一种机械臂关节结构及机械臂

1.本发明涉及机械臂技术领域，尤其涉及一种机械臂关节结构及机械臂。


背景技术：

2.随着科技的进步和发展，机械臂因其独特的操作灵活性，已在工业制造、医学治疗、国防军事、娱乐服务及科研探索等各种领域得到广泛应用。
3.目前的机械臂一般会设计多个铰接连接的机械臂关节结构来提升机械臂的自由度，机械臂关节部位一般直接设置电机，通过电机驱动相邻活动臂进行旋动动作，然而，电机对活动臂施加的扭矩较大，使机械臂的关节部位需要极高的结构强度，当机械臂在夹取重物，或是受到意外上下方向的外力冲击时，很容易将导致电机和活动臂的连接部位受损，导致影响机械臂的正常使用。
4.因此，目前亟需解决现有技术中的机械臂的关节部位承受扭矩较大、容易损坏的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种机械臂关节结构及机械臂，以解决现有技术中的机械臂关节部位承受扭矩较大的问题。
6.基于上述目的，本发明提供了一种机械臂关节结构，包括：
7.铰接连接的第一连接臂和第二连接臂；
8.支撑部，包括第一连接端和第二连接端，所述第一连接端与所述第一连接臂的臂身铰接连接，所述第二连接端可滑动的连接在所述第二连接臂的臂身上；
9.其中，所述第二连接臂的臂身上设有驱动部，所述驱动部的驱动端与所述支撑部传动连接，所述驱动部能够驱动所述支撑部沿所述第二连接臂的臂身方向移动，以使所述第一连接臂被所述支撑部带动而相对所述第二连接臂转动。
10.进一步地，所述第二连接臂上设有沿其臂身长度方向延伸的引导槽，所述支撑部的第二连接端被限位约束所述引导槽中，所述第二连接端被配置为受所述驱动部的驱动作用力而沿所述引导槽的方向移动。
11.进一步地，所述支撑部的第二连接端连接有传动齿条，所述传动齿条被限位约束于所述引导槽中，所述驱动部的驱动端连接有随所述驱动端同步动作的传动齿轮，所述传动齿条与所述传动齿轮啮合连接。
12.进一步地，所述第二连接臂的臂身内具有空心的容腔，所述引导槽位于所述容腔中，所述容腔内设有连接所述第二连接臂两端的引导杆，所述引导杆上套设有引导环，所述引导环与所述传动齿条固连。
13.进一步地，所述支撑部包括至少两个连杆，相邻的两所述连杆之间通过阻尼转轴转动连接。
14.进一步地，所述支撑部包括依次转动连接的三个所述连杆，位于中间的所述连杆
的长度大于位于两端的所述连杆的长度。
15.进一步地，所述驱动部为能够正反转的直流伺服电机。
16.进一步地，还包括：
17.第三连接臂，用于支撑所述第二连接臂和所述第一连接臂，所述第三连接臂与所述第二连接臂铰接连接；
18.斜撑，其一端与所述第二连接臂铰接连接，另一端可滑动的设于所述第三连接臂的臂身上，所述斜撑的滑动端与所述第三连接臂之间连接有弹性件，所述弹性件具有驱使所述斜撑朝所述第二连接臂运动的弹性作用力。
19.进一步地，所述第三连接臂的臂身设有安装槽，所述滑动端被限位约束于所述安装槽中，所述弹性件的两端分别连接所述安装槽的槽底和所述滑动端。
20.此外，本技术还提供了一种机械臂，包括如上任一项所述的机械臂关节结构。
21.从上面所述可以看出，本发明提供的机械臂关节结构，在第一连接臂和第二连接臂之间设有支撑部，由于将驱动部设于第二连接臂的臂身上，避免了第一连接臂和第二连接臂的铰接关节部位直接受力驱动转动，有效降低了关节部位的承受扭矩，也可避免因驱动部设于关节部位时容易受外界因素损坏的问题；
22.此外，由于支撑部的第二连接端可滑动的连接在第二连接臂上，第一连接臂相对第二连接臂转动时支撑部会以斜撑夹角的结构形式连接在第一连接臂和第二连接臂之间，支撑部、第一连接臂和第二连接臂共同构成三角稳定结构，有效提升了机械臂的工作稳定性，从而有利于提升机械臂的使用效果。
附图说明
23.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的介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明实施例中机械臂关节结构的立体图；
25.图2为本发明实施例中机械臂关节结构的另一角度下的立体图；
26.图3为本发明实施例中第二连接臂的爆炸示意图；
27.图4为本发明实施例中传动齿条与驱动部的配合示意图；
28.图5为本发明实施例中机械臂的爆炸图；
29.图6为本发明实施例中第一连接臂上的引导套环的结构示意图。
30.附图标记说明
31.1、第一连接臂；11、外部电机；
32.2、第二连接臂；21、驱动部；22、引导槽；231、传动齿轮；
33.3、第三连接臂；31、安装槽；
34.41、连杆；42、传动齿条；44、换向齿轮；
35.51、斜撑。
36.6、机械爪；7、底座。
具体实施方式
37.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
38.需要说明的是，除非另外定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
39.机械臂因其独特的操作灵活性，已在工业制造、医学治疗、国防军事、娱乐服务及科研探索等各种领域得到广泛应用，目前，一般会设计多个铰接连接的机械臂关节结构来提升机械臂的自由度，机械臂关节部位直接设置电机，各铰接连接的机械臂关节通过齿轮或其他方式啮合传动，通过电机驱动其一齿轮转动带动相邻活动臂进行旋动动作。
40.然而，申请人在实现本公开的过程中发现，现有的机械臂存在的主要问题在于：电机对活动臂施加的扭矩较大，使机械臂的关节部位需要极高的结构强度，当机械臂在夹取重物，或是受到意外上下方向的外力冲击时，很容易导致电机和活动臂的连接部位受损，导致影响机械臂的正常使用。
41.有鉴于此，本说明书中一个或多个实施例提供了一种机械臂关节结构，如图1和图2所示，包括铰接连接的第一连接臂1和第二连接臂2；还包括支撑部，支撑部包括第一连接端和第二连接端，所述第一连接端与所述第一连接臂1的臂身铰接连接，所述第二连接端可滑动的连接在所述第二连接臂2的臂身上；其中，所述第二连接臂2的臂身上设有驱动部21，所述驱动部21的驱动端与所述支撑部传动连接，所述驱动部21能够驱动所述支撑部沿所述第二连接臂2的臂身方向移动，以使所述第一连接臂1被所述支撑部带动而相对所述第二连接臂2转动。
42.从上面描述可以看出，本实施例中提供的机械臂关节结构，在第一连接臂1和第二连接臂2之间设有支撑部，由于将驱动部21设于第二连接臂2的臂身上，避免了第一连接臂1和第二连接臂2的铰接关节部位直接受力驱动转动，有效减小了关节部位的承受扭矩，也可避免因驱动部21设于关节部位时容易受外界因素损坏的问题。
43.此外，由于支撑部的第二连接端可滑动的连接在第二连接臂2上，第一连接臂1相对第二连接臂2转动时支撑部会以具有一定夹角斜架的结构形式连接在第一连接臂1和第二连接臂2之间，支撑部、第一连接臂1和第二连接臂2共同构成三角稳定结构，有效增强了机械臂的工作稳定性，从而有利于提升机械臂的使用效果。
44.在上述描述中，铰接连接的第一连接臂1和第二连接臂2仅做指代说明，第一连接臂1和第二连接臂2在整个机械臂系统上的位置不做绝对限定，优选的，将第二连接臂2设于第一连接臂1的相对下方，以承接第一连接臂1，第二连接臂2设于第一连接臂1的相对下方能够使支撑部对第一连接臂1的支撑更加稳固，有利于保持机械臂的稳定的夹持。在此，本实施例中所述的“上”“下”等方位词是参照图1中的方位进行说明的，在图1中，第二连接臂2
位于第一连接臂1的相对下方。
45.如图1至图3所示，在一些实施例中，第二连接臂2上设有沿其臂身长度方向延伸的引导槽22，所述支撑部的第二连接端被限位约束于所述引导槽22中，所述第二连接端被配置为受所述驱动部21的驱动作用力而沿所述引导槽22的方向移动。
46.具体的，本实施例中的第二连接臂2的截面呈矩形设置，引导槽22设于第二连接臂2的臂身内部，支撑部的第二连接端连接有传动齿条42，该传动齿条42被限位约束于引导槽22中，驱动部21的驱动端连接有同步动作的传动齿轮231，传动齿条42与传动齿轮231啮合连接，从而形成驱动部21对支撑部的传动连接。在此优选的，第二连接端与传动齿条42铰接连接，以进一步提升支撑部的灵活度。
47.如图4所示，进一步地，传动齿轮231和传动齿条42之间通过一换向齿轮44啮合传动连接，换向齿轮44的轮径小于传动齿轮231，此设置能够增大传动齿轮231的传动比，从而有效提升驱动部21对传动齿条42的驱动力。
48.在上述实施例中，传动齿条42嵌合至引导槽22的导轨中，以实现其在引导槽22中的限位约束；进一步地，可以在引导槽22的槽底部分设置光滑的引导面，以减小传动齿条42在引导槽22上的摩擦。
49.驱动部21可以采用现有技术中成熟的直流伺服电机，电机的输出轴端通过键配合套设有传动齿轮231，通过直流伺服电机的正反转，来控制传动齿轮231的转动状态，当直流伺服电机转动带动传动齿条42朝向远离第一连接臂1的方向移动时，由于支撑部的第一连接端与第一连接臂1的臂身铰接连接，随着第二连接端远离第一连接臂1运动，第一连接臂1会因其与第二连接臂2的铰接作用而顺沿图1所示的逆时针方向转动；同理，反转直流伺服电机，传动齿条42朝向靠近第一连接臂1的方向移动时，由于支撑部的第一连接端与第一连接臂1的臂身铰接连接，随着第二连接端靠近第一连接臂1运动，第一连接臂1会因其与第二连接臂2的铰接作用而顺沿图1所示的顺时针方向转动。
50.在一些实施例中，第二连接臂2的臂身内具有空心的容腔，所述引导槽22位于所述容腔中，所述容腔内设有连接所述第二连接臂2两端的引导杆，所述引导杆上套设有引导环，所述引导环与所述传动齿条固连，引导环能够顺利的沿第二连接臂2的臂身移动；在此，为了保证引导环能够随着转动齿条同步动作，光滑面的长度应与传动齿条42的运动长度相同。本实施例中设置引导环能够进一步提升传动齿条42与第二连接臂2的连接稳定性。
51.在一些实施例中，驱动部21被设置于第二连接臂2的臂身中部位置，支撑部的第一连接端与第一连接臂1的铰接点位于第一连接臂1的中部位置。相比于将驱动部21靠近第一连接臂1和第二连接臂2的关节枢转部位设置，将驱动部21设置于臂身的中间位置能够有效延长对第一连接臂1的驱动力臂；同时，枢转关节部位仅用于转动状态切换，不作为主要的施力端，此设置又能减轻枢转关节部位的承受力，并且也有利于后期对枢转关节部位的维护。
52.在上述实施例中，在初始状态下，传动齿条42与驱动部21的啮合位置位于传动齿条42的最下端，此时，第一连接臂1与第二连接臂2之间的夹角为张开的最大夹角；随着传动齿条42逐渐远离第一连接臂1移动，第一连接臂1能够相对第二连接臂2转动使张开夹角逐渐变小，并在传动齿条42与驱动部21的啮合位置位于传动齿条42的最上端时，第一连接臂1与第二连接臂2之间的夹角为最小夹角。由此也可以看出，第一连接臂1和第二连接臂2之间
的转动角度受到传动齿条42的移动路径的影响；传动齿条42的移动路径越长，第一连接臂1和第二连接臂2之间的活动角度就越大。
53.在一些实施例中，驱动部21为一直线驱动电机，直线驱动电机的驱动端直接与支撑部的第二连接端固连，该驱动端能够沿第二连接臂2的臂身方向直线往复运动，并由此构成支撑部的第二连接端在第二连接臂2上的运动。
54.在一些实施例中，如图1所示，支撑部包括至少两个连杆41，相邻的两个连杆41之间通过阻尼转轴转动连接。具体的，支撑部包括依次转动连接的三个连杆41，其中，位于中间的连杆41的长度大于位于两端的连杆41的长度，各连杆41之间均通过阻尼转轴转动连接，经由此设置，当第一连接臂1受到意外外力冲击时，能够对第一连接臂1起到缓冲卸力的作用，避免外力突变导致第一连接臂1运动状态突变而损坏驱动部21。
55.在此，需要说明的是，阻尼转轴预设的阻尼值应大于传动齿条42对各连杆41的形变作用力值，也就是说，传动齿条42带动连杆41的运动不会导致各连杆41之间发生相对转动，但当其受到超出所述预设阻尼值的外力作用时会发生相对转动，此设置能够保证支撑部对支撑第一连接臂1正常连接状态。
56.作为一种可替换的实施方式，也可以在各连杆41的铰接部位设置其他的转动限位部件，该转动限位部件预设力能够承受传动齿条42的带动作用而保持各连杆41的相对限位，但当其受到超出所述预设力的外力作用时会发生相对转动，在此，转动限位部件可以采用现有技术中成熟的结构部件。
57.在一些实施例中，机械臂关节结构还包括第三连接臂3和斜撑51，其中，第三连接臂3用于支撑第二连接臂2和所述第一连接臂1，所述第三连接臂3与所述第二连接臂2铰接连接；斜撑51的一端与所述第二连接臂2铰接连接，另一端可滑动的设于所述第三连接臂3的臂身上，所述斜撑51的滑动端与所述第三连接臂3之间连接有弹性件，所述弹性件具有驱使所述斜撑51朝所述第二连接臂2运动的弹性作用力。
58.在上述实施例中，由于斜撑51、第二连接臂2和第三连接臂3构成三角稳定结构，在机械爪6夹持重物的情况下，斜撑51能够对第二连接臂2起到支撑作用，因此能够进一步增强第三连接臂3和第二连接臂2之间的结构稳定性。
59.在一些实施例中，第三连接臂3的臂身内部开设有安装槽31，所述滑动端被限位约束于所述安装槽31中，所述弹性件的两端分别连接所述安装槽31的槽底和所述滑动端。随着第二连接臂2相对第三连接臂3的转动，斜撑51的与第三连接臂3的臂身连接的一端会因弹性件的作用而保持朝向第二连接臂2运动的趋势，从而有利于保持斜撑51的连接支撑作用。在此，弹性件可以采用柱状弹簧，或者采用具有弹性伸缩作用的连接杆。
60.需要说明的是，本实施例中的支撑部和斜撑51等结构可以应用于不同位置的机械臂关节结构中，例如肘臂、腕臂等，本实施例中所述的第一连接臂1、第二连接臂2和第三连接臂3等均作为举例说明。
61.在一些实施例中，第一连接臂1的自由端连接有机械爪6，机械爪6包括两个弹性张开的爪本体，在此，各爪本体的铰接点通过设置扭簧实现弹性张开，其中，各爪本体的端部固连有钢丝，钢丝通过各爪本体上的导线轮引导至第一连接臂1的臂身中，第一连接臂1的臂身中限位约束有滑动齿条，滑动齿条与钢丝固连并能够在第一连接臂1的臂身中滑动设置，通过设置于第一连接臂1上的外部电机11驱动滑动齿条移动，从而使滑动齿条带动钢丝
拉紧或张弛，从而使机械爪6受钢丝的作用收缩或受弹性件的作用而张开。
62.需要说明的是，滑动齿条和外部电机11的连接方式可以参照前述的驱动部21与传动齿条42的连接方式；此外，如图5和图6所示，在一些实施例中，第一连接臂1的臂身内具有一段内径缩小的引导段，引导段上套设有引导套环12，引导套环12与第一连接臂1上的传动齿条固连，引导套环能够顺利的沿第一连接臂1的臂身移动；本实施例中设置引导套环能够进一步提升第一连接臂1上的传动齿条与第一连接臂1的连接稳定性。在此，该引导套环的结构也可以应用到第二连接臂2上。
63.本技术还提供了一种机械臂，其包括如上一个或多个实施例中所述的机械臂关节结构，由于包括如上所述的机械臂关节结构，因此具有机械臂关节结构所有的优点。
64.在一些实施例中，如图1和图5所示，本技术提供的机械臂包括底座7，顺次与底座7铰接连接的第三连接臂3、第二连接臂2和第一连接臂1，其中，第一连接臂1的自由端连接有机械爪6，机械爪6用于夹持物品。
65.所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
66.本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。