专利名称：多关节柔性机械臂的制作方法
技术领域：
本实用新型属于柔性机器人，尤其涉及一种多关节，大柔性，大范 围运动的机械臂。
背景技术：
多关节柔性机械臂是为机械手提供支撑的部件，要求机械臂轻量、 灵活以实现末端操作器多方位达到目标位置。通常机械臂均采用多个电机驱动，如装配在ETS-VII上的机械臂由6个关节串联而成，长约2米，重 量大约150kg，每一个关节由无刷直流电机和谐波减速器驱动，机械臂末 端的输出力和力矩分别为40N和10Nm，相对自重来说，机械臂的带载能力 很小。使用一个电机驱动的多关节轻型串联机械臂还没有看到报道。发明内容本实用新型提供一种多关节柔性机械臂，目的在于减轻自重，增加 自由度，以作为多种末端操作器的支撑部件，实现装配、质量检测、喷 涂等多自由度位姿及避障应用的要求。本实用新型的多关节柔性机械臂，包括安装在基座上的M个串联的相 同关节模块，其特征在于，每个关节模块由一个扭转关节和一个弯曲关节组成，M为l 10;所述扭转关节驱动弯曲关节及后续关节模块绕本关节轴线旋转，扭 转关节包含扭转输入换向齿轮组、扭转离合器组、扭转输出换向齿轮组、 扭转减速器、扭转驱动臂及直齿轮行星轮系，电机轴主运动通过扭转输入换向齿轮组将高速运动传给直齿轮行星轮系，由其输出给弯曲关节； 电机轴运动由扭转输入换向齿轮组、经扭转离合器组传给扭转输出换向 齿轮组、传递给扭转减速器，由其驱动扭转驱动臂旋转，扭转离合器组 提供本关节正转、反转、制动三种状态；所述弯曲关节驱动后续关节模块绕本关节减速器轴线旋转，弯曲关 节包含弯曲输入换向齿轮组、弯曲离合器组、弯曲输出换向齿轮组、弯 曲减速器、弯曲驱动臂及锥齿轮行星轮系，主运动通过弯曲输入换向齿 轮组将高速运动传给锥齿轮行星轮系，由其输出给下一个关节模块；主 运动由弯曲输入换向齿轮组、经弯曲离合器组传给弯曲输出换向齿轮组、 传递给弯祖减速器，由其驱动弯曲驱动臂旋转，弯曲离合器组提供本关 节正转、反转、制动三种状态；扭转关节的扭转驱动臂通过螺钉与弯曲关节的弯曲离合器箱连接， 实现扭转关节与弯曲关节的连接；前一个关节模块中弯曲关节的弯曲连 接件与后一个关节模块中扭转关节的扭转离合器箱螺钉连接，实现关节 模块之间的连接；基座内的电机产生的旋转运动依次通过各个关节模块 内的齿轮轮系传递到机械臂末端。所述的多关节柔性机械臂，其进一步的特征在于所述关节模块的 扭转关节和弯曲关节均安装位置、速度、加速度传感器及控制器，以实 时检测、控制所在关节的转角、转速、角加速度。本实用新型的模块标准化，将多个类似的关节模块串连而成一条机 械臂，每个关节均为独立的运动控制单元，相邻关节的轴线正交，可以 通过控制关节内部的离合器组来驱动关节，最终使机械臂末端达到指定 位置；根据需要可以在末端关节上串联更多的关节实现机械臂轴向尺寸 的延伸，实现大柔性，具有高载荷自重比。
图l是本实用新型实施例的主视图；图2A是本实用新型实施例中扭转关节的主视图；图2B是图2A的左视图；图2C是屈2A中A-A剖视图；图3A是本实用新型实施例中弯曲关节的主视图；图3B是图3A的左视图。图3C是衝3A中B-B剖视图；图中标识基座l，扭转关节2，弯曲关节3，扭转左换向齿轮4，扭 转左离合器轴5，扭转输入中心齿轮6，扭转输入轴7，扭转过轮8，扭转 右离合器轴9，扭转右换向齿轮IO，扭转离合器箱ll,扭转右离合器12， 扭转右换向输出齿轮13，扭转支撑臂14，扭转主轴15，扭转输入行星轮 16，扭转太阳轮17，扭转输出行星轮18，扭转输出轴19，扭转主运动输 出齿轮20，扭转驱动臂21，扭转减速器22，扭转主输入齿轮23，扭转制 动器24,扭转左换向输出齿轮25，扭转左离合器26，弯曲输入齿轮27， 弯曲过轮28,弯曲换向齿轮29，弯曲右离合器轴30，弯曲中心离合器31， 弯曲右离合器32，弯曲右换向输出齿轮33，弯曲小锥齿轮34，弯曲大锥 齿轮35，弯曲减速器36,弯曲支撑37，弯曲驱动臂38，弯曲连接件39， 弯曲输出轴40，弯曲输出锥齿轮41，弯曲行星锥齿轮42，弯曲锥齿轮支 撑轴43，弯曲主锥齿轮44，弯曲中心输出齿轮45，弯曲制动齿轮46，弯 曲制动器47，弯曲离合器箱48，弯曲主轴49，弯曲中心齿轮50，弯曲过 轮支撑51。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。 在图l所示实施例中，整个机械臂由基座1和5个关节模块串联而成， 每个关节模块由扭转关节2和弯曲关节3组成。动力来自基座l上的电机，
电机运动经过扭转关节2传递给弯曲关节3，在机械臂末端增加相同关节 模块可以扩展机械臂的长度和自由度。如图2A、图2B、图2C所示，扭转关节包含包含扭转输入换向齿轮组、 扭转离合器组、扭转输出换向齿轮组、扭转减速器、扭转驱动臂及直齿 轮行星轮系；扭转输入换向齿轮组由扭转输入中心齿轮6、扭转左换向齿 轮4、扭转过轮8和扭转右换向齿轮10组成，扭转输入中心齿轮6分别与扭 转左换向齿轮4、扭转过轮8啮合，扭转过轮8与扭转右换向齿轮10啮合； 扭转输入中心齿轮6与扭转输入轴7固接，扭转左换向齿轮4与扭转左离合 器轴5固接，扭转过轮8与扭转主轴15固接，扭转右换向齿轮10与扭转右 离合器轴9固接；扭转离合器组由分布在扭转制动器24两边的扭转左离合器26和扭转 右离合器12组成；扭转输出换向齿轮组由扭转右换向输出齿轮13、扭转主输入齿轮23 和扭转左换向输出齿轮25组成，扭转右换向输出齿轮13、扭转左换向输 出齿轮25扭转主输入齿轮23啮合；扭转右换向输出齿轮13与扭转右离合 器12的衔铁固接，扭转左换向输出齿轮25与扭转左离合器26的衔铁固接， 扭转主输入齿轮23分别与扭转制动器24和扭转减速器22的输入轴固接；扭转减速器22输出轴与扭转驱动臂21固接；直齿轮行星轮系由扭转输入行星轮16、扭转太阳轮17和扭转输出行 星轮18组成，扭转输入行星轮16、扭转输出行星轮18分别与扭转太阳轮 17啮合；扭转输入行星轮16与扭转主轴15固接，扭转太阳轮17空套在扭 转支撑臂14上，扭转输出行星轮18与扭转输出轴19一端固结，扭转输出 轴19另一端固结扭转主运动输出齿轮20。扭转关节的运动分为主运动和关节运动两种，其中主运动为高速运 动，用于将电机高速运动传递给下一个关节；关节运动为低速运动，用 于驱动本关节。
扭转关节内高速运动路线为电机轴运动通过扭转输入轴7及与其固 接的扭转输入中心齿轮6，带动扭转过轮8，扭转过轮8通过与其固接的扭 转主轴15将高速运动传给扭转输入行星轮16、扭转太阳轮17和扭转输出 行星轮18组成的直齿轮行星轮系，主运动由固结在扭转输出轴19上的扭 转主运动输出齿轮20输出给弯曲关节。扭转关节低速运动路线为电机轴运动由扭转输入轴7及与其固结的 扭转输入中心齿轮6，分别带动扭转左换向齿轮4和扭转过轮8，扭转左换 向齿轮4将输入的运动传递给与其固结的扭转左离合器轴5;扭转过轮8经 过扭转右换向齿轮10将输入的运动传递给与其固结的扭转右离合器轴9。 当扭转左离合器26接通、扭转右离合器12断开、扭转制动器24断开时， 扭转左离合器轴5通过扭转左离合器26带动扭转左换向输出齿轮25运动， 从而使主输入齿轮23正转；当扭转左离合器26断开、扭转右离合器12接 通、扭转制动器24断开时，扭转右离合器轴9通过扭转右离合器12带动扭 转右换向输出齿轮13运动，从而使主输入齿轮23反转；当扭转左离合器 26断开、扭转右离合器12断开、扭转制动器24接通时，主输入齿轮23制 动。主输入齿轮23将确定的运动传递给减速器22，由减速器22驱动扭转 驱动臂21旋转，扭转关节的扭转驱动臂21通过螺钉与弯曲关节的弯曲离 合器箱48连接，从而驱动后续所有的关节沿本关节轴线旋转。如图3A、图3B、图3C所示，弯曲关节包含弯曲输入换向齿轮组、弯 曲离合器组、弯曲输出换向齿轮组、'弯曲减速器、弯曲驱动臂及锥齿轮 行星轮系。弯曲输入换向齿轮组由弯曲输入齿轮27、弯曲中心齿轮50、 弯曲过轮28和弯曲换向齿轮29组成，弯曲过轮28分别与弯曲中心齿轮50 和弯曲换向齿轮29啮合；弯曲输入齿轮27、弯曲中心齿轮50顺序与弯曲 主轴49固接，弯曲换向齿轮29与弯曲右离合器轴30固接；弯曲过轮28空套在固定于箱体的弯曲过轮支撑51上。弯曲离合器组曲右离合器32组成；弯曲中心离合器31的转子与弯曲主轴49固接，弯曲 右离合器32的转子与弯曲右离合器轴30固接；弯曲输出换向齿轮组由弯曲右换向输出齿轮33、弯曲中心输出齿轮 45、弯曲制动齿轮46、弯曲主锥齿轮44和弯曲大锥齿轮35组成，弯曲右 换向输出齿轮33与弯曲右离合器32的衔铁固接，弯曲中心输出齿轮45与 弯曲中心离合器31的衔铁固接，弯曲制动齿轮46与弯曲制动器47的输出 轴固接；弯曲主锥齿轮44与弯曲中心输出齿轮45同轴固连，弯曲大锥齿 轮35与弯曲减速器36输入轴固接，弯曲中心输出齿轮45分别与弯曲右换 向输出齿轮33、弯曲制动齿轮46啮合，弯曲主锥齿轮44与弯曲大锥齿轮 35啮合；弯曲减速器36固定在与弯曲关节箱体固连的弯曲支撑37上，弯曲减 速器36输出轴与弯曲驱动臂38固接。锥齿轮行星轮系由弯曲小锥齿轮34、弯曲行星锥齿轮42和弯曲输出 锥齿轮41组成，弯曲小锥齿轮34与弯曲主轴49固接，弯曲行星锥齿轮42 空套在弯曲关节箱体的弯曲锥齿轮支撑轴43上，弯曲输出锥齿轮41与弯 曲输出轴40固接，弯曲行星锥齿轮42分别与弯曲小锥齿轮34、弯曲输出 锥齿轮41啮合。与扭转关节类似，弯曲关节内的运动分为主运动和关节运动两种， 其中主运动为高速运动，用于将电机高速运动传递给下一个关节；关节 运动为低速运动，用于驱动本关节。弯曲关节内高速运动路线为高速运动由与扭转主运动输出齿轮20 啮合的弯曲输入齿轮27，经过与其固结的弯曲主轴49，带动弯曲小锥齿 轮34、弯曲行星锥齿轮42和弯曲输出锥齿轮41组成的锥齿轮系，将高速 运动传递给与弯曲输出锥齿轮41固接的弯曲输出轴40，在与下一个关节 模块串联时，弯曲输出轴40即作为下一个关节模块中扭转关节的扭转输 入轴7,从而将主运动输出给下一个关节。
弯曲关节低速运动路线为电机轴运动由弯曲输入齿轮27经过与其 固结的弯曲主轴49，带动与弯曲主轴49固连的输入弯曲中心齿轮50，带 动弯曲过轮28、弯曲换向齿轮29将输入的运动传递给与其固结的弯曲右 离合器轴30。当弯曲中心离合器31接通，弯曲右离合器32断开，弯曲制 动器47断开时，弯曲主轴49通过弯曲中心离合器31带动弯曲中心输出齿 轮45正转；当弯曲中心离合器31断开，弯曲右离合器32接通，弯曲制动 器47断开时，弯曲右离合器轴30通过弯曲右离合器32带动弯曲右换向输 出齿轮33运动，从而驱动弯曲中心输出齿轮45反转；当弯曲中心离合器 31断开，弯曲右离合器32断开，弯曲制动器47接通时，弯曲制动齿轮46 制动，从而使弯曲中心输出齿轮45制动。弯曲中心输出齿轮45与弯曲主 锥齿轮44固连，弯曲主锥齿轮44与弯曲大锥齿轮35啮合，因此弯曲中心 输出齿轮45的运动决定了弯曲大锥齿轮35输入减速器的运动。弯曲大锥 齿轮35将运动传递给弯曲减速器36，由弯曲减速器36驱动固结的弯曲驱 动臂38和弯曲连接件39旋转，弯曲连接件39为圆筒形，可以和下一个关 节模块中扭转关节的扭转离合器箱ll固接，从而驱动后续所有的关节模 块沿本关节减速器轴线旋转。
权利要求1.一种多关节柔性机械臂，包括安装在基座上的M个串联的相同关节模块，其特征在于，每个关节模块由一个扭转关节和一个弯曲关节组成，M为1～10；所述扭转关节驱动弯曲关节及后续关节模块绕本关节轴线旋转，扭转关节包含扭转输入换向齿轮组、扭转离合器组、扭转输出换向齿轮组、扭转减速器、扭转驱动臂及直齿轮行星轮系，电机轴主运动通过扭转输入换向齿轮组将高速运动传给直齿轮行星轮系，由其输出给弯曲关节；电机轴运动由扭转输入换向齿轮组、经扭转离合器组传给扭转输出换向齿轮组、传递给扭转减速器，由其驱动扭转驱动臂旋转，扭转离合器组提供本关节正转、反转、制动三种状态；所述弯曲关节驱动后续关节模块绕本关节减速器轴线旋转，弯曲关节包含弯曲输入换向齿轮组、弯曲离合器组、弯曲输出换向齿轮组、弯曲减速器、弯曲驱动臂及锥齿轮行星轮系，主运动通过弯曲输入换向齿轮组将高速运动传给锥齿轮行星轮系，由其输出给下一个关节模块；主运动由弯曲输入换向齿轮组、经弯曲离合器组传给弯曲输出换向齿轮组、传递给弯曲减速器，由其驱动弯曲驱动臂旋转，弯曲离合器组提供本关节正转、反转、制动三种状态；扭转关节的扭转驱动臂通过螺钉与弯曲关节的弯曲离合器箱连接，实现扭转关节与弯曲关节的连接；前一个关节模块中弯曲关节的弯曲连接件与后一个关节模块中扭转关节的扭转离合器箱螺钉连接，实现关节模块之间的连接；基座内的电机产生的旋转运动依次通过各个关节模块内的齿轮轮系传递到机械臂末端。
2. 如权利要求l所述的多关节柔性机械臂，其特征在于，所述扭转 关节中扭转输入换向齿轮组由扭转输入中心齿轮(6)、扭转左换向齿轮(4)、扭转过轮(8)和扭转右换向齿轮(10)组成，扭转输入中心齿轮(6) 分别与扭转左换向齿轮(4)、扭转过轮(8)啮合，扭转过轮(8)与扭 转右换向齿轮(10)啮合；扭转输入中心齿轮(6)与扭转输入轴(7) 固接，扭转左换向齿轮(4)与扭转左离合器轴(5)固接，扭转过轮(8) 与扭转主轴(15)固接，扭转右换向齿轮(10)与扭转右离合器轴(9) 固接；扭转离合器组由分布在扭转制动器(24)两边的扭转左离合器(26) 和扭转右离合器(12)组成；扭转输出换向齿轮组由扭转右换向输出齿轮(13)、扭转主输入齿轮 (23)和扭转左换向输出齿轮(25)组成，扭转右换向输出齿轮(13)、 扭转左换向输出齿轮(25)扭转主输入齿轮(23)啮合；扭转右换向输 出齿轮(13)与扭转右离合器(12)的衔铁固接，扭转左换向输出齿轮 (25)与扭转左离合器(26)的衔铁固接，扭转主输入齿轮(23)分别与 扭转制动器(24)和扭转减速器(22)的输入轴固接；扭转减速器22输出轴与扭转驱动臂(21)固接；直齿轮行星轮系由扭转输入行星轮(16)、扭转太阳轮(17)和扭转 输出行星轮(18)组成，扭转输入行星轮(16)、扭转输出行星轮(18) 分别与扭转太阳轮(17)啮合；扭转输入行星轮(16)与扭转主轴(15) 固接，扭转太阳轮(17)空套在扭转支撑臂(14)上，扭转输出行星轮 (18)与扭转输出轴(19) 一端固结，扭转输出轴(19)另一端固结扭 转主运动输出齿轮(20)。
3.如权利要求1或2所述的多关节柔性机械臂，其特征在于，所述弯 曲关节中弯曲输入换向齿轮组由弯曲输入齿轮(27)、弯曲中心齿轮 (50)、弯曲过轮(28)和弯曲换向齿轮(29)组成，弯曲过轮(28)分 别与弯曲中心齿轮(50)和弯曲换向齿轮(29)啮合；弯曲输入齿轮(27)、 弯曲中心齿轮(50)顺序与弯曲主轴(49)固接，弯曲换向齿轮(29) 与弯曲右离合器轴(30)固接；弯曲离合器组由分布在弯曲制动器(47)—侧的弯曲中心离合器(31) 和弯曲右离合器(32)组成；弯曲中心离合器(31)的转子与弯曲主轴 (49)固接，弯曲右离合器(32)的转子与弯曲右离合器轴(30)固接；弯曲输出换向齿轮组由弯曲右换向输出齿轮(33)、弯曲中心输出齿 轮(45)、弯曲制动齿轮(46)、弯曲主锥齿轮(44)和弯曲大锥齿轮(35) 组成，弯曲右换向输出齿轮(33)与弯曲右离合器(32)的衔铁固接， 弯曲中心输出齿轮(45)与弯曲中心离合器(31)的衔铁固接，弯曲制 动齿轮(46)与弯曲制动器(47)的输出轴固接；弯曲主锥齿轮(44) 与弯曲中心输出齿轮(45)同轴固连，弯曲大锥齿轮(35)与弯曲减速 器(36)输入轴固接，弯曲中心输出齿轮(45)分别与弯曲右换向输出 齿轮(33)、弯曲制动齿轮(46)啮合，弯曲主锥齿轮(44)与弯曲大锥 齿轮(35)啮合；弯曲减速器(36)固定在弯曲关节箱体上，弯曲减速器(36)输出 轴与弯曲驱动臂(38)固接；锥齿轮行星轮系由弯曲小锥齿轮(34)、弯曲行星锥齿轮(42)和弯 曲输出锥齿轮(41)组成，弯曲小锥齿轮(34)与弯曲主轴(49)固接， 弯曲行星锥齿轮(42)空套在弯曲关节箱体的弯曲锥齿轮支撑轴(43) 上，弯曲输出锥齿轮(41)与弯曲输出轴(40)固接，弯曲行星锥齿轮 (42)分别与弯曲小锥齿轮(34)、弯曲输出锥齿轮(41)啮合。
4.如权利要求1或2所述的多关节柔性机械臂，其特征在于所述关节模块的扭转关节和弯曲关节均安装位置、速度、加速度传感器及控制 器，以实时检测、控制所在关节的转角、转速、角加速度。
5.如权利要求3所述的多关节柔性机械臂，其特征在于所述关节 模块的扭转关节和弯曲关节均安装位置、速度、加速度传感器及控制器， 以实时检测、控制所在关节的转角、转速、角加速度。
专利摘要多关节柔性机械臂，属于柔性机器人，目的在于减轻自重，增加自由度，实现装配、质量检测、喷涂等多自由度位姿及避障应用的要求。本实用新型包括安装在基座上的M个串联的相同关节模块，每个关节模块由一个扭转关节和一个弯曲关节组成，扭转关节驱动弯曲关节及后续关节模块绕本关节轴线旋转，它包含扭转输入换向齿轮组、扭转离合器组、扭转输出换向齿轮组、扭转减速器、扭转驱动臂及直齿轮行星轮系；弯曲关节驱动后续关节模块绕本关节减速器轴线旋转，它包含弯曲输入换向齿轮组、弯曲离合器组、弯曲输出换向齿轮组、弯曲减速器、弯曲驱动臂及锥齿轮行星轮系。本实用新型的模块标准化，大柔性、重量轻、多自由度、扩展性强。
文档编号B25J18/04GK201052618SQ20072008533
公开日2008年4月30日 申请日期2007年6月20日 优先权日2007年6月20日
发明者洋 刘, 孙新远, 李世其, 明 谢, 涛 谢 申请人:华中科技大学