一种双臂拟人臂的制作方法

本实用新型涉及一种双臂拟人臂。

背景技术：

随着人工智能的发展，越来越多的机器人出现在人们的日常生活中，拟人机械臂便是其中之一。但现有的拟人臂多以少于7个自由度来实现仿人运动，或者外形与真实人臂差距较大。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术中的不足之处而提供一种结构简单，结构巧妙，具有7个自由度的双臂拟人臂。

本实用新型是通过如下方式实现的：

一种双臂拟人臂，其特征在于：包括肩关节机构、肘关节机构、腕关节机构，所述肩关节机构包括球铰座，所述球铰座的一端形成有与机身相连接的连接杆，所述球铰座上连接有球面副，所述球面副的球铰杆通过固定板连接有上臂臂体，球铰杆相对于球铰座可360度转动；所述球铰座上连接有半圆形的限位片，所述限位片上开设有限位槽，球面副的球铰杆穿过于限位槽与上臂臂体相连接，球铰杆在限位槽的槽长范围内活动；上臂臂体通过肩关节机构相对于机身可转动；

所述肘关节机构包括肘部连接轴，所述肘部连接轴呈十字形，其左右两端连接于上臂臂体上，且肘部连接轴相对于上臂臂体可转动；所述肘部连接轴的中部穿设有一端设有限位块的翻转轴，所述翻转轴的另一端连接有前臂臂体，前臂臂体以翻转轴为支点，相对于肘部连接轴可旋转；所述肘部连接轴的一端通过上臂皮带与设于上臂臂体上的上臂带轮轴相连接，所述肘部连接轴的一端和上臂带轮轴上均设有与上臂皮带相匹配的上臂皮带轮；

所述腕关节机构包括第一腕部U形连接块、第二腕部U形连接块，所述第一腕部U形连接块和第二腕部U形连接块之间通过腕部十字连接轴相连接；所述第一腕部U形连接块的底部连接有与前臂臂体相固定的腕部固定板，所述腕部十字连接轴与第一腕部U形连接块相连接的连杆穿设于前臂臂体上，且腕部十字连接轴相对于前臂臂体可转动；所述第二腕部U形连接块上连接有腕体，腕体上通过腕体连接轴连接有掌体；所述腕部十字连接轴的一端通过前臂皮带与设于前臂臂体上的前臂带轮轴相连接，所述腕部十字连接轴的一端和前臂带轮轴上均设有与前臂皮带相匹配的前臂皮带轮。

进一步地，所述限位片的两端通过圆柱销与球铰座相连接，且限位片相对于球铰座可摆动。

进一步地，所述球铰杆上套设有限位套，所述限位套位于限位片的内侧，限位套用于防止上臂臂体将限位片压弯。

本实用新型的有益效果在于：由肩关节、肘关节、腕关节这三个关节组成，分别具有三个、两个、两个自由度，可实现与人臂相似的冗余运动，关节与关节之间或者关节与手臂之间，利用皮带传动、电机驱动等传动装置实现整个手臂的灵活运动，具有较好的市场前景，可以广泛的推广。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1本实用新型结构示意图；

图2本实用新型肩关节机构结构示意图；

图3本实用新型肘关节机构结构示意图；

图4本实用新型腕关节机构结构示意图；

图5本实用新型掌体结构示意图；

图6本实用新型安装状态示意图；

图标：1-机身；2-球铰座；3-球面副；4-固定板；5-上臂臂体；6-限位片；7-圆柱销；8-限位套；9-肘部连接轴；10-翻转轴；11-前臂臂体；12-上臂皮带；13-上臂带轮轴；14-上臂皮带轮；15-第一腕部U形连接块；16-第二腕部U形连接块；17-腕部十字连接轴；18-腕部固定板；19-腕体；20-掌体；21-连接杆；22-腕体连接轴；23-前臂带轮轴；24-前臂皮带；25-前臂皮带轮；31-球铰杆；61-限位槽；91-U形肘部限位块；101-第一限位块。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：

一种双臂拟人臂，如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，包括肩关节机构、肘关节机构、腕关节机构，所述肩关节机构包括球铰座2，所述球铰座2的一端形成有与机身1相连接的连接杆21，所述球铰座2上连接有球面副3，所述球面副3的球铰杆31通过固定板4连接有上臂臂体5，球铰杆31相对于球铰座2可360度转动；所述球铰座2上连接有半圆形的限位片6，所述限位片6上开设有限位槽61，球面副3的球铰杆31穿过于限位槽61与上臂臂体5相连接，球铰杆31在限位槽61的槽长范围内活动；上臂臂体5通过肩关节机构相对于机身1可转动；

所述肘关节机构包括肘部连接轴9，所述肘部连接轴9呈十字形，其左右两端连接于上臂臂体5上，且肘部连接轴9相对于上臂臂体5可转动；所述肘部连接轴9的中部穿设有一端设有限位块101的翻转轴10，所述翻转轴10的另一端连接有前臂臂体11，前臂臂体11以翻转轴10为支点，相对于肘部连接轴9可旋转；所述肘部连接轴9的一端通过上臂皮带12与设于上臂臂体5上的上臂带轮轴13相连接，所述肘部连接轴9的一端和上臂带轮轴13上均设有与上臂皮带12相匹配的上臂皮带轮14，实操时，上臂带轮轴13与驱动电机进行连接，以实现动力输出；所述肘部连接轴9上连接有U形肘部限位块91，肘部连接轴9的两端分别穿过于U形肘部限位块91两端后与上臂臂体5相连接；所述翻转轴10的另一端穿过U形肘部限位块91的让位孔，方便与前臂臂体11相连接；

所述腕关节机构包括第一腕部U形连接块15、第二腕部U形连接块16，所述第一腕部U形连接块15和第二腕部U形连接块16之间通过腕部十字连接轴17相连接；所述第一腕部U形连接块15的底部连接有与前臂臂体11相固定的腕部固定板18，所述腕部十字连接轴17与第一腕部U形连接块15相连接的连杆穿设于前臂臂体11上，且腕部十字连接轴17相对于前臂臂体11可转动；所述第二腕部U形连接块16上连接有腕体19，腕体19上通过腕体连接轴22连接有掌体20，掌体20上的五个手指，每个手指的第一关节都采用十字轴带动相应关节实现内外转动；所述腕部十字连接轴17的一端通过前臂皮带24与设于前臂臂体11上的前臂带轮轴23相连接，所述腕部十字连接轴17的一端和前臂带轮轴23上均设有与前臂皮带24相匹配的前臂皮带轮25；操作时，前臂带轮轴23与驱动电机进行连接，以实现动力输出。

本实施例中，所述限位片6的两端通过圆柱销7与球铰座2相连接，且限位片6相对于球铰座2可摆动。

本实施例中，所述球铰杆31上套设有限位套8，所述限位套8位于限位片6的内侧，限位套8用于防止上臂臂体5将限位片6压弯。

本实施例中，如图1、图2所示，肩关节机构在人体的部位中就相当于球窝关节，也是手臂的重要回转关节，其强度、刚度以及振动性对机械臂的定位精度与稳定性影响很大；肩关节与机身1相连，要完成前屈后伸、外展内收、前旋后旋三种运动方式，实现三个转动自由度，要实现三个自由度一开始会想到利用球铰机构来实现，但简单的球铰结构运用在肩关节是没办法对它实行直接驱动的，而且它也不能承受拉力；为此，对一般的球铰机构进行了改进；最终通过学习人体肩部和三个自由度的球面并联机构发现，可以利用三自由度球面并联机构融合球铰机构进行改善；即可以将三自由度球面并联机构的球铰虚约束，把它设计到并联机构的几何中心上,旁边再加以结构稳固，就能解决一般球铰机构不能承受拉力的缺点。

本实施例中，如图2所示，肩关节机构的运动范围是机械臂重要的运动参数，在设计构型过程中，理论上对于肩关节运动的范围会有一个理论值，但是在实际的结构设计与仿真模拟过程中，肩关节的外形结构会对肩关节的运动造成干涉，无可避免地对整个机械臂产生影响；由于肩关节是处于整个机械臂的起始端，它的转动范围就会影响整个机械臂所能到达的工作空间。根据肩关节的三个运动方式，肩关节的运动范围为绕X轴360度、绕Y轴180度、绕Z轴180度。

本实施例中，如图2所示，肩关节处的建模设计不仅要考虑肩关节结构的运动自由度，还要设计它与机身1和上臂臂体5的连接方式；机身1的设计就要考虑到整个机械臂的重量、大小还有本身作为机座的稳定性；上臂臂体5是肩关节直接连接的杆件，同时也是肘关节驱动机构的固定支架，所以就要设计它的强度、刚度和抗震性；肩关节的建模根据机械零件的机构设计成镂空的形式，这样质量轻，但力学性能好；总体的肩关节连接为：在肩关节与机身1的安装处，需要由一个电机来驱动整个肩关节机构的转动，而肩关节机构与上臂臂体5的连接是固结的，它可通过球面副3和球铰杆31固连，在电机驱动肩关节运转时，上臂臂体5就会随着球铰杆31的转动带动整条臂部的运动，在最终的装配过程中还会设计固定板4，使得上臂臂体5的连接更加牢固可靠。在肩关节处使用电机驱动时，还要考虑到电机的输出转矩小，转速大的问题，在实际的应用过程中，就要求输出大的转矩来驱动机械臂，同时还需要进行一定的减速，否则冲击性强，对机械臂会产生影响；这时候就需要使用减速器，但是为了进一步简化机械臂的重量，就对减速器有很大的要求，比如要有较高的精度，好的稳定性、重量轻型、传动扭矩大等，一般在轻型化的机械臂中，要直接驱动通常使用谐波减速器或者行星齿轮减速器。

本实施例中，如图1、图3所示，肘关节机构的结构设计与运动范围：从生物学上分析，肘关节的上屈下伸是以肱尺关节为主，虽然肘关节也是一个球窝关节，但是由于肱尺关节的影响，运动就会受到限制，所以人体的肘关节只可以做屈伸、旋转运动，按照这个运动方式，则在设计肘关节时应实现两个自由度；最终肘关节的结构使用十字轴带动下臂，使关节能通过驱动下臂实现翻转、俯仰两个自由度的转动；肘关节的运动范围也会受到结构设计的影响，产生边界限定和杠杆干涉，所以在一定的关节连接基础上，合理地设计肘关节外形结构能有效地扩大肘关节的运动范围；只有在肘关节进行大幅度的俯仰时，才会与上臂外壳的下边平台产生碰撞，肘关节的运动范围为：俯仰120度、翻转360度。

本实施例中，如图3所示，肘关节采用十字形的肘部连接轴9的连接，实现俯仰和翻转两个自由度的转动；肘关节驱动依靠上臂臂体5的上臂皮带12传动来带动前臂实现俯仰，即在上臂臂体5中安装伺服电机驱动上臂皮带轮14转动，再通过上臂皮带12传动间接驱动前臂臂体11，至于前臂的翻转运动则需要在前臂支架内通过电机和减速器直接驱动。

本实施例中，如图3所示，腕关节机构的结构设计与运动范围：人体手上的腕关节通过尺骨和桡骨产生一个水平的偏转和一个轴向上微量的移动；在本文设计的结构中腕关节与下臂和手掌连接，要实现两个自由度，完成背伸掌屈、桡偏尺偏两种运动方式，这样可采用虎克铰结构实现腕关节的偏转和俯仰。虎克铰的结构是两个轴线相互垂直且相交的转动副，所以能实现两个方向的转动，但虎克铰的两个运动部分有一定的制约关系；通过不同的尺寸设计，可让其转动的空间尽可能达到人类手部的运动空间；关于腕关节的运动范围，就取决于虎克铰结构的制约关系，而虎克铰结构的约束就是在偏转和俯仰的过程中受到彼此的第一腕部U形连接块15、第二腕部U形连接块16制约，由于虎克铰结构本身特定的干涉特点，腕关节运动范围为偏转60度、俯仰70度。

本实施例中，如图1、图4、图5所示，腕关节机构的连接方式与驱动：腕关节是连接着前臂臂体11及末端执行器，即掌体20的重要节点，机械臂的前臂臂体11和掌体20是通过腕关节中的虎克铰结构连接起来的，腕关节的运动灵活性也会直接影响末端执行器的执行效果。掌体20具有五个手指，每个手指的第一个关节都是采用十字轴带动相应关节实现内外转动，其余的关节则是带动相应关节实现屈伸运动；腕关节的驱动跟肘关节的驱动类似，它的俯仰运动同样是靠安装在前臂内的电机驱动相应的前臂皮带轮25，再通过前臂皮带25传动实现的，它的偏转运动需要靠电机和减速器直接驱动第一腕部U形连接块15、第二腕部U形连接块16实现。

以上所述仅为本实用新型的优选实施方式而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。