一种用于机器人手臂的旋转摆动机构、机器人手臂及机器人的制作方法

本实用新型涉及机器人领域，特别涉及一种用于机器人手臂的旋转摆动机构、机器人手臂及机器人。

背景技术：

随着科技的进步，机器人的研究应用领域在不断扩展，其中仿人型机器人的研究和应用尤其受到普遍关注，并成为智能机器人领域中最活跃的研究热点之一，仿人型机器人主要是通过机器人手臂完成任务，但是现有的许多机器人手臂存在关节结构臃肿和控制繁琐等缺点。

例如中国专利(CN101780673B)公开的一种轻型服务机器人手臂，其通过减速机和电机配合驱动各关节动作，使得该机器人手臂结构复杂，另外，由于受机器人手臂安装空间限制，减速机只能采用微小型的减速机传动实现手臂摆动功能，但是微小型的减速机的价格较高。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供了一种结构简单和紧凑，且降低生产成本的用于机器人手臂的旋转摆动机构和包含有该旋转摆动机构的机器人手臂以及包含该机器人手臂的机器人。

为达到以上目的，本实用新型提供了一种用于机器人手臂的旋转摆动机构，包括第一电机、第一连接件、连接座、转动滑轮、固定滑轮、旋转座、支撑轴、第一牵引绳、第二牵引绳、第一滑轮和第二滑轮，所述第一电机固定在所述第一连接件上，且所述第一电机的输出轴穿过所述第一连接件套接所述转动滑轮，所述第一连接件上还固定有所述连接座，所述连接座上固定有所述支撑轴，所述支撑轴的轴线和所述转动滑轮的轴线相互垂直，所述支撑轴上套设有所述旋转座，所述旋转座和所述支撑轴能够相互转动，并且所述旋转座和所述第一连接件分别位于所述转动滑轮的两侧，所述旋转座上还固定有所述固定滑轮，所述固定滑轮和所述支撑轴同轴设置；

所述转动滑轮外侧面上设置有第一卡槽，所述固定滑轮外侧面上设置有第二卡槽，所述第一牵引绳的第一端和所述第二牵引绳的第一端均固定在所述第一卡槽内，所述第一牵引绳和所述第二牵引绳分别从所述第一卡槽的两侧且沿着所述转动滑轮的切向延伸至所述固定滑轮所在的平面，其中所述第一牵引绳通过所述第一滑轮换向，所述第二牵引绳通过所述第二滑轮换向，之后所述第一牵引绳和所述第二牵引绳分别沿着所述固定滑轮的切向延伸至所述固定滑轮两侧，最后所述第一牵引绳第二端和所述第二牵引绳第二端分别从所述第二卡槽两侧且沿着所述固定滑轮的周向延伸至所述第二卡槽内并固定，其中所述第一牵引绳和所述第二牵引绳不相交。

进一步，所述连接座呈L型，包括相互垂直的第一支板和第二支板，所述支撑轴固定在所述第二支板上，所述第二支板和所述固定滑轮分别位于所述旋转座两侧，所述第一支板位于所述转动滑轮和所述第一连接件之间，且所述第一支板固定在所述第一连接件上。

进一步，所述转动滑轮外侧面上设置第一环形槽，所述第一环形槽沿所述转动滑轮周向分布设置，且所述第一环形槽分别与所述第一牵引绳和所述第二牵引绳配合，所述固定滑轮外侧面上设置有第二环形槽，所述第二环形槽沿所述固定滑轮周向分布设置，且所述第二环形槽分别与所述第一牵引绳和所述第二牵引绳配合；

所述第一滑轮外侧面上设置有与所述第一牵引绳配合的第三环形槽，所述第一滑轮套设在第一销轴上，所述第一销轴固定在所述第一滑轮座上，所述第一滑轮座固定在所述第一支板上，所述第二滑轮外侧面上设置有与所述第二牵引绳配合的第四环形槽，所述第二滑轮套设在第二销轴上，所述第二销轴固定在所述第二滑轮座上，所述第二滑轮座固定在所述第一支板上。

进一步，所述第一滑轮轴心和所述第二滑轮轴心的连线分别与所述转动滑轮的轴线和所述固定滑轮的轴线相互垂直。

进一步，所述第一牵引绳和所述第二牵引绳均为相同结构的牵引绳。

进一步，所述第一牵引绳和所述第二牵引绳均为钢丝材料制成的牵引绳。

进一步，所述旋转座通过两个轴承套设在所述支撑轴上。

本实用新型还提供了一种机器人手臂，包括一旋转摆动机构，以及一大臂壳体、一小臂壳体和一手部壳体；

所述大臂壳体连接所述小臂壳体的一端，连接在所述旋转座上；

所述小臂壳体连接所述大臂壳体的一端，套设在所述第一连接件外，且所述第一电机位于所述小臂壳体内部；所述手部壳体与所述小臂壳体为一体化结构或组装结构；

或者，所述大臂壳体远离所述小臂壳体的一端，套设在所述第一连接件外，且所述第一电机位于所述大臂壳体内；所述大臂壳体、所述小臂壳体和所述手部壳体三者之间为组装结构和/或一体化结构。

进一步，所述用于机器人手臂的旋转摆动机构还包括第二电机、第二连接件和法兰，所述法兰固定在所述旋转座上，所述法兰连接所述第二电机的输出轴，所述第二电机的输出轴轴线与所述支撑轴轴线相互垂直，其中所述第二电机固定在所述第二连接件上，所述第二连接件位于所述第二电机和所述法兰之间；

所述大臂壳体连接所述小臂壳体的一端，套接在第二连接件外，且所述第二电机位于所述大臂壳体内部。

本实用新型还提供了一种机器人，包括上身壳体和两条所述机器人手臂，两机器人手臂分别通过一所述旋转摆动机构连接上身壳体；

所述大臂壳体连接所述上身壳体的一端，套设在所述第一连接件外；且所述第一电机位于所述大臂壳体内部；

所述上身壳体连接所述大臂壳体的一端，连接在所述旋转座上。

本实用新型还提供了一种机器人，包括一上身壳体和两条机器人手臂，两机器人手臂分别通过一所述旋转摆动机构连接上身壳体；

所述大臂壳体连接所述上身壳体的一端，套设在所述第一连接件外；且所述第一电机位于所述大臂壳体内部；

所述上身壳体连接所述大臂壳体的一端，套设在所述第二连接件外，且所述第二电机位于所述上身壳体内部。

本实用新型提供了如下优点：

(1)本实用新型的旋转摆动机构结构紧凑，另外旋转摆动机构可组装完成后再安装到大臂壳体和小臂壳体之间，以及大臂壳体和上身壳体之间，提高了安装效率。

(2)本实用新型用以模拟人体肘关节和肩关节的动作，其中肘关节具有两个自由度，肩膀具有两个自由度。

(3)本实用新型的转动滑轮和固定滑轮之间通过第一牵引绳和第二牵引绳配合连接，代替了传统机械换向结构，因此大大降低了旋转摆动机构的成本。

以下结合附图及实施例进一步说明本实用新型。

附图说明

图1为本实用新型所述旋转摆动机构的爆炸图；

图2为本实用新型所述机器人手臂的结构示意图；

图3为本实用新型所述机器人的结构示意图；

图4为本实用新型所述旋转摆动机构的工作原理图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变形。在以下描述中界定的本实用新型的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本实用新型的精神和范围的其他技术方案。

参见图1，示出了根据本实用新型优选实施例所述的一种用于机器人手臂的旋转摆动机构，包括第一电机401、第一连接件402、连接座429、转动滑轮408、固定滑轮413、旋转座416、支撑轴415、第一牵引绳409、第二牵引绳428、第一滑轮424和第二滑轮406，第一电机401固定在第一连接件402上，且第一电机401的输出轴穿过第一连接件402套接转动滑轮408，即转动滑轮408和第一电机401的输出轴同轴设置，第一连接件402上还固定有连接座429，连接座429上固定有支撑轴415，支撑轴415的轴线和转动滑轮408的轴线相互垂直，支撑轴415上套设有旋转座416，旋转座416和支撑轴415能够相互转动，其中旋转座416位置固定，且不发生转动，即支撑轴415能够绕着自身轴线转动，并且旋转座416和第一连接件402分别位于转动滑轮408的两侧，旋转座416上还固定有固定滑轮 413，即固定滑轮413也不发生转动，固定滑轮413和支撑轴415同轴设置，即固定滑轮413 的轴线和转动滑轮408的轴线相互垂直。转动滑轮408外侧面上设置有第一卡槽417，固定滑轮413外侧面上设置有第二卡槽412，第一牵引绳409的第一端和第二牵引绳428的第一端均通过端头410固定在第一卡槽417内，第一牵引绳409和第二牵引绳428分别从第一卡槽417的两侧且沿着转动滑轮408的切向延伸至固定滑轮413所在的平面，其中第一牵引绳409通过第一滑轮424换向，第二牵引绳428通过第二滑轮406换向，之后第一牵引绳 409和第二牵引绳428分别沿着固定滑轮413的切向延伸至固定滑轮413两侧，最后第一牵引绳409第二端和第二牵引绳428第二端分别从第二卡槽412两侧且沿着固定滑轮413的周向延伸至第二卡槽412内，且第一牵引绳409第二端和第二牵引绳428第二端均通过端头 410固定在第二卡槽412内，其中第一牵引绳409和第二牵引绳428不相交。

连接座429呈L型，包括相互垂直的第一支板403和第二支板420，支撑轴415固定在第二支板420上，第二支板420和固定滑轮413分别位于旋转座416两侧，第一支板403 位于转动滑轮408和第一连接件402之间，且第一支板403固定在第一连接件402上，第一支板403上还设置有避让孔419。

在本实施例中，第一支板403和第二支板420为一体化结构。

在其它实施例中，第一支板403和第二支板420为组装结构。

转动滑轮408外侧面上设置第一环形槽418，第一环形槽418沿转动滑轮408周向分布设置，且第一环形槽418分别与第一牵引绳409和第二牵引绳428配合，固定滑轮413外侧面上设置有第二环形槽411，第二环形槽411沿固定滑轮413周向分布设置，且第二环形槽411分别与第一牵引绳409和第二牵引绳428配合。

第一滑轮424外侧面上设置有与第一牵引绳409配合的第三环形槽425，第三环形槽425 沿第一滑轮424周向分布设置，第一滑轮424套设在第一销轴427上，第一销轴427固定在第一滑轮座426上，第一滑轮座426固定在第一支板403上，第二滑轮406外侧面上设置有与第二牵引绳428配合的第四环形槽407，第四环形槽407沿第二滑轮406周向分布设置，第二滑轮406套设在第二销轴405上，第二销轴405固定在第二滑轮座404上，第二滑轮座404固定在第一支板403上。

第一滑轮424轴心和第二滑轮406轴心的连线分别与转动滑轮408的轴线和固定滑轮 413的轴线相互垂直。

旋转座416可通过两个轴承414套设在支撑轴415上。

在本实施例中，第一牵引绳409和第二牵引绳428为相同结构的牵引绳，即第一牵引绳 409和第二牵引绳428的直径、材料和长度均相同，其中第一牵引绳409和第二牵引绳428 均为钢丝材料制成的牵引绳。另外，转动滑轮408和固定滑轮413为相同结构的滑轮，第一滑轮424和第二滑轮406可为相同结构的滑轮，第一销轴427和第二销轴405可为相同结构的销轴，以及第一滑轮座426和第二滑轮座404可为相同结构的滑轮座。

在其它实施例中，第一滑轮424的直径和第二滑轮406的直径不相等。

在其它实施例中，转动滑轮408的直径和固定滑轮413的直径不相等。

参见图2，示出了一种机器人手臂，包括一个旋转摆动机构，以及大臂壳体100、小臂壳体200和手部壳体300，大臂壳体100连接小臂壳体200的一端，连接在旋转座416上，小臂壳体200连接大臂壳体100的一端，套设在第一连接件402外，且第一电机401位于小臂壳体200内部；手部壳体300与小臂壳体200可为一体化结构或组装结构。

在其它实施例中，大臂壳体100远离小臂壳体200的一端，套设在第一连接件402外，且第一电机401位于大臂壳体100内，大臂壳体100、小臂壳体200和手部壳体300三者之间为组装结构和/或一体化结构。

参见图2，用于机器人手臂的旋转摆动机构还包括第二电机421、第二连接件422和法兰423，法兰423固定在旋转座416上，法兰423连接第二电机421的输出轴，第二电机 421的输出轴轴线与支撑轴415轴线相互垂直，其中第二电机421固定在第二连接件422上，第二连接件422位于第二电机421和法兰423之间，此时，大臂壳体100连接小臂壳体200 的一端，可套接在第二连接件422外，且第二电机421位于大臂壳体100内部。

第一电机401的输出轴和第二电机421的输出轴可同轴设置。

第一电机401和第二电机421可均为直流无刷行星减速电机。

参考图3，示出了一种机器人，包括一上身壳体500和两机器人手臂，两机器人手臂分别通过一旋转摆动机构连接上身壳体500，大臂壳体100连接上身壳体500的一端，套设在此处的旋转摆动机构中的第一连接件402外；且第一电机401位于大臂壳体100内部，上身壳体500连接大臂壳体100的一端，套设在此处的旋转摆动机构中的第二连接件422外，且第二电机421位于上身壳体500内部，值得注意的是，上身壳体500和机器人手臂之间还可采用不同于本实施例中旋转摆动机构的装置进行连接，并且该装置能够带动机器人手臂摆动和旋转。

在其它实施例中，上身壳体500连接大臂壳体100的一端，连接在旋转座416上。

图4为旋转摆动机构的工作原理图，其中圆a为固定滑轮413，M为圆a的圆心，圆b 为转动滑轮408，N为圆b的圆心，圆b可绕圆心N作圆周运动，圆e为第一滑轮424，E 为圆e的圆心，圆e可绕圆心E作圆周运动，圆f为第二滑轮406，F为圆f的圆心，圆f可绕圆心F作圆周运动，ASDGR连成的线段为第一牵引绳409，SD与圆a相切于S点，SD 与圆e相切于D点，GR与圆b相切于R点，GR与圆e相切于G点，KUHCB连成的线段为第二牵引绳428，BC与圆a相切于B点，BC与圆f相切于C点，HU与圆b相切于U点， HU与圆f相切于H点，圆a的直径和圆b的直径相等，圆e的直径和圆f的直径相等，图中圆a的轴线和圆b的轴线相交于一点O，即MO⊥NO，EF⊥MO，EF⊥NO。

现参考图4，并结合图1和图2介绍旋转摆动机构的工作原理：

第一电机401带动圆b沿2方向转动，使旋转摆动机构从实线5表示的运动状态运动到虚线5’表示的运动状态，其中第一牵引绳409在圆b上贴合的长度增加，且增加的长度为劣弧RR’，劣弧RR’对应的角度为∠RN’R’，此时圆b转动的角度为∠RN’R’，第一牵引绳409长度的改变使圆e绕圆心E且朝着箭头3方向作圆周运动，第一牵引绳409 在圆b增加的长度等于第一牵引绳409在圆a上减少的长度，故第一牵引绳409在圆a上的切点从S变为S’，即第一牵引绳409在圆a上减少的长度为劣弧S S’，劣弧S S’对应的角度为∠SM S’，由已知可得∠SM S’＝∠RN’R’，由于圆a位置固定，且不发生转动，且第一牵引绳409在圆a上减少的长度使圆b绕OM且朝箭头1的方向作圆周运动，该圆周运动的角度为∠NO’N’，其中∠NO’N’＝∠SM S’＝∠RN’R’。同理，第一电机401带动圆b沿2方向转动后，第二牵引绳428在圆b上贴合的长度减少，该减少的长度为劣弧UU’，劣弧UU’对应的角度为∠UN’U’，其中∠UN’U’＝∠RN’R’，第二牵引绳428长度的改变使圆f绕圆心F且朝着箭头4方向作圆周运动，其中圆f的转动方向和圆e的转动方向相反，第二牵引绳428在圆b上减少的长度等于第二牵引绳428在圆a上增加的长度，故第二牵引绳428在圆a上的切点从B变为B’，即第二牵引绳428在圆a上增加的长度为劣弧B B’，劣弧B B’对应的角度为∠BM B’，∠BM B’＝∠UN’ U’。之后，第一电机401带动圆b沿2的反方向转动，圆b能够绕OM且朝箭头1的反方向作圆周运动。

综上所述，设置在大臂壳体100和小臂壳体200之间的旋转摆动机构能够带动小臂壳体 200模拟人体肘部摆动动作，其具有一个自由度。还有第二电机421能够带动小臂壳体200 绕着第二电机421输出轴轴线转动，从而模拟人体肘部转动动作，其具有一个自由度，因此，机器人的肘关节具有两个自由度。同理，设置在大臂壳体100和上身壳体500之间的旋转摆动机构，可模拟人体肩部摆动动作和转动动作，因此，机器人的肩关节具有两个自由度。再说，转动滑轮和固定滑轮之间通过第一牵引绳和第二牵引绳配合连接，代替了传统机械换向结构，因此大大降低了旋转摆动机构的成本。另外旋转摆动机构可组装完成后再安装到大臂壳体和小臂壳体之间，以及大臂壳体和上身壳体之间，提高了安装效率。

以上所述的实施例仅用于说明本实用新型的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本实用新型的专利范围采用，即凡依本实用新型所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本实用新型的专利范围内。