基于差分机构的仿人机械臂的制作方法

1.本发明涉及机械臂领域，特别是涉及基于差分机构的仿人机械臂。


背景技术：

2.随着智能制造技术的不断发展，机械臂的高度灵活特性，使其在工业、服务、医疗等领域都发挥了越来越重要的作用。尤其针对七自由度仿人机械臂的冗余结构设计，保证其末端执行器在完成任务的同时可以调整机器人内部姿态，以达到避障、避关节极限、避奇异点等目的，是一类重要的机器人装备。
3.目前，在七自由度仿人机械臂设计中，例如，专利号cn104385295b“基于并联差分驱动关节的七自由度仿人机械臂”，在三自由度肩关节/腕关节设计时，分别使用三个驱动电机并联放置在关节处，利用三对独立直齿圆柱齿轮驱动相互嵌套的输出轴，并借助差分机构实现关节自由度耦合，但其没有充分利用大臂与小臂空间，尤其对腕关节而言，若考虑大扭矩工况时，其驱动电机尺寸增大将导致整个机械臂比例失调、负载扭矩相较传统(直连方式)更大；专利号cn107953328a“一种七自由度仿人机械臂”，利用直连加差分机构方式，将驱动电机均匀布置在整条机械臂上，但肘关节电机的交叉布局方式，使整个机械臂依旧不够协调，其仍存在改进空间。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供了基于差分机构的仿人机械臂，将第一肩部电机和第二肩部电机远离肩部关节，避免电机在关节部位造成体积过大的问题，肘部锥齿轮机构保证了肘部两交叉自由度电机的串联布局，同时电机置于大臂和小臂内，保证了整个机械臂外观的完整性，在满足关节各自由度互相耦合的同时，使关节部分的体积控制得更小，整体制造和控制难度更低。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于差分机构的仿人机械臂，包括第一差分机构、第一肩部电机、第二肩部电机、第三肩部电机、第一摆动件和大臂件；
6.所述第一差分机构包括第一差分芯轴、第一差分支架、第一肩部主动锥齿轮、第二肩部主动锥齿轮、摆动固定件和肩部被动锥齿轮；
7.所述第一差分芯轴的两端分别与第一差分支架固定，所述第一差分芯轴的两端分别转动配合有所述第一肩部主动锥齿轮和第二肩部主动锥齿轮；
8.所述第一肩部电机通过第一肩部传送链向所述第一肩部主动锥齿轮传动，所述第二肩部电机通过第二肩部传送链向所述第二肩部主动锥齿轮传动；
9.所述第一摆动件的内端以所述第一差分芯轴的中部为轴转动配合，所述第一摆动件的外端转动配合有所述肩部被动锥齿轮，所述肩部被动锥齿轮分别啮合于所述第一肩部主动锥齿轮和所述第二肩部主动锥齿轮；
10.所述大臂件的上端设有第三肩部电机，所述第三肩部电机的输出轴通过肩部连接件与所述肩部被动锥齿轮固定。
11.肩部被动锥齿轮分别啮合于第一肩部主动锥齿轮和第二肩部主动锥齿轮。当第一肩部主动锥齿轮和第二肩部主动锥齿轮相互反向转动的时候，将带动肩部被动锥齿轮自身做圆周转动，此时肩关节实现z轴方向的旋转；当第一肩部主动锥齿轮和第二肩部主动锥齿轮相互同向转动的时候肩部被动锥齿轮将以差分芯轴为轴心做圆周转动，此时肩关节实现y轴方向的旋转；第三肩部电机的输出轴与肩部连接件固定，因此第三肩部电机转动的时候，可以驱动肩部关节做x轴方向的旋转。
12.本方案通过第一肩部电机和第二肩部电机置于机器人本体，然后第一肩部电机和第二肩部电机分别通过第一肩部传送链、第二肩部传送链向第一肩部主动锥齿轮和第二肩部主动锥齿轮提供动力。由于第一肩部电机和第二肩部电机与肩部关节部分分离，将占用主要体积的电机与运动的关节部件分处两个位置，因此关节部件的整体体积可以做得更小，同时能够提供较大的扭矩，以便机械臂能够完成各种动作需要。
13.优选地，所述第一肩部主动锥齿轮设有第一双联轮齿，所述第一肩部电机的输出轴设有第一主动齿轮，所述第一肩部传送链为第一齿轮组，所述第一齿轮组分别啮合于第一双联轮齿和第一主动齿轮；
14.所述第二肩部主动锥齿轮设有第二双联轮齿，所述第二肩部电机的输出轴设有第二主动齿轮，所述第二肩部传送链为第二齿轮组，所述第二齿轮组分别啮合于第二双联轮齿和第二主动齿轮。
15.即通过齿轮组向第一肩部主动锥齿轮和第二肩部主动锥齿轮传动，通过能够将第一肩部电机和第二肩部电机尽可能和与肩关节部件分离，利用齿轮组传动可以提供更大的扭矩，以确保机械手能够完成更富力量的动作。
16.优选地，所述第一肩部主动锥齿轮设有第一双联带轮，所述第一肩部电机的输出轴设有第一主动带轮，所述第一肩部传送链为第一传送带，所述第一传送带分别缠绕于第一双联带轮和第一主动带轮；
17.所述第二肩部主动锥齿轮设有第二双联带轮，所述第二肩部电机的输出轴设有第二主动带轮，所述第二肩部传送链为第二传送带，所述第二传送带分别缠绕于第二双联带轮和第二主动带轮。
18.即通过带轮向第一肩部主动锥齿轮和第二肩部主动锥齿轮传动，利用齿轮组传动可以在提供更大的扭矩的同时，通过能够将第一肩部电机和第二肩部电机尽可能和与肩关节部件分离足够远，更灵活的布置，第一肩部电机和第二肩部电机。
19.优选地，所述大臂件的下端通过肘关节组件与小臂件的上端连接；
20.所述肘关节组件包括肘部上支架、第一肘部电机、肘部下支架、第二肘部电机、肘部芯轴、肘部主动锥齿轮和肘部被动锥齿轮；
21.所述肘部上支架转动配合于所述大臂件的下端，所述第一肘部电机设置于所述大臂件内，所述第一肘部电机的输出端与所述肘部上支架固定；
22.所述肘部下支架固定于所述小臂件的上端，所述第二肘部电机设置于所述小臂件内，所述第二肘部电机的输出端向所述小臂件上方延伸，所述第二肘部电机的输出端固定有所述肘部主动锥齿轮；
23.所述肘部芯轴的两端分别固定于所述肘部上支架的下端两侧，所述肘部芯轴的两端分别转动配合于所述肘部下支架的上端两侧，所述肘部芯轴固定有所述肘部被动锥齿
轮，所述肘部被动锥齿轮与所述肘部主动锥齿轮啮合。
24.第一肘部电机的输出端与肘部上支架固定，因此第一肘部电机可以带动肘关节组件完成x方向的转动；第二肘部电机通过肘部主动锥齿轮向肘部被动锥齿轮传动，肘部被动锥齿轮与肘部芯轴固定，因此第二肘部电机可以带动肘部关节z轴方向的转动。
25.优选地，所述小臂件的下端通过腕关节组件与所述执行件连接；
26.所述腕关节组件包括第二差分机构、第一腕部电机和第二腕部电机；
27.所述第二差分机构包括第二差分芯轴、第一腕部主动锥齿轮、第二腕部主动锥齿轮、腕部被动锥齿轮和第二摆动件；
28.所述小臂件的下端设有腕支架，所述第二差分芯轴的两端分别与所述腕支架固定，第二差分芯轴的两端分别转动配合有所述第一腕部主动锥齿轮和第二腕部主动锥齿轮；
29.所述第一腕部电机通过第一腕部传送链向所述第一腕部主动锥齿轮传动，第二腕部电机通过第二腕部传送链向所述第二腕部主动锥齿轮传动；
30.所述第二摆动件的上端以所述第二差分芯轴的中部为轴转动配合，所述第二摆动件的下端转动配合有所述腕部被动锥齿轮，所述腕部被动锥齿轮分别啮合于所述第一腕部主动锥齿轮和第二腕部主动锥齿轮；
31.所述执行件与所述腕部被动锥齿轮固定。
32.第一腕部主动锥齿轮和第二腕部主动锥齿轮相互反向转动的时候，可以带动腕部被动锥齿轮自身转动，即完成x轴方向的转动，第一腕部主动锥齿轮和第二腕部主动锥齿轮同向转动的时候，将带动腕部被动锥齿轮以第二差分芯轴为轴心转动，即完成z轴方向的转动。
33.优选地，所述第一腕部传送链包括第一主动偏心件、第一被动偏心件和第一连杆；所述第一腕部电机的输出端设有所述第一主动偏心件，所述第一腕部主动锥齿轮同轴设有所述第一被动偏心件，所述第一主动偏心件通过所述第一连杆连接至所述第一被动偏心件；
34.所述第二腕部传送链包括第二主动偏心件、第二被动偏心件和第二连杆；所述第二腕部电机的输出端设有所述第二主动偏心件，所述第二腕部主动锥齿轮同轴设有所述第二被动偏心件，所述第二主动偏心件通过所述第二连杆连接至所述第二被动偏心件。
35.利用主动偏心件、被动偏心件和连杆可以实现对第一腕部主动锥齿轮和第二腕部主动锥齿轮在一定角度的带动，以适应腕部不需要全圆周转动的需求，同时能够使得腕部电机相对第二差分机构的布置位置更加灵活。
36.本发明的有益效果：
37.本方案在肩关节处采用第一差分机构实现三自由度转向，而其中第一肩部电机和第二肩部电机通过第一肩部传送链、第二肩部传送链与第一差分机构分离，避免电机在关节部位造成体积过大，结构复杂。充分利用大臂的空间设置第三肩部电机实现x轴方向的转动。肘部锥齿轮机构保证了肘部两交叉自由度电机的串联布局，同时电机置于大臂和小臂内，保证了整个手臂外观的完整性，在满足关节各自由度互相耦合的同时，使关节部分的体积控制得更小，整体制造和控制难度更低。
附图说明
38.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其中7幅，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。
39.图1为本发明实施例的结构示意图；
40.图2为本发明实施例的状态转换图；
41.图3为本发明实施例的自由度分配图；
42.图4为本发明实施例的俯视图；
43.图5为本发明实施例的肘关节的示意图；
44.图6为本发明实施例的腕关节的示意图；
45.图7为本发明实施例肩关节采用带传动的示意图；
46.其中，第一肩部电机1、第二肩部电机2、第一主动齿轮3、第二肩部主动锥齿轮4、第一肩部主动锥齿轮5、第一差分芯轴6、第二双联轮齿7、第一双联轮齿8、第一摆动件9、肩部被动锥齿轮10、肩部连接件11、第三肩部电机12、大臂件13、第一肘部电机14、肘部上支架15、肘部下支架16、第二肘部电机17、小臂件18、第一腕部电机19、第一主动偏心件20、第二腕部电机21、第一连杆22、第一被动偏心件23、第二摆动件24、第二腕部主动锥齿轮25、第一腕部主动锥齿轮26、腕部被动锥齿轮27、执行件28、肘部被动锥齿轮29、肘部主动锥齿轮30、第二主动偏心件31、第二连杆32、第二被动偏心件33、第一主动带轮34、第一传送带35、第一双联带轮36、第一差分支架37、第二第二主动齿轮38、第二双联带轮39、第二主动带轮40、第二传送带41、腕支架42、肘部芯轴43、第二差分芯轴44。
具体实施方式
47.为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
48.实施例
49.如图1所示，基于差分机构的仿人机械臂，包括第一差分机构、第一肩部电机1、第二肩部电机2、第三肩部电机12和大臂件13。
50.所述第一差分机构包括第一差分芯轴6、第一差分支架37、第一肩部主动锥齿轮5、第二肩部主动锥齿轮4、第一摆动件9和肩部被动锥齿轮10。
51.结合图4所示，所述第一差分芯轴6的两端分别与第一差分支架37固定，所述第一差分芯轴6的两端分别转动配合有所述第一肩部主动锥齿轮5和第二肩部主动锥齿轮4。
52.所述第一肩部电机1通过第一肩部传送链向所述第一肩部主动锥齿轮5传动，所述第二肩部电机2通过第二肩部传送链向所述第二肩部主动锥齿轮4传动。
53.所述第一摆动件9的内端以所述第一差分芯轴6的中部为轴转动配合，所述第一摆动件9的外端转动配合有所述肩部被动锥齿轮10，所述肩部被动锥齿轮10分别啮合于所述第一肩部主动锥齿轮5和所述第二肩部主动锥齿轮4。
54.所述大臂件13的上端设有第三肩部电机12，所述第三肩部电机12的输出轴通过肩部连接件11与所述肩部被动锥齿轮10固定。
55.结合图2和图3所示，肩部被动锥齿轮10分别啮合于第一肩部主动锥齿轮5和第二肩部主动锥齿轮4。当第一肩部主动锥齿轮5和第二肩部主动锥齿轮4相互反向转动的时候，将带动肩部被动锥齿轮10自身做圆周转动，此时肩关节实现z轴方向的旋转；当第一肩部主动锥齿轮5和第二肩部主动锥齿轮4相互同向转动的时候肩部被动锥齿轮10将以差分芯轴为轴心做圆周转动，此时肩关节实现y轴方向的旋转；第三肩部电机12的输出轴与肩部连接件11固定，因此第三肩部电机12转动的时候，可以驱动肩部关节做x轴方向的旋转。
56.本方案通过第一肩部电机1和第二肩部电机2置于机器人本体，然后第一肩部电机1和第二肩部电机2分别通过第一肩部传送链、第二肩部传送链向第一肩部主动锥齿轮5和第二肩部主动锥齿轮4提供动力。由于第一肩部电机1和第二肩部电机2与肩部关节部分分离，将占用主要体积的电机与运动的关节部件分处两个位置，因此关节部件的整体体积可以做得更小，同时能够提供较大的扭矩，以便机械臂能够完成各种动作需要。
57.本方案第一肩部传送链和第二肩部传送链可以采用齿轮传动、带传动和链传动等方式，本实施例下面以齿轮传动和带传动举例：
58.首先齿轮传动：所述第一肩部主动锥齿轮5设有第一双联轮齿8，所述第一肩部电机1的输出轴设有第一主动齿轮3，所述第一肩部传送链为第一齿轮组，所述第一齿轮组分别啮合于第一双联轮齿8和第一主动齿轮3。所述第二肩部主动锥齿轮4设有第二双联轮齿7，所述第二肩部电机2的输出轴设有第二主动齿轮38，所述第二肩部传送链为第二齿轮组，所述第二齿轮组分别啮合于第二双联轮齿7和第二主动齿轮38。
59.即通过齿轮组向第一肩部主动锥齿轮5和第二肩部主动锥齿轮4传动，通过能够将第一肩部电机1和第二肩部电机2尽可能和与肩关节部件分离，利用齿轮组传动可以提供更大的扭矩，以确保机械手能够完成更富力量的动作。
60.结合图7所示，其次是带传动：所述第一肩部主动锥齿轮5设有第一双联带轮36，所述第一肩部电机1的输出轴设有第一主动带轮34，所述第一肩部传送链为第一传送带35，所述第一传送带35分别缠绕于第一双联带轮36和第一主动带轮34。所述第二肩部主动锥齿轮4设有第二双联带轮39，所述第二肩部电机2的输出轴设有第二主动带轮40，所述第二肩部传送链为第二传送带41，所述第二传送带41分别缠绕于第二双联带轮39和第二主动带轮40。
61.即通过带轮向第一肩部主动锥齿轮5和第二肩部主动锥齿轮4传动，利用齿轮组传动可以在提供更大的扭矩的同时，通过能够将第一肩部电机1和第二肩部电机2尽可能和与肩关节部件分离足够远，更灵活的布置，第一肩部电机1和第二肩部电机2。
62.所述大臂件13的下端通过肘关节组件与小臂件18的上端连接。
63.结合图5所示，所述肘关节组件包括肘部上支架15、第一肘部电机14、肘部下支架16、第二肘部电机17、肘部芯轴43、肘部主动锥齿轮30和肘部被动锥齿轮29。
64.所述肘部上支架15转动配合于所述大臂件13的下端，所述第一肘部电机14设置于所述大臂件13内，所述第一肘部电机14的输出端与所述肘部上支架15固定。
65.所述肘部下支架16固定于所述小臂件18的上端，所述第二肘部电机17设置于所述小臂件18内，所述第二肘部电机17的输出端向所述小臂件18上方延伸，所述第二肘部电机17的输出端固定有所述肘部主动锥齿轮30。
66.所述肘部芯轴43的两端分别固定于所述肘部上支架15的下端两侧，所述肘部芯轴
43的两端分别转动配合于所述肘部下支架16的上端两侧，所述肘部芯轴43固定有所述肘部被动锥齿轮29，所述肘部被动锥齿轮29与所述肘部主动锥齿轮30啮合。
67.第一肘部电机14的输出端与肘部上支架15固定，因此第一肘部电机14可以带动肘关节组件完成x方向的转动；第二肘部电机17通过肘部主动锥齿轮30向肘部被动锥齿轮29传动，肘部被动锥齿轮29与肘部芯轴43固定，因此第二肘部电机17可以带动肘部关节z轴方向的转动。
68.所述小臂件18的下端通过腕关节组件与所述执行件28连接。
69.结合图6所示，所述腕关节组件包括第二差分机构、第一腕部电机19和第二腕部电机21。
70.所述第二差分机构包括第二差分芯轴44、第一腕部主动锥齿轮26、第二腕部主动锥齿轮25、腕部被动锥齿轮27和第二摆动件24。
71.所述小臂件18的下端设有腕支架42，所述第二差分芯轴44的两端分别与所述腕支架42固定，第二差分芯轴44的两端分别转动配合有所述第一腕部主动锥齿轮26和第二腕部主动锥齿轮25。
72.所述第一腕部电机19通过第一腕部传送链向所述第一腕部主动锥齿轮26传动，第二腕部电机21通过第二腕部传送链向所述第二腕部主动锥齿轮25传动。
73.所述第二摆动件24的上端以所述第二差分芯轴44的中部为轴转动配合，所述第二摆动件24的下端转动配合有所述腕部被动锥齿轮27，所述腕部被动锥齿轮27分别啮合于所述第一腕部主动锥齿轮26和第二腕部主动锥齿轮25。
74.所述执行件28与所述腕部被动锥齿轮27固定。
75.第一腕部主动锥齿轮26和第二腕部主动锥齿轮25相互反向转动的时候，可以带动腕部被动锥齿轮27自身转动，即完成x轴方向的转动，第一腕部主动锥齿轮26和第二腕部主动锥齿轮25同向转动的时候，将带动腕部被动锥齿轮27以第二差分芯轴44为轴心转动，即完成z轴方向的转动。
76.第一腕部传送链和第二腕部传送链可以采用链传动、齿轮传动和带传动，本实施例以带传动举例：
77.所述第一腕部传送链包括第一主动偏心件20、第一被动偏心件23和第一连杆22；所述第一腕部电机19的输出端设有所述第一主动偏心件20，所述第一腕部主动锥齿轮26同轴设有所述第一被动偏心件23，所述第一主动偏心件20通过所述第一连杆22连接至所述第一被动偏心件23。
78.所述第二腕部传送链包括第二主动偏心件31、第二被动偏心件33和第二连杆32；所述第二腕部电机21的输出端设有所述第二主动偏心件31，所述第二腕部主动锥齿轮25同轴设有所述第二被动偏心件33，所述第二主动偏心件31通过所述第二连杆32连接至所述第二被动偏心件33。
79.利用主动偏心件、被动偏心件和连杆可以实现对第一腕部主动锥齿轮26和第二腕部主动锥齿轮25在一定角度的带动，以适应腕部不需要全圆周转动的需求，同时能够使得腕部电机相对第二差分机构的布置位置更加灵活。本实施例为了提高传动的稳定性，采用两个平行的连杆，其中主动偏心件和被动偏心件均采用圆盘。连杆的两端都偏心铰接于圆盘的盘面。
80.本方案在肩关节处采用第一差分机构实现三自由度转向，而其中第一肩部电机1和第二肩部电机2通过第一肩部传送链、第二肩部传送链与第一差分机构分离，避免电机在关节部位造成体积过大，结构复杂。充分利用大臂的空间设置第三肩部电机12实现x轴方向的转动。肘部锥齿轮机构保证了肘部两交叉自由度电机的串联布局，同时电机置于大臂和小臂内，保证了整个手臂外观的完整性，在满足关节各自由度互相耦合的同时，使关节部分的体积控制得更小，整体制造和控制难度更低。
81.上述实施例不应以任何方式限制本发明，凡采用等同替换或等效转换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。