机械臂的制作方法

1.本公开涉及机械臂技术领域，具体涉及一种机械臂。


背景技术：

2.在相关技术中，机械臂多采用外转子电机与高减速比的双级行星齿轮箱配合的方案驱动机械臂运动，整体关节的输出速度较低，对驱动关节的负载能力要求较高，导致影响机械臂的动态性能以及成本提升。因而，如何提升机械臂的动态性能同时降低成本成为当前领域研究的热点问题


技术实现要素：

3.本公开提供一种改进的机械臂，以提升机械臂的动态性能、降低成本。
4.根据本公开的实施例提供一种机械臂，包括：底座、大臂组件、肘部组件、小臂组件、腕部组件和末端执行机构；
5.所述底座设置有差分耦合传动机构，所述大臂组件固定连接于所述差分耦合传动机构；所述差分耦合传动机构设有第一关节和第二关节，所述第一关节和所述第二关节共同驱动所述差分耦合传动机构运动；
6.所述大臂组件设置有第三关节，所述第三关节的输出端与所述肘部组件固定连接；所述肘部组件设置有第四关节，所述第四关节的输出端与小臂组件固定连接；所述小臂组件设置有第五关节，所述第五关节的输出端与腕部组件固定连接；所述腕部组件设置有第六关节，所述第六关节的输出端与末端执行机构固定连接；
7.所述第一关节、所述第二关节、所述第三关节、所述第四关节、所述第五关节和所述第六关节中的至少之一包括半直驱关节。
8.可选的，所述第一关节、所述第二关节、所述第三关节的减速比包括9。
9.可选的，所述第四关节、所述第五关节、所述第六关节的减速比包括6。
10.可选的，所述差分耦合传动机构包括第一锥齿轮、第二锥齿轮、t型传动轴和底座锥齿轮，所述第一锥齿轮和所述第二锥齿轮分别组装于所述t型轴的横轴，所述底座锥齿轮组装于所述t型传动轴的纵轴，所述第一锥齿轮和所述第二锥齿轮分别与所述底座锥齿轮啮合；
11.所述第一锥齿轮与所述第一关节的输出端固定连接，所述第二锥齿轮与所述第二关节的输出端固定连接。
12.可选的，所述末端执行机构包括夹爪静主体和夹爪动主体，所述第六关节的输出端与所述夹爪动主体固定连接，以带动所述夹爪动主体相对于所述夹爪静主体运动。
13.可选的，所述末端执行机构包括末端转接法兰，所述夹爪动主体和所述第六关节的输出端分别与所述末端转接法兰固定连接。
14.可选的，所述夹爪动主体和所述夹爪静主体的组合结构的径向尺寸及轴向尺寸适配于所述腕部组件的径向尺寸及轴向尺寸。
15.可选的，所述底座包括基座、主控板、通信转接板和电源转接板，所述主控板、通信转接板和所述电源转接板组装于所述基座，所述主控板分别与所述通信转接板和所述电源转接板电连接。
16.可选的，所述肘部组件包括肘部主体和肘部转接法兰，所述肘部转接法兰分别与所述肘部主体和所述第四关节固定连接。
17.可选的，所述腕部组件包括腕部主体和腕部转接法兰，所述腕部转接法兰分别与所述腕部主体和所述第六关节固定连接。
18.本公开提供的技术方案至少可以达到以下有益效果：
19.本公开的机械臂采用了低减速比的半直驱关节，提升了机械臂各个关节的输出速度，进而提升了机械臂的运动动态性能。且由于用于驱动大臂组件的第一关节和第二关节采用了差分耦合传动机构，能够在降低减速比的同时提升末端负载能力、能量使用效率和机械臂的整体轴向集成性。
20.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
21.图1是本公开一示例性实施例中一种机械臂的结构示意图；
22.图2是本公开一示例性实施例中一种底座和差分耦合传动机构的组装结构示意图；
23.图3是本公开一示例性实施例中一种差分耦合传动机构的内部结构示意图；
24.图4是本公开一示例性实施例中一种末端执行机构的结构示意图；
25.图5是本公开一示例性实施例中一种底座的结构示意图；
26.图6是本公开一示例性实施例中一种机械臂处于展开状态的结构示意图；
27.图7是本公开一示例性实施例中一种机械臂处于折叠状态的结构示意图。
具体实施方式
28.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
29.在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。除非另作定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个，若仅指代“一个”时会再单独说明。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”、“顶部”、“底部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连
接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
30.在相关技术中，机械臂多采用外转子电机与高减速比的双级行星齿轮箱配合的方案驱动机械臂运动，整体关节的输出速度较低，对驱动关节的负载能力要求较高，导致影响机械臂的动态性能以及成本提升。
31.本公开提供一种机械臂，图1是本公开一示例性实施例中一种机械臂的结构示意图；图2是本公开一示例性实施例中一种底座和差分耦合传动机构的组装结构示意图。如图1、图2所示，机械臂1包括：底座11、大臂组件12、肘部组件13、小臂组件14、腕部组件15和末端执行机构16。底座11设置有差分耦合传动机构113，大臂组件12固定连接于差分耦合传动机构113，差分耦合传动机构113设有第一关节111和第二关节112，第一关节111和第二关节112共同驱动差分耦合传动机构113运动。大臂组件12设置有第三关节121，第三关节121的输出端与肘部组件13固定连接，肘部组件13设置有第四关节131，第四关节131的输出端与小臂组件14固定连接，小臂组件14设置有第五关节141，第五关节141的输出端与腕部组件15固定连接，腕部组件15设置有第六关节151，第六关节151的输出端与末端执行机构16固定连接。第一关节111、第二关节112、第三关节121、第四关节131、第五关节141和第六关节151中的至少之一包括半直驱关节。
32.机械臂1采用了低减速比的半直驱关节，提升了机械臂1各个关节的输出速度，进而提升了机械臂1的运动动态性能。且由于用于驱动大臂组件12的第一关节111和第二关节112采用了差分耦合传动机构113，能够在降低减速比的同时提升末端负载能力、能量使用效率和机械臂1的整体轴向集成性。
33.需要说明的是，差分耦合传动机构113可以对第一关节111和第二关节112的输出动力进行耦合，使第一关节111和第二关节112共同作用形成大臂组件12的运动，第一关节111和第二关节112为并联关系，避免了第一关节111和第二关节112串联而使其中一个负载另一个的重力而造成的功率消耗，提升了末端负载能力和能力使用效率，还有助于缩减机械臂1的轴向尺寸。
34.在一些实施例中，如图3所示，差分耦合传动机构113可以包括第一锥齿轮1131、第二锥齿轮1132、t型传动轴1134和底座锥齿轮1133，第一锥齿轮1131和第二锥齿轮1132分别组装于t型轴1134的横轴1134a，底座锥齿轮1133组装于t型传动轴1134的纵轴1134b，第一锥齿轮1131和第二锥齿轮1132分别与底座锥齿轮1133啮合。第一锥齿轮1131与第一关节111的输出端固定连接，第二锥齿轮1132与第二关节112的输出端固定连接。当第一关节111和第二关节112的转向相同时，动力通过第一锥齿轮1131和第二锥齿轮1132传动至t型轴1134，使得差分耦合传动机构113绕t型轴1134的横轴1134a转动，大臂组件12产生俯仰运动。当第一关节111和第二关节112的转向相反时，动力通过第一锥齿轮1131和第二锥齿轮1132传动底座锥齿轮1133，并带动t型轴1134的纵轴1134b转动，使得差分耦合传动机构113产生绕t型轴1134纵轴1134b的翻转运动。
35.针对第一关节111和第二关节112采用上述差分耦合的设计，使得机械臂1获得了第一个自由度和第二个自由度，提升了第一关节111和第二关节112的能量使用效率，使机械臂1获得的俯仰与翻转运动的最大输出扭矩均为第一关节111和第二关节112单独工作时的2倍。此外，机械臂1的整体惯量分布也因此得到优化，在保证第一关节111和第二关节112
输出速度能力的同时最大程度的优化了末端负载能力。
36.例如，通过上述差速耦合的结构设计，充分优化了能量使用效率，在第一关节111额定扭矩12.6nm的基础上，在520mm的整机臂展与搭载末端夹爪的配置下，末端的实际最大负载可以大于或等于1.8kg，提升了类似机型0.5-1kg的负载能力。
37.在一些实施例中，第一关节111、第二关节112、第三关节121的减速比包括9，第一关节111、第二关节112和第三关节121采用上述低减速比可以提升上述三个关节的输出速度，进而提升整体的运动动态性能。
38.在一些实施例中，第四关节131、第五关节141、第六关节151的减速比包括6，第四关节131、第五关节141和第三关节121采用上述低减速比可以提升上述三个关节的输出速度，进而提升整体的运动动态性能。
39.在上述实施例中，当第一关节111、第二关节112、第三关节121的减速比为9，第四关节131、第五关节141、第六关节151的减速比为6时，通过单级低减速比行星减速器的使用使得各关节的额定速度可以大于或等于220rpm，在520mm臂展的基础上，末端的最大线速度可以大于或等于12m/s，进而提升了机械臂1的动态性能。
40.在一些实施例中，如图4所示，末端执行机构16包括夹爪静主体162和夹爪动主体161，第六关节151的输出端与夹爪动主体161固定连接，以带动夹爪动主体161相对于夹爪静主体162运动。第六关节151可以驱动夹爪动主体161运动，以使夹爪动主体161与夹爪静主体162配合形成夹取或张开动作，上述结构设置简单紧凑，驱动操作可靠性好。
41.在上述实施例中，末端执行机构16可以包括末端转接法兰163，夹爪动主体161和第六关节151的输出端分别与末端转接法兰163固定连接，提升了夹爪动主体161和第六关节151的连接可靠性。
42.在上述实施例中，夹爪动主体161和夹爪静主体162的组合结构的径向尺寸及轴向尺寸适配于腕部组件15的径向尺寸及轴向尺寸，以使夹爪动主体161和夹爪静主体162形成的夹爪结构便于集成与腕部组件15，提升夹爪结构与腕部组件15及机械臂1的适配性和紧凑性。通过紧凑地集成上述紧凑型末端夹爪，增加了机械臂1末端抓取与操作物体的能力，丰富了机械臂1的实际功能。在一实施例中，上述夹爪动主体161和夹爪静主体162的重力可以小于或等于450g，轴向尺寸可以小于或等于132mm，径向尺寸可以小于或等于76mm，也降低了对机械臂1末端负载能力与惯量分布的影响。
43.在一些实施例中，如图5所示，底座11可以包括基座114、主控板115、通信转接板116和电源转接板117，主控板115、通信转接板116和电源转接板117组装于基座114，主控板115分别与通信转接板116和电源转接板117电连接。基座114可以作为主控板115、通信转接板116和电源转接板117的固定壳体，主控板115可以是运控电源板，通过rj45网口接收上位机的指令并负责整体机械臂1运动的计算处理，同时也作为整机的电源板，是运动控制与电源板的紧凑化一体设计板组。主控板115上的通讯接口与低压电源接口分别与通信转接板116和电源转接板117连接，在通信转接板116和电源转接板117上分为7个支口给机械臂1的6个关节与末端执行机构16提供通信与供电。
44.在一些实施例中，肘部组件13包括肘部主体132和肘部转接法兰133，肘部转接法兰133分别与肘部主体132和第四关节131固定连接，以为肘部主体132和第四关节131提供稳固连接，并使机械臂1获得第四个自由度。
45.在一些实施例中，腕部组件15包括腕部主体152和腕部转接法兰153，腕部转接法兰153分别与腕部主体152和第六关节151固定连接，以为腕部主体152和第六关节151提供稳固连接，并使机械臂1获得第六个自由度。
46.如图6、图7所示，第三关节121和肘部主体132通过螺钉固连，在肘部主体132上通过径向螺钉固定肘部转接法兰133，第三关节121带动的肘部组件13机械臂1的第三个自由度，即俯仰。在肘部转接法兰133上固定第四关节131，小臂组件14通过侧向螺钉的固定方式连接至第四关节131，小臂组件14可以包括通过螺钉互相连接的两部分小臂结构，由第四关节131带动小臂组件14形成机械臂1的第四个自由度，即翻转。第五关节141通过螺钉直接固定在小臂组件14上，第五关节141的输出端固定腕部主体152，在腕部主体152的末端固定腕部转接法兰153，由第五关节141带动的腕部组件15形成机械臂1的第五个自由度，即俯仰。第六关节151固定在腕部转接法兰153上，在第六关节151的末端固定末端转接法兰163，由第六关节151带动的末端转接法兰163形成机械臂1的第六个自由度，即翻转。以上形成了机械臂1的6个自由度，从底座11到末端执行机构16分别为第一关节111和第二关节112耦合的俯仰与翻转、第三关节121带动的俯仰、第四关节131带动的翻转、第五关节141带动的俯仰与第六关节151带动的翻转，第一关节111和第二关节112的共轴线到第五关节141轴线的臂展距离为520mm，在末端转接法兰163的基础上集成了末端执行机构16，用作整体机械臂1末端的抓取与操作。
47.上述机械臂1采用了低减速比的半直驱关节，提升了机械臂1各个关节的输出速度，进而提升了机械臂1的运动动态性能。且由于用于驱动大臂组件12的第一关节111和第二关节112采用了差分耦合传动机构113，能够在降低减速比的同时提升末端负载能力、能量使用效率和机械臂1的整体轴向集成性。
48.以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开保护的范围之内。