一种多自由度的机器人手臂及机器人的制作方法

本发明涉及智能机器人技术领域，尤其涉及一种多自由度的机器人手臂及机器人。

背景技术：

从机器人诞生到现在，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。随着计算机技术、微电子技术、网络技术等快速的发展，机器人技术也得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于服务行业的先进机器人系统也有了长足的进展。控制系统性能的进一步提高，激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中的成功应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。基础技术和器件的发展为机器人的智能化、仿人和仿生发展创造了良好的条件。当前，机器人不仅应用于工业领域，也在逐步应用于与人们生活联系紧密的领域。服务机器人、助老助残机器人、教育机器人、娱乐机器人的发明、生产和应用将会给人类的生活带来便利和乐趣。

目前，在服务机器人中，机器人通常包括头部、手臂和身体，头部可转动地装配于身体的顶部位置，手臂可转动地装配于身体的两侧。而在以往结构中，手臂结构存在以下缺陷：

1)手臂上所有关节部位采用u型连接方式，这样使得关节部体积较大，不仅满足不了小型化的发展需求，而且不利于类人的手臂外形设计；

2)手臂的大臂与肩部于边缘处连接，使得肩部整体向外突出，增大了肩部的整体尺寸，显得比较笨重，影响了机器人的整体外观形象。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多自由度的机器人手臂及机器人，克服现有技术中手臂的关节部位存在的体积大、影响整体外观形象的缺陷。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种多自由度的机器人手臂，包括大臂，该大臂的上端连接有肩部；所述机器人手臂还包括肘部、小臂、手部机构、第二连接件和第三连接件；

所述第二连接件固定连接于所述大臂的底端，与所述大臂形成l型结构；所述肘部固定于第二连接件上，同时与所述小臂的顶端固定连接；

所述第三连接件固定连接于所述小臂的底端，与所述小臂形成l型结构；所述手部机构装设于所述第三连接件上。

可选的，所述肩部包括相连接的第一转动机构和第二转动机构；

所述第一转动机构包括相互连接的第一电机和第一转动部；在第一电机的驱动作用下，第一转动部以第一电机的转轴为旋转轴进行转动；

所述第二转动机构包括相互连接的第二电机和第二转动部；在第二电机的驱动作用下，第二转动部以第二电机的转轴为旋转轴进行转动；

所述第一转动机构与第二转动机构通过第一连接件连接，第一电机的转轴与第二电机的转轴相互垂直。

可选的，所述肘部包括相连接的第三转动机构和第四转动机构；

所述第三转动机构，包括相连接的第三电机和第三转动部；在第三电机的驱动作用下，第三转动部以第三电机的转轴为旋转轴进行转动；

所述第四转动机构，包括相连接的第四电机和第四转动部；在第四电机的驱动作用下，第四转动部以第四电机的转轴为旋转轴进行转动；

所述第三转动机构的第三电机垂直固定连接于所述第二连接件上；第四转动机构的第四电机与第三转动部固定连接，且第四电机的转轴与第三电机的转轴相垂直。

可选的，所述手部机构包括第一舵机，位于第一舵机下方的第二舵机和第三舵机，以及位于第二舵机下方的左手掌和位于第三舵机下方的右手掌。

所述第一舵机固定装配于所述第三连接件上，所述第二舵机和第三舵机作为整体与第一舵机的输出轴固定连接，所述左手掌与第二舵机的输出轴固定连接，所述右手掌与第三舵机的输出轴固定连接。

可选的，所述第一连接件固定于第一转动机构的第一转动部的中间位置，该第一连接件同时与第二转动机构的第二电机固定连接。

可选的，所述第三电机垂直连接于第二连接件的中心位置，第四电机固定连接于第三转动部的中间位置。

可选的，所述第一转动部、第二转动部、第三转动部和/或第四转动部具体包括：转轴连接片、机械限位机构以及减速器，依次固定套设与相应转轴的外部。

可选的，所述机器人手臂还装设有一个或者多个电机控制板。

可选的，所述机器人手臂还装设有电连接的限位传感器和机械限位开关。

一种机器人，包括如上任一所述的机器人手臂。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

本发明实施例提供的机器人手臂实现了多个自由度的旋转，大臂与肘部、肘部与小臂、小臂与手部机构均通过l型连接方式，而非传统的u型连接方式，可减小关节部位的体积，为整体小型化设计奠定了基础，还使得整个机器人手臂外观更加近似于人类手臂；各个关节位置，均采用中间连接固定方式，这样可以将各部分的中心位置尽量保持一致，从而缩小整体大小，使得机器人手臂看起来更加轻盈，提升整体外观形象。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例一提供的机器人手臂的第一立体视图；

图2为本发明实施例一提供的机器人手臂的第二立体视图；

图3为本发明实施例一提供的机器人手臂的第三立体视图；

图4为本发明实施例一提供的机器人手臂的第四立体视图；

图示说明：

肩部1、大臂2、肘部3、小臂4、手部机构5、第一连接件6、第二连接件7、第三连接件8、目标物体9、电机控制板10、第一电机11、第一转动部12、第二电机13、第二转动部14、连接结构15、机械限位开关16、第三电机31、第三转动部32、第四电机33、第四转动部34、第一舵机51、第二舵机52、第三舵机53、左手掌54、右手掌55。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

请参考图1至图4所示，本实施例提供了一种具有多自由度的机器人手臂结构。该机器人手臂包括一大臂2，大臂2的上方设有肩部1，大臂2的下方通过肘部3连接小臂4，小臂4的下方连接一手部机构5。

下面将对各个组成部分分别进行描述。

(1)肩部1

肩部1包括相连接的第一转动机构和第二转动机构。

第一转动机构包括相互连接的第一电机11和第一转动部12；在第一电机11的驱动作用下，第一转动部12以第一电机11的转轴为旋转轴进行转动；

第二转动机构包括相互连接的第二电机13和第二转动部14；在第二电机13的驱动作用下，第二转动部14以第二电机13的转轴为旋转轴进行转动。

第一转动机构与第二转动机构通过第一连接件6连接，第一电机11的转轴与第二电机13的转轴处于相互垂直状态，且两转轴在处于水平状态时位于同一高度。具体地，第一连接件6固定于第一转动机构的第一转动部12的中间位置，该第一连接件6同时与第二转动机构的第二电机13固定连接。

可以理解的是，由于第一连接件6设于第一转动部12的中间位置，使得第二转动机构与第一转动机构采用了中间连接固定方式，最大化地节省了装配空间，可缩小肩部1的体积，提升其整体外观效果。

为实现机器人手臂与机器人身体的连接，第一转动机构的第一电机11上还固定设有一连接结构15，用于与机器人身体固定连接，其具体结构不限。

基于上述两个转动机构的设计，本实施例的肩部1的转动过程具体如下：

在第一电机11工作时，第一转动部12相对于第一电机11进行转动，与此同时固定于第一转动部12上的第二转动机构随之进行转动，从而使得手臂整体以第一电机11的转轴为旋转轴进行转动；

在第二电机13工作时，第二转动部14相对于第二电机13进行转动，从而使得手臂可以第二电机13的转轴为旋转轴进行转动。

(2)大臂2

大臂2，其顶端与第二转动机构的第二转动部14固定连接、底端固定连接一第二连接件7。在第二电机13工作时，大臂2能够在第二转动部14的带动下以第二电机13的转轴为旋转轴进行转动。

基于人体形态，优选的，大臂2与第二转动机构的第二电机13的转轴相垂直，实现类人化设计。

第二连接件7的功能为：实现大臂2与肘部3的连接。为节省装配空间，第二连接件7的一侧边与大臂2垂直固定连接，使得大臂2与第二连接件7形成l型结构。基于此l型结构，在后续肘部3通过第二连接件7与大臂2连接，可减小装配体积，实现小型化。

(3)肘部3

肘部3，包括相连接的第三转动机构和第四转动机构。

第三转动机构，包括相连接的第三电机31和第三转动部32；在第三电机31的驱动作用下，第三转动部32以第三电机31的转轴为旋转轴进行转动；

第四转动机构，包括相连接的第四电机33和第四转动部34；在第四电机33的驱动作用下，第四转动部34以第四电机33的转轴为旋转轴进行转动。

第三转动机构的第三电机31垂直固定连接于第二连接件7上，第四转动机构的第四电机33与第三转动部32固定连接，且第四电机33的转轴与第三电机31的转轴相垂直。

为节省装配空间，第三电机31垂直连接于第二连接件7的中心位置，第四电机33固定连接于第三转动部32的中间位置，这样可使得第三转动机构和第四转动机构尽量往中心位置靠拢，减小肘部3的整体体积。

(4)小臂4

小臂4，其顶端与第四转动机构的第四转动部34固定连接、底端固定连接一第三连接件8。在第四电机33工作时，小臂4能够在第四转动部34的带动下以第四电机33的转轴为旋转轴进行转动。

基于人体形态，优选的，小臂4与第四转动机构的第四电机33的转轴相垂直，实现类人化设计。

第三连接件8的功能为：实现小臂4与手部机构5的连接。为节省装配空间，第三连接件8的一侧边与小臂4垂直固定连接，使得小臂4与第三连接件8形成l型结构。基于此l型结构，在后续手部机构5通过第三连接件8与小臂4连接时，可减小装配体积，实现小型化。

(5)手部机构5

手部机构5，包括第一舵机51、第二舵机52、第三舵机53、由左手掌54和右手掌55组成的手掌结构。

第一舵机51固定装配于第三连接件8上，第二舵机52和第三舵机53作为整体固定连接至第一舵机51的输出轴，且第二舵机52对左手掌54控制连接、第三舵机53对右手掌55控制连接。

该结构中，第一舵机51对第二舵机52和第三舵机53的整体进行旋转控制，从而使得整个手掌结构可以第一舵机51的输出轴为转轴进行转动；第二舵机52和第三舵机53分别用于控制左手掌54和右手掌55的转动，使得手掌能够张开指定角度，方便抓取目标物体9。

在实际应用过程中，手臂的各个关节的旋转通常都会设定在合理角度范围内，为此，肩部和肘部上还可分别装设一限位传感器，用于实现限位功能。机器人手臂上还设有机械限位开关16，与限位传感器电连接，用于控制限位功能的开关。

另外，本实施例中，第一转动部12、第二转动部14、第三转动部32及第四转动部34可具体包括：转轴连接片、机械限位机构以及减速器，这样可使得电机装载于机械限位连接片上，实现各个关节的良好旋转效果。

为方便对各个关节进行高效、精确的控制，本实施例还设置了三个电机控制板10，分别装设于肩部1、大臂2和小臂4上，分别用于对第一电机11、第二电机13、第三电机33和第四电机33进行单独控制。

综上，本实施例的机器人手臂具有以下特点：

1)大臂2与肘部3、肘部3与小臂4、小臂4与手部机构5均通过l型连接方式，而非传统的u型连接方式，可减小关节部位的体积，为整体小型化设计奠定了基础，还使得整个机器人手臂外观更加近似于人类手臂；

2)各个关节位置，均采用中间连接固定方式，这样可以将各部分的中心位置尽量保持一致，从而缩小整体大小，使得机器人手臂看起来更加轻盈，提升整体外观形象。

实施例二

本实施例二提供了一种机器人，该机器人包括机器人头部、机器人身体以及机器人手臂，机器人手臂如实施例一所述，此处不再赘述。

在本实施例中，机器人手臂可以多自由度的旋转，且整体体积较小，使得整个机器人可以更加小型化、外形更加美观。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。