端点R销接在一起，手腕回转组件8的第二端点D与小臂7的第二端点销接；手腕俯仰推杆5沿自身长度方向伸长或收缩动作使得手腕回转组件8沿手腕回转组件8的第二端点D形成的轴线进行俯仰动作。
[0035]本实施例中，所述底座回转组件2连接底座I和机架3，通过常规的回转传动器件实现机架3相对于底座I的回转动作。
[0036]本实施例中，所述手腕回转组件8与手腕接口 9固定，也通过常规的回转传动器件实现手腕接口 9的回转动作。
[0037]本实施所述的五自由度机械臂有两种工作模式:
[0038]如图1、图5和图6所示，在第一种工作模式中，设定手腕俯仰推杆5的长度OP与大臂4的长度AB相同且保持不变，在几何上使得大臂4的第一端点A、手腕俯仰推杆5的第一端点O之间长度AO与大臂4的第二端点B、平衡板12的第一端点P之间长度BP相等，由此四个端点形成平行四边形ABPO连杆结构；同时，小臂7、前连杆6、手腕回转组件8和平衡板12之间，在几何上使得手腕回转组件8的第二端点D、手腕回转组件8的第一端点R之间长度DR与大臂4的第二端点B、前连杆6的第一端点Q之间长度BQ相等，大臂4的第二端点B、手腕回转组件8的第二端点D之间长度BD与前连杆6的第一端点Q、手腕回转组件8的第一端点R之间长度QR相等，由此四个端点形成平行四边形BDRQ连杆结构；通过这两个平行四边形ABPO和BDRQ连杆结构可以保证手腕接口 9保持姿态不变，从而实现手腕接口9在垂直平面内具有两个自由度的平动；
[0039]如图1、图2、图3和图4所示，在第二种工作模式中，在ABPO四边形中，大臂4的第一端点A、手腕俯仰推杆5的第一端点O之间的长度AO与大臂4的第二端点B、平衡板12的第一端点P之间的长度BP仍旧相等，手腕俯仰推杆5的长度OP通过手腕俯仰推杆5的伸长和收缩改变；单独变化大臂推杆11的长度EF或者小臂推杆10的长度CG，则将引起手腕接口 9在垂直平面内进行单自由度的摆动；单独变化手腕俯仰推杆5的长度0P，则将引起手腕接口 9绕手腕回转组件8的第二端点D形成的轴线转动；大臂推杆11、小臂推杆10以及手腕俯仰推杆5联动，实现手腕接口 9在垂直平面内任意位置的平动与转动。
[0040]由此，本实施例实现了腰部回转，大臂俯仰，小臂俯仰，手腕俯仰，手腕回转五个自由度。
[0041]如图1所示，所述的大臂推杆11、小臂推杆10和手腕俯仰推杆5都可以由常规的直线传动器件实现，如伺服电机与滚珠丝杠或者梯形丝杠的组合，或者由液压、气缸部件实现；无论单独动作大臂推杆11、小臂推杆10或者手腕俯仰推杆5，都只能实现手腕接口 9沿某一轴线的摆动，只有大臂推杆11和小臂推杆10联动或者大臂推杆11、小臂推杆10和手腕俯仰推杆5联动时，才能够实现手腕接口 9在重力平面内的二自由度平动或者三自由度平动与转动。也就是说，在重力方向的做功是大臂推杆11和小臂推杆10共同分担实现的，这有助于降低对大臂推杆11和小臂推杆10的动力器件的要求，在合理的优化设计下，大臂推杆11、小臂推杆10和手腕俯仰推杆5可以用同样的参数结构实现模块化设计。
[0042]上述所述的五自由度机械臂不仅可以实现五自由度的复杂工作模式，也可以实现四自由度的简单工作模式，从而更好地分配了动力能量，获得了更好的结构刚度、更好的动态性能。大臂推杆11、小臂推杆10以及手腕俯仰推杆5可以分布在同一个垂直平面上，也可以不分布在同一个垂直平面上，可以实现动力更好的分配，降低机座及零件在工作过程中的负载。另外，通过模块化设计简化了结构参数，在产品成本、可维护性、可靠性等方面均具有一定的实用价值。
[0043]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
【主权项】
1.一种五自由度机械臂，其特征在于，包括底座(I)、底座回转组件(2)、机架(3)、大臂(4)、手腕俯仰推杆(5)、前连杆(6)、小臂(7)、手腕回转组件(8)、手腕接口(9)、小臂推杆(10)、大臂推杆(11)、平衡板(12)，其中: 底座回转组件⑵连接底座⑴和机架(3)，实现机架(3)相对于底座⑴的回转动作； 手腕回转组件(8)与手腕接口(9)固定，实现手腕接口(9)的回转动作； 大臂(4)的第一端点(A)和大臂推杆(11)的第一端点(F)分别销接在机架(3)上，大臂推杆(11)的第二端点(E)与大臂(4)销接；大臂推杆(11)沿自身的长度方向伸长或收缩动作使得大臂(4)沿大臂(4)的第一端点(A)形成的轴线进行俯仰动作； 小臂(7)销接在大臂(4)的第二端点(B)上，小臂推杆(10)第一端点(G)销接在机架(3)上，小臂推杆(10)的第二端点与小臂(7)的第一端点(C)销接；小臂推杆(10)沿自身的长度方向伸长或收缩动作使得小臂(7)沿大臂(4)的第二端点(B)形成的轴线进行俯仰动作； 手腕俯仰推杆(5)的第一端点(O)销接在机架(3)上、第二端点销接于平衡板(12)的第一端点(P)，平衡板(12)与小臂(7)、大臂(4)共同销接在大臂⑷的第二端点⑶上，平衡板(12)的第二端点与前连杆(6)的第一端点(Q)销接在一起，同时前连杆(6)的第二端点与手腕回转组件(8)的第一端点(R)销接，手腕回转组件⑶的第二端点⑶与小臂(7)的第二端点销接；手腕俯仰推杆(5)沿自身长度方向伸长或收缩动作使得手腕回转组件(8)沿手腕回转组件(8)的第二端点(D)形成的轴线进行俯仰动作。
2.根据权利要求1所述的一种五自由度机械臂，其特征在于，上述五自由度机械臂有两种工作模式: 在第一种工作模式中，设定手腕俯仰推杆(5)的长度OP与大臂(4)的长度AB相同且保持不变，在几何上使得大臂(4)的第一端点(A)、手腕俯仰推杆(5)的第一端点(O)之间长度AO与大臂(4)的第二端点(B)、平衡板(12)的第一端点⑵之间长度BP相等，由此四个端点之间形成平行四边形ABPO连杆结构；同时，小臂(7)、前连杆(6)、手腕回转组件(8)和平衡板(12)之间，在几何上使得手腕回转组件(8)的第二端点(D)、手腕回转组件(8)的第一端点(R)之间长度DR与大臂(4)的第二端点(B)、前连杆(6)的第一端点(Q)之间长度BQ相等，大臂(4)的第二端点(B)、手腕回转组件⑶的第二端点⑶之间长度BD与前连杆(6)的第一端点(Q)、手腕回转组件⑶的第一端点(R)之间长度QR相等，由此四个端点之间形成平行四边形BDRQ连杆结构；通过这两个平行四边形ABPO和BDRQ连杆结构能够保证手腕接口(9)保持姿态不变，从而实现手腕接口(9)在垂直平面内具有两个自由度的平动； 在第二种工作模式中，在上述的ABPO四边形中，大臂(4)的第一端点(A)、手腕俯仰推杆(5)的第一端点(O)之间的长度AO与大臂(4)的第二端点(B)、平衡板(12)的第一端点(P)之间的长度BP仍旧相等，手腕俯仰推杆(5)的长度OP通过手腕俯仰推杆(5)的伸长和收缩改变；单独变化大臂推杆(11)的长度EF或者小臂推杆(10)的长度CG，则将引起手腕接口(9)在垂直平面内进行单自由度的摆动；单独变化手腕俯仰推杆(5)的长度0P，则将引起手腕接口(9)绕手腕回转组件⑶的第二端点⑶形成的轴线转动；大臂推杆(11)、小臂推杆(10)以及手腕俯仰推杆(5)联动，实现手腕接口(9)在垂直平面内任意位置的平动与转动。
3.根据权利要求1所述的一种五自由度机械臂，其特征在于，单独动作所述大臂推杆(11)、小臂推杆(10)或者手腕俯仰推杆(5)能实现手腕接口(9)沿某一轴线的摆动；大臂推杆(11)和小臂推杆(10)联动，或者大臂推杆(U)、小臂推杆(10)和手腕俯仰推杆(5)联动，能够实现手腕接口(9)沿包括重力方向在内的合成运动，在重力方向的做功由大臂推杆(11)和小臂推杆(10)共同分担实现。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种五自由度机械臂，其特征在于，所述的大臂推杆(11)、小臂推杆(10)和手腕俯仰推杆(5)由直线传动器件实现。
5.根据权利要求4所述的一种五自由度机械臂，其特征在于，所述的直线传动器件，是伺服电机与滚珠丝杆或者梯形丝杆的组合，或者由液压、气缸部件实现。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种五自由度机械臂，其特征在于，所述的大臂推杆(11)、小臂推杆(10)和手腕俯仰推杆(5)采用同样的参数结构实现模块化设计。
7.根据权利要求1-3任一项所述的一种五自由度机械臂，其特征在于，所述的大臂推杆(11)、小臂推杆(10)和手腕俯仰推杆(5)分布在同一个垂直平面上，或者不分布在同一个垂直平面上。
【专利摘要】本发明公开一种五自由度机械臂，包括底座、底座回转组件、机架、大臂、小臂、大臂推杆、小臂推杆、手腕俯仰推杆、手腕回转组件、手腕接口、前连杆、平衡板。上述部件在工作过程中形成两种工作模式：第一种，设定手腕俯仰推杆的长度为大臂长度且保持不变，通过两个平行四边形连杆结构保证手腕接口始终保持姿态不变，实现手腕接口在垂直平面内两自由度平动；第二种，大臂推杆、小臂推杆以及手腕俯仰推杆联动，实现手腕接口在垂直平面内三自由度平动与转动。本发明能实现更好的动力能量分配，获得更好的结构刚度和动态性能；通过模块化设计简化结构参数，在产品成本、可维护性、可靠性方面具有一定实用价值。
【IPC分类】B25J18-04
【公开号】CN104802185
【申请号】CN201510198970
【发明人】袁建军, 傅霞君, 张伟军
【申请人】上海交通大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年4月22日