多自由度冗余串并联拟人机械臂的制作方法

本实用新型涉及拟人机械臂领域，更具体的说，尤其涉及一种多自由度冗余串并联拟人机械臂。

背景技术：

拟人机械臂在工业制造、医学治疗、军事以及太空探索等领域得到广泛应用，机械臂对稳定提高产品质量、生产效率和改善劳动条件起着十分重要的作用。

目前，大多数拟人机械臂的机构形式采用串联机构，串联具有工作空间大、运动灵活等优点，但存在误差累积效应、承载能力小、动态特性差等问题。而并联机构具有承载能力强、运动惯性小、动态特性好等优点，有效的弥补了串联机构的不足之处，但存在工作空间较小的缺点，而混联机构兼备上述两种机械臂的优点。大多数拟人机械臂的自由度少于七个，这种机构往往存在奇异位形，对机构及驱动器有很大的冲击，从而导致机械臂的控制精度不高等问题，冗余自由度机构可以避开奇异位形、有较好的刚度特性和较好动态性能。

针对上述拟人机械臂存在的问题，设计一种多自由度冗余串并联拟人机械臂，有效地弥补了上述缺点显得尤为必要。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决目前大多数拟人机械臂运动惯性大且精度低的问题，提出了一种多自由度冗余串并联拟人机械臂，保证拟人机械臂在不同工况下能够高效、高精度、高质量地完成任务。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：一种多自由度冗余串并联拟人机械臂，包括肩关节、肘关节和腕关节，其中肘关节包括上臂部分和前臂部分，其中肘关节包含上臂部分和前臂部分；肩关节与上臂部分的上端连接，上臂部分的下端与前臂部分的上端连接，前臂部分的下端与腕关节的上端连接；

所述肩关节包括包括基座固定板、第一电机、第一减速器、第一l型连接板、第一联轴器、第二l型连接板、第三l型连接板、第一输出轴、第一弧形板、第二电机、第二减速器、第四l型连接板、三角型加强筋、第二联轴器、第二输出轴和第二弧形板；所述第一减速器通过螺栓固定连接在第一l型连接板上，所述第一电机固定在第一减速器上，第一电机的输出轴依次通过第一减速器和第一联轴器连接第一输出轴的一端；所述第一输出轴的另一端通过轴承内嵌在所述第二l型连接板和第三l型连接板内，所述第一l型连接板、第二l型连接板和第三l型连接板均通过螺栓固定在基座固定板，所述第一弧形板和第一输出轴通过键连接，所述第四l型连接板通过螺栓固定连接第一弧形板，所述第二减速器通过螺栓固定在第四l型连接板上，所述第二电机通过螺栓固定在第二减速器上，第二电机的输出轴通过第二减速器和第二联轴器连接第二输出轴的一端，所述第二输出轴的另一端通过轴承内嵌在所述第一弧形板内，所述第二弧形板通过键与第二输出轴连接；第一电机运动时通过第一减速器、第一联轴器和第一输出轴带动第一弧形板、第二弧形板、第二电机、第二减速器、第四l型连接板，三角型加强筋、第二联轴器和第二输出轴组成的整体绕着第一输出轴转动，第二电机运动时通过第二减速器、第二联轴器和第二输出轴带动第二弧形板绕着第二输出轴进行转动；

所述肘关节包括第一上臂，第二上臂、第一u型连接板、第三电机，第二u型连接板、谐波减速器，第三u型连接板、第四电机、第三减速器、第四u型连接板、主动圆锥齿轮、从动圆锥齿轮、第三主动轴、前臂和第五u型连接板；所述第一u型连接板通过螺栓与第二弧形板固定连接，所述第一上臂与第一u型连接板和第二u型连接板固定连接，第一上臂、第一u型连接板和第二u型连接板组成的整体作为肩关节动平台，传递肩关节的运动到肘关节和腕关节，所述第三电机固定在第二u型连接板上，所述谐波减速器通过键连接第三电机的输出轴，谐波减速器通过螺栓固定在所述第二u型连接板上，所述第三u型连接板和第四u型连接板通过两块第二上臂固定连接，所述第四电机连接在所述第三减速器上，所述第三减速器通过螺栓固定在第四u型连接板上，第三减速器输出轴通过键连接主动圆锥齿轮，所述主动圆锥齿轮与从动圆锥齿轮啮合连接，所述从动圆锥齿轮通过键连接在第三主动轴上，所述第三主动轴的两端穿过第二上臂和前臂，第三主动轴的两端通过轴承内嵌在第二上臂上，所述第五u型连接板通过螺栓与前臂固定连接；

所述腕关节有六个自由度，其结构包括腕关节定平台、腕关节动平台、第一支链、第二支链、支链支撑板，所述第一支链的固定端连接腕关节定平台，所述第二支链的固定端连接支链支撑板，第一支链和第二支链的输出端连接腕关节动平台，所述第一支链有五条，所述第二支链有一条；

所述第一支链包括第五电机、第六u型连接板、第三联轴器、丝杠、丝杠螺母、丝杠螺母连接板、第五l型连接板、第七u型连接板、第八u型连接板、支链支撑板、第一球铰支座、球头定长杆、第二球铰支座、导杆，所述腕关节定平台通过螺栓连接第六u型连接板，所述第六u型连接板通过螺栓固定连接在第五u型连接板上，所述第五电机通过螺钉固定在腕关节定平台上，所述丝杠一端通过第三联轴器连接第五电机，丝杠另一端通过轴承内嵌在第七u型连接板内，所述第五l型连接板一端通过螺栓固定在腕关节定平台上，第五l型连接板另一端与第七u型连接板固定连接，所述导杆的两端分别固定在腕关节定平台和第七u型连接板上；所述丝杠螺母与丝杠通过螺纹配合连接，所述丝杠螺母连接板一端通过螺钉固定在丝杠螺母上，丝杠螺母连接板另一端与第八u型连接板固定连接，所述第一球铰支座通过螺栓固定连接在第八u型连接板上，所述球头定长杆一端通过球副与第一球铰支座连接，球头定长杆另一端通过球副与第二球铰支座连接，所述第二球铰支座通过螺栓固定连接在腕关节定平台上；

所述第二支链包括支链支撑板、第三球铰支座、第一球头杆、第一球头连接件，直线电机连接件、直线电机、第二球头连接件、第二球头杆，所述支链支撑板通过螺栓固定在五个第七u型连接板上，所述第三球铰支座通过螺栓连接在支链支撑板上，所述第一球头杆一端通过球铰与第三球铰支座连接，第一球头杆另一端与第一球头连接件通过紧固螺钉固定连接，所述直线电机连接件通过螺栓与第一球头连接件固定连接，所述直线电机一端与直线电机连接件螺栓连接，直线电机另一端与第二球头连接件通过螺栓固定连接，所述第二球头杆一端通过紧固螺钉与第二球头连接件固定连接，第二球头杆另一端与第二球铰支座通过球副连接。

进一步的，所述第一输出轴穿过第二和第三l型连接板的外侧均安装有轴承端盖。

进一步的，所述第一弧形板整体为空心箱体，左右端为正方形，有三个键槽孔，前后端为半圆形且高于左右端，前后端有圆孔，内嵌轴承。

进一步的，所述第二弧形板上端为半圆形，下端为正方形，上端有一个键槽孔，下端有正方形孔。

进一步的，所述第一输出轴位于第二输出轴的上方，且在空间成90度夹角。

进一步的，所述的肘关节的第三主动轴通过从动圆锥齿轮大端和轴套定位，所述主动圆锥齿轮通过键定位在第三主动轴上，第三主动轴穿过第二上臂的外侧均装有轴承端盖。

进一步的，所述肘关节第二上臂和前臂上端为正方形，下端为圆形，且整体呈z型。

进一步的，所述腕关节定平台为正五边形结构，外侧均匀有五个圆孔与电机连接，中心有十个圆形小孔与第五u型连接板固定连接，通过五个u型连接板与肘关节固定连接。

进一步的，所述腕关节的支链支撑板为类五角星形状，通过螺栓固定在六u型板上。

所述的肩关节和肘关节有四个自由度，主要用于机械臂的位置定位，由于空间位置只有三个参数，固肩关节和肘关节位置冗余一个自由度，可避开奇异位置，完成机械臂的定位任务，具有承载能力强，动态性能好的优点。

所述腕关节设置为5-pss/sps并联机构，有六个自由度，可实现空间位姿的随意变换，基于肩关节和肘关节定位特性，腕关节可实现微小位姿的调整，具有承载能力强，自重负荷比小，精度高等优点。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型充分利用了串联和并联机构的优点，具有工作空间大、承载能力强、运动灵活以及动态性能好等优点，结构简单，设计合理易于加工装配；同时机械臂有十个自由度，可避开奇异位姿和高精度地实现空间任意姿态变换，配置不同的末端执行器，从而能满足各个技术领域的应用。

附图说明

图1是本实用新型一种多自由度冗余串并联拟人机械臂的结构示意图。

图2是本实用新型肩关节的结构示意图。

图3是本实用新型肘关节的结构示意图。

图4是本实用新型腕关节的结构示意图。

图5是本实用新型腕关节第二支链的结构示意图。

图中，图中，1-肩关节、2-上臂部分、3-前臂部分、4-腕关节、201-仿形流道出口、202-第一l型连接板、203-第一减速器、204-第一联轴器、205-第一输出轴、206-第二l型连接板、207-第一电机、208-第一弧形板、209-第二弧形板、210-第二电机、211-第二减速器、212-第二联轴器、213-第二输出轴、214-第四l型连接板、215-三角型加强筋、216-第三l型连接板、301-第一u型连接板、302-第三电机、303-第一上臂、304-第二u型连接板、305-谐波减速器、306-第三u型连接板、307-第四电机、308-第二上臂、309-第三减速器、310-第四u型连接板、311-主动圆锥齿轮、312-第三主动轴、313-从动圆锥齿轮、314-前臂、315-第五u型连接板、401-第六u型连接板、402-第五电机、403-腕关节定平台、404-导杆、405-第五l型连接板、406-丝杠螺母连接板、407-第八u型连接板、408-第一球铰支座、409-球头定长杆、410-直线电机、411-第二球铰支座、412-第二球头杆、413-腕关节动平台、414-第二球头连接件、415-直线电机连接件、416-第一球头连接件、417-第七u型连接板、418-第一球头杆、419-支链支撑板、420-丝杠螺母、421-丝杠、422-第三联轴器、423-第三球铰支座。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1~5所示，一种多自由度冗余串并联拟人机械臂，一种多自由度冗余串并联拟人机械臂，包括肩关节1、肘关节和腕关节4，其中肘关节包含上臂部分2和前臂部分3；肩关节1与上臂部分2上端连接，上臂部分2下端与前臂部分3上端连接，前臂部分3下端与腕关节4上端连接。

所述肩关节1包括基座固定板201、第一电机207、第一减速器203、第一l型连接板202、第一联轴器204、第二l型连接板206、第三l型连接板216、第一输出轴205、第一弧形板208、第二电机210、第二减速器211、第四l型连接板214、三角型加强筋215、第二联轴器212、第二输出轴213和第二弧形板209；所述第一减速器203通过螺栓固定连接在第一l型连接板202上，所述第一电机207固定在第一减速器203上，第一电机207的输出轴依次通过第一减速器203和第一联轴器204连接第一输出轴205的一端；所述第一输出轴205的另一端通过轴承内嵌在所述第二l型连接板206和第三l型连接板216内，所述第一l型连接板202、第二l型连接板206和第三l型连接板216均通过螺栓固定在基座固定板201，所述第一弧形板208和第一输出轴205通过键连接，所述第四l型连接板214通过螺栓固定连接第一弧形板208，所述第二减速器211通过螺栓固定在第四l型连接板214上，所述第二电机210通过螺栓固定在第二减速器211上，第二电机210的输出轴通过第二减速器211和第二联轴器212连接第二输出轴213的一端，所述第二输出轴213的另一端通过轴承内嵌在所述第一弧形板208内，所述第二弧形板209通过键与第二输出轴213连接；第一电机207运动时通过第一减速器203、第一联轴器204和第一输出轴205带动第一弧形板208、第二弧形板209、第二电机210、第二减速器211、第四l型连接板214，三角型加强筋215、第二联轴器212和第二输出轴213组成的整体绕着第一输出轴205转动，第二电机210运动时通过第二减速器211、第二联轴器212和第二输出轴213带动第二弧形板209绕着第二输出轴213进行转动。

所述肘关节包括第一上臂303，第二上臂308、第一u型连接板301、第三电机302，第二u型连接板304、谐波减速器305，第三u型连接板306、第四电机307、第三减速器309、第四u型连接板310、主动圆锥齿轮311、从动圆锥齿轮313、第三主动轴312、前臂314和第五u型连接板315；所述第一u型连接板301通过螺栓与第二弧形板209固定连接，所述第一上臂303与第一u型连接板301和第二u型连接板304固定连接，第一上臂303、第一u型连接板301和第二u型连接板304组成的整体作为肩关节动平台，传递肩关节的运动到肘关节和腕关节，所述第三电机302固定在第二u型连接板304上，所述谐波减速器305通过键连接第三电机302的输出轴，谐波减速器305通过螺栓固定在所述第二u型连接板304上，所述第三u型连接板306和第四u型连接板310通过两块第二上臂308固定连接，所述第四电机307连接在所述第三减速器309上，所述第三减速器309通过螺栓固定在第四u型连接板310上，第三减速器309输出轴通过键连接主动圆锥齿轮311，所述主动圆锥齿轮311与从动圆锥齿轮313啮合连接，所述从动圆锥齿轮313通过键连接在第三主动轴312上，所述第三主动轴312的两端穿过第二上臂308和前臂314，第三主动轴312的两端通过轴承内嵌在第二上臂308上，所述第五u型连接板315通过螺栓与前臂314固定连接。

所述腕关节有六个自由度，其结构包括腕关节定平台403、腕关节动平台413、第一支链、第二支链、支链支撑板419，所述第一支链的固定端连接腕关节定平台403，所述第二支链的固定端连接支链支撑板419，第一支链和第二支链的输出端连接腕关节动平台413，所述第一支链有五条，所述第二支链有一条。

所述第一支链包括第五电机402、第六u型连接板401、第三联轴器422、丝杠421、丝杠螺母420、丝杠螺母连接板406、第五l型连接板405、第七u型连接板417、第八u型连接板407、支链支撑板419、第一球铰支座408、球头定长杆409、第二球铰支座411、导杆404，所述腕关节定平台403通过螺栓连接第六u型连接板401，所述第六u型连接板401通过螺栓固定连接在第五u型连接板315上，所述第五电机402通过螺钉固定在腕关节定平台403上，所述丝杠421一端通过第三联轴器422连接第五电机402，丝杠421另一端通过轴承内嵌在第七u型连接板417内，所述第五l型连接板405一端通过螺栓固定在腕关节定平台403上，第五l型连接板405另一端与第七u型连接板417固定连接，所述导杆404的两端分别固定在腕关节定平台403和第七u型连接板417上；所述丝杠螺母420与丝杠通过螺纹配合连接，所述丝杠螺母连接板406一端通过螺钉固定在丝杠螺母420上，丝杠螺母连接板406另一端与第八u型连接板407固定连接，所述第一球铰支座408通过螺栓固定连接在第八u型连接板407上，所述球头定长杆409一端通过球副与第一球铰支座408连接，球头定长杆409另一端通过球副与第二球铰支座411连接，所述第二球铰支座411通过螺栓固定连接在腕关节动平台413上。

所述第二支链包括支链支撑板419、第三球铰支座423、第一球头杆418、第一球头连接件416，直线电机连接件415、直线电机410、第二球头连接件414、第二球头杆412，所述支链支撑板419通过螺栓固定在五个第七u型连接板417上，所述第三球铰支座423通过螺栓连接在支链支撑板419上，所述第一球头杆418一端通过球铰与第三球铰支座423连接，第一球头杆418另一端与第一球头连接件416通过紧固螺钉固定连接，所述直线电机连接件415通过螺栓与第一球头连接件416固定连接，所述直线电机410一端与直线电机连接件415螺栓连接，直线电机410另一端与第二球头连接件414通过螺栓固定连接，所述第二球头杆412一端通过紧固螺钉与第二球头连接件固定连接，第二球头杆412另一端与第二球铰支座411通过球副连接。

所述第一输出轴205穿过第二l型连接板206和第三l型连接板216的外侧均安装有轴承端盖。

所述第一弧形板208整体为空心箱体，左右端为正方形，有三个键槽孔，前后端为半圆形且高于左右端，前后端有圆孔，内嵌轴承.

所述第二弧形板209上端为半圆形，下端为正方形，上端有一个键槽孔，下端有正方形孔。

所述第一输出轴205位于第二输出轴213的上方，且在空间成90度夹角。

所述的肘关节的第三主动轴312通过从动圆锥齿轮313大端和轴套定位，所述主动圆锥齿轮311通过键定位在第三主动轴312上，第三主动轴312穿过第二上臂308的外侧均装有轴承端盖.

所述肘关节第二上臂308和前臂314上端为正方形，下端为圆形，且整体呈z型。

所述腕关节定平台403为正五边形结构，外侧均匀有五个圆孔与电机连接，中心有十个圆形小孔与第五u型连接板固定连接，通过五个u型连接板与肘关节固定连接。

所述腕关节的支链支撑板419为类五角星形状，通过螺栓固定在第七u型连接板417上。

上述实施例只是本实用新型的较佳实施例，并不是对本实用新型技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本实用新型专利的权利保护范围内。