组转轴安装部件(图中看不到转轴安装部件的具体位置，仅能看到与转轴安装部件配合使用的转轴部件2-2)配合连接，所述大臂主骨架30的另一端通过转轴部件4-2与所述肘部部件4上设置的一组转轴安装部件配合连接，所述大臂副骨架31的一端通过转轴部件2-1与所述肩部部件2上设置的另一组转轴安装部件配合连接，所述大臂副骨架31的另一端通过转轴部件4-1与所述肘部部件4上设置的另一组转轴安装部件配合连接。很明显，在大臂部件3端部设置转轴安装部件，将设置在所述肩部部件2或所述肘部部件4上的转轴部件与大臂部件3端部设置的转轴安装部件连接也可以实现大臂部件3与所述肩部部件2、所述肘部部件4转动连接，形成大臂转动关节R2，R2’。

本实施例的机械臂在应用时，由于平行四边形结构的存在，在大臂部件3运动过程中，能够维持前臂部件5上调姿部件6始终处于水平位置，使得操作者操作机械臂更加舒适、精确。具体请结合图2a～图2c，其中，图2a是本发明实施例一中大臂部件3处于水平状态时，机械臂的侧视图；此时，前臂部件5处于与水平面平行的状态，而调姿部件由于设置于前臂部件5上，因此调姿部 件同样会保持水平状态。

图2b是本发明实施例一中大臂部件3处于向上摆动状态时，机械臂的侧视图；由于前部部件与肘部部件4是保持平行且垂直于水平面的，因此在大臂部件3处于向上摆动状态时，大臂部件3状态的变化不会影响到前臂部件5的位置，前臂部件5还是维持与水平面平行的状态。

图2c是本发明实施例一中大臂部件3处于向下摆动状态时，机械臂的侧视图；由于前部部件与肘部部件4是保持平行且垂直于水平面的，因此在大臂部件3处于向下摆动状态时，大臂部件3状态的变化不会影响到前臂部件5的位置，前臂部件5还是维持与水平面平行的状态。

进一步地，机械臂还包括设置于所述前臂部件5上的调姿部件6。在调节机械臂的三个关节自由度的目的就是为了最终实现调姿部件的位置精准调整，以便操作者可以灵活的调整调姿部件的位置，可以应用在虚拟现实、医疗以及工业领域中，具有通用性特点。

进一步地，机械臂还包括与所述大臂部件3连接的重力平衡部件7，以实现机械臂的重力配平。本实施例中，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优选为配重块，所述配重块与所述延伸段连接，由于重力平衡部件7的存在使得机械臂能够较好的实现自重平衡。

实施例二

请参考图3，其为本发明实施例二中机械臂的主视图。实施例二相比实施例一不同的地方在于大臂部件3中大臂副骨架31的具体结构，如图3所示，所述大臂主骨架30为连接杆，所述大臂副骨架31为柔性传动结构，所述柔性传动结构包括第一柔性传动关节部件311、第二柔性传动关节部件312及套接并分别固定于所述第一柔性传动关节部件311、所述第二柔性传动关节部件312上的柔性传动传递部件310。其中，所述肩部部件上设置有一组转轴安装部件(图中看不到转轴安装部件的具体位置，仅能看到与转轴安装部件配合使用的转轴部件2-2)，所述肘部部件上设置有一组转轴安装部件(图中看不到转轴安装部件的具体位置，仅能看到与转轴安装部件配合使用的转轴部件4-2)，所述第一柔性传动关节部件311及所述大臂主骨架30的一端通过转轴部件2-2与所述肩部部件2上设置的一组转轴安装部件配合连接，且所述第一柔性传动关节部件311 固定于所述大臂主骨架30上；所述第二柔性传动关节部件312及所述大臂主骨架30的另一端通过转轴部件4-2与所述肘部部件4上设置的一组转轴安装部件配合连接，且所述第二柔性传动关节部件312固定于所述肘部部件4上。通过转轴安装部件可以实现部件之间的转动更加稳定，低损耗。这里所述的转轴安装部件优选为轴承，本发明对轴承的选择没有特别的限制，本领域技术人员可以根据现有技术选择具体的轴承类型。同时，应认识到转轴安装部件可以设置在第一柔性传动关节部件311、第二柔性传动关节部件312、大臂主骨架30上，通过将转轴部件与所述肩部部件2或所述肘部部件4以及第一柔性传动关节部件311、第二柔性传动关节部件312、大臂主骨架30上的转轴安装部件连接也可以实现相应部件的转动连接。这里所述第一柔性传动关节部件311和第二柔性传动关节部件312为配合所述柔性传动传递部件310使用的结构，例如当所述柔性传动传递部件310为丝时，所述第一柔性传动关节部件311和第二柔性传动关节部件312为丝轮；当所述柔性传动传递部件310为同步带时，所述第一柔性传动关节部件311和第二柔性传动关节部件312为同步轮。当然对于柔性传动传递部件310不局限于丝和同步带，只要柔性传动传递部件310能够套接并固定于第一柔性传动关节部件311和第二柔性传动关节部件312上使用，满足大臂部件3运动时的刚性的同时，柔性传动传递部件310和第一柔性传递关节部件311及第二柔性传动关节部件312在大臂主骨架30支撑下可以构成平行四边形结构即可。实施例一中的重力平衡机构7也适用于本实施例，不再具体介绍。

相应的，本发明还公开了一种机器人，所述机器人包括上述机械臂。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

综上，在本发明所提供的机械臂及机器人中，所述机械臂包括支撑部件，与所述支撑部件转动连接的肩部部件，肘部部件，与肩部部件、所述肘部部件转动连接的大臂部件，及与所述肘部部件连接的前臂部件；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、所述大臂副骨架与所述肩部部件、所述肘部部件的连接点依次连接的连线构成平行四边形。基于上述结构的排布方式的机械臂具有构型占据空间小，结构稳固，具有较高的刚度，并能 够实现装置自身重力的完全配平，从而提高了机械臂操作的精确性、灵活性及舒适性。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。