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CN101589980A - 五自由度机械臂 - Google Patents

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CN101589980A
CN101589980A CNA2009100724002A CN200910072400A CN101589980A CN 101589980 A CN101589980 A CN 101589980A CN A2009100724002 A CNA2009100724002 A CN A2009100724002A CN 200910072400 A CN200910072400 A CN 200910072400A CN 101589980 A CN101589980 A CN 101589980A
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China
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joint
shoulder
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elbow
connector
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李瑞峰
关技来
高云峰
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Harbin Institute of Technology Shenzhen
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Harbin Institute of Technology Shenzhen
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Abstract

五自由度机械臂，它涉及一种机械臂。以解决目前为止，无与智能轮椅配套使用的具有定位准确、精度高、质量小、刚度大的机械臂问题。手爪的盘式驱动伺服电机固装在腕回转关节的心轴内，腕回转关节的腕回转关节连接件与腕关节的辅助连接板的上端固接，腕关节的第二连接件的连接端与小臂的上端固接，所述小臂的后下端与肘关节的大齿轮固接，肘关节中的肘关节轴承座与大臂的上端固接，所述大臂的下端与肩关节的第六连接件固接，肩关节的第六连接件与肩回转关节的肩回转关节心轴固接。本发明的机器臂能够代替人类手臂完成某些特定场合的操作任务。其结构简单、定位准确、精度高、质量小、刚度大、功能全面、使用安全可靠，装配及维护简便，成本较低。

Description

五自由度机械臂
技术领域
本发明涉及一种机械臂，具体涉及一种安装在残疾人轮椅上的机械臂。
背景技术
伴随物质极大丰富时代的到来和人类文明程度的提高，人们特别是残疾人愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量和生活自由度。因此，对用于帮助残障人行走的机器人轮椅的研究已逐渐成为热点。智能轮椅是一种帮助行动不便人群的服务机器人。早期的智能轮椅只提供轮椅的基础功能“行走”，由于更多的残障人都行动不方便，这样就催生了在原智能轮椅的基础上加入能模仿人的手臂动作的机械臂的方案，来更好的帮助残障人完成一些如开锁、捡拾小物体的简单任务。带机械手臂的智能轮椅是近年来出现的陪护新概念，国内尚无成型产品。轮椅机械臂手爪带有摄像头能够识别并定位物体，通过电脑的计算实现自动抓取物体，这样就要求轮椅机械臂定位准确，精度要求高，而且要求机械臂本身质量要小、刚度及负载要大。
发明内容
本发明的目的是提供一种五自由度机械臂，以解决目前为止，无与智能轮椅配套使用的并具有定位准确、精度高、质量小、刚度大的机械臂的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明的机械臂由机器臂和手爪构成；所述机器臂由腕回转关节、腕关节、小臂、肘关节、大臂、肩关节和肩回转关节组成；所述手爪的盘式驱动伺服电机固装在腕回转关节的心轴内，所述腕回转关节的腕回转关节连接件与腕关节的辅助连接板的上端固接，腕关节的第二连接件的连接端与小臂的上端固接，所述小臂的后下端与肘关节的大齿轮固接，肘关节中的肘关节轴承座与大臂的上端固接，所述大臂的下端与肩关节的第六连接件固接，肩关节的第六连接件与肩回转关节的肩回转关节心轴固接。
本发明的有益效果是：本发明的机械臂安装在智能轮椅上，实现类似人的手臂的功能。该机械臂具有肩关节回转(M1)、肩关节摆动(M2)、肘关节摆动(M3)、腕关节摆动(M4)和腕关节转动(M5)五个自由度(见图10)。本发明中的机械臂的传动方式采用多个直流伺服电机(直联减速器)的传动方案，手爪采用丝杠螺母机构、齿轮齿条(转动丝杠和齿套)机构和平行四边形机构(由平行杆、手指、手爪座和爪组合构成)组成的组合机构，实现手指的平移夹持运动。该机器臂能够代替人类手臂完成某些特定场合的操作任务。其结构简单、定位准确、精度高、质量小、刚度大、功能全面、使用安全可靠，加工、装配及维护简便，成本较低。此外，本发明还具有结构紧凑、大臂和小臂可以折叠、外形及尺寸与人类手臂相似的优点。本发明的机械臂在人类无法亲临的环境下，具有较高的工作灵活性和适应性，工作空间大。
附图说明
图1是本发明的整体结构主视图；图2是图1的左视图；图3是本发明的折叠状态图；图4是手爪1的主剖视图；图5是腕回转关节2的主剖视图；图6是腕关节3的主视图；图7是肘关节5的主视图；图8是肩关节7的主视图；图9是肩回转关节8的主剖视图；图10是本发明的原理图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～图9说明本实施方式，本实施方式所述机械臂由机器臂和手爪1构成；所述机器臂由腕回转关节2、腕关节3、小臂4、肘关节5、大臂6、肩关节7和肩回转关节8组成；所述手爪1的盘式驱动伺服电机102固装在腕回转关节2的心轴201内(通过螺钉固接)，爪是可更换的，更换各种不同的爪以利于夹持不同形状的物体，所述腕回转关节2的腕回转关节连接件204与腕关节3的辅助连接板301的上端固接，腕关节3的第二连接件311的连接端与小臂4的上端固接，所述小臂4的后下端与肘关节5的大齿轮固接，肘关节5中的肘关节轴承座512与大臂6的上端固接，所述大臂6的下端与肩关节7的第六连接件712固接，肩关节7的第六连接件712与肩回转关节8的肩回转关节心轴802固接，小臂4和大臂6均由铝管制成。
具体实施方式二：结合图1和图5说明本实施方式，本实施方式所述腕回转关节2由心轴201、腕回转关节伺服电机202、腕回转关节外壳203、腕回转关节连接件204和两个腕回转关节轴承205组成；所述心轴201的下端装在腕回转关节外壳203内，心轴201与腕回转关节外壳203之间装有两个腕回转关节轴承205，所述腕回转关节伺服电机202装在心轴201的内腔中，腕回转关节伺服电机202的输出轴穿过心轴201下端面的中心孔与腕回转关节连接件204上端的中心凸台固接，所述腕回转关节外壳203的下端与腕回转关节连接件204的上端固接。在腕回转关节伺服电机202驱动力的作用下，实现了腕关节的回转运动。其它与实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式所述所述手爪1由、盘式驱动伺服电机102、转动丝杠103、手掌104、齿套105、两根手指106、两根平行杆107、两个手爪座108和两只爪109组成；所述盘式驱动伺服电机102的输出轴与转动丝杠103的输入端固接，所述转动丝杠103的输出端穿过手掌104的中心孔设置在手掌104的掌心内，转动丝杠103的丝杠杆上装有与其螺纹连接的齿套105，转动丝杠103的左侧和右侧各设置有一根手指106和一根平行杆107，所述手指106下端的圆弧端面上加工有多个齿，齿套105分别与两根手指106上的齿啮合，手掌104的上端相对转动丝杠103的中心轴线对称设置有两个手爪座108，每个手爪座108的上端面与一只爪109可拆卸连接，且两只爪109相对于转动丝杠103的中心轴线对称设置，每根手指106的两端和每根平行杆107的两端分别与相对应的手掌104和手爪座108铰接。通过盘式驱动伺服电机102带动转动丝杠103转动，使齿套105产生轴向运动，带动手指106，使手指106产生摆动，配合平行杆107形成四杆机构，两组四杆机构使两个手爪座108产生相反方向的平行移动，从而实现两只爪109的等间距夹持运动。这种夹持力度稳定，定位精确。其它与实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1、图5和图6说明本实施方式，本实施方式所述腕关节3由腕关节辅助连接板301、腕关节光电开关302、腕关节码盘片303、腕关节过渡轴304、腕关节大齿轮305、腕关节壳体306、腕关节小齿轮轴307、第一连接件308、腕关节外壳309、腕关节伺服电机310、第二连接件311、腕关节轴承座312、腕关节第一轴承313和两个腕关节第二轴承314组成；所述腕关节大齿轮305和腕关节壳体306装在由腕关节辅助连接板301和腕回转关节连接件204围成的空腔内，腕关节大齿轮305固装在腕关节过渡轴304上，所述腕关节过渡轴304的一端装在腕回转关节连接件204的轴孔内，腕关节过渡轴304的另一端穿过腕关节壳体306的通孔装在腕关节辅助连接板301的安装孔内，腕关节辅助连接板301与腕关节过渡轴304固接，腕关节大齿轮305与腕关节小齿轮轴307上的小齿轮啮合，所述腕关节小齿轮轴307的轴端与腕关节伺服电机310的输出轴固接，所述腕关节伺服电机310固装在腕关节外壳309内，所述第二连接件311的上端与腕关节外壳309的下端固接，所述腕关节过渡轴304上固装有腕关节码盘片303，所述腕关节光电开关302装在由腕关节辅助连接板301和腕回转关节连接件204围成的空腔内，腕关节光电开关302与腕关节码盘片303和腕关节壳体306三者固接，所述腕关节轴承座312装在腕关节小齿轮轴307上，腕关节轴承座312与腕关节小齿轮轴307之间装有两个腕关节第二轴承314，腕关节轴承座312的下端固装在腕关节外壳309内，腕关节轴承座312与第一连接件308固接，第一连接件308与腕关节大齿轮305之间装有腕关节第一轴承313。腕关节小齿轮轴307在腕关节伺服电机310的带动下，将动力传递给腕关节大齿轮305，通过腕关节大齿轮305与腕关节小齿轮轴307的啮合，将动力转向90度，即分成两路，一路带动腕回转关节连接件204使腕部产生摆转运动；一路带动腕关节过渡轴304，由于腕关节过渡轴304与腕关节码盘片303固接，腕关节码盘片303使腕关节光电开关302产生脉冲以测量腕关节位置。其它与实施方式二相同。
具体实施方式五：结合图1和图7说明本实施方式，本实施方式所述肘关节5由肘关节轴端盖501、肘关节光电开关502、肘关节码盘片503、肘关节过渡轴504、肘关节大齿轮505、肘关节小齿轮轴507、第三连接件508、肘关节伺服电机510、肘关节轴承座512、肘关节第一轴承513、两个肘关节第二轴承514和两个肘关节第三轴承515组成；所述小臂4的后下端和肘关节大齿轮505均装在第三连接件508的内腔中，所述肘关节大齿轮505固装在肘关节过渡轴504上，所述肘关节过渡轴504的一端与肘关节码盘片503固接，肘关节过渡轴504的另一端装在小臂4的后下端的中心孔内，所述肘关节码盘片503与肘关节光电开关502固接，肘关节过渡轴504上位于肘关节码盘片503一侧装有肘关节轴端盖501，所述肘关节光电开关502与肘关节轴端盖501固接，肘关节大齿轮505与第三连接件508之间装有肘关节第一轴承513，第三连接件508与肘关节过渡轴504之间装有两个肘关节第三轴承515，肘关节大齿轮505与肘关节小齿轮轴507上的齿轮啮合，肘关节小齿轮轴507的轴端与肘关节伺服电机510的输出轴传动连接，所述肘关节伺服电机510固装在大臂6内，肘关节小齿轮轴507与肘关节轴承座512之间装有两个肘关节第二轴承514，肘关节轴承座512与第三连接件508固接。如此设置，机构紧凑、轻巧。其它与实施方式一或四相同。
具体实施方式六：结合图1和图8说明本实施方式，本实施方式所述肩关节7由肩关节轴端盖701、肩关节光电开关702、肩关节码盘片703、肩关节过渡轴704、肩关节大齿轮705、肩关节小齿轮轴707、第四连接件708、肩关节伺服电机710、第六连接件712、肩关节第一轴承713、肩关节第二轴承714、肩关节第三轴承715和第五连接件716组成；所述第四连接件708的内腔中装有肩关节大齿轮705，所述肩关节大齿轮705固装在肩关节过渡轴704上，所述肩关节过渡轴704的一端与肩关节码盘片703固接，肩关节过渡轴704的另一端装在第五连接件716的中心孔内，所述肩关节码盘片703与肩关节光电开关702固接，肩关节过渡轴704上位于肩关节码盘片703一侧装有肩关节轴端盖701，所述肩关节光电开关702与肩关节轴端盖701固接，肩关节大齿轮705与第四连接件708之间装有肩关节第一轴承513，第四连接件708与肩关节过渡轴704之间装有两个肩关节第三轴承715，肩关节大齿轮705与肩关节小齿轮轴707上的齿轮啮合，肩关节小齿轮轴707的轴端与肩关节伺服电机710的输出轴传动连接，所述肩关节伺服电机710固装在大臂6内，肩关节小齿轮轴707与第六连接件712之间装有两个肩关节第二轴承714，第六连接件712与第四连接件708固接。如此设置，机构紧凑、轻巧。其它与实施方式一相同。
具体实施方式七：结合图1、图8和图9说明本实施方式，本实施方式所述肩回转关节8由肩回转关节心轴802、肩回转关节伺服电机803、肩回转关节安装座804、第七连接件805、压板806、顶丝807和两个肩回转关节轴承808组成；所述肩回转关节伺服电机803装在肩回转关节心轴802内腔中，所述肩回转关节心轴802装在肩回转关节安装座804内，肩回转关节心轴802与肩回转关节安装座804之间装有两个肩回转关节轴承808，肩回转关节伺服电机803与第六连接件712固接，肩回转关节伺服电机803的输出轴上装有第七连接件805，肩回转关节伺服电机803的输出轴上加工有平面，所述压板806装在肩回转关节伺服电机803输出轴的平面上，压板806上装有顶丝807，肩回转关节伺服电机803的输出轴通过压板806和顶丝807与第七连接件805固接。如此设置，在肩回转关节伺服电机803的驱动下实现大臂6绕肩回转关节安装座804的回转运动。其它与实施方式六相同。
工作原理：布局上大臂6和小臂4可以折叠在一起。肩回转关节8、肩关节7、肘关节5、腕关节3和腕回转关节2各具有一个自由度，分别由一个伺服电机(直联减速器)驱动，伺服电机(减速器)置放在臂的内部，有效利用了空间。通过第七连接件805将机器臂与智能轮椅连接在一起。本发明中所使用的伺服电机均带有减速器。

Claims (8)

1、一种五自由度机械臂，其特征在于：所述机械臂由机器臂和手爪(1)构成；所述机器臂由腕回转关节(2)、腕关节(3)、小臂(4)、肘关节(5)、大臂(6)、肩关节(7)和肩回转关节(8)组成；所述手爪(1)的盘式驱动伺服电机(102)固装在腕回转关节(2)的心轴(201)内，所述腕回转关节(2)的腕回转关节连接件(204)与腕关节(3)的辅助连接板(301)的上端固接，腕关节(3)的第二连接件(311)的连接端与小臂(4)的上端固接，所述小臂(4)的后下端与肘关节(5)的大齿轮固接，肘关节(5)中的肘关节轴承座(512)与大臂(6)的上端固接，所述大臂(6)的下端与肩关节(7)的第六连接件(712)固接，肩关节(7)的第六连接件(712)与肩回转关节(8)的肩回转关节心轴(802)固接。
2、根据权利要求1所述五自由度机械臂，其特征在于：所述腕回转关节(2)由心轴(201)、腕回转关节伺服电机(202)、腕回转关节外壳(203)、腕回转关节连接件(204)和两个腕回转关节轴承(205)组成；所述心轴(201)的下端装在腕回转关节外壳(203)内，心轴(201)与腕回转关节外壳(203)之间装有两个腕回转关节轴承(205)，所述腕回转关节伺服电机(202)装在心轴(201)的内腔中，腕回转关节伺服电机(202)的输出轴穿过心轴(201)下端面的中心孔与腕回转关节连接件(204)上端的中心凸台固接，所述腕回转关节外壳(203)的下端与腕回转关节连接件(204)的上端固接。
3、根据权利要求2所述五自由度机械臂，其特征在于：所述手爪(1)由盘式驱动伺服电机(102)、转动丝杠(103)、手掌(104)、齿套(105)、两根手指(106)、两根平行杆(107)、两个手爪座(108)和两只爪(109)组成；所述盘式驱动伺服电机(102)的输出轴与转动丝杠(103)的输入端固接，所述转动丝杠(103)的输出端穿过手掌(104)的中心孔设置在手掌(104)的掌心内，转动丝杠(103)的丝杠杆上装有与其螺纹连接的齿套(105)，转动丝杠(103)的左侧和右侧各设置有一根手指(106)和一根平行杆(107)，所述手指(106)下端的圆弧端面上加工有多个齿，齿套(105)分别与两根手指(106)上的齿啮合，手掌(104)的上端相对转动丝杠(103)的中心轴线对称设置有两个手爪座(108)，每个手爪座(108)的上端面与一只爪(109)可拆卸连接，且两只爪(109)相对于转动丝杠(103)的中心轴线对称设置，每根手指(106)的两端和每根平行杆(107)的两端分别与相对应的手掌(104)和手爪座(108)铰接。
4、根据权利要求2所述五自由度机械臂，其特征在于：所述腕关节(3)由腕关节辅助连接板(301)、腕关节光电开关(302)、腕关节码盘片(303)、腕关节过渡轴(304)、腕关节大齿轮(305)、腕关节壳体(306)、腕关节小齿轮轴(307)、第一连接件(308)、腕关节外壳(309)、腕关节伺服电机(310)、第二连接件(311)、腕关节轴承座(312)、腕关节第一轴承(313)和两个腕关节第二轴承(314)组成；所述腕关节大齿轮(305)和腕关节壳体(306)装在由腕关节辅助连接板(301)和腕回转关节连接件(204)围成的空腔内，腕关节大齿轮(305)固装在腕关节过渡轴(304)上，所述腕关节过渡轴(304)的一端装在腕回转关节连接件(204)的轴孔内，腕关节过渡轴(304)的另一端穿过腕关节壳体(306)的通孔装在腕关节辅助连接板(301)的安装孔内，腕关节辅助连接板(301)与腕关节过渡轴(304)固接，腕关节大齿轮(305)与腕关节小齿轮轴(307)上的小齿轮啮合，所述腕关节小齿轮轴(307)的轴端与腕关节伺服电机(310)的输出轴固接，所述腕关节伺服电机(310)固装在腕关节外壳(309)内，所述第二连接件(311)的上端与腕关节外壳(309)的下端固接，所述腕关节过渡轴(304)上固装有腕关节码盘片(303)，所述腕关节光电开关(302)装在由腕关节辅助连接板(301)和腕回转关节连接件(204)围成的空腔内，腕关节光电开关(302)与腕关节码盘片(303)和腕关节壳体(306)三者固接，所述腕关节轴承座(312)装在腕关节小齿轮轴(307)上，腕关节轴承座(312)与腕关节小齿轮轴(307)之间装有两个腕关节第二轴承(314)，腕关节轴承座(312)的下端固装在腕关节外壳(309)内，腕关节轴承座(312)与第一连接件(308)固接，第一连接件(308)与腕关节大齿轮(305)之间装有腕关节第一轴承(313)。
5、根据权利要求1或4所述五自由度机械臂，其特征在于：所述肘关节(5)由肘关节轴端盖(501)、肘关节光电开关(502)、肘关节码盘片(503)、肘关节过渡轴(504)、肘关节大齿轮(505)、肘关节小齿轮轴(507)、第三连接件(508)、肘关节伺服电机(510)、肘关节轴承座(512)、肘关节第一轴承(513)、两个肘关节第二轴承(514)和两个肘关节第三轴承(515)组成；所述小臂(4)的后下端和肘关节大齿轮(505)均装在第三连接件(508)的内腔中，所述肘关节大齿轮(505)固装在肘关节过渡轴(504)上，所述肘关节过渡轴(504)的一端与肘关节码盘片(503)固接，肘关节过渡轴(504)的另一端装在小臂(4)的后下端的中心孔内，所述肘关节码盘片(503)与肘关节光电开关(502)固接，肘关节过渡轴(504)上位于肘关节码盘片(503)一侧装有肘关节轴端盖(501)，所述肘关节光电开关(502)与肘关节轴端盖(501)固接，肘关节大齿轮(505)与第三连接件(508)之间装有肘关节第一轴承(513)，第三连接件(508)与肘关节过渡轴(504)之间装有两个肘关节第三轴承(515)，肘关节大齿轮(505)与肘关节小齿轮轴(507)上的齿轮啮合，肘关节小齿轮轴(507)的轴端与肘关节伺服电机(510)的输出轴传动连接，所述肘关节伺服电机(510)固装在大臂(6)内，肘关节小齿轮轴(507)与肘关节轴承座(512)之间装有两个肘关节第二轴承(514)，肘关节轴承座(512)与第三连接件(508)固接。
6、根据权利要求1所述五自由度机械臂，其特征在于：所述肩关节(7)由肩关节轴端盖(701)、肩关节光电开关(702)、肩关节码盘片(703)、肩关节过渡轴(704)、肩关节大齿轮(705)、肩关节小齿轮轴(707)、第四连接件(708)、肩关节伺服电机(710)、第六连接件(712)、肩关节第一轴承(713)、肩关节第二轴承(714)、肩关节第三轴承(715)和第五连接件(716)组成；所述第四连接件(708)的内腔中装有肩关节大齿轮(705)，所述肩关节大齿轮(705)固装在肩关节过渡轴(704)上，所述肩关节过渡轴(704)的一端与肩关节码盘片(703)固接，肩关节过渡轴(704)的另一端装在第五连接件(716)的中心孔内，所述肩关节码盘片(703)与肩关节光电开关(702)固接，肩关节过渡轴(704)上位于肩关节码盘片(703)一侧装有肩关节轴端盖(701)，所述肩关节光电开关(702)与肩关节轴端盖(701)固接，肩关节大齿轮(705)与第四连接件(708)之间装有肩关节第一轴承(513)，第四连接件(708)与肩关节过渡轴(704)之间装有两个肩关节第三轴承(715)，肩关节大齿轮(705)与肩关节小齿轮轴(707)上的齿轮啮合，肩关节小齿轮轴(707)的轴端与肩关节伺服电机(710)的输出轴传动连接，所述肩关节伺服电机(710)固装在大臂(6)内，肩关节小齿轮轴(707)与第六连接件(712)之间装有两个肩关节第二轴承(714)，第六连接件(712)与第四连接件(708)固接。
7、根据权利要求6所述五自由度机械臂，其特征在于：所述肩回转关节(8)由肩回转关节心轴(802)、肩回转关节伺服电机(803)、肩回转关节安装座(804)、连接件(805)、压板(806)、顶丝(807)和两个肩回转关节轴承(808)组成；所述肩回转关节伺服电机(803)装在肩回转关节心轴(802)内腔中，所述肩回转关节心轴(802)装在肩回转关节安装座(804)内，肩回转关节心轴(802)与肩回转关节安装座(804)之间装有两个肩回转关节轴承(808)，肩回转关节伺服电机(803)与第六连接件(712)固接，肩回转关节伺服电机(803)的输出轴上装有第七连接件(805)，肩回转关节伺服电机(803)的输出轴上加工有平面，所述压板(806)装在肩回转关节伺服电机(803)输出轴的平面上，压板(806)上装有顶丝(807)，肩回转关节伺服电机(803)的输出轴通过压板(806)和顶丝(807)与第七连接件(805)固接。
8、根据权利要求1所述五自由度机械臂，其特征在于：所述小臂(4)和大臂(6)均由铝管制成。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Assignee: KUNSHAN ZHANDA INTELLIGENT TECHNOLOGY CO., LTD.

Assignor: Harbin Institute of Technology

Contract record no.: 2012230000159

Denomination of invention: Five degree-of-freedom manipulator

Granted publication date: 20101110

License type: Exclusive License

Open date: 20091202

Record date: 20120328

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Granted publication date: 20101110

Termination date: 20170630

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