本发明涉及了一种小型机械臂系统，涉及电驱动机械臂领域，具体涉及一种多轴单电机驱动的三自由度小型机械臂系统。
背景技术：
1、小型机械臂系统在现代工业、医疗、科研等领域的应用日益广泛，尤其在高精度、灵活操作和微型化要求的背景下，机械臂的开发成为了机器人学领域的重要研究方向。随着智能制造和柔性生产线的广泛应用，制造业对自动化设备的小型化、精密化和高效化提出了更高的要求。小型机械臂由于体积小、灵活性强，能够在狭小的空间内完成高精度操作，因此成为智能制造中关键设备之一，广泛应用于电子产品组装、检测、焊接以及精密制造等场景。此外，在实验室自动化中，小型机械臂能够执行如液体处理、微操作和样本传输等任务，极大提高了实验效率和精度。随着自动化生产对效率、精度以及灵活性的要求不断提高，小型机械臂的设计与应用正朝着轻量化、高精度、多自由度的方向发展。然而，现有的小型机械臂在结构和驱动方式上仍面临许多挑战。
2、首先，传统的小型机械臂通常依赖多个独立的电机驱动多个自由度，这导致系统结构复杂、控制难度大，且运动过程中容易出现误差积累。多电机控制不仅增加了系统的重量和体积，还在协调性和响应速度上存在不足，特别是在高速运动和精确操作中，容易出现控制滞后和稳定性问题。其次，机械臂的传动结构也存在局限。传统的齿轮传动方式在多自由度运动时容易产生摩擦、反向间隙等问题，影响机械臂的运动精度和寿命。此外，多自由度机械臂在复杂工作环境中的灵活性和适应性仍然有限，难以满足特定领域对小型化和高动态性能的需求。
技术实现思路
1、针对上述背景技术中的问题，本发明所提供一种多轴单电机驱动的三自由度小型机械臂系统。本发明系统的驱动部分由一个具有三个同轴套轴且各轴解耦可控的三自由度电机驱动系统构成，操作部分由三个串联臂杆及锥齿轮传动部件构成，使得系统整体结构紧凑、传动机构可靠，可以在桌面级尺寸实现三自由度的操作，同时兼具稳定和操作灵活性的优点。
2、本发明采用的技术方案是：
3、一、一种多轴单电机驱动的三自由度小型机械臂系统：
4、机械臂系统包括三个具有锥齿轮传动部件的旋转臂和由三个同轴解耦可控的驱动轴构成的多轴单电机，三个旋转臂依次串联连接且根端分别同步连接多轴单电机的三个驱动轴的端部，第一旋转臂作为三自由度小型机械臂系统的末端；多轴单电机将三个驱动轴的共轴心旋转运动通过三个旋转臂的锥齿轮传动部件转化为三个旋转臂的三自由度的正交轴旋转运动。
5、所述的多轴单电机还包括电机外壳、一个电机定子和各自独立控制的三个转子，电机定子、三个驱动轴的根端和三个转子均位于电机外壳内，大驱动轴、中驱动轴和小驱动轴由外至内依次同轴套装，小驱动轴的根端位于中驱动轴外部，中驱动轴的根端位于大驱动轴外部；三个转子自靠近三个旋转臂的一侧依次同轴套装在三个驱动轴上并不相接触，第一转子的中心同步连接至大驱动轴的根端外周面，第二转子的中心同步连接至中驱动轴的根端外周面，第三转子的中心同步连接至小驱动轴的根端外周面，电机定子同轴间隔套装在三个转子外，电机外壳套装在电机定子外；大驱动轴的末端同步连接至第三旋转臂的根端，中驱动轴的末端同步连接至第二旋转臂的锥齿轮传动部件，小驱动轴的末端同步连接至第一旋转臂的锥齿轮传动部件。三个转子按照同轴心且沿轴向并列排列，绕同一轴心同轴旋转并共用同一个电机定子，各自可独立控制。多轴单电机通过电机外壳上设置的电源接口连接外部电源。
6、所述的多轴单电机还包括四个滚针轴承，第一滚针轴承和第二滚针轴承依次同轴间隔套装在中驱动轴的外周面且位于靠近中驱动轴末端的一侧，大驱动轴的末端内周面同轴套装在第一滚针轴承和第二滚针轴承上，第三滚针轴承套装在小驱动轴的外周面且位于靠近小驱动轴末端的一侧，中驱动轴的末端内周面同轴套装在第三滚针轴承上，第四滚针轴承套装在小驱动轴的外周面且位于靠近小驱动轴根端的一侧，中驱动轴的根端内周面同轴套装在第四滚针轴承上。
7、所述的电机定子的轴向长度大于三个转子的轴向长度之和，使得三个转子共用同一个电机定子，三个转子通过一套定子绕组控制且各自可以独立控制；三个转子的中心直径均相同。
8、所述的大驱动轴根端的轴径小于自身末端的轴径，中驱动轴根端的轴径大于自身末端的轴径，小驱动轴根端的轴径大于自身末端的轴径。
9、所述的第三旋转臂包括大臂、第五轴承和第六轴承，大臂为冂字型结构，大臂的中部作为第三旋转臂的根端且中心同步连接至多轴单电机的大驱动轴的末端，大臂的两侧的两端作为第三旋转臂的末端且分别通过第五轴承和第六轴承连接至第二旋转臂的锥齿轮传动部件。
10、所述的第二旋转臂包括中臂、第一轴承、第二轴承、第三轴承和第四轴承，第二旋转臂的锥齿轮传动部件包括第一大锥齿轮、第二大锥齿轮、第一转动轴和第二转动轴，中臂为h型结构，中臂一侧两端作为第二旋转臂的根端且位于第三旋转臂的大臂的末端的两端之间，第一转动轴的两端分别通过第五轴承和第六轴承连接至大臂的末端的两端，第一转动轴的靠近两端部的位置处分别通过第三轴承和第四轴承连接至中臂的根端的两端；中臂另一侧两端作为第二旋转臂的末端，第二转动轴的两端分别通过第一轴承和第二轴承连接至中臂的末端的两端；第一转动轴和第二转动轴相互平行且均垂直于多轴单电机的三个驱动轴；第一大锥齿轮的中心同步同轴套装在中驱动轴的末端外周面，第二大锥齿轮的中心同步同轴套装在第一转动轴上且和第一大锥齿轮的齿面相互啮合，第二大锥齿轮远离第一大锥齿轮的齿面和中臂的根端的其中一端一体成型；第一旋转臂的锥齿轮传动部件安装在中臂中。
11、所述的第一旋转臂包括小臂、第七轴承和第八轴承，第一旋转臂的锥齿轮传动部件包括第一小锥齿轮、第二小锥齿轮、第三小锥齿轮、第四小锥齿轮、第五小锥齿轮和传动杆，第一小锥齿轮的中心同步同轴套装在小驱动轴的末端外周面并靠近第一大锥齿轮，第二小锥齿轮的中心活动同轴套装在第一转动轴上并位于第二大锥齿轮和中臂的根端的另一端之间且靠近第二大锥齿轮，中臂的中心沿自身的长度方向开设有通孔，传动杆套装在中臂的通孔中，传动杆垂直于转动轴，传动杆的两端位于通孔外且分别通过第七轴承和第八轴承同步同轴套装有第三小锥齿轮和第四小锥齿轮，第二小锥齿轮的齿面分别与第一小锥齿轮和第三小锥齿轮相互啮合且位于第一小锥齿轮和第三小锥齿轮之间，第五小锥齿轮的中心同步同轴套装在第二转动轴上且和第四小锥齿轮的齿面相互啮合，第五小锥齿轮远离第四小锥齿轮的齿面和小臂的根端的其中一侧一体成型，小臂的根端通过孔套活动套装在第二转动轴上；小臂可为三角板状结构，尖端作为机械臂系统的末端。
12、所述的第三旋转臂的大臂和第二旋转臂的中臂通过第一转动轴连接，第二旋转臂的中臂和第一旋转臂的小臂通过第二转动轴连接，小臂、中臂和大臂的根端至末端的长度方向均垂直于转动轴。
13、二、一种多轴单电机驱动的三自由度小型机械臂系统的控制方法，包括：
14、所述的三自由度小型机械臂系统在进行控制时，通过多轴单电机的第一转子旋转带动大驱动轴旋转，从而直接第三旋转臂的驱动大臂旋转，使大臂以大驱动轴为旋转轴进行旋转动作，直接驱动的方式将旋转动力直接作用于大臂，使位于底部且扭矩输出最大的大臂围绕大驱动轴作灵活的旋转运动，大驱动轴输出的旋转运动轴线发生正交变换；通过多轴单电机的第二转子旋转带动中驱动轴旋转，并依次通过第一大锥齿轮和第二大锥齿轮的传动后间接驱动第二旋转臂的中臂旋转，使中臂以第一转动轴为旋转轴进行旋转动作，由于中臂通过底部两侧的孔套在第一转动轴上，该旋转动作以第一转动轴为旋转轴，提高了中臂旋转的稳定性；经过齿轮传动，中臂的第一转动轴与驱动侧的中驱动轴正交，使中驱动轴输出的旋转运动轴线发生正交变换；通过多轴单电机的第三转子旋转带动小驱动轴旋转，从而依次通过第一小锥齿轮、第二小锥齿轮、第三小锥齿轮、传动杆、第四小锥齿轮和第五小锥齿轮的传动后间接驱动第一旋转臂的小臂旋转，使小臂以第二转动轴为旋转轴进行旋转动作，由于小驱动轴和传动杆在垂直空间上同轴心，所以该齿轮传动并不改变旋转方向。
15、三个旋转臂均通过同一个多轴单电机驱动，各自可以独立旋转，构成结构紧凑的机械臂系统。三个关节的驱动部分均集中于机械臂系统的底部，极大地减少了旋转臂上的负载和惯量，削弱了机械臂运动过程中旋转臂的惯性效应，有效提升了系统的动态响应性和灵活性，使得机械臂系统在执行复杂任务时能够更加快速、精确地完成动作。通过将重心下移，机械臂系统的稳定性也得到了进一步增强，有助于在高速或精细操作中保持高效且平稳的运行。
16、本发明的有益效果是：
17、1) 本发明设计的机械臂系统的驱动部分采用了一个具有三个同轴套轴的三自由度多轴单电机，每个轴解耦可控，能够独立驱动，实现高精度的多自由度运动控制；操作部分由三个串联旋转臂及锥齿轮传动部件构成，各旋转臂通过锥齿轮传动实现相互间的运动传递。
18、2) 本发明采用单个具备三轴独立输出能力的电机驱动小型三自由度机械臂构成电驱-机械一体化结构，在极其紧凑的空间内实现了机械臂末端三自由度运动，具有高空间利用率和易于小微型化和系统高度集成的优点。
19、3) 本发明将三个机械臂关节的驱动部分均集中于机械臂系统的底部，使臂杆的惯量和负载大大降低，整体系统的重心也下移，有助于提高机械臂运行的动态响应性，并在高速运动中保持高效和平稳。
20、总之，本发明设计的三自由度小型机械臂系统，扩展了小型机械臂系统的结构类型，具有高空间利用率、易于小微型化、系统高度集成和运行动态响应性高等优点，可以在桌面级尺寸实现高动态的三自由度操作，具有深远的应用价值。
1.一种多轴单电机驱动的三自由度小型机械臂系统，其特征在于：包括三个具有锥齿轮传动部件的旋转臂（1、2、3）和由三个同轴解耦可控的驱动轴（402、403、404）构成的多轴单电机（4），三个旋转臂（1、2、3）依次串联连接且根端分别同步连接多轴单电机（4）的三个驱动轴（402、403、404）的端部，第一旋转臂（1）作为三自由度小型机械臂系统的末端；多轴单电机（4）将三个驱动轴（402、403、404）的共轴心旋转运动通过三个旋转臂（1、2、3）的锥齿轮传动部件转化为三个旋转臂（1、2、3）的三自由度的正交轴旋转运动。
2.根据权利要求1所述的多轴单电机驱动的三自由度小型机械臂系统，其特征在于：所述的多轴单电机（4）还包括电机外壳、一个电机定子（401）和各自独立控制的三个转子（406、407、408），电机定子（401）、三个驱动轴（402、403、404）的根端和三个转子（406、407、408）均位于电机外壳内，大驱动轴（402）、中驱动轴（403）和小驱动轴（404）由外至内依次同轴套装，小驱动轴（404）的根端位于中驱动轴（403）外部，中驱动轴（403）的根端位于大驱动轴（402）外部；三个转子（406、407、408）自靠近三个旋转臂（1、2、3）的一侧依次同轴套装在三个驱动轴（402、403、404）上并不相接触，第一转子（406）的中心同步连接至大驱动轴（402）的根端外周面，第二转子（407）的中心同步连接至中驱动轴（403）的根端外周面，第三转子（408）的中心同步连接至小驱动轴（404）的根端外周面，电机定子（401）同轴间隔套装在三个转子（406、407、408）外，电机外壳套装在电机定子（401）外；大驱动轴（402）的末端同步连接至第三旋转臂（3）的根端，中驱动轴（403）的末端同步连接至第二旋转臂（2）的锥齿轮传动部件，小驱动轴（404）的末端同步连接至第一旋转臂（1）的锥齿轮传动部件。
3.根据权利要求2所述的多轴单电机驱动的三自由度小型机械臂系统，其特征在于：所述的多轴单电机（4）还包括四个滚针轴承（409、410、411、412），第一滚针轴承（409）和第二滚针轴承（410）依次同轴间隔套装在中驱动轴（403）的外周面且位于靠近中驱动轴（403）末端的一侧，大驱动轴（402）的末端内周面同轴套装在第一滚针轴承（409）和第二滚针轴承（410）上，第三滚针轴承（411）套装在小驱动轴（404）的外周面且位于靠近小驱动轴（404）末端的一侧，中驱动轴（403）的末端内周面同轴套装在第三滚针轴承（411）上，第四滚针轴承（412）套装在小驱动轴（404）的外周面且位于靠近小驱动轴（404）根端的一侧，中驱动轴（403）的根端内周面同轴套装在第四滚针轴承（412）上。
4.根据权利要求2所述的多轴单电机驱动的三自由度小型机械臂系统，其特征在于：所述的电机定子（401）的轴向长度大于三个转子（406、407、408）的轴向长度之和，使得三个转子（406、407、408）共用同一个电机定子（401）；三个转子（406、407、408）的中心直径均相同。
5.根据权利要求2所述的多轴单电机驱动的三自由度小型机械臂系统，其特征在于：所述的大驱动轴（402）根端的轴径小于自身末端的轴径，中驱动轴（403）根端的轴径大于自身末端的轴径，小驱动轴（404）根端的轴径大于自身末端的轴径。
6.根据权利要求2所述的多轴单电机驱动的三自由度小型机械臂系统，其特征在于：所述的第三旋转臂（3）包括大臂（301）、第五轴承（23）和第六轴承（24），大臂（301）为冂字型结构，大臂（301）的中部作为第三旋转臂（3）的根端且中心同步连接至多轴单电机（4）的大驱动轴（402）的末端，大臂（301）的两侧的两端作为第三旋转臂（3）的末端且分别通过第五轴承（23）和第六轴承（24）连接至第二旋转臂（2）的锥齿轮传动部件。
7.根据权利要求6所述的多轴单电机驱动的三自由度小型机械臂系统，其特征在于：所述的第二旋转臂（2）包括中臂（201）、第一轴承（19）、第二轴承（20）、第三轴承（21）和第四轴承（22），第二旋转臂（2）的锥齿轮传动部件包括第一大锥齿轮（5）、第二大锥齿轮（7）、第一转动轴（9）和第二转动轴（18），中臂（201）为h型结构，中臂（201）一侧两端作为第二旋转臂（2）的根端且位于第三旋转臂（3）的大臂（301）的末端的两端之间，第一转动轴（9）的两端分别通过第五轴承（23）和第六轴承（24）连接至大臂（301）的末端的两端，第一转动轴（9）的靠近两端部的位置处分别通过第三轴承（21）和第四轴承（22）连接至中臂（201）的根端的两端；中臂（201）另一侧两端作为第二旋转臂（2）的末端，第二转动轴（18）的两端分别通过第一轴承（19）和第二轴承（20）连接至中臂（201）的末端的两端；第一转动轴（9）和第二转动轴（18）相互平行且均垂直于多轴单电机（4）的三个驱动轴（402、403、404）；第一大锥齿轮（5）的中心同步同轴套装在中驱动轴（403）的末端外周面，第二大锥齿轮（7）的中心同步同轴套装在第一转动轴（9）上且和第一大锥齿轮（5）的齿面相互啮合，第二大锥齿轮（7）远离第一大锥齿轮（5）的齿面和中臂（201）的根端的其中一端一体成型；第一旋转臂（1）的锥齿轮传动部件安装在中臂（201）中。
8.根据权利要求7所述的多轴单电机驱动的三自由度小型机械臂系统，其特征在于：所述的第一旋转臂（1）包括小臂（101）、第七轴承（25）和第八轴承（26），第一旋转臂（1）的锥齿轮传动部件包括第一小锥齿轮（6）、第二小锥齿轮（8）、第三小锥齿轮（10）、第四小锥齿轮（11）、第五小锥齿轮（12）和传动杆（17），第一小锥齿轮（6）的中心同步同轴套装在小驱动轴（404）的末端外周面并靠近第一大锥齿轮（5），第二小锥齿轮（8）的中心活动同轴套装在第一转动轴（9）上并位于第二大锥齿轮（7）和中臂（201）的根端的另一端之间且靠近第二大锥齿轮（7），中臂（201）的中心沿自身的长度方向开设有通孔，传动杆（17）套装在中臂（201）的通孔中，传动杆（17）垂直于转动轴（9、18），传动杆（17）的两端位于通孔外且分别通过第七轴承（25）和第八轴承（26）同步同轴套装有第三小锥齿轮（10）和第四小锥齿轮（11），第二小锥齿轮（8）的齿面分别与第一小锥齿轮（6）和第三小锥齿轮（10）相互啮合且位于第一小锥齿轮（6）和第三小锥齿轮（10）之间，第五小锥齿轮（12）的中心同步同轴套装在第二转动轴（18）上且和第四小锥齿轮（11）的齿面相互啮合，第五小锥齿轮（12）远离第四小锥齿轮（11）的齿面和小臂（101）的根端的其中一侧一体成型，小臂（101）的根端通过孔套活动套装在第二转动轴（18）上。
9.根据权利要求8所述的多轴单电机驱动的三自由度小型机械臂系统，其特征在于：所述的第三旋转臂（3）的大臂（301）和第二旋转臂（2）的中臂（201）通过第一转动轴（9）连接，第二旋转臂（2）的中臂（201）和第一旋转臂（1）的小臂（101）通过第二转动轴（18）连接，小臂（101）、中臂（201）和大臂（301）的根端至末端的长度方向均垂直于转动轴（9、18）。
10.根据权利要求1-9任一所述的多轴单电机驱动的三自由度小型机械臂系统的控制方法，其特征在于，包括：所述的三自由度小型机械臂系统在进行控制时，通过多轴单电机（4）的第一转子（406）旋转带动大驱动轴（402）旋转，从而直接第三旋转臂（3）的驱动大臂（301）旋转，使大臂（301）以大驱动轴（402）为旋转轴进行旋转动作；通过多轴单电机（4）的第二转子（407）旋转带动中驱动轴（403）旋转，并依次通过第一大锥齿轮（5）和第二大锥齿轮（7）的传动后间接驱动第二旋转臂（2）的中臂（201）旋转，使中臂（201）以第一转动轴（9）为旋转轴进行旋转动作；通过多轴单电机（4）的第三转子（408）旋转带动小驱动轴（404）旋转，从而依次通过第一小锥齿轮（6）、第二小锥齿轮（8）、第三小锥齿轮（10）、传动杆（17）、第四小锥齿轮（11）和第五小锥齿轮（12）的传动后间接驱动第一旋转臂（1）的小臂（101）旋转，使小臂（101）以第二转动轴（18）为旋转轴进行旋转动作。
